Lepkość ma znaczenie

Bizol
9.4.2018

Ponieważ silnik spalinowy jest tak bardzo zależny od oleju, szybko pojawiła się potrzeba standaryzacji oleju silnikowego, co zostało szybko zrealizowane.

Olej silnikowy jest niezbędnym składnikiem silnika spalinowego. Bez oleju silnik nie będzie działał. Ten fakt został zrozumiany już na samym początku ponad stuletniej historii motoryzacji. W pojeździe Benz Patent Motor Car, który został publicznie zaprezentowany 1886 r. i uznaje się go za pierwszy pojazd produkcyjny napędzany czterosuwowym silnikiem spalinowym, zastosowano rzadkie i mało znane smarowanie kroplowe i smarownicę kapturową. Jednak pierwszy w historii masowo produkowany samochód, słynny Ford Model T, wprowadzony na rynek w 1908 r., wykorzystywał już system rozpryskiwania oleju, który jest koncepcyjnie podobny do tego, co widzimy we współczesnych samochodach, z tym że zarówno silnik, jak i skrzynia biegów Forda T, pracowały na tym samym oleju.

Już w 1911 r. przyjęto pierwszą klasyfikację olejów silnikowych przez nowo założone Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych (SAE). Była to, tzw. Specyfikacja nr 26 - uszeregowała ona oleje silnikowe na podstawie ciężaru właściwego, punktów zapłonu i temperatury palenia się. Oleje o większej lepkości były "cięższe" i miały wyższe temperatury zapłonu i palenia się. Od tamtej pory - nawet obecnie - oleje silnikowe są czasami nadal określane wagowo, chociaż lepkość oleju zaczęła być używana jako podstawowy parametr dla wszystkich przyszłych specyfikacji SAE od 1923 r. Najnowsza specyfikacja SAE J300 została przyjęta w 2015 r. i określa cztery różne typy lepkości: lepkość kinematyczną w 100°C (KV100), maksymalną dopuszczalną lepkość strukturalną (CCS), graniczną temperaturę pompowalności, lepkość wysokotemperaturową (HTHS). Dlatego też, można śmiało stwierdzić, że lepkość ma znaczenie.

Lepkość oleju jest istotnym parametrem definiującym jego przydatność do określonego celu. Wszystkie ruchome części silnika poruszają się na filmie olejowym. Kontakt nienasmarowanego metalu z innym elementem metalowym może mieć katastrofalne skutki i należy tego unikać. Aby olej mógł spełnić swoją funkcję, musi dotrzeć w odpowiednim czasie do krytycznych punktów wymagających smarowania. Przepływ oleju przez kanały lub główny przewód olejowy w silniku jest w dużej mierze zdeterminowany jego lepkością kinematyczną, dlatego KV100 jest pierwszą rzeczą, którą należy wziąć pod uwagę przy doborze odpowiedniego produktu. Jednak samochodem jeździ się przez cały rok, warunki panujące latem są diametralnie inne niż zimą. Wraz ze spadkiem temperatury olej silnikowy staje się coraz bardziej lepki, przekształcając się w stałą substancję podobną do mydła. Jeśli tak się stanie, uruchomienie silnika może okazać się niemożliwe.

Właśnie dlatego klasyfikacja SAE J300 wymienia również lepkość CCS i graniczną temperaturę pompowalności. W końcu, przy dużym obciążeniu silnika, temperatura oleju w łożyskach może wzrosnąć do 150-200° C, a jednocześnie bardzo duże siły ścinające mają tendencję do rozdrabniania cząsteczek oleju na mniejsze fragmenty. W rezultacie spada lepkość oleju. Aby zagwarantować odpowiednie smarowanie łożysk w tak trudnych warunkach, SAE J300 określa minimalną lepkość HTHS (wysokotemperaturową) dla każdej klasy lepkości.

Zbyt wysoka lepkość oleju nie jest korzystna, albowiem olej może nie dotrzeć na czas do wszystkich elementów i nie odprowadzić ciepła wystarczająco szybko. Jednak użycie oleju o większej lepkości niż zalecany, nie niesie za sobą katastrofalnych skutków, w końcu zdarza się to za każdym razem, gdy uruchamiany jest zimny silnik. O wiele bardziej niebezpieczna jest zbyt niska lepkość, olej wówczas łatwo ścieka i nie wytwarza wystarczającego ciśnienia. Powoduje to szybkie zużycie łożysk, przetarcie tłoków, pierścieni, a nawet zatarcie. Niemal na pewno spowoduje to zwiększone zużycie oleju.

Wiele istotnych podsystemów w silniku w znacznym stopniu zależy od ciśnienia oleju, na przykład hydrauliczne napinacze łańcucha rozrządu i układy zmiennych faz rozrządu (VVT). Jeśli ciśnienie oleju jest niskie, systemy te mogą nie działać poprawnie: napinacze łańcucha nie będą w stanie wytworzyć wystarczającego ciśnienia, aby wyeliminować luz łańcucha, co może zaburzyć pracę wałków rozrządu. Przesunięcie czasowe w pracy krzywek zaworowych wpłynie na osiągi, zużycie paliwa i emisję spalin i ewentualnie zapalenie kontrolki silnika (tzw. "Check Engine").

Tradycyjne oleje bazowe wykorzystywane do produkcji smarów otrzymywane są w procesie destylacji i oczyszczania surowej ropy naftowej. Lekkie frakcje destylatów są wykorzystywane do produkcji różnych rodzajów paliw, stanowiących główne źródło zysków dla rafinerii, natomiast ciężkie frakcje znajdują zastosowanie przy produkcji smarów i niektórych innych produktów, w tym asfaltu i wosku.
Przez długi czas produkcja środków smarnych była uważana za tani koniec procesu rafinacji ropy naftowej, próbując przekształcić uboczny produkt wytwarzania paliwa w produkt o wartości dodanej.

Najważniejsze oleje bazowe, które stosowano do opracowywania smarów do skrzyń korbowych, to oleje o lepkości od 100 do 600 SUS (20 do 130 cSt przy 100°F), jak również mineralne oleje bazowe o najwyższej klasie lepkości, w zakresie od 1000 do 5000 SUS, tzw. bright stock.

Jednak w ostatnich dziesięcioleciach obserwuje się ciągły spadek produkcji i wykorzystania konwencjonalnych mineralnych olejów bazowych (tworzących grupę API I). Stary proces rafinacji rozpuszczalnikiem ustępuje miejsca bardziej nowoczesnemu, oszczędnemu i czystemu dla środowiska procesowi nazywanego hydrorafinacją, który jest wykorzystywany do produkcji olejów bazowych z grupy API II i III.


Jedną z głównych wad hydrorafinacji jest to, że nie może ona wytwarzać produktów o wysokiej lepkości – nie więcej niż 200 SUS. W związku z tym nowoczesne środki smarne są w dużym stopniu uzależnione od zagęszczaczy polimerowych. Te substancje mają również inną użyteczną funkcję - zwiększają indeks lepkości oleju (VI – viscosity index), stąd ich nazwa - polepszacze indeksu lepkości (VII- viscosity index improvers).

Obecnie większość olejów silnikowych to produkty wielosezonowe, ponieważ zapewniają odpowiednie osiągi zarówno w zimnym, jak i gorącym klimacie. Są one opisane dwiema cyframi, np.: SAE 10W-40, pierwsza cyfra - 10, po której następuje "W" - odnosi się do osiągów w niskich temperaturach. Zasadniczo mówi się, że w zimie olej ten zachowuje się jak olej jednosezonowy (zimowy), klasy SAE 10W: powinien umożliwiać uruchomienie silnika w temperaturze -25°C i nie utraci swojej zdolności do przepływu w temperaturach do -30°C. Druga liczba – 40, mówi, że latem ten sam olej zachowuje się jak dotychczasowy letni klasy SAE 40: ma KV100 w zakresie 12,5-16,3 cSt, a lepkość HTHS minimum 3,5 cP.

Im większa różnica między drugą a pierwszą wartością, tym zakres temperatur, w którym olej zachowuje swoje właściwości jest szerszy. Oleje, takie jak 0W-40, 5W-50 i 10W-60, mają indeks lepkości ok. 180, choć możliwe jest zwiększenie tego parametru do nawet 200-220. Wysoki wskaźnik jest cechą pożądaną, ponieważ olej wykazuje wówczas większą stabilność w zakresie lepkości, mimo zmian temperatury. Co ważne, zakres korzyści zależy od tego, w jaki sposób osiągnięto wysoką lepkość, ponieważ może się za tym procesem kryć wiele niebezpieczeństw.

Spójrzmy na przykład, jak w praktyce stosuje się polimerowe wzmacniacze indeksu lepkości. Załóżmy, że mamy olej bazowy z grupy API II 150N o parametrach KV40 = 28 cSt i KV100 = 5,2 cSt (VI = 109). Po dodaniu polepszacza indeksu lepkości, w postaci 15% kopolimeru olefinowego (OCP) takiego jak Paratone 8006, otrzymamy produkt o zwiększonej zawartości polimerów o KV40 = 83 cSt i KV100 = 12 cSt (VI = 140). W efekcie współczynnik lepkości wzrósł z 109 do 140. Jak sprawdzić, czy jest to mieszanina oleju z polimerem, czy niezawierający polimerów olej 600N? Pierwszą rzeczą, którą należy sprawdzić, jest temperatura zapłonu: oleje zagęszczone polimerami będą miały prawie taką samą temperaturę zapłonu jak oryginalny olej bazowy (150N, FP 220oC), która jest znacznie niższa niż temperatura zapłonu oleju bazowego bez polimerów (600N, FP 270oC). Drugim istotnym parametrem, który można zbadać jest odparowalność: oleje zagęszczone polimerami wykazują prawie taką samą odparowalność jak oryginalny olej bazowy (150N, 15% mas. Noack), która jest znacznie wyższa niż niezawierającego polimerów oleju bazowego (600N, 2% mas. Noack).

Wniosek z tego jest taki, że polepszacze lepkości należy stosować ostrożnie i z umiarem. Pomimo że pomagają one poprawić wiskozymetrię produktu, to inne ważne cechy mogą zostać pominięte. Ich nadmierne użycie może zagrozić stabilności ścinania - dlatego SAE J300 określa zakres HTHS dla każdej klasy lepkości, a stosowane komercyjnie polepszacze lepkości charakteryzują się indeksem stabilności ścinania (SSI). Inne problemy, jakie mogą towarzyszyć używaniu wspomnianych polimerów to utlenianie, zagęszczanie i żelowanie oleju.

Istnieją znaczne różnice pomiędzy poszczególnymi klasami polepszaczy współczynnika lepkości pod względem wydajności, stabilności ścinania, rozpuszczalności i oczywiście ceny. Kopolimery olefinowe (OCP) stały się obecnie standardowym rozwiązaniem, wykorzystywane są przede wszystkim w produktach, niskobudżetowych, podczas gdy styren i polialkilometakryl (PAMA) są coraz częściej stosowane w produktach najwyższej jakości. Fakt ten świadczy o tym, że dane o lepkości, o których mowa w klasyfikacji SAE J300, nadal nie pokazują wszystkiego: można dopasować wszystkie cztery „rodzaje” lepkości i nadal widać różnice w wydajności produktu. Dzieje się tak, ponieważ tradycyjna wiskozymetria nie mówi nic o stabilności chemicznej molekuł polepszaczy lepkości, ich możliwych interakcjach z innymi składnikami preparatów smarnych, czy też o nienewtonowskich zachowaniach reologicznych filmu olejowego zawierającego polimery.

Obecnie oleje o mniejszej lepkości zaleca się w celu zmniejszenia zużycia paliwa. Należy jednak pamiętać, że w pracującym silniku smar w skrzyni korbowej jest zawsze w pewnym stopniu "rozcieńczany" paliwem. Stopień rozcieńczenia zależy od rodzaju silnika i warunków jazdy. Ruch miejski, charakteryzujący się permanentnym ruszaniem się i zatrzymywaniem jest jednym z niekorzystnych scenariuszy. W najgorszym wypadku olej może zawierać nawet 10-15% paliwa. Innym przypadkiem jest jazda z dużą prędkością, na przykład w wyścigach samochodów seryjnych, gdzie do chłodzenia silników celowo stosuje się bogate mieszanki paliwowo-powietrzne. W wyniku rozcieńczenia paliwem, olej silnikowy łatwo spada o jeden stopień, np. 5W-30 nagle zmienia się w 5W-20. Olej również się rozrzedza, gdy silnik jest mocno obciążony i gorący, na przykład podczas ciągnięcia przyczepy.

Niektórzy producenci mają tendencję do wprowadzania większego marginesu bezpieczeństwa w swoich recepturach, ustawiając docelową lepkość KV 100 pośrodku poszczególnych klas lepkości, a lepkość wysokotemperaturową (HTHS) znacznie powyżej dopuszczalnej wartości minimalnej. Inni starają się przesuwać granicę tak, aby maksymalnie zredukować zużycie paliwa. Na przykład, 5W-40 z KV100 = 14,5 cSt jest odporny na rozcieńczenie paliwem o 4-5%, nie spadając przy tym z klasy. Podobny produkt, przyczyniający się do oszczędności paliwa, przy takich samych parametrach (5W-40 o KV100 = 13,0 cSt) przy zaledwie 2% rozcieńczeniu paliwem spadnie o jedną klasę. W związku z tym, bezpieczniej jest stosować wyższą klasę niż rekomenduje to producent silnika, ale nie warto używać olejów rzadszych niż zalecane.

 

Reklama

Olej ekonomiczny

Reklama

Wysokowydajny olej

Najtańszy dostępny lokalnie olej bazowy

+

Najtańszy polepszacz współczynnika lepkości o przeciętnej stabilności ścinania

+

Podstawowy, ekonomiczny pakiet detergentów i inhibitorów korozji dający minimalną zgodność z wymaganiami

+

Stosowanie niezdefiniowanych ulepszaczy, w celu jeszcze większego obniżenia kosztów.

Zaprojektowane zgodnie z przeznaczeniem mieszaniny w pełni syntetycznych olejów bazowych o wysokiej lepkości z grupy API III, IV, V zawierające poli-alfa-olefiny i alkilowane naftaleny dla poprawy rozpuszczalności, stabilności, kompatybilności z układem uszczelnień, jak również estry i OSP dla lepszej smarowności i wydajności w wysokich temperaturach.

+

Najnowocześniejsze dodatki poprawiające wskaźnik lepkości, niezawierające kopolimeru olefinowego (OCP) oraz COMB LubriBoost – dodatek, który nadaje filmowi olejowemu właściwości żelowe, dzięki czemu olej idealnie wiąże się z metalową powierzchnią

+

Specjalnie dopasowany pakiet detergentów i inhibitorów korozji, aby zapewnić maksymalną wydajność produktu i zgodność w jak najszerszym zakresie ze specyfikacjami OEM.

Źródło: Bizol

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę