efekty eksploatacyjne silnika spalinowego

1-2009
TRIBOLOGIA
77
Alicja LABER*
EFEKTY EKSPLOATACYJNE SILNIKA
SPALINOWEGO SMAROWANEGO PREPARATEM
EKSPLOATACYJNYM O DZIAŁANIU
CHEMICZNYM
OPERATING EFFECTS OF AN INTERNAL COMBUSTION
ENGINE LUBRICATED WITH OPERATIONAL SUBSTANCE
OF CHEMICAL ACTIVITY
Słowa kluczowe:
smarowanie, własności smarne, warstwa graniczna, zużycie
Key-words:
lubrication, lubricant properties, boundary layer, wear
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badań zmian w procesie eksploatacji
własności smarnych oleju silnikowego Elf Performance 3D 15W40 modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym o działaniu chemicznym.
Badania eksploatacyjne wykazały, że na trasie około 40 000 km,
w zmiennych warunkach terenowych i klimatycznych, preparat eksploatacyjny o działaniu chemicznym korzystnie wpłynął na poprawę własno*
Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy i Eksploatacji
Maszyn, ul. prof. Z. Szafrana 2, 65-016 Zielona Góra.
78
TRIBOLOGIA
1-2009
ści smarnych oleju poprzez zwiększenie trwałości warstwy granicznej
i odporność na przerywanie. Efektem polepszenia właściwości tribologicznych było także zmniejszenie zużycia paliwa.
WPROWADZENIE
Oleje silnikowe są środkami smarowymi, których głównym zadaniem jest
zmniejszenie oporów tarcia pomiędzy przemieszczającymi się względem
siebie powierzchniami elementów silników spalinowych.
W eksploatacji silników wysokoprężnych w chwili obecnej powszechnie stosowane są oleje mineralne otrzymywane z ropy naftowej
(około 90%). Stosowane są także oleje syntetyczne, które eksploatuje się
tam, gdzie oleje mineralne nie są w stanie spełnić stawianych im wymagań.
Olej stosowany do smarowania tłokowych silników spalinowych
powinien spełniać następujące funkcje [L. 1]:
– zmniejszać opory tarcia między współpracującymi elementami, tworząc między nimi odpowiednio trwałą warstwę smarującą – niedopuszczającą do tarcia suchego;
– zmniejszać do minimum straty mocy silnika (nie stwarzać nadmiernych oporów hydraulicznych w czasie przetłaczania oleju);
– uszczelniać luzy w smarowanych skojarzeniach – chłodzić elementy
o wysokiej temperaturze;
– amortyzować dynamiczne obciążenie elementów silnika – oczyszczać
części silnika z osadów i produktów zużycia;
– zabezpieczać smarowane elementy przed korozyjnym działaniem gazów spalinowych i otaczającej atmosfery.
Na olej pracujący w silnikach działają wymuszenia termiczne, mechaniczne i chemiczne. Aby olej spełniał dobrze swoje funkcje, musi
charakteryzować się zespołem własności, determinujących jego przydatność w eksploatacji silników. Z punktu wymagań eksploatacyjnych istotne są następujące cechy jakościowe olejów silnikowych oznaczonych
w warunkach laboratoryjnych: lepkość oleju przy ujemnych i dodatnich
wartościach temperatury oraz wskaźnik lepkości, wytrzymałość filmu
olejowego na zmieniające się naciski – smarność (trwałość warstwy granicznej), odporność na utlenianie, odporność na destrukcję mechaniczną,
właściwości antykorozyjne, właściwości dyspersyjno-myjące, przeciwpienne i inne.
1-2009
TRIBOLOGIA
79
Spełnienie tych funkcji uzyskuje się poprzez „blending” olejów bazowych dodatkami uszlachetniającymi. Jednak istnieją przypadki warunków pracy silników spalinowych, w których najlepszy olej nie jest w stanie zapewnić optymalnych warunków pracy, a zwłaszcza dobrych własności smarnych, które przeciwdziałają nadmiernemu zużyciu elementów
trących skojarzenia cylinder – tłok/pierścienie w silniku. Celem poprawy
warunków smarowania węzłów tarcia, w ostatnich kilkunastu latach, wiele firm zagranicznych zaczęło produkować tzw. preparaty eksploatacyjne
(PE), które za pośrednictwem oleju handlowego z pełnym pakietem dodatków uszlachetniających olej wprowadzane są do węzłów tarcia na
etapie eksploatacji. Uwzględniając mechanizm działania tych preparatów
można je podzielić na trzy zasadnicze grupy:
I – preparaty o działaniu chemicznym;
II – preparaty zawierające w swym składzie cząstki środków smarnych
stałych, takich jak np. teflon, metale miękkie (miedź, ołów, cynk,
srebro i inne), grafit, dwusiarczek molibdenu i inne;
III – preparaty umożliwiające powstanie w węźle tarcia smarowania na
zasadzie tzw. selektywnego przenoszenia – tzw. efekt Garkunowa.
W Zakładzie Obróbki Ubytkowej i Eksploatacji Maszyn Wydziału
Mechanicznego Uniwersytetu Zielonogórskiego od wielu lat prowadzone
są badania nad skutecznością działania tych preparatów. Badania potwierdziły celowość stosowania preparatów eksploatacyjnych, o czym
świadczą wyniki badań laboratoryjnych i eksploatacyjnych zamieszczone
w niniejszej publikacji.
CEL, ZAKRES I METODY BADAŃ
Celem badań było ustalenie wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na własności smarne oleju silnikowego Elf Performance
3D15W40.
Jest to wysokiej jakości, nowoczesny, wielosezonowy olej mineralny
składający się ze specjalnie dobranych mineralnych olejów bazowych
i dodatków uszlachetniających. Olej ten zalecany głównie jest do mocno
obciążonych silników wysokoprężnych z turbosprężarką pracujących
w samochodach ciężarowych, sprzęcie budowlanym oraz autobusach
w najcięższych warunkach pracy. Został wytworzony ze specjalnie wyprodukowanych baz mineralnych oraz starannie dobranych dodatków
uszlachetniających o najwyższych parametrach. Użycie wyselekcjonowa-
80
TRIBOLOGIA
1-2009
nych wiskozatorów zapewnia bardzo wysoki wskaźnik lepkości, co wiąże
się z optymalną lepkością w całym zakresie temperatur, przy jednoczesnej doskonałej odporności na ścinanie. Może być stosowany do innych
silników wysokoprężnych, również bez doładowania. Lepkość tego oleju
pozwala na stosowanie go w ciągu całego roku, w każdych warunkach
klimatycznych. Jest olejem długodystansowym zalecanym przez czołowych konstruktorów silników wysokoprężnych na wydłużone okresy
wymiany i spełniającym normy EURO 2.
Badania zostały przeprowadzone na ciągnikach siodłowych marki
Scania o mocy silników 400 KM. Pojazdy te wykonywały trasy w ruchu
międzynarodowym, gdzie warunki drogowe były zróżnicowane. Większość przewozów odbywała się na trasie Szwecja–Portugalia. Czas,
w którym pracowały to marzec–kwiecień. Jest to okres wiosenny, w którym występuje duża różnica temperatur, dodatkowo obszary klimatyczne,
w jakich się poruszały, również były od siebie odmienne. Przebieg samochodów na olejach przyjętych do badań to około 40 000 km. Średnia ładowność, jaka była przewożona to 20 ton.
Przyjęte do badań silniki smarowane były olejem handlowym Elf Performance 3D15W40 i modyfikowanym 5% PE o działaniu chemicznym.
Badania własności smarnych, tj. obciążenie zespawania Pz, wskaźnik zużycia pod obciażenien Ih, obciążenie zacierające Pt oraz obciążenie niezacierające Pn wyznaczano na skomputeryzowanym aparacie 4-kulowym
(testerze T-02 produkcji Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu).
Własności smarne wyznaczono dla następujących środków smarowych:
A. Oleju handlowego Elf Performance 3D15W40;
B. Oleju handlowego Elf Performance 3D15W40 modyfikowanego 5%
PE o działaniu chemicznym;
C. Handlowego Elf Performance 3D15W40 po przebiegu samochodu
≈ 40 000 km;
D. Oleju handlowego Elf Performance 3D15W40 modyfikowanego 5%
PE o działaniu chemicznym po przebiegu samochodu ≈ 40 000 km.
W trakcie eksploatacji pojazdów rejestrowano także zużycie oleju
silnikowego.
WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA
Wyniki badań własności smarnych badanych środków smarowych przedstawiono w Tab. 1. oraz na Rys. 1 i 2. Z porównania własności smarnych
1-2009
TRIBOLOGIA
81
środków smarowych A i B wynika, że modyfikowanie oleju handlowego
PE nie wpłynęło na zmianę wielkości obciążenia zespawania Pz oraz
obciążenia niezacierajacego Pn. Zwiększył się natomiast wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih z 39,8÷45 daN oraz obciążenie zacierające Pt,
które wzrosło o 26,8 daN. Zwiększyła się także trwałość i odporność na
przerwanie warstwy granicznej. Przy narastającym obciążeniu w przypadku oleju handlowego (A) przerwanie warstwy granicznej nastąpiło po
około 5 sec., natomiast dla środka smarowego B – po około 6 sec.
(Rys. 2). Analiza średnicy skaz kulek – Rys. 3 potwierdza również korzystny wpływ modyfikowania na zużycie elementów trących – mniejsze
średnice skaz przy wyższych obciążeniach.
W procesie eksploatacji po przebiegu samochodu około 40 000 km nastąpiła zmiana własności smarnych zarówno oleju handlowego, jak
i modyfikowanego PE (Tab. 1, Rys. 1). Obniżeniu uległy takie wskaźniki,
jak: wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih oraz obciążenie zacierające Pt.
Dla obu środków smarowych nastąpił wzrost obciążenie zespawania
Pz z 160÷200 daN oraz obciążenia niezacierającego Pn z 126÷160 daN.
Tabela 1. Własności smarne badanych środków smarowych
Table 1. Lubricating properties of tested lubricating substances
Rodzaj środka smarowego
A
B
C
D
Pz
160
160
200
200
Własności smarne [daN]
Ih
Pn
39,8
126
45
126
30,7
160
35.2
160
Pt
239,8
266,6
186,5
196,9
Taki przebieg zmian badanych środków smarowych w procesie eksploatacji związany jest ze zmianami składu chemicznego oleju w procesie starzenia.
Własności oleju są bezpośrednio związane ze składem chemicznym
oleju. W procesie eksploatacji skład ten ulega zmianom głównie w wyniku przebiegu procesów termochemicznych (w wyniku oddziaływania
wysokiej temperatury), procesów utleniania (w wyniku działania tlenu
z powietrza) oraz w wyniku przedostania się do oleju zanieczyszczeń
z zewnątrz.
82
TRIBOLOGIA
Pz
300
Własności smarne [daN]
1-2009
Ih
250
Pn
Pt
200
150
100
50
0
A
B
C
D
środek sm arny
Rys. 1. Własności smarne badanych środków smarowych
Fig. 1. Lubricating properties of tested lubricating substances
Jak podaje A. Wachal [L. 5] produkty wymienionych procesów starzenia oddziałują na siebie nawzajem, tworząc złożone produkty reakcji
zanieczyszczające olej. Stałe cząsteczki mineralne i produkty uwęglenia
stają się ośrodkami, na których adsorbują żywiczne produkty utleniania.
Utworzone micele sprzyjają powstawaniu koloidalnych faz szlamu
w oleju. Stabilizacji szlamów koloidalnych oraz emulgacji zanieczyszczeń sprzyja obecność śladów wody w oleju, produktów korozji oraz
związków polarnych i powierzchniowo czynnych. Tak więc w wyniku
starzenia zmienia się skład chemiczny i skład fazowy, a wraz z nimi własności oleju.
Wbudowanie się tlenu do węglowodorowych składników oleju oraz
tworzenie się żywic o różnych wielkościach cząsteczki powinno zwiększyć zdolność sorpcji oleju na smarowanych powierzchniach. Ze względu
na polarny charakter tworzących się związków, zwiększenie zdolności
sorpcyjnych powinno prowadzić do polepszenia przeciwzużyciowych
i przeciwzatarciowych własności oleju.
Zanieczyszczenia przedostające się z zewnątrz do oleju mają charakter ścierniwa i powinny wraz ze wzrostem stężenia zwiększyć intensywność zużywania współpracujących części. Cząstki zanieczyszczeń otaczają się zaadsorbowanymi na nich żywicami i ich działanie ścierne jest raczej niewielkie. Potwierdzeniem tego może być zmiana średnicy skaz
w funkcji obciążenia – Tab. 2, Rys. 2.
1-2009
TRIBOLOGIA
83
Tabela 2. Średnice skaz warunkowane obciążeniem węzła tarcia dla badanych
środków smarowych
Table. 2. Defect diameters in load function of friction node
Średnica skaz [mm]
Obciążenie [daN]
100
126
160
0,36
2,78
Z
0,3
1,72
Z
1,83
2,40
2,85
1,72
2,27
2,7
Rodzaj środka smarowego
80
0,3
0,3
0,58
0,3
A
B
C
D
200
250
Z
Z
3
ŚRODEK SMARNY A
ŚRODEK SMARNY B
2,5
średnica skaz [mm]
ŚRODEK SMARNY C
ŚRODEK SMARNY D
2
1,5
1
0,5
0
0
50
100
150
200
obciążenie węzła tarcia [daN]
Rys. 2. Średnice skaz warunkowane obciążeniem węzła tarcia dla badanych środków smarowych
Fig. 2. Defect diameters in load function of friction node
Olej przepracowany, modyfikowany PE Elf Performance 3D po około 40 tys. km, zwiększył swoje własności smarne. Obciążenie zacierające
Pt wzrosło o około 10 daN, a przerwanie warstwy granicznej następuje
dla oleju handlowego po 4,75 s, natomiast dla oleju modyfikowanego po
5,01 s, co może świadczyć, że po procesie modyfikowania trwałość warstwy granicznej zwiększyła się.
84
TRIBOLOGIA
środek smarny A
1-2009
środek smarny B
1200
siła tarcia [daN]
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
20
25
czas [s]
Rys. 3. Przebieg zmienności siły tarcia dla narastającego obciążenia
Fig. 3. Changeability of friction force in load function of friction node
środek smarny C
700
siła tarcia [daN]
600
środek smarny D
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
czas [s]
Rys. 4. Przebieg zmienności siły tarcia dla narastającego obciążenia
Fig. 4. Changeability of friction force in load function of friction node
Przebieg zmienności siły tarcia dla narastającego obciążenia węzła
tarcia dla handlowego oraz modyfikowanego PE przedstawia Rys. 3,
natomiast Rys. 4 – dla olejów po przebiegu pojazdu o około 40 000 km.
W obu przypadkach przebieg zmienności siły tarcia jest korzystniejszy
dla oleju modyfikowanego PE. Korzystne działanie PE na warunki pracy
węzłów tarcia silnika w procesie eksploatacji wpłynęły na obniżenie zu-
1-2009
TRIBOLOGIA
85
życia paliwa o 6,7%. Zużycie paliwa dla silnika smarowanego olejem
handlowym wynosiło 31,3 l/100 km, natomiast w przypadku zastosowania PE 29,4 l/100km – Rys. 5.
45
zużycie paliwa [l/100km]
40
35
30
25
20
15
10
5
0
środek smarny C
środek smarny D
Rys. 5. Zużycie oleju napędowego po przebiegu 40 000 km
Fig. 5. Diesel oil specific fuel consuption a 40 000 km
PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania laboratoryjne, jak również eksploatacyjne wykazały celowość stosowania PE o działaniu chemicznym na poprawę
własności oleju silnikowego Elf Performance 3D15W40, gdyż:
! modyfikowanie PE wpłynęło na poprawę jego własności smarnych;
! polepszyły się własności przeciwzatarciowe i przeciwzużyciowe.
! polepszyła się jakość warstwy granicznej, która w porównaniu z warstwą graniczną oleju handlowego jest bardziej trwała i odporna na
przerywanie. Nastąpiło „doszczelnienie” węzłów tarcia, co spowodowało spadek zużycia oleju napędowego. Jest to bardzo ważny czynnik
ekonomiczny i ekologiczny.
86
TRIBOLOGIA
1-2009
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Instrukcja obsługi testera T-05, MCNEMT. Radom 1993.
Laber A.: Modyfikowanie własności smarnych oleju silnikowego preparatem eksploatacyjnym o działaniu chemicznym. Wyd. TRIBOLOGIA 2008.
Laber A.: Studium zjawisk tribologicznych zachodzących w węzłach tarcia
smarowanych preparatami eksploatacyjnymi. Uniwersytet Zielonogórski
2008. Praca nieopublikowana.
Szczerek M., Tuszyński W.: Badania tribologiczne – zacieranie. Wyd.
ITeE Radom 2000.
Wachal A.: Zmiany własności przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych oleju smarowego w wyniku starzenia. Materiały XI Szkoły Tribologicznej. Informator Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych. Warszawa
1982.
Spikes A.H.: Advances in the study of thin lubricant films. First World
Tribology Congress, London 1997.
Mori S., Imazumi Y.: Adsorption of model compounds of thin lubricant
films. Proc. Roy. Soc. London A, 333/1973.
Recenzent
Ryszard MARCZAK
Summary
This article presents the test results on the changes of lubricating
properties of engine oil Elf Performance 3D15W40 modified with an
operational substance of chemical activity. Operational tests reveal
that, after 40 000 km have been driven in various weather and road
conditions, the operational substance of chemical activity had a positive effect on the lubricating properties of the oil, because it increased the durability of the boundary layer and its resistance to
breaking. The improvement of the boundary layer improved the tribological properties and reduced the amount of fuel burned.