Olej spełnia w silniku szereg ważnych funkcji, z czego najważniejszą jest smarowanie powierzchni trących, czyli oddzielenie współpracujących powierzchni cienką warstwą oleju, zwaną filmem smarowym.

Ponadto spełnia również wiele innych funkcji, wśród których należy wymienić:

-wspomaganie chłodzenia silnika,
-uszczelnienie komory spalania,
-usuwanie zanieczyszczeń i produktów spalania,
-ochrona przed korozją wnętrza silnika.

Olej silnikowy zmniejsza tarcie i mechaniczne zużycie ruchomych elementów silnika. Bez względu na warunki eksploatacji musi tworzyć na smarowanych powierzchniach trwałą warstwę (film olejowy) o odpowiedniej grubości. Zapobiega ona występowaniu tarcia suchego, czyli bezpośredniego zetknięcia współpracujących powierzchni. Dzięki obecności warstwy oleju pomiędzy współpracującymi powierzchniami występuje zjawisko tarcia półpłynnego lub płynnego. Funkcja chłodząca oleju jest szczególnie istotna w silniku spalinowym. Olej odbiera od smarowanych powierzchni ciepło i jest schładzany w misce olejowej.

Ważną rolą oleju jest również uszczelnienie przestrzeni pomiędzy pierścieniami tłokowymi a gładzią cylindrową, co zapewnia utrzymanie odpowiednich ciśnień w cylindrach i właściwą pracę silnika. W tych właśnie warunkach (wysoka temperatura) bardzo ważna jest odpowiednia lepkość oleju, niezbędna do uszczelnienia wszystkich luzów. Olej silnikowy nie pozwala na zbijanie się zanieczyszczeń powstających w procesie spalania w większe cząstki i utrzymuje je w rozproszeniu w swej objętości, dzięki czemu wnętrze silnika jest chronione przed odkładaniem zanieczyszczeń i występowaniem korozji.

Ropa naftowa

Zwyczajowo nazwa „ropa” jest używana w kontekście paliwa dieslowskiego, jednak ropa naftowa jest surowcem, z którego produkowane są niemal wszystkie paliwa silnikowe, włącznie z gazem płynnym (LPG).
Pokłady ropy naftowej tworzyły się przed milionami lat. Opadające na dna oceanów szczątki fauny i flory wymieszane z gliną, wapnem i piaskiem stworzyły masę, która pod wpływem dużych ciśnień, wysokich temperatur i obecności dodatków katalitycznych stworzyła materię, którą dziś określamy mianem ropy naftowej. To ona jest punktem wyjścia do produkcji środków smarnych, w tym także olejów silnikowych.

Olej bazowy + dodatki = olej silnikowy

Każdy środek smarny, w tym także olej silnikowy, składa się z olejów bazowych, które mogą stanowić od 60 nawet do 99% jego objętości oraz pakietu dodatków, dzięki którym uzyskuje on wymagane parametry. Wykorzystywane są mineralne lub syntetyczne oleje bazowe.

Mineralne bazy olejowe

Ropa naftowa nie jest stanowi gotowego paliwa ani oleju. Produkty te powstają dopiero w wyniku skomplikowanych procesów technologicznych. Po wydobyciu, ropa naftowa musi być przede wszystkim oczyszczona, później podgrzewa się ją do temperatury wrzenia i wprowadza do kolumny destylacyjnej, gdzie opary wrzącej ropy są chłodzone. Poszczególne frakcje skraplają się według temperatur wrzenia. Najniżej kondensują się ciężkie oleje opałowe, wyżej oleje opałowe, nafta, benzyna oraz gaz i eter naftowy. Na dnie kolumny destylacyjnej pozostają najcięższe frakcje, które w ogóle nie parują w temperaturze, w jakiej odbywa się destylacja. Frakcje te są poddawane destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem. W tym procesie otrzymuje się właśnie mineralne oleje bazowe, używane w środkach smarnych.

Dalsza ich obróbka ma na celu nadanie odpowiednich właściwości mineralnym olejom bazowym. Wyprodukowane w ten sposób bazy olejowe zaliczają się do grupy 1 i 2. W grupie 1 znajdują się oleje o podstawowym stopniu rafinacji, które są mieszaninami różnych łańcuchów węglowodorów. Grupa 2 obejmuje oleje bazowe o wyższym stopniu rafinacji, które mają znacznie lepsze własności smarujące (mała lotność, duża odporność na utlenianie, wysoka temperatura zapłonu).

Jakość mineralnych baz olejowych można poprawić, rozwijając proces rafinacji. Otrzymuje się w ten sposób oleje grupy 3, które są wytwarzane w procesie hydrokrakingu. Mineralny olej bazowy poddaje się dodatkowej obróbce w komorze wodorowej, gdzie nienasycone cząsteczki wodorowe łączą się w większe polimery, co zwiększa odporność na wysokie temperatury. Takie bazy olejowe służą do wytwarzania olejów półsyntetycznych.

Syntetyczne bazy olejowe

Otrzymywane w procesach przeróbki ropy naftowej bazy olejowe mają w swoim składzie wiele różnych węglowodorów o zróżnicowanych właściwościach. Rozwój technologii olejowej doprowadził na początku lat 70. ubiegłego wieku do opracowania syntetycznych baz olejowych, które są produktami o ściśle określonym składzie chemicznym, zatem o ściśle określonych właściwościach. Wytwarza się je w wyniku procesu zwanego syntezą chemiczną z gazu ziemnego. Powstają wówczas cząsteczki o ściśle określonej budowie molekularnej i właściwościach. Znajomość i doskonalenie tej technologii pozwala na uzyskanie syntetycznych baz olejowych o składzie chemicznym gwarantującym określone właściwości. Najczęściej używane syntetyczne bazy olejowe to polialfaolefiny, alkilowane aromaty, dwuestry kwasów, poliestry, poliglikole i estry fosforowe.

Właściwości olejów silnikowych

Baza olejowa stanowiąca podstawowy składnik oleju musi być jednak wzbogacona o pakiet dodatków zapewniających uzyskanie odpowiednich właściwości.

Lepkość

Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego cieczy i słusznie jest kojarzona z „płynnością” oleju. Oleje bardziej gęste charakteryzuje większa lepkość, oleje rzadsze mają mniejszą lepkość. Mniejsza lepkość jest pożądana z uwagi na mniejszy opór stawiany pracującemu silnikowi i łatwiejsze docieranie do elementów smarowanych. Wytworzony przez taki olej film smarowy ma jednak skłonności do utraty ciągłości w wysokich temperaturach. Z kolei olej o wysokiej lepkości ma kłopoty z dotarciem do wszystkich smarowanych punktów, szczególnie w niskich temperaturach otoczenia. Film olejowy wytworzony z oleju o dużej lepkości ma skłonności do zrywania przy wysokich prędkościach obrotowych silnika.

Lepkość mierzy się wiskozymetrem (lepkościomerzem) w określonej temperaturze. W przyrządzie tym bada się czas przepływu określonej objętości oleju przez kapilarę. Czas ten jest zamieniany na lepkość kinematyczną oleju. Parametr ten jest podawany w m²/s (jednostka układu SI). Używa się również jednostki Stokes (St), która jest jednostką lepkości kinematycznej w układzie CGS (zastąpionym przez układ SI). Nazwa pochodzi od nazwiska irlandzkiego fizyka i matematyka Georga Gabriela Stokesa (1 St = 1 cm²/s = 10-4 m²/s). Najczęściej lepkość kinematyczną podaje się w jednostkach mniejszych – mm²/s (1 mm²/s = 1 cSt). Lepkość 1 cSt ma woda w temperaturze 4^o C.

Wskaźnik lepkości

Miarą utrzymania lepkości w szerokim zakresie temperatur jest wskaźnik lepkości (VI) obliczany na podstawie jej pomiaru w 40 i 100^o C. Im wyższy współczynnik, tym mniejsza zmiana lepkości wraz z temperaturą.

Ideałem oczywiście byłoby utrzymanie takiej samej wartości lepkości w różnych temperaturach. Nie jest to jednak możliwe, ponieważ lepkość jest ściśle związana z temperaturą. Im wyższa temperatura, tym niższa lepkość (olej staje się bardziej płynny, film olejowy jest cieńszy). Przy spadku temperatury lepkość rośnie (olej staje się bardziej gęsty – film olejowy tworzy grubszą warstwę).

Parametry lepkościowe olejów bazowych poprawia się za pomocą specjalnych dodatków. Są to ciężkie polimery, które rozwijając swą strukturę blokują ruch cząsteczek oleju w wysokich temperaturach. W niskich temperaturach polimery kurczą się, zapewniając ruch cząsteczkom oleju.

Lepkość dynamiczna

W niskich temperaturach parametry lepkościowe oleju sprawdza się wykonując próbę zimnego startu. Pozwala to na wyznaczenie lepkości dynamicznej wyrażanej w Pa·s (paskalosekunda).

Temperatura granicznej pompowalności

W olejach silnikowych określa się również parametr temperatury granicznej pompowalności. Jest to minimalna temperatura, przy której olej w układzie smarowania wytwarza odpowiednie ciśnienie. Po przekroczeniu tej temperatury olej przestaje być pompowalny.

Temperatura płynięcia

Niska temperatura płynięcia jest szczególnie istotna przy rozruchu silnika w okresie zimowym. Jest to najniższa temperatura, w której olej znajduje się na granicy utraty płynności, pozostając cieczą. Oleje syntetyczne charakteryzują się znacznie niższą temperaturą płynięcia w porównaniu z olejami mineralnymi. Wartość temperatury płynięcia może wynosić nawet poniżej -50^o C.

Temperatura zapłonu

Jest to najniższa temperatura, w której unoszące się w powietrzu opary oleju mogą w zetknięciu z płomieniem ulec zapłonowi. Jej wartość powinna być możliwie najwyższa, dzięki czemu uzyskuje się niskie zużycie oleju przez silnik.

Całkowita liczba zasadowa (Total Base Number – TBN)

Olej, obok własności smarujących, musi również wykazywać zdolności do utrzymywania wnętrza silnika w czystości oraz neutralizacji kwaśnych produktów spalania mogących przedostawać się do miski olejowej. Osiąga się to za pomocą dodatków myjąco-dyspergujących. Dodatki te utrzymują silnik w czystości poprzez rozbijanie zanieczyszczeń powstających w procesie spalania w silniku. Ich utrzymanie w rozproszeniu nie dopuszcza do tworzenia dużych drobin, dzięki czemu nie osadzają się one na powierzchniach wnętrza silnika, układu smarowania i na współpracujących powierzchniach. Przy wymianie oleju utrzymywane w jego objętości zanieczyszczenia są usuwane razem z nim.
Miarą ilości dodatków myjąco-dyspergujących jest właśnie całkowita liczba zasadowa TBN wyrażana w mg KOH/g, określająca zdolność do neutralizacji kwaśnych produktów spalania paliwa. Są one wchłaniane przez olej, dzięki czemu chronione są metalowe części silnika. W czasie eksploatacji silnika dodatki myjąco-dyspergujące zużywają się, a wartość TBN spada. Po osiągnięciu minimalnej dopuszczalnej wartości TBN następuje wymiana oleju.

Zawartość popiołów siarczanowych

Pośrednio ilość dodawanych substancji myjąco-dyspergujących jest również określana przez zawartość popiołów siarczanowych, która określa ilość cząstek stałych powstałych przy spalaniu oleju. Wartość ta jest wyrażana w %.

Klasyfikacje olejów silnikowych

Przyjęło się, że oleje silnikowe dzieli się w zależności od dominującego udziału oleju bazowego. W Europie produkt zawierający ponad 30% składników syntetycznych jest już określany mianem oleju półsyntetycznego. W pełni syntetyczny olej zawiera 100% syntetycznych baz olejowych.

Aby jednak oleje silnikowe można było porównywać pomiędzy sobą, opracowano systemy ich klasyfikacji. Są one co jakiś czas modyfikowane z uwagi na postęp w technologii silnikowej i stosowane rozwiązania, głównie systemy oczyszczania spalin.

Najpopularniejszym zbiorem wymagań jakościowych dla olejów jest wprowadzona w 1947 r., ujednolicona w 1971 r. klasyfikacja API (American Petroleum Institute). Większość obowiązujących w latach 70. i późniejszych norm jest już dawno wycofana. Sukcesywnie są one zastępowane nowymi wymaganiami.
Normy dla silników benzynowych oznaczone są symbolem S, a dla diesli – C. Za literą S lub C znajduje się litera mówiąca o klasie oleju (im dalsza litera alfabetu, tym wyższa klasa oleju). Aktualnie najnowszą (najwyższą) klasą dla silników benzynowych jest SM, a dla silników Diesla klasa CI-4 dla samochodów użytkowych. Środki smarne do silników o ZS w samochodach osobowych obecnie nie są klasyfikowane wg API.

Na porównanie właściwości olejów pod względem lepkości pozwala klasyfikacja SAE (Society of Automotive Engineers), opracowana w 1926 r. Początkowo była oparta na wartościach lepkości oleju w temperaturach -17,8^o C i 98,9^o C. W roku 1997 wprowadzono wymagania SAE J300, które określają wymagania dla 6 klas olejów zimowych (0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W) i 5 klas olejów letnich (20, 30, 40, 50, 60). Właściwości niskotemperaturowe oleju są określane przez temperaturę granicznej pompowalności. Parametry w wysokich temperaturach określa się przez określenie limitów lepkości kinematycznej w temperaturach 100 i 150^o C. Pomiar lepkości w temperaturze 150^o C wykonuje się w warunkach wysokiej prędkości ścinania. Określa się ją jako lepkość HT/HS (High Temperature/High Shear).

Najmłodszą klasyfikacją stanowią europejskie wymagania ACEA (Association des Constructeurs Européens d'Automobiles, istniejące od 1996 r.). Zajmuje się określaniem wymagań jakościowych dla olejów silnikowych, biorąc pod uwagę specyfikę rynku europejskiego.

Powyższe klasyfikacje uwzględniają tylko silniki napędzane klasycznymi paliwami silnikowymi – benzyną i olejem napędowym. Paliwa alternatywne, w tym gazowe, dotychczas nie doczekały się klasyfikacji uwzględniających specyfikę pracy silników nimi zasilanych.

Poszczególni producenci silników zasilanych gazem ziemnym tworzą własne wymagania odnośnie właściwości olejów stosowanych w takich jednostkach napędowych.

Warunki pracy silnika zasilanego LPG nie odbiegają znacząco od warunków na benzynie, lecz z pewnością nie są takie same, co potwierdzają badania prowadzone m. in. w polskich placówkach naukowych. Wskazuje to jednoznacznie na potrzebę stworzenia klasyfikacji jakościowej dla silników zasilanych LPG. Niestety dotychczas nie opracowano nawet założeń takich wymagań, co prawdopodobnie wynika z niszowego charakteru tego paliwa w ujęciu globalnym.

Klasyfikacja jakościowa API

Określa ona jakość oleju silnikowego, co odbywa się na podstawie odpowiednich testów, w czasie których badane są czystość i zużycie gładzi cylindrowych, pierścieni tłokowych, łożysk i zaworów. Bada się również odkładanie zanieczyszczeń w silniku oraz występowanie korozji i stopień utleniania się oleju. Producenci silników na podstawie tych wymagań dobierają odpowiedni dla danej jednostki napędowej środek smarny.

Silniki benzynowe

Symbolem klasyfikacji API silników o ZI (benzynowych) jest litera S. Kolejny znak po literze S określa klasę jakości i warunki eksploatacji oleju.
SG – wymaga lepszych parametrów w zakresie odporności na ścieranie, zachowania czystości, ochrony przed zanieczyszczeniem i trwałości niż niższe klasy. Dotyczy głównie samochodów wyprodukowanych przed rokiem 1993.
SH – wprowadzona w 1993 roku, zastąpiła klasę SG. Testy i wartości graniczne pozostały te same, co w klasie SG, jest ona jednak bardziej wymagająca z uwagi na ściśle określone i kontrolowane procedury testowania. Klasa ta obejmuje głównie silniki stosowane w pojazdach wyprodukowanych przed 1996 r.
SJ – klasa wprowadzona w 1996 r. z taką samą procedurą testową, co w klasie SH. Zmieniły się wymagania odnośnie parowania (niższe wartości), zmniejszono również zawartość fosforu. Klasa SH obejmuje silniki samochodów wyprodukowanych przed rokiem 2001.
SL – klasa wprowadzona w 2001 r.; pozostawia testy silnikowe i procedury takie same jak w SJ. Zwiększono ograniczenia w odkładaniu osadów wysokotemperaturowych i w zakresie zużycia oleju. Klasa SL obejmuje silniki samochodów wyprodukowanych przed 2004 r.
SM – klasa wprowadzona w 2004 r. Wprowadza zwiększoną odporność olejów na utlenianie, zapobiega osadzaniu się zanieczyszczeń i ma lepszą wydajność smarowania w niskich temperaturach.

W silnikach o ZI można z powodzeniem używać olejów silnikowych o wyższych klasach jakości w stosunku do tej, którą zaleca producent.

Silniki Diesla

Symbolem klasyfikacji API do silników o ZS jest wyznacznik C. Kolejny znak po literze C określa klasę jakości i warunki eksploatacji oleju.
CC – oleje do lekkich silników o ZS, zawierające dodatki zapobiegające odkładaniu się osadów i zanieczyszczeń wysokotemperaturowych oraz występowaniu korozji.
CD – oleje do silników wysoko obciążonych, zawierające dodatki zapobiegające ścieraniu, odkładaniu osadów i występowaniu korozji przy wykorzystywaniu paliw o różnej jakości.
CE – spełnia wymagania niższych klas, dedykowany do silników wysoko obciążonych.
CF-4 – przewyższa parametry klasy CE pod względem wymagań odnośnie zużycia i zanieczyszczenia tłoków.
CF – zastępuje klasę CD; oleje tej klasy są dedykowane do silników pracujących na paliwie o podwyższonej zawartości siarki.
CG-4 – do silników amerykańskich o niskim poziomie emisji spalin. Zastępuje klasy CD, CE i CF-4. Spełnia wymagania emisji spalin z roku 1994.
CH-4 – wprowadzona w 1998 roku. Do silników amerykańskich, emitujących niewielką ilość toksycznych składników spalin, zaprojektowanych zgodnie z wymogami emisji spalin z roku 1998. Zastępuje klasy CD, CE, CF-4 i CG-4.
CI-4 – wprowadzona w 2002 roku. Do silników amerykańskich, emitujących niewielką ilość toksycznych spalin, zaprojektowanych zgodnie z wymogami emisji spalin z roku 2004. W szczególności nadaje się do silników, w których zastosowano układ recyrkulacji spalin (EGR). Zastępuje klasy CD, CE i CF-4, CG-4 i CH-4.
CJ-4 – najnowsza klasa wprowadzona pod koniec 2006 roku z przeznaczeniem do smarowania silników o ZS o podwyższonej czystości spalin wyposażonych w filtry cząstek stałych (DPF) lub układy recyrkulacji spalin (EGR) przy stosowaniu paliwa o najniższej zawartości siarki (poniżej 15 ppm). Przy stosowaniu paliwa o wyższej zawartości siarki zaleca się skracanie przebiegu pomiędzy wymianami oleju.

We współczesnych silnikach o ZS (Diesla) można stosować oleje lepszej jakości od rekomendowanych przez ich producenta. Wyjątkiem są silniki VW zasilane za pomocą pompowtryskiwaczy, które wymagają olejów o ściśle określonej specyfikacji.

Każdy olej silnikowy zazwyczaj spełnia wymagania API zarówno w stosunku do silników benzynowych, jak i Diesla, np. SJ/CF.

Klasyfikacja SAE (lepkościowa)

Parametry lepkościowe uwidocznione na opakowaniach środków smarnych określa klasyfikacja SAE (Society of Automotive Engineers). Poszczególne klasy lepkości SAE w praktyce pomagają określić odpowiednią dla danego silnika grubość filmu olejowego zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach.

Klasy SAE, odnoszące się do niskich temperatur kończą się literą W (Winter). Przed nią znajduje się liczba określająca klasę. W każdej klasie lepkości określa się lepkość maksymalną w temperaturze pomiaru oraz graniczną wartość pompowalności w temperaturze niższej o 5^o C. Graniczna temperatura pompowalności gwarantuje, że olej będzie pełnił swoją rolę również w niskich temperaturach. Można ją traktować jako najniższą bezpieczną temperaturę rozruchu silnika.

Wymagania dla olejów silnikowych wg SAE J300

Klasa SAE	Właściwości oleju w niskich temperaturach			Właściwości oleju w wysokich temperaturach
	Maks. Lepkość CCS [mPa·s] (1)	Temp. pomiaru [oC]	Najniższa temp. pompowalności [oC] (3)	Lepkość +100o (2) [mm2/s, cSt]		Lepkość HT/HS, 150oC [mPas]
				Min.	Max.	Min.
0W	6200	-35	-40	3,8		-
5W	6600	-30	-35	3,8		-
10W	7000	-25	-30	4,1		-
15W	7000	-20	-25	5,6		-
20W	9500	-15	-20	5,6		-
25W	13000	-10	-15	9,3		-
20				5,6	9,3	2,6
30				9,3	12,5	2,9
40				12,5	16,3	2,9 (4) 3,7 (5)
50				16,3	21,9	3,7
60				21,9	26,1	3,7

⁽¹⁾ pomiar przy użyciu CCS (Cold Cranking Simulator = symulujący warunki rozruchu na zimno przyrząd do mierzenia lepkości dynamicznej ASTM D 5293)

⁽²⁾ lepkość kinematyczna (ASTM D445)

⁽³⁾ graniczna temperatura pompowalności zmierzona przy użyciu MRV (Minirotary Viscosimeter) ASTM D 4684

⁽⁴⁾ SAE 0W-40, 5W-40 i 10W-40

⁽⁵⁾ SAE 15W-40, 20W-40, 25W-40 i 40

Klasyfikacja jakościowa ACEA

Zadaniem Europejskiego Zrzeszenia Producentów Pojazdów Samochodowych (ACEA) jest m. in. rozwijanie klasyfikacji jakości olejów silnikowych w odniesieniu do europejskich rozwiązań technicznych i warunków eksploatacji. Najważniejszą różnicą pomiędzy klasyfikacjami ACEA a API jest wydzielenie przez ACEA olejów do silników Diesla samochodów osobowych i dostawczych (klasa B) oraz samochodów ciężarowych oraz maszyn roboczych (klasa E).

Nowa klasyfikacja ACEA 2007 dzieli oleje silnikowe na trzy grupy:
A/B – do silników o ZI i o ZS stosowanych w samochodach osobowych i dostawczych,
C – „ekologiczne” środki smarne o niskiej zawartości popiołu, przeznaczone do silników o ZI i o ZS do samochodów osobowych i dostawczych spełniających najnowsze normy czystości spalin,
E – do silników o ZS stosowanych w samochodach ciężarowych.

Zaliczenie oleju do jednej z wyżej wymienionych grup wymaga przeprowadzenia odpowiednich testów laboratoryjnych i chemicznych oraz badań eksploatacyjnych. Testy laboratoryjne sprawdzają m. in. lepkość oleju, jego odporność na pienienie, szczelność i odporność antykorozyjną. W testach przeprowadzanych poza laboratoriami bada się m. in. odporność na ścieranie łożysk ślizgowych, zużycie pierścieni tłokowych, wałów krzywkowych i gładzi cylindrowych.

Postęp w technologii olejowej jest ściśle związany z rozwojem techniki silnikowej i stosowanych rozwiązań ograniczających emisję szkodliwych składników spalin. Stosowane w silnikach katalizatory i filtry cząstek stałych praktycznie wyeliminowały z olejów związki siarki i fosforu, które do niedawna stanowiły główne składniki dodatków przeciwzużyciowych. To samo dotyczy baz olejowych – coraz częściej wykorzystuje się syntetyczne oleje bazowe, aby spełnić wymagania odnośnie lepkości. Ograniczenia te znacznie komplikują i zwiększają koszty opracowania i produkcji olejów.

Piotr Złoty
źródło: Mobil, Total, Shell, Fuchs
V 2010

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