Monitorowanie właściwości użytkowych olejów silnikowych w okresie eksploatacji

Niezbędnym warunkiem sprawnej i długotrwałej pracy nowoczesnych silników spalinowych jest wysoka jakość środka smarującego, w tym bazy olejowej i pakietu dodatków uszlachetniających.

Decydujący wpływ na rozwój dodatków uszlachetniających środków smarowych ma ciągły postęp w konstrukcji silników spalinowych o zachodzące zmiany w wymaganiach olejów silnikowych. Klienci oczekują w swoim samochodzie silnika nowoczesnego, oszczędnego, trwałego i zapewniającego dobre osiągi przez cały okres eksploatacji oraz wydłużonych okresów wymian oleju silnikowego. Oczekiwaniom tym starają się sprostać producenci samochodów i wytwórcy środków smarowych, traktując olej silnikowy jako istotny element konstrukcyjny silnika.

Olej silnikowy jako element konstrukcyjny silnika
W ostatnich latach o jakości olejów silnikowych decydują wymagania z zakresu ochrony środowiska (szczególnie z zakresu emisji spalin). Wymagania te w zasadniczy sposób wpłynęły na:
- konstrukcję silników samochodowych (bezpośredni wtrysk, turbodoładowanie, recyrkulacja spalin, stosowanie coraz bardziej efektywnych katalizatorów i filtrów spalin);
- wprowadzenie nowych gatunków paliw, w tym alternatywnych (niskosiarkowych, gaz LPG i CNG oraz biopaliw);
- wprowadzenie do stosowania olejów silnikowych energooszczędnych i o wydłużonych przebiegach eksploatacyjnych (wymianach).

Wszystkie te rozwiązania znajdują odbicie w rozwoju technologii olejów silnikowych, baz olejowych oraz pakietów dodatków uszlachetniających. Nowe rozwiązania konstrukcyjne silników samochodowych i postęp w zakresie paliw prowadzą w konsekwencji do “specjalizacji” olejów silnikowych.

Dobór oleju smarującego do silnika
Bardzo ważnym zagadnieniem dotyczącym poprawnej pracy i trwałości silnika jest właściwy dobór oleju smarującego. Powinien on zostać rozstrzygnięty już na etapie projektowania silnika. Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne silników dają siłę napędową rozwoju specyfikacji i powstawania nowych kategorii jakościowych olejów silnikowych. Standardy wytyczone przez klasyfikację jakościową i lepkościową stanowią podstawowe kryterium doboru oleju silnikowego przez konstruktora i są przekazane jako zalecenia dla użytkownika.

Klasyfikacja jakościowa: pozwala na dobór uzależniony od konstrukcji silnika, wysilenia, obciążeń cieplnych oraz jakości stosowanego paliwa;

Klasyfikacja lepkościowa: pozwala na dobór uzależniony od przewidywanych warunków pracy silnika, strefy klimatycznej użytkowania oraz ogólnego stanu technicznego silnika.

Oczekiwania użytkownika związane z wyborem oleju silnikowego, a dotyczące eksploatacji obejmują kwestie:
- żywotności silnika;
- osiągów silnika;
- mniejszego zużycia paliwa;
- bezawaryjnej pracy.

Kryteria doboru parametrów oceny stopnia degradacji oleju silnikowego w eksploatacji
Wieloletnie obserwacje pozwoliły na stwierdzenie, że specyfika konstrukcji, określone parametry pracy silnika, rodzaj stosowanego paliwa i oleju silnikowego to elementy mające wpływ na intensywność procesów degradacji oleju smarowego w eksploatacji. Typując właściwości fizykochemiczne oleju silnikowego, których monitorowanie ma stanowić kryterium oceny stopnia degradacji oleju, należy brać pod uwagę następujące procesy
zachodzące podczas eksploatacji:
- reakcje zobojętniania kwaśnych produktów spalin przez dodatki neutralizujące;
- reakcje oksydacji węglowodorów związane wysokotemperaturowym oddziaływaniem tlenu obecnego w komorze spalania;
- reakcje nitratacji, przez które rozumiemy reakcje zachodzące podczas kontaktu składników olejów smarowych, głównie węglowodorów z tlenkami azotu, powstałymi w warunkach pracy silnika (zwłaszcza tych sprzyjających powstawaniu wysokich temperatur i średnich ciśnień spalania w komorach) prowadzące do powstawania azotanów organicznych; pojęcie to wprowadzono, aby odróżnić tego rodzaju procesy od znanych z preparatyki organicznej procesów nitrowania;
- analogiczne reakcje tlenków siarki wobec pary wodnej przy podwyższonym ciśnieniu, prowadzące do powstawania produktów sulfonacji;
- reakcje degradacji składników niewęglowodorowych (głównie dodatków uszlachetniających), prowadzące do częściowej lub całkowitej utraty określonych właściwości eksploatowanego oleju silnikowego, np. obniżanie się liczby zasadowej, rozpad dodatków przeciwzużyciowych typu ditiofosforanów, czy procesy mechanochemiczne (procesy ścinania) dodatków modyfikujących właściwości reologiczne oleju;
- reakcje interakcji pomiędzy związkami powierzchniowo czynnymi, dodatkami uszlachetniającymi, obecnymi zarówno w oleju smarowym i paliwie, co może zmieniać właściwości detergentowo-dyspergujace oleju silnikowego i prowadzić do powstawania zawiesin, szlamów, laków lub rozmaitych wytrąceń o zróżnicowanym składzie chemicznym;
- przechodzenie do oleju silnikowego wyżej wrzących komponentów paliwa, czego skutkiem mogą być zmiany charakterystyk lepkościowych oleju;
- kumulowanie się w oleju silnikowym w trakcie eksploatacji innych zanieczyszczeń różnego pochodzenia, jak np. produktów spalania, takich jak woda (co może powodować hydrolizę niektórych dodatków) czy sadza, co głównie dotyczy silników z zapłonem samoczynnym, a także pyłów i mineralnych zanieczyszczeń środowiskowych, co może skutkować zwiększonym zużyciem elementów silnika;
- awaryjne przecieki do oleju smarującego silnik glikolu etylenowego, pochodzącego z płynu chłodniczego.
Należy jednak pamiętać, że analiza właściwości fizykochemicznych oleju w eksploatacji może dostarczyć cennych informacji pod warunkiem, że badania będą prowadzone stosownymi metodami. W tym celu grupa robocza CEC IL-21 opracowała procedurę CEC M-13-T-92, obejmującą zalecane znormalizowane metody analizy olejów silnikowych w eksploatacji. Powyższa procedura stanowi podstawę w zakresie sposobu badań oleju silnikowego w eksploatacji. Przyjęte metody badań zamieszczono w tabeli.

Tabela 1. Stosowane metody badań do oceny właściwości fizykochemicznych oleju silnikowego przewidzianych klasyfikacją jakościową API i procedurą CEC M-13-T-92.

Ocena stopnia degradacji oleju silnikowego w eksploatacji powinna uwzględniać również szeroko zakrojone prace normalizacyjne w grupach roboczych ASTM, obejmujące zagadnienia oznaczania stopnia nitratacji, oksydacji, produktów ubocznych sulfonowania, zawartości sadzy, paliwa, zanieczyszczeń glikolem etylenowym, wodą oraz monitorowaniem zmian zawartości dodatków przeciwzużyciowych technikami analizy spektralnej w podczerwieni z transformacją fourierowską. Nowe rozwiązania konstrukcyjne silników stawiają coraz większe wymagania w odniesieniu do paliw i olejów silnikowych. Nowoczesny silnik spalinowy wymaga indywidualnego dobrania i stosowania oleju smarującego o odpowiedniej jakości, uwzględniając jego klasę lepkości oraz biorąc pod uwagę wysokie obciążenie cieplne silnika, ilość gorących i agresywnych gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej, konieczność szybkiej recyrkulacji i efektywnego smarowania w każdych warunkach pracy silnika. Zachodzące w okresie eksploatacji oleju silnikowego procesy starzenia (degradacji) powodują zmianę jego właściwości użytkowych. Zmiany te są spowodowane zarówno procesami chemicznymi, którym ulegają składniki oleju, jak też wpływem zanieczyszczeń przedostających się do oleju (metali pochodzących ze zużycia silnika) w warunkach eksploatacji. Ocenę właściwości użytkowych olejów silnikowych wytypowanych do smarowania nowoczesnych silników samochodowych należy przeprowadzać w warunkach intensywnej eksploatacji. Uzyskane wyniki badań laboratoryjnych, stanowiskowych i eksploatacyjnych wysokojakościowych olejów silnikowych przeznaczonych do smarowania nowoczesnych silników samochodowych stanowią wystarczającą gwarancję ich właściwości użytkowych.

Janusz Jakóbiec
Grzegorz Wysopal