Mazivostní a protiod rové vlastnosti motorových olej

Transkript

1 169 Mazivostní a protiodrové vlastnosti motorových olej Jaroslav erný, Ladislav Buko, Ivana Václavíková* Ústav technologie ropy a petrochemie, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6 * Paramo a.s., Perovská 560, Pardubice Souhrn. V lánku jsou diskutovány zmny ve vlastnostech motorových olej pi jejich provozu, které mohou mít vliv na úrove tení pohyblivých souástí motor a ovlivovat tak mazací a protiodrové schopnosti olej. Je prezentována ada experimentálních mení, vetn mazivostních test a zmn v koeficientu tení, které byly provádny s novými i použitými motorovými oleji. Je konstatováno, že souasné motorové oleje si uchovávají vynikající mazivost a protiodrové vlastnosti po celou dobu své životnosti v normálních i prodloužených servisních intervalech. 1 Úvod Motorové oleje rozhodují o spolehlivé funkci motoru, piemž zabezpeují nejen mazání pohybujících se souástí, ale i jejich úinné chlazení, istotu apod. Motory jsou stále výkonnjší a více tepeln namáhané. Toto všechno klade mimoádné nároky nejen na motor, ale i na kvalitu motorového oleje [1]. Standardní výmnný interval motorového oleje je maximáln 15 tis. km v závislosti na náronosti provozu. V posledních letech se však projevují tendence k prodlužování výmnných interval a u nových automobil je již servisní interval tis. km zcela bžný. Bhem provozu dochází v motorovém oleji k velkým zmnám. Závislost intervalu výmny motorového oleje na náronosti provozu nutí nkteré provozovatele automobil k monitorování stavu oleje bhem provozu s cílem znát aktuální stav oleje a pípadn odhadnout zbývající kilometrový probh a tedy konkrétní výmnný interval podle stupn zneištní a degradace oleje. Bhem tohoto monitoringu lze také sledovat koncentraci otrových kov a intenzitu opotebení motoru a pedejít tak pípadným haváriím motoru. Taková tribodiagnostická opatení jsou ekonomicky schdná pouze u velkých a ekonomicky nákladných motor. U osobních automobil a dalších malých motor je vtšinou nutné spolehnout se na doporuení výrobce motoru týkající se výmnného intervalu oleje. Tento pístup vyžaduje, aby uživatel sám odhadl náronost provozu vlastního automobilu a sám si pizpsobil délku výmnného intervalu podmínkám provozu. Motorový olej pi provozu degraduje v nkolika smrech: Na rozsah a hloubku degradace oleje mají vliv zejména tyto okolnosti [2]: oxidaní stabilita oleje, množství zbývajících antioxidant v oleji množství zbývajících mazivostních a protiodrových aditiv kyselost a zbývající alkalická rezerva oleje zmna viskozitních vlastností množství mechanických neistot v oleji (saze, prach, apod.) obsah paliva v oleji, pítomnost glykolu apod. Ing. Jaroslav erný, CSc., Ing. Ladislav Buko, Ústav technologie ropy a petrochemie, VŠCHT Praha; jaroslav.cerny@vscht.cz; ladislav.bucko@vscht.cz Ing. Ivana Václavíková, Paramo, a.s., Pardubice; ivana.vaclavickova@paramo.cz 1433

2 K nejvtším kvalitativním zmnám dochází v motorovém oleji ihned po výmn [3-6]. Jedná se o skokovou zmnu kvality motorového oleje. Oxidaní stabilitu nového oleje siln ovlivují zbytky starého oleje s polárními produkty oxidace a dalším zneištním oleje [4]. U správn ošetovaných benzinových motor tak pi výmn motorového oleje dochází až k 40 % úbytku antioxidaní kapacity oproti novému oleji. Pro dieselové motory je vtšinou pokles oxidaní stability oleje menší, pibližn 20 % [4]. K podobné skokové zmn dochází na zaátku provozu motorového oleje i u viskozitních vlastností [3,5,6], zejména u olej tídy SAE xw-40. To je typické zejména pro benzinové motory s velkou lineární rychlostí pohybu pístu a velkým stihovým namáháním oleje. K nejvtším zmnám viskozity oleje dochází u benzinových motor bhem prvních 100 km po naplnní oleje do motoru, kdy viskozita mže klesnout o 15 až 20 %. U dieselových motor k tak markantnímu poklesu viskozity oleje nedochází [3,5,6]. Pi dalším provozu v motoru je olej namáhán tepeln, oxidan, je vystaven psobení výfukových plyn, dostává se do styku s palivem. Je také poteba uvažovat i postupn se zvyšující obsah sazí v oleji u dieselových motor. Nelze vynechat ani dležitou roli studených start a jízdy se studeným motorem. Všechny tyto vlivy psobí na kvalitu a životnost motorového oleje [7,8]. Provozem motorového oleje dochází k postupnému vyerpání aditiv. Rychlost vyerpání aditiv závisí na tom, v jak nároném režimu motor pracuje, nap. zda je motorový olej používán v mstském nebo mimomstském provozu, jak asté jsou studené starty, apod. Motorový olej v mstském provozu podléhá rychlejší degradaci, a to z dvodu astých akcelerací a zmn zatížení motoru. Problém provozu se studeným motorem je pedevším v kyselých a dalších produktech spalování paliva, které snadno kondenzují v motorovém oleji a znehodnocují jej. Alkalická rezerva detergent také již postupn nemusí pln postaovat k neutralizaci kyselých zplodin ze spalování paliva a kyselých produkt oxidace oleje. Pi zvýšené kyselosti motorového oleje zaíná být významné i korozívní opotebení motoru. V poslední tetin doporueného výmnného intervalu motorového oleje dochází k vyerpání vtšiny písad, které mají vliv na životnost motorového oleje. Pi nároném režimu v mstském provozu s astými studenými starty k tomuto okamžiku dochází již kolem 8-10 tis. km. Pi lehkém a nenároném režimu provozu pak spíše až mezi tis. km, to vše pi uvažovaném výmnném intervalu oleje 15 tis. km. Po vyerpání aditiv dochází k urychlení zmn vlastností motorového oleje. Olej není chránn proti oxidaci a v dsledku toho dochází ke zrychlené oxidaci a nitraci základového oleje. Pi rostoucí rychlosti oxidaních a nitraních zmn také mže zaít rst viskozita oleje v dsledku kondenzace oxidaních a nitraních produkt [9]. Díky vyerpání antioxidant jsou také vyerpány pvodní mazivostní a protiodrové písady, protože ob vlastnosti oleje jsou vtšinou zajištny stejným aditivem dithiofosfáty zinku. To se projevuje pozvolným zvyšováním koeficientu tení a tím i hluku motoru [10]. Zvýšená úrove tení se v dsledku odrazí i ve zvýšené spoteb paliva. Tato práce se vnuje studiu zmn mazivosti motorových olej v prbhu provozu a zejména jejich mazivosti na konci výmnných interval. 2 Viskozitní a mazivostní testy Viskozitní parametry motorových olej byly meny podle píslušných ASTM norem. Kinematická viskozita byla mena na pístroji Stabinger SVM 3000 (ASTM D 7042). Vysokoteplotní HTHS viskozita dle Ravenfielda (ASTM D 4741) byla mena v ÚPM Praha, zkušebna Kolín. Koeficient tení byl men podle normy ASTM D 5707 na zkušebn koncernu VW v Nmecku. Mazivostní a protiodrový test dle Reicherta byl men za následujících podmínek: hmotnost závaží 1,5 kg množství oleje 25 ml tecí dráha 100 m testovací váleky tvrzená ocel, Petrotest rychlost 1,7 m/s teplota pokojová 1434

3 3 Viskozitní vlastnosti Kinematická viskozita je jednou z nejdležitjších vlastností mazacích olej. U motorových olej se hodnota viskozity odráží ve viskozitních tídách, které jsou, krom jiného, determinovány i kinematickou viskozitou pi 100 C [6]. Dalším viskozitním údajem je vysokoteplotní HTHS viskozita, která je definována pi 150 C. Ta je souástí výkonových charakteristik každého motorového oleje a pro zajištní spolehlivého mazání musí mít olej garantovánu minimální hodnotu HTHS viskozity [11]. Pro vtšinu motorových olej, které jsou k dispozici na evropském trhu, musí mít HTHS viskozita hodnotu nejmén 3,5 mpa.s. V nkterých pípadech výrobci motor povolují použití motorových olej s HTHSV min. 2,9 mpa.s. Na mimoevropských trzích se zaínají prosazovat i oleje SAE 0W-20 s HTHSV již od 2,6 mpa.s. Viskozitní vlastnosti motorových olej musí pi provozu motoru zajistit dostatenou tloušku mazacího olejového filmu, aby k meznému tení docházelo v co nejmenší míe. Bhem provozu psobí na motorový olej nkolik vliv, asto protichdných. Jejich dsledkem mohou být závažné viskozitní zmny a tím i zmny v mazivostních vlastnostech motorových olej [3,5]. Na obr. 1 je nkolik píklad viskozitního chování provozovaných motorových olej pro rzné viskozitní tídy olej. Již na první pohled upoutá, že k nejvtším viskozitním zmnám dochází po naplnní oleje do motoru. Díky stihové nestabilit moderních motorových olej [1] dojde bhem prvních 100 km k prudkému poklesu viskozity. Rozdíl mezi viskozitními tídami tak mže zcela zaniknout (obr. 1). Viskozitní zmny jsou patrné také v dalším provozu oleje. Je ale nutné zdraznit, že celkové zmny viskozity ve sledovaných pípadech nepekroily pibližn ±15-20 %. Tato hranice je vtšinou akceptovaná jako pijatelné zmny viskozity pi provozu motorového oleje. V tabulce 1 jsou uvedeny hodnoty HTHS viskozity pro nkolik nových a použitých olej. Je dobré zaznamenat, že hodnoty HTHS viskozity byly u použitých motorových olej nalezeny vtšinou nižší než u nových olej. Pokles ale není v žádném pípad nijak dramatický. Ani velmi nároné podmínky provozu olej v mstském provozu a pokles kinematické viskozity nezpsobily závažné snížení HTHS viskozity. Ta se u všech hodnocených použitých motorových olej pohybovala v blízkosti limitní hodnoty pro nové oleje 3,5 mpa.s. Lze tedy íci, že pes znatelné zmny kinematické viskozity, k nimž dochází pi provozování motorových olej, HTHS viskozita olej se udržuje na hodnotách, které stále ješt zaruují dostatenou sílu mazacího olejového filmu i pi vysokých teplotách ve spalovacích motorech. 4 Koeficient tení V tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty koeficientu tení motorového oleje SAE 5W-40 pi provozu v automobilu Škoda Fabia 1.4, 55 kw. Jedná se o stejný provoz, u nhož byl sledován prbh viskozity na obr. 1. Z tabulky 2 je vidt, že koeficient tení oleje v hrubých rysech sleduje hodnoty kinematické viskozity. K nejvtší zmn došlo opt na poátku provozu oleje. Všechny provozní vzorky motorového oleje mly výrazn nižší koeficient tení a menší otrovou stopu než nový a nepoužitý olej. V dalším provozu se koeficient tení oleje i velikost otrové stopy udržovaly na stejné úrovni. To znamená, že motorový olej si udržoval po celou dobu provozu vysokou a nezmnnou mazivostní schopnost. Mazivost oleje neovlivnil ani vysoký stupe degradace motorového oleje vyplývající z nároného mstského provozu a množství oxidaních produkt v oleji. 1435

4 Viskozita 100 C (mm 2 s -1 ) SAE 10W-40 SAE 5W-40 SAE 5W-30 SAE 5W Probh (tis. km) Obr. 1 Viskozitní chování motorových olej pi provozu v zážehových motorech Tabulka 1 Vliv provozu motorového oleje na zmnu HTHS viskozity (rzné motory) Motorový olej Probh (tis. km) Viskozita 100 C HTHSV (mpa.s) (mm 2.s -1 ) nový upot. SAE 15W ,1 4,2 3,7 SAE 10W ,3 3,8 3,8 SAE 10W ,5 3,6 3,3 SAE 5W ,5 3,5 3,3 SAE 0W ,1 3,0 3,4 Tabulka 2 Zmny koeficientu tení pi provozu motorového oleje (SAE 5W-40, ACEA A3/B4, Škoda Fabia V, 55 kw) Probh Koef. tení Otrová stopa (mm) 0 km (nový olej) 0,15 0, km 0,10 0, km 0,11 0, km 0,11 0, km 0,11 0,

5 5 Protiodrový test dle Reicherta Nkolik nových motorových olej a stejných olej po prodloužených servisních intervalech v automobilech se zážehovými motory byly podrobeny mazivostnímu testu podle Reicherta. Výsledky jsou uvedeny tabulce 3. Ve dvou pípadech byly protiodrové schopnosti použitého motorového oleje lepší než u oleje nového. To znamená, že tento test potvrdil petrvávající funkci mazivostních a protiodrových písad i v použitých a zdánliv vyerpaných olejích. Navíc se zdá, že polární látky v oleji vzniklé oxidaními a nitraními zmnami mají na mazivost oleje pozitivní vliv. Plocha otrové stopy byla v pípad použitých olej pibližn o 25% menší než u olej nových. Podobný efekt byl pozorován i u základových olej, u nichž oxidace pispívá k mazivosti oleje [12]. Pouze v pípad oleje specifikace VW / byla mazivostní schopnost pi Reichert testu mírn zhoršená. Jedná se o novou generaci motorových olej se sníženým obsahem tradiních mazivostních prvk fosforu a síry. Avšak ani v tomto pípad nebylo zhoršení mazivosti nijak závažné. Tabulka 3 Vliv provozu motorového oleje na mazivostní a protiodrové vlastnosti (Reichert test, benzinové motory) Motorový olej Otrová stopa (mm 2 ) SAE 0W-30, VW /506.00/ nový 12,7 po 30 tis. km 8,7 SAE 0W-30, VW nový 16,6 po 30 tis. km 12,5 SAE 5W-30, VW / nový 15,0 po 30 tis. km 16,6 6 Závr Práce byla zamena na sledování mazivosti a protiodrových vlastností motorových olej bhem jejich provozu. Byla provedena jak viskozitní mení, vetn stanovení vysokoteplotní HTHS viskozity, tak i mení koeficientu tení oleje v prbhu 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 protiodrové vlastnosti motorových olej nesnižuje ani vyerpání antioxidant dithiofosfátového typu a vysoký stupe oxidaního a nitraního napadení. K mazivosti pravdpodobn pispívají také polární produkty oxidaních reakcí. Motorové oleje mly na konci doby životnosti paradoxn lepší mazivostní charakteristiky než oleje nové. Mazivost a protiodrové schopnosti tak nejsou faktory, který by limitovaly životnost motorových olej. Podkování. Tato práce byla podporována Ministerstev školství mládeže a tlovýchovy v rámci projektu MSM Autoi dkují Ing. Janu Bouchalovi, Ph.D., Škoda Auto a.s., za zajištní mení koeficientu tení v koncernových laboratoích VW. 1437

6 Literatura [1] Taylor R.I., Mainwaring R., Mortier R.M.: Engine Lubricant Trends Since Proc. IMechE, Part J, J. Engineering Tribology 2005, 219(5), [2] Kubínová, P.: Prodloužené výmnné lhty motorových olej, Diplomová práce. VŠCHT Praha, [3] erný J.: Viskozita a provoz motorových olej. AutoEXPERT 2005, 10(7-8), str [4] erný J., Mašek P.: Znehodnocení motorových olej pi jejich výmn. Sborník 3. konference Tribotechnika v provozu a údržb, Hrubá Skála, , str [5] erný J., Václavíková I.: Shear Stability of Motor Oils. Fuels and Lubricants 2006, 45(5), [6] erný J.: Vlastnosti motorových olej: Viskozita. AutoEXPERT 2006, 11(3), [7] Kozák P.: Hodnocení normovaných parametr motorových olej. Sborník 6. konference Kvalita paliv a maziv Reotrib 2000, Velké Losiny, kvten 2000, str [8] erný J.: Chemické rozbory motorových olej. AutoEXPERT 2005, 10(7-8), str [9] erný J.: Vlastnosti motorových olej: Oxidace a nitrace olej. AutoEXPERT 2006, 11(9), [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), [11] erný J.: Vlastnosti motorových olej. HTHS viskozita a lehkobžné oleje. AutoEXPERT 2006, 11(4), [12] Bowman W.F., Stachowiak G.W.: The Effect of Base Oil Oxidation on Scuffing. Tribology Letters, 1998, 4,