Fot. Autor

Konieczność stosowania takich środków smarnych w nowych modelach samochodów wynika z unijnej normy Euro, ograniczającej dopuszczalną emisję substancji szkodliwych w spalinach.

Badania wykazały już dawno, iż do najgroźniejszych składników gazów trafiających do atmosfery z układów wydechowych silników spalinowych należą tlenki azotu, szkodzące środowisku naturalnemu i ludzkiemu zdrowiu, a także cząstki stałe, czyli sadza zanieczyszczająca powietrze, glebę i wody powierzchniowe. Szkodliwość tego drugiego rodzaju zanieczyszczeń dodatkowo zwiększa fakt, że absorbują one wielopierścieniowe związki aromatyczne, zwane PCA, co jest skrótem od polycyclic aromatic compounds. Substancje te powstają w procesie spalania i mają właściwości rakotwórcze.

Jednym ze sposobów uzyskania czystości spalin na wcześniejszym poziomie Euro 4, aktualnie obowiązującym Euro 5, czy Euro 6 wprowadzanym od 2014 roku, są systemy EGR i filtry cząstek stałych DPF, zatrzymujące sadzę emitowaną przez samochody osobowe, ciężarowe i dostawcze z silnikami Diesla.

Nieprecyzyjne określenie

Nazwa "olej niskopopiołowy" może budzić obawy, że oznaczony nią produkt zawiera jakiś popiół, który albo zapcha filtr, albo na pewno porysuje ważne, dokładnie pasowane części silnika. Trudno się temu dziwić, skoro klienci karmieni są obficie reklamami cudownych własności rozmaitych olejów silnikowych, a brakuje szerokiej i zrozumiałej informacji o ich podstawowych parametrach.

Sprawa jest zaś bardzo prosta. W skład każdego oleju wchodzi pakiet dodatków uszlachetniających, nadających mu wysoką jakość, chroniących przed utlenianiem i działaniem wysokich temperatur, zabezpieczających części silnika przed zużyciem i korozją, zapewniających odpowiednie parametry eksploatacyjne silnika nawet przy znacznie wydłużonych przebiegach miedzy kolejnymi wymianami. Wiadomo, że w bardzo wysokiej temperaturze panującej w cylindrach może ulec spaleniu niewielka ilość oleju silnikowego. Problem stwarzają zwłaszcza niektóre dodatki uszlachetniające, które spalając się, tworzą popiół składający się z nieorganicznych, trudnych do usunięcia osadów i to one, a nie jakiekolwiek składniki oleju, powodują trwałe blokowanie filtrów DPF.

Sadza zatrzymywana w kanalikach filtra ulega w czasie normalnej pracy silnika całkowitemu spaleniu dzięki wysokiej temperaturze spalin (do 600–700°C), nadmiarowi tlenu z powietrza i obecności katalizatorów utleniania. Spalanie to nazywane jest samoregeneracją filtra. Zastosowanie do nowoczesnego silnika olejów silnikowych starej generacji (wysokopopiołowych) powoduje trwałe zablokowanie kanalików filtra i konieczność jego wymiany.

Kryteria przydatności olejów

Do określania, które oleje nadają się do silników z filtrami DPF, a które im zagrażają, służy specjalny test na zawartość tzw. popiołu siarczanowego.

W teście tym próbka oleju silnikowego, który początkowo nie zawiera żadnego popiołu, jest prażona w piecu wraz z kwasem siarkowym aż do momentu uzyskania białego, suchego proszku. Po zważeniu tego osadu, zwanego popiołem siarczanowym (często występującym w różnych opisach pod angielską nazwą sulphated ash, w skrócie SA), określa się jego zawartość procentową w stosunku do masy wyjściowej próbki oleju.

Jeżeli zawartość ta wynosi poniżej 1% (dla olejów do ciężarówek, a 0,8% lub 0,5% dla samochodów osobowych), oleje klasyfikowane są jako niskopopiołowe i nadają się do silników Diesla z filtrami DPF. Zawartością wyższą charakteryzują się oleje konwencjonalne, znane nam od lat, które do smarowania takich silników są absolutnie nieprzydatne.

Dodatkowo, ze względów ochrony środowiska, wprowadzono ograniczenie dopuszczalnej ilości dodatków zawierających fosfor (P) i siarkę (S), które niszczą (dezaktywują) katalizatory w układach wydechowych.

Ze złożenia zastosowanych skrótów stworzono angielską nazwę low SAPS dla tej nowej grupy olejów silnikowych (oznaczającą niską zawartość popiołu siarczanowego, związków fosforu i związków siarki), a w języku polskim przyjęła się nazwa oleje niskopopiołowe.

Zasada działania filtrów DPF

Praktyka pokazała, że ograniczanie zawartości ważnych dodatków oleju musi mieć swoje granice. Np. mniejsza ilość dodatków zawierających fosfor wydłuża wprawdzie życie konwertorów katalitycznych (do 240 tys. km przebiegu pojazdu), ale znacznie skraca trwałość ważnych części silnika, np. elementów rozrządu czy gładzi cylindrowych.

Rozwój produktów low SAPS

Historia niskopopiołowych olejów silnikowych rozpoczęła się w Europie w roku 2005 wraz z wprowadzeniem ograniczenia emisji zanieczyszczeń z układów wydechowych na poziomie Euro 4. Zmusiło to konstruktorów ciężarówek do stosowania systemów recyrkulacji spalin EGR i filtrów cząstek stałych DPF. W ślad za tym producenci olejów silnikowych stanęli przed koniecznością stworzenia zupełnie nowych formulacji, zawierających inne od dotychczas stosowanych dodatki uszlachetniające. Powstałe w ten sposób produkty nie tworzą popiołów w czasie spalania (albo tworzą tylko minimalne ich ilości), więc nie zagrażają blokadą filtrów DPF.

Praktyka dowiodła, iż z filtrami DPF w autobusach i ciężarówkach nie ma żadnych problemów przez 300 tys. lub więcej km przebiegu, dzięki wysokiej temperaturze spalin umożliwiającej samoregenerację. Duże rozmiary tych filtrów umożliwiają też niezbyt drogą regenerację wymuszoną, polegającą na wypalaniu sadzy w specjalnym piecu i wydmuchiwaniu popiołu sprężonym powietrzem.

W Europie organizacja ACEA stworzyła szereg klas jakości, czyli właściwie norm (ACEA E6, E9, C1, C2, C3 i C4) dla olejów niskopopiołowych. Określają one dopuszczalną zawartość dodatków powodujących niską zawartość popiołu siarczanowego, związków fosforu i związków siarki, co przedstawia załączony wykres. Ze względu na nowatorskie rozwiązania, koszty badań i ochrony patentowej na rynku dostępne były początkowo tylko dwa pakiety dodatków uszlachetniających low SAPS, z których producenci olejów, czyli "blenderzy", mogli produkować niskopopiołowe oleje pod swoimi własnymi nazwami i sprzedawać w swoich opakowaniach. Obecnie liczba producentów takich pakietów wzrosła do trzech. Oznacza to, że tak naprawdę trzy różne pakiety low SAPS stanowią podstawę produkcji wszystkich dostępnych na rynku olejów niskopopiołowych, różniących się głównie rodzajem zastosowanego oleju bazowego, nazwą oraz opakowaniem. Początkowo obowiązywała tylko klasa jakości ACEA E6, opisująca wymagania względem olejów niskopopiołowych do bardzo długich przebiegów między wymianami (rzędu 100 tys. km) w silnikach ciężarówek i autobusów. Zastępowały one wcześniejsze oleje silnikowe ACEA E4 o podobnym przeznaczeniu, lecz wysokopopiołowe, czyli charakteryzujące się we wspomnianych testach zawartością do 2% popiołu siarczanowego w olejowo-kwasowej próbce.

Ceramiczny wkład filtrujący izolowany termowłókniną, umieszczany w metalowej obudowie

W zachodniej Europie silniki autobusów dalekobieżnych i poruszających się po aglomeracjach miejskich zgodnie z prawem musiały mieć zamontowane filtry DPF, co wymuszało stosowanie olejów o klasie jakości ACEA E6. Były to drogie, najczęściej syntetyczne oleje silnikowe – doskonałe przy długich przebiegach między wymianami, ale nieekonomiczne przy serwisowaniu średnio- i krótkodystansom, gdzie ich własności nie mogły być w pełni wykorzystane. Dopiero połączone wysiłki amerykańskich producentów silników (Detroit Diesel, Mack), preferujących oleje silnikowe na średnie przebiegi między wymianami (rzędu 40 tys. km), i europejskich (MB, Volvo, Renault), które miały na celu stworzenie wspólnej platformy silnikowej, doprowadziły do stworzenia klasy jakości ACEA E9, określającej wymagania oleju low SAPS na średnie przebiegi między wymianami.

Klasa ACEA E9 jest uniwersalna dla Europy i USA, gdyż spełnia wymagania amerykańskiej klasy low SAPS API CJ-4 oraz europejskich norm low SAPS na średnie przebiegi firm MAN M 3575, MB 228.31, Renault RLD-3, Scania Low Ash i Volvo VDS-4. Jej wprowadzenie było bardzo korzystne dla flot mieszanych, gdyż zapewniło smarowanie jednym olejem właściwie wszystkich silników nowych (z systemami SCR lub filtrami DPF) i starych zamontowanych w autobusach, ciężarówkach, maszynach budowlanych i nawet w nowoczesnych maszynach rolniczych. Poza tym oleje niskopopiołowe o klasach jakości ACEA, zarówno E6, jak i E9, nadają się nie tylko do wszystkich silników spełniających normy Euro 1, Euro 2, Euro 3, Euro 4 i Euro 5, lecz także do konstrukcji przystosowanych już do przyszłej normy Euro 6, wchodzącej w życie w 2014 roku.

Oleje do samochodów osobowych

W tym sektorze olejowego rynku różne wymagania wielkich producentów samochodów spowodowały utworzenie aż czterech norm od ACEA C1 po C4.

Oleje klasy ACEA C1 o lepkości HT/HS ≥ 2,9 mPa*s zapewniają oszczędność  paliwa ≥ 3,0%  i są preferowane przez koncern Forda w Europie, a zalecane do silników Diesla Mazdy, Forda i Jaguara.

Oleje klasy ACEA C2 o lepkości HT/HS ≥ 2,9 mPa*s zapewniają oszczędność paliwa ≥ 2,5% i są preferowane przez koncerny Fiat i PSA (Peugeot, Citroën).

Oleje klasy ACEA C3 o lepkości HT/HS ≥ 3,5 mPa*s zapewniają oszczędność  paliwa ≥ 1,0%, a są preferowane m.in. przez koncerny BMW, MB, VW.

Oleje klasy ACEA C4 o lepkości HT/HS ≥ 3,5 mPa*s zapewniają oszczędność paliwa ≥ 1,0% (dla klas lepkości SAE xW-30), są preferowane przez koncern Renault-Nissan i firmy montujące jego silniki w swych samochodach
(np. Suzuki).

Dodatkowa ilość olejów do obsługi serwisowej pojawiła się szczególnie w autoryzowanych stacjach obsługi, gdyż producenci samochodów (BMW, Fiat, Ford, GM/Opel, MB, Peugeot, Renault, VW) chcą mieć oleje spełniające wyłącznie ich normy fabryczne, więc blenderzy muszą takie oleje produkować. Najbardziej lubiane przez użytkowników oleje uniwersalne, spełniające wymagania wielu marek, są przez samochodowe koncerny niemile widziane.

DPF w samochodach osobowych

Od 2009 roku istnieje obowiązek montowania filtrów DPF we wszystkich nowych samochodach osobowych i dostawczych z silnikiem Diesla. Poza tym w niektórych krajach wiele starszych modeli pojazdów dostawczych modernizuje się "ekologicznie" przez wbudowywanie do nich filtrów DPF. Powoduje to konieczność stosowania nowoczesnych olejów niskopopiołowych i związane z tym kłopoty zależne od sposobu eksploatacji samochodu.

Od lewej: przekrój wkładu DPF poddawanego skutecznej samoregeneracji; wkład zanieczyszczony, wymagający regeneracji wymuszonej; wkład DPF niemal całkowicie niedrożny, wymagający wymiany

Jazda miejska na krótkich dystansach, z długimi postojami w korkach przy niedogrzanym silniku – jest utrapieniem dla kierowców samochodów z filtrami DPF, w których nie zachodzi prawidłowa samoregeneracja, czyli o wiele szybciej gromadzi się zbyt duża ilość sadzy, powodując wzrost ciśnienia zwrotnego w układzie wydechowym. Czujnik tego ciśnienia daje komputerowemu sterownikowi silnika sygnał powodujący wtrysk dodatkowej dawki paliwa dla dopalenia zgromadzonej sadzy, czyli regeneracji filtra. Nie daje to jednak spodziewanych efektów, gdy temperatura wewnątrz filtra jest za niska. Konstruktorzy aut z silnikami wysokoprężnymi próbują temu zaradzić, umieszczając filtry DPF bliżej źródeł ciepła, niekiedy wręcz w bezpośrednim sąsiedztwie gorących konwerterów katalitycznych.

Po osiągnięciu pewnego poziomu wypełnienia filtra sadzą wyświetla się na tablicy przyrządów pojazdu informacja o konieczności regeneracji wymuszonej.

Z lewej: zablokowanie wkładu popiołem z dodatków uszlachetniających oleju; z prawej: kontrolka filtra DPF informująca o konieczności regeneracji

Jest ona dość kłopotliwa, gdyż wymaga na ogół przejechania w pewnym określonym reżimie dystansu około 50 km. Jeżeli kierowca jej nie przeprowadzi, nagromadzona duża ilość sadzy sprawia, że komputer wyświetla ikonę o konieczności przeprowadzenia regeneracji w warsztacie. Jeżeli filtra DPF nie da się zregenerować, pozostaje tylko jego dość kosztowna wymiana. Trzeciej drogi nie ma, choć zdają się temu przeczyć internetowe reklamy.

Pomysły "racjonalizatorów"

Gdy stopień zanieczyszczenia filtra dojdzie do poziomu wymagającego regeneracji warsztatowej, nie mają już sensu próby wypalania sadzy przez wtryskiwanie dodatkowych dawek oleju napędowego. Ich efektem może być natomiast przedostawanie się paliwa do miski olejowej, czyli nadmierne rozcieńczanie oleju, grożące zatarciem silnika przy dużych jego obciążeniach i prędkościach obrotowych.

Pozornym rozwiązaniem problemu niedrożnych filtrów DPF są oferowane w Internecie urządzenia mikroprocesorowe (tzw. emulatory), oszukujące centralny sterownik silnika tak, by ignorował on sygnały z czujników ciśnienia w układzie wydechowym. Mniej wyrafinowana koncepcja polega na całkowitym wyeliminowaniu filtra DPF z pojazdu. Działalność taka jest niezgodna z prawem, więc podlega ściganiu. Trudno też ukryć jej skutki podczas uczciwie przeprowadzanych okresowych badań technicznych.

Kłopoty z filtrami DPF sprawiły, iż w opinii użytkowników, zwłaszcza zachodnioeuropejskich, samochody z takim wyposażeniem nie nadają się do jazd miejskich na krótkich odcinkach. Dlatego też rośnie rynkowa popularność rozwiązania konkurencyjnego w postaci małolitrażowych (na skutek downsizingu) silników benzynowych.

Tweet

Andrzej Tippe
Technical services manager Shell Helix