Podczas spotkań z mechanikami i szkoleń, trzymając w ręku butelkę z olejem o lepkości SAE 10W-40,  bardzo często zadaję pytanie – jaki to olej? W większości przypadków otrzymuję bardzo szybko odpowiedź – półsyntetyczny  – i może być to dobra odpowiedź. Często także słyszę, że wcale nie musi być to tylko „półsyntetyk”, ale także olej syntetyczny, i to też może być dobra odpowiedź, która jednak budzi już zdziwienie wśród części zainteresowanych.
Aby można było przejść przez wszystkie używane przez producentów oznaczenia „mineralności” czy „syntetyczności” olejów, musimy poznać rodzaje baz olejowych używanych obecnie do produkcji olejów.

Klasyfikacja baz olejowych

Oleje bazowe podzielono wg API na pięć grup. O przynależności do określonej grupy decyduje zarówno budowa chemiczna czy metoda powstawania oleju, jak i odporność na starzenie określana za pomocą testu nazwanego TOST Life. Bardzo ważnym parametrem jest także wskaźnik lepkości, czyli zdolność oleju do utrzymywania w miarę stałej lepkości wraz ze zwiększaniem się temperatury oleju. Im spadek lepkości mierzony między temperaturami 40°C a 100°C jest mniejszy (stabilność lepkości większa), tym większy jest wskaźnik lepkości (VI – Viscosity Index).

Do pierwszej grupy – API Grupa I – należą konwencjonalne oleje mineralne. Są one produkowane w procesie głębokiej rafinacji z ropy naftowej, co zapewnia im jedynie podstawową trwałość – minimum 1000 godzin w teście TOST Life.

Coraz częściej oleje konwencjonalne Grupy I zastępowane są olejami z Grupy API II o znacznie lepszych parametrach. Otrzymuje się je w procesie hydrorafinacji konwencjonalnych olejów mineralnych, zapewniającym trwałość od 4 do 6 tysięcy godzin, co umożliwia ich zastosowanie w produktach o przedłużonym działaniu.

Do Grupy API III należą węglowodory otrzymywane różnymi metodami. Znajdziemy tu zarówno w 100% syntetyczne oleje otrzymywane z gazu ziemnego metodą GTL (Gas to Liquid), jak również, podobnie jak w przypadku grupy II, oleje pochodzące z ropy naftowej, głęboko przetworzone w trakcie procesów hydrokatalitycznych przebudowy łańcuchów węglowodorowych (HC Synthese).

Grupa API IV jest zarezerwowana dla polialfaolefin (PAO). PAO to produkt polimeryzacji etylenu otrzymanego z ropy naftowej przez kraking surowej benzyny. Grupę API III i IV tworzą syntetyczne węglowodory, wytrzymujące we wspomnianym teście od 14 do nawet 16 tysięcy godzin.

Do grupy V należą wszystkie inne bazy olejowe, np. PAG – polialkilenoglikole, estry zarówno pochodzenia naturalnego, jak i syntetycznego, oraz naturalne oleje roślinne poddane procesom przetwórczym. Ich jakość i przydatność do smarowania różnego rodzaju maszyn jest bardzo zróżnicowana.

Oleje mineralne

Olej mineralny to substancja powstała w przyrodzie bez ingerencji ludzkiej. Mineralne oleje bazowe (API Grupa I) otrzymuje się przez destylację czy rafinację ropy naftowej pochodzącej z różnych złóż. Jakość mineralnego oleju bazowego bardzo zależy od składu ropy naftowej. Ropa naftowa z krajów byłego Związku Radzieckiego ma zupełnie inny skład chemiczny niż ropa z Zatoki Perskiej, Wenezueli, Morza Północnego czy Pensylwanii. Każda z nich zawiera innego rodzaju węglowodory i ma inny poziom zanieczyszczeń, przede wszystkim siarkowych. Jakość mineralnych olejów bazowych nie zależy więc przede wszystkim od metody produkcji, a bardziej od składu surowca. Dosyć wysoką, powtarzalną jakość dać może jedynie przetwarzanie tą samą technologią ropy naftowej pochodzącej z jednego źródła.

Oleje syntetyczne

Syntetyki to oleje niewystępujące w przyrodzie. Ze względu na metodę powstawania podzielić je można na dwie grupy. Oleje w 100% synetyczne – otrzymuje się je w procesach syntezy, np. polimeryzacji, kondensacji, estryfikacji, transestryfikacji lub syntezy Fishera-Tropscha (GTL) z różnych surowców, takich jak ropa naftowa lub gaz ziemny.
Oleje technologii synetycznych – najczęściej hydrokrakingu (HC Synthese) – bywają przez międzynarodowe instytucje także zaliczane do kategorii olejów syntetycznych. Mimo tego, że powstają ze składników pochodzenia mineralnego, to dzięki metodom przetwórczym (hydrokraking oraz hydroizomeryzacja) uzyskują inną budowę struktury węglowodorów i inne, często niewiele odbiegające od olejów pochodzenia syntetycznego, parametry eksploatacyjne. Na większości rynków oleje tej technologii mogą być nazywane nawet olejami w pełni syntetycznymi, co czynią najwięksi producenci olejów. Na niektórych rynkach, np. niemieckim, na produktach pochodzenia krakingowego nie wolno używać oznaczeń sugerujących całkowite syntetyczne pochodzenie oleju. Tego typu oleje wówczas nazywane są innymi stwierdzeniami sugerującymi inne niż mineralne i inne niż w 100% syntetyczne pochodzenie, np. „Hydrosyntetyczny”, „HC Synthetic”, „HC Synthese”, „Olej Technologii Synetycznej”, czyli „Synthetic Technology”, czy w końcu nazwy własne producentów oleju: „Technologia Syntezy ARAL” czy „MOTUL Technosynthese®”.

PAO – polialfaolefiny

W latach 60. i 70. XX wieku badania naukowców nad polimeryzacją etylenu doprowadziły do stworzenia węglowodorów syntetycznych, nazwanych polialfaolefinami (PAO). Zaliczono je do grupy olejów bazowych API Group IV. Ich zaletą jest dosyć niska temperatura krzepnięcia i wysoki wskaźnik lepkości. Trudne jednak okazało się tworzenie na ich bazie syntetycznych olejów silnikowych, ponieważ źle rozpuszczały się w nich dodatki uszlachetniające. Rozwiązywano ten problem przez rozpuszczenie pakietu dodatków w oleju mineralnym, który następnie mieszano z syntetycznym węglowodorem PAO. Termin polialfaolefiny lub PAO jest zwyczajową nazwą tych cieczy, w tym również produktów otrzymanych z polimeryzacji mieszanin α-olefin C8–C12 (łańcuchy węglowodorowe o długości od 8 do 12 atomów węgla w cząsteczce). Natomiast ciekłe produkty polimeryzacji niżej cząsteczkowych olefin, np. mieszanin etylenu, propylenu i butylenu, określane są EOP – od etyleno-α-olefino polimerów.

Sposób produkcji PAO jest dosyć skomplikowany i drogi. Uzyskany z ropy naftowej przez kraking surowej benzyny etylen jest polimeryzowany do tzw. polialfaolefin. W szczegółach przedstawia się to następująco. Polialfaolefiny (PAO) są kompozycją syntetycznych węglowodorów o strukturze izoparafin, które otrzymywane są w wyniku katalitycznej oligomeryzacji liniowych α-olefin. Długość cząsteczki w tym przypadku to najczęściej 8–12 atomów węgla. Ostatnie etapy produkcji, czyli destylacja i uwodornienie, są wymagane, by usunąć wszystkie pozostałości surowców, oddzielić lekkie frakcje o bardzo niskiej lepkości oraz aby produkt końcowy był bardziej obojętny chemicznie i miał większą stabilność oksydacyjną, co przez lata było podnoszone jako największa zaleta olejów typu PAO. Ostatnie badania nad odpornością olejów na utlenienie metodą DSC (Differential Scanning Calorimetry) dowiodły jednak, iż czyste cząsteczki PAO bez obecności przeciwutleniaczy wcale nie są tak odporne na działanie tlenu. Wynika to z budowy strukturalnej cząsteczki PAO i obecności w niej trzeciorzędowych atomów węgla, które są bardzo podatne na łączenie się z tlenem. W takim samym teście oleje mineralne uzyskały lepsze wyniki. Tłumaczy się to obecnością naturalnych przeciwutleniaczy w olejach mineralnych zachowanych mimo procesu rafinacji. Wysoką odporność na działanie tlenu w wysokiej temperaturze olejów PAO uzyskuje się, dodając przeciwutleniaczy.

GTL – Gas To Liquid

Postęp w dziedzinie nowych olejów trwa. Ostatnio w Katarze uruchomiono produkcję bazowego oleju syntetycznego z gazu ziemnego, którego ogromne ilości zalegają pod dnem Zatoki Perskiej. Ten nowy syntetyk, klasyfikowany jako API Group III, ma jeszcze lepsze parametry niż dotychczas produkowane bazy olejowe. Jego wskaźnik lepkości przekracza 150, tak więc jest dużo wyższy niż dla olejów PAO czy olejów grupy HC. Technologia jego produkcji, synteza Fischera-Tropscha, pozwalająca z gazu otrzymywać ciekłe produkty – tzw. proces Gas to Liquid (GTL) – wskazują na możliwości pozyskiwania z nich nie tylko produktów petrochemicznych. Ciekłe produkty GTL (syntetyczne woski) poddane procesom hydrokatalitycznym (drogą katalitycznego hydrokrakingu i hydroizomeryzacji) pozwalają otrzymać mieszaniny izoparafinowych węglowodorów przewyższających jakością niekonwencjonalne oleje bazowe (HC) czy oleje syntetyczne PAO. Takie oleje nie tylko charakteryzują się wysokim wskaźnikiem lepkości, ale także bardzo niskimi temperaturami płynięcia oraz znakomitą odpornością na utlenianie.

Estry

W Grupie V olejów bazowych, która obejmuje pozostałe oleje syntetyczne (oprócz PAO) oraz oleje roślinne, najważniejszą pozycję zajmują oleje estrowe oraz polialkilenoglikole (PAG), oleje silikonowe oraz oleje węglowodorowe: polibutenowe i alkiloaromatyczne. Wśród nich największą przydatność do komponowania olejów najbardziej odpornych na najwyższe obciążenie termiczne i mechaniczne (ścinanie, ściskanie i zatarcie) mają syntetyczne oleje estrowe.

Należą do nich:

  • estry kwasów karboksylowych (monoestry, diestry, polilestry, estry kompleksowe),
  • estry kwasu fosforowego (arylowe i alkilowe estry fosforanowe).

Oleje estrowe, używane do komponowania materiałów smarowych, są ze względu na budowę chemiczną określane jako:

  • monoestry, otrzymywane z kwasów tłuszczowych C8–C22 i liniowych lub rozgałęzionych monoalkoholi,
  • diestry, otrzymywane z kwasów dwukarboksylowych, takich jak adypinowy, azelainowy i sebacynowy, lub dimerów kwasów tłuszczowych i alkoholi: 2-etyloheksyowego, 3,5,5-trimetyloheksylowego lub tridecylowego,
  • poliestry, otrzymywane z kwasów monokarboksylowych C5–C10 i wyższych kwasów tłuszczowych, jak kwas oleinowy, oraz alkoholi wielowodorotlenowych o strukturze neopentylu, takich jak glikol neopentylowy (GNP), trimetylolpropan (TMP) pentaerytryt (PE) oraz dipentaerytryt (DIPE),
  • estry kompleksowe, otrzymywane w wyniku estryfikacji kwasów dikarboksylowych i alkoholi wielowodorotlenowych z udziałem w syntezie alkoholi monowodorotlenowych i kwasów monokarboksylowych.

Pierwszy na świecie w 100% syntetyczny wielosezonowy olej silnikowy, MOTUL 300V, został wprowadzony na rynek w 1971 roku, lecz jego doskonałe parametry wyprzedzały wymogi ówczesnych konstrukcji silników, a także obowiązujących norm, dlatego znalazł zastosowanie w sportach wyczynowych.

Zalety stosowania dobrze skomponowanych olejów silnikowych z różnych rodzajów olejów estrowych to:

  • wysoka odporność na utlenianie,  czyli możliwość pracy w najwyższych temperaturach,
  • 100-proc. odporność na ścinanie dzięki budowie polarnej cząsteczek estrowych. Dzięki temu uzyskuje się możliwość długotrwałej pracy w największych obciążeniach mechanicznych przy najwyższych prędkościach obrotowych bez utraty lepkości oleju, co gwarantuje najwyższą niezawodność i trwałość silników czy przekładni,
  • bardzo niskie opory ruchu, dzięki czemu uzyskujemy przy tej samej lepkości kinematycznej wzrost mocy silnika czy – z drugiej strony patrząc – niższe zużycie paliwa i niższą emisję CO2,
  • doskonałe właściwości smarne skutkujące najmniejszym z możliwych do uzyskania zużyciem, czyli wysoką trwałością silnika,
  • bardzo niską odparowalnością w wysokich temperaturach, co skutkuje bardzo niskim zużyciem oleju.

Parametry olejów estrowych pozostają wciąż nie do pobicia w najbardziej wymagających konstrukcjach silników, natomiast bardzo wysoka cena ich produkcji powoduje, że używane są wyłącznie do produkcji wyczynowych olejów do sportu. Wśród produktów sprzedawanych w oficjalnej sieci sprzedaży oleje estrowe to rzadkość i luksus.
Łączenie syntetycznych olejów poliestrowych z olejami PAO umożliwiło rozpuszczenie syntetycznych dodatków uszlachetniających w syntetycznym węglowodorze, co rozpoczęło erę tzw. syntetyków, nazywanych też marketingowym terminem full synthetic czy 100% synthetic.

Oleje estrowe dobrze mieszają się także z olejami typu HC, a już ich kilkuprocentowa zawartość znacząco podnosi wszystkie parametry eksploatacyjne oleju silnikowego.

AN – Alkylated Naphthalene

To najnowsze i jedne z najbardziej zaawansowanych baz olejowych wykorzystywanych do komponowania najbardziej zaawansowanych olejów wyczynowych. Dzięki zastosowaniu baz typu AN uzyskać można bardziej stabilne termicznie i odporne mechanicznie oleje silnikowe przeznaczone do pracy w krytycznych warunkach. Dzięki zastosowaniu baz AN można znacząco obniżyć wewnętrzne opory ruchu oleju silnikowego, a tym samym – przy takiej samej lepkości kinematycznej oleju – uzyskać wzrost mocy silnika czy – jak już wspominaliśmy – niższe zużycie paliwa i niższą emisję CO2.

HC – oleje hydrokrakingowane

Na początku lat 90. XX w. zaczęły się pojawiać na rynku oleje syntetyczne (II generacji), określane obecnie nazwą HC syntetyczne. Do ich produkcji wykorzystywano wielkocząsteczkowe węglowodory parafinowe lub woski (np. slack wax, gacz parafinowy), które w procesie wysokotemperaturowego katalitycznego krakingu w obecności wodoru – hydrokrakingu (czyli cięcia na łańcuchy o pożądanej długości), a następnie procesu hydroizomeryzacji (ujednolicania budowy strukturalnej cząsteczek) przeprowadzano w typowe dla środków smarnych cząsteczki zawierające od 20 do 35 atomów węgla, aby otrzymać najbardziej korzystne struktury syntetyzowanych węglowodorów. Tak daleko posunięte zmiany w strukturze chemicznej związków można osiągnąć za pomocą procesów hydrotreatingu, hydrokrakingu oraz hydroizomeryzacji.

Bazowe oleje zaliczane do Grupy II otrzymywane są w procesach: hydrotreatingu i łagodnego hydrokrakingu lub w połączeniu procesu hydrokrakingu z odparafinowaniem rozpuszczalnikowym. Surowcem do ich otrzymywania są wąskie frakcje destylatów próżniowych. Proces hydrotreatingu powoduje istotne zmiany w składzie w porównaniu do olejów mineralnych Grupy I. Obserwuje się wzrost składników o charakterze nasyconym, a tym samym zmniejszenie zawartości żywic oraz węglowodorów o charakterze aromatycznym, co skutkuje wyższą odpornością na utlenienie i przydatnością do produkcji zaawansowanych olejów silnikowych.

W przypadku olejów bazowych Grupy III kluczowe znaczenie odgrywają procesy głębokiego hydrokrakingu i hydroizomeryzacji. Ze względu na wysoki wskaźnik lepkości oleje Grupy III często są opisywane symbolem VHVI. Destrukcyjne procesy katalityczne z udziałem wodoru zapewniają niemal całkowite odsiarczenie i odazotowanie produktu, dzięki czemu możliwe jest przerabianie ropy gatunkowo gorszej lub pozostałości porafinacyjnych. Poddając gacz parafinowy procesowi hydroizomeryzacji, otrzymuje się bazowe oleje pozbawione aromatów o bardzo wysokim wskaźniku lepkości, przez co są określane jako oleje XVHVI i zaliczane do Grupy III+, a ich parametry zbliżone są do olejów w pełni syntetycznych.

W olejach typu HC, wskutek ich wyższej polarności, o wiele lepiej rozpuszczają się dodatki uszlachetniające. Pamiętać należy, że jakość olejów technologii HC może być mocno rozbieżna w zależności od zaawansowania procesów przeróbki surowca. Podstawowe oleje hydrokrakingowane Grupy II są porównywalne parametrami z olejami mineralnymi najwyższej jakości, natomiast najbardziej zaawansowane oleje HC Grupy III+ są zbliżone parametrami do olejów syntetycznych PAO czy GTL.

Dodatki olejowe

Dodatki uszlachetniające powodują, że olej bazowy zapewnia dodatkową ochronę i właściwości czyszczące, dzięki czemu silnik działa lepiej przez dłuższy czas.

Istnieje kilka ich rodzajów i muszą one być umiejętnie dobrane oraz mieszane, aby zapewnić optymalne funkcjonowanie:

  • Detergenty utrzymują silnik w czystości i neutralizują powodujące korozję kwasy powstające w wyniku spalania paliwa.
  • Dyspersanty powodują rozdrobnienie struktury osadów, przede wszystkim sadzy i szlamów, oraz utrzymują je w postaci zawiesiny w oleju, co zapobiega powstawaniu blokad. Zanieczyszczenia te są następnie usuwane z silnika wraz ze spustem zużytego oleju.
  • Dodatki chroniące przed zużyciem chronią silnik, tworząc aktywną chemicznie powłokę na częściach ruchomych. Dodatki te są szczególnie istotne w przypadku dużych obciążeń podczas jazdy oraz podczas rozruchu silnika. Najnowszą grupę dodatków przeciwzużyciowych stosowanych w najnowszych olejach silnikowych są modyfikatory tarcia. Podczas kontaktu metal–metal temperatura jest początkiem zajścia reakcji termochemicznej, w trakcie której na powierzchni metalu wytwarzana jest warstwa poślizgowa chroniąca metal przed zużyciem i zmniejszająca do minimum opory ruchu elementów współpracujących.
  • Przeciwutleniacze pomagają opóźniać naturalną degradację oleju silnikowego, przez co skuteczniej chronią silnik przez dłuższy czas. Dzięki nim podniesiono odporność olejów bazowych na utlenianie i możliwość stosowania dłuższych przebiegów międzywymianowych oleju.
  • Modyfikatory tarcia zmniejszają opór między ruchomymi częściami w celu poniesienia wydajności paliwowej. UWAGA: mogą być stosowane jedynie w olejach, które nie współpracują z mokrymi sprzęgłami.
  • Dodatki przeciwkorozyjne stanowią podstawowe substancje zabezpieczające silnik przed korozją zarówno wodną, jak i chemiczną (przede wszystkim siarkową).

Mając do dyspozycji tak wiele różnych baz olejowych i dodatków chemicznych, można opracować pełną gamę produktów: od podstawowej jakości olejów mineralnych przeznaczonych do pracy w starszych bądź mało wysilonych konstrukcjach silników, po najbardziej zaawansowane, w 100% syntetyczne oleje wyczynowe przeznaczone do pracy w skrajnych warunkach obciążeń, np. na torze podczas wyścigów czy rajdów.