ARCHIWUM MOTORYZACJI 3, pp. 209-216 (2007) Czynniki majce wpływ na stopie degradacji oleju silnikowego w okresie eksploatacji JANUSZ JAKÓBIEC 1, GRZEGORZ BUDZIK 2 1 Instytut Technologii Nafty w Krakowie, 2 Politechnika Rzeszowska W artykule zamieszczono informacje dotyczce aktualnych wymaga z zakresu kształtowania jakoci olejów silnikowych w nowoczesnych rozwizaniach konstrukcyjnych silników spalinowych pojazdów samochodowych i wpływu okrelonych czynników na stopie ich degradacji w okresie eksploatacji oraz kryterium doboru parametrów jego oceny. 1. Wstp W ostatnich latach o jakoci olejów silnikowych decyduj wymagania z zakresu nowoczesnych rozwiza konstrukcyjnych silników samochodowych: bezporedni wtrysk, turbodoładowanie, recyrkulacja spalin, stosowanie coraz bardziej efektywnych katalizatorów i filtrów spalin oraz wymagania ochrony rodowiska, jak równie wprowadzenie nowych rodzajów paliw w tym alternatywnych (LPG, CNG i biopaliw) [1 3]. Wszystkie te rozwizania znajduj odbicie w rozwoju technologii rodków smarowych, w tym baz olejowych i pakietów dodatków uszlachetniajcych rys. 1. Rys. 1. Przekrój układu smarowania i chłodzenia silnika spalinowego. Fig.1. The section of lubrication and cooling systems of internal combustion engine.
210 J. Jakóbiec, G. Budzik Odbiorca oczekuje w samochodzie silnika nowoczesnego, oszczdnego, trwałego i zapewniajcego dobre osigi przez cały czas eksploatacji oraz wydłuonych okresów wymian oleju silnikowego. Oczekiwaniom tym staraj si sprosta producenci samochodów i wytwórcy rodków smarowych, traktujc olej silnikowy jako istotny element dla pracy silnika [4]. 2. Nowoczesne konstrukcje silników Nowoczesne silniki z zapłonem iskrowym staj si coraz bardziej rozbudowane i zarazem skomplikowane. Szczególnie odnosi si to do głowic cylindrowych, które przybieraj coraz wiksze rozmiary, a pozostaje w nich coraz mniej miejsca na skomplikowane systemy zminiaturyzowanych kanałów dla przepływu płynu chłodzcego i oleju smarujcego [5]. Poza złoon konstrukcj, nowoczesne silniki cechuje coraz wyszy stopie sprania, który prowadzi do nieustannego zwikszania tzw. wysilenia silników i prdkoci obrotowej. Wymienione zmiany w silnikach przyczyniaj si do pracy niektórych jego układów i elementów w warunkach coraz wikszego obcienia, wyszej temperatury, a take coraz czciej powoduj powstawanie znaczcej rónicy temperatury pomidzy głowic, a blokiem cylindrowym oraz pojawianie si obszarów, gdzie olej smarujcy naraony jest na miejscowe przegrzanie przy równoczesnym wystpowaniu duych sił cinajcych (np. na wielu powierzchniach styku ruchomych elementów układów rozrzdu). Wzrasta gwałtownie obcienie oleju silnikowego wyraane wskanikiem tzw. stresu olejowego [6]. 3. Przegrzewanie silnika lub jego elementów Współczesne silniki z ZI, zwłaszcza te, w których proces spalania odbywa si w uwarstwionej, czsto ubogiej mieszance, charakteryzuj si wysok temperatur spalania ładunku. Z kolei opisane wczeniej, rozbudowane głowice cylindrowe o skomplikowanych odlewach, w których kanały chłodziwa maj czsto maksymalnie ograniczon pojemno, sprzyjaj powstawaniu lokalnych obszarów o wyranie podwyszonej temperaturze. Poczwszy od około 100 o C, olej silnikowy wykazuje wiksze prawdopodobiestwo utleniania, a powyej około 140 o C jego utlenianie i termiczny rozkład zachodz w sposób gwałtowny [7]. Dlatego te producenci olejów powszechnie stosuj inhibitory utleniania, jednak te w miar eksploatacji oleju ulegaj degradacji, a ich wyjciowy potencjał maleje i proces utleniania moe przebiega coraz bardziej swobodnie, zwłaszcza w okresach przegrzewania elementów silnika, przy duym dostpie powietrza. Postpujce utlenianie prowadzi do zagszczania oleju i podnoszenia jego liczby kwasowej. Z biegiem czasu olej zaczyna by coraz bardziej nasycony rozpuszczalnymi i nierozpuszczalnymi produktami utleniania, co powoduje, e efektywno dodatków dyspergujco detergencyjnych jest niewystarczajca do utrzymania ich w stanie zawieszenia w oleju, nastpuje wytracanie substancji smolistych i szlamów na elementach silnika. Dodatkowym czynnikiem wspomagajcym tworzenie szlamów jest nitrowanie oleju (powodujce jego uboenie w dodatki) po-
Stacje tankowania CNG autobusów komunikacji miejskiej 211 przez oddziaływanie tlenków azotu powstajcych w komorze spalania (zwłaszcza przy spalaniu ubogiej mieszanki) i przedostajcych si do skrzyni korbowej silnika. Szlamy zaczynaj pokrywa wewntrzne powierzchnie rónych elementów silnika, ograniczajc wymian i odprowadzenie ciepła z silnika, co powoduje stopniowy wzrost temperatury jego pracy i dalsz, przyspieszon destrukcj oleju. 4. Przedmuchy gazów spalinowych do skrzyni korbowej Cz produktów procesów spalania przebiegajcych w komorach spalania silnika przedostaje si w postaci przedmuchów do skrzyni korbowej oddziałujc na olej. Z punktu widzenia konstrukcji silnika, wana jest tu proporcja pomidzy iloci gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej, a pojemnoci miski olejowej, a wic iloci oleju poddawanego działaniu tych gazów. Istotny jest te sposób odprowadzania przedmuchiwanych gazów ze skrzyni korbowej. Wysoka temperatura oraz skład przedmuchiwanych gazów, zawierajcych: tlenki azotu, tlenki siarki, tlen, wysokoreaktywne wodoronadtlenki, zmieszanych z nie spalonym lub czciowo spalonym, chemicznie niestabilnym paliwem i sadz to czynniki, które oddziałujc na cienk warstw oleju silnikowego prowadz do niepodanych nastpstw, takich jak powstawanie prekursorów osadów, ywic i laków. One to ulegajc aglomeracji i flokulacji, mog wypada z oleju zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach. Ponadto, współczesne oleje silnikowe zawieraj du ilo dodatków uszlachetniajcych, w tym przeciwutleniajcych. Dodatki te naraone na oddziaływanie bardzo rozgrzanych i niestabilnych chemicznie gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej ulegaj rozkładowi, a zwikszona ilo produktów rozkładu dodatkowo obcia olej bazowy, powodujc jego zagszczanie, a nastpnie sprzyja ich wypadaniu. 5. Stosowanie niewłaciwego oleju smarujcego Stosowanie niewłaciwego oleju do smarowania silnika powoduje jego przyspieszone, a nawet awaryjne zuycie, moe te mie wpływ na tworzenie osadów w postaci eli lub czarnych szlamów [7, 8]. Zastosowanie w nowoczesnych silnikach oleju smarujcego o zbyt duej lepkoci powoduje jego opónione docieranie do wielu miejsc wymagajcych intensywnego smarowania (zwłaszcza podczas rozruchu), a równoczenie długie zaleganie (na skutek spowolnionego przepływu), szczególnie w kanalikach o małym przekroju przepływu. Zbyt długie zaleganie oleju, prowadzi do jego przegrzewania, przedwczesnego utleniania i w konsekwencji wytworzenia szlamów, a nastpnie tzw. korków szlamowych blokujcych przepływ przez kanały olejowe. Powolny przepływ oleju przez kanały układu smarowania silnika powoduje te zmniejszenie odprowadzenia ciepła z silnika, co prowadzi do jego przegrzewania, a to z kolei do przyspieszonego utleniania i degradacji składników oleju inicjujcych lub zwikszajcych powstawanie czarnych szlamów.
212 J. Jakóbiec, G. Budzik Nowoczesny silnik wymaga indywidualnego dobrania i stosowania oleju smarujcego o odpowiedniej jakoci, uwzgldniajc jego klas lepkoci i biorc pod uwag: wysokie obcienia cieplne silnika, ilo gorcych i agresywnych gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej, konieczno szybkiej cyrkulacji i efektywnego smarowania w kadych warunkach pracy silnika, zdolno do dyspergowania wszelkich osadów, produktów utleniania oleju i zanieczyszcze powstajcych w procesie spalania itp. [9]. 6. Wydłuanie okresu pomidzy wymianami oleju Wydłuenie okresu eksploatacji oleju prowadzi do wielu niekorzystnych zjawisk, powodujcych szybkie pogarszanie jego właciwoci i powstawanie produktów degradacji oleju w postaci midzy innymi: eli, laków, ywic i czarnych szlamów. Eksploatacja oleju powoduje stopniowe odparowanie jego lekkich frakcji oraz coraz intensywniejsze utlenienie, co przekłada si na zwikszenie lepkoci, stanowice jeden z waniejszych parametrów oceny oleju pod ktem przydatnoci do dalszej jego eksploatacji. Zwikszanie lepkoci powoduje midzy innymi: wzrost skłonnoci oleju do jego dekompozycji na skutek przegrzewania, utrudnienie cyrkulacji oleju w silniku, pogorszenie smarowania coraz wikszej liczby wanych elementów silnika, inicjowanie formowania rónych osadów na skutek podwyszania temperatury pracy silnika i oddziaływania coraz bardziej agresywnych, gorcych spalin przedmuchiwanych do skrzyni korbowej. Powyej opisany proces utraty podstawowych właciwoci oleju moe by w pewnym stopniu złagodzony w przypadku silników zuywajcych du ilo oleju, a wic wymagajcych jego czstego uzupełniania (odwieania). Nadmierne wydłuanie okresu eksploatacji oleju powoduje te utrat jego rezerwy alkalicznej i wzrost kwasowoci, wytrcanie i degradacj dodatków uszlachetniajcych i inicjowanie powstawania ywic oraz szlamów. 7. Warunki eksploatacji silnika Poniej podano warunki eksploatacji samochodu, które sprzyjaj powstawaniu szlamów w silniku [10]: krótkie odcinki jazdy samochodem (wielokrotne rozgrzewanie i chłodzenie silnika); jazda w korkach ulicznych (warunki jazdy okrelane jako stop and go ); przedłuona praca silnika na biegu jałowym (jazda i przestoje samochodu w korkach ulicznych); czste uruchamianie silnika w niskich temperaturach; eksploatacja samochodu w terenach górzystych (naprzemienne, gwałtowne przegrzewanie i chłodzenie silnika). Wyej wymienione warunki powoduj intensywn kondensacj wody na wewntrznych elementach silnika, a nastpnie jej skraplanie i tworzenie emulsji z olejem smarujcym. Teoretycznie, przy normalnej eksploatacji samochodu (w warunkach nie
Stacje tankowania CNG autobusów komunikacji miejskiej 213 obejmujcych wyliczonych powyej), woda nie powinna skrapla si w silniku, poniewa wystpujce wewntrz silnika temperatury rzdu 90 100 o C umoliwiaj jej odparowanie. Jednak nieregularna eksploatacja samochodu na krótkich trasach i w niskich temperaturach powoduje w sposób nieunikniony skraplanie i przedostawanie si wody do oleju. Przedostaje si te wraz z gazami spalinowymi przedmuchiwanymi do skrzyni korbowej. Wytworzona emulsja olejowo-wodna powoduje wzrost lepkoci oleju, utrudnia jego cyrkulacj w kanałach silnika, co prowadzi midzy innymi do przegrzewania oleju i jego utleniania, zwikszania lepkoci i formowania rónego rodzaju zanieczyszcze, w tym szlamów. Woda w skrzyni korbowej zawiera midzy innymi siark ze spalonego paliwa, która tworzy kwas siarkowy. Przedostajce si do oleju kwasy nieorganiczne powoduj rozkład dodatków detergentowych, a kwasy organiczne wchodz w reakcje z niezupełnie spalonym paliwem inicjujc powstawanie szlamów i laków. 8. Lotno oleju Obecnie, przy opracowywaniu nowych olejów silnikowych obowizuj dwie podstawowe tendencje: obnianie szybkoci odparowywania oleju (lotnoci) i wydłuanie okresów pomidzy jego wymianami [11, 12]. Dotychczas przeprowadzone badania silnikowe i drogowe pozwoliły poczyni nastpujce obserwacje w zakresie wyej okrelonych tendencji. Wydłuona eksploatacja olejów o duej lotnoci (duej szybkoci parowania) prowadzi do zwikszania, wraz z upływem czasu eksploatacji, st- enia metalicznych dodatków w oleju. W przypadku wydłuonej eksploatacji olejów o małej lotnoci (małej szybkoci parowania) wystpuje odwrotna tendencja, tzn. niewielkie obnianie stenia dodatków metalicznych w oleju. Obnianie stenia dodatków jest spowodowane ich stopniow degradacj na skutek rónych czynników oddziałujcych na eksploatowany olej. W konsekwencji, olej o małej lotnoci wykazuje w miar eksploatacji coraz mniejsz odporno na utlenianie, zwikszon tendencj do tworzenia osadów i w coraz mniejszym stopniu chroni elementy silnika przed zu- yciem. Olej o duej lotnoci szybko odparowuje podczas wydłuonej eksploatacji, co powoduje konieczno jego okresowego uzupełniania (odwieania). Prowadzi to, z jednej strony, do uzupełniania degradowanych w czasie eksploatacji dodatków, a z drugiej strony, odparowanie lekkich frakcji oleju bazowego powoduje stopniowe zwikszanie lepkoci takiego oleju [13]. 9. Kryteria doboru parametrów oceny stopnia degradacji oleju silnikowego w eksploatacji Wieloletnie obserwacje pozwoliły na stwierdzenie, e specyfika konstrukcji, okre- lone parametry pracy silnika oraz rodzaj stosowanego paliwa i oleju silnikowego to elementy majce wpływ na intensywno procesów degradacji oleju silnikowego w eksploatacji. Typujc właciwoci fizykochemiczne oleju silnikowego, których
214 J. Jakóbiec, G. Budzik monitorowanie ma stanowi kryterium oceny stopnia degradacji oleju naley bra pod uwag nastpujce procesy zachodzce podczas eksploatacji: reakcje zobojtniania kwanych produktów spalania przez dodatki neutralizujce; reakcje oksydacji wglowodorów zwizane z wysokotemperaturowym oddziaływaniem tlenu obecnego w komorze spalania; reakcje nitratacji, przez które rozumiemy reakcje zachodzce podczas kontaktu składników olejów smarowych, głównie wglowodorów z tlenkami azotu, powstałymi w warunkach pracy silnika (zwłaszcza tych sprzyjajcych powstawaniu wysokich temperatur i rednich cinie spalania w komorach) prowadzce do powstawania azotanów organicznych; pojcie to wprowadzono, aby odróni tego rodzaju procesy od znanych z preparatyki organicznej procesów nitrowania; analogiczne reakcje tlenków siarki wobec pary wodnej przy podwyszonym cinieniu, prowadzce do powstawania produktów sulfonacji; reakcje degradacji składników niewglowodorowych (głównie dodatków uszlachetniajcych), prowadzce do czciowej lub całkowitej utraty okrelonych właciwoci eksploatowanego oleju silnikowego, np. obnianie si liczby zasadowej, rozpad dodatków przeciwzuyciowych typu ditiofosforanów, czy procesy mechanochemiczne (procesy cinania) dodatków modyfikujcych właciwoci reologiczne oleju; reakcje pomidzy zwizkami powierzchniowo czynnymi a dodatkami uszlachetniajcymi, obecnymi zarówno w oleju smarowym jak i paliwie, co moe zmienia właciwoci detergentowo dyspergujace oleju silnikowego i prowadzi do powstawania zawiesin, szlamów, laków lub rozmaitych wytrce o zrónicowanym składzie chemicznym; przechodzenie do oleju silnikowego wyej wrzcych komponentów paliwa, czego skutkiem mog by zmiany charakterystyk lepkociowych oleju; kumulowanie si w oleju silnikowym w trakcie eksploatacji innych zanieczyszcze rónego pochodzenia, np. produktów spalania, takich jak, woda (co moe powodowa hydroliz niektórych dodatków), czy sadza, co głownie dotyczy silników z zapłonem samoczynnym, a take pyłów i mineralnych zanieczyszcze rodowiskowych, co moe skutkowa zwikszonym zuyciem elementów silnika; awaryjne przecieki do oleju smarujcego silnik glikolu etylenowego, pochodzcego z płynu chłodniczego. Naley jednak pamita, e analiza właciwoci fizykochemicznych oleju w eksploatacji moe dostarczy cennych informacji pod warunkiem, e badania bd prowadzone stosownymi metodami. W tym celu grupa robocza CEC IL 21 opracowała procedur CEC M-13-T-92, obejmujc zalecane znormalizowane metody analizy olejów silnikowych w eksploatacji. Powysza procedura stanowi podstaw w zakresie sposobu bada oleju silnikowego w eksploatacji. Przyjte metody bada zamieszczono w tabeli 1.
Stacje tankowania CNG autobusów komunikacji miejskiej 215 Tabela 1. Stosowane metody bada do oceny właciwoci fizykochemicznych oleju silnikowego przewidzianych klasyfikacj jakociow API i procedur CEC M 13 T 92. Table 1. Methods of evaluation of physicochemical properties of engine oil according to API quality classification and CEC M 13 T 92 procedure. Lp. Oznaczana cecha Metoda badania wg 1. Lepko kinematyczna PN EN ISO 3104 2. Wskanik lepkoci ASTM D 2270 3. Liczba kwasowa ASTM D 664 4. Całkowita liczba zasadowa ASTM D 2896 5. Zawarto wody ASTM D 95 6. Zawarto pierwiastków pochodzcych z pakietu jakociowego ASTM D 4951 7. Zawarto pierwiastków pochodzcych ze zuycia elementów silnika ASTM D 5185 8. Zawarto zanieczyszcze nierozpuszczalnych ASTM D 893 9. Popiół siarczanowy ISO 3984 10. Odparowalno metod Noacka PN C 04124 11. Stopie oksydacji, nitratacji, sulfonowania ASTM E 2412 12. Odporno na utlenianie i działanie korodujce CEC L 40 A 78 Ocena stopnia degradacji oleju silnikowego w eksploatacji powinna uwzgldnia równie szeroko zakrojone prace normalizacyjne w grupach roboczych ASTM, obejmujce zagadnienia oznaczania stopnia nitratacji, oksydacji, produktów ubocznych sulfonowania, zawartoci sadzy, paliwa, zanieczyszcze glikolem etylenowym, wod oraz monitorowania zmian zawartoci dodatków przeciwzuyciowych technikami analizy spektralnej w podczerwieni z transformacj fourierowsk. 10. Podsumowanie Nowoczesny silnik spalinowy wymaga indywidualnego dobrania i stosowania oleju smarujcego o odpowiedniej jakoci, uwzgldniajc jego klas lepkoci oraz biorc pod uwag wysokie obcienie cieplne silnika, ilo gorcych i agresywnych gazów spalinowych przedmuchiwanych do skrzyni korbowej, konieczno szybkiej recyrkulacji i efektywnego smarowania w kadych warunkach pracy silnika. Zachodzce w okresie eksploatacji oleju silnikowego procesy starzenia (degradacji) powoduj zmiany jego właciwoci uytkowych. Zmiany te s spowodowane zarówno procesami chemicznymi, którym ulegaj składniki oleju, jak te wpływem zanieczyszcze przedostajcych si do oleju (metali pochodzcych ze zuycia silnika) w warunkach eksploatacji. Ocen właciwoci uytkowych olejów silnikowych wytypowanych do smarowania nowoczesnych silników samochodowych naley przeprowadza w warunkach intensywnej eksploatacji. Uzyskane wyniki bada laboratoryjnych, stanowiskowych i eksploatacyjnych wysokojakociowych olejów silnikowych przeznaczo-
216 J. Jakóbiec, G. Budzik nych do smarowania nowoczesnych silników samochodowych stanowi mog wystarczajc gwarancj ich właciwoci uytkowych. Literatura [1] IDZIOR M.: Rozwój silników spalinowych w aspekcie metod ich wytwarzania. Silniki Spalinowe PTNSS 2006 Nr 1. [2] BRZEA SKI M.: Fiat GM Powertrain 1,3 JTD z Bielska Białej duy krok w kierunku nowoczesno- ci. Silniki Spalinowe PTNSS 2005, Nr 2. [3] JAKÓBIEC J.: Rozwój samochodowych systemów zasilania silników paliwem gazowym propan butan. Biuletyn ITN Nr 1/2005. [4] JAKÓBIEC J., JANIK R., OLSZEWSKI W., MACIG A.: Ocena zmian właciwoci uytkowych oraz składu chemicznego olejów smarowych w trakcie eksploatacji w aspekcie zagroenia dla rodowiska naturalnego. Materiały II Midzynarodowej Konferencji Naukowo Technicznej Problemy recyklingu, Recykling 2002 Rogów 2002. [5] JAKÓBIEC J.: Ocena eksploatacyjna nowej generacji płynów chłodzcych do chłodnic samochodowych. Nafta Gaz 1999, Nr 12. [6] JAKÓBIEC J., WYSOPAL G.: Zmiana właciwoci uytkowych olejów silnikowych w warunkach eksploatacji. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji 2001, Nr 83. [7] JAKÓBIEC J.: Dwugłos w sprawie doboru oleju silnikowego. Taksówkarz Polski 2003, Nr 5. [8] JAKÓBIEC J.: Dobór oleju silnikowego układu wewntrznego chłodzenia tłoka silnika spalinowego. Technika Transportu Szynowego 1997, Nr 7/8. [9] JAKÓBIEC J., URZDOWSKA W., WYSOPAL G.: Badania eksploatacyjne olejów silnikowych klasy SJ/CF SAE 15W/40 i SJ/CF SAE 10W/40 w samochodach marki Polonez Caro GLI. Dokumentacja ITN Nr 3401/2000. [10] JAKÓBIEC J., URZDOWSKA W., WYSOPAL G., KRASODOMSKI W.: Badania eksploatacyjne oleju silnikowego Platinum MaxEnergy SL/CF SAE 5W/40 produkcji ORLEN OIL Sp. z o.o. Dokumentacja ITN Nr 3456/03. [11] JAKÓBIEC J., WYSOPAL G.: Bazy olejowe trendy rozwoju w kraju i na wiecie. Nowoczesny Warsztat 2005, Nr 5. [12] JAKÓBIEC J.: Smarowanie silników o ZI zasilanych paliwem gazowym propan butan (LPG); IV Midzynarodowa Konferencja Naukowa Silniki Gazowe 97; Konstrukcja Badania Eksploatacja Vysne Rubachy 1997 [13] JAKÓBIEC J.: Ocena eksploatacyjna oleju smarowego do silników zasilanych gazem propan butan. Materiały II Midzynarodowego Seminarium Naukowo Technicznego Wybrane problemy w budowie i eksploatacji maszyn, Politechnika Białostocka i Akademia Górniczo Hutnicza, Białystok 2002. Factors influencing degree of degradation of motor oil during exploitation time S u m m a r y The paper contains information concerning actual requirements in the area of modern motor oil quality shaping in some contemporaneous constructions of car engines. This work also presents the influence of specified factors on motor oils degradation during their exploitation and criteria of choosing parameters for their evaluation.