169
program
Mazivostní a protiodČrové vlastnosti motorových olejĤ Jaroslav ýerný, Ladislav Buþko, Ivana Václavíþková* Ústav technologie ropy a petrochemie, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha 6 * Paramo a.s., PĜerovská 560, 530 06 Pardubice
Souhrn. V þlánku jsou diskutovány zmČny ve vlastnostech motorových olejĤ pĜi jejich provozu, které mohou mít vliv na úroveĖ tĜení pohyblivých souþástí motorĤ a ovlivĖovat tak mazací a protiodČrové schopnosti olejĤ. Je prezentována Ĝada experimentálních mČĜení, vþetnČ mazivostních testĤ a zmČn v koeficientu tĜení, které byly provádČny s novými i použitými motorovými oleji. Je konstatováno, že souþasné motorové oleje si uchovávají vynikající mazivost a protiodČrové vlastnosti po celou dobu své životnosti v normálních i prodloužených servisních intervalech.
1 Úvod Motorové oleje rozhodují o spolehlivé funkci motoru, pĜiþemž zabezpeþují nejen mazání pohybujících se souþástí, ale i jejich úþinné chlazení, þistotu apod. Motory jsou stále výkonnČjší a více tepelnČ namáhané. Toto všechno klade mimoĜádné nároky nejen na motor, ale i na kvalitu motorového oleje [1]. Standardní výmČnný interval motorového oleje je maximálnČ 15 tis. km v závislosti na nároþnosti provozu. V posledních letech se však projevují tendence k prodlužování výmČnných intervalĤ a u nových automobilĤ je již servisní interval 20-30 tis. km zcela bČžný. BČhem provozu dochází v motorovém oleji k velkým zmČnám. Závislost intervalu výmČny motorového oleje na nároþnosti provozu nutí nČkteré provozovatele automobilĤ k monitorování stavu oleje bČhem provozu s cílem znát aktuální stav oleje a pĜípadnČ odhadnout zbývající kilometrový probČh a tedy konkrétní výmČnný interval podle stupnČ zneþištČní a degradace oleje. BČhem tohoto monitoringu lze také sledovat koncentraci otČrových kovĤ a intenzitu opotĜebení motoru a pĜedejít tak pĜípadným haváriím motoru. Taková tribodiagnostická opatĜení jsou ekonomicky schĤdná pouze u velkých a ekonomicky nákladných motorĤ. U osobních automobilĤ a dalších malých motorĤ je vČtšinou nutné spolehnout se na doporuþení výrobce motoru týkající se výmČnného intervalu oleje. Tento pĜístup vyžaduje, aby uživatel sám odhadl nároþnost provozu vlastního automobilu a sám si pĜizpĤsobil délku výmČnného intervalu podmínkám provozu. Motorový olej pĜi provozu degraduje v nČkolika smČrech: Na rozsah a hloubku degradace oleje mají vliv zejména tyto okolnosti [2]: x x x x x x
oxidaþní stabilita oleje, množství zbývajících antioxidantĤ v oleji množství zbývajících mazivostních a protiodČrových aditiv kyselost a zbývající alkalická rezerva oleje zmČna viskozitních vlastností množství mechanických neþistot v oleji (saze, prach, apod.) obsah paliva v oleji, pĜítomnost glykolu apod.
Ing. Jaroslav ýerný, CSc., Ing. Ladislav Buþko, Ústav technologie ropy a petrochemie, VŠCHT Praha;
[email protected];
[email protected] Ing. Ivana Václavíþková, Paramo, a.s., Pardubice;
[email protected]
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1433
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
K nejvČtším kvalitativním zmČnám dochází v motorovém oleji ihned po výmČnČ [3-6]. Jedná se o skokovou zmČnu kvality motorového oleje. Oxidaþní stabilitu nového oleje silnČ ovlivĖují zbytky starého oleje s polárními produkty oxidace a dalším zneþištČním oleje [4]. U správnČ ošetĜovaných benzinových motorĤ tak pĜi výmČnČ motorového oleje dochází až k 40 % úbytku antioxidaþní kapacity oproti novému oleji. Pro dieselové motory je vČtšinou pokles oxidaþní stability oleje menší, pĜibližnČ 20 % [4]. K podobné skokové zmČnČ dochází na zaþátku provozu motorového oleje i u viskozitních vlastností [3,5,6], zejména u olejĤ tĜídy SAE xW-40. To je typické zejména pro benzinové motory s velkou lineární rychlostí pohybu pístu a velkým stĜihovým namáháním oleje. K nejvČtším zmČnám viskozity oleje dochází u benzinových motorĤ bČhem prvních 100 km po naplnČní oleje do motoru, kdy viskozita mĤže klesnout o 15 až 20 %. U dieselových motorĤ k tak markantnímu poklesu viskozity oleje nedochází [3,5,6]. PĜi dalším provozu v motoru je olej namáhán tepelnČ, oxidaþnČ, je vystaven pĤsobení výfukových plynĤ, dostává se do styku s palivem. Je také potĜeba uvažovat i postupnČ se zvyšující obsah sazí v oleji u dieselových motorĤ. Nelze vynechat ani dĤležitou roli studených startĤ a jízdy se studeným motorem. Všechny tyto vlivy pĤsobí na kvalitu a životnost motorového oleje [7,8]. Provozem motorového oleje dochází k postupnému vyþerpání aditiv. Rychlost vyþerpání aditiv závisí na tom, v jak nároþném režimu motor pracuje, napĜ. zda je motorový olej používán v mČstském nebo mimomČstském provozu, jak þasté jsou studené starty, apod. Motorový olej v mČstském provozu podléhá rychlejší degradaci, a to z dĤvodu þastých akcelerací a zmČn zatížení motoru. Problém provozu se studeným motorem je pĜedevším v kyselých a dalších produktech spalování paliva, které snadno kondenzují v motorovém oleji a znehodnocují jej. Alkalická rezerva detergentĤ také již postupnČ nemusí plnČ postaþovat k neutralizaci kyselých zplodin ze spalování paliva a kyselých produktĤ oxidace oleje. PĜi zvýšené kyselosti motorového oleje zaþíná být významné i korozívní opotĜebení motoru. V poslední tĜetinČ doporuþeného výmČnného intervalu motorového oleje dochází k vyþerpání vČtšiny pĜísad, které mají vliv na životnost motorového oleje. PĜi nároþném režimu v mČstském provozu s þastými studenými starty k tomuto okamžiku dochází již kolem 8-10 tis. km. PĜi lehkém a nenároþném režimu provozu pak spíše až mezi 12-15 tis. km, to vše pĜi uvažovaném výmČnném intervalu oleje 15 tis. km. Po vyþerpání aditiv dochází k urychlení zmČn vlastností motorového oleje. Olej není chránČn proti oxidaci a v dĤsledku toho dochází ke zrychlené oxidaci a nitraci základového oleje. PĜi rostoucí rychlosti oxidaþních a nitraþních zmČn také mĤže zaþít rĤst viskozita oleje v dĤsledku kondenzace oxidaþních a nitraþních produktĤ [9]. Díky vyþerpání antioxidantĤ jsou také vyþerpány pĤvodní mazivostní a protiodČrové pĜísady, protože obČ vlastnosti oleje jsou vČtšinou zajištČny stejným aditivem – dithiofosfáty zinku. To se projevuje pozvolným zvyšováním koeficientu tĜení a tím i hluku motoru [10]. Zvýšená úroveĖ tĜení se v dĤsledku odrazí i ve zvýšené spotĜebČ paliva. Tato práce se vČnuje studiu zmČn mazivosti motorových olejĤ v prĤbČhu provozu a zejména jejich mazivosti na konci výmČnných intervalĤ.
2 Viskozitní a mazivostní testy Viskozitní parametry motorových olejĤ byly mČĜeny podle pĜíslušných ASTM norem. Kinematická viskozita byla mČĜena na pĜístroji Stabinger SVM 3000 (ASTM D 7042). Vysokoteplotní HTHS viskozita dle Ravenfielda (ASTM D 4741) byla mČĜena v ÚPM Praha, zkušebna Kolín. Koeficient tĜení byl mČĜen podle normy ASTM D 5707 na zkušebnČ koncernu VW v NČmecku. Mazivostní a protiodČrový test dle Reicherta byl mČĜen za následujících podmínek: hmotnost závaží 1,5 kg množství oleje 25 ml tĜecí dráha 100 m testovací váleþky tvrzená ocel, Petrotest 15-0021 rychlost 1,7 m/s teplota pokojová
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1434
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
3 Viskozitní vlastnosti Kinematická viskozita je jednou z nejdĤležitČjších vlastností mazacích olejĤ. U motorových olejĤ se hodnota viskozity odráží ve viskozitních tĜídách, které jsou, kromČ jiného, determinovány i kinematickou viskozitou pĜi 100 °C [6]. Dalším viskozitním údajem je vysokoteplotní HTHS viskozita, která je definována pĜi 150 °C. Ta je souþástí výkonových charakteristik každého motorového oleje a pro zajištČní spolehlivého mazání musí mít olej garantovánu minimální hodnotu HTHS viskozity [11]. Pro vČtšinu motorových olejĤ, které jsou k dispozici na evropském trhu, musí mít HTHS viskozita hodnotu nejménČ 3,5 mPa.s. V nČkterých pĜípadech výrobci motorĤ povolují použití motorových olejĤ s HTHSV min. 2,9 mPa.s. Na mimoevropských trzích se zaþínají prosazovat i oleje SAE 0W-20 s HTHSV již od 2,6 mPa.s. Viskozitní vlastnosti motorových olejĤ musí pĜi provozu motoru zajistit dostateþnou tloušĢku mazacího olejového filmu, aby k meznému tĜení docházelo v co nejmenší míĜe. BČhem provozu pĤsobí na motorový olej nČkolik vlivĤ, þasto protichĤdných. Jejich dĤsledkem mohou být závažné viskozitní zmČny a tím i zmČny v mazivostních vlastnostech motorových olejĤ [3,5]. Na obr. 1 je nČkolik pĜíkladĤ viskozitního chování provozovaných motorových olejĤ pro rĤzné viskozitní tĜídy olejĤ. Již na první pohled upoutá, že k nejvČtším viskozitním zmČnám dochází po naplnČní oleje do motoru. Díky stĜihové nestabilitČ moderních motorových olejĤ [1] dojde bČhem prvních 100 km k prudkému poklesu viskozity. Rozdíl mezi viskozitními tĜídami tak mĤže zcela zaniknout (obr. 1). Viskozitní zmČny jsou patrné také v dalším provozu oleje. Je ale nutné zdĤraznit, že celkové zmČny viskozity ve sledovaných pĜípadech nepĜekroþily pĜibližnČ ±15-20 %. Tato hranice je vČtšinou akceptovaná jako pĜijatelné zmČny viskozity pĜi provozu motorového oleje. V tabulce 1 jsou uvedeny hodnoty HTHS viskozity pro nČkolik nových a použitých olejĤ. Je dobré zaznamenat, že hodnoty HTHS viskozity byly u použitých motorových olejĤ nalezeny vČtšinou nižší než u nových olejĤ. Pokles ale není v žádném pĜípadČ nijak dramatický. Ani velmi nároþné podmínky provozu olejĤ v mČstském provozu a pokles kinematické viskozity nezpĤsobily závažné snížení HTHS viskozity. Ta se u všech hodnocených použitých motorových olejĤ pohybovala v blízkosti limitní hodnoty pro nové oleje 3,5 mPa.s. Lze tedy Ĝíci, že pĜes znatelné zmČny kinematické viskozity, k nimž dochází pĜi provozování motorových olejĤ, HTHS viskozita olejĤ se udržuje na hodnotách, které stále ještČ zaruþují dostateþnou sílu mazacího olejového filmu i pĜi vysokých teplotách ve spalovacích motorech.
4 Koeficient tĜení V tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty koeficientu tĜení motorového oleje SAE 5W-40 pĜi provozu v automobilu Škoda Fabia 1.4, 55 kW. Jedná se o stejný provoz, u nČhož byl sledován prĤbČh viskozity na obr. 1. Z tabulky 2 je vidČt, že koeficient tĜení oleje v hrubých rysech sleduje hodnoty kinematické viskozity. K nejvČtší zmČnČ došlo opČt na poþátku provozu oleje. Všechny provozní vzorky motorového oleje mČly výraznČ nižší koeficient tĜení a menší otČrovou stopu než nový a nepoužitý olej. V dalším provozu se koeficient tĜení oleje i velikost otČrové stopy udržovaly na stejné úrovni. To znamená, že motorový olej si udržoval po celou dobu provozu vysokou a nezmČnČnou mazivostní schopnost. Mazivost oleje neovlivnil ani vysoký stupeĖ degradace motorového oleje vyplývající z nároþného mČstského provozu a množství oxidaþních produktĤ v oleji.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1435
16.–18. 4. 2007 Milovy
2 -1
Viskozita 100 °C (mm s )
program
SAE 10W-40 SAE 5W-40 SAE 5W-30 SAE 5W-30
14 13 12 11 10 9
0
2
4
6
8
10
12
14
16
ProbČh (tis. km) Obr. 1 Viskozitní chování motorových olejĤ pĜi provozu v zážehových motorech
Tabulka 1 Vliv provozu motorového oleje na zmČnu HTHS viskozity (rĤzné motory) Motorový olej SAE 15W-40 SAE 10W-40 SAE 10W-40 SAE 5W-40 SAE 0W-30
ProbČh (tis. km)
Viskozita 100 °C (mm2.s-1)
60 15 15 15 30
12,1 12,3 11,5 10,5 10,1
HTHSV (mPa.s) nový upotĜ. 4,2 3,7 3,8 3,8 3,6 3,3 3,5 3,3 3,0 3,4
Tabulka 2 ZmČny koeficientu tĜení pĜi provozu motorového oleje (SAE 5W-40, ACEA A3/B4, Škoda Fabia 1.4 16V, 55 kW) ProbČh 0 km (nový olej) 4 000 km 8 000 km 12 000 km 16 000 km
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
Koef. tĜení
OtČrová stopa (mm)
0,15 0,10 0,11 0,11 0,11
0,75 0,44 0,44 0,45 0,46
1436
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
5 ProtiodČrový test dle Reicherta NČkolik nových motorových olejĤ a stejných olejĤ po prodloužených servisních intervalech v automobilech se zážehovými motory byly podrobeny mazivostnímu testu podle Reicherta. Výsledky jsou uvedeny tabulce 3. Ve dvou pĜípadech byly protiodČrové schopnosti použitého motorového oleje lepší než u oleje nového. To znamená, že tento test potvrdil pĜetrvávající funkci mazivostních a protiodČrových pĜísad i v použitých a zdánlivČ vyþerpaných olejích. Navíc se zdá, že polární látky v oleji vzniklé oxidaþními a nitraþními zmČnami mají na mazivost oleje pozitivní vliv. Plocha otČrové stopy byla v pĜípadČ použitých olejĤ pĜibližnČ o 25% menší než u olejĤ nových. Podobný efekt byl pozorován i u základových olejĤ, u nichž oxidace pĜispívá k mazivosti oleje [12]. Pouze v pĜípadČ oleje specifikace VW 504.00/507.00 byla mazivostní schopnost pĜi Reichert testu mírnČ zhoršená. Jedná se o novou generaci motorových olejĤ se sníženým obsahem tradiþních mazivostních prvkĤ – fosforu a síry. Avšak ani v tomto pĜípadČ nebylo zhoršení mazivosti nijak závažné. Tabulka 3
Vliv provozu motorového oleje na mazivostní a protiodČrové vlastnosti (Reichert test, benzinové motory) OtČrová stopa (mm2)
Motorový olej SAE 0W-30, VW 503.00/506.00/506.01 SAE 0W-30, VW 503.01 SAE 5W-30, VW 504.00/507.00
nový po 30 tis. km nový po 30 tis. km
12,7 8,7 16,6
nový po 30 tis. km
15,0 16,6
12,5
6 ZávČr Práce byla zamČĜena na sledování mazivosti a protiodČrových vlastností motorových olejĤ bČhem jejich provozu. Byla provedena jak viskozitní mČĜení, vþetnČ stanovení vysokoteplotní HTHS viskozity, tak i mČĜení koeficientu tĜení oleje v prĤbČhu provozu a mazivost pomocí Reichert testu. Všechny dosažené výsledky potvrzují, že moderní motorové oleje mají velmi dobrou mazivost, kterou si udržují po celou dobu životnosti. Mazivost a protiodČrové vlastnosti motorových olejĤ nesnižuje ani vyþerpání antioxidantĤ dithiofosfátového typu a vysoký stupeĖ oxidaþního a nitraþního napadení. K mazivosti pravdČpodobnČ pĜispívají také polární produkty oxidaþních reakcí. Motorové oleje mČly na konci doby životnosti paradoxnČ lepší mazivostní charakteristiky než oleje nové. Mazivost a protiodČrové schopnosti tak nejsou faktory, který by limitovaly životnost motorových olejĤ. PodČkování. Tato práce byla podporována Ministerstev školství mládeže a tČlovýchovy v rámci projektu MSM 6046137304. AutoĜi dČkují Ing. Janu Bouchalovi, Ph.D., Škoda Auto a.s., za zajištČní mČĜení koeficientu tĜení v koncernových laboratoĜích VW.
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1437
16.–18. 4. 2007 Milovy
program
Literatura Taylor R.I., Mainwaring R., Mortier R.M.: Engine Lubricant Trends Since 1990. Proc. IMechE, Part J, J. Engineering Tribology 2005, 219(5), 331-346. [2] Kubínová, P.: Prodloužené výmČnné lhĤty motorových olejĤ, Diplomová práce. VŠCHT Praha, 2004. [3] ýerný J.: Viskozita a provoz motorových olejĤ. AutoEXPERT 2005, 10(7-8), str. 42 - 45. [4] ýerný J., Mašek P.: Znehodnocení motorových olejĤ pĜi jejich výmČnČ. Sborník 3. konference Tribotechnika v provozu a údržbČ, Hrubá Skála, 8-9. 11. 2005, str. 31-36. [5] ýerný J., Václavíþková I.: Shear Stability of Motor Oils. Fuels and Lubricants 2006, 45(5), 323-330. [6] ýerný J.: Vlastnosti motorových olejĤ: Viskozita. AutoEXPERT 2006, 11(3), 36-37. [7] Kozák P.: Hodnocení normovaných parametrĤ motorových olejĤ. Sborník 6. konference „Kvalita paliv a maziv“ Reotrib 2000, Velké Losiny, kvČten 2000, str. 65-69. [8] ýerný J.: Chemické rozbory motorových olejĤ. AutoEXPERT 2005, 10(7-8), str. 26 – 29. [9] ýerný J.: Vlastnosti motorových olejĤ: Oxidace a nitrace olejĤ. AutoEXPERT 2006, 11(9), 4244 [10] Ma Y.,Zhao W., Li S., Jin Y., Wang Y., Simon T.C.: Lubricating Durability of Two GF Category Engine Oils. Industrial Lubrication and Tribology 2005, 57(4), 161-167. [11] ýerný J.: Vlastnosti motorových olejĤ. HTHS viskozita a lehkobČžné oleje. AutoEXPERT 2006, 11(4), 22-23. [12] Bowman W.F., Stachowiak G.W.: The Effect of Base Oil Oxidation on Scuffing. Tribology Letters, 1998, 4, 59-66. [1]
APROCHEM 2007 • Odpadové fórum 2007
1438
16.–18. 4. 2007 Milovy
