„Projekt Flota”: cz. 1 – analiza pierwiastków zużyciowych

„Projekt Flota” – zakres analiz

Każdy olej, w tym pochodzący z silników samochodów osobowych, może zostać poddany analizom. Często zastanawiamy się, czy interwał wymiany oleju, zalecany przez producenta i wynoszący np. 30 tys. km, nie jest zbyt długi i czy nie powinno się go skrócić. Na te oraz inne pytania postaramy się odpowiedzieć w serii artykułów dotyczących badań olejów z silników samochodów osobowych.

Na potrzeby badawcze przyjęto poniższy zakres analiz:

• 1. Lepkość kinematyczna w 100°C [PN-EN ISO 3104:2021-03]

Badanie określa klasę lepkości oleju według norm SAE (Society of Automotive Engineers) i umożliwia sprawdzenie, czy olej utrzymuje wymaganą klasę lepkości, czy uległa ona obniżeniu. Spadek klasy lepkości może wskazywać na obecność paliwa w oleju.

• 2. Lepkość kinematyczna w 40°C [PN-EN ISO 3104:2021-03]

Połączenie wyników badań lepkości oleju w temperaturach 40°C i 100°C pozwala na obliczenie wskaźnika lepkości.

• 3. Wskaźnik lepkości [PN-ISO 2909:2009+ Ap1:2010]

Lepkość oznacza się zazwyczaj w 40 i 100 °C, na tej podstawie można wyznaczyć wskaźnik lepkości – parametr opisujący zależność lepkości oleju od temperatury.

• 4. Pierwiastki (wapń, magnez, bor, cynk, fosfor, bar, molibden, siarka, krze, potas, sód, lit, tytan, żelazo, chrom, cyna, glin, nikiel, miedź, ołów, antymon, mangan, wanad, srebro) [ASTM D5185-18]

Pierwiastki dzielimy na dodatki uszlachetniające, zanieczyszczenia oraz pierwiastki zużyciowe. Dodatki uszlachetniające mogą ulegać zmniejszeniu w miarę eksploatacji oleju. Wzrost poziomu krzemu w kontekście zanieczyszczeń może sygnalizować obecność brudu lub pyłu, co sugeruje, że coś dostaje się z zewnątrz. Obecność potasu i sodu często wskazuje na przedostanie się płynu chłodniczego do oleju. Pierwiastki zużyciowe, takie jak żelazo, chrom, cyna czy glin, mogą świadczyć o zużywaniu się elementów silnika, w zależności od tego, które z nich się pojawiają. Badanie pierwiastków pozwala na wykrycie tych problemów już na wczesnym etapie.

• 5. Indeks PQ [ASTM D8184-18]

Parametr zużyciowy wyrażający ilość cząstek ferromagnetycznych, w połączeniu z badaniem pierwiastków nieferromagnetycznych (np. miedzi i ołowiu), umożliwia dodatkową interpretację wyników analizy.

• 6. Liczba kwasowa [ASTM D664-18e2]

Liczba kwasowa bezpośrednio wskazuje na zawartość kwasowych produktów w oleju i jest parametrem określającym stopień jego starzenia. Wzrost liczby kwasowej oznacza większą ilość produktów kwasowych, co świadczy o postępującej degradacji oleju. Produkty kwasowe powstają w wyniku działania wysokich temperatur lub tlenu z powietrza, tworząc m.in. kwasy karboksylowe, aldehydy i ketony.

• 7. Liczba zasadowa [PN-ISO 3771:2012]

Liczba zasadowa informuje o zawartości dodatków myjących w oleju, takich jak detergenty i dyspergatory. Jej obniżenie wskazuje na degradację oleju. Istnieje korelacja między liczbą kwasową, która wzrasta w miarę eksploatacji oleju, a liczbą zasadową, która maleje. Ważne jest, aby te wskaźniki nie przekroczyły się nawzajem – jeśli liczba kwasowa przewyższy liczbę zasadową, jest to niepokojący sygnał, który jednoznacznie wskazuje na konieczność wymiany oleju.

• 8. I-pH [PB 07.32.00_01]

Parametr I-pH koreluje z liczbą kwasową i liczbą zasadową. Niska liczba kwasowa i niskie I-pH wskazują na dużą ilość słabych kwasów, natomiast wysoka liczba kwasowa i niskie I-pH oznaczają obecność większej ilości mocnych kwasów.

• 9. Diagram FTIR (w tym oznaczenie oksydacji, nitracji, sulfacji, zawartości glikolu jakościowo oraz sadzy) [ASTM E2412-23a]

To oznaczenie chemicznej czystości oleju. Każdy olej ma swoje charakterystyczne widmo. Tutaj możemy oznaczyć parametry starzeniowe, oksydację czy zawartość glikolu (występowanie płynu chłodniczego w oleju).

• 10. Zawartość wody met. K. F. [PB 07.31.00/01]

Metoda Karla Fischera to najdokładniejsza metoda pomiaru zawartości wody, przyjmuje się, że normą jest zawartość do 1500 mg/kg, co odpowiada ok. 0,15% wody w oleju.

• 11. Temperatura zapłonu met. zamkniętego tygla [PN-EN ISO 2719:2016-08+A1:2021-06]

Temperatura zapłonu to moment, w którym olej po przyłożeniu inicjatora zapłonu zapala się. Świeże oleje zazwyczaj odznaczają się temperaturą zapłonu powyżej 200°C, w miarę eksploatacji ta temperatura zapłonu może maleć. Obniżenie temperatury zapłonu oleju może wskazywać na obecność paliwa w oleju.

założenia projektu

W serii artykułów dotyczących badań olejów silnikowych postaramy się odpowiedzieć na pytania, jakie są typowe wartości pierwiastków zużyciowych i ich limity, ile kilometrów możemy przejechać na oleju oraz jaki jest optymalny zakres badawczy dla oleju silnikowego z samochodu osobowego. Wyniki analiz podlegają ciągłej analizie, dlatego nie jesteśmy w stanie wymienić obecnie wszystkich wniosków płynących z badań. Pewne wnioski i spostrzeżenia mogą się nasunąć w przyszłości. Jeśli takie będą, podzielimy się nimi z Państwem w kolejnych artykułach.

Analizę przeprowadzono na podstawie różnych olejów silnikowych oraz różnych samochodów o odmiennej charakterystyce (pojemność skokowa, moc itp.) pochodzących z floty samochodowej Ecol oraz od pracowników Ecol. Projekt jest w dalszym ciągu w realizacji. Na chwilę obecną zbadano ponad 100 próbek.

Pobór próbek do analizy odbywał się na ciepłym silniku po 15-30 minutach od jego wyłączenia. W większości przypadków próbki pobierano za pomocą pompki próżniowej i sondy wprowadzanej przez otwór na bagnet. W pozostałych przypadkach, gdy nie było możliwości użycia pompki próżniowej, próbki pobierano podczas wymiany oleju. Przeprowadzono również badania zawartości pierwiastków po 2 oraz 15 minutach od wyłączenia silnika. Wyniki były identyczne, co wskazuje na brak wpływu czasu po wyłączeniu silnika na wyniki analizy pierwiastków.

analiza wyników pierwiastków z olejów silników samochodów osobowych

Jednym z głównych celów badawczych jest ustalenie bezpiecznych zakresów stężeń pierwiastków zużyciowych. Do tego zastosowano metodę statystyczną opisaną w normie ASTM D7720 („Statistically Evaluating Measurand Alarm Limits when Using Oil Analysis to Monitor Equipment and Oil for Fitness and Contamination”) oraz przeprowadzono analizę wyników, porównując je z danymi dostarczonymi przez użytkowników samochodów.

Prezentowane badania obejmują oznaczenia pierwiastków metodą ICP oraz indeks PQ. Oznaczone pierwiastki to cząstki o wielkości mniejszej niż 5 mikronów, wyrażane w ppm (parts per million) lub mg/kg. Indeks PQ (Particle Quantifier) jest jednostką bezwymiarową, która wyraża ilość cząstek ferromagnetycznych niezależnie od ich rozmiaru.

W niniejszym artykule skupimy się na poziomie pierwiastków pochodzących ze zużycia współpracujących elementów silnika oraz z zanieczyszczeń. Do pierwiastków związanych ze zużyciem zaliczamy żelazo, chrom, cynę, glin, nikiel, miedź, ołów, antymon, mangan, wanad oraz srebro. Pierwiastki charakteryzujące zanieczyszczenia to krzem, potas, sód, lit oraz tytan. Przez zanieczyszczenia rozumie się te pochodzące z otoczenia, które mogły się dostać na przykład poprzez filtr powietrza. W niektórych sytuacjach może to być płyn chłodniczy, inny olej, dodatki typu ceramizer lub inne bliżej nieokreślone zanieczyszczenia. Niektóre badane pierwiastki, jak cynk, który może być zarówno pierwiastkiem zużyciowym, jak i składnikiem dodatków uszlachetniających, nie są brane pod uwagę.

Poniżej przedstawiono tabelę zawierającą medianę wartości pierwiastków zużyciowych oraz zanieczyszczeń dla danego producenta. Daje to pogląd na ich poziom oraz na to, jakie pierwiastki występują w danej marce. Należy jednak pamiętać, że w tabeli nie uwzględniono podziału ze względu na rodzaj silnika, rodzaj paliwa, przebieg od wymiany czy przebieg całkowity.

W dalszej części artykułu przedstawiono tabele z wartościami pierwiastków. Kolory przy tych wartościach nie wskazują na limity danych pierwiastków, lecz mają na celu zwrócenie uwagi oraz ułatwienie rozróżnienia większych wartości od mniejszych.

Na pierwszy rzut oka widać wysokie wartości pierwiastków zużyciowych dla marek Peugeot, Range Rover i Toyota. Warto jednak zauważyć, że dla marki Range Rover zbadano tylko jedną próbkę, co nie stanowi reprezentatywnego odniesienia. Wartości zużyciowe w tej próbce znacznie odbiegają od reszty, co sugeruje nadmierne zużycie pewnych elementów silnika; szczególnie wskazuje na to wysoka zawartość manganu. W przypadku marek Toyota i Peugeot, gdzie liczba próbek jest większa, wyniki te mogą być związane z charakterystyką zużycia tych silników, w których procesy tarcia mogą być bardziej intensywne niż w przypadku innych marek.

W tabeli 2 przedstawiono szczegółowe wyniki pierwiastków z próbek oleju z samochodów marek Peugeot oraz Toyota. Identyfikację pochodzenia próbek umożliwia zakodowana rejestracja auta (kod). Jak można zauważyć, próbki pochodzą z różnych samochodów o różnych przebiegach od wymiany oleju, lecz o identycznych pojemnościach skokowych silników (1500 oraz 2200 cm³), z wyjątkiem jednego silnika o pojemności 1600 cm³.

Poziomy pierwiastków zużyciowych są zbliżone, co może wskazywać na to, że tak wygląda charakterystyka zużyciowa tych silników. Warto zwrócić uwagę na odchylenia w próbkach P2209727 oraz P2202171. Na podstawie dostępnych danych można jednoznacznie stwierdzić, że odbiegają one od reszty wyników, co może wskazywać na zwiększone procesy zużyciowe (np. zacieranie pewnych elementów silnika). W próbce P2401096 odnotowano wysokie stężenie żelaza, co ma związek z bardzo wysokim przebiegiem na jednym oleju (43465 km).

W tabeli 3 pierwiastki o najwyższych wartościach w poszczególnych próbkach to krzem i potas. Krzem w silnikach najczęściej pochodzi z zanieczyszczeń przedostających się przez filtr powietrza lub z obecności past montażowych. W połączeniu z glinem może wskazywać na zużywanie się aluminiowych tłoków. Potas często wiąże się z przedostawaniem płynu chłodniczego do oleju. Pierwiastki takie jak sód, potas, bor i molibden pojawiają się zwykle wskutek zanieczyszczenia oleju płynem chłodniczym. Potas może także pochodzić z zanieczyszczeń z otoczenia.

W omawianej tabeli nie zaobserwowano krytycznie wysokich wartości pierwiastków. Jedynie nieznacznie podniesione wartości krzemu i potasu w próbkach P2202465 i P2206536. Biorąc pod uwagę niski przebieg tych silników (15–20 tys. km), można przyjąć, że są to nowe silniki, a podwyższone wartości mogą być związane z pozostałościami środków konserwujących (przeciwkorozyjnych) lub past montażowych.

W powyższej tabeli widoczna jest charakterystyka zużyciowa silników benzynowych Ford Focus o pojemności skokowej 1000 cm³. Dane zostały przedstawione analogicznie jak w tabelach 2 i 3. Porównując tabele, możemy zauważyć, że wartości pierwiastków zużyciowych w przypadku 1-litrowych silników Forda są znacznie niższe w stosunku do silników Toyoty czy Peugeota. Wynika to najprawdopodobniej z różnic konstrukcyjnych silników.

W tabeli 4 próbką, która wykazuje odchylenia, jest próbka P2303338. Pozostałe próbki z samochodów o podobnym przebiegu od ostatniej wymiany oleju (w przybliżeniu 25 tys. km) nie mają tak wysokich wartości żelaza. Na tej podstawie można przypuszczać, że w silniku tego samochodu procesy zużyciowe są bardziej intensywne niż w pozostałych.

Poziomy zawartości krzemu są podobne jak w przypadku tabeli 3. Odnotowano trzy pomiary, gdzie poziom krzemu odbiegał od reszty próbek. Są to samochody o kodach F117, F118 oraz F122.

W tabeli 6 podwyższone wartości pierwiastków podkreślone kolorem od żółtego do czerwonego wynikają z tego, że auta te są przed pierwszą wymianą oleju. Można zauważyć, że tam, gdzie przebieg całkowity jest nie większy niż 21 tys. km, zawartość miedzi oscyluje w okolicach 30-40 ppm. Miedź to zazwyczaj pierwiastek zużyciowy, którego źródłem są elementy takie jak łożyska ślizgowe, tuleje, środki uszczelniające, chłodnica oleju, wałki rozrządu itd.

Wysokie zawartości krzemu (>100 ppm) pokrywają się z próbkami o wysokiej zawartości miedzi, czyli próbkami przed pierwszą wymianą oleju. Może to mieć związek z obecnością past montażowych. Wysokie zawartości sodu w tym przypadku mają związek z pakietem dodatków uszlachetniających oleju, a nie obecnością zanieczyszczeń.

W tabeli 8 zawartość poszczególnych pierwiastków dla wszystkich próbek jest relatywnie niska oraz znajduje się na podobnym poziomie, co nie wskazuje na obecność zwiększonych procesów zużyciowych w którymkolwiek z aut.

W przypadku 2-litrowych silników diesla Volkswagena nie odnotowano niepokojących wzrostów pierwiastków zanieczyszczeń. Wysoka zawartość tytanu nie wynika z zanieczyszczeń ani zużycia, lecz z zastosowania oleju o technologii tytanowej.

Wśród pierwiastków sklasyfikowanych jako zanieczyszczenia w dwóch próbkach zdiagnozowano problem przedostawania się płynu chłodniczego do oleju smarnego, co zostało potwierdzone przez właścicieli tych pojazdów.

W tabeli 10 przedstawiono pierwiastki klasyfikowane jako zanieczyszczenia z próbek olejów aut Audi oraz Opel. Wysokie zawartości sodu i potasu są charakterystyczne dla obecności płynu chłodniczego w oleju. W zależności od płynu chłodniczego może pojawić się również bor oraz molibden.

W powyższym przykładzie nie zaobserwowano podwyższonej zawartości sodu w próbkach Opla.

Ciekawym przypadkiem jest badanie oleju silnikowego po przebiegu 1100 km po gruntownym remoncie silnika 1.8 TFSI trzeciej generacji od Audi. Poniżej zaprezentowano zmiany w stosunku do poprzednich badań.

Wyniki pierwiastków na osi Y są prezentowane w ppm (mg/kg). Pierwsze trzy wymiany oleju widoczne na osi X (od lewej) pokazują stabilny przebieg pierwiastków zużyciowych (oś Y po lewej) i krzemu (oś Y po prawej). Wymiany odbywały się w przybliżeniu co 10 tysięcy kilometrów. Remont silnika miał miejsce we wrześniu 2023 roku.

Pierwsze badanie oleju po remoncie odbyło się po 1100 km. Jak można zauważyć, stężenie pierwiastków zużyciowych wzrosło, co ma związek najprawdopodobniej z docieraniem się części oraz obecnością past montażowych. Na wymienione części silnika składały się takie elementy jak blok silnika, tłoki, panewki, rozrząd, wałki rozrządu, wał korbowy oraz wiele innych części mających bezpośredni kontakt z olejem smarnym.

wyznaczenie limitów pierwiastków

Ze względu na rozbieżności w pierwiastkach zużyciowych różnych producentów aut, w celu uogólnienia należy odrzucić skrajnie wysokie wyniki. Do analizy przyjęto parametry, które pojawiały się podczas badań i znajdują się w powyższych tabelach, czyli żelazo, chrom, cyna, glin, nikiel, miedź, ołów, mangan, wanad, indeks PQ, krzem, potas, sód, lit oraz tytan. Na podstawie metody statystycznej oraz przeglądu rozkładu wartości wyznaczono następujące przedziały.

Należy mieć na uwadze, że dla powyższej tabeli 11 nie uwzględniono przebiegu od wymiany oleju, a więc statystyka bazuje na całej dostępnej populacji wyników. Zazwyczaj wymiany oleju następują po maksymalnie około 15 tys. km. W tym celu sporządzono również limity statystyczne dla wszystkich próbek, których przebieg od wymiany oleju jest niższy niż 17 tys. km.

Pierwiastki takie jak lit i tytan występują bardzo rzadko i w małych ilościach, chyba że stanowią formę dodatku uszlachetniającego. Poza kilkoma próbkami nie wykryto obecności tytanu, a lit wykryto tylko w jednej próbce na poziomie 2,2 ppm, jednak bez korelacji z pozostałymi wynikami. Z tego względu limity tych pierwiastków są bardzo orientacyjne i należy zwracać uwagę nawet na ich najmniejsze stężenia. Obie tabele zawierające limity można uznać za prawidłowe, ponieważ dla obu odrzucono skrajnie wysokie wyniki, a na wyniki ma również wpływ przebieg od wymiany oleju.

„projekt Flota” cz.1 – wnioski”

Głównym czynnikiem wpływającym na poziom pierwiastków jest przebieg od ostatniej wymiany oleju. Po wymianie oleju poziom omawianych pierwiastków jest bardzo niski, a następnie stopniowo wzrasta w wyniku normalnych procesów zużyciowych na styku współpracujących elementów (np. panew – wał, tłok – gładź cylindra). Analiza wyników nie wykazała związku między całkowitym przebiegiem auta a poziomem pierwiastków. Ustalenie zależności pomiędzy przebiegiem całkowitym a zawartością pierwiastków mogłoby wymagać większej ilości badań i porównywania jednego rodzaju silnika od jednego producenta.

Kolejnym czynnikiem jest marka i rodzaj silnika. Zauważono, że typowe przedziały mogą się różnić w zależności od marki, co najprawdopodobniej wynika z różnic konstrukcyjnych silników. To, który pierwiastek pojawia się w badaniu, zależy także od metalurgii silnika. Ważnym czynnikiem wpływającym na poziom pierwiastków jest remont silnika oraz informacja, czy nastąpiła już pierwsza wymiana oleju. Po remoncie silnika następuje gwałtowny wzrost poziomu pierwiastków ze względu na docieranie się nowych części. Brak pierwszej wymiany oleju może wskazywać na nowy silnik, który także generuje wzrost zawartości pierwiastków. Dlatego, oprócz sugerowanych limitów w tabelach 11 i 12, należy również uwzględniać szereg wymienionych czynników wpływających na poziom pierwiastków.

Badanie pierwiastków jest w stanie wykryć zwiększone procesy zużyciowe na ich wczesnym etapie, kierunkując na konkretne elementy silnika w zależności od wykrytych pierwiastków. Oprócz tego badanie daje także możliwość wykrycia płynu chłodniczego lub przedostawania się innych zanieczyszczeń do oleju w nadmiernych ilościach. Wykrycie konkretnych pierwiastków może pomóc ukierunkować użytkownika samochodu na rodzaj usterki. Badanie pierwiastków może być korzystnym działaniem predykcyjnym w przypadku nadzorowania stanu floty samochodów w firmie, zakupu używanego samochodu lub w przypadku kwestii spornych przy wymianie oleju w warsztatach samochodowych. Badając oleje silnikowe regularnie, należy również obserwować trend pierwiastków zużyciowych, tak jak zostało to przedstawione na wykresie 1.

To tylko pierwiastki lub aż pierwiastki, które dają nam wiele możliwości. Oprócz tego wykonaliśmy również inne badania wymienione we wstępie. Obecnie wiemy, że pozostałe parametry dają nam równie ważne informacje jak te w pierwiastkach, jednak wymagają głębszej analizy. W kolejnym artykule postaramy się odpowiedzieć na pytanie, jaki jest bezpieczny interwał wymiany oleju? Mamy nadzieję, że zaciekawiliśmy Państwa tym artykułem i zapraszamy do lektury kolejnych publikacji z serii analiz olejowych silników samochodów osobowych.