Jak se orientovat v džungli nových klasifikací motorových olejů

Jak se orientovat v džungli nových klasifikací motorových olejů

Již dlouhou dobu se stávají normy související s kvalitou motorového oleje velmi nepřehledné. Důvodem jsou často překotně se měnící podmínky, ve kterých motorový olej pracuje. Nástup nových řešení v oblasti spalování, nových konstrukčních řešení v oblasti mazání a požadavky na chemické složení nezrychlující degradaci zařízení recirkulace výfukových plynů a katalytických systémů výfukových plynů připravily podmínky pro složité zvládání všech funkcí motorového oleje, které v motoru má. Výrobci se snaží tyto problémy a potažmo náklady přenést i do vývoje motorových olejů. A k tomu všemu je tu i technika hybridních pohonných jednotek, kde dochází k dalšímu překotnému vývoji. V příspěvku se pokouším shrnout základní směry a požadavky, které formulace motorových olejů dlouho nebo jen krátce formují. 

Požadavky na motorový olej – charakteristika a rozdělení

Motorový olej prošel od druhé světové války poměrně výrazným vývojem. Požadavky a hlavní vývojové směry se vyprofilovaly na následující oblasti:

  • stabilní viskozitní parametry po celou dobu životnosti („Stay in Grade“);
  • plošší viskozitní křivka (malá závislost viskozity na teplotě) – stabilní mazací podmínky;
  • nižší viskozita oleje spolu s vylepšenými nízkoteplotními parametry – snížení spotřeby paliva, snížení opotřebení při startech, snížení opotřebení některých součástí;
  • „pevnost“ mazacího filmu, mazivostní vlastnosti – snížení opotřebení motoru;
  • odparnost – nižší spotřeba oleje, nižší objem spáleného oleje ve výfukových plynech, ochrana systému EGR;
  • termooxidační stabilita – životnost olejové náplně, snížení opotřebení;
  • čistota motoru – nižší náchylnost k tvorbě vysokoteplotních a nízkoteplotních úsad a kalů;
  • chemické složení – snížení nebo eliminace některých prvků nebo sloučenin z různých důvodů (ekologie, pracovní prostředí, funkce motoru a dalších přídavných zařízení).

V posledních dvou letech, jako už poněkolikáté, zasáhly legislativní podmínky do konstrukce spalovacích motorů, a to zejména do oblasti systémů spalování (tvorba emisí) a do detailních partií konstrukce (pístová skupina, rozvody – vstup elektroniky, katalyzační systémy výfukových plynů). Konstrukční změny se promítly i do systémů mazání motoru a vytvořily zcela nový pohled na kvalitu motorového oleje. Základní trendy lze shrnout do následujících bodů:

  • použití nových typů katalyzátorů výfukových plynů (DPF, SCR) a jejich životnost – obsah SAPS;
  • použití technologicky pokročilých materiálů a povrchových úprav (nové slitiny, použití nekovových materiálů atd.);
  • zmenšování rozměrů mazaných uzlů a motorů;
  • přímé vstřikování nafty i benzínu;
  • hybridizace – využití různých zdrojů energie nebo různých paliv;
  • on-line monitorování stavu oleje;
  • použití turbodmychadel pro naftové i benzínové motory;
  • úpravy časování průběhu vstřikování paliva (Diesel Commonrail, ACCERT TM atd.);
  • recirkulace výfukových plynů včetně jejich chlazení (EGR).

Většina bodů má velký význam a charakterizuje detaily formulací nových typů motorových olejů. Některé z nich mají dominantní význam a tvoří základní strukturu typů motorových olejů. Přestože se dnes oblast klasifikací, specifikací a OEM norem pro oblast motorových olejů jeví jako velice nepřehledná, lze najít a popsat některé charakteristiky a trendy, které to mohou výrazně zprůhlednit.

Motorový olej – viskozitní parametry

Používání nízkoviskózních, zpravidla syntetických motorových olejů prvotně u osobních a dodávkových automobilů si vyžádala legislativa v oblasti emisí výfukových plynů. Jednoznačný požadavek na snížení emisí zejména CO2 přinesl nový pohled na hnací jednotku i motorový olej.

Motory s menšími objemy válců a vysokými výkony i otáčkami připravily spolu s požadavky na úspory energie podmínky pro využití olejů s nízkými viskozitními třídami. U osobních automobilů k tomu v poslední době přibyly požadavky spalovacích motorů různých typů hybridních pohonů (PHEV, Full hybrid, REX).

klapka 1Tabulka č. 1

Při pohledu na tabulku viskozitních klasifikací SAE J 300 (tabulka č. 1) z poslední doby je jasné, že zde dominují nové, dříve nemyslitelné viskozitní třídy SAE 16/12/8. Trendem je připravit oleje zajišťující energetickou úsporu a rychlé zaolejování mazaných míst celého motoru. Kromě vzniku a jasné charakteristiky nových viskozitních tříd SAE 0 W / 5 W – 20/16/12/8 se požadavek úspory paliva (energie) promítnul i do stávajících viskozitních tříd požadavkem na HTHS viskozitu (High Temperature High Shear, dynamická viskozita při teplotě 150 °C a velkém smykovém spádu /106 s-1/). Přitom platí i základní pravidla, a to:

  1. mazivo s nízkou viskozitou HTHS zvyšuje energetickou účinnost a snižuje spotřebu paliva / snižuje objem emisí výfukových plynů;
  2. mazivo s vysokou viskozitou HTHS poskytuje lepší ochranu částí motoru;
  3. pravidlo bezpečnosti – olej s nízkým obsahem HTHS v motoru určeném pro olej s vysokým obsahem HTHS může způsobit poškození.

Složitost problematiky popisuje i graf č. 1, vliv HTHS na opotřebení částí motoru.

klapka 2Graf č. 1, Low HTHS oils: the art of balancing fuel efficiency and engine protection, David De Mesmaeker 29 June 2018 AUTOMOTIVE, PASSENGER CARS, REDUCE YOUR TOTAL COST OF OWNERSHIP

Low HTHS oils: the art of balancing fuel efficiency and engine protection David De Mesmaeker 29 June 2018 AUTOMOTIVE, PASSENGER CARS, REDUCE YOUR TOTAL COST OF OWNERSHIP

Portfolio motorových olejů nabízených výrobci olejů proto nabízí některé viskozitní třídy s různými HTHS. V současnosti se na trhu s motorovými oleji budeme setkávat s následujícími viskozitními parametry:

SAE 5/10/15/20 W – 50/60 – HTHS >3.7 mPa.s

SAE 0/5/10/15/20 W – 40 – HTHS >3.5 mPa.s

SAE 0/5 W – 30 – HTHS >3.5 mPa.s

SAE 0/5 W –  30 – HTHS >2.9 mPa.s

SAE 0/5 W – 20 – HTHS >2.6 mPa.s (na trhu i speciální oleje /VOLVO/ s HTHS >2.75 mPa.s)

SAE xW – 16 – HTHS >2.3 mPa.s

V budoucnu i:

SAE xW – 12 – HTHS >2.0 mPa.s

SAE xW – 8 – HTHS >3.7 mPa.s

Požadavek na HTHS je velice úzce spjat jak s mezinárodními normami, tak s normami výrobců automobilů. Různá konstrukční řešení vyžadují různé požadavky na viskozitní vlastnosti oleje. Rozdělení a pravidla pro specifikace ACEA jsou patrné z tabulky č. 2.

klapka 3Tabulka č. 2

Jak se projevují požadavky na HTHS u výrobců motorů, lze dokumentovat např. normami výrobce automobilů Renault:

RN17: SAE 5 W – 30 HTHS >3,5 mPa.s, vychází ze specifikace ACEA C3, pokrývá benzínové i naftové motory, přeplňované i nepřeplňované, s filtry částic i bez;

RN17 FE: SAE 0 W – 20 HTHS >2,6 mPa.s, vychází ze specifikace ACEA C5, zahrnuje naftové motory K9K; očekává se doporučení tohoto typu oleje i pro benzínové motory Renault s filtrem částic;

RN17 RSA: SAE 0 W – 40 HTHS >4,1 mPa.s, vychází z ACEA C3, je určena pro sportovní vozy a jejich motory – Renault Alpine a Renault Sport.

Všeobecně bylo dlouhou dobu možno říci, že oleje s nízkou HTHS byly určeny výhradně menším motorům osobních a dodávkových automobilů s benzínovými i naftovými motory. Tak jak se mění konstrukční řešení motorů, objevuje se i u naftových motorů s větším objemem válců pro užitkové automobily požadavek na užití olejů s nižší HTHS. Tuto skupinu lze charakterizovat zejména klasifikací API FA-4.

API FA-4 charakterizuje oleje s viskozitními třídami dle SAE XW-30 speciálně vyvinuté pro použití ve vybraných vysokorychlostních vznětových motorech s čtyřdobým cyklem, které jsou navrženy tak, aby splňovaly emisních standardy 2017 pro skleníkové plyny (GHG). Tyto oleje jsou připraveny pro použití v silničních aplikacích s obsahem síry v motorové naftě do 15 ppm. Oleje API FA-4 jsou formulovány s HTHS 2,9 mPa.s – 3,2 mPa.s.

Obdobně je tomu u specifikací dle ACEA: F8 a F11 se stejnou HTHS.

K těmto parametrům se dopracovaly formulace motorových olejů zejména díky novým typům základových olejů skupiny (dle API) III a novým typům modifikátorů viskozity.

Motorový olej – chemické složení

Další dělicí linkou mezi nejnovějšími formulacemi motorových olejů je chemické složení. S nástupem motorů splňujících limity emisí výfukových plynů EURO 4 a posléze EURO 5 přibyl do požadavků na motorový olej i požadavek na chemické složení. Klasifikace a specifikace motorových olejů byly doplněny o požadavky na snížení obsahu některých prvků v motorových olejích. Z důvodu snížení životnosti nových typů katalytických systémů snižujících emise výfukových plynů. Systémy SCR (selektivní katalytická redukce) a DPF (filtr pevných částic), které se využívají pro snížení emisí pevných částic a oxidů dusíku (PM, Nox), jsou v oblasti životnosti a účinnosti ohroženy přítomností emisí maziv ve výfukových plynech. To vedlo k omezení přípustných množství přísad obsahujících fosfor, síru a kovy (SAPS). Obsah těchto prvků se stal dělicím prvkem klasifikací a specifikací motorových olejů. Vztahy jednotlivých specifikací a obsahu SAPS (síra, fosfor, sulfátový popel) jsou v tabulce č. 3.

klapka 4Tabulka č. 3

Ve formulaci motorového oleje se pro své vlastnosti zajišťující vysokou čistotu pístu, velmi dobrou termooxidační stabilitu, vysokou stabilitu TBN a zejména nulové zatížení formulace sírou úspěšně uplatnily nové typy přísad, např. salicyláty, nebo přísady s jinými kovy, jako je Mg s nižší atomovou hmotností, což umožňuje formulaci zatížit nižším obsahem síry a sulfátového popela. 

Motorový olej – speciální požadavky

Co bude dál? V budoucnosti možná přibydou další charakteristické linie požadavků. Mohou být z oblasti historie, např. TBN. V Evropě a v Severní Americe může být téměř zapomenutý parametr v ostatních oblastech světa parametrem velmi důležitým a rozdělujícím motorové oleje podle jejich životnosti.

Novým parametrem se může stát např. obsah „nanomaziv“ v oleji a jejich schopnost zajistit mazání i v nejkritičtějších režimech. Nebo se takovým parametrem může stát nový problém s předčasným zážehem LSPI (Low Speed Pre-Ignition), u kterého se zatím neví, jak velký význam může mít formulace oleje. Někteří výrobci motorů podezření promítli do svých vlastních specifikací, např. specifikace General Motors dexos 1. Díky tomuto jevu bylo oddáleno i vydání specifikace ILSAC GF-6. 

Závěr

Závěrem bych chtěl charakterizovat vývojové trendy, které se podílejí na vývoji spalovacích motorů (i když už nemálo odborníků vidí jejich konec) a vývoji hlavní kapaliny (krve), která v motoru je.

  • Obavy v oblasti životního prostředí a dodávek energie jsou hlavními hnacími silami změn v odvětví dopravy.
  • Výrobci motorů reagují na tyto obavy novými „hardwarovými“ technologiemi, což má za následek rychle se vyvíjející výzvy na vlastnosti motorových olejů.
  • Nové požadavky výrobců motorů jsou hlavním „motorem“ nejen pro vývojáře maziv, ale i pro obchodníky s mazivy.
  • Náročná technologická řešení vyžadují vysoké investice.
  • Spolupráce konstruktérů, výrobců motorů a vývojářů, výrobců olejů je nezbytná pro optimalizaci nákladů.

Použitá literatura:

  • [1] Technická dokumentace společnosti Infineum
  • [2] Oficiální www stránky ACEA
  • [3] Oficiální www stránky API
  • [4] Low HTHS oils: the art of balancing fuel efficiency and engine protection, David De Mesmaeker29 June 2018 AUTOMOTIVE, PASSENGER CARS, REDUCE YOUR TOTAL COST OF OWNERSHIP

Autor: Jiří Klapka, certifikovaný tribodiagnostik

Recenzent: Švec Ondřej, DiS., Trifoservis Vladislav Marek, Čelákovice; osoba certifikovaná na funkci Technik diagnostik tribodiagnostik - Kategorie II

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz