Oleje silnikowe

fot. FuchsZgodna z zaleceniami (terminowa) wymiana oleju silnikowego jest bardzo istotna. W silnikach zasilanych LPG olej przy wymianie wizualnie sprawia wrażenie nie zużytego jednak potencjał dodatków odpowiedzialnych za określone właściwości jest z pewnością w znacznym stopniu uszczuplony

Ponadto spełnia również wiele innych funkcji, wśród których należy wymienić:

• wspomaganie chłodzenia silnika,
• uszczelnienie komory spalania,
• usuwanie zanieczyszczeń i produktów spalania,
• ochrona przed korozją wnętrza silnika.

Olej silnikowy zmniejsza tarcie i mechaniczne zużycie ruchomych elementów silnika. Bez względu na warunki eksploatacji musi tworzyć na smarowanych powierzchniach trwałą warstwę (film olejowy) o odpowiedniej grubości. Zapobiega ona występowaniu tarcia suchego, czyli bezpośredniego zetknięcia współpracujących powierzchni. Dzięki obecności warstwy oleju pomiędzy współpracującymi powierzchniami występuje zjawisko tarcia półpłynnego lub płynnego. Funkcja chłodząca oleju jest szczególnie istotna w silniku spalinowym. Olej odbiera od smarowanych powierzchni ciepło i jest schładzany w misce olejowej.

Ważną rolą oleju jest również uszczelnienie przestrzeni pomiędzy pierścieniami tłokowymi a gładzią cylindrową, co zapewnia utrzymanie odpowiednich ciśnień w cylindrach i właściwą pracę silnika. W tych właśnie warunkach (wysoka temperatura) bardzo ważna jest odpowiednia lepkość oleju, niezbędna do uszczelnienia wszystkich luzów. Olej silnikowy nie pozwala na zbijanie się zanieczyszczeń powstających w procesie spalania w większe cząstki i utrzymuje je w rozproszeniu w swej objętości, dzięki czemu wnętrze silnika jest chronione przed odkładaniem zanieczyszczeń i występowaniem korozji.

Ropa naftowa

Zwyczajowo nazwa „ropa” jest używana w kontekście paliwa dieslowskiego, jednak ropa naftowa jest surowcem, z którego produkowane są niemal wszystkie paliwa silnikowe, włącznie z gazem płynnym (LPG).
Pokłady ropy naftowej tworzyły się przed milionami lat. Opadające na dna oceanów szczątki fauny i flory wymieszane z gliną, wapnem i piaskiem stworzyły masę, która pod wpływem dużych ciśnień, wysokich temperatur i obecności dodatków katalitycznych stworzyła materię, którą dziś określamy mianem ropy naftowej. To ona jest punktem wyjścia do produkcji środków smarnych, w tym także olejów silnikowych.

Olej bazowy + dodatki = olej silnikowy

Każdy środek smarny, w tym także olej silnikowy, składa się z olejów bazowych, które mogą stanowić od 60 nawet do 99% jego objętości oraz pakietu dodatków, dzięki którym uzyskuje on wymagane parametry. Wykorzystywane są mineralne lub syntetyczne oleje bazowe.

fot. MobilProdukcja mineralnych baz olejowych

Mineralne bazy olejowe

Ropa naftowa nie jest stanowi gotowego paliwa ani oleju. Produkty te powstają dopiero w wyniku skomplikowanych procesów technologicznych. Po wydobyciu, ropa naftowa musi być przede wszystkim oczyszczona, później podgrzewa się ją do temperatury wrzenia i wprowadza do kolumny destylacyjnej, gdzie opary wrzącej ropy są chłodzone. Poszczególne frakcje skraplają się według temperatur wrzenia. Najniżej kondensują się ciężkie oleje opałowe, wyżej oleje opałowe, nafta, benzyna oraz gaz i eter naftowy. Na dnie kolumny destylacyjnej pozostają najcięższe frakcje, które w ogóle nie parują w temperaturze, w jakiej odbywa się destylacja. Frakcje te są poddawane destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem. W tym procesie otrzymuje się właśnie mineralne oleje bazowe, używane w środkach smarnych.

Dalsza ich obróbka ma na celu nadanie odpowiednich właściwości mineralnym olejom bazowym. Wyprodukowane w ten sposób bazy olejowe zaliczają się do grupy 1 i 2. W grupie 1 znajdują się oleje o podstawowym stopniu rafinacji, które są mieszaninami różnych łańcuchów węglowodorów. Grupa 2 obejmuje oleje bazowe o wyższym stopniu rafinacji, które mają znacznie lepsze własności smarujące (mała lotność, duża odporność na utlenianie, wysoka temperatura zapłonu).
Jakość mineralnych baz olejowych można poprawić, rozwijając proces rafinacji. Otrzymuje się w ten sposób oleje grupy 3, które są wytwarzane w procesie hydrokrakingu. Mineralny olej bazowy poddaje się dodatkowej obróbce w komorze wodorowej, gdzie nienasycone cząsteczki wodorowe łączą się w większe polimery, co zwiększa odporność na wysokie temperatury. Takie bazy olejowe służą do wytwarzania olejów półsyntetycznych.

fot. MobilProdukcja baz syntetycznych

Syntetyczne bazy olejowe

Otrzymywane w procesach przeróbki ropy naftowej bazy olejowe mają w swoim składzie wiele różnych węglowodorów o zróżnicowanych właściwościach. Rozwój technologii olejowej doprowadził na początku lat 70. ubiegłego wieku do opracowania syntetycznych baz olejowych, które są produktami o ściśle określonym składzie chemicznym, zatem o ściśle określonych właściwościach. Wytwarza się je w wyniku procesu zwanego syntezą chemiczną z gazu ziemnego. Powstają wówczas cząsteczki o ściśle określonej budowie molekularnej i właściwościach. Znajomość i doskonalenie tej technologii pozwala na uzyskanie syntetycznych baz olejowych o składzie chemicznym gwarantującym określone właściwości. Najczęściej używane syntetyczne bazy olejowe to polialfaolefiny, alkilowane aromaty, dwuestry kwasów, poliestry, poliglikole i estry fosforowe.

Właściwości olejów silnikowych

Baza olejowa stanowiąca podstawowy składnik oleju musi być jednak wzbogacona o pakiet dodatków zapewniających uzyskanie odpowiednich właściwości.

Lepkość

Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego cieczy i słusznie jest kojarzona z „płynnością” oleju. Oleje bardziej gęste charakteryzuje większa lepkość, oleje rzadsze mają mniejszą lepkość. Mniejsza lepkość jest pożądana z uwagi na mniejszy opór stawiany pracującemu silnikowi i łatwiejsze docieranie do elementów smarowanych. Wytworzony przez taki olej film smarowy ma jednak skłonności do utraty ciągłości w wysokich temperaturach. Z kolei olej o wysokiej lepkości ma kłopoty z dotarciem do wszystkich smarowanych punktów, szczególnie w niskich temperaturach otoczenia. Film olejowy wytworzony z oleju o dużej lepkości ma skłonności do zrywania przy wysokich prędkościach obrotowych silnika.

Lepkość mierzy się wiskozymetrem (lepkościomerzem) w określonej temperaturze. W przyrządzie tym bada się czas przepływu określonej objętości oleju przez kapilarę. Czas ten jest zamieniany na lepkość kinematyczną oleju. Parametr ten jest podawany w m²/s (jednostka układu SI). Używa się również jednostki Stokes (St), która jest jednostką lepkości kinematycznej w układzie CGS (zastąpionym przez układ SI). Nazwa pochodzi od nazwiska irlandzkiego fizyka i matematyka Georga Gabriela Stokesa (1 St = 1 cm²/s = 10-4 m²/s). Najczęściej lepkość kinematyczną podaje się w jednostkach mniejszych - mm²/s (1 mm²/s = 1 cSt). Lepkość 1 cSt ma woda w temperaturze 4^o C.

fot. MobilZmiana lepkości w funkcji temperatury (VI-wskaźnik lepkości)

Wskaźnik lepkości

Miarą utrzymania lepkości w szerokim zakresie temperatur jest wskaźnik lepkości (VI) obliczany na podstawie jej pomiaru w 40 i 100^o C. Im wyższy współczynnik, tym mniejsza zmiana lepkości wraz z temperaturą.

Ideałem oczywiście byłoby utrzymanie takiej samej wartości lepkości w różnych temperaturach. Nie jest to jednak możliwe, ponieważ lepkość jest ściśle związana z temperaturą. Im wyższa temperatura, tym niższa lepkość (olej staje się bardziej płynny, film olejowy jest cieńszy). Przy spadku temperatury lepkość rośnie (olej staje się bardziej gęsty - film olejowy tworzy grubszą warstwę).

Parametry lepkościowe olejów bazowych poprawia się za pomocą specjalnych dodatków. Są to ciężkie polimery, które rozwijając swą strukturę blokują ruch cząsteczek oleju w wysokich temperaturach. W niskich temperaturach polimery kurczą się, zapewniając ruch cząsteczkom oleju.

Lepkość dynamiczna

W niskich temperaturach parametry lepkościowe oleju sprawdza się wykonując próbę zimnego startu. Pozwala to na wyznaczenie lepkości dynamicznej wyrażanej w Pa·s (paskalosekunda).

Temperatura granicznej pompowalności

W olejach silnikowych określa się również parametr temperatury granicznej pompowalności. Jest to minimalna temperatura, przy której olej w układzie smarowania wytwarza odpowiednie ciśnienie. Po przekroczeniu tej temperatury olej przestaje być pompowalny.

Temperatura płynięcia

Niska temperatura płynięcia jest szczególnie istotna przy rozruchu silnika w okresie zimowym. Jest to najniższa temperatura, w której olej znajduje się na granicy utraty płynności, pozostając cieczą. Oleje syntetyczne charakteryzują się znacznie niższą temperaturą płynięcia w porównaniu z olejami mineralnymi. Wartość temperatury płynięcia może wynosić nawet poniżej -50^o C.

Temperatura zapłonu

Jest to najniższa temperatura, w której unoszące się w powietrzu opary oleju mogą w zetknięciu z płomieniem ulec zapłonowi. Jej wartość powinna być możliwie najwyższa, dzięki czemu uzyskuje się niskie zużycie oleju przez silnik.

fot. MobilZanieczyszczenia olejów silnikowych i wpływ zawartości paliwa na ich lepkość

Całkowita liczba zasadowa (Total Base Number - TBN)

Olej, obok własności smarujących, musi również wykazywać zdolności do utrzymywania wnętrza silnika w czystości oraz neutralizacji kwaśnych produktów spalania mogących przedostawać się do miski olejowej. Osiąga się to za pomocą dodatków myjąco-dyspergujących. Dodatki te utrzymują silnik w czystości poprzez rozbijanie zanieczyszczeń powstających w procesie spalania w silniku. Ich utrzymanie w rozproszeniu nie dopuszcza do tworzenia dużych drobin, dzięki czemu nie osadzają się one na powierzchniach wnętrza silnika, układu smarowania i na współpracujących powierzchniach. Przy wymianie oleju utrzymywane w jego objętości zanieczyszczenia są usuwane razem z nim.

Miarą ilości dodatków myjąco-dyspergujących jest właśnie całkowita liczba zasadowa TBN wyrażana w mg KOH/g, określająca zdolność do neutralizacji kwaśnych produktów spalania paliwa. Są one wchłaniane przez olej, dzięki czemu chronione są metalowe części silnika. W czasie eksploatacji silnika dodatki myjąco-dyspergujące zużywają się, a wartość TBN spada. Po osiągnięciu minimalnej dopuszczalnej wartości TBN następuje wymiana oleju.