Oleje stosowane w silnikach samochodów osobowych oraz dodatki zawierające nanostruktury.

Do olejenia silników spalinowych są stosowane zarówno oleje mineralne jak syntetyczne. Oleje mineralne otrzymywane są w procesie destylacji ropy naftowej, a następnie poddawane procesowi rafinacji, podczas którego są one oczyszczane i pozbawiane niepożądanych składników. Oleje syntetyczne natomiast pochodzą z przeróbki wtórnej niektórych produktów ropy naftowej lub z przeróbki gazów powstających w procesach wytwarzania benzyny metodą krakowania.

(Kraking, krakowanie - proces technologiczny stosowany w celu przerobu ciężkich frakcji ropy naftowej na benzynę i oleje.

Kraking polega na inicjowaniu kontrolowanego rozkładu długich węglowodorów alifatycznych zawartych w ciężkich frakcjach otrzymywanych w procesie rafinacji ropy naftowej, na związki o krótszych łańcuchach węglowych, takich jakie występują w benzynie i oleju napędowym. Reakcje chemiczne zachodzące w czasie krakingu sprowadzają się w uproszczeniu do pękania pojedynczych wiązań chemicznych węgiel-węgiel z wytworzeniem wolnych rodników. W wyniku wtórnych reakcji wytworzonych wolnych rodników oprócz oczekiwanych węglowodorów alifatycznych o stosunkowo krótkich łańcuchach powstaje też nieco metanu, LPG, nienasyconych węglowodorów oraz koksu.)

1. Podstawowe własności olejów silnikowych

O przydatności olejów do olejenia silników spalinowych decydują następujące własności:

- lepkość

- smarność

- odporność na utlenianie

- własności przeciwkorozyjne

- własności zmywające

Lepkość jest podstawową cechą oleju. Ma ona bardzo istotny wpływ na pracę silnika. Odpowiednia lepkość oleju zapewnia przede wszystkim utrzymania tarcia płynnego, a tym samym zabezpiecza współpracujące części przed zużyciem. Lepkość oleju wpływa ponad to na sprawność mechaniczną silnika, od niej bowiem zależą straty tarcia w mechanizmach silnika.

Rozróżniamy lepkość dynamiczną, kinematyczną i względną (umowną).

Lepkość dynamiczną określa współczynnik tarcia wewnętrznego powstającego podczas przesuwania względem siebie dwóch równoległych warstw cieczy. Jednostką lepkości dynamicznej w układzie SI jest niutonosekunda na metr kwadratowy (N*s/m²). W praktyce lepkość dynamiczna bywa jeszcze wyrażana w pauzach (oznaczenie P) lub centypauzach (oznaczenie cP).

Lepkość kinematyczna jest to stosunek lepkości dynamicznej do gęstości cieczy.

Jednostką lepkości kinematycznej w układzie SI jest metr kwadratowy na sekundę (m²/s). W praktyce lepkość kinematyczna bywa jeszcze wyrażana w stokesach (oznaczenie St) lub centystokesach.

Do pomiarów lepkości kinematycznej olejów używa się lepkościomierzy włoskowych. Lepkość oleju maleje wraz ze wzrostem jego temperatury i rośnie przy jej obniżaniu. Intensywność tych zmian jest różna dla różnych olejów.

Lepkość względna. Za jednostkę lepkości względnej przyjęto stopień Englera (oznaczenie °E). Mierzona w stopniach Englera lepkość względna jest to stosunek czasu wypływu z rurki włoskowatej lepkościomierza Englera 200cm³ badanego oleju w temperaturze 50 °C lub 100°C do czasu wypływu 200cm³ wody destylowanej w temperaturze 20 °C.

Smarność oleju jest to zdolność trwałego przylegania cząstek oleju do powierzchni smarowanych i wytwarzania na tych powierzchniach w warunkach tarcia półpłynnego trwałych warstw zmniejszających opory tarcia. Między lepkością i smarnością oleju nie ma żadnej zależności. Smarowność oleju zależy głównie od składu chemicznego ropy naftowej z której olej pochodzi i sposobu jego rafinacji.

Własności smarne oleju są tym lepsze, im więcej zawiera on tzw. substancji powierzchniowo czynnych, których jony mają ładunki przeciwnego znaku niż jony metali, dlatego są przyciągane do powierzchni metalu, tworząc mocno przylegającą do niej warstwę graniczną oleju grubości 1÷15 μm.

Utlenianie oleju (starzenie). Podczas pracy silnika olej, poddany działaniu wysokiej temperatury w obecności tlenu zasysanego wraz z powietrzem atmosferycznym, ulega stopniowemu utlenianiu. Proces ten nazywano starzeniem oleju. Produkty utleniania oleju osadzają się na częściach silnika oraz tworzą szlam na dnie miski olejowej i w kanałach olejowych. Nadtlenki i kwasy zawarte w produktach utleniania oleju, działając na metal powodują nasilenie procesów korozyjnych. Systematyczne zwiększanie się zawartości tych substancji sprawia, że po pewnym czasie olej należy usunąć z silnika i zastąpić go świeżym.

Odporność oleju na utlenianie zależy głównie od jego składu chemicznego. Najłatwiej ulegają utlenianiu węglowodory parafinowe, a następnie olefinowe. Najbardziej odporne na utlenianie są węglowodory aromatyczne.

Pierwszym produktem utleniania oleju, podobnie jak w przypadku utleniana paliw, są nadtlenki - nietrwałe związki tlenowe, które następnie przekształcają się w kwasy tłuszczowe i hydrokwas. Mogą przy tym powstawać również aldehydy, ketony i alkohole. Końcowym efektem utleniania jest pojawienie się w oleju osadów, których głównymi składnikami są laki, smoły i estolidy ( estry hydroksykwasów).

Szybkość utlenienia oleju rośnie wraz z temperaturą. W temperaturze otoczenia utlenianie praktycznie nie występuje i dlatego olej tzw. bazowy (bez domieszek) może być przechowywany przez wiele lat nie tracąc swych podstawowych własności. W temperaturze 37 ÷ 47 °C, a więc w takiej, jaka występuje w misce olejowej, szybkość utlenienia oleju jest już stosunkowo duża. Natomiast w temperaturze 97÷117°C wzrasta ona wielokrotnie.

Dla zwiększenia odporności na utlenianie dodaje się do niego dodatki, które absorbują tlen, nie dopuszczając przez pewien czas do reakcji tlenu z cząsteczkami oleju. Dodatkami tymi, które nazywano inhibitorami utleniania mogą być na przykład aminy, fenole i fosforany.

Własności przeciwkorozyjne. W warunkach panujących w silniku niektóre składniki oleju lub produkty jego utleniania mogą wpływać korodująco na metalowe części silnika. Korozyjność oleju przyjęto określając za pomogą tzw. liczby kwasowej, czyli miligramów wodorotlenku potasu, jaką trzeba dodać do 1 grama oleju, aby uzyskał on odczyn obojętny. Jak wykazały badania, olej o liczbie kwasowej 0,5 ÷ 0,6 powoduje już intensywną korozję stopów łożyskowych zawierających ołów, zwłaszcza dotyczy to brązów ołowiowych. Dla ochrony tych stopów przed agresywnym działaniem kwasów zawartych w oleju powszechnie stosuje się powlekanie roboczych powierzchni panewek mikro warstewką metalu bardziej odpornego np. cyny lub indu.

W celu zwiększenia własności przeciwkorozyjnych oleju stosuje się dodatki zwane inhibitorami korozji. Ich działanie polega na wytworzeniu na powierzchni metalu warstewki ochronnej, która zabezpiecza przed bezpośrednim działaniem wody, tlenu oraz kwasów powstających w procesie starzenia oleju. Inhibitorami korozji mogą być np. alkilofosforany lub fosforany.

Własności zmywające. W celu zapobieżenia zapiekaniu się pierścieni tłokowych, szybkiemu zużyciu oleju oraz zanieczyszczaniu się oleju w skrzyni korbowej do oleju są dodawane tzw. dodatki myjące. Dodatki myjące, zwane detergentami, są to sole kwasów naftenowych i sulfonowych, mające zdolność zmywania osadów z powierzchni elementów silnika i utrzymania ich w oleju w postaci zawiesiny. W przypadku olejów wysokiej jakości dodatki te stosuje się przeważnie łącznie z inhibitorami utleniania i korozji, gdyż przyspieszają one proces starzenia oleju.

2. Podstawowe funkcje oleju silnikowego:

- redukcja tarcia z co za tym idzie redukcja zużycia

- odprowadzanie ciepła oraz utrzymanie stabilności termicznej

- ochrona przed korozją

- rozpraszanie zanieczyszczeń oraz mycie osadów

- redukcja hałasu

- tłumienie drgań,

- doszczelnienie  komory spalania, 

3.Podział olejów ze względu na sposób uzyskiwania oleju:

Oleje mineralne - to mieszanina wysokowrzących (temp. powyżej 350 stopni C) węglowodorów nasyconych i aromatycznych z pewną domieszką związków heterocyklicznych otrzymana z przeróbki ropy naftowej. Jest to baza dla innych olejów. Frakcja ta stanowi zatem główny składnik niektórych olejów silnikowych, przekładniowych, hydraulicznych oraz dla smarów plastycznych.

Oleje pół syntetyczne - są to oleje produkowane na bazie olejów mineralnych lub pochodzą z tak zwanego procesu hydrokrakingu, który polega na poprawie własności oleju mineralnego poprzez regulację długości łańcuchów węglowodorowych.

Oleje syntetyczne - to oleje, których podstawowym składnikiem są substancje nie będące produktami bezpośredniego przetwórstwa ropy naftowej. Najczęściej są to syntetyczne węglowodory jak alkilowane aromaty lub inne substancje jak dwuestry, poliglikole lub silikony. Właściwości takich olejów poprawiane są przez różnego rodzaju dodatki uszlachetniające. Oleje te są znacznie stabilniejsze termicznie i mogą pracować w podwyższonej temperaturze i dużych naciskach na smarowane powierzchnie.

Korzyści płynące ze stosowania oleju syntetycznego zamiast mineralnego to:

• zmniejszenie oporów tarcia

• zmniejszenie zużycia części silnika

• zmniejszenie zużycia paliwa

• zwiększony okres pomiędzy wymianami oleju

• mniej nagarów i osadów w silniku

• łatwiejszy rozruch w niskiej temperaturze;

4. Klasyfikacja olejów ze względu na ich lepkość oraz jakość.


Klasyfikacja lepkościowa to tzw. klasyfikacja SAE, która określa lepkość oleju w stosunku do temperatury otoczenia. Najłatwiej zrozumieć ten podział patrząc na diagram z rys.1. Tak więc liczba przed literą "W" to wskaźnik temperatury płynięcia (wskaźnik lepkości w niskich temperaturach), a druga za literą "W" to lepkość w wysokich temperaturach. Sama litera "W" oznacza że olej jest olejem zimowym (od "winter"). Na przykład oznaczenie SUPEROL 10W oznacza typowy jednosezonowy olej zimowy. Jeżeli za literą "W" pojawi się oznaczenie liczbowe oznacza to, że olej jest olejem wielosezonowym (do stosowania zarówno w warunkach zimowych jak i letnich). Im niższa cyfra przed literą "W" tym olej jest bardziej płynny w niskich temperaturach. Z kolei im wyższa cyfra po literze "W" tym olej jest bardziej lepki w wyższej temperaturze.

Nie należy jednak przypisywać wartości liczbowych oznaczenia SAE bezpośrednio temperaturom otoczenia. Np. oznaczenie 15W30 wcale nie oznacza, że olej przeznaczony jest do pracy w zakresie temperatur od -15 do +30 stopni. Jest to tylko umowna symbolika. Dokładne odniesienie symboli do prawdziwych zalecanych temperatur stosowania danego oleju przedstawiłem na rys.2 poniżej.

Oleje nie majce cyfry po literze "W" (na rysunku niebieskie) są tzw. olejami zimowymi, natomiast oleje oznaczone na rysunku na czerwono można nazwać letnimi. Stosowanie źle dobranego oleju skutkuje zwiększonymi oporami, a co za tym idzie większym zużyciem paliwa lub brakiem klinu smarnego, a więc szybszym zużyciem współpracujących części.

Klasyfikacja jakościowa jest określana przez Amerykański Instytut Nafty (API). API określa zastosowanie oraz jakość oleju dwoma literami. Pierwsza z nich określa przeznaczenie oleju. I tak dla silników benzynowych (z zapłonem iskrowym ZI) zarezerwowano literkę "S". Natomiast dla diesli literkę "C".
Cały symbol jest dwuliterowy, a druga litera oznacza właśnie jakość. Im dalsza jest to litera alfabetu tym olej jest lepszej jakości. Na dzień dzisiejszy najlepsze oleje osiągają oznaczenie SL (CF). Oznaczenia API podsumowuje rys.3.
Cechą charakterystyczną olejów przebadanych przez Amerykański Instytut Nafty (API) jest umieszczany na opakowaniach znak jakości, tzw. "donut". Jest on potwierdzeniem jakości oleju posiadającego ten znak, a sama jakość jest kontrolowana co pewien czas. Innymi słowy znak nie jest przyznawany producentowi oleju jednorazowo i dożywotnio. W przypadku gdy kontrola wykaże odstępstwa producent oleju może stracić możliwość używania znaku na swych produktach.

Inną klasyfikacją jakościową jest klasyfikacja Stowarzyszenia Europejskich Konstruktorów Samochodowych (ACEA). Klasyfikacja ta jest następczynią klasyfikacji komitetu CCMC, który rozwiązano w 1991r. Oznaczenie w przypadku ACEA składa się w z jednej litery i jednej cyfry. Litera oznacza przeznaczenie oleju, a cyfra określa jego jakość. Silniki benzynowe oznaczono przez "A", natomiast diesle przez "B".

Oznaczenia cyfrowe to:
1 - tzw. oleje lekko bieżne zmniejszające zużycie paliwa
2 - oleje mineralne standardowej jakości
3 - oleje najwyższej jakości (syntetyczne i półsyntetyczne).

Jako że na silniki narzucane są coraz to ostrzejsze normy emisji spalin klasyfikacje olejów również ulegają rozszerzeniu. W 1998r. Wprowadzono nowe oznaczenia w klasyfikacji ACEA.

Są to:
A1-98, A2-98, A3-98 - oleje do silników czterosuwowych z zapłonem iskrowym (ZI)
B1-98, B2-98, B3-98 - oleje do silników z zapłonem samoczynnym (ZS) w samochodach osobowych i dostawczych.
B4-98 - specjalne oleje do diesli, ale z bezpośrednim wtryskiem paliwa
E1-96/2, E2-96/2, E3-96/2, E4-98 - do silników diesla w samochodach ciężarowych.
Im wyższa liczba po symbolu "E" tym olej ma lepsze własności (dodatki). Oznacza to, że może być stosowany w trudniejszych warunkach i przy dłuższych przebiegach.
Istniej grupa olejów, które można stosować zarówno w silnikach benzynowych jak i w dieslach. Oznaczenie takiego oleju to np. A3/B3.

5. Dodatki do olejów zawierające nanostruktury.

W zamkniętych silnikach spalinowych 15 - 20% energii jest traconych poprzez tarcie wewnętrzne. Dzieje się tak z kilku czynników: lepkości oleju, która ogranicza swobodny przepływ oleju, ale także strat wynikających z tarcia pomiędzy pierścieniami a cylindrami, tarcia na wale korbowym oraz zaworach. Oleje o niższej lepkości, które są coraz częściej stosowane, mają szereg właściwości, jednak dominującą ich cechą jest mniejsza ochrona przed zużyciem. Cząstki nano, mimo małej objętości mają bardzo duże pole powierzchni. W rezultacie wyższy procent atomów może wchodzić w interakcje z innymi materiałami, co prowadzi do wzrostu reaktywności . Dzięki temu, można zaprojektować cząstki nano o konkretnych właściwościach, które idealnie współpracują z większymi cząstkami.

Rysunek poniżej pokazuje działanie cząstek nano w oleju na nierównej, zawierającej chropowatości powierzchni metalu, w skali mikroskopowej. Gdy dochodzi do kontaktu pomiędzy tymi dwoma powierzchniami, znacznie wzrasta temperatura oraz zużycie metalu, często prowadzi to do awarii mechanicznej. Cząstki nano działają jak miliardy łożysk kulowych, które wypełniają przestrzeń pomiędzy ruchomymi częściami metalowymi, przylegając do wszelkich, nawet mikroskopijnych nierówności. Cząstki nano mają zdolność do złuszczania się pod dużym ciśnieniem, zrzucając zewnętrzną warstwę, która z kolei tworzy na powierzchni metalowej warstwę ochronną. Film ten chroni części metalowe zarówno w warunkach statycznych , jak i dynamicznych, a co za tym idzie - redukuje tarcie i zużycie części.

---