Fot. Musée de L'automobile de la Défense, GrandCanyon, jamestanna, archiwum

Pierwszy silnik tłokowy ze spalaniem wewnętrznym to zasilana gazem konstrukcja Étienne'a Lenoira z 1860 roku

Smarowanie części mechanizmów roślinnym, zwierzęcym albo mineralnym tłuszczem to pomysł równie stary jak ludzka cywilizacja. Znacznie młodsza jest potrzeba doskonalenia samych środków smarnych.

Zaledwie 228 lat temu James Watt, konstruując pierwszą sprawnie działającą maszynę parową, zapoczątkował trwającą do dziś epokę przyspieszonego rozwoju techniki. Wynalazek ten sprawił, iż w kilku następujących po nim dziesięcioleciach rękodzielnicze warsztaty zmieniły się w przemysłowe wytwórnie rozmaitych dóbr, a światową komunikację zrewolucjonizowały parowce i koleje. Czym smarowane były te wszystkie fascynujące wówczas wynalazki?

Chyba po staremu, jak dawniejsze zegary, kołowroty, wozy konne i oblężnicze tarany, czyli produktami pozyskiwanymi z roślin oleistych, zwierzęcego łoju, wosku, a rzadziej z tłustej mazi sączącej się spod skał w niektórych górskich okolicach. Chyba tak, skoro Ignacy Łukaszewicz pierwszą na świecie kopalnię ropy naftowej założył dopiero w 1854 r., a w trzy lata później – pierwszą na świecie rafinerię produkującą naftę, smary, oleje smarne i asfalt. Z tego asortymentu jeszcze przez długie lata potrzebna była głównie nafta, gdyż wszystkie, bardzo już wtedy liczne, parowe maszyny obywały się doskonale bez ropopochodnych olejów, podobnie jak trakcja konna bez asfaltu.

Pracującym w stosunkowo niskich temperaturach silnikom parowozów wystarczały do smarowania zmechanizowane oliwiarki ciśnieniowe (w prawym górnym rogu)

Silniki spalinowe

W tłokowych silnikach parowych temperatury panujące wewnątrz cylindrów nie przekraczały 200° C. W paleniskach kotłów były one znacznie wyższe, lecz nie było tam żadnych części wymagających smarowania. Gdy jednak pojawiły się pierwsze silniki z tzw. spalaniem wewnętrznym, w których paleniskiem jest cylinder zamknięty ruchomym tłokiem, tradycyjne oleje w zastosowaniu do smarowania tych części okazały się niezadowalające. Spalały się bowiem zbyt szybko, a poza tym w kontakcie z wysokotemperaturowym płomieniem nadmiernie traciły swą lepkość.

Pierwsze silniki spalinowe Nikolausa Otto miały podobną konstrukcję i otwarty obieg oleju, sterowany zmianami ciśnienia w cylindrze

Pierwszy użyteczny silnik spalający mieszankę gazu ziemnego z powietrzem, bez jej uprzedniego sprężania, zbudował i opatentował w 1860 roku Étienne Lenoir. Obciążenie cieplne tej konstrukcji było już znacznie większe niż w porównywalnych silnikach parowych, ale wciąż jeszcze umiarkowane. Zwłaszcza w porównaniu z późniejszym o lat szesnaście pierwszym czterosuwowym silnikiem sprężającym mieszankę paliwowo-powietrzną. Skonstruował go Nikolaus Otto, dając w ten sposób początek rozwijanej do dzisiaj koncepcji silników z zapłonem iskrowym. Konsekwencją tego stał się intensywny rozwój motoryzacji. W 1885 roku Karl Benz zbudował pierwszy trójkołowy automobil o takim właśnie napędzie. Rudolf Diesel swój silnik wysokoprężny opatentował w osiem lat później, a wykonał go w sprawnie działającej postaci w roku 1897. W 1903 roku pojawił się on w żegludze, w 1908 – w ciężarówkach i lokomotywach, a dopiero od 1936 – w samochodach osobowych.

Trójkołowiec Karla Benza i jego lekki silnik czterosuwowy zainaugurowały epokę motoryzacji spalinowej

Nieco później pojawiły się znacznie cięższe pojazdy drogowe, wykorzystujące stacjonarne silniki Otto bez większych przeróbek (szklany słoik to podciśnieniowa oliwiarka cylindra)

Zapłon iskrowy i samoczynny

Oba te rodzaje silników samochodowych były od tamtych czasów stale modyfikowane i doskonalone. W efekcie współczesne silniki o zapłonie iskrowym mogą być zasilane nie tylko benzyną, lecz także alternatywnymi paliwami alkoholowymi lub gazowymi. Do ich podstawowych zalet zalicza się wysoki komfort użytkowania, niski poziom emitowanego hałasu oraz niewygórowane (w porównaniu z wysokoprężnymi) koszty serwisowania. Do wad należą: stosunkowo niewielki moment obrotowy, a więc słaba elastyczność oraz wyższe zużycie paliwa.

Silniki o zapłonie samoczynnym (zwane również wysokoprężnymi lub Diesla) mają konstrukcję cięższą i bardziej skomplikowaną, ponieważ zapłon spalanego przez nie oleju napędowego następuje na skutek wtrysku tego paliwa do silnie sprężonego w cylindrze i przez to bardzo rozgrzanego powietrza (zwykle do około 700 °C). Nowoczesne silniki Diesla odznaczają się dobrą elastycznością, dużą mocą i oszczędnym zużyciem oleju napędowego. Są jednak stosunkowo drogie w zakupie i serwisowaniu oraz bardzo wrażliwe na jakość paliwa.

Zarówno silniki z zapłonem iskrowym, jak i samoczynnym podlegają obecnie szczególnym rygorom techniczno-prawnym, mającym na celu ograniczenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Najnowsza, wprowadzona przez Unię Europejską norma emisji szkodliwych zanieczyszczeń EURO 5 wymusiła na producentach samochodów konieczność stosowania specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych, poprawiających czystość spalin do wymaganego poziomu. Są to układy wydechowe wyposażone w przypadku silników z zapłonem iskrowym w katalizatory i sondy lambda, a w odniesieniu do silników wysokoprężnych – z filtrami cząstek stałych DPF.

Rozwój olejów silnikowych

Równolegle z doskonaleniem konstrukcji silników prowadzone były prace nad modyfikacją właściwości i poprawą jakości wykorzystywanych w nich środków smarnych. Właściwości oleju mają bowiem wpływ nie tylko na trwałość, ale również na tzw. kulturę pracy silnika i zużycie paliwa. Jednostka napędowa samochodu już od pionierskich czasów motoryzacji składa się z dziesiątek poruszających się elementów, a każdy z nich w miarę swego technologicznego rozwoju narażony jest na działanie coraz większych sił i wyższych temperatur.

Warstwa oleju między poszczególnymi częściami układu napędowego powinna być na tyle gruba i spójna, aby nie dochodziło do tarcia między nimi przy wysokich obciążeniach mechanicznych i termicznych.

Kolejną ważną funkcją oleju jest odprowadzanie ciepła powstającego w wyniku spalania paliwa i wzajemnego tarcia części mechanizmów. Jego rolą jest również utrzymanie silnika w czystości, gdyż olej silnikowy ulega w trakcie eksploatacji procesom utleniania i starzenia się. Produkty tych reakcji tworzą szlamy, nagary i laki, które zmieniają własności fizyko-chemiczne oleju. Poza tym prawidłowo dobrany olej silnikowy nie tylko smaruje i zabezpiecza przed korozją smarowane elementy, lecz również uszczelnia silnik i wykazuje zdolność tłumienia drgań.

Również wspomniane już wymogi ochrony środowiska mają istotny wpływ na powstawanie nowych rodzajów olejów. Na przykład stosowane w silnikach wysokoprężnych filtry DPF wymagają specjalnych nowoczesnych, niskopopiołowych olejów, produkowanych w technologii low SAPS, takich jak Shell Helix Ultra Extra 5W-30.

W produktach tych jako dodatki uszlachetniające stosowane są związki chemiczne, które nie tworzą popiołów w procesie spalania, dzięki czemu nie powodują niszczenia filtrów DPF przez blokowanie ich wewnętrznych kanałów, a jednocześnie zapewniają zabezpieczenie współpracujących części i długie przebiegi pomiędzy kolejnymi wymianami oleju w silniku.

Na zdjęciach poniżej: Coraz wyższym osiągom samochodowych silników towarzyszył szybki rozwój ich układów smarowania, a przede wszystkim – produkcji specjalnych olejów silnikowych

Tweet

Andrzej Tippe
Technical services manager Shell Helix