|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 03/2005
Wymogi ochrony środowiska i rozwój motoryzacji, a jakość olejów silnikowych
|
|
|
Coraz ostrzejsze przepisy w dziedzinie ochrony środowiska zmuszają zarówno producentów silników, jak i wytwórców paliw do ciągłego poszukiwania nowych rozwiązań, zmierzających do ograniczania emisji szkodliwych składników spalin, głównie do obniżania emisji substancji toksycznych oraz dwutlenku węgla.
|
Zmiany w konstrukcji pojazdów i formulacji paliw wywierają z kolei bezpośredni wpływ na jakość współczesnych olejów silnikowych powodując konieczność zmian w technologii ich produkcji. Oleje smarowe mają duży wpływ na jakość spalin emitowanych przez silnik.
Punktem wyjścia do zmian w formulacji najnowszych olejów silnikowych są uregulowania prawne z zakresu ochrony środowiska. Obecnie wyznaczają je standardy dotyczące emisji spalin Euro IV, które zostaną wprowadzone pod koniec tego roku dla samochodów benzynowych oraz na początku 2006 r. dla samochodów z silnikiem diesla. Wprowadzenie wymagań Euro V przewidziane jest na 2008 r., natomiast Euro VI – na 2011 bądź 2012 r. Aby spełnić przyszłe standardy emisji, producenci samochodów wprowadzają zmiany w konstrukcji silników poprzez stosowanie nowoczesnych urządzeń i systemów filtracyjnych.
Zmiany te koncentrują się na dążeniu do ciągłego zmniejszania zużycia paliw, bowiem minimalizacja zużycia paliw bezpośrednio przekłada się na redukcję poziomu emitowanych spalin. W ramach nowych rozwiązań konstrukcyjnych przewiduje się wprowadzenie jako standardu potrójnych katalizatorów (HC+CO+ NOx), tj. redukujących emisję węglowodoru (HC), tlenku węgla (CO) oraz tlenków azotu (NOx) z silników benzynowych. Nowoczesne systemy spalania w silnikach diesla wymagają wprowadzenia urządzeń redukujących emisję NOx oraz urządzeń do wyłapywania cząstek stałych.
W osobowych samochodach wyposażonych w silniki diesla producenci będą wdrażać różnorodne systemy recyrkulacji gazów wydechowych, ulepszone układy wtryskowe, filtry cząstek stałych oraz filtry NOx. W wysokoobciążonych dieslach najprawdopodobniej znajdą zastosowanie systemy selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) jako efektywniejsze sposoby usuwania tlenków azotu oraz katalizujące filtry cząstek stałych (cDPF), przy zastosowaniu opóźnionego wtrysku oraz recyrkulacji gazów wydechowych (EGR).
Po paliwach przyszedł czas na oleje
Zaostrzające się systematycznie wymagania stawiane paliwom silnikowym w Europie i na świecie spowodowały konieczność stosowania wielofunkcyjnych pakietów dodatków uszlachetniających do benzyn i olejów napędowych. Zmiany składu i fizyko-chemicznych własności paliw nowej formuły, obok pozytywnego wpływu na emisję spalin i wyraźnej poprawy właściwości niskotemperaturowych, mają również skutki negatywne. Usunięcie związków siarki wyraźnie pogorszyło smarność tych paliw.
Po zredukowaniu zawartości siarki w paliwach, producenci samochodów skupili uwagę na olejach smarowych. Wymagają oni, by środki te charakteryzowały się niskim lub średnim poziomem SAPS, czyli zawartością siarki, fosforu i popiołu siarczanowego. Według producentów samochodów, obecne środki smarowe z pełnym SAPS mają szkodliwy wpływ na działanie i trwałość nowych i urządzeń redukujących emisję silnikową.
- W przypadku silników benzynowych redukcja zawartości fosforu w olejach silnikowych pozwoli na wydłużenie okresu trwałości i użytkowania potrójnych katalizatorów – wyjaśnia Wiesława Woźniczko-Kadela, kierownik działu Rozwoju Produktu i Informacji Technicznej w ORLEN OIL Sp. z o.o. – Najważniejszą kwestią w silnikach diesla jest trwałość filtrów cząstek stałych, związana z redukcją zawartości popiołu. Producenci samochodów oczekują, iż nowe środki smarowe z niskim SAPS nie będą miały gorszych parametrów emisyjnych czy też krótszych okresów międzywymianowych oraz będą się charakteryzowały większą oszczędnością zużycia paliwa.
Nowe dodatki...
Głównymi komponentami olejów smarowych są odpowiednie oleje bazowe mineralne i syntetyczne, a także specjalne zestawy dodatków modyfikujących różne właściwości bazy olejowej. Aby uzyskać oleje smarowe o niskim SAPS muszą nastąpić zmiany w technologii olejów bazowych poprzez zwiększenie udziału baz olejowych grupy II i III w składzie nowych olejów smarowych oraz – równolegle - zmiany w technologii dodatków uszlachetniających. Zmiany te spowodują nieunikniony wzrost kosztów formulacji.
Dodatki uszlachetniające są celowo dodawane do oleju bazowego, aby poprawić istniejące lub spowodować pojawienie się w nich nowych właściwości eksploatacyjnych. W nowoczesnych olejach silnikowych dodatki uszlachetniające stosuje się pod postacią wielofunkcyjnych pakietów jakościowych, które uzupełnia się indywidualnymi dodatkami typu wiskozatory, depresatory i dodatki przeciwpienne. Udział dodatków uszlachetniających w wysokojakościowych olejach silnikowych może wynosić nawet do 20%.
Zmiany w technologii nowych dodatków do olejów o niskim SAPS polegać będą na:
-
ograniczeniu zawartości ZDDP (chroniących powierzchnie metalowe silnika, są to dodatki przeciwzużyciowe, przeciwzatarciowe, przeciwrdzewne i przeciwkorozyjne);
-
ograniczeniu zawartości dodatków detergencyjnych (usuwających lub zmniejszających ilość osadów, wykazujących także działanie przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne);
-
zwiększeniu zawartości dodatków antyutleniających (zapobiegających powstawaniu kwasów i osadów w silniku);
-
zwiększeniu zawartości wysokotemperaturowych dyspergatorów (utrzymujących sadzę w zawiesinie);
-
wprowadzeniu nowych dodatków na bazie salicylanów.
...oraz inne bazy
Przez wiele ostatnich lat poprawę jakości olejów silnikowych uzyskiwano głównie poprzez dobór coraz efektywniejszych dodatków uszlachetniających. Jakość baz olejowych wzrastała znacznie wolniej. Obecnie zaczyna się to zmieniać i do właściwości baz olejowych przywiązuje się coraz większą wagę. Również dlatego, że dodatki uszlachetniające zawarte w olejach silnikowych i w paliwach nie zawsze, jak ostatnio stwierdzono, są kompatybilne, a nawet mogą sobie wzajemnie przeszkadzać. Zanim więc zostaną opracowane i zastosowane nowe rodzaje dodatków olejowych, muszą zostać ustalone źródła tej niekompatybilności. To powstrzymuje producentów olejów silnikowych przed dalszymi „eksperymentami” z zestawem dodatków i każe skupić się na bazach olejowych.
Bazowe oleje dzielą się na pięć grup. Oleje z grup I-III pochodzą z przerobu ropy naftowej według różnych technologii. Bazy olejowe grupy II i III otrzymuje się przy wykorzystaniu najnowocześniejszych technologii katalitycznych (hydrokrakingu i hydroizomeryzacji), od których nazywane są olejami hydrokrakowanymi (czasami są zaliczane do olejów bazowych syntetycznych). Bazy olejowe z grupy IV i V są całkowicie syntetyczne.
Oleje z grupy I zwane są mineralnymi. Stanowią one złożoną mieszaninę wysokowrzących (temperatura wrzenia powyżej 350 st. C) węglowodorów nasyconych i aromatycznych. Niepożądanymi składnikami olejów tych są wielopierścieniowe węglowodory cykliczne (nafteny) i aromatyczne, które zmniejszają wskaźnik lepkości i odporność na utlenianie oleju. Obecność tych związków wynika z trudności ich całkowitego wydzielenia z destylatów w procesie rafinacji.
Oleje mineralne, nawet uszlachetnione dużą ilością wysokiej jakości dodatków, nie spełniają wszystkich wymagań jeśli chodzi o zastosowanie w warunkach ekstremalnych, tj. w niskich i wysokich temperaturach. Przejawia się to m.in. tym, że oleje mineralne - o obniżonej ze względu na łatwość rozruchu lepkości - wykazują nadmierną lotność (odparowalność) w temperaturach normalnej pracy (po nagrzaniu silnika). Jest to przyczyna ubytków oleju z układu smarowania. Z kolei oleje mineralne z dużą ilością dodatków uszlachetniających, w wysokich temperaturach mogą tworzyć czarne osady w komorze spalania i na elementach układu rozrządu.
Do pracy w niskich i wysokich temperaturach lepiej niż oleje mineralne nadają się oleje syntetyczne. Bazy olejowe o wysokim wskaźniku lepkości i stosunkowo niskiej lotności są rozwijane tak aby odpowiadać potrzebom techniki. Takimi surowcami są bazy z hydrokrakingu, poli-a-olefiny i estry.
Estry mają doskonałą stabilność termiczną i dlatego są szeroko stosowane w wysokich temperaturach. Posiadają jednak kilka poważnych wad, m.in. powodują uszkodzenie uszczelek. W umiarkowanych temperaturach i w obecności wody zwykle rozkładają się do kwaśnych produktów. Podobna reakcja występuje z ważnymi dodatkami, takimi jak ditiofosforany cynku, co prowadzi do wzrostu zużycia. Estry mogą powodować korozję takich metali, jak miedź i ołów. Wszystkie te wady mogą być zminimalizowane przez staranną selekcję użytych estrów, ale dążenie do zastosowania odpowiednich estrów jest zwykle drogie.
Poli-a-olefiny mają bardzo wysoki wskaźnik lepkości, niską lotność i niską temperaturę krzepnięcia. Ponieważ są one zasadniczo alkenami wielocząsteczkowymi, mają one ubogie właściwości stabilności oksydacyjnej, ale reagują bardzo dobrze na dodatki przeciwutleniające. Poli-a-olefiny z powodu swojej „parafinowej” natury, zwykle powodują kurczenie się elastomerów. Dodatki uszlachetniające olej silnikowy mają ograniczoną rozpuszczalność w poli-a-olefinach. Wiele syntetycznych olejów silnikowych jest więc mieszanką estrów i poli-a-olefin, co optymalizuje rozpuszczalność dodatków i ich oddziaływanie na uszczelki.
Struktura chemiczna olejów bazowych z hydrokrakingu jest bardzo podobna do poli-a-olefin. W wielu przypadkach dają podobne korzyści do tradycyjnych syntetyków, chociaż pod kilkoma względami są one lepsze.
Bazy olejowe hydrokrakowane zawierają znacznie mniej siarki i węglowodorów aromatycznych niż bazy mineralne. Parametry te rzutują na właściwości użytkowe olejów gotowych –na czas życia olejów oraz oddziaływanie na środowisko. Im mniejsza ilość węglowodorów aromatycznych, tym wolniej zachodzą procesy starzeniowe oleju silnikowego, ponieważ związki aromatyczne w bazie olejowej starzeją się najszybciej. W Stanach Zjednoczonych ponad połowa produkowanych olejów bazowych stanowią oleje grupy II.
Zdaniem ekspertów, oleje silnikowe przyszłości to oleje oparte na bazach całkowicie syntetycznych, bowiem są one bardziej odporne na wyższe temperatury pracy silnika, na utlenianie, mniej lotne od olejów mineralnych, a z powodu nie występowania związków aromatycznych zapewniają dłuższe okresy eksploatacji. Badania wykazały, że zastąpienie klasycznego oleju mineralnego o lepkości SAE 15W/40 olejem syntetycznym SAE 5W/40 obniża emisję dwutlenku węgla i cząstek stałych oraz zadymienie spalin. Dowiedziono, że poprzez dalsze obniżenie lepkości oleju do 10W/30, 5W/30, 0W/30 otrzymuje się znacznie lepsze parametry odpowiadające za energooszczędność oleju (Fuel Economy). Przy niższych klasach lepkości zużycie paliwa jest niższe ze względu na zmniejszone opory tarcia.
Wyższe wymagania specyfikacji
Użytkownicy współczesnych samochodów wymagają od producentów samochodów zmian konstrukcyjnych powodujących zmniejszenie zużycia paliwa, rozciągnięcia w czasie okresowych wizyt serwisowych (a zatem zmniejszenia kosztów eksploatacji) oraz podniesienia komfortu jazdy przy podwyższonych mocach i osiągach silnika. Wychodząc naprzeciw tym wymaganiom, a także normom ochrony środowiska Europejskie Zrzeszenie Producentów Samochodów (ACEA) w 2002 r. zaktualizowało wymagania swej klasyfikacji jakościowej.
Wprowadzono nowe klasy jakościowe ACEA A5/B5 oraz zaostrzono kryteria techniczne w dotychczasowej klasyfikacji w zakresie uzyskania ulepszonych osiągów technicznych przy wydłużonych okresach międzywymianowych dla olejów, które umożliwiają oszczędność paliwa (ACEA A1/B1 i A5/B5), ulepszonych osiągów technicznych dla tradycyjnych olejów (ACEA A3/B3/B4), jak również ulepszonych osiągów technicznych w silnikach diesla z bezpośrednim wtryskiem (ACEA B4) oraz ulepszone właściwości zapobiegające korozji w wysoko obciążonych silnikach diesla (ACEA E5).
Kolejny raz specyfikacja ACEA została zaktualizowana w październiku 2004 r. w związku z wprowadzeniem w 2005 r. nowej normy określającej dopuszczalne limity emisji spalin dla samochodów osobowych paliw – Euro IV. - W tych specyfikacjach wprowadza się nowe wymagania dla środków smarowych, w których są zawarte limity co do zawartości popiołu siarczanowego, fosforu i siarki (SAPS) w celu zapewnienia ochrony urządzeń związanych z emisją – wyjaśnia Wiesława Woźniczko-Kadela.
Typowe zakresy ograniczeń wynoszą dla fosforu od 0,5 do 0,08% m/m, dla siarki od 0,2 do 03% m/m i dla popiołu siarczanowego od 0,5 do 0,8% m/m. Poszczególni producenci samochodów określają też własne specyfikacje odnoszące się do środków smarowych z związku z wprowadzaniem nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych spełniających nowe standardy emisji. Wprowadzenie pod koniec 2003 r. specyfikacji Daimler Chrysler MB 229.31 oraz nowego standardu GF-4 w 2004 r. sprawia, że wprowadzenie nowych środków smarowych z niskim SAPS staje się faktem.
W podobnym kierunku podążają także Amerykanie. Amerykański Instytut Naftowy (American Petroleum Institute, API) 30 września 2004 r. zastąpił najwyższą do niedawna klasę jakościową olejów do samochodów z silnikami benzynowymi, oznaczoną symbolem SL, nową klasą SM dla olejów silnikowych do samochodów osobowych. Niesie to ze sobą zdecydowane podwyższenie wymagań.
Oleje silnikowe spełniające wymagania kategorii API SM będą musiały zapewniać własności antyutleniające oraz kontrolę powstawania osadów w silniku, znacznie przewyższające wymagania kategorii API SL. Ten wzrost wymogów dotyczących spełnienia postanowień kategorii API SM może oznaczać, że tylko niektóre wysokojakościowe oleje będą spełniać te wymagania bez zmiany formulacji.
Najważniejszą zmianą odróżniającą obecny standard SL od nowego SM jest zastąpienie Testu Sequence IIIF przez Sequence IIIG. Test ten bada utlenianie oleju oraz zużycie w wysokich temperaturach. Kolejną ważną zmianą jest ograniczenie maksymalnego dopuszczalnego poziomu zużycia zaworów określonego w teście silnikowym Sequence IVA.
Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj
Zamów prenumeratę
|
|
|
|
