Klasa lepkości oleju silnikowego
Podstawowa i powszechnie stosowana specyfikacja oleju silnikowego. Czy wiesz co tak naprawdę kryje się pod tym pojęciem?
Oleje silnikowe stosowane są zarówno w silnikach pojazdów, maszyn, jak i w żegludze czy lotnictwie. Specyfikacja SAE J300 wydana przez Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacji (SAE – ang. Society of Automotive Engineers) jest znana i stosowana globalnie. Określa ona wartości czterech parametrów, które składają się na klasę lepkości oleju silnikowego, zarówno jednosezonowego (tj. 10W, SAE: 30), jak i wielosezonowego (tj. 5W-30 albo 10W-40). Uniwersalność zapisu powoduje, że na całym świecie użytkownicy olejów silnikowych potrafią bez problemu znaleźć olej o odpowiedniej klasie lepkości, gdy zajdzie konieczność jego wymiany. Jednakże, mimo to nie każdy użytkownik zdaje sobie sprawę jakie parametry muszą zostać spełnione, aby móc oznaczyć olej odpowiednim symbolem klasy lepkości zgodnie z SAE J300.
Aby określić klasę lepkości należy oznaczyć cztery parametry. Pierwszym z nich jest lepkość strukturalna oleju w niskich temperaturach (CCS). Jest to test, który określa zdolność do rozruchu silnika w niskich temperaturach. Drugim parametrem jest pompowalność oleju oznaczana przy pomocy lepkościomierza minirotacyjnego (MRV). Temperatura oleju jest obniżona na czas potrzebny do wykrystalizowania węglowodorów alifatycznych, które tworzą w oleju żel mogący uniemożliwić spłynięcie oleju do pompy. Symuluje to warunki w początkowej fazie pracy silnika w niskich, zimowych temperaturach, kiedy olej nie jest rozgrzany. Powyższe parametry odpowiadają za „zimową” (oznaczaną literą „W”) klasę lepkości oleju. Kolejne dwa są badane w wysokich temperaturach i umożliwiają określenie klasy „letniej”. Jednym z nich jest lepkość kinematyczna w 100°C, czyli proste badanie wykonywane przez wiele laboratoriów, które polega na pomiarze szybkości spływu oleju pod wpływem grawitacji w wiskozymetrze. Badanie to symuluje sytuację, w której olej spływa do miski olejowej. Ostatnie badanie obejmuje pomiar lepkości dynamicznej w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ścinania (HTHS). Pomiaru dokonuje się w temperaturze 150°C. Badanie to najlepiej odwzorowuje realne warunki panujące podczas pracy silnika. Jest to niezwykle istotny parametr. Zbyt niska lepkość HTHS nie zapewni odpowiedniej grubości filmu olejowego, co może doprowadzić do tarcia granicznego, a w konsekwencji do szybkiego zużycia, a nawet awarii silnika, natomiast zbyt wysoki wynik HTHS skutkuje wysokim tarciem wewnętrznym oleju, co wpływa na wydajność silnika oraz zużycie paliwa. Zmniejszenie lepkości HTHS wielu nowych klas olejów silnikowych w ostatnich latach pozwoliło sprostać wymaganiom względem zużycia paliwa i emisji spalin stawianym przez międzynarodowe umowy związane z ochroną środowiska.
Warto zwrócić uwagę, że wydanie specyfikacji SAE J300 (2015-01) przedstawionej poniżej zawiera nowe klasy lepkości tj. 8 i 12. Ich sformułowanie i wpisanie w zakres specyfikacji zawdzięczamy intensywnym pracom nad udoskonalaniem techniki smarowniczej naukowców z Japonii, którzy dążą do zredukowania tarcia wewnętrznego cieczy (oleju), a zatem spadku zużycia paliwa i emisji spalin. O ile obecna wiedza w zakresie reologii pozwala na stworzenie środków smarnych o takiej klasie lepkości, to na rozwój w zakresie motoryzacji, a dokładniej konstrukcji silników, który pozwoli na ich powszechne stosowanie, musimy poczekać jeszcze kilka lat.
W poniższej tabeli przedstawiono wymagania normy SAE J300 (2015-01) względem czterech opisanych powyżej parametrów dla obecnie obowiązujących klas lepkości:
Aby można było stwierdzić, że olej spełnia określoną klasę lepkości konieczne jest spełnienie wymagań dla wszystkich testów. Spełnienie każdego z nich z osobna jest konieczne, ale niewystarczające dla określenia klasy lepkości. Co więcej, parametry w normie mają charakter krytyczny, a więc muszą być bezwzględnie spełnione. Oznacza to, że dla potwierdzenia klasy lepkości nie wystarcza, aby każdy parametr znalazł się w podanych powyżej ramach, ale dodatkowo należy uwzględnić błąd pomiarowy. Takie podejście implikuje konieczność takiej formulacji oleju, aby parametry przy dwudziestokrotnym badaniu, przy każdym powtórzeniu spełniały wymagania normy lub przy mniejszej ilości powtórzeń badania pozostawić co najmniej 5-procentowy margines błędu.
Michał Świątek
Bibliografia:
[1] E. Wright, The impact of SAE Critical Specifications to the formulating and manufacture of automotive oils, “Lube Magazine” 2017 (December), No. 142, p. 33-37.
[2] A. Stone, New low viscosity grade engine oil specification rises from the ashes of category development delays, “Fuels and Lubes Magazine” 2017 (May), Volume 23, Issue 2, p. 18-21.