Lepkość ma znaczenie

Olej silnikowy jest istotną częścią silnika spalinowego. Bez oleju silnik nie będzie pracował. Fakt ten został zrozumiany już na samym początku ponad stuletniej historii motoryzacji. Benz Patent Motor Car, który został zaprezentowany publicznie w 1886 roku i jest zwykle uważany za pierwszy pojazd produkcyjny napędzany czterosuwowym silnikiem spalinowym, wykorzystywał raczej obce smarowanie kroplowe i miskę smarową. Jednak pierwszy prawdziwy masowo produkowany samochód, słynny Ford Model T wprowadzony na rynek w 1908 roku, wykorzystywał już system smarowania rozbryzgowego, który jest koncepcyjnie podobny do tego, co widzimy w nowoczesnych samochodach, z wyjątkiem tego, że zarówno silnik, jak i skrzynia biegów Modelu T dzieliły ten sam olej.

Ponieważ silnik spalinowy jest tak krytycznie zależny od oleju, szybko zdano sobie sprawę z potrzeby standaryzacji oleju silnikowego. W rzeczywistości już w 1911 roku nowo powstałe Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych (SAE) przyjęło pierwszą klasyfikację olejów silnikowych. Ta pierwsza klasyfikacja SAE – tzw. specyfikacja nr 26 – klasyfikowała oleje silnikowe w oparciu o ciężar właściwy, temperaturę zapłonu i ogień. Bardziej lepkie oleje były "cięższe" i miały wyższe punkty zapłonu i ognia. Od tamtej pory - nawet obecnie - oleje silnikowe są czasami określane wagowo, chociaż od 1923 roku lepkość oleju zaczęła być wykorzystywana jako podstawa wszystkich przyszłych specyfikacji SAE. Najnowsza specyfikacja SAE J300 została przyjęta w 2015 roku. 

W rzeczywistości norma SAE J300 określa cztery różne rodzaje lepkości: lepkość kinematyczną w temperaturze 100oC (KV100), maksymalną dopuszczalną lepkość dla rozruchu na zimno (CCS) i pompowalność w niskich temperaturach oraz lepkość do wysokich temperatur i wysokiego ścinania (HTHS). Dlatego można z całą stanowczością stwierdzić, że lepkość ma znaczenie!

Lepkość oleju jest jednym z ważnych mierników jego przydatności do celu. W silniku spalinowym wszystkie ruchome części poruszają się po filmie olejowym. Każde zdarzenie niesmarowanego kontaktu metal-metal może mieć katastrofalne konsekwencje i należy go unikać za wszelką cenę. Aby olej spełniał swoje zadanie, musi być na czas dostarczany do krytycznych punktów smarowania. Przepływ oleju przez kanały olejowe – lub galerie – w silniku jest w dużej mierze zdeterminowany przez jego lepkość kinematyczną, dlatego KV100 jest pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę przy wyborze odpowiedniego oleju. Jednak powinieneś być w stanie uruchomić samochód również zimą. Wraz ze spadkiem temperatury olej silnikowy staje się coraz bardziej lepki, ostatecznie zamieniając się w substancję stałą podobną do mydła. Jeśli tak się stanie, nie będziesz w stanie uruchomić silnika. Dlatego SAE J300 wymienia również CCS i pompowalność w niskich temperaturach. Wreszcie, przy dużym obciążeniu silnika, temperatura oleju w łożyskach może wzrosnąć do 150-200oC, a jednocześnie bardzo duże siły ścinające mają tendencję do rozdrabniania cząsteczek oleju na mniejsze fragmenty. W rezultacie spada lepkość oleju. Aby zagwarantować odpowiednie smarowanie łożysk w tak trudnych warunkach, norma SAE J300 określa minimalną lepkość HTHS dla każdej klasy lepkości.

Jeśli lepkość jest zbyt wysoka, nie jest dobra: olej może nie dotrzeć na czas i wystarczająco szybko odprowadzać ciepło. Jednak stosowanie gęstszego niż zalecany oleju nie jest śmiertelne: w końcu dzieje się tak za każdym razem, gdy uruchamiasz chłodny silnik. Jeśli lepkość jest zbyt niska, jest to o wiele bardziej niebezpieczne: olej będzie zbyt łatwo odpływał i nie wytworzy wystarczającego ciśnienia. Spowoduje to szybkie zużycie łożysk, zatarcie tłoka/pierścienia, zatarcie i inne krytyczne problemy. Prawie na pewno zauważysz również zwiększone zużycie oleju.

Wiele istotnych podsystemów silnika jest krytycznie zależnych od ciśnienia oleju, na przykład hydrauliczne napinacze łańcucha rozrządu i układy zmiennych faz rozrządu (VVT). Jeśli ciśnienie oleju jest niskie, systemy te mogą zacząć działać nieprawidłowo: napinacze łańcucha nie wytworzą wystarczającego ciśnienia, aby wyeliminować luzy łańcucha, a fazery krzywkowe nie będą normalnie przesuwać krzywki. Spowoduje to zrównoważenie rozrządu silnika, co z kolei wpłynie na osiągi silnika, zużycie paliwa i emisje, a ostatecznie włączy kontrolkę "Check Engine".

Konwencjonalne oleje bazowe stosowane do produkcji smarów do skrzyń korbowych otrzymywane są w procesie destylacji i oczyszczania surowego oleju mineralnego. Lekkie frakcje destylatów wykorzystywane są do produkcji różnego rodzaju paliw, stanowiąc główne źródło zysku rafinerii, natomiast ciężkie frakcje denne – często określane jako dno beczki – wykorzystywane są do produkcji smarów i niektórych innych produktów, w tym asfaltu i wosku. Historycznie rzecz biorąc, produkcja środków smarnych była uważana za tani koniec procesu rafinacji ropy naftowej, próbujący przekształcić produkt uboczny produkcji paliwa w produkt o wartości dodanej. 

Historycznie rzecz biorąc, najważniejszymi olejami bazowymi używanymi do formułowania smarów do skrzyni korbowej były oleje o lepkości od 100 do 600 SUS (20 do 130 cSt przy 100oF), a także najbardziej lepka klasa mineralnych olejów bazowych o typowym zakresie lepkości od 1000 do 5000 SUS – tak zwane jasne akcje. Jednak w ciągu ostatnich kilku dekad nastąpił stały spadek wielkości produkcji i wykorzystania konwencjonalnych mineralnych olejów bazowych (stanowiących grupę API I), ponieważ stary proces rafinacji rozpuszczalnikowej traci na popularności na rzecz bardziej nowoczesnego, ekonomicznego i czystego dla środowiska procesu rafinacji znanego jako hydrorafinacja. Ten ostatni jest wykorzystywany do produkcji olejów bazowych API grupy II i III. Jedną z głównych wad hydrorafinacji jest to, że nie może wytwarzać produktów o wysokiej lepkości – nie wyższej niż 200 SUS. W związku z tym nowoczesne środki smarne są w dużym stopniu uzależnione od polimerowych zagęszczaczy, stosowanych w celu zastąpienia jasnych zapasów. Takie polimerowe zagęstniki pełnią jeszcze jedną przydatną funkcję – podnoszą wskaźnik lepkości (VI) oleju, stąd ich potoczna nazwa – polepszacze indeksu lepkości (VII).

Obecnie prawie wszystkie samochodowe oleje silnikowe są "wielosezonowe", ponieważ zapewniają odpowiednią wydajność zarówno w zimnym, jak i gorącym klimacie. Oleje wielosezonowe są opisane za pomocą dwóch liczb, takich jak ta: SAE 10W-40. Pierwsza cyfra – 10, po której następuje "W" – odnosi się do wydajności w niskich temperaturach. Zasadniczo mówi się, że w okresie zimowym olej ten zachowuje się jak starsza klasa zimowa SAE 10W: powinien umożliwiać rozruch silnika w temperaturze -25oC i nie traci zdolności do przepływu w temperaturach do -30oC. Druga cyfra, 40, mówi, że latem ten sam olej zachowuje się jak starszy jednosezonowy SAE 40: ma KV100 w zakresie od 12,5 do 16,3 cSt i lepkość HTHS minimum 3,5 cP.

Im większa różnica między drugą a pierwszą cyfrą, tym szerszy jest wielosezonowy.  Najszersze obecnie wielostopniowe, takie jak 0W-40, 5W-50 i 10W-60, mają VI około 180, chociaż możliwe jest jeszcze większe zwiększenie VI, do 200-220. Wysoki VI jest mile widzianą cechą, ponieważ olej o wysokiej zawartości VI wykazuje mniejsze wahania lepkości w zależności od temperatury. Jednak rzeczywiste spektrum korzyści zależy od tego, w jaki sposób osiągnięto ten wysoki VI, ponieważ istnieje wiele pułapek.

Rozważmy przykład zastosowania polimerowych boosterów VI w praktyce.  Załóżmy, że masz olej bazowy 150N API grupy II z KV40 = 28 cSt i KV100 = 5,2 cSt (VI = 109). Jeśli dodasz 15% kopolimer olefin (OCP) typu VI, taki jak Paratone 8006, otrzymasz produkt zagęszczony polimerem o KV40 = 83 cSt i KV100 = 12 cSt (VI = 140). Tak więc VI wzrosła ze 109 do 140. Jak rozszyfrować, że jest to mieszanka polimerowo-olejowa, a nie bezpolimerowy olej 600N? Pierwszą rzeczą, którą należy sprawdzić, jest temperatura zapłonu: oleje zagęszczone polimerem będą miały prawie taką samą temperaturę zapłonu jak oryginalny olej bazowy (150N, FP 220oC), która jest znacznie niższa niż temperatura zapłonu oleju bazowego o jednakowej lepkości bez polimerów (600N, FP 270oC). Drugim przydatnym sprawdzianem jest strata parowania: oleje zagęszczone polimerem będą wykazywać prawie taką samą stratę parowania jak oryginalny olej bazowy (150N, 15% wag. Noacka), która jest znacznie wyższa niż strata parowania oleju bazowego o jednakowej lepkości bez polimerów (600N, 2% wag. Noack).  

Wniosek z tego przykładu jest taki, że zagęszczanie polimeru i wzmacnianie VI powinno być stosowane ostrożnie: chociaż pomaga to w łatwym dostrojeniu wiskozymetrii produktu, niektóre inne istotne właściwości mogą zostać przeoczone. Nadmierne stosowanie polimerów może zagrozić odporności na ścinanie – dlatego SAE J300 definiuje zakres HTHS dla każdej klasy lepkości, a komercyjne dodatki VII charakteryzują się wskaźnikiem stabilności na ścinanie (SSI). Inne powszechne problemy to zagęszczanie oksydacyjne i żelowanie w olejach przepracowanych.

Istnieją znaczne różnice między różnymi klasami polepszaczy VI pod względem wydajności, odporności na ścinanie, rozpuszczalności i oczywiście ceny. Na przykład polepszacze z kopolimeru olefin (OCP) VI stały się obecnie "zwykłym" typem technologii ulepszania VI, z głównym naciskiem na produkty o wysokiej wartości, podczas gdy polepszacze styrenu i metakrylanu polialkilu (PAMA) VI są coraz częściej stosowane w produktach najwyższej klasy. Fakt ten dowodzi, że dane dotyczące lepkości, o których mowa w normie SAE J300, nadal nie dają pełnego obrazu: można dopasować wszystkie cztery odczyty lepkości i nadal widzieć różnice w wydajności produktu. Dzieje się tak dlatego, że konwencjonalna wiskozymetria nie mówi nic na przykład o stabilności chemicznej cząsteczek VII, ich możliwych interakcjach z innymi składnikami formulacji smarnych lub nienewtonowskim zachowaniu reologicznym warstw smarnych zawierających polimery. Mimo że teoretyczne zrozumienie VII działania różnych klas polimerów i ich wpływu na trybologię środków smarnych ogromnie się rozwinęło, doświadczenie pozostaje najlepszym nauczycielem w tej w dużej mierze empirycznej dziedzinie.

Obecnie rozcieńczalniki są aktywnie promowane w celu zmniejszenia zużycia paliwa.  Należy jednak pamiętać, że w pracującym silniku smar skrzyni korbowej jest zawsze w pewnym stopniu "rozcieńczany" przez paliwo. Stopień rozcieńczenia paliwa zależy od typu silnika i warunków jazdy. Ruch miejski typu "stop-and-go" to jeden z niekorzystnych scenariuszy, z którego większość ludzi nawet nie zdaje sobie sprawy. W najgorszych przypadkach olej może zawierać nawet 10-15% paliwa. Innym niekorzystnym scenariuszem jest jazda z dużą prędkością, taka jak wyścigi samochodów seryjnych, w których do chłodzenia silników celowo stosuje się bogate mieszanki paliwowo-powietrzne. W wyniku rozcieńczenia paliwa olej silnikowy łatwo spada o jeden stopień niżej: zaczynasz od oleju 5W-30 i wkrótce okazuje się, że jest on rozcieńczony do poziomu 5W-20. Olej staje się również rzadszy, gdy silnik jest mocno obciążony i nagrzewa się, na przykład podczas holowania przyczepy. Niektórzy producenci mają tendencję do włączania większego marginesu bezpieczeństwa w swoich recepturach, ustawiając docelową wartość v100 dokładnie w środku odpowiedniej klasy lepkości, a HTHS znacznie powyżej dopuszczalnej wartości minimalnej. Inni starają się przesunąć swoje produkty na krawędź, aby zmaksymalizować korzyści w zakresie oszczędności paliwa. Na przykład 5W-40 z KV100 = 14,5 cSt wytrzyma 4-5% rozcieńczenie paliwa bez spadania z klasy. Podobny produkt 5W-40 o "zwiększonej oszczędności paliwa" o KV100 = 13,0 cSt spadnie już przy 2% rozcieńczeniu paliwa. W związku z tym, ogólnie rzecz biorąc, zawsze możesz bezpiecznie przejść o jeden stopień wyżej niż zaleca producent silnika, ale nigdy nie używaj cieńszych olejów niż zalecane.

Z wyjątkiem kilku flagowych produktów, popularne środki smarne są zawsze projektowane z myślą o wartości. Ale my w BIZOL mamy obsesję na punkcie jakości – chcemy dostarczać naszym klientom to, co najlepsze. Aby zrozumieć różnicę, spójrz na poniższy diagram lub – jeszcze lepiej – wypróbuj BIZOL.