Kierunki rozwoju olejów silnikowych pojazdów samochodowych w zakresie ochrony środowiska

Transkrypt

1 Janusz Jakóbiec 1, Mariusz Wądrzyk 2, Rafał Janus 3 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Winicjusz Stanik 4 Instytut Nafty i Gazu- Państwowy Instytut Badawczy w Krakowie Kierunki rozwoju olejów silnikowych pojazdów samochodowych w zakresie ochrony środowiska Wstęp Od lat na całym świecie prowadzone są intensywne badania nad rozwojem technologii olejów silnikowych. Kierunek badań naukowych wymuszają zarówno względy ekologiczne, związane z uregulowaniami prawnymi, jak również stały postęp w dziedzinie rozwoju konstrukcji i technologii silników spalinowych oraz czynniki ekonomiczne. Wszystkie te aspekty znajdują odbicie w jakości olejów silnikowych, uwzględniając rodzaj baz olejowych oraz pakietów uszlachetniających te produkty. Współczesny olej smarowy jako integralny element konstrukcyjny silnika, musi spełniać projektowe wymagania stawiane przez konstruktora jednostki napędowej, a zatem powinien być opracowany na etapie projektowania silnika [1]. Z uwagi na złożoną kinetykę silnika i warunki pracy, olej silnikowy powinien spełniać następujące zadania [2]: wypełniać wszystkie mikro-nierówności na powierzchni współpracujących elementów; zapewniać płynne smarowanie, czyli oddzielić powierzchnie współpracujące, z tym samym zmniejszyć tarcie i zużycie powierzchni trących dla przyjętych zakresów obciążeń; chłodzić silnik od wewnątrz; uszczelniać przestrzeń komory spalania; zabezpieczać elementy metalowe przed korozją; rozpuszczać i zmywać osady głównie na elementach węzła TSBC (tłok-sworzeń-pierścień-cylinder); tłumić drgania i zmniejszać hałaśliwość. Z drugiej strony olej silnikowy powinien charakteryzować się rozbudowaną strukturą właściwości, często ze sobą sprzecznych jak: zachować wymaganą lepkość w coraz większym zakresie temperatur wynikających z ekstremalnych warunków pracy współczesnych silników ; zapewnić jak najmniejszą wartość współczynnika tarcia dla poprawy sprawności mechanicznej oraz zwiększenia trwałości elementów składowych silnika; charakteryzować się wysoką temperaturą zapłonu; utrzymywać niską temperaturę krzepnięcia; sprzyjać energooszczędnym właściwościom silnika; gwarantować dobrą mieszalność z dodatkami uszlachetniającymi; ograniczyć do minimum zawartość popiołów siarczanowych, siarki i fosforu; nie oddziaływać destrukcyjnie na materiały metalowe i tworzywa, z których wykonywane są elementy konstrukcyjne silników; 1 Prof. dr hab. inż. J.Jakóbiec, profesor zwyczajny, AGH-Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Technologii Paliw, tel , jjakobie@agh.edu.pl 2 Dr inż. M.Wądrzyk, asystent, AGH-Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Technologii Paliw, tel , wadrzyk@agh.edu.pl 3 Dr inż. R.Janus, adiunkt, AGH-Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Technologii Paliw, tel , rjanus@agh.edu.pl 4 Dr W.Stanik, Instytut Nafty i Gazu- Państwowy Instytut Badawczy, Kierownik Zakładu Produkcji Doświadczalnej i Małotonażowej oraz Sprzedaży (TM); tel , winicjusz.stanik@inig.pl Logistyka 5/

2 zapewniać kompatybilność pakietu uszlachetniającego z uwagi na rodzaj paliwa (nie dopuszczać do powstawania niekorzystnych interakcji pomiędzy składnikami oleju smarującego i paliwa). Rozwój technologii olejów silnikowych pod kątem ochrony środowiska Nieustanny pęd do zwiększania niezawodności silników samochodowych, zmniejszenia zużycia środków smarowych i paliw, a więc obniżenia kosztów eksploatacji oraz ograniczenia emisji spalin, to powoduje ciągłe podwyższenie wymagań w stosunku do parametrów jakościowych wytwarzanych olejów silnikowych. Wymagania dla nowoczesnych olejów silnikowych są określone głównie przez producentów silników spalinowych. Renomowani producenci samochodów już na etapie projektowania jednostek napędowych współpracują z wytwórcami olejów smarowych w celu opracowania produktu finalnego, który upora się z wyzwaniami, jakie wytycza rozwój konstrukcji silnika i rodzaj paliwa. Europejski przemysł motoryzacyjny bardzo mocno powiązany jest z wytycznymi na rzecz ochrony środowiska naturalnego. Do 2021 roku planuje się zmniejszenie emisji spalin do 95 g CO2/km w kontekście parku pojazdów samochodowych. Równocześnie zakłada się, że do 2020 roku około 60% pojazdów samochodowych będzie musiało spełnić wymagania normy emisji Euro VI [3]. Norma Euro VI służy do ograniczenia emisji spalin z naciskiem na jeszcze niższe stężenie NOx przez pojazdy użytkowe, które obowiązuje od stycznia 2014 roku w odniesieniu do silników w samochodach ciężarowych i autobusach nowo rejestrowanych na ternie Unii Europejskiej. Norma ta jest jeszcze bardziej restrykcyjna niż poprzednie, dlatego wymaga smarowania silników samochodowych olejami wysokiej jakości mając na uwadze emisję toksycznych składników spalin zwłaszcza NOx i PM. Na bieżąco prowadzone są prace nad zmniejszeniem zużycia paliwa w nowoczesnych jednostkach napędowych, np. szacuje się, że do roku 2018 zwiększy się do 67% populacja samochodów wyposażonych w silnik GDI (Gasoline Direct Injection), które pozwolą zmniejszyć zużycie eksploatacyjne paliwa o ok. 10%. W ślad za idącymi zmianami w przemyśle motoryzacyjnym, których obraz prezentują przytoczone powyżej przykładowe dane, zmiany dotyczą wzrostu parametrów fizykochemicznych i użytkowych olejów silnikowych. Ponadto zapowiada się w niedalekiej przyszłości cała seria nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych zwłaszcza układów oczyszczania spalin pojazdów samochodowych, co wymagać będzie stosowania olejów smarowych typu Mid SAPS, tj. z obniżoną zawartością siarki, fosforu i popiołu siarczanowego. Niektórzy producenci samochodów, jak np. General Motors (GM) rozważają wprowadzenie G-PF (Gasoline Particulate Filetrs), czyli filtrów cząstek stałych w pojazdach z silnikami benzynowymi. Obecnie tego rodzaju rozwiązania nie są wykorzystywane w praktyce, ale planuje się jej wprowadzenie w roku Analizując wymagania producentów silników pojazdów samochodowych, widać, że jedynie oleje typu LOW SAPS mogą zapewnić odpowiednią ochronę silnika, w tym wymagania normy emisji spalin Euro VI [4]. Równolegle z doskonaleniem rozwiązań konstrukcji układów EGR dla potrzeb obniżania poziomu stężenia NOx wprowadzane są układy SCR (Selective Catalytic Reduction) z wykorzystaniem reduktora Ad- Blue lub DEF (Diesel Exhaust Fluid) spełniające wymogi jakościowe norm ISO Prace badawcze w zakresie innowacyjnych procesów katalizy spalin wraz z doskonaleniem konstrukcji filtrów cząstek stałych DPF przebiegają równolegle z doskonaleniem cech fizykochemicznych biopaliw FAME, a także pakietów uszlachetniających do paliw węglowodorowych [5, 6, 7]. W przypadku silników o ZS przeznaczonych do samochodów osobowych zasilanych paliwami węglowodorowymi z postępującym wzrostem udziału FAME zaznacza się doskonalenie układów EGR oraz systemów sterowania ich pracą, prowadząc do obniżenia prędkości spalania, co przyczynia się do obniżenia stężenia NOx w spalinach. W wyniku tego procesu zostaje obniżona maksymalna temperatura spalania jak również następuje ograniczenie maksymalnej ilości tlenu w ładunku dostarczanym do cylindra. Jednak nadmierny udział spalin w całym ładunku dostarczonym do cylindra może powodować spadek mocy oraz znaczny wzrost emisji cząstek stałych, a przez to uzyskanie niekorzystnych wartości innych wskaźników pracy silnika [8, 9]. 156 Logistyka 5/2015

3 Biorąc pod uwagę upowszechnienie systemów DPF oraz konwertorów katalitycznych w układzie wylotowym silników o ZS stan wadliwego działania zaworu EGR należy uznać za niedopuszczalny [5]. Dla bezawaryjnego działania zaworu EGR kształtującego poziom emisji spalin NOx i PM wymagane jest stosowanie olejów silnikowych typu LOW SAPS o obniżonej lepkości, co stanowi istotną zaletę jak niższe jego spalanie, obniżkę zużycia paliwa w silniku oraz niższe obciążenie pracy filtra cząstek stałych (DPF). Osady powstające w filtrze cząstek stałych w wyniku oczyszczania spalin to sadza oraz składniki dodatków uszlachetniających paliwo i olej silnikowy, które pozostają niespalone, obniżają sprawność filtrów cząstek stałych [5]. Pojawienie się oleju typu LOW SAPS zapewnia wydajniejszą pracę układu oczyszczania spalin w tym również sprawność katalizatorów oraz wydłużają czas ich eksploatacji. Wpływ właściwości fizykochemicznych oleju smarującego i stanu technicznego silnika oraz warunków jego pracy na zanieczyszczenie środowiska Wieloletnie badania i obserwacje pozwalają na stwierdzenie, że określone parametry pracy silnika pojazdu samochodowego, jego stan techniczny, jakość oleju smarującego, w tym zmiany jego właściwości fizykochemicznych w okresie eksploatacji mają oprócz paliwa istotny wpływ w zanieczyszczeniu środowiska naturalnego. Szybko postępujące zmiany w zakresie konstrukcji i technologii produkcji silników samochodowych oraz wprowadzanie nowych paliw przyczynia się do zmian intensywności procesów degradacji olejów smarowych [4]. Według [10,11] współczesne silniki o zapłonie samoczynnym emitują około razy więcej emisji cząstek stałych (PM) i około trzy razy więcej tlenków azotu (NOx) w porównaniu z silnikami o zapłonie iskrowym. Ograniczenie emisji PM z silników o ZS jest jednym z najpoważniejszych, a zarazem najtrudniejszych problemów jaki musi zostać rozwiązany dla spełnienia obecnych i przyszłych coraz bardziej zaostrzanych przepisów dotyczących ochrony środowiska naturalnego. Intensywne prace badawcze zmierzają w kierunku poznania mechanizmów i składu emisji cząstek stałych (PM), gdzie istotną rolę w kształtowaniu jego stężenia odgrywa jakość paliwa, bazy olejowej, pakietu dodatków uszlachetniających te produkty, wielkość zużycia środka smarującego oraz stan techniczny i warunki pracy silnika o ZS. Najnowsze rozwiązania konstrukcyjne układów oczyszczania spalin w silnikach o zapłonie samoczynnym, oznaczone symbolem handlowym Blue HDL z racji zastosowania układu selektywnej redukcji katalitycznej (SCR), a zatem typu Ad Blue wymagają stosowania wysokiej jakości oleju smarującego spełniającego bardzo rygorystyczne wymagania koncernu PSA (Peugeot i Citroen) B [12]. Olej ten jest przeznaczony do smarowania zarówno najnowszych rozwiązań konstrukcyjnych silników benzynowych, jak i silników o zapłonie samoczynnym. Zatem musi być kompatybilny z układami katalitycznymi, w tym także typu SCR i jednocześnie gwarantować wysoką paliwo-oszczędność oraz śladowe wycieki środka smarującego z układu smarowania, w tym problem ochrony środowiska. Aby spełnić te wymagania, jedna z trzech firm na świecie MOTUL opracowała najwyższej jakości, syntetyczny, paliwo-oszczędny olej silnikowy przeznaczony do smarowania najnowszej generacji silników o zapłonie samoczynnym typu Blue HDI, wyposażonych w układy katalityczne SCR oraz filtry cząstek stałych DPF koncernu PSA (Peugeot i Citroen). Według [13] olej ten uzyskał aprobatę zgodnie z wymaganiami PSA B oraz spełnia wymogi norm emisji spalin Euro IV, Euro V i Euro VI. Dzięki odpowiednio dobranemu składowi chemicznemu i poziomu lepkości środka smarującego można go także stosować do niektórych silników benzynowych. Obecnie ważnym zagadnieniem dotyczącym zanieczyszczenia środowiska naturalnego zwłaszcza emisji NOx i PM to również pojazdy samochodowe z zamontowanymi silnikami o zapłonie iskrowym, oraz jakość oleju smarującego w tych jednostkach napędowych. Nieprawidłowo dobrany olej smarujący w silniku o zapłonie iskrowym, wpływa na ograniczenie sprawności pracy filtra cząstek stałych, który ulega zatkaniu, co w efekcie powoduje wzrost emisji PM i zwiększenie zużycia paliwa. Każda specyfikacja jakości olejów silnikowych na rynku europejskim ACEA ma określone parametry fizykochemiczne, gdzie producenci pojazdów samochodowych nazywają aprobatą dopuszczeniową. Jak wspomniano koncern PSA (Peugeot i Citroen) opracował własny system klasyfikacji jakości olejów silnikowych w tym wymagań w świetle limitów emisji Euro VI, które wydaje się być interesujące [13]. Logistyka 5/

4 Istotną rolę odgrywają oleje niskopopiołowe, które tworzą znacznie mniej zanieczyszczeń podczas pracy silnika w układzie oczyszczania spalin (filtr cząstek stałych, katalizator) [13]. Stosowanie olejów smarowych niskopopiołowych może być również ograniczone z uwagi na specyficzne wymagania producentów silników samochodowych. Takim wymogiem jest długi okres między wymianami oleju smarującego, np. 150 tys. km (silniki Iveco). Tego typu silniki nie są wyposażone w filtry cząstek stałych DPF i wówczas zaleca się stosować olej smarujący typu Rimula R6 ME 5W/30. W pozostałych przypadkach oleje LOW SAPS mogą z powodzeniem być stosowane we wszystkich typach silników starszej konstrukcji, zasilanych paliwem o niskiej zawartości siarki. Obecność niekorzystnych interakcji pomiędzy pakietem dodatków uszlachetniających paliwo i olej silnikowy Możliwość występowania niekorzystnych interakcji pomiędzy pakietem dodatków uszlachetniających paliwo i olej silnikowy sprzyja procesom tworzenia szlamów w układzie smarowania silnika. Na ogół szlamy powstają w niskiej temperaturze pracy silnika, głównie na dnie misy olejowej, odstojnika pompy olejowej, filtrze oleju oraz dźwigienkach zaworów głowicy silnika. Szlam ma konsystencję mazistą i jest koloru szaroczarnego lub czarnego, którego skład zależy od jakości używanego paliwa i oleju smarowego jak również stanu technicznego silnika oraz warunków jego eksploatacji [14]. Według [15] w silniku o ZI paliwo etanolowe może sprzyjać powstawaniu osadów w misce olejowej, których ilość jest zależna od obecności olefin w benzynie silnikowej. Olefiny mają tendencję do polimeryzacji w niskich temperaturach, zwłaszcza w obecności powstałego kwasu octowego, co skutkuje powstawaniem osadów typu żywic. Powstałe w ten sposób żywice początkowo są rozproszone w oleju silnikowym dzięki obecności dyspergatorów. Jednak ze względu na ich masę cząsteczkową, aglomerują w misce olejowej tworząc osady i laki zwiększające lepkość oleju silnikowego. W konsekwencji, ich obecność, może prowadzić do zatykania kanałów smarowych i ograniczenia przepływu oleju smarującego w silniku [15]. W wyniku tego procesu towarzysząca etanolowi woda tworzy substancje o charakterze kwaśnym przy bardzo niskiej energii aktywacji. Niespalony w silniku etanol, który dostał się do oleju smarującego, reaguje z tlenem tworząc kwas octowy. Obecność kwasu octowego i wody w oleju silnikowym niesie za sobą wysokie ryzyko korozji silnika. Procesy korozyjne są szczególnie niebezpieczne dla elementów składowych silnika wykonanych ze stopów lekkich. Jego zakwaszenie ograniczone jest do czasu utrzymywania odpowiedniej rezerwy całkowitej liczby zasadowej (rezerwy alkalicznej) lub do momentu obecności dodatków uszlachetniających na wysokim poziomie [12]. Agresywne oddziaływanie etanolu zarówno na materiały konstrukcyjne silnika o ZI jak i na olej smarowy wynika z ilości zawartej w nim łatwo pochłanianej wody, w tym kwasów organicznych. Rozcieńczenie oleju silnikowego etanolem może być szczególnie intensywne w przypadku kiedy silnik jest często uruchamiany w warunkach zimowych i na krótkich odległościach [16]. Podsumowanie Rozwój olejów silnikowych przeznaczonych do smarowania nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych silników samochodowych zmierza w kierunku olejów energooszczędnych wpływających na obniżenie zużycia paliwa, ograniczenie do minimum zawartości popiołów siarczanowych, siarki i fosforu (co czyni wzrost trwałości układu oczyszczania spalin) oraz kompatybilność ze stosowanym paliwem (nie dopuszcza do powstawania niekorzystnych interakcji pomiędzy składnikami oleju smarującego i paliwa). Ponadto olej silnikowy ma za zadanie utrzymać niską temperaturę krzepnięcia, zapewnić dobrą mieszalność baz olejowych wraz z pakietem dodatków uszlachetniających, niską emisyjność i wydłużyć przebieg eksploatacyjny pomiędzy kolejnymi wymianami oleju w silniku [14]. Skład oleju silnikowego, w tym baza i pakiet dodatków uszlachetniających, rodzaj paliwa oraz warunki pracy silnika współdecydują o intensywności procesów jego degradacji [15]. Producenci olejów silnikowych weryfikują produkt nie tylko pod kątem jego parametrów fizykochemicznych i użytkowych, ale również w zakresie zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Użyte do produkcji syntetyczne bazy olejowe gwarantują wysoką stabilność termiczną oraz zapewniają wysoki poziom odporności warstwy smarnej na działanie wysokich temperatur. Dzięki tym wła- 158 Logistyka 5/2015

5 ściwościom olej utrzymuje stabilną powłokę ochronną, a zarazem zapobiega powstawaniu osadów, zapewniając tym samym o wysoki poziom czystości silnika. Ponadto obniża ryzyko zakleszczenia się pierścieni tłokowych, co z kolei zapewnia niskie zużycie oleju w okresie wydłużonej eksploatacji silnika. Niska lotność i wysoka odporność na ścinanie również wpływają na zmniejszenie zużycia oleju oraz umożliwiają wydłużenie przebiegów eksploatacyjnych między wymianami oleju. Dzięki niskiej temperaturze pompowalności i płynięcia oleju smarującego obniżamy opory tarcia wewnętrznego elementów silnika, co również skutkuje zmniejszonym zużyciem paliwa w niskich temperaturach pracy silnika. Reasumując należy podkreślić istotną rolę oleju silnikowego w kształtowaniu emisji cząstek stałych (PM) zwłaszcza w silnikach o zapłonie samoczynnym. Praca wykonana w ramach prac statutowych nr prowadzonych na Wydziale Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie. Streszczenie W pracy zamieszczono informacje dotyczące wymagań jakościowych olejów smarowych dla nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych silników przeznaczonych do napędu pojazdów samochodowych. Wysoka jakość oleju smarującego skomponowana w oparciu o bazę syntetyczną i nowoczesny pakiet dodatków uszlachetniających definiowana jest jako element konstrukcyjny silnika. Rozwój nowoczesnych olejów silnikowych ukierunkowany jest na ochronę środowiska naturalnego w aspekcie wymagań emisji spalin EURO VI i wydłużonego przebiegu eksploatacyjnego oraz obniżonego zużycia paliwa. Niezwykle istotnym aspektem badawczym olejów silnikowych jest ich wpływ w kształtowaniu emisji toksycznych składników spalin zwłaszcza w zakresie cząstek stałych (PM) z uwzględnieniem stanu technicznego silnika i warunków pracy. Słowa kluczowe: olej silnikowy, baza syntetyczna, dodatki uszlachetniające, silnik TRENDS IN DEVELOPMENT OF MOTOR OILS FOR ENVIRONMENTAL PROTECTION Abstract In the article information on the quality requirements of lubricating oils for modern design solutions of engines for motor vehicles are presented. High quality lubricating oil composed with a synthetic base and modern additive package this product is defined as a construction element of the engine. The development of modern motor oils is aimed at protecting the environment in terms of the requirements of exhaust emission standard Euro VI, an extended operational mileage and reduced fuel consumption. Bibliografia [1] Jakóbiec J., Rozwój konstrukcji silników spalinowych wyznacznikiem postępu technologii olejów smarowych, Nowoczesny Warsztat Nr 6/2010. [2] Jakóbiec J., Zmiana właściwości użytkowych olejów silnikowych w warunkach eksploatacji, Paliwa, oleje i smary w Eksploatacji, Nr 83/2001. [3] Wyszecki C., Ochrona środowiska i oszczędności paliwa; Nowoczesny Warsztat Nr 3 (189) [4] S.Rigol, Monitoring Concept to Detect Engine Oil Condition Degradations to Support a Reliable Drive Operation; A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the University of East London for the degree of Doctor of Philosophy. September [5] Cieślikowski B., Spectral analysis of deposits from a catalytic converter of Diesel engine. Kongres: Combustion Engines. Wyd. Silniki spalinowe. PTNSS 3/2011. [6] Cieślikowski B., Jakóbiec J., Monitorowanie stanu niesprawności układu EGR silników TDCi zasilanych olejem napędowym Ekodiesel Ultra oraz paliwem B10; PTNSS-2013-S.C Logistyka 5/

6 [7] PN-EN 14214, Paliwa do pojazdów samochodowych. Estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME) do silników o zapłonie samoczynnym (Diesla). Wymagania i metody. [8] Bieniek A., Graba M., Lechowicz A., Adaptive Control of Exhaust gas recirculation at nonroad vehicle diesel engine, Journal of KONES vol. 18, No 4/2011. [9] Lejda K., Elimination of NOx emission in diesel engine by EGR method, Western Scientific Center of Ukrainian Transport Academy, Logos [10] Directive 98/69 EC of the European Parliament and of the Council, 13 October, [11] Burtscher H., Matter U., Particle Formation Due to Fuel Additives SAE Paper , [12] Bergstrom K., Melin S.A., Coleman J., The New ECOTEC Turbo BioPower Engine from GM Powertrain- Utilizing the Power of Nature s resources, 28-th Internationals Wiener Motoren symposium, [13] Pyrka P., Ekskluzywny olej dla najbardziej wymagających; Motul Specific 2312 OW/30; Nowoczesny Warsztat Nr 3 (189) [14] Jakóbiec J., Kierunki rozwoju technologii olejów silnikowych; AGH Akademia Górniczo-Hutniczamonografia; Wydawnictwo Polihymnia-Lublin [15] Jakóbiec J., Janik R., Olszewski W., Ocena zmian właściwości użytkowych oleju silnikowego w trakcie eksploatacji w aspekcie zagrożenia dla środowiska naturalnego; II Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna- Problemy Recyklingu; Recykling [16] Urzędowska W., Stępień Z., Oddziaływanie paliwa na zmiany właściwości użytkowych oleju smarowego w silniku z ZI typu FlexiFuel, NAFTA-GAZ, Logistyka 5/2015