Rozwój olejów silnikowych dla motoryzacji (cz. II)
Bosch, Archiwum
W USA (dzięki niezwykle taniej benzynie i przy braku zachęt podatkowych) nie produkowano samochodów osobowych z silnikami Diesla i dlatego nie były potrzebne żadne normy dla olejów do nich przeznaczonych.
Natomiast oleje do ciężarówek wskutek różnic konstrukcyjnych musiały mieć inne formulacje niż te potrzebne w dużych silnikach wysokoprężnych konstruowanych w Europie. Wyższa temperatura występująca w obszarze korony tłoka wymuszała stosowanie bezpopiołowych dodatków. Przy średniej więc zawartości 1,3% popiołu siarczanowego było możliwe produkowanie zgodnie z wymaganiami API olejów uniwersalnych zarówno do amerykańskich diesli, jak i do silników benzynowych, gdyż tak niski poziom popiołu siarczanowego nie powodował osadów na świecach zapłonowych ani niekontrolowanych, przedwczesnych zapłonów.
Zobacz także:
Rozwój olejów silnikowych dla motoryzacji (cz. I)
Sytuacja w Europie
Produkcja silników o wyższych pojemnościowych wskaźnikach mocy wymagała tu olejów o innych klasach lepkości SAE i spełniających inne niż w Ameryce normy. Początkowo obowiązywały normy stworzonej w 1972 roku organizacji CCMC (Comité des Constructeurs d'automobiles du Marché Commun), grupującej francuskie marki Citroën, Peugeot i Renault, niemieckie Mercedes i Volkswagen, włoskiego Fiata i brytyjską BLMC.
Oleje klasy G1 według CCMC odpowiadały mniej więcej amerykańskiej klasie API SE (przy uwzględnieniu dodatkowych testów europejskich) i nadawały się do silników benzynowych samochodów osobowych budowanych do roku 1979. Wprowadzone w 1990 roku przez CCMC wymogi klasy G5 przewyższały parametry amerykańskiej klasy API SG i miały ostrzejsze wymagania niż pierwsza klasa ILSAC GF-1.
Do silników wysokoprężnych z pośrednim wtryskiem paliwa (także z turbodoładowaniem) przeznaczone były oleje klasy PD-1 wprowadzonej przez CCMA w 1984 roku, a od 1989 roku – klasy PD-2 o bardziej zaostrzonych wymogach jakościowych.
W lutym 1991 roku działalność CCMC przejęła organizacja ACEA (Association des Constructeurs Européens d'Automobiles), zrzeszająca działających w Europie producentów, takich jak BMW, DAF, Fiat Group, Ford, MAN AG, Mercedes, Porsche, PSA (Peugeot Citroën), Renault, Scania AB, Toyota, Volkswagen Group i Volvo. Wprowadziła ona obowiązujący od 1996 roku w Unii Europejskiej system klasyfikacji i certyfikacji olejów silnikowych do obsługi serwisowej, określający minimum jakości olejów do silników benzynowych (klasy A1 do A3), olejów do lekko obciążonych silników Diesla w samochodach osobowych (klasy B1 do B3) oraz do silnie obciążonych silników Diesla w samochodach ciężarowych (klasy E1 do E3).
Od 2004 roku oleje silnikowe do samochodów osobowych muszą spełniać równocześnie wymagania klas A i B (Ax/Bx), czyli muszą być uniwersalne dla silników z zapłonem iskrowym i samoczynnym.
Oleje syntetyczne
W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku badania naukowców nad polimeryzacją etylenu doprowadziły do stworzenia węglowodorów syntetycznych, nazwanych polialfaolefinami (PAO). Zaliczono je do grupy olejów bazowych API Group IV.
Łożyska wirników turbosprężarek pracują przy wielkich obciążeniach mechanicznych i termicznych, co olejom silnikowym używanym do ich smarowania stawia dodatkowe wymogi
Ich zaletą była niska temperatura krzepnięcia, co wykorzystywano w lotniczych systemach hydraulicznych, pracujących na dużych wysokościach. Trudne jednak okazało się tworzenie na ich bazie syntetycznych olejów silnikowych, ponieważ źle rozpuszczały się w nich dodatki uszlachetniające. Początkowo problem ten rozwiązywano przez rozpuszczenie pakietu dodatków w oleju mineralnym, który następnie mieszano z syntetycznym węglowodorem. Tak powstawały bardzo popularne ze względów ekonomicznych oleje, nazywane obecnie półsyntetycznymi.
Dopiero zastosowanie syntetycznych olejów poliestrowych (klasyfikowanych w API Group V) umożliwiło rozpuszczenie syntetycznych dodatków uszlachetniających w syntetycznym węglowodorze, co rozpoczęło erę tzw. syntetyków, nazywanych też marketingowym terminem full synthetic.
Pierwszy syntetyczny olej silnikowy został wprowadzony na rynek w 1974 roku przez amerykański koncern Mobil, lecz jego doskonałe parametry wyprzedzały wymogi ówczesnych konstrukcji silników, a także obowiązujących norm. Dało to czas konkurencyjnym producentom na zbadanie tego syntetyku oraz stworzenie własnych jego odpowiedników.
W samochodowych silnikach lat osiemdziesiątych upowszechniło się turbodoładowanie, a w związku z nim – konieczność stosowania lepszych jakościowo baz olejowych i poprawienie formulacji. Otworzyło to pole dla szerszego stosowania olejów syntetycznych, których trwałość, odporność na utlenianie i działanie wysokich temperatur zapewnia czystość i bezproblemowe działanie smarowanych nimi turbosprężarek.
Na początku lat dziewięćdziesiątych zaczęły się więc pojawiać na rynku oleje syntetyczne (II generacji), określane obecnie nazwą HC Synthesis. Do ich produkcji wykorzystywano wielkocząsteczkowe węglowodory parafinowe (np. slack wax, gacz parafinowy), które w procesie wysokotemperaturowego katalitycznego krakingu w obecności wodoru, a następnie procesu hydroizomeryzacji przeprowadzano w typowe dla środków smarnych cząsteczki, zawierające od 20 do 35 atomów węgla. W syntetykach tego rodzaju, klasyfikowanych jako API Group III, wskutek ich wyższej polarności o wiele lepiej rozpuszczają się dodatki uszlachetniające.
Wieloletnie doświadczenia na silnikach europejskich wykazały, że są one łatwo uruchamiane w każdych warunkach i doskonale chronione syntetycznymi olejami o klasie lepkości SAE 5W-40. W olejach półsyntetycznych dodaje się ze względów ekonomicznych (cena) taką ilość syntetyku (około 25%), aby uzyskać klasę lepkości SAE 10W-40, chociaż przy większej jego ilości (ponad 50%) można zejść do 5W-40. Oleje mineralne ze względu na optymalny koszt formulacji i dobre uszczelnianie starszych silników dostarczane są na rynek w klasie lepkości SAE 15W-40.
Wydłużone przebiegi między wymianami
Kolejne zalety olejów syntetycznych ujawniły się, gdy ze względów ekologicznych i ekonomicznych konstruktorzy silników zaczęli wprowadzać wydłużone przebiegi pomiędzy kolejnymi wymianami oleju (tzw. LongLife).
Samoczynny system regeneracji, czyli dopalania sadzy zgromadzonej w filtrze DPF, jest bezradny wobec popiołów tworzących się ze spalanych olejów i paliw
Pionierem w tej dziedzinie była firma Mercedes-Benz, która około 1995 roku wprowadziła przebiegi 100 tys. km w silnikach ciężarówek Actros. Jako olej do nich zastosowano produkt z bazą syntetyczną API Group III i formulacją o odpowiedniej dla takich przebiegów ilości dodatków uszlachetniających. Konieczne stały się przy tym odpowiednie filtry oleju oraz system Teligent, badający jakość i przydatność oleju do dalszej pracy. Jego użycie wykazało, iż wymiany mogą być realizowane co 100 tys. km przy jeździe autostradowej, a przy jeździe start/stop samochodów dostawczych stają się konieczne co 30 tys. km lub nawet mniej.
Uzyskane doświadczenia łatwo było przenieść do samochodów osobowych, w których ze względów marketingowych nazwano LongLife możliwość wydłużenia przebiegów do 30 tys. km. Poszczególne europejskie firmy samochodowe (BMW, MB, Opel, VW) opracowały własne normy LongLife, systemy kontroli jakości i formulacje olejów silnikowych, a także stworzyły swe listy dopuszczonych olejów.
Praktyka wykazała, że do systemów LongLife najbardziej nadają się oleje syntetyczne, zadowalające są jeszcze półsyntetyki, ale problematyczne może być stosowanie olejów mineralnych, nawet tych o najwyższej jakości.
Wpływ norm czystości spalin
Czynnikiem, który wymusił zmiany konstrukcyjne silników i bardzo wpłynął na zmiany formulacji olejów silnikowych, było wprowadzanie coraz ostrzejszych norm emisji zanieczyszczeń z układów wydechowych. Wprowadzenie w 2005 roku standardu Euro 4, a w 2009 roku Euro 5 – spowodowało konieczność stosowania systemów EGR (recyrkulacji spalin) i filtrów cząstek stałych (DPF) w wysokoprężnych silnikach samochodów osobowych.
Downsizing oznacza dużą moc silnika przy minimalnej liczbie cylindrów i ich pojemności skokowej, a dla olejów silnikowych nową barierę rozwojową do pokonania
W związku z tym ACEA stworzyła nowe normy (C1 do C4), ograniczające zawartość popiołu siarczanowego, siarki i fosforu. Na skutek tego nowe, tzw. niskopopiołowe oleje musiały mieć zupełnie inne niż dotychczas pakiety dodatków uszlachetniających. Dodatkowym wymogiem producentów samochodów było stworzenie olejów uniwersalnych, zdolnych do prawidłowej współpracy zarówno z trójfunkcyjnymi katalizatorami silników ZI, jak i z filtrami DPF silników ZS. Tylko trzy firmy opracowały i wprowadziły na rynek pakiety umożliwiające produkcję najnowocześniejszych, syntetycznych, niskopopiołowych olejów nowej generacji.
Niedostateczna samoczynna regeneracja filtrów DPF podczas jazdy z zimnym silnikiem na krótkich trasach powoduje jednak notoryczne blokowanie się układów wydechowych sadzą. To z kolei stało się przyczyną spadku popularności nowoczesnych diesli, zwłaszcza w miastach na zachodzie Europy.
Mniej więcej w tym samym czasie pojawiła się w Europie, inspirowana względami ekologicznymi, idea downsizingu. Polega ona na zmniejszaniu pojemności skokowej silników przy zwiększaniu ich mocy przez stosowanie turbodoładowania i bezpośredniego wtrysku paliwa. Jej przykłady to silniki: 1,2 TSI i 1,4 TSI firmy Volkswagen, TwinAir turbo 900 i 1,4 MultiAir firmy Fiat czy też Hyundai Kappa 1,25. Wymagają one o wiele trwalszych olejów syntetycznych, takich jak np. syntetyczny olej niskopopiołowy, spełniający normy VW 504.00/507.00.
Mercedes-Benz Actros zainaugurował erę longLife, w której producenci olejów spełniają oczekiwania konstruktorów i użytkowników pojazdów, lecz tylko na autostradach
Zmiany te nie mogły ominąć USA i Ameryki Północnej, gdzie prekursorem wprowadzania downsizingu stała się europejska firma Fiat, która za akcje koncernu Chrysler udostępniła mu technologię silników 1,4 FIRE Multiair. W 2010 roku powstała nowa ich fabryka w Dundee, w stanie Michigan. Potem firma Ford opracowała rodzinę bardziej ekologicznych silników EcoBoost montowanych w nowych pojazdach od 2011 roku. Proekologiczne konstrukcje silników stosunkowo najwcześniej pojawiły się w Japonii. Konsekwencją tego światowego trendu jest zapotrzebowanie na paliwo-oszczędne oleje silnikowe o klasie lepkości SAE 0W-20, a w przypadku pojazdów hybrydowych – nawet SAE 0W-10.
Postęp w dziedzinie nowych olejów trwa więc nieustannie. Ostatnio w Katarze uruchomiono produkcję bazowego oleju syntetycznego z gazu ziemnego, którego ogromne ilości zalegają pod dnem Zatoki Perskiej. Nowy ten syntetyk, klasyfikowany jako API Group III, ma jeszcze lepsze parametry niż dotychczas produkowane bazy olejowe. Jego wskaźnik lepkości (decydujący o naturalnej wielosezonowości) przekracza 150.
Przyszły rozwój techniczny olejów silnikowych nie daje się jednak przedstawiać w optymistycznych wyłącznie perspektywach. Dotychczasowe osiągnięcia prawdopodobnie staną się z czasem przyczyną problemów.
Na przykład może się okazać, że nowoczesne, syntetyczne, uniwersalne oleje niskopopiołowe spełniające normy Euro, przestaną być odpowiednie do silników benzynowych dużych mocy, bo zawierają za mało fosforu, aby dobrze chronić elementy rozrządu i gładzie cylindrowe... Będą więc musiały powstać z czasem całkiem nowe normy i nowe, odpowiadające im produkty olejowe.
0 komentarzy dodaj komentarz