W dyskusjach o olejach, prowadzonych przez fanów motoryzacji pojawia się wiele definicji, twierdzeń i nazw, które nie zawsze są używane w odpowiednim kontekście. Poza osobliwymi definicjami jakości oleju, bardzo często pojawiają się odniesienia do lepkości — dziwnie łączonej z gęstością.
Obydwie te definicje są mylone i stosowane zamiennie, a tak naprawdę nie mają praktycznie żadnego związku. Zacznijmy od zaprowadzenia porządku.
Gęstość jest to stosunek masy substancji do zajmowanej przez nią objętości. Gęstość typowego oleju silnikowego jest mniejsza od gęstości wody i dlatego olej zawsze pozostaje na jej powierzchni.
Gęstość nieznacznie zmienia się w zależności od temperatury i ciśnienia, ale te zmiany nie mają decydującego wpływu na jakość oleju i wytrzymałość filmu olejowego.
A teraz lepkość. W przypadku oleju silnikowego interesuje nas lepkość kinematyczna, która zwana jest również kinetyczną i jest stosunkiem (ilorazem ;-)) lepkości dynamicznej do gęstości płynu. Czyli gęstość gdzieś tam nam się przydaje. Lepkość dynamiczna to iloraz naprężeń ścinających i szybkości ścinania. Szybkość ścinania to… Może wystarczy definicji?
Tak czy inaczej lepkość nie jest gęstością, ale jest parametrem określającym jak olej zachowa się w danej temperaturze. Dlatego najbardziej interesująca jest dla nas lepkość kinematyczna w 100st.C. To w tej temperaturze olej najczęściej pracuje. Możemy przyjąć, że dla danego oleju lepkość w danej temperaturze jest niezmienna. Wyjątkiem są oleje Castrol EDGE z technologią FST.Oleje te, poprzez dodanie metaloorganicznego polimeru tytanu, stały się cieczami nienewtonowskimi. Płyn nienewtonowski nie spełnia hydrodynamicznego prawa Newtona, co oznacza, że jego lepkość nie jest wartością stałą.
W przypadku oleju Castrol EDGE Titanium FST™ przy wzroście sił ścinających zwiększa się lepkość. Czyli – upraszczając — jak olej „poczuje”, że dostaje w kość to zwiększa swoją lepkość. Wszystko to po to, żeby zwiększyć odporność oleju na zerwanie filmu olejowego, a co za tym idzie zwiększyć trwałość silnika. Lepkość oleju silnikowego zmienia się też w czasie jego eksploatacji. Dlaczego tak się dzieje? Szybko i sprawnie wyjaśni nam to nasz ekspert, Michał Izdebski z Castrol Polska.
W trakcie eksploatacji oleju następuje:
zużywanie się (wyczerpywanie) pakietu dodatków uszlachetniających
zużywanie się olejów bazowych
tworzenie szlamów i laków (praca oleju w wysokiej temperaturze + obecność szkodliwych produktów spalania – głównie sadza)
ścieranie się elementów metalowych części współpracujących silnika
Wzrost lepkości oleju jest głównie powodowany przez obecność tlenu, który reaguje z węglowodorami (jeden z głównych składników formulacji olejowej). Węglowodory te utleniając się powodują występowanie laków, osadzających się wewnątrz silnika. Dalsze reakcje chemiczne zachodzące w formulacji olejowej powodują (pisze w dużym uproszczeniu) rozpoczęcie polimeryzacji struktury oleju, co prowadzi do wzrostu jego lepkości. Na wzrost lepkości oleju również wpływ ma sadza — jej duże nagromadzenie w oleju silnikowym (im jej więcej, tym lepkość wyższa).
Za spadek lepkości oleju silnikowego w trakcie eksploatacji odpowiedzialne są;
wywołane obciążeniem, generowanym przez elementy współpracujące silnika, ciągłe procesy ścinania polimerów - łańcuchy węglowodorowe formulacji olejowej ulegają ciągłym procesom ścinania pod wpływem obciążenia. Łańcuchy te charakteryzują się własnością łatwej i szybkiej odbudowy, dzięki czemu olej może przeciwstawiać się obciążeniom generowanym przez silnik. W trakcie „końca życia oleju” łańcuchy tracą swoje właściwości odbudowy, i olej traci swoją lepkość.
rozrzedzenie oleju paliwem – jazda na zbyt krótkich odcinkach powoduje że silnik, pracujący na „ssaniu” nie jest w stanie zużyć całego paliwa i paliwo to przedostaje się do skrzyni korbowej. Jeżeli silnik nie jest dogrzany do temperatury roboczej, paliwo nie jest w stanie być odparowane z oleju. W trakcie jazdy z mocą bliską maksymalnej (autostrady, rajdy, etc.) sterownik podaje bardzo duże ilości paliwa, które również nie jest w stanie być całkowicie spalone w komorach spalania, i przenika do SK, rozcieńczając olej silnikowy.
Olej o zbyt niskiej lepkości cechuje się zbyt słabą odpornością filmu olejowego na obciążenia i dużą łatwością zerwania tegoż filmu pod, relatywnie, niewielkimi obciążeniami.
Olej o zbyt dużej lepkości zawiera zbyt dużo zanieczyszczeń, które pogarszają jego smarność i odprowadzanie ciepła.
I teraz pytanie, jeśli nie najważniejsze to bardzo ważne. Czy duża lepkość jest zawsze potrzebna? Otóż nie. Musi być dobrana do konstrukcji silnika. Żeby to zrozumieć możemy użyć następującego porównania. Weźmy samolot i łódź podwodną. Obydwie maszyny poruszają się w płynach, bo z punktu widzenia nauki rozpatrujemy ich ruch w ramach aerodynamiki płynów. Wyobraźmy sobie, że chcemy żeby łódź podwodna latała, a samolot pływał pod wodą. Nie da się, bo ich konstrukcja jest dostosowana do lepkości ośrodków, w których się poruszają. Podobnie jest z silnikami.
Te starszej daty i niektóre nowe przeznaczone do pracy w ekstremalnych warunkach, na przykład BMW serii M wymagają dużej lepkości. Olej Castrol EDGE Titanium FST™ 10W60 przeznaczony do silników MPower i Aston Martin, ma lepkość kinematyczną w 100 st.C wynoszącą 22,7 mm²/s, a olej Castrol EDGE Titanium FST™ 5W40 charakteryzuje się lepkością kinematyczną w 100 st.C wynoszącą 13 mm²/s. Różnica kolosalna, ale czy to znaczy, że jeśli jesteśmy posiadaczami Audi A4 2.0 TFSI to olej o wyższej lepkości będzie lepszy? Nie. Olej musi być dostosowany do konstrukcji silnika. Jaki z tego wniosek? Po raz kolejny wychodzi na to, że najlepiej nie kombinować i wlewać olej zalecany przez producenta. A teorie spiskowe? Zostawmy je tym, którzy je lubią. I jeszcze ciekawostka. Wiecie, o ile się różni gęstość wspomnianych olejów? O 0.003 g/ml. Jak widzicie lepkość i gęstość to zupełnie dwa różne parametry. Żeby było jeszcze łatwiej, to możemy się posłużyć definicją lepkości stosowaną w odniesieniu do klejów. Czepność chyba mniej się kojarzy z gęstością. Ale jak to zrobić, żeby olej miał małą lepkość w celu zmniejszenia oporów wewnętrznych w silniku i zużycia paliwa, a jednocześnie uzyskać wysoką odporność na zerwanie filmu olejowego? Odpowiedzią są metaloograniczne polimery.
Jeśli macie jakieś pytania dotyczące gęstości i lepkości – piszcie – postaram się rozwiać wszelkie wątpliwości. 😉
Wpis powstał we współpracy z marką Castrol.
135