1-2009 T R I B O L O G I A 77 Alicja LABER * EFEKTY EKSPLOATACYJNE SILNIKA SPALINOWEGO SMAROWANEGO PREPARATEM EKSPLOATACYJNYM O DZIAŁANIU CHEMICZNYM OPERATING EFFECTS OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE LUBRICATED WITH OPERATIONAL SUBSTANCE OF CHEMICAL ACTIVITY Słowa kluczowe: smarowanie, własności smarne, warstwa graniczna, zużycie Key-words: lubrication, lubricant properties, boundary layer, wear Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań zmian w procesie eksploatacji własności smarnych oleju silnikowego Elf Performance 3D 15W40 modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym o działaniu chemicznym. Badania eksploatacyjne wykazały, że na trasie około 40 000 km, w zmiennych warunkach terenowych i klimatycznych, preparat eksploatacyjny o działaniu chemicznym korzystnie wpłynął na poprawę własno- * Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy i Eksploatacji Maszyn, ul. prof. Z. Szafrana 2, 65-016 Zielona Góra.
78 T R I B O L O G I A 1-2009 ści smarnych oleju poprzez zwiększenie trwałości warstwy granicznej i odporność na przerywanie. Efektem polepszenia właściwości tribologicznych było także zmniejszenie zużycia paliwa. WPROWADZENIE Oleje silnikowe są środkami smarowymi, których głównym zadaniem jest zmniejszenie oporów tarcia pomiędzy przemieszczającymi się względem siebie powierzchniami elementów silników spalinowych. W eksploatacji silników wysokoprężnych w chwili obecnej powszechnie stosowane są oleje mineralne otrzymywane z ropy naftowej (około 90%). Stosowane są także oleje syntetyczne, które eksploatuje się tam, gdzie oleje mineralne nie są w stanie spełnić stawianych im wymagań. Olej stosowany do smarowania tłokowych silników spalinowych powinien spełniać następujące funkcje [L. 1]: zmniejszać opory tarcia między współpracującymi elementami, tworząc między nimi odpowiednio trwałą warstwę smarującą niedopuszczającą do tarcia suchego; zmniejszać do minimum straty mocy silnika (nie stwarzać nadmiernych oporów hydraulicznych w czasie przetłaczania oleju); uszczelniać luzy w smarowanych skojarzeniach chłodzić elementy o wysokiej temperaturze; amortyzować dynamiczne obciążenie elementów silnika oczyszczać części silnika z osadów i produktów zużycia; zabezpieczać smarowane elementy przed korozyjnym działaniem gazów spalinowych i otaczającej atmosfery. Na olej pracujący w silnikach działają wymuszenia termiczne, mechaniczne i chemiczne. Aby olej spełniał dobrze swoje funkcje, musi charakteryzować się zespołem własności, determinujących jego przydatność w eksploatacji silników. Z punktu wymagań eksploatacyjnych istotne są następujące cechy jakościowe olejów silnikowych oznaczonych w warunkach laboratoryjnych: lepkość oleju przy ujemnych i dodatnich wartościach temperatury oraz wskaźnik lepkości, wytrzymałość filmu olejowego na zmieniające się naciski smarność (trwałość warstwy granicznej), odporność na utlenianie, odporność na destrukcję mechaniczną, właściwości antykorozyjne, właściwości dyspersyjno-myjące, przeciwpienne i inne.
1-2009 T R I B O L O G I A 79 Spełnienie tych funkcji uzyskuje się poprzez blending olejów bazowych dodatkami uszlachetniającymi. Jednak istnieją przypadki warunków pracy silników spalinowych, w których najlepszy olej nie jest w stanie zapewnić optymalnych warunków pracy, a zwłaszcza dobrych własności smarnych, które przeciwdziałają nadmiernemu zużyciu elementów trących skojarzenia cylinder tłok/pierścienie w silniku. Celem poprawy warunków smarowania węzłów tarcia, w ostatnich kilkunastu latach, wiele firm zagranicznych zaczęło produkować tzw. preparaty eksploatacyjne (PE), które za pośrednictwem oleju handlowego z pełnym pakietem dodatków uszlachetniających olej wprowadzane są do węzłów tarcia na etapie eksploatacji. Uwzględniając mechanizm działania tych preparatów można je podzielić na trzy zasadnicze grupy: I preparaty o działaniu chemicznym; II preparaty zawierające w swym składzie cząstki środków smarnych stałych, takich jak np. teflon, metale miękkie (miedź, ołów, cynk, srebro i inne), grafit, dwusiarczek molibdenu i inne; III preparaty umożliwiające powstanie w węźle tarcia smarowania na zasadzie tzw. selektywnego przenoszenia tzw. efekt Garkunowa. W Zakładzie Obróbki Ubytkowej i Eksploatacji Maszyn Wydziału Mechanicznego Uniwersytetu Zielonogórskiego od wielu lat prowadzone są badania nad skutecznością działania tych preparatów. Badania potwierdziły celowość stosowania preparatów eksploatacyjnych, o czym świadczą wyniki badań laboratoryjnych i eksploatacyjnych zamieszczone w niniejszej publikacji. CEL, ZAKRES I METODY BADAŃ Celem badań było ustalenie wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na własności smarne oleju silnikowego Elf Performance 3D15W40. Jest to wysokiej jakości, nowoczesny, wielosezonowy olej mineralny składający się ze specjalnie dobranych mineralnych olejów bazowych i dodatków uszlachetniających. Olej ten zalecany głównie jest do mocno obciążonych silników wysokoprężnych z turbosprężarką pracujących w samochodach ciężarowych, sprzęcie budowlanym oraz autobusach w najcięższych warunkach pracy. Został wytworzony ze specjalnie wyprodukowanych baz mineralnych oraz starannie dobranych dodatków uszlachetniających o najwyższych parametrach. Użycie wyselekcjonowa-
80 T R I B O L O G I A 1-2009 nych wiskozatorów zapewnia bardzo wysoki wskaźnik lepkości, co wiąże się z optymalną lepkością w całym zakresie temperatur, przy jednoczesnej doskonałej odporności na ścinanie. Może być stosowany do innych silników wysokoprężnych, również bez doładowania. Lepkość tego oleju pozwala na stosowanie go w ciągu całego roku, w każdych warunkach klimatycznych. Jest olejem długodystansowym zalecanym przez czołowych konstruktorów silników wysokoprężnych na wydłużone okresy wymiany i spełniającym normy EURO 2. Badania zostały przeprowadzone na ciągnikach siodłowych marki Scania o mocy silników 400 KM. Pojazdy te wykonywały trasy w ruchu międzynarodowym, gdzie warunki drogowe były zróżnicowane. Większość przewozów odbywała się na trasie Szwecja Portugalia. Czas, w którym pracowały to marzec kwiecień. Jest to okres wiosenny, w którym występuje duża różnica temperatur, dodatkowo obszary klimatyczne, w jakich się poruszały, również były od siebie odmienne. Przebieg samochodów na olejach przyjętych do badań to około 40 000 km. Średnia ładowność, jaka była przewożona to 20 ton. Przyjęte do badań silniki smarowane były olejem handlowym Elf Performance 3D15W40 i modyfikowanym 5% PE o działaniu chemicznym. Badania własności smarnych, tj. obciążenie zespawania Pz, wskaźnik zużycia pod obciażenien Ih, obciążenie zacierające Pt oraz obciążenie niezacierające Pn wyznaczano na skomputeryzowanym aparacie 4-kulowym (testerze T-02 produkcji Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu). Własności smarne wyznaczono dla następujących środków smarowych: A. Oleju handlowego Elf Performance 3D15W40; B. Oleju handlowego Elf Performance 3D15W40 modyfikowanego 5% PE o działaniu chemicznym; C. Handlowego Elf Performance 3D15W40 po przebiegu samochodu 40 000 km; D. Oleju handlowego Elf Performance 3D15W40 modyfikowanego 5% PE o działaniu chemicznym po przebiegu samochodu 40 000 km. W trakcie eksploatacji pojazdów rejestrowano także zużycie oleju silnikowego. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wyniki badań własności smarnych badanych środków smarowych przedstawiono w Tab. 1. oraz na Rys. 1 i 2. Z porównania własności smarnych
1-2009 T R I B O L O G I A 81 środków smarowych A i B wynika, że modyfikowanie oleju handlowego PE nie wpłynęło na zmianę wielkości obciążenia zespawania Pz oraz obciążenia niezacierajacego Pn. Zwiększył się natomiast wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih z 39,8 45 dan oraz obciążenie zacierające Pt, które wzrosło o 26,8 dan. Zwiększyła się także trwałość i odporność na przerwanie warstwy granicznej. Przy narastającym obciążeniu w przypadku oleju handlowego (A) przerwanie warstwy granicznej nastąpiło po około 5 sec., natomiast dla środka smarowego B po około 6 sec. (Rys. 2). Analiza średnicy skaz kulek Rys. 3 potwierdza również korzystny wpływ modyfikowania na zużycie elementów trących mniejsze średnice skaz przy wyższych obciążeniach. W procesie eksploatacji po przebiegu samochodu około 40 000 km nastąpiła zmiana własności smarnych zarówno oleju handlowego, jak i modyfikowanego PE (Tab. 1, Rys. 1). Obniżeniu uległy takie wskaźniki, jak: wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih oraz obciążenie zacierające Pt. Dla obu środków smarowych nastąpił wzrost obciążenie zespawania Pz z 160 200 dan oraz obciążenia niezacierającego Pn z 126 160 dan. Tabela 1. Własności smarne badanych środków smarowych Table 1. Lubricating properties of tested lubricating substances Rodzaj środka smarowego Własności smarne [dan] Pz Ih Pn Pt A 160 39,8 126 239,8 B 160 45 126 266,6 C 200 30,7 160 186,5 D 200 35.2 160 196,9 Taki przebieg zmian badanych środków smarowych w procesie eksploatacji związany jest ze zmianami składu chemicznego oleju w procesie starzenia. Własności oleju są bezpośrednio związane ze składem chemicznym oleju. W procesie eksploatacji skład ten ulega zmianom głównie w wyniku przebiegu procesów termochemicznych (w wyniku oddziaływania wysokiej temperatury), procesów utleniania (w wyniku działania tlenu z powietrza) oraz w wyniku przedostania się do oleju zanieczyszczeń z zewnątrz.
82 T R I B O L O G I A 1-2009 Własności smarne [dan] 300 250 200 150 100 50 Pz Ih Pn Pt 0 A B C D środek smarny Rys. 1. Własności smarne badanych środków smarowych Fig. 1. Lubricating properties of tested lubricating substances Jak podaje A. Wachal [L. 5] produkty wymienionych procesów starzenia oddziałują na siebie nawzajem, tworząc złożone produkty reakcji zanieczyszczające olej. Stałe cząsteczki mineralne i produkty uwęglenia stają się ośrodkami, na których adsorbują żywiczne produkty utleniania. Utworzone micele sprzyjają powstawaniu koloidalnych faz szlamu w oleju. Stabilizacji szlamów koloidalnych oraz emulgacji zanieczyszczeń sprzyja obecność śladów wody w oleju, produktów korozji oraz związków polarnych i powierzchniowo czynnych. Tak więc w wyniku starzenia zmienia się skład chemiczny i skład fazowy, a wraz z nimi własności oleju. Wbudowanie się tlenu do węglowodorowych składników oleju oraz tworzenie się żywic o różnych wielkościach cząsteczki powinno zwiększyć zdolność sorpcji oleju na smarowanych powierzchniach. Ze względu na polarny charakter tworzących się związków, zwiększenie zdolności sorpcyjnych powinno prowadzić do polepszenia przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych własności oleju. Zanieczyszczenia przedostające się z zewnątrz do oleju mają charakter ścierniwa i powinny wraz ze wzrostem stężenia zwiększyć intensywność zużywania współpracujących części. Cząstki zanieczyszczeń otaczają się zaadsorbowanymi na nich żywicami i ich działanie ścierne jest raczej niewielkie. Potwierdzeniem tego może być zmiana średnicy skaz w funkcji obciążenia Tab. 2, Rys. 2.
1-2009 T R I B O L O G I A 83 Tabela 2. Średnice skaz warunkowane obciążeniem węzła tarcia dla badanych środków smarowych Table. 2. Defect diameters in load function of friction node Średnica skaz [mm] Rodzaj środka smarowego Obciążenie [dan] 80 100 126 160 200 250 A 0,3 0,36 2,78 Z B 0,3 0,3 1,72 Z C 0,58 1,83 2,40 2,85 Z D 0,3 1,72 2,27 2,7 Z średnica skaz [mm] 3 2,5 2 1,5 1 ŚRODEK SMARNY A ŚRODEK SMARNY B ŚRODEK SMARNY C ŚRODEK SMARNY D 0,5 0 0 50 100 150 200 obciążenie węzła tarcia [dan] Rys. 2. Średnice skaz warunkowane obciążeniem węzła tarcia dla badanych środków smarowych Fig. 2. Defect diameters in load function of friction node Olej przepracowany, modyfikowany PE Elf Performance 3D po około 40 tys. km, zwiększył swoje własności smarne. Obciążenie zacierające Pt wzrosło o około 10 dan, a przerwanie warstwy granicznej następuje dla oleju handlowego po 4,75 s, natomiast dla oleju modyfikowanego po 5,01 s, co może świadczyć, że po procesie modyfikowania trwałość warstwy granicznej zwiększyła się.
84 T R I B O L O G I A 1-2009 środek smarny A środek smarny B 1200 1000 siła tarcia [dan] 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 czas [s] Rys. 3. Przebieg zmienności siły tarcia dla narastającego obciążenia Fig. 3. Changeability of friction force in load function of friction node siła tarcia [dan] 700 600 500 400 300 200 środek smarny C środek smarny D 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 czas [s] Rys. 4. Przebieg zmienności siły tarcia dla narastającego obciążenia Fig. 4. Changeability of friction force in load function of friction node Przebieg zmienności siły tarcia dla narastającego obciążenia węzła tarcia dla handlowego oraz modyfikowanego PE przedstawia Rys. 3, natomiast Rys. 4 dla olejów po przebiegu pojazdu o około 40 000 km. W obu przypadkach przebieg zmienności siły tarcia jest korzystniejszy dla oleju modyfikowanego PE. Korzystne działanie PE na warunki pracy węzłów tarcia silnika w procesie eksploatacji wpłynęły na obniżenie zu-
1-2009 T R I B O L O G I A 85 życia paliwa o 6,7%. Zużycie paliwa dla silnika smarowanego olejem handlowym wynosiło 31,3 l/100 km, natomiast w przypadku zastosowania PE 29,4 l/100km Rys. 5. 45 40 zużycie paliwa [l/100km] 35 30 25 20 15 10 5 0 środek smarny C środek smarny D Rys. 5. Zużycie oleju napędowego po przebiegu 40 000 km Fig. 5. Diesel oil specific fuel consuption a 40 000 km PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania laboratoryjne, jak również eksploatacyjne wykazały celowość stosowania PE o działaniu chemicznym na poprawę własności oleju silnikowego Elf Performance 3D15W40, gdyż:! modyfikowanie PE wpłynęło na poprawę jego własności smarnych;! polepszyły się własności przeciwzatarciowe i przeciwzużyciowe.! polepszyła się jakość warstwy granicznej, która w porównaniu z warstwą graniczną oleju handlowego jest bardziej trwała i odporna na przerywanie. Nastąpiło doszczelnienie węzłów tarcia, co spowodowało spadek zużycia oleju napędowego. Jest to bardzo ważny czynnik ekonomiczny i ekologiczny.
86 T R I B O L O G I A 1-2009 LITERATURA 1. Instrukcja obsługi testera T-05, MCNEMT. Radom 1993. 2. Laber A.: Modyfikowanie własności smarnych oleju silnikowego preparatem eksploatacyjnym o działaniu chemicznym. Wyd. TRIBOLOGIA 2008. 3. Laber A.: Studium zjawisk tribologicznych zachodzących w węzłach tarcia smarowanych preparatami eksploatacyjnymi. Uniwersytet Zielonogórski 2008. Praca nieopublikowana. 4. Szczerek M., Tuszyński W.: Badania tribologiczne zacieranie. Wyd. ITeE Radom 2000. 5. Wachal A.: Zmiany własności przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych oleju smarowego w wyniku starzenia. Materiały XI Szkoły Tribologicznej. Informator Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych. Warszawa 1982. 6. Spikes A.H.: Advances in the study of thin lubricant films. First World Tribology Congress, London 1997. 7. Mori S., Imazumi Y.: Adsorption of model compounds of thin lubricant films. Proc. Roy. Soc. London A, 333/1973. Recenzent Ryszard MARCZAK Summary This article presents the test results on the changes of lubricating properties of engine oil Elf Performance 3D15W40 modified with an operational substance of chemical activity. Operational tests reveal that, after 40 000 km have been driven in various weather and road conditions, the operational substance of chemical activity had a positive effect on the lubricating properties of the oil, because it increased the durability of the boundary layer and its resistance to breaking. The improvement of the boundary layer improved the tribological properties and reduced the amount of fuel burned.