Nowoczesne systemy oczyszczania spalin w kontekście zmian właściwości oleju silnikowego. filtr cząstek stałych i wpływ na degradację oleju silnikowego.

Dla każdego, komu nie są obce zasady działania silnika samochodowego, jest oczywiste, że nieprawidłowe działanie jednostki napędowej oraz obsługujących go czujników i elementów wykonawczych może prowadzić do awarii układów oczyszczania spalin. Przykłady takich awarii oraz niesprawności systemu zarządzania silnikiem są wielorakie a najczęściej spotykanymi jest zużycie mechaniczne (włącznie ze zużyciem oleju), problemy z układem wtryskowym (np. wadliwe lub nieprawidłowo zakodowane lub poza tolerancją wtryskiwacze), wadliwa turbosprężarka (nieprawidłowe ustawienie siłownika zaworu upustowego, zmienna geometria VNG), dysfunkcja przepływomierza i/lub czujnika ciśnienia doładowania, wadliwe połączenia elektryczne itp.   

Zastanówmy się czy odwrotność tego twierdzenia też jest poprawna? Czy usterki w układach oczyszczania spalin mogą prowadzić do awarii silnika? Czy olej silnikowy może być powodem, który w przypadku awarii układów oczyszczania spalin może doprowadzić, w ekstremalnych warunkach, do awarii silnika?  

 

Ponieważ odpowiedź nie jest oczywista, w dalszej części proponujemy odpowiedź na to pytanie. 
W celu zapoznania się z podstawowymi pojęciami, zachęcamy do odbycia kursu szkoleniowego poświęconego smarowaniu i środkom smarnym który jest dostępny na bezpłatnej platformie e-learningowej Castrol: "Learning Campus": 

https://thelearningcampus.bp.com/uxp/login  

Jeśli podstawy trybologii i smarowania mechanizmów są znane to możemy przejść do następnej części tego artykułu, a tu jedynie przypomnijmy niezbędne pojęcia. 

Szkolenia Castrol realizowane dla partnerów handlowych zawierają część merytoryczną poświęconą olejom do silników samochodowych. Dowiadujemy się stamtąd, że zmniejszenie tarcia i zużycia to podstawowe funkcje środka smarnego, jednak musi on pełnić również wiele innych funkcji (np. ochrona powierzchni przed zużyciem oraz korozją, chłodzenie silnika, zapobieganie gromadzeniu się zanieczyszczeń i utrzymywanie ich w formie zawiesiny w oleju, utrzymywanie powierzchni w czystości, uszczelnianie komory spalania itd.). 

Warto więc pamiętać, że od oleju silnikowego wymaga się spełnienia wielu funkcji jednocześnie, aby zapewnić najlepszą pracę silnika przez długi czas, bez pogarszania się jego stanu i bez wywoływania szkodliwych skutków dla środowiska. 
Różne funkcje oleju silnikowego związane są z jego poszczególnymi składnikami, z których jest on zbudowany.  

Dla przykładu utrzymywanie elementów silnika w czystości (zwłaszcza tłoków i pierścieni tłokowych) oraz utrzymywanie zanieczyszczeń w formie zawiesiny w oleju (głównie tlenków, lakierów i cząstek stałych) to funkcje wspomagane przez dodatki zwane detergentami i dyspersantami.  
Podobnie, zastosowanie polimerów zwanych modyfikatorami lepkości pozwala zachować pożądaną charakterystykę płynięcia oleju odpowiednią dla danego zastosowania, a tym samym pozwala zapewnić skuteczne smarowanie elementów silnika w całym zakresie temperatur zewnętrznych i wewnętrznych, w których silnik musi pracować. Polimery te spowalniają spadek lepkość oleju w wysokich temperaturach oraz jednocześnie w niskich temperaturach umożliwiają obniżenie temperatury płynięcia; takie zachowanie uzasadnia nazwę modyfikatorów lepkości (VII - Viscosity Index Improvers). 

Wraz z upływem czasu technologia wykorzystywana w inżynierii silników istotnie ewoluowała. Dziś chcemy, aby silniki były jednocześnie bardziej wydajne, mocniejsze, mniejsze i mniej zanieczyszczające środowisko. Omówimy teraz pokrótce nowe wyzwania, z jakimi musi się zmierzyć olej silnikowy, wraz z pojawieniem się zaawansowanych systemów oczyszczania spalin. 

Najprościej mówiąc, nie wystarczy już, aby olej spełniał tylko te funkcje, które wymieniono na początku artykułu (związane tylko z prawidłową pracą silnika), ale musi spełniać nowe funkcje związane z prawidłowym działaniem układów oczyszczania spalin. 
W związku z tym dzisiaj opisujemy olej silnikowy za pomocą takich cech jak m.in. zawartość popiołu siarczanowego, fosforu i siarki (SAPS).   
Niektóre dodatki, takie jak związki fosforu i siarki, były bardzo przydatne w zwiększaniu wydajności olejów konwencjonalnych (właściwości przeciwzużyciowe, odporność na utlenianie, wspomaganie utrzymaniu silnika w czystości), ale jednocześnie wysokie stężenie tych związków prowadziło do  uszkodzenia katalizatora określane mianem „zatrucia” oraz doprowadzało do gromadzenia się popiołu siarczanowego siarki i fosforu filtrze cząstek stałych.   

Popiół siarczanowy jest pochodną spalania oleju silnikowego. Z uwagi na to, iż osady popiołu siarczanowego nie są palne, nie mogą być usunięte w procesie regeneracji filtra cząstek stałych. W konsekwencji popioły te gromadzą się w filtrze DPF i powodują zmniejszanie jego sprawności aż do całkowitego jego zablokowania.   

Z tego powodu już teraz możemy wyciągnąć pierwszy praktyczny wniosek: 
Nigdy nie należy dodawać żadnych dodatków do oleju, niezależnie od tego, jak zachwalają je ich producenci!!! Jeśli te produkty powstają przy wykorzystaniu związków metalicznych lub tworzących popioły po ich spaleniu faktycznie mogą wnieść do oleju silnikowego pozytywny skutek w niektóre jego podstawowe funkcje np. wyższą czystość silnika, ale jednocześnie mogą nieodwracalnie uszkodzić układ oczyszczania spalin. 

W czasie eksploatacji oleju silnikowego (okres pomiędzy dwoma wymianami), olej ten będzie zanieczyszczany różnymi substancjami (takimi jak paliwo, woda, cząstki pochodzące ze zużycia części metalowych silnika, tlenki, kwasy, laki itp.)  
Te zanieczyszczenia powodują zmiany fizyczne i chemiczne w środku smarnym, co z kolei może prowadzić do pewnego stopnia utraty wskaźnika lepkości lub wyeksploatowania termicznego. Jeśli zmiany są wystarczająco istotne, może to prowadzić do lepkościowego lub termicznego rozkładu oleju, a to z kolei prowadzi do problemów z pracą silnika włącznie z ryzykiem jego poważnej awarii.  
"Załamanie lepkości" to zjawisko generowane głównie poprzez rozcieńczenie oleju silnikowego paliwem lub występowanie w układzie smarowania miejsc silnie ścinających film olejowy i jednocześnie polimery modyfikatorów lepkości (przy których pękają główne wiązania między cząsteczkami) zmniejszające ich efektywność w utrzymywaniu wysokiego wskaźnika lepkości.   
Skutkiem utraty lepkości jest to, iż film olejowy wytworzony między dwiema powierzchniami poruszających się względem siebie będzie cieńszy i nie będzie w stanie wytrzymać tak dużych obciążeń z jakimi bez problemu radzi sobie olej nie wykazujący utraty lepkości; może to prowadzić do zwiększonego zużycia silnika, zwłaszcza w łożyskach ślizgowych wału korbowego i pierścieniach tłokowych.  

Degradacja termiczna to w zasadzie zmiana właściwości oleju silnikowego spowodowana zbyt wysoką temperaturą i/lub długim czasem narażenia na wysoką temperaturę. Istotnie zmniejsza to zdolność oleju do utrzymania ochronnego filmu olejowego i prowadzi do jego degradacji. Proces ten jest również wzmacniany przez obecność zanieczyszczeń w oleju. 

 

To ostatnie zjawisko (degradacja termiczna) i jego skutki omówimy w kolejnym artykule. 

Filtr cząstek stałych i zmiany lepkości oleju  

Od czasu wprowadzenia norm emisji spalin Euro 4 oczyszczanie spalin stało się bardziej złożone. Do wcześniej powszechnie stosowanego katalizatora dodano filtr cząstek stałych (PF). Zwykle jest określany skrótem PF (filtr cząstek stałych), ale bardziej popularne nazwy to DPF (filtr cząstek stałych silnika Diesel) i GPF (filtr cząstek stałych silnika benzynowego). Poniższy tekst omawia głównie filtr DPF ze względu na jego popularność, ale omawiane procesy są podobne dla silników Diesla jak i benzynowych. 

Podstawową rolą DPF/GPF jest zatrzymywanie cząstek stałych obecnych w spalinach. Zapobiega to ich uwalnianiu do atmosfery i związanemu z tym zanieczyszczeniu środowiska. Podczas pracy silnika gazy spalinowe przechodzą przez ceramiczną i porowatą ściankę filtra, a sadza w postaci drobin form stałych zostaje zatrzymana w filtrze.

Gdy nagromadzenie sadzy w filtrze staje się coraz większe, konieczne jest "oczyszczenie filtra". Proces ten zazwyczaj nazywany jest regeneracją lub dopalaniem. Rozpoczęcie procesu regeneracji inicjowane jest przez komputer zarządzający pracą układu wtryskowego (ECU). Następuje to gdy sygnał z czujnika różnicy ciśnień DPF wskazuje, że różnica ciśnień przed i za filtrem przekroczyło określony próg co sugeruje wypełnienie filtra. Może też nastąpić regeneracja filtra w oparciu o określoną liczbę uruchomień i godzin pracy.  
Regeneracja ta polega w rzeczywistości na kontrolowanym spalaniu nagromadzonych (bogatych w węgiel) cząstek sadzy.  
Jak spalanie jest inicjowane? Wzrost temperatury filtra cząstek stałych jest precyzyjnie kontrolowany (za pomocą co najmniej dwóch czujników temperatury umieszczonych przed i za filtrem). Zasadniczo system wykorzystuje do podniesienia temperatury to, co ma pod ręką - czyli paliwo. 
Istnieją systemy, które posiadają dodatkowy wtryskiwacz który dozuje kontrolowaną ilość paliwa bezpośrednio do układu wydechowego przed filtrem cząstek stałych; spalanie tego paliwa powoduje wzrost temperatury i regenerację filtra.  

1. Wtryskiwacz (do regeneracji DPF)   
2. Katalizator pierwotny   
   
3. Czujnik ciśnienia na wylocie głównego katalizatora   
4. Czujnik temperatury wlotu DPF 
5. Wtórny katalizator (w tej samej obudowie co DPF) 
6. Czujnik ciśnienia przed filtrem cząstek stałych  
7. Filtr cząstek stałych    
8. Czujnik temperatury wylotu DPF  
9. Czujnik ciśnienia wylotowego DPF   

Układ ten posiada wtryskiwacz (zwykle zasilany paliwem z pompy elektrycznej w zbiorniku lub z pompy transferowej, a więc pod ciśnieniem co najmniej o dwa rzędy wielkości niższym niż dostarczane do wtryskiwaczy obsługujących pracę silnika) umieszczony w układzie wydechowym przed filtrem cząstek stałych. 

Innym często spotykanym podejściem (którego zaletą jest tańsza realizacja) jest wykorzystanie wtryskiwaczy już obecnych silniku. Ich główną rolą nadal pozostaje "zasilanie" silnika paliwem (w układach Diesla bezpośrednio do komory spalania), ale posiadają możliwością realizacji drugiej funkcji polegającej na wprowadzeniu do silnika dodatkowej ilości paliwa, które nie spala się w komorze spalania i trafia do filtra w celu jego regeneracji. 

Sugestywnym obrazem opisującym ten proces są sygnały prądowe i napięciowe, za pomocą których sterowane są wtryskiwacze systemu common rail. Oto przykład: 

Na rysunku 6 możemy zauważyć, że w cyklu pracy silnika, na biegu jałowym, wtryskiwacz otwiera się (i zamyka) cztery razy, pozwalając dobrze kontrolowanej ilości paliwa dostać się do komory spalania pod wysokim ciśnieniem. 

Pierwsze trzy sygnały (dwa wstępne i wtrysk główny) stanowią "porcję oleju napędowego", którą otrzymuje dany cylinder, aby zapewnić poprawne spalanie paliwa i zrealizować zadaną pracę silnika. Ostatni wyróżniony sygnał, nazywany powtryskiem (post-injection), ilustruje część oleju napędowego, który nie przyczynia się do rozwijanego przez silnik momentu obrotowego, ale jest używany wyłącznie do realizacji wygrzewania filtra cząstek stałych. Ten ostatni wtrysk, który występuje z opóźnieniem, pojawia się dopiero wtedy, gdy system uruchomi proces regeneracji filtra cząstek stałych. 
Paliwo, które jest wysyłane do komory spalania w czasie post-injection, zasadniczo opuści komorę spalania w momencie otwarcia zaworu wydechowego, docierając w ten sposób do kolektora wydechowego, a następnie do katalizatora i filtra cząstek stałych, zapewniając oczyszczenie (wypalenie sadzy) tego ostatniego.  

Niestety, część wtryskiwanego paliwa trafia w okolice pierścieni tłokowych, spływa po tulei cylindrowej i ostatecznie miesza się z kąpielą olejową powodując rozcieńczenie oleju silnikowego paliwem. Jest to nieuniknione, ze względu na budowę i działanie systemu i jednocześnie jest to największa wada tego systemu!!! 

Przedłużająca się eksploatacja pojazdu w ruchu miejskim, stosowanie paliwa zawierającego zbyt dużą ilość biopaliwa lub eksploatacja z usterkami w układzie recyrkulacji spalin lub w czujnikach i siłownikach zarządzających pracą silnika to tylko niektóre z warunków eksploatacji, które mogą prowadzić do sytuacji, w których regeneracja filtra może nie być poprawnie przeprowadzana. W związku z tym układ będzie bardzo często inicjował regenerację DPF i rozcieńczenie oleju paliwem może postępować bardzo szybko. 

Załamanie lepkości oleju silnikowego może więc nastąpić nawet krótko po wymianie oleju, jeśli systemy zarządzania silnikiem i oczyszczania spalin nie działają prawidłowo. Do najgroźniejszych problemów zaliczamy eksploatację auta z filtrem DPF, w którym nagromadziły się duże ilości popiołu siarczanowego siarki i fosforu. Może to spowodować bardzo częste wyzwalanie procedury dopalania, a to z kolei spowoduje gwałtowne rozcieńczanie oleju paliwem. Jeśli w takim przypadku filtr DPF nie zostanie wymieniony, nastąpi szybkie pogorszenie właściwości użytkowych oleju silnikowego ze wszystkimi nieodłącznymi skutkami. 
 
O czym warto pamiętać w tym miejscu? 

Układy oczyszczania spalin, w szczególności DPF, muszą być utrzymywane w nienagannym stanie technicznym; niesprawność tego układu może doprowadzić do szybkiego rozcieńczenia oleju silnikowego paliwem i wystąpienia zjawiska utraty lepkości, a w skrajnych warunkach do poważnej awarii silnika.  

Przed wymianą oleju rekomendowana jest diagnoza systemu (odczytanie kodów błędów jeśli jakieś zostały zarejestrowane) oraz ocena stanu zapełnienia filtra cząstek stałych.  

Możliwy jest scenariusz gdzie filtr cząstek stałych jest wypełniony w 95% cząstkami sadzy i popiołami, więc ECU wyzwoli regenerację filtra cząstek stałych tuż po wymianie oleju. Jeśli nastąpi wymiana oleju silnikowego teraz, bardzo szybko po wykonaniu przeglądu okresowego, nastąpi proces wypalania i olej w silniku zostanie częściowo rozcieńczony paliwem. 
W przypadku układów wykorzystujących wtrysk wtórny, rozpoczęcie procedury regeneracji filtra przy użyciu testera diagnostycznego przed wymianą oleju zapewni najdłuższy możliwy czas do wystąpienia pierwszego samoistnego procesu dopalania i tym samym później pojawi się ryzyko rozcieńczenia oleju paliwem! 

Aby mieć pewność, że olej silnikowy, który zostanie zastosowany, ma optymalne właściwości i parametry (w tym specyficzny pakiet dodatków chroniący silnik i układ oczyszczania spalin z którym będzie współpracował), wybierz odpowiedni olej do swojego samochodu, korzystając ze strony internetowej Castrol:  

W ten sposób zapewniasz sobie wybór właściwego oleju, specjalnie zaprojektowanego w celu ochrony silnika - zarówno bezpośrednio, poprzez zapewnienie optymalnego smarowania, jak i pośrednio, poprzez ochronę układu oczyszczania spalin.