Na viskozitě záleží

Motorový olej je důležitou součástí spalovacího motoru. Bez oleje motor nepoběží. Tato skutečnost byla pochopena již na samém počátku více než stoleté historie automobilismu. Benz Patent Motor Car, který byl představen veřejnosti v roce 1886 a je obvykle považován za první sériově vyráběné vozidlo poháněné čtyřdobým spalovacím motorem, používal poněkud cizí kapací mazání a mazací misku. První skutečně sériově vyráběný automobil, slavný Ford Model T uvedený na trh v roce 1908, však již používal systém rozstřikování oleje, který je koncepčně podobný tomu, co vidíme v moderních automobilech, s tím rozdílem, že motor i převodovka Modelu T sdílely stejný olej.

Vzhledem k tomu, že spalovací motor je tak kriticky závislý na oleji, rychle si uvědomili potřebu standardizace motorového oleje. Ve skutečnosti to bylo již v roce 1911, kdy byla první klasifikace motorových olejů přijata nově založenou Společností automobilových inženýrů (SAE). Tato první klasifikace SAE – takzvaná specifikace č. 26 – seřadila motorové oleje na základě měrné hmotnosti, bodu vzplanutí a bodu vzplanutí. Viskóznější oleje byly "těžší" a měly vyšší body vzplanutí a vznícení. Od té doby - dokonce i v dnešní době - jsou motorové oleje stále někdy označovány hmotnostně, i když viskozita oleje se začala používat jako základ pro všechny budoucí specifikace SAE od roku 1923. Nejnovější specifikace SAE J300 byla přijata v roce 2015. 

Ve skutečnosti SAE J300 specifikuje čtyři různé typy viskozity: kinematickou viskozitu při 100oC (KV100), maximální přípustnou viskozitu pro startování za studena (CCS) a čerpatelnost při nízkých teplotách a vysokoteplotní vysokoteplotní smykovou viskozitu (HTHS). Lze tedy pevně prohlásit, že na viskozitě záleží!

Viskozita oleje je jedním z důležitých kvantifikátorů jeho vhodnosti pro daný účel. Ve spalovacím motoru jezdí všechny pohyblivé části na olejovém filmu. Jakýkoli výskyt nemazaného kontaktu kov-kov může mít katastrofální následky a je třeba mu za každou cenu zabránit. Aby olej odvedl svou práci, musí být včas dodán do kritických mazacích míst. Průtok oleje olejovými kanálky – nebo galeriemi – v motoru je do značné míry určen jeho kinematickou viskozitou, proto je KV100 první věcí, na kterou je třeba se při výběru správného oleje podívat. Měli byste však být schopni nastartovat auto i v zimě. S klesající teplotou je motorový olej stále viskóznější a nakonec se mění na pevnou látku podobnou mýdlu. Pokud k tomu dojde, nebudete moci protočit motor. To je důvod, proč SAE J300 také uvádí CCS a nízkoteplotní čerpatelnost. A konečně, při vysokém zatížení motoru se teplota oleje v ložiscích může zvýšit na 150-200 °C a zároveň velmi vysoké smykové síly mají tendenci drtit molekuly oleje na menší fragmenty. V důsledku toho klesá viskozita oleje. Aby bylo zaručeno dostatečné mazání ložisek za takto náročných podmínek, definuje SAE J300 minimální viskozitu HTHS pro každý viskozitní stupeň.

Pokud je viskozita příliš vysoká, není to dobré: olej nemusí dorazit včas a odvádět teplo dostatečně rychle. Použití hustšího než doporučeného oleje však není fatální: koneckonců se to děje pokaždé, když nastartujete studený motor. Pokud je viskozita příliš nízká, je to mnohem nebezpečnější: olej bude příliš snadno odtékat a nevytvoří dostatečný tlak. To způsobí rychlé opotřebení ložisek, odírání pístu/kroužku, zadření a další kritické problémy. Téměř jistě také zaznamenáte zvýšenou spotřebu oleje.

Mnoho životně důležitých subsystémů v motoru je kriticky závislých na tlaku oleje, například hydraulické napínáky rozvodového řetězu a systémy variabilního časování ventilů (VVT). Pokud je tlak oleje nízký, mohou tyto systémy začít selhávat: napínáky řetězu nedokážou vytvořit dostatečný tlak, aby se odstranilo prověšení řetězu, a vačkové phasery nebudou normálně posouvat vačku. Tím se vyrovná časování motoru, což zase ovlivní výkon motoru, spotřebu paliva a emise a nakonec se rozsvítí kontrolka "Check Engine".

Konvenční základové oleje používané pro výrobu maziv klikové skříně se získávají destilací a čištěním surového minerálního oleje. Frakce lehkých destilátů se používají k výrobě různých druhů paliva, které představují hlavní zdroj zisku rafinérií, zatímco těžké spodní frakce – často označované jako dno sudu – se používají k výrobě maziv a některých dalších produktů včetně asfaltu a vosku. Historicky byla výroba maziv považována za levný konec procesu rafinace ropy, který se pokoušel přeměnit vedlejší produkt výroby paliva na produkt s přidanou hodnotou. 

Historicky byly nejdůležitějšími základovými oleji používanými k výrobě maziv klikové skříně oleje s viskozitou 100 až 600 SUS (20 až 130 cSt při 100 °F), stejně jako nejviskóznější třída minerálních základových olejů s typickým rozsahem viskozity 1000 až 5000 SUS – takzvané světlé akcie. V posledních několika desetiletích však dochází k trvalému poklesu objemu výroby a používání konvenčních minerálních základových olejů (tvořících skupinu API I), protože starý proces rafinace rozpouštědlem ztrácí půdu pod nohama ve prospěch modernějšího, ekonomičtějšího a ekologicky čistšího procesu rafinace známého jako hydrorafinace. Ten se používá k výrobě základových olejů API skupiny II a III. Jednou z hlavních nevýhod hydrorafinace je, že nemůže produkovat produkty s vysokou viskozitou – nic vyššího než 200 SUS. Moderní maziva jsou proto silně závislá na polymerních zahušťovadlech, která se používají k nahrazení světlých pažin. Taková polymerní zahušťovadla mají ještě jednu užitečnou funkci – zvyšují viskozitní index (VI) oleje, odtud jejich obecný název – zlepšovače viskozitního indexu (VII).

Dnes jsou téměř všechny automobilové motorové oleje "vícestupňové", protože poskytují adekvátní výkon v chladném i horkém podnebí. Vícestupňové oleje jsou popsány dvěma čísly, jako je tento: SAE 10W-40. První číslo – 10 následované "W" – odkazuje na výkon při nízkých teplotách. V podstatě říká, že v zimním období se tento olej chová jako starší zimní třída SAE 10W: měl by vám umožnit protočit motor při -25 °C a neztratí svou schopnost proudit při teplotách až -30 °C. Druhý údaj, 40, říká, že v létě se stejný olej chová jako starší jednostupňový olej SAE 40: má KV100 v rozmezí 12,5 až 16,3 cSt a viskozitu HTHS minimálně 3,5 cP. 

Čím větší je rozdíl mezi druhým a prvním údajem, tím širší je vícestupňová. Nejširší multigrady dneška, jako jsou 0W-40, 5W-50 a 10W-60, mají VI kolem 180, i když je možné VI ještě více zesílit, až na 200-220. Vysoké VI je vítanou funkcí, protože olej s vysokým VI vykazuje menší kolísání viskozity s teplotou. Skutečné spektrum přínosů však závisí na tom, jak bylo tohoto vysokého VI dosaženo, protože existuje mnoho úskalí.

Podívejme se na příklad, jak se polymerní VI boostery používají v praxi.  Předpokládejme, že máte 150N API Group II základový olej s KV40 = 28 cSt a KV100 = 5.2 cSt (VI = 109). Pokud přidáte 15% olefinový kopolymer (OCP) typu ZLEPŠOVAČE VI, jako je Paratone 8006, skončíte s polymerem zahuštěným produktem s KV40 = 83 cSt a KV100 = 12 cSt (VI = 140). VI se tedy zvýšil ze 109 na 140. Jak můžete rozluštit, že se jedná o směs polymeru a oleje a ne o olej 600N bez polymerů? První věc, kterou je třeba zkontrolovat, je bod vzplanutí: oleje zahuštěné polymery budou mít téměř stejný bod vzplanutí jako původní základový olej (150 N, FP 220 oC), což je mnohem méně než bod vzplanutí ekviviskózního základového oleje bez polymerů (600 N, FP 270 oC). Druhou užitečnou kontrolou je ztráta odpařováním: polymerem zahuštěné oleje budou vykazovat téměř stejnou ztrátu odpařováním jako původní základový olej (150 N, 15 hm.% Noack), což je mnohem vyšší než ztráta odpařováním ekviviskózního základového oleje bez polymerů (600 N, 2 hm. % Noack).  

Závěr z tohoto příkladu je, že zahušťování polymerů a zesílení VI by měly být používány opatrně: i když vám to pomůže snadno vyladit viskozimetrii produktu, některé další důležité vlastnosti mohou být přehlédnuty. Nadměrné používání polymerů může ohrozit smykovou stabilitu – to je důvod, proč SAE J300 definuje rozsah HTHS pro každý stupeň viskozity a proč jsou komerční přísady VII charakterizovány indexem smykové stability (SSI). Dalšími častými problémy jsou oxidační zahušťování a gelovatění v použitých olejích.

Mezi různými třídami zlepšovačů VI existují podstatné rozdíly, pokud jde o účinnost, stabilitu ve smyku, rozpustnost a samozřejmě cenu. Například zlepšovače VI olefinových kopolymerů (OCP) se v dnešní době staly "obyčejným vanilkovým" typem technologie zušlechťování VI s primárním zaměřením na produkty s přidanou hodnotou, zatímco zlepšovače styrenu a polyalkylmethakrylátu (PAMA) VI se stále častěji používají ve špičkových produktech. Tato skutečnost dokazuje, že údaje o viskozitě uvedené v SAE J300 stále nevykreslují celý obraz: můžete porovnat všechny čtyři hodnoty viskozity a stále vidět rozdíly ve výkonu produktu. Je tomu tak proto, že konvenční viskozimetrie neříká nic například o chemické stabilitě molekul VII, jejich možných interakcích s jinými složkami lubrikačních formulací nebo nenewtonském reologickém chování mazacích filmů obsahujících polymery. I když teoretické chápání působení VII různých tříd polymerů a jejich vlivu na tribologii maziv enormně pokročilo, zkušenosti zůstávají nejlepším učitelem v této převážně empirické oblasti.

V dnešní době jsou ředidla aktivně propagována, aby se zlepšila spotřeba paliva.  Mějte však na paměti, že v běžícím motoru je mazivo klikové skříně vždy do určité míry "zředěno" palivem. Stupeň ředění paliva závisí na typu motoru a jízdních podmínkách. Zastavování a rozjíždění městské dopravy je jedním z nepříznivých scénářů, o kterém si většina lidí ani neuvědomuje. V nejhorších případech může olej obsahovat až 10-15 % paliva. Dalším nepříznivým scénářem je jízda vysokou rychlostí, jako jsou závody sériových vozů, kde se k chlazení motorů záměrně používají bohaté směsi vzduchu a paliva. V důsledku ředění paliva se motorový olej snadno sníží o jeden stupeň: začnete s olejem 5W-30 a brzy zjistíte, že je zředěný na úroveň 5W-20. Olej se také ztenčuje, když je motor silně zatížen a zahřívá se, například při tažení přívěsu. Někteří výrobci mají tendenci zařazovat do svých receptur větší bezpečnou rezervu, přičemž cílovou hodnotu v100 nastavují přesně uprostřed příslušného stupně viskozity a HTHS vysoko nad přípustnou minimální hodnotu. Jiní se snaží tlačit své produkty na hranu, aby maximalizovali výhody úspory paliva. Například 5W-40 s KV100 = 14,5 cSt vydrží 4-5% ředění paliva, aniž by spadl z jakosti. Podobný produkt 5W-40 "se zvýšenou spotřebou paliva" s KV100 = 13,0 cSt spadne z kvality již při 2% ředění paliva. Obecně tedy platí, že vždy můžete jít o stupeň výš, než doporučuje výrobce motoru, ale nikdy nepoužívejte řidší oleje, než je doporučeno.

S výjimkou několika vlajkových produktů jsou běžná maziva vždy navržena s ohledem na hodnotu. My v BIZOLu jsme ale posedlí kvalitou – chceme našim zákazníkům přinášet to nejlepší, co umíme. Chcete-li pochopit rozdíl, podívejte se na níže uvedený diagram, nebo – ještě lépe – zkuste BIZOL.