Zapraszam na pierwszy odcinek kanału ZmienOlej w którym opowiadam jakie funkcje pełni olej silnikowy jakie ma właściwości i na jakie parametry ...
Jak ocenić jakość oleju silnikowego
Jak ocenić jakość oleju silnikowego?
Chociaż większość olejów silnikowych spełnia przyjęte standardy, ich ogólna charakterystyka i poszczególne cechy, mogą się znacznie różnić. Oleje silnikowe niskiej jakości są często wprowadzane na rynek z powodu niewiedzy lub chciwości. Niestety, niedoświadczony właściciel samochodu nie jest w stanie odróżnić oleju wysokiej jakości od oleju niskiej jakości, ponieważ obydwa wyglądają tak samo. Jak więc ocenić jakość oleju silnikowego?
Testy stanowiskowe
Najlepszym sprawdzianem jakości oleju silnikowego jest niewątpliwie zastosowanie go w silniku. Pomimo zmian konstrukcyjnych silnika w celu otrzymania lepszych osiągów, niższego zużycia paliwa i pod kątem ostrzejszych standardów ochrony środowiska, wciąż silnik pozostaje ostatecznym arbitrem jakości oleju. Chociaż testy dynamiczne jakości oleju przeprowadzane na silniku to kosztowne przedsięwzięcie, producenci stosują je przy określaniu jakości oleju dla danej formuły czy komponentu, aby uniknąć kosztów ponoszonych z tytułu gwarancji.
Opracowanie miarodajnych powtarzalnych testów dynamicznych na silniku może stanowić wyzwanie. Biorąc pod uwagę, że konstrukcja silnika umożliwia osiąganie coraz większej mocy z silników o mniejszej pojemności, opracowanie powtarzalnych testów na dynamometrze stało się jeszcze trudniejsze. Na szczęście, po określeniu wymaganej jakości w testach dynamicznych lub drogowych, można zastosować znacznie tańszą metodę jeszcze dokładniejszej oceny jakości oleju. Wiąże się to z zastosowaniem laboratoryjnych testów stanowiskowych, ściśle skorelowanych z testami przeprowadzanymi na dynamometrze lub testami drogowymi. Jednakże, wartość i znaczenie tego typu testów zależą od wielu czynników, w tym konkretnych wymagań silnika, jasnych i spójnych informacji uzyskanych w testach dynamicznych i drogowych, jak i zrozumienia relacji pomiędzy wymaganiami silnika a właściwościami fizyko-chemicznymi oleju.
Właściwości oleju silnikowego
Olej silnikowy musi posiadać określone właściwości fizyko-chemiczne. W okresie eksploatacyjnym oleju, silnik generuje szereg obciążeń eksploatacyjnych, które niekorzystnie wpływają na długoterminową zdolność oleju do funkcjonowania na niezmiennie wysokim poziomie. Warunki eksploatacji mogą również znacznie różnić się zależnie od środowiska i sposobu użytkowania pojazdu. W związku z tym, dobór oleju silnikowego spełniającego konkretne potrzeby wymaga znajomości kilku ważnych jego cech, takich jak lepkość.
Lepkość oleju silnikowego
Lepkość może być określona jako odporność cieczy na ściekanie. Ponieważ cząsteczki płynu wzajemnie się przyciągają, do rozdzielenia cząsteczek i umożliwienia płynięcia potrzebna jest energia. Generalnie, większe cząsteczki przyciągają się z większą siła, a zarazem wykazują większą lepkość. Energia wymagana do pokonania tej siły i wywołania płynięcia oleju może być określona jako pewna forma tarcia. W związku z tym, lepkość można zdefiniować jako rodzaj tarcia cząsteczkowego. Często uważa są, że najważniejsze są cechy fizyko-chemiczne oleju silnikowego, jego lepkość i wiskozymetryczne zachowanie podczas użytkowania.
Lepkość a ochrona elementów przed zużyciem
To samo tarcie molekularne zapobiega zbyt szybkiemu ściekaniu oleju, gdy dwie powierzchnie silnika wzajemnie i ściśle oddziałują na siebie pod ciśnieniem. Ta zdolność oleju do pozostawania na powierzchni i jego poziom nieściśliwości pozwala na zachowanie odległości pomiędzy powierzchniami i zapobiega ich zużyciu, a proces ten nazywany jest smarowaniem hydrodynamicznym. Im większa lepkość, tym większa siła przyciągania cząsteczek oleju i lepsze zabezpieczenie przed zużyciem.
Klasyfikacja lepkościowa oleju silnikowego
Lepkość środka smarnego zawsze kojarzona była z jego właściwościami ochronnymi. Od początku swojej działalności, SAE uznaje, że lepkość jest istotna dla sprawnego funkcjonowania silnika i ustanowiło system klasyfikacji J300, który określa poziom lepkości według klas. Klasy te są określone na podstawie poziomów lepkości w jednym lub dwóch zakresach temperatur. Obecnie, klasy ustanawiane są dla temperatury pracy silnika i temperatur zimowych, w których olej wpływa na rozruch i pompowalność.
Lepkość oleju w warunkach pracy
W początkowych latach, oleje silnikowe były opracowywane na podstawie równania Newtona dla lepkości - im więcej siły potrzeba do przepływu cieczy (naprężenia ścinające), tym szybciej będzie płynąć (szybkość ścinania). Zasadniczo, stosunek naprężenia ścinającego do szybkości ścinania - lepkość - pozostaje na stałym poziomie dla wszystkich szybkości ścinania. Generalnie, oleje silnikowe były wtedy jednosezonowe i nie posiadały określenia "W" w klasyfikacji SAE.
Zmiana nastąpiła w latach czterdziestych ubiegłego wieku, kiedy odkryto, że dodatek niewielkiej ilości polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej nadaje olejowi pożądanych właściwości odnośnie płynięcia, zarówno dla niskiej temperatury rozruchu jak i wysokiej temperatury pracy silnika. W związku z tym oleje zawierające polimery zostały sklasyfikowane przez SAE jako silnikowe oleje wielosezonowe.
Od tego czasu, oleje wielosezonowe (np. SAE 10W40, 5W30, 0W20, itp.) stały się bardzo popularne. Jednakże, nie posiadają one Newtonowskiej charakterystyki płynięcia, gdyż zmniejszeniu lepkości towarzyszy wzrost szybkości ścinania. Zostało to uznane za ważne przy smarowaniu silników pracujących przy wysokich szybkościach ścinania (mierzonych w milionach 1/s), w przeciwieństwie do kilkuset 1/s wiskozymetrów niskich szybkości ścinania używanych wówczas do scharakteryzowania olejów silnikowych.
Wiskozymetria wysokiej szybkości ścinania
W związku z powyższym zaistniała potrzeba opracowania wiskozymetru wysokiej szybkości ścinania w celu odzwierciedlenia lepkości w silnikach w temperaturach pracy. We wczesnych latach osiemdziesiątych XX w. opracowano urządzenie i technikę pozwalające osiągać miliony 1/s w temperaturze 150 stopni C, jak również uzyskać wysokie szybkości ścinania w innych temperaturach dla świeżych i używanych olejów silnikowych. Urządzenie nazwano lepkościomierzem TBS (Tapered Bearing Symulator) do oznaczania lepkości dynamicznej. Technika została zaakceptowana przez ASTM jako metoda testowa D4683 do stosowania w 150°C (a ostatnio jako D6616 do stosowania w 100°C). Ten istotny test jakości oleju silnikowego znamy jako HTHS - lepkość wysokotemperaturowa (high temperaturę, high shear rate). Następnie wprowadzono minimalne wartości dla różnych klas w klasyfikacji lepkości SAE.
Co ciekawe, okazało się, że jest to jedyny instrument zdolny do przeprowadzenia pomiarów zarówno momentu ścinania jak i naprężenia ścinającego oraz szybkości ścinania podczas pracy.
Lepkość i żelowanie oleju w niskich temperaturach
Wielosezonowe oleje silnikowe zostały wprowadzone w celu zmniejszenia lepkości oleju w niskich temperaturach, aby ułatwić rozruch silnika. Ta ważna zaleta została natychmiast doceniona, a oleje wielosezonowe zyskały na popularności.
Wraz z łatwiejszym rozruchem silnika w niskich temperaturach, ujawnił się inny problem - związany z pompowalnością oleju. Problem ten okazał się znacznie poważniejszy, jako że brak pompowalności oleju mógł doprowadzić do zniszczenia silnika. W testach dynamicznych w niskich temperaturach stwierdzono dwa rodzaje problemów związanych z pompowalnością. Pierwszy, związany z wysoką lepkością, która ogranicza płynięcie, drugi, mniej oczywisty, wynikający z żelowania oleju poddanego długiemu działaniu niskiej temperatury. Zostało to określone mianem „wiązania powietrza”, ponieważ pompa olejowa zostaje zapowietrzona w wyniku zasysania oleju z miski olejowej wraz z powietrzem, jak pokazano na rysunku 1.
Testy były niewystarczające. Zimą 1979-80 w Sioux Falls, Dakota Południowa, okazało się, że wiązanie powietrza może wystąpić w stosunkowo łagodnych warunkach temperaturowych. W ciągu 24 godzin zniszczeniu uległo wiele silników. W niskiej temperaturze wystąpiły warunki, w których olej związał się z powietrzem. Ten kosztowny incydent ujawnił potrzebę dokładniejszych badań stanowiskowych, które pozwoliłyby zbadać problemy pompowalności wynikające z wiązania powietrza.
Indeks żelowania
Incydent w Sioux Falls dotyczący wiązania powietrza przez olej silnikowy przyczynił się do opracowania technologii badania tendencji oleju do żelowania. Technologię polegającą na ciągłej pracy niskoobrotowego cylindrycznego rotoru osadzonego w luźnym stojanie, natychmiast wykorzystano przy określaniu specyfikacji olejów silnikowych, później określonej oznaczeniem ASTM D5133. W ten sposób nie tylko wykazano tendencje oleju do zmniejszania płynięcia, ale również określono stopień żelowania, występujący w zakresie mierzonych temperatur (zazwyczaj minus 5 do minus 40oC). Parametr został określony jako indeks żelowania. Współczesne wielosezonowe oleje silnikowe wymagają maksymalnej wartości wskaźnika żelowania wynoszącej 12.
Lepkość oleju a pochłanianie energii
Choć lepkość oleju pozytywnie wpływa na ochronę silnika dzięki smarowaniu hydrodynamicznemu, ma ona również negatywny wpływ na wydajność silnika. Do pokonania tarcia molekularnego występującego pomiędzy dwiema powierzchniami potrzebna jest energia. Jest to znaczna ilość energii dostarczanej przez silnik w zamian za właściwości ochronne. Dlatego właściwe opracowanie lepkości oleju ma kluczowe znaczenie dla właścicieli pojazdów i stanowi ważny element w polityce ograniczania zużycia paliwa. Obniżenie lepkości oleju może być ważnym krokiem w redukcji tarcia, co z kolei skutkuje mniejszym zużyciem paliwa. Co ciekawe, w ciągu ostatnich kilku lat coraz częściej stosuje się oleje silnikowe o niższym poziomie lepkości, co znacznie poprawia wydajność silników.
W ubiegłej dekadzie, oleje o najniższych klasach lepkości to SAE 0W20 i SAE 5W30, gdzie SAE 20 posiada minimalną wysokotemperaturową lepkość dynamiczną wynoszącą 2,6 cP odpowiadającą temperaturze pracy silnika 150oC. Rysunek 2 przedstawia porównanie tych olejów silnikowych sprzedawanych w Ameryce Północnej i Południowej z SAE 5W30.
Od niedawna japońscy producenci samochodów sugerują wprowadzenie jeszcze niższych klas lepkości. W konsekwencji, SAE wprowadziło trzy nowe klasy lepkości, tj. SAE 16 (min 2,3 cP w 150 st.C), SAE 12 (min 2,0 cP w 150 st.C) i SAE 8 (min 1,7 cP w 150 st.C). Dla porównania te klasy lepkości przedstawiono na rysunku 2. Żaden z wymienionych olejów nie został jeszcze przebadany na szeroką skalę. Ponieważ lepkość jest bezpośrednio związana z ilością energii zużywanej przez silnik w celu ochrony przed zużyciem, można oczekiwać, że takie obniżenie lepkości znacznie wpłynie na redukcję zużycia paliwa, ale jedynie w silnikach do tego dostosowanych.