Kaţdý olej musí odolávat různým typům nepříznivých vlivů pracujících v odlišných podmínkách a zároveň zneškodňovat účinky zplodin spáleného paliva i při jeho stárnutí.
Nejznatelnější rozdíly mezi nároky na olej jsou viditelné mezi záţehovými a vznětovými motory. Velké nerovnosti tkví v odlišných tepelných a tlakových reţimech a v různých sloţeních paliv.
V případě benzínových motorů je větší tepelné zatíţení oleje u motorů chlazených vzduchem a u motorů přeplňovaných. Hlavním ukazatelem je střední efektivní tlak na píst a počet otáček klikového hřídele, které ovlivňují měrný výkon motoru i jeho tepelné zatíţení oleje. U moderních výkonných benzínových motorů s vysokými kompresními poměry mohou vzrůst teploty aţ na 250 °C na prvním pístním krouţku.
Tepelné a tlakové reţimy naftových motorů jsou vyšší neţ u motorů benzínových, coţ je důsledkem vyšších kompresních poměrů a spalovacích tlaků, obzvláště u přeplňovaných motorů. U motorů s nechlazeným pístem mohou teploty dosahovat aţ 300 °C. Podobné teplotě je moţné docílit v turbodmychadle při dlouhodobějším plném zatíţení motoru.
Příčinou opotřebení třecích ploch a korozí kovových částí, zejména loţiskových materiálů, je stárnutí oleje vzniklé kyselými a kondenzačními zplodinami přinesenými vzduchem a profukem a vede k tvorbě úsad a laků, na funkčních částech motoru. Stárnutí oleje je podporováno i plyny odsávanými z olejové vany, vracející se do motoru. Olej můţe napěnit, dostat se do válce a neúplně se zde spalovat. Díky tomu vznikají nestálé zplodiny, jako další zdroj úsad a korozí.
Obr. 3 Doporučené přibližné viskozitní třídy SAE motorových olejů podle vnějších teplot. [7]
16
Některá opatření na zmenšení emisí výfukových plynů, jako je spalování chudé směsi nebo zpoţdění zapalování vedou k menšímu vyuţití energie paliva, vzniká více odpadního tepla a zvyšuje se teplota oleje. Chudá směs navíc vyváří i více oxidů dusíku ve spalinách, které profukem vnikají do klikové skříně a podporují vznik kalů v oleji tím více, čím jsou teploty a tlaky v motoru vyšší. Konstrukce na sníţení emisí fungující na principu vracení jiţ spálených plynů do spalovacího prostoru (EGR) v kombinaci se zpoţděným vstřikem, mají za následek větší styk oleje s oxidy dusíku a jeho nespálenými částmi. Značně nepříznivý je obsah motorové nafty v oleji například díky různým netěsnostem při mazání vstřikovacího čerpadla olejem z olejové vany motoru apod.
Celkově jsou pro motor náročné ty podmínky, kde se buď nadměrně ohřívá, nebo naopak zůstává v neprohřátém stavu. V těchto případech olej i jeho sloţky stárnou mnohem rychleji. V nedostatečně prohřátém oleji kondenzuje vodní pára v motoru a do oleje vniká nespálené nebo částečně spálené palivo, aldehydy a saze. Společně s vodou nebo jen z vlastní oxidace oleje se tvoří kyselé látky napadající kovové povrchy a studené kaly, které zanášejí olejová vedení, pístní dráţky, zvětšují viskozitu oleje apod. Tyto kyselé sloţky ze spalování jsou nebezpečnější s tepelným zatíţením motoru. Moţností obrany proti těmto produktům je tzv. alkalická rezerva mazacího oleje, vyjadřovaná celkovou alkalitou – TBN. S vyšší výkonovou klasifikací oleje roste i minimální úroveň TBN.
Bohuţel dostatečná alkalita není zárukou neutralizace kyselin. Dokonce i slabé kyseliny mohou být příčinou korozního opotřebení i při dostatečně vysoké hladině TBN. Proto se ještě sleduje další hodnota a to celková kyselost – TAN. [1]
Z těchto uvedených důvodů byly vytvořeny výkonnostní kategorie, dělící jednotlivé oleje do skupin dle jejich vlastností. Existuje několik klasifikací. Ovšem dalo by se říci, ţe pouze tři z nich mají dominantní význam: klasifikace API, ACEA a firemní normy předních výrobců automobilů.
Starší, ale stále pouţívaná klasifikace API rozděluje motory benzínové a záţehové. Podle počátečního písmena poznáme, o jaký typ se jedná. Oleje značené písmenem S (Service) jsou pro záţehové motory, oleje s písmenem C (Commercial) jsou pro vznětové motory.
Druhé písmeno u obou kategorií jiţ vypovídá o samotné výkonnosti oleje, přičemţ symboly jsou řazeny alfabeticky a mohli bychom tedy říci, ţe čím je toto písmeno dále v abecedě, tím novější tento olej bude. Vybrané třídy jsou uvedeny v tab. 1. Některé oleje mohou splňovat poţadavky kladené na záţehový i vznětový motor a jsou pak označovány kombinací obou symbolů, např. API SJ/CF – olej prioritně pro benzínové motory, pouţitelný i pro dieselové motory. Klasifikace API byla vytvořena na americkém kontinentu a proto dnes díky rozdílným konstrukcím, objemům, výkonům i odlišných nárocích na obsah přísad zcela nevyhovuje podmínkám pro evropské motory. [6]
17
Klasifikace ACEA je rozdělena do 4 skupin dle počátečních písmen:
Písmeno A určené pro záţehové motory
Písmeno B určené pro vznětové motory osobních automobilů Písmeno C určené pro motory vybavené částicovými filtry Písmeno E určené pro vznětové motory nákladních vozů
Za označením písmene rozdělující klasifikaci do zadané skupiny, se píše číslice. Čím je toto číslo opět vyšší, tím novější olej bude. Na oleji můţe být znovu napsána kombinace těchto klasifikací, např. ACEA A1/B1 – olej vhodný pro záţehové i vznětové motory.
Vybrané třídy ukazuje tab. 2. V této tabulce si můţeme všimnout hodnoty HTHS viskozity.
Tab. 1 Vybrané výkonnostní třídy dle API [8]
Výkonnostní poţadovaná přísnější kontrola kalu a kompatibility s těsněními. Zaručuje vyšší ochranu turbodmychadla a motoru provozovaným na ethanol do E85. SN zároveň hovoří o vyšší kontrole emisí a niţší spotřebě paliva.
SM Současná Kategorie zavedena v roce 2004. Obsahuje aditiva pro kontrolu deposit, pro sníţení oxidace oleje, sníţení opotřebení a aditiva zlepšující vlastnosti oleje za nízkých teplot.
SL Současná Pro všechny současné motory i starší motory. Kategorie zavedena roku 2001.
SF Zastaralá Pro motory z roku 1980 - 1989. Obsahuje aditiva pro zvýšení oxidační stability a aditiva proti opotřebení, aditiva pro kontrolu tvorby usazenin za nízké i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi.
SE Zastaralá Pro motory z roku 1971 - 1979. Obsahuje aditiva zabraňující oxidaci oleje, aditiva pro kontrolu tvorby usazenin za nízké i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi.
Vznětové oleje
CJ-4 Současná
Zavedena v roce 2006. Určena pro vysokootáčkové čtyřdobé motory ke splnění emisních limitů pro silniční vozidla z roku 2007 a se systémy pro sniţování emisí jako je DPF. Moţné pouţití ve všech aplikacích vznětových motorů poţívající palivo s obsahem síry do 0.05 % hm.
Ochrana před opotřebením motoru, úsadám na pístu, vysokoteplotní stabilita, odolnost proti oxidačnímu zahušťování, pěnění a ztrátě viskozity.
Můţe být pouţito místo CI-4, CI-4 PLUS, CI-4, CH-4, CG-4 a CF-4
CI-4 Současná
Zavedena v roce 2002. Pro vysoko-rychlostní čtyřdobé motory, u kterých je vyţadováno splnění výfukových emisních norem roku 2004 zavedených v roce 2002. CI-4 oleje mají speciální sloţení a trvanlivost pro uţití v motorech s recirkulací výfukových zplodin (EGR). Jsou určeny pro pouţití v motorech, které pouţívají palivo s hmotnostním obsahem síry do 0.5%. Můţe být pouţit místo CD, CE, CF-4, CG-4 a CH-4 olejů.
18
CH-4 Současná
Zavedena v roce 1998. Pro vysoko-rychlostní čtyřdobé motory, u kterých je vyţadováno splnění výfukových emisních norem z roku 1998.
CH-4 oleje mají speciální sloţení pro uţití s palivem s hmotnostním
CF-4 Současná Zavedena v roce 1990. Pro vysoko-rychlostní, čtyřdobé, atmosféricky plněné motory a motory s turbodmychadlem. Můţe být pouţit místo CE olejů.
CF-2 Současná Zavedena v roce 1994. Pro vysoce zatíţené, dvoudobé motory. Můţe být pouţit místo CD-II olejů.
CF Současná Zavedena v roce 1994. Pro off-road motory s nepřímým vstřikováním a motory pouţívající palivo s hmotnostním objemem síry nad 0.5%. Můţe být pouţit místo CD olejů.
CE Zastaralá Zavedeno v roce 1987. Pro vysoko-rychlostní, čtyřdobé, atmosféricky plněné motory a motory s turbodmychadlem. Můţe být pouţit místo CC a CD olejů.
CD-II Zastaralá Zavedeno v roce 1987. Pro dvoudobé motory.
CD Zastaralá Zavedeno v roce 1955. Pro určité atmosféricky plněné motory a motory s turbodmychadlem.
Tab. 2 Vybrané výkonnostní třídy dle ACEA [8]
Výkonnostní třída
ACEA Použití oleje HTHS
[mPa.s]
A1, B1 Současná Standardní olej, normální intervaly výměny 2,9 - 3,5 A2, B2 Zastaralá Standardní olej, normální intervaly výměny > 3,5 A3, B3 Současná Olej pro vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu výměny > 3,5 A3,B4 Současná Oleje s vysokou výkonovou rezervou, naftové motory s přímým
vstřikem. > 3,5
B4 Zastaralá Jako B3 + moţno pouţít pro dieselové motory s přímým vstřikováním > 3,5 A4 Zastaralá Rezervováno pro oleje pro benzínové motory s přímým vstřikováním - A5, B5 Současná Jako A3 / B4, avšak se sníţenou viskozitou HTHS 2,9 - 3,5
C1 Současná
Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro vysoce výkonné záţehové i vznětové motory osobních a lehkých nákladních automobilů se systémy DPF a TWC, které vyţadují nízkoviskózní oleje se sníţeným obsahem SAPS a HTHS vyšší neţ 2.9 mPa.s. Tyto oleje prodluţují ţivotnost systémů DPF a TWC a sniţují spotřebu paliva.
> 2,9
C2 Současná
Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro vysoce výkonné záţehové i vznětové motory osobních a lehkých nákladních automobilů se systémy DPF a TWC, které vyţadují nízkoviskózní oleje s HTHS vyšší neţ 2.9 mPa.s. Tyto oleje prodluţují ţivotnost systémů DPF a TWC a sniţují spotřebu paliva.
> 2,9
C3 Současná Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro automobily se systémy DPF a TWC. Tyto oleje prodluţují ţivotnost těchto systémů. > 3,5
C4 Současná Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro automobily se systémy DPF a TWC. Tyto oleje prodluţují ţivotnost těchto systémů.
(platná od roku 2006)
> 3,5
E1 Zastaralá Jiţ neplatné od 3/2000 >= 3,5
E2 Zastaralá Standardní olej, normální intervaly výměny >= 3,5
19
E3 Zastaralá Olej pro vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu výměny (Jiţ
neplatná) >= 3,5
E4 Současná Olej pro extrémně vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu
výměny >= 3,5
E5 Zastaralá Olej pro vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu výměny >= 3,5
E6 Současná
Vysoce stabilní oleje podporující čistotu pístů, sniţující opotřebení (včetně působením sazí) a zajišťující stálé mazání. Olej je doporučován pro moderní, vysoce zatěţované vznětové motory, splňující emisní limity Euro 1-4. Umoţňuje prodlouţené výměnné intervaly dle doporučení výrobce. Je vhodný pro motory se systémy EGR, DPF a SCR NOx. Třída E6 je zvláště doporučována pro motory s DPF systémy, které spalují palivo s nízkým obsahem síry (50 ppm).
>= 3,5
E7 Současná
Stabilní oleje zabraňující usazování nečistot na pístech a vzniku zrcadlových ploch na stěnách válců. Omezuje opotřebení, vznik úsad v turbodmychadlu. Olej je doporučován pro moderní, vysoce zatěţované vznětové motory splňující emisní limity Euro 1-4. Umoţňuje prodlouţené výměnné intervaly dle doporučení výrobce. Je vhodný pro většinu motorů se systémy EGR a SCR NOx. Není vhodný pro systémy DPF.
>= 3,5
E9 Současná Oleje pro prodlouţené intervaly výměn s kontrolou obsahu „SAPS“
max. do 1,0 % hm. -
Jedná se o měření viskozity speciálním Ravensfieldovým viskozimetrem. Normální HTHS viskozita má hodnoty při 150 ºC vyšší neţ 3,5 mPa·s, některé moderní oleje typu longlife dosahují niţších hodnot kolem 2,9 – 3,5 mPa·s, jiné speciální oleje dokonce ještě hodnot niţších. Čím vyšší hodnota HTHS, tím silnější je povrchový olejový film.
Poslední jmenovanou moţností bylo pouţití oleje dle poţadavků výrobce automobilů či motorů. Ti mohou od oleje očekávat vyšší nároky neţ ty, které jsou uvedeny pouze v metodice testů API nebo ACEA. Například je nutná jistá neutrálnost s pouţívanými těsnícími prvky nebo jiné zvláštní poţadavky způsobené konstrukcí motoru či výměnnými intervaly oleje. Známé vlastní normy pro osobní automobily mají firmy jako VW, BMW, PORSCHE a další. Vzhledem k jejich rozsáhlosti a odlišným značením v této práci nejsou uvedeny, ale jsou dobře dohledatelné v literatuře. [6]
3 Vlastnosti motorových olejů
V této kapitole budou rozděleny vlastnosti motorových olejů do tří skupin. Na základní vlastnosti, aditivace a provozní vlastnosti. Základní vlastnosti popisují hlavní důleţité rysy motorového oleje.
Aditivace vystihuje sloţky, které jsou nutné ke zlepšení základních vlastností oleje. Bude zde uvedeno pouze několik základních aditivačních sloţek, ovšem ve skutečnosti jich je celá řada.
Nakonec provozní vlastnosti charakterizují neţádoucí sloţky obsaţené v oleji.
20 3.1 Základní vlastnosti
3.1.1 Mazivost
Základní ovšem málo problematická vlastnost dnešních motorových olejů. Poţadujeme dostatečně velkou tloušťku mazacího filmu, v hydrodynamických, smíšených a v krajních případech i mezních podmínkách tak, aby tření a opotřebení součástí mechanismu bylo co nejmenší (viz kap. 5). Problémovými místy se stávají především povrchy pístních krouţků a válců. Značnému zvětšenému oděru podléhají oba konce zdvihu pístu, kde jsou smykové rychlosti malé aţ nulové, především pak horní úvrať, kde je nejvyšší teplota a tlak plynů. Jmenovat můţeme také povrchy zdvihátek ventilů, vaček, ozubených kol atd.
Uhlovodíkové základové oleje zaručují velmi dobrou mazivost a ve většině případů jsou schopna dobře odolávat těmto zvýšeným mazivostním nárokům. V případě ztíţených podmínek mohou být do oleje přidány protioděrové přísady. [1,6]
3.1.2 Bod tuhnutí
Jedná se o teplotu, do které lze s olejem manipulovat a slouţí nám společně s ostatními hodnotami (dynamická viskozita, viskozitní index, ….), jako kritérium pro posouzení pouţitelnosti oleje za nízkých teplot. Pod bodem tuhnutí má olej tendenci houstnout a přestává volné téci. Jeho hodnota je dobře ovlivnitelná aditivy. [5]
3.1.3 Odparnost oleje
Snahou je, aby ztráty a spotřeba oleje byly co nejmenší i za těţkých tepelných podmínek.
Zvýšenou odparností ubývá z oleje těkavých podílů, dochází k zahušťování oleje a k nechtěnému zvyšování viskozity. Menšími ztráty oleje disponují syntetické sloţky olejového základu, tedy sloţky s vysokým viskozitním indexem. Největší vliv na odparnost má pracovní reţim motoru, zejména teplota a rychlost pístu. [1]
3.1.4 Oxidace oleje
Tato neţádoucí reakce mezi kyslíkem ze vzduchu a molekulami motorového oleje, mění významně jeho vlastnosti a to především za podpory teploty. Čím vyšší teplota oleje, tím rychleji dochází k oxidaci. Jelikoţ teplota zde působí jako katalyzátor, mluví se téţ někdy o termooxidačním stárnutí, při němţ olej podléhá také jistým termickým změnám. Jako
21
místa se zvýšenou teplotou můţeme uvést oblasti pístu a ventilů či turbodmychadla.
Závaţněji oxidaci snáší záţehový motor, jelikoţ produkuje více zbytkového tepla zůstávajícího v motoru. Oxidační stárnutí můţeme značně ovlivnit konstrukcí motoru a jeho chlazením.
Spolu s kyslíkem přichází olej do styku se spalinami, které celý proces ovlivňují. Známým oxidačním pomocníkem je nitrace. Ta vznikne pronikáním zbytků oxidů dusíku ze spalovacího prostoru do motorového oleje, kde vytváří organické nitráty.
Oxidace oleje nechá vzniknout celé řadě produktů, jako jsou aldehydy, ketony, kyseliny, estery a další. Nitrace tvoří, jak bylo řečeno organické sloţky. Všechny jmenované produkty mají polární charakter, oproti nepolárnímu oleji a ovlivňují tedy jeho vlastnosti.
Přispívají ke zvýšení kyselosti a ke korozivnímu působení oleje v motoru, mohou způsobovat zvýšení viskozity, nárůst mnoţství karbonizačních látek a karbonových úsad.
[9]
3.1.5 Viskozita
Snahou výrobců je, aby změna viskozity motorového oleje byla co nejmenší. Jelikoţ jak jiţ bylo uvedeno, je viskozita hlavně funkcí teploty a tlaku, není jednoduché tedy tuto vlastnost dodrţet (více viz kap. 1.2). V praxi se uvádí povolené přibliţné rozpětí viskozity na max. ±20 % pro vznětové motory a +20 % aţ -30 % pro motory záţehové. Nízká viskozita vede k tenkému mazacímu filmu, způsobujícího při vyšším zatíţení aţ porušení a zvýšení opotřebení nebo dokonce i zadírání třecích dílů. Vysoká viskozita způsobená nejčastěji oxidační degradací působí abrazivně na třecí plochy a zvyšuje jejich opotřebení.
Krajním případem zvýšení viskozity je přítomnost chladicí kapaliny v motorovém oleji. [10]
3.1.6 Kyselost a alkalita
Základové oleje jako takové jsou neutrální, ale jisté mnoţství kyselých látek se v nich přeci jenom vyskytuje v podobě některých aditiv, od kterých přímo tuto lehkou kyselost vyţadujeme pro zlepšení vlastností oleje.
Kyselé látky vznikají také z paliva. Spalování je vlastně rychlý oxidační proces, při kterém díky nedokonalému průběhu jsou přítomny všechny meziprodukty oxidace. Téměř všechny jsou kyselé s různým stupněm kyselosti. Dále spalováním vznikají oxidy dusíku - , které ve spojení s vodou (téţ obsaţené ve spalinách), opět vytváří silné kyseliny.
Nakonec kyselé látky vznikají i samotnou oxidací oleje, jak je popsáno v
kap. 2.3. Problematické vzhledem k růstu kyselosti se stávají studené starty. Motor není prohřátý, horké spaliny pronikají do studeného oleje, který je v sobě hromadí. K těmto pochodům samozřejmě dochází i za prohřátého motoru, ovšem v mnohem menší formě.
22
Kyselé látky mohou způsobovat váţnou korozi v motoru. Proto obsahuje motorový olej alkalické sloučeniny, které neutralizují působení kyselých látek. Nazýváme je alkalickou rezervou oleje (nositelem alkalické rezervy oleje jsou detergenty – viz kap. 2.7) a vyjadřují se pomocí hodnoty TBN – celkové číslo alkality. Čím vyšší hodnotu TBN máme, tím déle olej vydrţí neutralizovat kyselé látky. Jinou sledovanou hodnotou je kyselost oleje – TAN.
Vyjadřuje nám mnoţství slabě i silně kyselých látek v oleji. V dobách, kdy motorová nafta obsahovala jistý podíl síry, byla tato hodnota velmi sledována, dnes se ovšem vyrábí bezsirná nafta a tak s kyselými produkty nebývá problém. Výjimku tvoří paliva jako je bioplyn či lodní paliva, kde je nutné tyto hodnoty kontrolovat. [11]
3.1.7 Slučitelnost s plasty
Jasný, ovšem opomíjený problém. Olej nesmí způsobovat bobtnání plastů či měnit nikterak jejich vlastnosti. Porušení různých těsnění a jiných plastových dílů v olejovém systému můţe mít naprosto zbytečné fatální následky na celý motor. U většiny uhlovodíkových základových olejů nebývají ţádné problémy. Pozor je třeba si dát při pouţití většího mnoţství některých syntetických olejů (esterových, polyesterových, …). [9]
3.2 Aditivace olejů
K dosaţení potřebných kvalit se do základového oleje přidávají látky zlepšující jeho vlastnosti. Těchto látek můţe být celá řada. Hrubým odhadem lze říci, ţe přibliţně 20 % z celkového oleje připadá na aditiva. Hlavními sloţkami jsou detergenty a disperzanty, které pokryjí převáţnou část aditiv. Ostatní sloţky se jiţ podílejí pouze malým procentem.
Ovšem neznamená to, ţe by jim to nijak ubíralo na důleţitosti. Kaţdá sloţka má svou nepostradatelnou funkci a formuje tak olej jako celek. V přísadách můţeme nalézt například aditiva: zvyšující ochranu proti korozi, ochranu proti vysokému tlaku a opotřebení, upravující tření, zpomalující oxidaci, modifikátory viskozity, sniţovače bodu tuhnutí, protipěnící přísady….
Obr. 4 Orientační složení motorového oleje. [28]
23 3.2.1 Detergenty a disperzanty
Postupné delší výměnné intervaly olejů vedly k problémům s udrţením dostatečné čistoty motorového oleje. Pro dosaţení potřebné kvality se proto začaly pouţívat detergentní a disperzantní přísady, které jsou dnes součástí veškerých motorových, ale i jiných mazaných strojních zařízení. Tyto přísady plní svou funkci po omezeně danou dobu, a proto je třeba dodrţovat výměnné lhůty motorového oleje.
V první fázi působí detergenty. Jejich funkce spočívá v čištění kovových povrchů motoru.
Mohli bychom je nazvat „čistící sloţkou“ v oleji. Pomáhají v uvolňování různých usazenin, kalů nebo karbonových povlaků z povrchu mazaných částí a jsou také nositeli alkalické rezervy. Při styku s kyselými látkami dochází k neutralizaci a samotné spotřebě detergentu.
Jelikoţ není dobré zmiňované nečistoty jen tak ponechat v oleji a dovolit jim se shlukovat, zvětšovat a usazovat v olejovém systému, přicházejí na řadu disperzanty. Jedná se o bezpopelné (neobsahují kov) polymerní sloučeniny. Ty obalí kaţdou částici nečistoty tak, aby zamezily jejich spojování. Princip spočívá v tom, ţe kaţdá molekula disperzantů má jeden konec polární, ten se uchytí na nečistotě, a druhý konec nepolární dokonale
Jelikoţ není dobré zmiňované nečistoty jen tak ponechat v oleji a dovolit jim se shlukovat, zvětšovat a usazovat v olejovém systému, přicházejí na řadu disperzanty. Jedná se o bezpopelné (neobsahují kov) polymerní sloučeniny. Ty obalí kaţdou částici nečistoty tak, aby zamezily jejich spojování. Princip spočívá v tom, ţe kaţdá molekula disperzantů má jeden konec polární, ten se uchytí na nečistotě, a druhý konec nepolární dokonale