ΛΙΠΑΝΤΙΚΑ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

Οι τεχνολογίες των κινητήρων μεγάλου κυβισμού συνεχίζουν να εξελίσσονται ραγδαία, παρόλο που προπορεύονται τεχνολογικά αυτών των επιβατικών οχημάτων. Μαζί με αυτές, εξελίσσονται ταυτόχρονα και οι τεχνολογίες των λιπαντικών, στην προσπάθεια των κατασκευαστών να μειώσουν την κατανάλωση καυσίμου και κατ’ επέκταση την παραγωγή ρύπων. Τα όρια ρύπων στα οχήματα μεγάλου κυβισμού μειώθηκαν πρόσφατα (με την εφαρμογή της οδηγίας EURO VI το 2014) σε επίπεδα που απαιτούν τεχνολογικές υπερβάσεις τόσο από τους κατασκευαστές, όσο και από τους παραγωγούς λιπαντικών.

Οι τεχνολογίες και οι ιδιαίτερες απαιτήσεις στη σύνθεση, την ποιότητα και την απόδοση των λιπαντικών εκφράζονται είτε μέσω διεθνών προδιαγραφών (ACEA, API), είτε μέσω εγκρίσεων του κάθε κατασκευαστή, οι οποίες αντανακλούν τις ιδιαίτερες απαιτήσεις των κινητήρων (ή άλλων συστημάτων) και τις εφαρμοσμένες τεχνολογίες επεξεργασίας καυσαερίων. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των λιπαντικών, που μέχρι σήμερα έκριναν την απόδοση των λιπαντικών, όπως το ιξώδες σε χαμηλές και υψηλές θερμοκρασίες, η ύπαρξη ή μη πρόσθετων για την προστασία και καθαριότητα του κινητήρα και την αντλησιμότητά τους σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, έχουν αντικατασταθεί από χαρακτηριστικά που αφορούν το ιξώδες HTHS, την περιεκτικότητα SAPS, το αλκαλικό απόθεμα TBN, την αντοχή στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες, την ανθεκτικότητα σε συνθήκες υψηλής αραίωσης από καύσιμο και τη συμπεριφορά τους σε χρήση με βιοκαύσιμο.

Οι σύγχρονες εργαστηριακές δοκιμές, στις οποίες ελέγχονται τα λιπαντικά, ώστε να έχουν το δικαίωμα αναγραφής μιας προδιαγραφής ή έγκρισης κατασκευαστή στην ετικέτα τους, ελέγχουν την απόδοση του λιπαντικού έχοντας ως κριτήριο κυρίως τα παραπάνω. Ωστόσο χρήσιμο είναι να αναφερθούμε εν συντομία και στα βασικά φυσικά χαρακτηριστικά των λιπαντικών, αφενός για να τα θυμηθούμε και αφετέρου για να καταρρίψουμε κάποιους μύθους γύρω από αυτά.

Ιξώδες

Το γνωστότερο και βασικότερο φυσικό χαρακτηριστικό των λιπαντικών είναι το ιξώδες τους, ή αλλιώς το μέγεθος που εκφράζει την αντίσταση στη ροή τους, ή ακόμη πιο απλά: η ρευστότητά τους. Όταν η ροή των λιπαντικών είναι αργή (αυξημένη αντίσταση ροής), το ιξώδες τους είναι υψηλό και αντίθετα, όταν η αντίσταση είναι μικρή (λεπτόρρευστα), το ιξώδες τους είναι χαμηλό. Η SAE (Society of Automotive Engineers) για να διευκολύνει τον επαγγελματία στην επιλογή του σωστού ιξώδους, έχει θεσπίσει βαθμίδες που εκφράζονται με την μορφή SAE xWxx (π.χ. 5W30), όπου το πρώτο μέρος (SEA 5W) εκφράζει το ιξώδες σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ το δεύτερο μέρος (SAE 30) εκφράζει το ιξώδες στους 100°C.

Το σύμβολο ‘W’ μετά την 1η βαθμίδα σημαίνει Winter (χειμώνας) και ουσιαστικά αναφέρεται στην συμπεριφορά του λιπαντικού κατά την εκκίνηση του κινητήρα σε κρύες συνθήκες, ενώ η 2η βαθμίδα αναφέρεται στη συμπεριφορά του λιπαντικού σε συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Εδώ αξίζει να αναφερθεί ότι οι βαθμίδες αυτές ΔΕΝ εκφράζουν θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Δηλαδή στο παράδειγμά μας, το ιξώδες SAE 5W30 ΔΕΝ εκφράζει την καταλληλόλητα του λιπαντικό να λειτουργήσει σε θερμοκρασίες μεταξύ -5°C και 30°C. Πιο συγκεκριμένα, η βαθμίδα SAE 5W εκφράζει, μεταξύ άλλων, την ικανότητα άντλησης (αντλησιμότητα) του λιπαντικού στους -35°C και κατ’ επέκταση περιγράφει τη ροή του σε χαμηλές θερμοκρασίες (εκκίνηση σε κρύες συνθήκες).

Θεωρείται επίσης κρίσιμο μέγεθος, γιατί μας δίνει ένδειξη για τον χρόνο που απαιτείται ώστε το λιπαντικό να φτάσει γρήγορα στα σημεία που χρειάζονται άμεση λίπανση. Αντίστοιχα η βαθμίδα SAE 30 εκφράζει, μεταξύ άλλων, την ταχύτητα ροής (κινηματικό ιξώδες) του λιπαντικού στους 100°C και μας δίνει ένδειξη για την αντοχή της λιπαντικής μεμβράνης στις θερμοκρασίες λειτουργίας του κινητήρα και κατ’ επέκταση την προστασία που προσφέρει σε αυτόν. Τα τελευταία χρόνια στους σύγχρονους κινητήρες η χρήση υπερσυμπιεστών, οι υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης και οι καινοτόμες τεχνολογίες στα συστήματα χρονισμού και στην επεξεργασία καυσαερίων, δοκιμάζουν τα όρια των λιπαντικών σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τους 100°C. Για τον λόγο αυτό οι κατασκευαστές ορίζουν μία ακόμη παράμετρο, που περιγράφει τη συμπεριφορά και αντοχή του λιπαντικού σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες και σε συνθήκες μεγάλης καταπόνησης.

Το μέγεθος αυτό που εκφράζει την αντοχή της λιπαντικής μεμβράνης στους 150°C και σε συνθήκες υψηλής διάτμησης είναι το ιξώδες HTHS (High Temperature & High Shear – Υψηλή Θερμοκρασία & Υψηλή Διάτμηση). Σε κινητήρες μικρού και μεσαίου κυβισμού το ιξώδες HTHS μπορεί να πάρει τιμές από 2,6 mPa.s μέχρι και πάνω από 6 mPa.s. Το όριο των 3,5 mPa.s διαχωρίζει τα λιπαντικά κατάλληλα για χρήση σε κινητήρες που προσφέρουν οικονομία καυσίμου (<3.5 mPa.s) και τα λιπαντικά που προσφέρουν ανθεκτική μεμβράνη και αυξημένη προστασία του κινητήρα σε ακραίες συνθήκες χρήσης (>3,5 mPa.s). Ωστόσο για τους πετρελαιοκινητήρες μεγάλου κυβισμού, όλες οι διεθνείς προδιαγραφές απαιτούν όρια μεγαλύτερα από 3,5 mPa.s, με εξαίρεση την πρόσφατη προδιαγραφή API FA-4, που προορίζεται για χρήση σε οχήματα ‘on-highway’, και με όρια από 2,9 έως 3,2 mPa.s. Η μείωση αυτή του ορίου HTHS αποτελεί τεχνολογική πρόκληση και απαιτεί υψηλότερης ποιότητας προϊόντα.

Συμβατότητα με τα συστήματα επεξεργασίας καυσαερίων

Ένα άλλο σχετικά γνωστό χαρακτηριστικό των λιπαντικών είναι η περιεκτικότητά τους σε θειική τέφρα, φώσφορο και θείο (Sulphated Ash, Phosphorus, Sulphur) ή αλλιώς SAPS. Λιπαντικά με υψηλή περιεκτικότητα σε αυτά τα στοιχεία (Full SAPS), δημιουργούν δυσλειτουργίες στα σύγχρονα συστήματα επεξεργασίας καυσαερίων, επιβαρύνοντας τα φίλτρα σωματιδίων DPF (κυρίως η θειική τέφρα), αλλά και τους αισθητήρες λ (κυρίως ο φώσφορος), τα φίλτρα οξειδίων του αζώτου (κυρίως το θείο), αλλά και άλλα συστήματα όπως τη βαλβίδα επανακυκλοφορίας EGR και τους καταλύτες επιλεκτικής αναγωγής SCR.

Τα λιπαντικά που είναι κατάλληλα για χρήση σε συστήματα επεξεργασίας ή μείωσης των καυσαερίων, εκφράζονται με την κατηγορία Low SAPS (χαμηλή περιεκτικότητα σε θειική τέφρα, φώσφορο και θείο). Για τους ίδιους λόγους, και ειδικά στους σύγχρονους κινητήρες, ο κατασκευαστής προτείνει χρήση καυσίμου Diesel με χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο, συχνά με μέγιστο όριο τα 5ppm (0.0005%). Τα όρια αυτά εκφράζονται πρωτίστως μέσα από τις διεθνείς προδιαγραφές ACEA (Ε7, Ε4, Ε6, Ε9), αλλά και μέσα από τις προδιαγραφές των κατασκευαστών.

Οξείδωση

Ένας τρόπος να αντεπεξέλθουν οι κατασκευαστές στις σύγχρονες τάσεις της βιομηχανίας και στην ανάγκη για αποδοτικότερους κινητήρες, είναι η βελτίωση της ανάφλεξης εντός του θαλάμου καύσης. Οι αυξημένες πιέσεις και θερμοκρασίες που δημιουργούνται επιβαρύνουν σημαντικά τα λιπαντικά. Το ίδιο συμβαίνει και στα σημεία λίπανσης των υπερσυμπιεστών, αλλά και στο σύστημα επανακυκλοφορίας των καυσαερίων.

Οι ανάγκες για αυξημένη αντοχή των λιπαντικών σε υψηλές θερμοκρασίες, είναι ένα ακόμη από τα βασικά κριτήρια απόδοσης των λιπαντικών. Η αντίσταση στην οξείδωση του λιπαντικού είναι η πρώτη ιδιότητα που επηρεάζεται από τις αυξημένες θερμοκρασίες καύσης των σύγχρονων κινητήρων και είναι μια φυσική διαδικασία, οι οποία εξαρτάται μεταξύ άλλων και από την ποιότητα των βασικών λαδιών.

Η αύξηση της θερμοκρασίας του λιπαντικού κατά μόλις 10°C, διπλασιάζει τον ρυθμό οξείδωσής του και μειώνει τη διάρκεια ζωής του στο μισό. Προφανώς το σύστημα ψύξης σε αυτήν την περίπτωση παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της θερμοκρασίας λειτουργίας του κινητήρα σε επιθυμητά επίπεδα.

Η αντίσταση των λιπαντικών στην οξείδωση επιτυγχάνεται αφενός με τη χρήση συνθετικών βασικών λαδιών, τα οποία έχουν μεγαλύτερη αντοχή στην οξείδωση απ’ ότι τα ορυκτά και αφετέρου με την προσθήκη αντιοξειδωτικών πρόσθετων. Η ανάγκη των κατασκευαστών για πολύ μεγαλύτερα διαστήματα συντήρησης, σε συνδυασμό με την επιβάρυνση του λιπαντικού σε υψηλότερες θερμοκρασίες, απαιτεί τη χρήση υψηλής ποιότητας λιπαντικών με κατάλληλη σύνθεση.

Αν στα παραπάνω συνυπολογίσουμε ότι η οξείδωση επιταχύνεται λόγω αυξημένης ρύπανσης του λιπαντικού με την παρουσία νερού και καυσίμου, εύκολα καταλαβαίνουμε ότι τα μεγάλα διαστήματα αλλαγής λαδιών μπορούν να επιτευχθούν μόνο με τη χρήση υψηλής ποιότητας λιπαντικών. Αποτέλεσμα της υψηλής οξείδωσης των λιπαντικών είναι η ταχύτατη αύξηση του ιξώδους του και ο σχηματισμός λάσπης που φράζει τις διόδους του κυκλώματος λίπανσης και μειώνει αισθητά την ικανότητα προστασίας του κινητήρα.

Αλκαλικό απόθεμα

TBN Οι συνθήκες που επικρατούν εντός του κινητήρα, αλλά και τα προϊόντα της καύσης (καυσίμου και λιπαντικού) δημιουργούν όξινα υποπροϊόντα (κυρίως οξείδια του θείου και του αζώτου), που προσβάλλουν κυρίως τις μεταλλικές επιφάνειες του κινητήρα και οδηγούν στη δημιουργία ανθρακωμάτων. Η υψηλή περιεκτικότητα του καυσίμου σε θείο, εντείνει αυτό το φαινόμενο και η χημική διάβρωση επιβαρύνει αισθητά την κατάσταση και λειτουργία του κινητήρα. Το λιπαντικό καλείται επιπλέον να μειώσει ή και να εξαλείψει τα όξινα υποπροϊόντα που επιβαρύνουν την κατάσταση τόσο του κινητήρα, όσο και του ίδιου του λιπαντικού. Το TBN (Total Base Number – Συνολικός Βαθμός Αλκαλικότητας) είναι ένα μέγεθος που εκφράζει το αλκαλικό απόθεμα του λιπαντικού, ή αλλιώς την ικανότητά του να εξουδετερώνει τα όξινα υποπροϊόντα καύσης. Το μέγεθός του ποικίλει συνήθως από 8-15 mg KOH/g για λιπαντικά πετρελαιοκινητήρων και μπορεί να φτάσει έως και ΤΒΝ 70 mg KOH/g σε μεγάλους κινητήρες Diesel ναυτιλίας, όπου η περιεκτικότητα του καυσίμου σε θείου αγγίζει το 5% (50.000ppm)! Το TBN είναι σχετικά εύκολα μετρήσιμο σε δείγμα χρησιμοποιημένου λιπαντικού και για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται ως ένδειξη της κατάστασης του λιπαντικού.

Μειωμένες τιμές TBN δίνουν μια σχετικά αξιόπιστη ένδειξη της κατάστασης του λιπαντικού και οδηγούν σε πιο στοχευμένο προγραμματισμό της συντήρησης του κινητήρα, με αξιοσημείωτα αποτελέσματα κυρίως στη σωστή διαχείριση μεγάλων στόλων. Θεωρητικά ένα λιπαντικό με τιμή TBN >1 είναι ακόμη σε θέση να απορροφήσει όξινα προϊόντα, ωστόσο πρέπει να τονιστεί ότι οι τιμές TBN από μόνες τους δεν αποτελούν αξιόπιστο κριτήριο και ιδανικά πρέπει να συνδυαστούν με επιπλέον χημικές αναλύσεις.

Πρακτικά, και για τη χρήση σε κινητήρες πετρελαίου, όταν το ΤΒΝ μειωθεί κάτω από 50% της αρχικής τιμής, το λιπαντικό πλησιάζει το όριο ζωής του και οι πιθανότητες για θετικές μετρήσεις στις υπόλοιπες χημικές και φυσικές του ιδιότητες είναι αρκετά μικρές.

Οι πρόσφατες διεθνείς προδιαγραφές API CK-4 & FA-4 και η νέα σειρά προδιαγραφών ACEA-2016 (E7, E4, E9, E6), μεταξύ άλλων ελέγχουν τη συμπεριφορά της αλκαλικότητας του λιπαντικού και με χρήση καυσίμου με ποσοστό biodiesel. Η πιο αυστηρή από αυτές είναι η ACEA E4, που απαιτεί TBN > 12 mg KOH/g, χωρίς όμως αυτό να σημαίνει ότι δεν υπάρχουν προϊόντα με μεγαλύτερες τιμές TBN. Πρακτικά, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του TBN, τόσο μεγαλύτερη η διάρκεια ζωής του λιπαντικού, σε ότι αφορά την ικανότητά του να απορροφά τα όξινα προϊόντα της καύσης. Συχνά επίσης, οι κατασκευαστές κινητήρων απαιτούν από τα λιπαντικά να πληρούν προδιαγραφές και ταυτόχρονα όρια TBN (π.χ. ACEA E5-02 + TBN > 12 ή ACEA E6-12 + TBN > 13).

Αραίωση από άκαυστο καύσιμο

Ένα άλλο φαινόμενο που επηρεάζει την απόδοση του λιπαντικού είναι η αραίωση από άκαυστο καύσιμο. Στους κινητήρες diesel μεγάλου κυβισμού το φαινόμενο αυτό εντείνεται, σε σημείο που κάποιοι κατασκευαστές έχουν αναφέρει ποσοστό καυσίμου μέχρι και 15% κατά την αλλαγή λιπαντικών. Οι σύγχρονες τεχνολογίες ψεκασμού (και κυρίως οι τεχνολογίες πολλαπλού ψεκασμού), αυξάνουν τη διαφυγή άκαυστου diesel στο χώρο του κάρτερ.

Επιπλέον, κατά τη διαδικασία αναγέννησης του φίλτρου σωματιδίων DPF και κατά τη διαδικασία μετα-ψεκασμών, μέρος του καυσίμου καταλήγει επίσης στο κάρτερ. Η χρήση biodiesel επιβαρύνει και σε αυτήν την περίπτωση τη ρύπανση του λιπαντικού, λόγω χαμηλότερης πτητικότητας και απομακρύνεται με πιο αργούς ρυθμούς από το λιπαντικό. Μάλιστα, πολλοί κατασκευαστές προτείνουν μείωση των διαστημάτων συντήρησης, όταν γίνεται χρήση καυσίμου με υψηλό ποσοστό biodiesel.

Η αραίωση του λιπαντικού από άκαυστο καύσιμο προκαλεί ραγδαία πτώση του ιξώδους του, καθιστώντας το πιο λεπτόρρευστο, μειώνοντας τις αντοχές της λιπαντικής μεμβράνης και την προστασία του κινητήρα, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει σημαντικά τον ρυθμό οξείδωσης και την κατανάλωση του λιπαντικού.

Επιπλέον απαιτήσεις από τα λιπαντικά κινητήρων

Επιπλέον απαιτήσεις που θέτουν οι διεθνείς προδιαγραφές ACEA και API, αλλά και οι κατασκευαστές μέσω των εγκρίσεων, αφορούν κριτήρια όπως:

– Προστασία από το φαινόμενο της στίλβωσης του χιτωνίου

– Προστασία από διάβρωση

– Σχηματισμός ανθρακωμάτων στα έμβολα

– Την αύξηση του ιξώδους λόγω παρουσίας ρύπων και μικροσωματιδίων

– Οικονομία καυσίμου

Προδιαγραφές API

Πρόσφατα, τον Δεκέμβριο του 2016, ο Αμερικάνικος Οργανισμός Πετρελαίου API εξέδωσε δύο νέες προδιαγραφές λιπαντικών για κινητήρες μεγάλου κυβισμού:

* API CK-4

• Για χρήση σε κινητήρες με συστήματα επεξεργασίας καυσαερίων (DPF ή άλλα «εξελιγμένα συστήματα»)

• Αυξημένη αντοχή στην οξείδωση • Αντοχή στην διατήρηση του ιξώδους σε συνθήκες αυξημένης διάτμησης

• Επίσης αυξημένες απαιτήσεις σε: προστασία του κινητήρα, εναποθέσεις ανθρακωμάτων, αντοχή σε χαμηλές/υψηλές θερμοκρασίες, συμβατότητα με DPF

• Για χρήση με καύσιμο Diesel με περιεκτικότητα σε θείο μικρότερη από 500 ppm

• Υπερκαλύπτει τις προηγούμενες προδιαγραφές CJ-4, CI-4

* API FA-4

• Λιπαντικά με ιξώδες xW40 • Ιξώδες HTHS 2.9-3.2 cP, για μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου

• Για χρήση σε πετρελαιοκίνητα οχήματα «on-highway»

• Για χρήση σε κινητήρες με συστήματα επεξεργασίας καυσαερίων (DPF ή άλλα «εξελιγμένα συστήματα») με σκοπό τη μείωση των ρύπων GHG

• Αυξημένη αντοχή στην οξείδωση • Αντοχή στην διατήρηση του ιξώδους σε συνθήκες αυξημένης διάτμησης

• Επίσης αυξημένες απαιτήσεις σε: φθορά κινητήρα, εναποθέσεις ανθρακωμάτων, αντοχή σε χαμηλές/υψηλές θερμοκρασίες, συμβατότητα με DPF

• Για χρήση με καύσιμο με περιεκτικότητα σε θείο μικρότερη από 15ppm

• Δεν υπερκαλύπτει ούτε υποκαθιστά τις προδιαγραφές CK-4, CJ- 4, CI-4,…

Προδιαγραφές ACEA

Με τη νέα σειρά προδιαγραφών του 2016, η Ένωση Ευρωπαίων Κατασκευαστών Αυτοκινήτων ACEA τροποποίησε τις υπάρχουσες εργαστηριακές δοκιμές και ταυτόχρονα πρόσθεσε νέες που αφορούν κυρίως την αντοχή στην οξείδωση και τη συμβατότητα με biodiesel και με σύγχρονα ελαστομερή υλικά, αυξάνοντας τις απαιτήσεις των σε ισχύ προδιαγραφών ACEA E7, E4, E9, E6. Στο Διάγραμμα 1 περιγράφεται γραφικά οι αύξηση των απαιτήσεων της προδιαγραφής ACEA E6 σε ότι αφορά τα βασικά κριτήρια της ACEA, μεταξύ 2012 και 2016. Βασική διαφοροποίηση είναι οι αυστηρότερες απαιτήσεις στα κριτήρια αύξησης του ιξώδους λόγω οξείδωσης και στην εναπόθεση ανθρακωμάτων κυρίως στα ελατήρια του εμβόλου