Fot. Bizol

W pierwszym pojeździe spalinowym Benz Patent Motor Car z 1886 roku zastosowano tzw. smarowanie kroplowe i smarownicę kapturową. Ford Model T w 1908 roku miał już system rozpryskiwania oleju podobny do współczesnego. Ponieważ silnik spalinowy jest bardzo zależny od smarowania, szybko pojawiła się potrzeba standaryzacji oleju silnikowego. Już w 1911 r. nowo założone Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych (SAE) przyjęło pierwszą klasyfikację olejów silnikowych. Była to, tzw. Specyfikacja nr 26, która uszeregowała tego rodzaju produkty na podstawie ich ciężaru właściwego, temperatury zapłonu i palenia się. Oleje o większej lepkości były "cięższe" i miały wyższe temperatury zapłonu i palenia się.

Od tamtej pory oleje silnikowe są czasami nadal charakteryzowane wagowo, chociaż ich lepkość zaczęła być używana jako podstawowy parametr dla wszystkich przyszłych specyfikacji SAE od 1923 roku.

Rodzaje lepkości

Najnowsza specyfikacja SAE J300 została przyjęta w 2015 roku i określa cztery różne typy lepkości: lepkość kinematyczną w 100 °C (KV100), maksymalną dopuszczalną lepkość strukturalną (CCS), graniczną temperaturę pompowalności, lepkość wysokotemperaturową (HTHS).

Lepkość oleju jest istotnym parametrem definiującym jego przydatność do określonego celu. Wszystkie ruchome części silnika rozdziela film olejowy. 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 należy w pierwszym rzędzie brać 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.

Z tych powodów 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. Aby zagwarantować odpowiednie smarowanie łożysk w tak trudnych warunkach, SAE J300 określa minimalną lepkość HTHS (wysokotemperaturową) dla każdej klasy lepkości.

Zbyt wysoka lepkość nie jest korzystna, gdyż olej może nie dotrzeć na czas do wszystkich elementów i nie odprowadzać ciepła wystarczająco szybko. Jednak użycie oleju o większej lepkości niż zalecany, nie niesie za sobą katastrofalnych skutków. Zdarza się to przecież przy każdym uruchamianiu zimnego silnika. O wiele bardziej niebezpieczna jest lepkość zbyt niska, przy której olej łatwo ścieka i nie przybiera wystarczającego ciśnienia. Powoduje to szybkie zużycie łożysk, tłoków, pierścieni, a nawet ich zatarcie oraz niemal na pewno 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). Przy ciśnieniu zbyt niskim systemy te mogą nie działać poprawnie, np. przesunięcie czasowe w pracy krzywek zaworowych wpłynie na osiągi, zużycie paliwa i emisję spalin, a także na ewentualne zapalenie się kontrolki silnika ("Check Engine").

Technologie produkcji

Przez długi czas produkcja środków smarnych była uważana za tani etap końcowy procesu rafinacji ropy naftowej, uboczny przy wytwarzaniu paliwa. Najważniejsze oleje bazowe, które stosowano w środkach smarnych 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 mineralnych olejów bazowych (tworzących grupę API I). Stary proces rafinacji rozpuszczalnikiem ustępuje miejsca bardziej nowoczesnemu, oszczędnemu i przyjaznemu dla środowiska procesowi nazywanemu hydrorafinacją. Jest on wykorzystywany do produkcji olejów bazowych z grupy API II i III.

Jedną z głównych wad hydrorafinacji jest brak możliwości wytwarzania 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).

Nowoczesne oleje

Obecnie większość olejów silnikowych to produkty wielosezonowe, zapewniające odpowiednie osiągi zarówno w zimnym, jak i gorącym klimacie. Są one opisywane dwiema liczbami, np.: SAE 10W-40, pierwsza liczba – 10, po której następuje "W" – odnosi się do osiągów w niskich temperaturach. W zimie olej ten zachowuje się jak jednosezonowy (zimowy), klasy SAE 10W, czyli umożliwia uruchomienie silnika w temperaturze –25oC bez utraty swojej zdolności do przepływu w temperaturach do –30oC. Druga liczba – 40 świadczy o tym, że latem ten sam olej zachowuje się jak 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 liczbową, tym zakres temperatur zastosowań oleju 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.

Praktyczne korzyści zależą od tego, w jaki sposób osiągnięto wysoką lepkość, ponieważ może się za tym wiązać wiele niebezpieczeństw. Na przykład, jeśli do oleju bazowego z grupy API II 150N o parametrach KV40 = 28 cSt i KV100 = 5,2 cSt (VI = 109) stosuje się polimerowe polepszacze indeksu lepkości w postaci 15% kopolimeru olefinowego (OCP), otrzymamy produkt o zwiększonej zawartości polimerów o KV40 = 83 cSt i KV100 = 12 cSt (VI = 140). W efekcie współczynnik lepkości wzrósł ze 109 do 140.

Podobne cechy jak mieszanina oleju z polimerem wykazuje niezawierający polimerów olej 600N. Różnią się one jednak temperaturą zapłonu, którą oleje zagęszczone polimerami mają prawie taką samą jak oryginalny olej bazowy (150N, FP 220(C), czyli znacznie niższą od temperatury zapłonu oleju bazowego bez polimerów (600N, FP 270(C).

Drugim istotnym parametrem porównawczym jest odparowalność. Oleje zagęszczone polimerami mają ją prawie taką samą jak oryginalny olej bazowy (150N, 15 % mas. Noack), a więc znacznie wyższą niż niezawierające polimerów oleje bazowe (600N, 2 % mas. Noack).

Wniosek stąd taki, że polepszacze lepkości należy stosować ostrożnie i z umiarem. Choć pomagają one poprawić wiskozymetrię produktu, to inne ważne cechy mogą ulec pogorszeniu, na przykład stabilność 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.

Skład i cena produktu

Kopolimery olefinowe (OCP) stały się obecnie standardowym rozwiązaniem w produktach, niskobudżetowych, podczas gdy styren i polialkilometakryl (PAMA) są coraz częściej stosowane w produktach o najwyższej jakości. Tak więc dane o lepkości występujące w klasyfikacji SAE J300, nadal nie mówią wszystkiego. Można dopasować wszystkie cztery "rodzaje" lepkości i nadal dostrzegać różnice w wydajności produktu, ponieważ tradycyjna wiskozymetria nie dotyczy stabilności chemicznej molekuł polepszaczy, ich możliwych interakcji z innymi składnikami środków smarnych, czy też o nienewtonowskich zachowaniach reologicznych filmu olejowego zawierającego polimery.

Obecnie, oleje o mniejszej lepkości stosuje 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 pod tym względem niekorzystny. W najgorszym wypadku olej może zawierać nawet 10–15% paliwa. Innym przypadkiem jest jazda z dużą prędkością, na przykład w wyścigach samochodów seryjnych, gdzie dla chłodzenia silników celowo stosuje się bogate mieszanki paliwowo-powietrzne. W wyniku rozcieńczenia paliwem, olej silnikowy łatwo zmienia lepkość 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, 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.

Tweet

Boris Zhmud
szef dział R&D w firmie Bizol