Olej w nowoczesnym silniku spalinowym jest poddawany wysokim obciążeniom mechanicznym i cieplnym. Wynika to ze zmian w konstrukcji współczesnych jednostek napędowych. Coraz bardziej restrykcyjne wymagania emisyjne powodują, że obecnie jedną z niewielu możliwości ich spełniania pozostaje zmniejszanie wymiarów głównych silników. Zmniejszają się gabaryty jednostki napędowej, a to bezpośrednio przekłada się na pojemności zbiorników oleju, zatem mniejsze ilości oleju silnikowego muszą sprostać coraz większym wymaganiom związanym z dużymi stopniami wysilenia jednostek napędowych.

Od oleju wymaga się również zmniejszenia oporów własnych silnika (mniejsze zużycie paliwa oraz emisja). Skłania to producentów do stosowania olejów o niskiej lepkości, tzw. lekkobieżnych. Z drugiej strony, użytkownicy samochodów oczekują zwiększenia przebiegów międzyobsługowych, przez co zwiększa się okres pomiędzy wymianami. Stawia to przed olejem silnikowym bardzo wysokie wymagania. Poszczególni producenci samochodów, opracowując swoje wymagania jakościowe, oczekują spełnienia ściśle określonych parametrów. Jeśli do tego dodamy zmianę rodzaju zasilania na gazowe, mamy obraz często sprzecznych wymagań, jakim muszą sprostać współczesne oleje silnikowe.

Na polskim rynku LPG jest bardzo popularnym nośnikiem energii, zatem różne aspekty eksploatacji silników zasilanych gazem powinny być znane. Niestety, wiedza na ten temat nie jest powszechna, szczególnie w zakresie olejenia takich jednostek napędowych.

Przyjęło się, nawet w branży olejowej, że dopisek na opakowaniu oleju „for gas” jest chwytem czysto marketingowym. Być może w niektórych przypadkach tak bywało, jednak w kontekście zgromadzonych informacji wynika, że olej do silników zasilanych LPG powinien mieć nieco inne właściwości niż produkty przeznaczone do silników zasilanych benzyną.

Silniki zasilane LPG

Silniki samochodów osobowych są alternatywnie zasilane LPG (paliwo bazowe stanowi benzyna), dlatego należy zapewnić odpowiednie parametry oleju silnikowego na obu paliwach.

Pomimo tego, że jednostki napędowe zasilane LPG są obecne na rynku od wielu lat, do tej pory nie powstały żadne wymagania określające wartości istotnych dla tych silników parametrów oleju silnikowego. Istniejące na rynku oleje silnikowe różnych producentów dedykowane do stosowania w silnikach zasilanych LPG są dowodem na to, że istnieje rynek na tego typu produkty. Oleje te są specyfikowane w oparciu o uniwersalne wymagania jakościowe i lepkościowe, a każdy z producentów interpretuje parametry istotne dla jednostek napędowych zasilanych gazem na swój sposób.

Paliwo gazowe jest w wielu aspektach bardziej przyjazne dla oleju silnikowego niż benzyna. Przede wszystkim nie wstępuje zmywanie filmu olejowego z gładzi cylindrowych, szczególnie w trakcie dochodzenia silnika do stanu równowagi cieplnej, ani związane z tym zjawisko rozrzedzania oleju silnikowego przez przenikające do miski olejowej paliwo. Nie obserwuje się zatem zmiany lepkości oleju oraz jego degradacji wskutek rozcieńczania paliwem. Mniejsza jest również skłonność do tworzenia osadów wysokotemperaturowych (nagaru) w komorach spalania.

Na parametry oleju silnikowego stosowanego do smarowania silników zasilanych LPG największy wpływ ma temperatura pracy, która jest wyższa niż w silniku zasilanym benzyną. Wzrost temperatury wynika przede wszystkim z właściwości paliwa gazowego i konieczności zapewnienia większej wartości współczynnika nadmiaru powietrza. Na zwiększenie obciążeń termicznych w silniku zasilanych gazem ma wpływ także brak efektu chłodzenia zaworów dolotowych, który obserwujemy przy zasilaniu benzyną. Rozpylona benzyna pozostaje jednak cały czas w stanie ciekłym i omywając zawory przyczynia się do ich chłodzenia (w szczególności zaworów dolotowych). Dodatkowo proces spalania mieszanki gazowo-powietrznej jest bardziej przewlekły, co powoduje, że ścianki komory spalania są wystawione na działanie wysokich temperatur przez dłuższy czas (w porównaniu z benzyną). Zwiększone temperatury w komorach spalania skutkują również zwiększeniem średniej temperatury silnika, co może przyczyniać się do zwiększenia zużycia oleju. Na podniesienie temperatury w komorach spalania może mieć wpływ również niedokładne dawkowanie LPG realizowane przez układy zasilania gazowego I i II generacji. Są to już jednak systemy powoli ustępujące miejsca instalacjom wtrysku gazu (IV generacja), charakteryzującym się bardzo wysoką precyzją dawkowania paliwa. Zubożenie mieszanki może doprowadzić do zwiększenia temperatur w silniku. W konsekwencji w oleju silnikowym może nasilić się odkładanie osadów szlamowych i zmniejszenie działania dodatków antykorozyjnych.

Wysokie temperatury sprzyjają także szybszemu utlenianiu i innym procesom degradacji oleju silnikowego. Utlenianie oleju następuje szczególnie silnie w cienkich warstwach, np. na tulejach cylindrowych czy w łożyskach ślizgowych (panewkach). Przekroczenie przebiegu pomiędzy wymianami oleju silnikowego może przyczynić się w takich warunkach do osłabienia nośności filmu olejowego i skłonności do jego zrywania. Zerwanie wytworzonej warstwy oleju powoduje przyspieszone zużycie warstwy honowanej, a tym samym dodatkowe zmniejszenie zdolności do utrzymywania filmu olejowego. Skutkuje to zwiększonym zużyciem gładzi cylindrowych i występującym w związku z tym podwyższonym zużyciem oleju silnikowego.

Równie niekorzystnie na gorący olej silnikowy oddziałują gorące gazy spalinowe. Olej degraduje się w zakresie właściwości myjąco-dyspergujących i pojawiają się substancje kwaśne, które mogą powodować korozję elementów silnika. Dodatki myjąco-dyspergujące, mające na celu zobojętnianie tych substancji, szybko się zużywają. Konsekwencją jest spadek liczby zasadowej oleju.

Od olejów do silników zasilanych LPG, obok ograniczenia tarcia pomiędzy współpracującymi elementami silnika, wymaga się maksymalnego wydłużenia trwałości przy zachowaniu założonych właściwości w całym okresie pomiędzy wymianami. Olej silnikowy nie może również negatywnie wpływać na poziom emisji szkodliwych składników spalin, również w zakresie trwałości systemów katalitycznej obróbki spalin.

Osiągnięcie takich własności wymaga stosowania baz olejowych o mniejszej naturalnej skłonności do utleniania. Z tego powodu coraz częściej używane są bazy syntetyczne, uzupełnione o pakiet dodatków niwelujących zachodzące w silniku zasilanym gazem w. w. procesy. Wśród dodatków muszą znaleźć się bardziej efektywne niż w przypadku benzyny inhibitory utleniania, zoptymalizowany pod kątem zasilania LPG pakiet dodatków myjąco-dyspergujących, zapewniający jednak niską zawartość popiołów siarczanowych, wymaganą w silnikach o ZI (benzynowych), odpowiedni pakiet inhibitorów korozji, modyfikatorów lepkości, dodatków przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych oraz smarnościowych.

Duże doświadczenie w badaniach i ocenie jakości olejów silnikowych ma krakowski Instytut Nafty i Gazu, który od początku lat 90. współpracuje z rafineriami, wykonując badania środków smarnych stosowanych w motoryzacji. W ramach tej współpracy wykonano badania olejów silnikowych pod kątem ich zachowania w silnikach zasilanych LPG. Badania wykonano, aby określić jakie zmiany zachodzą w oleju silnikowym gazowej jednostki napędowej. Uzyskane w ten sposób doświadczenia mogą służyć do opracowania formulacji olejowych bardziej skutecznych w silnikach zasilanych gazem, ponieważ, jak wcześniej wspomniano, nie ma specjalnych wymagań jakościowych dla tego typu produktów.

Analizie porównawczej poddano m. in. olej mineralny klasy SG (jest to olej stosunkowo niskiej klasy, obecnie najwyższa klasa jakościowa to SM) użytkowany w samochodzie z zamontowaną najprostszą instalacją I generacji. Przy zasilaniu gazem, olej wyczerpał wszystkie istotne właściwości po przebiegu 15 tys. km. Stopień jego zużycia był porównywalny ze zużyciem oleju w silniku zasilanym wyłącznie benzyną po przebiegu 20 tys. km. Innym przykładem jest przeprowadzona analiza oleju półsyntetycznego, także klasy SG, który pracował w silniku zasilanym przez układ gazowy II generacji. Przy zasilaniu gazem w przedziale przebiegu pomiędzy 10 a 15 tys. km olej silnikowy wyczerpał swoje właściwości w zakresie odporności na utlenianie, po przebiegu powyżej 10 tys. km olej utracił zdolność do zobojętniania substancji kwaśnych oraz zaobserwowano utratę właściwości przeciwkorozyjnych.

Z powyższych przykładów wynika, że utrata właściwości tradycyjnych olejów (specyfikowanych w oparciu o wymagania dla jednostek benzynowych) w silnikach zasilanych LPG z wykorzystaniem systemów starszej generacji następuje po okresie, w którym powinna nastąpić jego wymiana (przy stosunkowo niskiej klasie jakościowej SG). W przypadku zastosowania oleju wyższej klasy, utrata właściwości byłaby z pewnością wolniejsza. Podobnie w przypadku obecnie najczęściej stosowanych systemów gazowych IV generacji, charakteryzujących się dużo bardziej precyzyjnym dawkowaniem paliwa (nie występuje niekontrolowany wzrost temperatury w komorach spalania, związany ze zubożeniem mieszanki i występująca w tych warunkach skłonność oleju do utleniania), należy oczekiwać dużo wolniejszej utraty właściwości oleju silnikowego, tym bardziej, że nowoczesne silniki wymagają olejów o znacznie wyższych parametrach jakościowych, zawierających bardziej efektywne pakiety dodatków.

Obserwacje przeprowadzone przez INiG potwierdziły konieczność opracowania specjalnych wymagań dla olejów smarujących silniki zasilane gazem, czyli stosowania specjalnych pakietów dodatków, które wydłużają przebiegi, po których następuje utrata istotnych właściwości oleju silnikowego.

Wymieniając olej w silniku zasilanym LPG mamy wrażenie, że nie jest on zużyty. Jest przezroczysty, co wynika przede wszystkim z braku cząstek stałych (sadzy) w spalinach silników zasilanych LPG. W świetle doświadczeń INiG wygląd oleju nie świadczy o jego właściwościach. Stosując jednak olej silnikowy zgodny z wymaganiami jakościowymi i lepkościowymi, spełniający dodatkowo aprobaty konkretnego producenta silnika (lub przewyższający te wymagania) możemy być spokojni – olej wymieniany z właściwą częstotliwością (uwzględniającą intensywność eksploatacji) z pewnością spełni założone przez konstruktorów wymagania.

Silniki zasilane CNG

Zasilanie gazem ziemnym jest szczególnie popularne w pojazdach komunikacji publicznej i innych służb miejskich.

Warunki pracy silnika w autobusie komunikacji miejskiej są szczególnie trudne. Przyspieszenia i hamowania oraz poruszanie się w korkach ulicznych powodują, że olej silnikowy pracuje w ekstremalnych warunkach. Dodatkowo, zastosowanie CNG jako paliwa silnikowego powoduje znacznie większe obciążenia cieplne. Wynika to z podobnych do LPG właściwości (wyższa temperatura i bardziej przewlekły proces spalania, brak efektu chłodzenia zaworów mieszanką). Wszystkie te cechy powodują, że elementy silników zasilanych gazem ziemnym (głowica, zawory, pierścienie tłokowe) są narażone na wysokie obciążenia cieplne.

Nieszczelności w układzie tłokowo-korbowym są przyczyną bezpośredniego kontaktu produktów spalania gazu z olejem silnikowym. Powstające w procesie spalania kwaśne substancje przedostające się do oleju przyspieszają korozję wnętrza silnika, szczególnie zaś stopów stosowanych w łożyskach ślizgowych silnika.

Dlatego skład oleju stosowanego w silnikach zasilanych gazem ziemnym musi uwzględniać wszystkie te cechy. Oprócz tego olej musi być odporny na zanieczyszczenia w postaci amoniaku i wody zawartych w paliwie.

W zakresie olejów do silników zasilanych gazem ziemnym także nie ma szczegółowych wymagań co do specyfikacji istotnych parametrów. Określają je poszczególni producenci silników zasilanych gazem. Ich procedury testowe są dość wymagające i obejmują badania stanowiskowe i drogowe. Próby są dość rygorystyczne i nie wszystkie oleje są w stanie sprostać tym wymaganiom, dlatego liczba dostępnych na rynku olejów do silników zasilanych CNG nie jest duża.

Z reguły producenci silników określają minimalne parametry jakościowe dla takich olejów silnikowych. Wymaga się od nich także spełnienia szeregu istotnych parametrów, m. in. odparowalności wg Noacka (parametr mówiący o potencjalnych ubytkach oleju w trakcie eksploatacji), niskiej zawartości popiołów siarczanowych (odpowiadający za trwałość katalitycznych systemów oczyszczania oraz tworzenie osadów wysokotemperaturowych w komorach spalania – nagaru) czy odpowiedniej wartości TBN – Total Base Number (zdolność do neutralizacji kwaśnych produktów spalania).

Oleje do silników zasilanych gazem ziemnym opierają się na formulacjach znacząco różniących się od typowych olejów silnikowych. Wynika to z w. w. parametrów, które często są sprzeczne. Dla przykładu, uzyskanie wysokiej wartości TBN i bardzo małej zawartości popiołów siarczanowych nie jest możliwe do osiągnięcia w klasycznym oleju silnikowym przy zapewnieniu bardzo rygorystycznych wymagań przeciwzużyciowych, czystościowych oraz ograniczeniu powstawania osadów nisko- i wysokotemperaturowych.

Dlatego użytkując samochód zasilany gazem ziemnym należy zwrócić szczególną uwagę na rodzaj stosowanego oleju. Powinien to być to środek smarny dostosowany do eksploatacji przy zasilaniu gazem ziemnym. Są to zupełnie inne oleje niż stosowane w silnikach benzynowych czy Diesla. W przypadku LPG nie jest to aż tak bardzo istotne – zastosowanie markowego oleju o określonych przez producenta silnika wymaganiach jakościowych i lepkościowych jest wystarczające. Jeśli zastosujemy olej dedykowany do silnika LPG, zakładając rzetelność jego producenta, możemy warunki pracy naszego silnika jeszcze poprawić.

Piotr Złoty
źródło: Instytut Nafty i Gazu, Fuchs, Lotos, Orlen
V 2010

Przeczytaj także:
Oleje silnikowe
Castrol z pierwszego tłoczenia
Oleje do silników zasilanych gazem na polskim rynku
Olej silnikowy - groźny odpad czy cenny surowiec?