Rozwój olejów silnikowych dla motoryzacji (cz. I)
sportscarforums.com, archiwum
Trójkołowiec Karla Benza i jego lekki silnik czterosuwowy zainaugurowały epokę motoryzacji spalinowej
Współczesny człowiek na co dzień jest wielkim zwolennikiem motoryzacji, ale nie zdaje sobie sprawy, jak bardzo przy tym uzależniony jest od ropy naftowej, zasobności jej złóż, wielkości wydobycia i poziomu cen.
Ropa naftowa jest nie tylko źródłem powszechnie używanych paliw, lecz także surowcem dla przemysłu petrochemicznego, który produkuje z niej tworzywa sztuczne, detergenty, rozpuszczalniki, chemikalia oraz, oczywiście, oleje smarne – zarówno mineralne, jak i syntetyczne.
Jeszcze w drugiej połowie XIX wieku pierwsza na świecie rafineria założona przez Ignacego Łukaszewicza produkowała głównie naftę do wynalezionych przez niego lamp. Paliwa i oleje były zbędnym i kłopotliwym odpadem.
Pierwszy użyteczny silnik dwusuwowy zbudowany przez Lenoira w 1860 roku zasilany był mieszanką gazu miejskiego i powietrza, podobnie jak pierwsze silniki czterosuwowe Otto. Dopiero w 1879 roku pojawiły się czterosuwowe silniki zasilane benzyną.
Podobnie było w przypadku silników Diesla, gdzie jako paliwo testowano najpierw oleje roślinne (olej arachidowy), a dopiero później olej napędowy otrzymywany podczas destylacji ropy naftowej. Pierwszy (stacjonarny) zdolny do pracy silnik Diesla powstał w 1897 roku. W 1907 roku przystosowano go do napędu ciężarówek i lokomotyw, a w samochodach osobowych pojawił się dopiero w 1936 roku, po wynalezieniu lekkiej, wysokociśnieniowej pompy wtryskowej.
Nieco później pojawiły się znacznie cięższe pojazdy drogowe, wykorzystujące stacjonarne silniki Otto bez większych przeróbek (szklany słoik to podciśnieniowa oliwiarka cylindra)
Wszystkie silniki nowo powstających pojazdów spalinowych wymagały smarowania. Stosowano do tego różne oleje naturalne (zwierzęce lub roślinne, wśród których bardzo popularny był olej rycynowy) oraz mineralne, dostarczane do punktów smarnych różnymi pomysłowymi smarownicami. Coraz wyższym osiągom samochodowych silników musiał towarzyszyć szybki rozwój ich układów smarowania.
Po wprowadzeniu miski olejowej i rozbryzgowego systemu smarowania silnika najtrudniejszym wyzwaniem było stworzenie olejów silnikowych spełniających równocześnie wiele trudnych zadań w szerokim zakresie temperatur pracy. W latach dwudziestych ubiegłego wieku specyfikacja oleju wymagała tylko, "aby był on lepki". Potem przyjęto powszechnie obowiązującą klasyfikację lepkościową SAE, by umożliwić dobór oleju do temperatury otoczenia.
Olej rycynowy stosowano ponad 4000 lat temu do smarowania przesuwanych kamieni przy budowie piramid. Na początku XX wieku stał się znowu popularny, szczególnie w silnikach samochodów rajdowych i samolotów. Wkrótce jednak okazało się, że mimo dobrych własności smarnych ma on wiele wad. Jego wysoka lepkość (SAE 50) dobrze chroniła węzły tarcia, lecz powodowała też duże straty energii (około 10% w porównaniu z olejami mineralnymi). W bardzo trudnych warunkach olej rycynowy łatwo ulega degradacji, tworząc po ostygnięciu stałe produkty blokujące ruchome części silnika. Podobne efekty daje obecnie spalanie niektórych rodzajów paliw biologicznych (typu biodiesel), zamieniające olej w misce olejowej w stałą, czarną masę.
Za oceanem
Opracowanie coraz lepszych metod rafinacji olejów otrzymywanych z ropy naftowej w procesie destylacji próżniowej doprowadziło w latach dwudziestych XX wieku do szerokiego rozpowszechnienia się mineralnych olejów silnikowych bez żadnych dodatków uszlachetniających. Nadawały się one do smarowania wszystkich konstrukcji silników sprzed 1930 roku, a ich jakość określała najwcześniejsza, wprowadzona przez Amerykański Instytut Nafty API (American Petroleum Institute) klasyfikacja jakościowa w postaci klasy serwisowej API SA. Ostrzegała ona też, iż stosowanie ich w nowocześniejszych silnikach może być przyczyną niesatysfakcjonujących osiągów lub uszkodzeń.
Pod koniec lat trzydziestych pozytywne wyniki badań nad rozwojem nowych detergentów spowodowały wprowadzenie ich do formulacji olejów, co umożliwiło osiągnięcie wysokiej czystości wewnętrznej silników, a szczególnie tłoków. Dodane do oleju detergenty maksymalizowały efektywność smarowania, czyli pozwalały uzyskać więcej mocy i obniżyć zużycie paliwa. Mineralne oleje z detergentami trafiły także do silników rajdowych, gdzie koszty nie odgrywały tak dużej roli, a najważniejsze było zwiększenie osiągów. Ten rodzaj olejów nadawał się do smarowania wszystkich konstrukcji silników sprzed 1951 roku, a ich jakość określała wprowadzona przez API klasa serwisowa API SB.
Coraz wyższym osiągom samochodowych silników towarzyszył szybki rozwój ich układów smarowania
Na początku lat pięćdziesiątych XX wieku rozwój technologii chemicznych umożliwił otrzymywanie syntetycznych polimerów, czyli tworzyw sztucznych, które rozpuszczone w oleju mineralnym poprawiały jego charakterystykę lepkościowo-temperaturową. Lepkość oleju mniej spadała ze wzrostem temperatury i nie rosła tak gwałtownie (jak dotychczas) z jej spadkiem.
Rozpoczęło to erę niezwykle przyjaznych dla kierowców olejów wielosezonowych przydatnych we wszystkich porach roku. W niepamięć poszły dotychczas stosowane oleje jednosezonowe (monograde), wymagające co najmniej dwukrotnej wymiany w ciągu każdego roku.
W USA zaowocowało to powszechnym wprowadzeniem do użytku silnikowych olejów mineralnych o klasach lepkości SAE 5W-30 i 10W-30 (a dla południowego pasa od Florydy po Kalifornię SAE 15W-50), zmienianych po przebiegach od 4 do 6 tysięcy mil (7200 do 9600 km). Oleje tego typu przeznaczone były do smarowania silników konstruowanych do 1967 roku (klasa serwisowa API SC), do 1971 roku (API SD) i do 1979 roku (API SE).
Kolejne wprowadzane klasy serwisowe API (kompatybilne wstecz) przeznaczone były do pojawiających się nowych konstrukcji silników i uwzględniały coraz ostrzejsze wymagania ochrony środowiska naturalnego.
Najnowsza, wprowadzona w październiku 2010 klasa API SN dla pojazdów z roku 2011 i starszych, została opracowana dla zapewnienia zwiększonej ochrony przed wysokotemperaturowymi osadami na tłokach, ostrzejszej kontroli szlamów i kompatybilności z nowoczesnymi uszczelnieniami. API SN pod względem ochrony zasobów naturalnych pokrywa się z ILSAC GF-5 przez kombinację osiągów API SN z poprawioną ekonomią zużycia paliwa, ochroną turbin, kompatybilnością z systemem ograniczenia emisji oraz ochroną silników pracujących na paliwie E85.
Na początku lat dziewięćdziesiątych stowarzyszenie amerykańskich producentów samochodów – AAMA (American Automobile Manufacturers Association) i JASO (Japanese Automobile Standards Organization) doszły do wniosku, że dotychczasowe działanie trzech organizacji SAE, ASTM i API jest zbyt bezwładne w nadążaniu za potrzebami chwili, więc stworzyły w 1992 roku organizację ILSAC (International Lubricant Standardization and Approval Committee), licencjonującą i certyfikującą od 1996 roku oleje silnikowe oznaczeniem ILSAC GF-1.
Specyfikacje ILSAC są połączeniem klasyfikacji API z ideą oszczędzania paliwa – Fuel Economy, obniżaniem emisji zanieczyszczeń oraz wzrostem trwałości, narzucanymi regulacjami prawnymi władz amerykańskich.
Aktualnie obowiązujący poziom jakości ILSAC GF-5 jest zalecany dla konstrukcji silników z roku 2011 i wszystkich wcześniejszych (ILSAC GF-1 do GF-4).
Europejczycy nie zdają sobie sprawy z tego, że w Ameryce Północnej tradycją jest stosowanie mineralnych olejów silnikowych o coraz wyższej jakości, co przy równie tradycyjnych krótkich przebiegach zapewnia wysoką trwałość silników o wielkiej pojemności, dużym momencie obrotowym, ale o względnie niskiej mocy (średnio 40–50 KM z 1 litra pojemności skokowej).
W USA przywiązanie kierowców do tradycji niskich cen olejów i paliw powoduje, że udział olejów syntetycznych w rynku wynosi zaledwie kilka procent.
Fakt ten był przyczyną kłopotów firmy DaimlerChrysler, sprowadzającej samochody Mercedes-Benz na rynek amerykański. Kierowcy słabo poinformowani o działaniu zamontowanych systemów Assyst użytkowali z przyzwyczajenia swoje doskonale znane oleje mineralne. Niestety, okazało się, że systemy te wydłużały przebiegi między wymianami średnio do około 19 tys. km, co było oczywiście przyczyną wielu awarii, kosztującą w efekcie firmę MB 32,5 mln dolarów zasądzonych odszkodowań.
Amerykanie mają szczęście do stosowania ciągle tanich olejów mineralnych, gdyż USA jako bardzo bogate państwo może sobie pozwolić na odnawianie przemysłu rafineryjnego i dlatego wprowadzane szeroko w ostatnich latach zmiany procesów technologicznych przeróbki ropy naftowej eliminują produkcję konwencjonalnych olejów (określanych jako API Group I). Powoduje to zwiększenie udziału w produkcji olejów silnikowych olejów bazowych II grupy API (API Group II), mających o wiele lepsze parametry eksploatacyjne (niektóre porównywalne z parametrami pierwszych syntetyków, ale przy znacznie niższej cenie), trwałość i odporność na utlenianie zapewniające o wiele lepszą ochronę silników oraz znaczne wydłużanie przebiegów między wymianami oleju. Cdn.
0 komentarzy dodaj komentarz