Streszczenie
W niniejszym opracowaniu przedstawiono własnoĞci uĪytkowe olejów silniko-wych i zmiany zachodzące w oleju w procesie jego eksploatacji. Zaprezentowano równieĪ obecny stan wiedzy i prowadzonych badaĔ laboratoryjnych z obszaru moni-toringu stanu oleju silnikowego mających na celu czerpanie informacji na temat sta-nu zarówno samego oleju jak i maszyn.
Słowa kluczowe: analiza i zmiany oleju silnikowego, monitoring, stan oleju, starzenie oleju 1. Wprowadzenie
Olej silnikowy stanowi element konstrukcyjny silnika spalinowego. JednakĪe podczas eksploa-tacji olej ulega zmianom jakoĞciowym, co odzwierciedla stan techniczny maszyny. Na podstawie tej tezy na drodze badaĔ naukowych zostały opracowane odpowiednie systemy nadzoru nad sta-nem technicznym maszyny i oleju. W związku z powyĪszym moĪemy wyróĪniü dwa zasadnicze zadania oleju:
– dostarczenie informacji o stanie oleju, – dostarczenie informacji o stanie maszyny.
NajczĊĞciej, istotnym Ĩródłem informacji o stanie samego oleju jak i stanie technicznym silni-ka są takie parametry jak: lepkoĞü i wssilni-kaĨnik lepkoĞci, właĞciwoĞci smarne, liczba kwasowa lub zasadowa, zawartoĞü zanieczyszczeĔ. Poprzez stałe lub okresowe badanie oleju, tzw. monitoring, moĪna okreĞliü stan zuĪycia poszczególnych elementów silnika. Jednak przy załoĪeniu, Īe eksploa-towany obiekt jest technicznie sprawny, badanie oleju ma na celu jedynie okreĞlenie stanu jego dalszej przydatnoĞci.
W wiĊkszoĞci przypadków silników pojazdów samochodowych przydatnoĞü oleju smarnego okreĞlona jest odgórnie, poprzez wyznaczenie okresu jego uĪytkowania w godzinach pracy lub przejechanych przez pojazd kilometrach. UĪytkowanie silników spalinowych w innych niĪ prze-ciĊtne warunkach eksploatacji wymaga podjĊcia dodatkowych czynnoĞci związanych z okresową lub ciągłą kontrolą stanu oleju, stąd „diagnostyka” stanu oleju silnikowego nabiera istotnego zna-czenia. PodjĊcie właĞciwej decyzji o terminie wymiany lub doborze Ğrodka smarnego, popartej przeprowadzoną diagnostyką stanu, moĪe zapobiec awariom
i przedwczesnemu zuĪyciu silnika [7,9].
W celu monitorowania stanu oleju silnikowego stosuje siĊ róĪne metody badawcze. Specjali-styczne laboratoria, oprócz standardowych metod badaĔ, dodatkowo wykorzystują techniki spek-troskopii [6].
2. Proces zuĪywania maszyny podczas eksploatowania
W okresie eksploatowania kaĪdej maszyny wyróĪnia siĊ trzy zasadnicze okresy:
– docieranie – jest to okres pracy maszyny, odpowiadający procesowi nieustalonego zuĪywania siĊ maszyny i jej zespołów, w którym współpracujące czĊĞci dopasowują siĊ wzajemnie, zazwyczaj w warunkach zmniejszonego obciąĪenia; w tym okresie, w wyniku oddziaływaĔ termicznych, Ğci-nania oraz katalitycznego działania odsłanianych ĞwieĪych powierzchni metali, skojarzenia trące maszyny emitują znaczne iloĞci cząstek metalicznych, a właĞciwoĞci oleju ulegają szybkim zmia-nom;
– eksploatowanie normalne – jest to okres pracy maszyny, w którym maszyna jest w pełnej sprawnoĞci technicznej; w okresie tym nastĊpuje normalne zuĪywanie czĊĞci i zespołów maszyny, a takĪe oleju; powierzchnie trące emitują do oleju cząstki metaliczne, stĊĪenie metali i innych za-nieczyszczeĔ w oleju narasta stopniowo;
Nadmierne zuĪywanie moĪe doprowadziü do przejĞcia maszyny w stan przedawaryjny, czyli okres, w którym maszyna moĪe jeszcze pracowaü, ale sygnalizuje juĪ swoją niesprawnoĞü poprzez: drgania, wibracje, nienaturalne dĨwiĊki, nienaturalnie wysokie temperatury poszczególnych zespo-łów i oleju, wahania ciĞnienia oleju itp. Okres przedawaryjny rozpoczyna siĊ wówczas, gdy nastąpi uszkodzenie któregoĞ z pozornie mało istotnych elementów maszyny.
W odniesieniu do oleju okres przedawaryjny uwidacznia siĊ przyspieszonym starzeniem, zwiĊkszoną zawartoĞcią metali i innymi zmianami jakoĞciowymi oleju. NiezauwaĪenie okresu przedawaryjnego lub zlekcewaĪenie jego objawów, moĪe prowadziü do awarii maszyny i jej cał-kowitego wyłączenia z ruchu.
– awariĊ – jest to moment uszkodzenia, zepsucia siĊ maszyny; awaria uniemoĪliwia jej dalsze uĪytkowanie zgodnie z przeznaczeniem. W okresie tym nastĊpuje zuĪywanie awaryjne; najczĊĞciej koĔcowym efektem awarii maszyny jest jej zatrzymanie lub nawet zuĪycie katastroficzne. Moment awarii jest poprzedzany symptomami, umoĪliwiającymi przewidywanie awarii. W tym okresie na-stĊpuje tzw. zuĪycie przedawaryjne, sygnalizujące zbliĪający siĊ moment awarii [9].
3. WłasnoĞci olejów silnikowych
O przydatnoĞci olejów do olejania silników spalinowych decydują nastĊpujące własnoĞci: lep-koĞü, smarnoĞü, odpornoĞü na utlenianie, własnoĞci przeciwkorozyjne i własnoĞci zmywające.
LepkoĞü jest podstawową cechą oleju. Odpowiednia lepkoĞü zapewnia przede wszystkim utrzymanie tarcia płynnego, a tym samym zabezpiecza współpracujące czĊĞci przed zuĪyciem. Wpływa przede wszystkim na sprawnoĞü mechaniczną silnika. W technice wyróĪnia siĊ lepkoĞü dynamiczną i lepkoĞü kinematyczną.
SmarnoĞü oleju jest to zdolnoĞü do trwałego przylegania cząstek oleju do powierzchni sma-rowanych i wytwarzania na nich w warunkach tarcia półpłynnego trwałych warstw zmniejszających opory tarcia. WłasnoĞci smarne oleju są tym lepsze, im wiĊcej zawiera on tzw. substancji po-wierzchniowo czynnych, tj. związków chemicznych, których jony mają ładunki przeciwnego znaku niĪ jony metali, dlatego są przyciągane do powierzchni metalu, tworząc mocno przylegającą do niej warstwĊ graniczną oleju gruboĞci 1–15 ȝm. Dodatkami przeciwzuĪyciowymi lub przeciwdzia-łającymi zacieraniu są najczĊĞciej związki siarki, chloru lub fosforu.
OdpornoĞü oleju na utlenianie zaleĪy głównie od jego składu chemicznego. Jest to własnoĞü okreĞlająca zdolnoĞü wchodzenia w reakcje chemiczne oleju z tlenem i innymi pierwiastkami oraz związkami, z którymi olej ma stycznoĞü. Dla zwiĊkszenia odpornoĞci oleju na utlenianie dodaje siĊ do niego dodatki, które absorbują tlen, nie dopuszczając przez pewien czas do reakcji tlenu z czą-steczkami oleju. Dodatkami tymi są tzw. inhibitory utleniania, którymi mogą byü aminy, fenole i fosforany.
WłasnoĞci przeciwkorozyjne. W warunkach panujących w silniku niektóre składniki oleju lub produkty jego utleniania mogą wpływaü korodująco na metalowe czĊĞci silnika. KorozyjnoĞü oleju przyjĊto okreĞlaü za pomocą tzw. liczby kwasowej, czyli liczby miligramów wodorotlenku potasu (KOH), jaką trzeba dodaü do 1 grama oleju, aby uzyskał on odczyn obojĊtny. Jak wykazały bada-nia, olej o liczbie kwasowej 0,5–0,6 powoduje juĪ intensywną korozjĊ stopów łoĪyskowych zawie-rających ołów; zwłaszcza dotyczy to brązów ołowiowych. Dla ochrony tych stopów przed agre-sywnym działaniem kwasów zawartych w oleju powszechnie stosuje siĊ powlekanie roboczych powierzchni panewek mikrowarstewką metalu bardziej odpornego, np. cyny lub indu. W celu zwiĊkszenia własnoĞci przeciwkorozyjnych oleju stosuje siĊ dodatki, zwane inhibitorami korozji. Ich działanie polega na wytworzeniu na powierzchni metalu warstewki ochronnej, która zabezpie-cza przed bezpoĞrednim działaniem wody, tlenu oraz kwasów powstających w procesie starzenia siĊ oleju. Inhibitorami korozji mogą byü np. alkilofosforany lub fosforany.
WłasnoĞci zmywające. W celu zapobieĪenia zapiekaniu siĊ pierĞcieni tłokowych, szybkiemu zuĪyciu oleju oraz zanieczyszczaniu siĊ oleju w skrzyni korbowej do oleju są dodawane (w iloĞci 2–6%) tzw. dodatki myjące. Dodatki myjące, zwane detergentami, są to sole kwasów naftenowych i sulfonowych, mające zdolnoĞü zmywania osadów z powierzchni elementów silnika i utrzymywa-nia ich w oleju w postaci zawiesiny. W przypadku olejów wysokiej jakoĞci dodatki te stosuje siĊ przewaĪnie łącznie z inhibitorami utleniania i korozji. Bardzo waĪnym wskaĨnikiem, informują-cym o stanie oleju jest liczba zasadowa, okreĞla tzw. rezerwĊ alkaliczną, niezbĊdną do neutralizacji kwaĞnych, agresywnych korozyjnie produktów spalania paliwa [3,5].
4. Zmiany jakoĞciowe oleju podczas pracy
Normalne eksploatowanie oleju nieuchronnie prowadzi do stopniowej degradacji i zanieczysz-czenia oleju. Degradacja oleju jest to proces zmiany jego właĞciwoĞci, zwłaszcza uĪytkowych, na-stĊpujących w wyniku oddziaływania wysokiej temperatury oraz tlenu z powietrza, w obecnoĞci katalitycznie oddziaływujących metali oraz mechanicznych sił Ğcinających. Skutkiem degradacji oleju najczĊĞciej jest: zmiana barwy, wzrost liczby kwasowej, powstawanie osadów i laków, wzrost zawartoĞci cząstek stałych (zanieczyszczeĔ stałych), zmiana lepkoĞci itp. Zgodnie z powyĪ-szym kluczową rolĊ w degradacji oleju odgrywają procesy utleniania i zanieczyszczania oleju [5,7,8].
4.1. Utlenianie oleju
Podczas pracy silnika olej poddawany jest działaniu wysokiej temperatury w obecnoĞci tlenu zasysanego wraz z powietrzem atmosferycznym w wyniku czego ulega stopniowemu utlenianiu. Najłatwiej ulegają utlenianiu wĊglowodory parafinowe, a nastĊpnie olefinowe. Najbardziej odpor-ne na utlenianie są wĊglowodory aromatyczodpor-ne. Pierwszym produktem utleniania oleju, podobnie zresztą jak w przypadku utleniania paliw, są nadtlenki – nietrwałe związki tlenowe, które nastĊpnie przekształcają siĊ w kwasy tłuszczowe i hydroksykwasy. Mogą przy tym powstawaü róĪne aldehy-dy, ketony i alkohole. KoĔcowym efektem utleniania jest pojawienie siĊ w oleju osadów, których głównymi składnikami są: estry hydroksykwasów (estolidy), laki i smoły.
SzybkoĞü utleniania oleju roĞnie wraz z temperaturą. W normalnych warunkach atmosferycz-nych oleje mineralne praktycznie nie utleniają siĊ. W temperaturze 37–47 oC, a wiĊc w takiej, jaka wystĊpuje w misce olejowej, szybkoĞü utleniania oleju jest juĪ stosunkowo duĪa. Natomiast w temperaturze 97–117oC wzrasta ona wielokrotnie. NaleĪy podkreĞliü, Īe o ile
w granicach temperatury 300–315oC wystĊpują tylko reakcje utleniania, to wyĪszej temperaturze nastĊpuje rozkład termiczny oleju połączony z koksowaniem i spalaniem oraz intensywnym osa-dzaniem siĊ osadów wĊglowych.
Procesy utleniania znacznie siĊ przyspieszają w obecnoĞci niektórych metali lub ich związków chemicznych. ChociaĪ mechanizm współdziałania metali w procesie utleniania olejów nie jest jeszcze dostatecznie wyjaĞniony, jednakĪe moĪna przyjąü hipotezĊ, Īe metale adsorbują tlen, two-rząc nadtlenki, które z kolei rozpadają siĊ, wydzielając nowe cząsteczki tlenu zdolne do reakcji z olejem. Najbardziej aktywnymi katalizatorami utleniania są: miedĨ, ołów, Īelazo, mangan, anty-mon, chrom, rtĊü. Wiele metali nie wpływa w ogóle na przyspieszenie procesów utleniania olejów, np. aluminium, bar, cyna, cynk, kadm, lit, magnez, sód, srebro, wapĔ.
W czasie utleniania oleju tworzą siĊ róĪne nowe substancje szkodliwe wpływające na pracĊ silnika. SpoĞród róĪnych produktów utleniania bardzo niebezpieczne działanie wykazują kwasy organiczne, które w sprzyjających warunkach korodują czĊĞci silnika. Najbardziej podatne na dzia-łanie kwasów są stopy brązu ołowiowego, powszechnie stosowanego do wyrobu łoĪysk silnie ob-ciąĪonych silników. Produkty utleniania oleju osadzają siĊ na czĊĞciach silnika oraz tworzą szlam na dnie miski olejowej i w kanałach olejowych. Nadtlenki i kwasy zawarte w produktach utleniania oleju, działając na metal, powodują nasilenie procesów korozyjnych. Przebieg korozji panewek z wymienionego stopu jest bardzo charakterystyczny, gdyĪ kwasy zawarte w oleju atakują przede wszystkim ołów, wymywając go ze stopu. Osłabiona struktura krystaliczna brązu nie wytrzymuje juĪ obciąĪeĔ powstających w czasie pracy silnika – panewki niszczą siĊ i wykruszają. Ołów moĪe byü wymywany z panewek tylko w poszczególnych miejscach równomiernie na całej powierzchni [5,7,8].
4.2. Zanieczyszczenia i ich wpływ na pracĊ silnika
Otaczające nas powietrze zawiera kurz, pył, dym, cząstki roĞlinne i inne zanieczyszczenia. Wszystkie obce cząstki zasysane razem z powietrzem przedostają siĊ do skrzyni korbowej izanieczyszczają olej. Zjawisko to jest bardzo niepoĪądane, poniewaĪ twarde substancje ocharakterze Ğciernym (np. ziarna piasku, cząstki wĊgla itp.) mogą porysowaü powierzchnie współpracujących czĊĞci silnika i spowodowaü ich przedwczesne zuĪycie. Do oleju przedostaje siĊ równieĪ paliwo i produkty jego spalania oraz cząstki metalu startego z współpracujących czĊĞci silnika.
Powstająca podczas spalania para wodna ma powaĪny wpływ na trwałoĞü silnika. Mimo, Īe wiĊkszoĞü pary uchodzi z gazami spalinowymi na zewnątrz, to jednak pewne jej iloĞci pozostają na Ğciankach skrzyni korbowej i przedostają siĊ do oleju. Para wodna przedostaje siĊ równieĪ do silnika z powietrzem zasysanym do cylindrów lub do układu przewietrzania silnika. JeĪeli temperatura pracy silnika jest niska (temperatura wody chłodzącej poniĪej 60–65oC, a temperatura oleju 70–75oC) lub gdy skrzynia korbowa jest niedostatecznie przewietrzana, para wodna zaczyna siĊ skraplaü. Powstająca woda miesza siĊ z produktami utleniania oleju, tworząc trwałą, nierozpuszczalną emulsjĊ, tzw. szlam. Szlam ten osadza siĊ w misce olejowej, zatyka siatki filtrujące i utrudnia przepływ oleju.
Innym, nie mniej szkodliwym zanieczyszczeniem, przedostającym siĊ do oleju zprzedmuchanymi z komory spalania gazami, są cząstki koksu pochodzące z niepełnego spalania paliwa. JeĪeli cząstki te są drobne, to utrzymują siĊ w postaci zawiesiny w oleju, znacznie go zagĊszczając. W obecnoĞci wody mają tendencjĊ do wytrącania siĊ i tworzenia nierozpuszczalnych osadów.
DuĪy wpływ na zmianĊ własnoĞci oleju, a przede wszystkim jego lepkoĞü, wywiera paliwo przedostające siĊ do miski olejowej. Nieodparowane paliwo razem z warstwą oleju, znajdującą siĊ na Ğciankach cylindra, spływa do miski olejowej i rozcieĔcza olej, obniĪając niekiedy jego lepkoĞü poniĪej wymaganej wartoĞci. W celu dokładniejszej analizy, jak kształtuje siĊ zawartoĞü róĪnych zanieczyszczeĔ w przepracowanych olejach, w tablicy 1 podano wyniki analizy 640 próbek oleju pobranych podczas jego wymiany w silniku [1,4,5,7,8].
Tabela 1. ZawartoĞü róĪnych zanieczyszczeĔ w próbkach oleju pobranych podczas wymiany oleju Rodzaj zanieczyszczenia ZawartoĞü oleju %
Benzyna 1-5
Woda Ğlady-0,5
Twarde zanieczyszczenia Ğlady-2,0
Nierozpuszczalne osady Īywiczne Ğlady-0,5
ħródło: [5].
Nierozpuszczalne w oleju pozostałoĞci i osady z niepoĪądanych reakcji oleju silnikowego zproduktami spalania mogą doprowadziü do powstania osadów w silniku. W przypadku eksploatacji w ekstremalnych warunkach, samochodem z wadliwym olejem, moĪe utworzyü siĊ gĊsta, podobna do smoły, papka, która w krótkim czasie zapcha pompĊ olejową i filtry, przewody ikanały.
W procesie eksploatowania nastĊpuje zanieczyszczenie oleju stałymi cząstkami obcymi (za-nieczyszczeniami stałymi). Mogą to byü zanieczyszczenia wewnĊtrzne:
– cząstki metali i stopów, zwłaszcza intensywnie wytwarzane podczas docierania, a w okresie nor-malnego eksploatowania, pochodzące z nornor-malnego zuĪywania powierzchni trących,
– cząstki elastomerów, pochodzące z uszczelnieĔ, – cząstki przegród filtracyjnych,
– produkty degradacji oleju. lub zewnĊtrzne:
– kurz (krzemionka),
– cząstki organiczne (pyłki kwiatowe, nasiona i inne czĊĞci roĞlin, owady itp.), – zanieczyszczenia stałe wnoszone wraz z dolewkami oleju.
Kurz i cząstki organiczne najczĊĞciej przedostają siĊ do oleju w wyniku: – nieszczelnoĞci układu smarowania,
– niewłaĞciwej wentylacji zbiornika oleju, – niewłaĞciwych warunków uzupełniania oleju.
Olej moĪe równieĪ byü zanieczyszczony innymi cieczami eksploatacyjnymi: – olejami pochodzącymi z innych układów lub olejami technologicznymi, – wodą,
– paliwem,
– Ğrodkami myjącymi, – cieczami do obróbki metali.
W wyniku prowadzonych zabiegów pielĊgnacyjnych i dolewek, zawartoĞü zanieczyszczeĔ stałych w oleju moĪe przejĞciowo ulegaü zmniejszeniu, ale na ogół jest obserwowany ogólny trend wzrostowy, zwłaszcza w zakresie cząstek o Ğrednicach poniĪej 2 ȝm [9].
5. Systemy monitoringu maszyn i oleju
W celu bieĪącej kontroli stanu technicznego maszyn oraz jakoĞci oleju OĞrodek Badawczo-Rozwojowy w Solaise, opracował system analiz laboratoryjnych olejów o nazwie LUBIANA1. Przewodnią ideą systemu LUBIANA jest istnienie zaleĪnoĞci miĊdzy stanem jakoĞciowym oleju, jego czasem pracy w maszynie oraz stanem technicznym maszyny. Na podstawie wieloletnich do-ĞwiadczeĔ i badaĔ naukowców i inĪynierów ustalono, które parametry jakoĞciowe oleju dostarcza-ją najwiĊcej informacji o stanie technicznym maszyny.
Istotnym elementem takich systemów analiz oleju jest proces pobieranie próbek do badaĔ NiewłaĞciwe pobrana próbka oleju moĪe byü przyczyną niereprezentatywnych wyników badaĔ, a co za tym idzie mylnych interpretacji. Sposoby pobierania próbek regulują odpowiednie normy miĊdzynarodowe (ISO 3170) oraz krajowe (PN-ISO 3170). Przestrzeganie postanowieĔ tych norm daje gwarancjĊ reprezentatywnoĞci próbki. KaĪdy z parametrów, ocenianych w systemie LUBIA-NA, jest Ĩródłem wielu informacji, pozwalających na ocenĊ stanu maszyny oraz oleju. Dla olejów silnikowych przykładowe parametry badane są w systemie ANAC INDU i naleĪą do nich:
– wygląd oleju/ barwa oleju, – zawartoĞü wody,
– zawartoĞü pierwiastków pochodzących z dodatków, – zawartoĞü pierwiastków pochodzących ze zuĪycia, – liczba kwasowa,
– zanieczyszczenia stałe nierozpuszczalne w oleju, – lepkoĞü kinematyczna w 40°C i100°C,
– wskaĨnik lepkoĞci
– zdolnoĞü do wydzielania powietrza – liczba zasadowa
– spektrometria w podczerwieni
– zdolnoĞü do wydzielania wody – deemulgowalnoĞü – skłonnoĞü do pienienia
– odpornoĞü na przebicie elektryczne – temperatura zapłonu
– pozostałoĞü po koksowaniu
– klasa czystoĞci – oznaczenie składu granulometrycznego cząstek zanieczyszczeĔ – przy pomocy automatycznego licznika cząstek ALC
– analityczny wskaĨnik cząstek AWC – okreĞlany na podstawie obrazu mikroskopowego wyizolo-wanych cząstek zanieczyszczeĔ stałych z oleju. SłuĪy do oceny stanu maszyny i jest oparty o za-leĪnoĞci empiryczne (modele matematyczne), opracowane na podstawie iloĞci, wielkoĞci i rodzaju cząstek stałych znajdujących siĊ w badanej próbce oleju.
Na podstawie uzyskanych wyników zostaje sporządzony raport dotyczący badanej próbki oleju opatrzony komentarzem oraz diagnozą oleju. Sama diagnoza oleju odbywa siĊ na dwóch poziomach, w skład której wchodzą: wyniki poszczególnych parametrów oraz diagnoza globalna. Diagnoza globalna jest rezultatem wielu obliczeĔ:
– porównanie wszystkich charakterystyk z wartoĞciami kryterialnymi
– analiza wszystkich dotychczasowych diagnoz stawianych dla podzespołów tego samego typu maszyn, czy układów o takiej samej konstrukcji.
Ostatnim etapem jest interpretacja rezultatów systemu Anac Indus i podjĊcie działaĔ korygujących. W przypadku przekroczenia wartoĞci granicznych, ustalonych na podstawie doĞwiadczeĔ, przewi-dziano sugerowanie uĪytkownikom działaĔ zaradczych, mających na celu doprowadzenie stanu technicznego maszyny i oleju do stanu właĞciwego.
Wygląd oleju jest oceniany wzrokowo. Jest on Ĩródłem informacji zarówno o stanie oleju jak i stanie maszyny. Zmieniony wygląd oleju (znaczne pociemnienie) w stosunku do ĞwieĪego Ğwiad-czy, Īe uległ on procesom degradacji. Gdy olej nie uległ pociemnieniu Ğwiadczy to, Īe jest on wła-Ğciwie dobrany do warunków pracy (wystĊpujących wymuszeĔ termicznych
i mechanicznych), a maszyna (zespół) pracuje prawidłowo.
Zmieniona barwa oleju na ciemną, Ğwiadczy o postĊpującym procesie jego starzenia lub termicz-nego rozkładu. MoĪe to byü skutkiem zbyt długiego uĪytkowania lub działania zbyt wysokiej tem-peratury. Zmieniona barwa oleju moĪe równieĪ Ğwiadczyü o odmyciu osadów po oleju wczeĞniej uĪytkowanym, który był zbyt niskiej jakoĞci w stosunku do wymagaĔ maszyny.
ZmĊtnienie oleju (wygląd mleczny) Ğwiadczy o przedostaniu siĊ do oleju wody lub innych nieroz-puszczalnych w nim cieczy eksploatacyjnych, np. olejów syntetycznych na bazie glikoli. ZmĊtnie-nie moĪe rówZmĊtnie-nieĪ Ğwiadczyü o wypadaniu z oleju osadów, pochodzących z dodatków.
ZawartoĞü wody, w wiĊkszoĞci przypadków, jest oznaczana tzw. metodą wodorkową, a w niektórych przypadkach, gdy jest wymagana duĪa dokładnoĞü, metodą Karla Fischera. Na pod-stawie badaĔ olejów w okresie eksploatowania, ustala siĊ dopuszczalne wartoĞci zawartoĞci wody. ObecnoĞü wody w oleju, w iloĞciach wiĊkszych niĪ dopuszczalna dla danego rodzaju oleju, moĪe Ğwiadczyü o przedostawaniu siĊ wody do układu olejowego z innych obiegów (np. układu chłodze-nia wodą) lub z atmosfery.
Woda w oleju moĪe byü przyczyną rozkładu bazy (degradacji) niektórych rodzajów olejów (np. estrowych), rozkładu zawartych w oleju dodatków uszlachetniających, a takĪe przyczyną zaciera-nia lub przyĞpieszonego zuĪycia skojarzeĔ trących i korozji metali.
Cząstki stałe są to zanieczyszczenia stałe. NajczĊĞciej są to cząstki Ğcieru metalicznego, pro-dukty korozji, a takĪe krzemionka i inne minerały, przedostające siĊ do oleju z zewnątrz (kurz). Powodują one zarysowywanie i szlifowanie współpracujących powierzchni skojarzeĔ trących. Na-gromadzenie cząstek nierozpuszczalnych w oleju smarowym, jest jedną z podstawowych przyczyn zuĪywania maszyn.
ZawartoĞü cząstek nierozpuszczalnych jest oznaczana jedną z poniĪszych metod: – metodą grawimetryczną,
– przy uĪyciu automatycznych liczników cząstek, jako tzw. skład granulometryczny, – metodą ferrograficzną,
LepkoĞü kinematyczna w trakcie uĪytkowania oleju, w zaleĪnoĞci od jego składu chemiczne-go jak i oddziaływujących wymuszeĔ termicznych, chemicznych i mechanicznych, moĪe ulegaü zarówno zmniejszeniu jak i zwiĊkszeniu. ZwiĊkszona lepkoĞü oleju wskazuje na postĊpujące pro-cesy utleniania, wskutek podwyĪszonych temperatur, a niekiedy jest rezultatem dolania oleju o lepkoĞci wyĪszej niĪ znajdujący siĊ w układzie. Zmniejszona lepkoĞü najczĊĞciej jest wynikiem dodania oleju o mniejszej lepkoĞci lub Ğcinania dodatku polimerowego.
WskaĨnik lepkoĞci, jego zmiana w stosunku do wyjĞciowego, moĪe Ğwiadczyü o zmniejsze-niu efektywnoĞci dodatków poprawiających właĞciwoĞci reologiczne oleju pod wpływem wody, wymuszeĔ termicznych lub mechanicznych albo utleniania. Dodatki tego typu są polimerami, mogą one ulegaü degradacji pod wpływem mechanicznych sił Ğcinających.
Liczba kwasowa jest oznaczana metodami znormalizowanymi, właĞciwymi dla badanego ro-dzaju oleju. W toku uĪytkowania oleju, w wyniku procesów utleniania (degradacji) mniej odpor-nych jego składników, nastĊpuje zwiĊkszanie liczby kwasowej. Na marginesie naleĪy wspomnieü, Īe niektóre oleje zawierają dodatki o charakterze kwasowym. W wyniku ich rozkładu moĪe nastĊ-powaü zmniejszenie liczby kwasowej. Z tego wzglĊdu wartoĞü liczby kwasowej nie powinna ulec zbyt duĪemu zwiĊkszeniu, ale równieĪ nie powinna ulec nadmiernemu zmniejszeniu. Nadmierne zwiĊkszenie liczby kwasowej moĪe katalizowaü procesy rozkładu składników oleju (degradacji), a takĪe byü przyczyną korozji niektórych metali [2].
ZawartoĞü pierwiastków takich jak: fosfor (P), bor (B), cynk (Zn), magnez (Mg) i wapĔ (Ca) jest oznaczana metodą emisyjnej spektrometrii plazmowej ICP. ObecnoĞü w oleju pierwiastków takich jak: fosfor (P), bor (B), cynk (Zn), magnez (Mg) i wapĔ (Ca) najczĊĞciej jest wynikiem obecnoĞci w składzie olejów dodatków, zawierających te pierwiastki. Dodatki te poprawiają wła-ĞciwoĞci uĪytkowe oleju.
JeĪeli olej w swoim składzie zawiera dodatki, których składnikami są: fosfor, bor, cynk, ma-gnez lub wapĔ, ich zawartoĞü na ogół maleje w czasie eksploatowania. Jest to rezultat zuĪywania siĊ dodatków zawartych w oleju wskutek eksploatowania oraz w wyniku procesów utleniania, roz-kładu termicznego, a niekiedy takĪe oddziaływania wody.
ZawartoĞü innych pierwiastków metalicznych, takich jak: Īelazo (Fe), miedĨ (Cu), glin (Al), ołów (Pb), chrom (Cr), cyna (Sn) najczĊĞciej jest rezultatem procesów zuĪywania metalowych po-wierzchni skojarzeĔ trących. Powolne zwiĊkszenie zawartoĞci tych metali w oleju jest sygnałem Ğwiadczącym o postĊpujących procesach zuĪywania metalowych powierzchni skojarzeĔ trących. Jest to proces naturalny, aczkolwiek szkodliwy. ZwiĊkszona zawartoĞü tych metali w oleju katali-zuje procesy utleniania i termicznego rozkładu składników oleju.
ZwiĊkszanie zawartoĞci metali, zwłaszcza Īelaza i miedzi, moĪe takĪe byü spowodowane po-stĊpującymi procesami rdzewienia i korozji.
Przykładowe wykresy wyników pomiarów zawartoĞci Fe (rys. 2 A) i Cu (rys. 2 B) dla przy-padku gdy olej ĞwieĪy nie zawierał tych metali (krzywa 1) i dla próbek dwóch olejów, pobieranych z układu maszyny, zawierających róĪną zawartoĞü Fe i Cu (krzywe 3, 4), przedstawiono na rys. 2.
Gwałtowne zwiĊkszenie zawartoĞci metali w oleju jest najczĊĞciej powodowane katastroficz-nym zuĪywaniem niektórych czĊĞci maszyny. Na podstawie zwiĊkszenia zawartoĞci okreĞlonych metali wnioskuje siĊ o tym, które czĊĞci ulegają przyspieszonemu zuĪyciu.
Przykładowo, jeĪeli zwiĊksza siĊ zawartoĞü miedzi i cyny, Ğwiadczy to, Īe przyĞpieszonemu zuĪy-ciu podlega czĊĞü, wykonana z brązu cynowego (tulejki, panewki, inne elementy Ğlizgowe). JeĪeli zwiĊksza siĊ zawartoĞü miedzi i ołowiu, Ğwiadczy to, Īe przyĞpieszonemu zuĪywaniu ulega czĊĞü wykonana z brązu ołowiowego (łoĪyska, panewki). ZwiĊkszenie zawartoĞci glinu, moĪe byü wyni-kiem zuĪywania siĊ czĊĞci, wykonanych z duraluminium lub innych stopów glinu. Wnioskowanie na tej podstawie pozwala na szybszą lokalizacjĊ uszkodzenia i znaczne zmniejszenie nakładów na remont maszyny. NajczĊĞciej jednak, obserwuje siĊ intensywne zwiĊkszanie zawartoĞci Īelaza, jako Īe wiĊkszoĞü czĊĞci maszyn jest wykonana ze stali, której podstawowym składnikiem jest ten
metal. W takim przypadku, pod uwagĊ bierze siĊ równieĪ stopieĔ zwiĊkszenia zawartoĞci metali, które mogą byü składnikami stali stopowych, takich jak: chrom, nikiel, wolfram i inne. Analiza stopów, jakie zostały zastosowane do budowy poszczególnych czĊĞci maszyny, pozwala niekiedy na trafną lokalizacjĊ uszkodzenia maszyny.
ObecnoĞü w oleju krzemu (Si), jest najczĊĞciej spowodowana przedostawaniem siĊ do układu ole-jenia, zanieczyszczeĔ z zewnątrz w postaci krzemionki (kurz, piasek). Krzemionka, ze wzglĊdu na ostroĞü krawĊdzi i duĪą twardoĞü, powoduje przyspieszone zuĪywanie smarowanych czĊĞci.
Rysunek 2. Wykres obrazujący wyniki oznaczania zawartoĞci metali metodą plazmowej spektrometrii emisyjnej
A – przedział długoĞci fali zawierający pik właĞciwy dla Fe, B – przedział długoĞci fali zawierają-cy pik właĞciwy dla Cu
1 – widmo emisyjne oleju ĞwieĪego (bez zawartoĞci metali), 2 – wzorzec, 3, 4 – widma emisyjne oleju z róĪną zawartoĞcią metalu
Liczba zasadowa (TBN) jest to parametr kontrolowany w olejach stosowanych w silnikach Diesla. Liczba zasadowa Ğwiadczy o obecnoĞci w oleju dodatków o charakterze zasadowym (alka-licznym), stanowiących tzw. rezerwĊ alkaliczną oleju. Dodatki o charakterze zasadowym są wpro-wadzane do oleju w celu zobojĊtnienia kwasu siarkowego, siarkawego i azotowego oraz innych mocnych kwasów, powstających w wyniku spalania paliwa. Dotyczy to zwłaszcza przypadku sto-sowania paliw zawierających duĪą zawartoĞü siarki.
W wyniku zobojĊtniania powstających kwasów, zawartoĞü składników oleju o charakterze zasa-dowym maleje, z czym związane jest zmniejszanie liczby zasadowej. W skrajnym przypadku, mo-Īe to doprowadziü do takiego zmniejszenia liczby zasadowej, mo-Īe powstające kwasy nie bĊdą mogły byü zobojĊtniane; nastĊpuje wówczas intensyfikacja procesów korozji metali [2].
ZdolnoĞü dyspergująca badanie polega na ocenie zdolnoĞci oleju do dyspergowania (rozpra-szania) sadzy. Oznaczenie jest wykonywane poprzez naniesienie na specjalną bibułĊ filtracyjną kropli oleju z dodatkiem ĞciĞle okreĞlonej zawartoĞci sadzy. Obraz powstałej plamki jest odnoszo-ny do wzorców. JeĪeli olej równomiernie rozprowadza sądzĊ na całej, zwilĪonej powierzchni, oce-nia siĊ, Īe jego zdolnoĞü dyspergująca jest właĞciwa. Natomiast jeĪeli sadza zawieszona w oleju nie rozpływa siĊ, a jedynie tworzy zwartą plamĊ w miejscu naniesienia kropli ocenia siĊ, Īe olej nie ma zdolnoĞci dyspergujących.
Im zdolnoĞü dyspergująca oleju jest lepsza, tym łatwiej są dyspergowane produkty rozkładu oleju i niedopalone składniki paliw, tym łatwiej są zmywane osady, odkładające siĊ na Ğciankach komo-ry spalania, denku i Ğciankach tłoka oraz w rowkach i na pierĞcieniach tłokowych.
Spektrometria w podczerwieni jest badaniem, polegającym na ocenie zmian jakoĞci oleju poprzez rejestracjĊ i analizĊ jakoĞciową i iloĞciową jego widma w Ğwietle podczerwonym. Badanie jest wykonywane przy zastosowaniu aparatu, zwanego spektrometrem do podczerwieni[6]. W wyniku analizy widma w podczerwieni oleju okreĞla siĊ zawartoĞü produktów utleniania oleju, zmiany w składzie dodatków oraz zawartoĞü składników znitrowanych. Nitrozwiązki powstają w oleju w wyniku reakcji nitrowania produktami utleniania azotu z powietrza do tlenków azotu. Przykład widma w podczerwieni dla oleju ĞwieĪego (wykres 3 – 1) oraz przepracowanego (wykres 3–2) przedstawia rys. 3. RóĪnice w wielkoĞci pików, oznaczone jako wykres 3, mogą byü podsta-wą do wnioskowania o zmianach w składzie (jakoĞci) badanego oleju.
Rysunek 3 Widma w podczerwieni (1 – widmo oleju ĞwieĪego, 2 – widmo oleju przepracowanego, 3 – piki Ğwiadczące o zmianach składu chemicznego oleju przepracowanego)
ħródło: [9].
ZdolnoĞü do wydzielania wody (deemulgowalnoĞü) jest oceniana w olejach w przypadkach, gdy olej moĪe mieü bezpoĞredni kontakt z wodą lub parą wodną, parametr ten ma istotne znaczenie dla oceny jakoĞci oleju.
Produkty rozkładu składników oleju (niektórych dodatków), a takĪe dolewki niewłaĞciwych ole-jów, mogą powodowaü pogorszenie jakoĞci oleju w tym zakresie.
SkłonnoĞü do pienienia (oceniana metodami standardowymi). W wyniku degradacji oleju powstają substancje powierzchniowoczynne, powodujące skłonnoĞü oleju do pienienia. Powstająca piana zmniejsza intensywnoĞü smarowania skojarzeĔ trących, jest to spowodowane zmniejszeniem dopływu oleju do smarowanych czĊĞci. Piana moĪe byü takĪe przyczyną przelewania siĊ oleju po-przez układ odpowietrzający zbiornika.
Temperatura zapłonu – jest oznaczana wieloma metodami standardowymi, właĞciwymi dla badanych olejów, przywołanych w normach produktowych lub specyfikacjach.
ObniĪona temperatura zapłonu, Ğwiadczy o rozkładzie mniej odpornych składników oleju i powstaniu składników lotnych. Lotne składniki mogą równieĪ przedostaü siĊ do oleju w rezulta-cie niewłaĞciwej jego pielĊgnacji (np. filtracji) lub jako przerezulta-cieki lekkiego oleju lub paliwa (np. z układu zasilania silnika).
PozostałoĞü po koksowaniu – jest oznaczana znormalizowaną metodą wg Ramsbottoma. Jest to parametr istotny dla wielu olejów i Ğwiadczy głównie o poprawnoĞci przeprowadzenia procesów produkcyjnych, a w przypadku olejów z układów smarowania o postĊpie procesów degradacji, zachodzących pod wpływem wysokiej temperatury i działania tlenu z powierza.
W przypadku olejowych noĞników ciepła, skłonnoĞü oleju do koksowania i związany z tym para-metr – pozostałoĞü po koksowaniu, są istotne ze wzglĊdów eksploatacyjnych. Powstający
po-garszając tym samym eksploatacyjne właĞciwoĞci oleju.
WĊgiel (sadza) – jest oznaczana w olejach stosowanych jako olejowe noĞniki ciepła, ze wzglĊdów, jakie podano wyĪej.
Klasa czystoĞci jest okreĞlana na podstawie oznaczania składu granulometrycznego cząstek zanieczyszczeĔ. Pod tym pojĊciem rozumie siĊ liczbĊ cząstek zanieczyszczeĔ stałych, przypadają-cych na okreĞlone przedziały wymiarowe ich Ğrednic zastĊpczych. Jako przedziały wymiarowe najczĊĞciej ustala siĊ zakresy Ğrednic: 5…15, 15…25, 25… 50, 50…100 oraz >100 ȝm. W niektó-rych przypadkach pomiary składu granulometrycznego są dokonywane dla innych Ğrednic cząstek. Analityczny wskaĨnik cząstek (AWC) – jest to parametr opracowany na podstawie setek ty-siĊcy badaĔ i tyty-siĊcy analizowanych przypadków. Jest on okreĞlany na podstawie obrazu mikro-skopowego wyizolowanych cząstek zanieczyszczeĔ stałych z oleju. SłuĪy do oceny stanu maszyny i jest oparty o zaleĪnoĞci empiryczne (modele matematyczne), opracowane na podstawie iloĞci, wielkoĞci i rodzaju cząstek stałych, znajdujących siĊ w badanej próbce oleju. Analityczny wskaĨ-nik cząstek jest ĞciĞle związany z innymi stosowanymi metodami laboratoryjnymi. Daje on pełny obraz zachowania właĞciwych warunków pracy maszyny.
Cząstki zanieczyszczeĔ stałych w oleju, w zaleĪnoĞci od Ĩródła ich pochodzenia, mają róĪny wy-gląd. Na podstawie ich wyglądu, barwy, kształtu oraz wymiarów wnioskuje siĊ o zachodzących w maszynie procesach zuĪywania lub Ĩródłach zanieczyszczeĔ, co ilustruje tabela 2.
Analityczny wskaĨnik cząstek zawiera siĊ w granicach 0… 1000. Dla kaĪdego typu maszyny, są ustalone wartoĞci kryterialne, opracowane na podstawie wieloletnich badaĔ i analiz oraz bazy danych LUBIANA. Na ogół są one róĪne, w zaleĪnoĞci od typu maszyny. Do oznaczania obszarów wartoĞci granicznych przyjĊto kolory:
– zielony, przedział wartoĞci dla normalnej pracy maszyny i normalnego stanu pracującego oleju, – pomaraĔczowy, sygnalizujący istnienie zagroĪeĔ i sugerujący czĊstszą kontrolĊ maszyny poprzez
badanie oleju,
– czerwony dla stanu przedawaryjnego.
Zaznaczenie wyniku badaĔ odpowiednim kolorem informuje uĪytkownika maszyny o ewentu-alnych zagroĪeniach, jakie naleĪy braü pod uwagĊ przy podejmowaniu decyzji, na podstawie rezul-tatów badaĔ.
SpecjaliĞci TOTAL mogą pomóc przy wyborze olejów, maszyn lub ich zespołów, które bĊdą monitorowane podczas eksploatowania, z zastosowaniem systemu LUBIANA oraz czĊstotliwoĞci prowadzenia badaĔ. W ten sposób bĊdzie teĪ moĪna podjąü optymalną decyzjĊ o zakresie analiz, jakie bĊdą wykonywane.
KaĪda ze stosowanych metod badania cząstek zanieczyszczeĔ stałych odnosi siĊ do właĞciwe-go dla niej obszaru Ğrednic cząstek [9].
Tabela 2 Rodzaj, wielkoĞü charakterystyka, Ĩródła i pochodzenie cząstek stałych w oleju
ħródło: [9]. 6. Podsumowanie
Analiza treĞci zaprezentowanych w niniejszym artykule pozwala sformułowaü nastĊpujące wnioski:
1. Monitoring stanu oleju silnikowego pozwala diagnozowaü stan silnika, a jednoczeĞnie stan pojazdu samochodowego.
2. DziĊki regularnie wykonywanym analizom oleju moĪna zoptymalizowaü okresy wymian i zu-Īycia Ğrodków smarnych.
3. Poprzez analizĊ zmian cech jakoĞciowych oleju silnikowego moĪna okreĞliü Ĩródła pochodze-nia zanieczyszczeĔ i produktów zuĪycia
4. Regularna analiza oleju silnikowego pozwala oceniü warunki pracy, wydłuĪa ĪywotnoĞü urzą-dzenia oraz eliminuje powstanie niespodziewanych awarii maszyny.
5. Metoda monitoringu stanu oleju silnikowego stanowi uzupełnienie informacji uzyskanych z diagnostyki innymi metodami wibracyjnymi, termograficznymi itp.
Bibliografia
1. Baczewski K., Hebda M., Jaroszczyk T., Filtracja oleju, paliwa i powietrza w tłokowych silni-kach spalinowych, Wydawnictwa Komunikacji i ŁącznoĞci, Warszawa 1977: s. 27–35. 2. Barcewicz K., ûwiczenia laboratoryjne z chemii wody, paliw i smarów, Wydawnictwo
Aka-demii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2006: s. 97– 99,106–107.
3. Kajdas Cz., Podstawy zasilania paliwem i smarowania samochodów, Wydawnictwa Komuni-kacji i ŁącznoĞci, Warszawa 1983: s. 336–337, 349–386.
4. Kijewski J., Silniki spalinowe, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1978: s. 261. 5. Michałowska J., Paliwa, oleje, smary, WKiŁ, Warszawa 1977: s. 174–181,197–204.
6. Silverstein R. M., Webster F. X., Kiemle D. J., Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN, Warszawa 2007: s. 72.
7. Zwierzycki W., Oleje smarowe. Dobór i uĪytkowanie, Rafineria Nafty Glimar 1996: s. 83–84 8. Zwierzycki W., Oleje, paliwa i smary dla motoryzacji i przemysłu, Rafineria Nafty Glimar,
Gorlice 2001: s. 260–272.
9. Total, (2011, Maj 23). Sieci [Online]. DostĊpne: http://www.elf.com.pl/wiedza.
ENGINE OIL CONDITION MONITORING OF A PREDICTION OF MACHINES Summary
This paper presents the useful properties of motor oils and changes in oil during its operation. Also presented the current state of knowledge and laboratory research in the area of condition monitoring of engine oil in order to derive information on the status of both the oil and machinery.
Keywords: analyzing and changing engine oil, monitoring the oil, oil aging
Małgorzata Kastelik
PaĔstwowa WyĪsza Szkoła Zawodowa im. St. Staszica w Pile ul. PodchorąĪych 10, 64-920 Piła
