Olej silnikowy: smaruje i chłodzi

Kühnle, Kopp & Kausch

Standardem w układzie napędowym jest obecnie silnik o obniżonej pojemności skokowej. Mniejsza średnica tłoków lub również ich ilość wymaga dla uzyskania co najmniej takiej samej wartości momentu obrotowego silnika zwiększenia wartości ciśnień panujących w komorach spalania silnika.

Ponadto dla zmniejszenia zużycia paliwa korzystne jest osiąganie wyższych wartości momentu obrotowego przy niższych wartościach prędkości obrotowej silnika. Jest to również powód dalszego wzrostu tych ciśnień. „Odczuwa" to olej silnikowy, który niezależnie od warunków pracy musi wywiązać się z dwóch głównych zadań - smarowania i chłodzenia.
Smarowanie silnika w różnych temperaturach pracy
Zużycie elementów silnika warunkuje jego żywotność. Aby je zminimalizować, silnik jest smarowany olejem pod ciśnieniem. Wszystkie części współpracujące i poruszające się względem siebie powinny być oddzielone warstwą oleju silnikowego. Wówczas mówimy o tarciu płynnym (rys. 1a). Cechuje się ono tym, że obie części nie stykają się, a więc nie występuje zużycie ścierne.
W momencie uruchamiania zimnego silnika, zanim olej dopłynie do smarowanych miejsc, a jego warstwa rozdzieli powierzchnie współpracujących części, może wystąpić tarcie mieszane. Charakteryzuje się ono tym, że dochodzi w jego trakcie do częściowego styku powierzchni współpracujących elementów, co powoduje zużycie ścierne (rys. 1b). Aby wystąpiły pożądane warunki tarcia płynnego (rys. 1a), tłoczony przez pompę olej musi najpierw dopłynąć do smarowanych miejsc, zachowując określone ciśnienie. Przepływ utrudnia lepkość oleju. Im jest ona większa, tym trudniejszy jest dopływ oleju do smarowanego miejsca. Lepkość oleju zależy ściśle od jego temperatury. Wykres na rys. 2. przedstawia zmianę lepkości olejów silnikowych z zależności od temperatury. Przykładowo: lepkość dynamiczna η oleju klasy 10 W-30 w temperaturze 20 stopni Celsjusza to ok. 150 mPa * s, ale w temperaturze 80 stopni Celsjusza to już tylko 13 mPa * s.
W fazie nagrzewania silnika należy zadbać o to, aby siły przenoszone między współpracującymi powierzchniami, np. siła F (na rys. 1), nie osiągała wartości bliskich maksymalnym. Silnik powinien wówczas możliwie szybko osiągać prawidłową temperaturę pracy. W okresie nagrzewania należy pamiętać, aby: wykorzystywać trochę wyższy zakres prędkości obrotowych (poprawia to warunki tworzenia warstwy oleju rozdzielającej współpracujące elementy); obciążać silnik mniejszymi wartościami momentu obrotowego. Szczególnie niekorzystna w okresie nagrzewania jest praca silnika przy niskiej prędkości obrotowej i wysokiej wartości momentu obrotowego. Kierowcy winni o tym pamiętać, szczególnie ci od samochodów z silnikami o mocy zwiększonej w stosunku do seryjnej. Niebezpieczna dla silnika jest również za wysoka temperatura. Wówczas lepkość oleju jest niższa od pożądanej, co mimo jego prawidłowego ciśnienia może utrudnić utrzymanie jego warstwy o grubości gwarantującej rozdzielenie współpracujących elementów. Wówczas również może wystąpić tarcie mieszane. Ponadto wyższa temperatura oleju zwiększa jego skłonność do utleniania, co przyspiesza jego starzenie.
Amortyzowanie dynamicznych zmian obciążenia
W silniku pomiędzy współpracującymi elementami mogą występować obciążenia, które nagle pojawiają się lub zanikają. Należy również uwzględnić fakt, że poruszające się elementy silnika cechują się bezwładnością: „stawiają" opór, gdy są przyspieszane lub hamowane. Przykładowym zjawiskiem, które silnikach skutkuje nagłymi zmianami obciążeń, jest spalanie stukowe. Występuję ono zarówno w silnikach z zapłonem iskrowym (patrz rys. 3), jak i w silnikach z zapłonem samoczynnym. W silnikach z zapłonem iskrowym występuje wtedy, gdy silnik jest nagrzany i obciążony, a w silniku z zapłonem samoczynnym głównie wówczas, kiedy silnik jest w fazie nagrzewania, nawet na biegu jałowym silnika. Olej silnikowy powinien być w stanie amortyzować występujące zmiany obciążeń, czyli przeciwdziałać zetknięciu współpracujących elementów, które powoduje duże zużycie ścierne. Aby to nie nastąpiło, olej silnikowy musi mieć określoną lepkość oraz ciśnienie.
Chłodzenie silnika
Źródłem ciepła jest nie tylko spalanie, ale również tarcie współpracujących ze sobą elementów. Tarcie redukuje olej silnikowy, który również odprowadza ciepło. Są miejsca w silniku, z których to głównie olej silnikowy odprowadza ciepło, np. z denka tłoka (szczególnie w silnikach doładowanych), prowadnic zaworów wylotowych i miejsc współpracy krzywek ze szklankami popychaczy. Płyn układu chłodzenia odprowadza z tych miejsc „okrężną" drogą tylko niewielką ilość ciepła. Nadmierny wzrost temperatury współpracujących elementów zmniejsza lepkość oleju silnikowego, co może doprowadzić do styku współpracujących elementów (rys. 1b), a więc zwiększenia współczynnika tarcia, zużycia współpracujących elementów i dalszego wzrostu ich temperatury. Są silniki motocyklowe chłodzone głównie olejem silnikowym. Inżynierowie twierdzą, że jest to docelowe rozwiązanie w silnikach.

[...]

Stefan Myszkowski

Więcej informacji o olejach silnikowych w „autoEXPERCIE" 9/2012.

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę