Jak powstaje olej silnikowy? Od ropy naftowej do butelki

Olej silnikowy nie jest po prostu „płynem smarującym”, który nalewa się do silnika i wymienia co określony przebieg. To precyzyjnie opracowana mieszanina bazy olejowej oraz dodatków, których zadaniem jest ochrona silnika w bardzo różnych warunkach: od zimnego rozruchu zimą po wielogodzinną jazdę autostradą. Wyjaśnię, jak powstaje olej silnikowy, czym różnią się jego bazy i dlaczego sama informacja „syntetyczny” nie zawsze mówi wszystko o jakości produktu.

Czym jest olej silnikowy i z czego się składa

Gotowy olej silnikowy składa się zazwyczaj w około 75–85% z bazy olejowej oraz w około 15–25% z pakietu dodatków uszlachetniających. Proporcje zależą od przeznaczenia produktu, wymaganej lepkości i norm, które ma spełniać. Olej do prostego silnika benzynowego może mieć inny skład niż środek smarny do nowoczesnego diesla z filtrem DPF albo niewielkiego silnika benzynowego podatnego na zjawisko LSPI.

Baza jest nośnikiem całej kompozycji. To ona odpowiada między innymi za płynność, odporność na temperaturę i tworzenie filmu olejowego między współpracującymi elementami. Film ten ogranicza bezpośredni kontakt metalu z metalem, ale olej wykonuje w silniku także inne zadania:

• smaruje łożyska, tłoki, wał korbowy, turbosprężarkę i elementy rozrządu,
• odprowadza ciepło z miejsc, do których nie dociera układ chłodzenia,
• utrzymuje zanieczyszczenia w zawiesinie, aby nie tworzyły twardych osadów,
• chroni przed korozją i ogranicza skutki działania wilgoci oraz produktów spalania.

W warsztacie wielokrotnie widziałem kierowców przekonanych, że najważniejszy jest sam napis „5W-30”. Tymczasem oznaczenie SAE informuje głównie o klasie lepkościowej, a nie o pełnym składzie i dopuszczeniach. Dwa oleje o tej samej lepkości mogą różnić się bazą, pakietem dodatków, odpornością na utlenianie i przydatnością do konkretnego silnika.

Jak powstaje baza olejowa z ropy naftowej – proces rafinacji

Produkcja tradycyjnych baz olejowych zaczyna się od ropy naftowej. Po wydobyciu surowiec trafia do rafinerii, gdzie najpierw jest oczyszczany z wody, gazów i części zanieczyszczeń. Następnie poddaje się go rozdzielaniu na frakcje o różnych zakresach temperatur wrzenia.

1. Destylacja atmosferyczna

Ropa jest podgrzewana i kierowana do kolumny destylacyjnej pracującej przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. Lżejsze składniki unoszą się wyżej, a cięższe pozostają niżej. W ten sposób uzyskuje się między innymi gazy, benzynę, naftę, olej napędowy i cięższe pozostałości.

Do produkcji baz olejowych potrzebne są przede wszystkim cięższe frakcje. Nie oznacza to jednak, że można je od razu wlać do silnika. Zawierają one bowiem związki siarki, azotu, żywice, węglowodory aromatyczne i parafiny, które pogarszałyby właściwości gotowego oleju.

2. Destylacja próżniowa

Pozostałość po destylacji atmosferycznej, nazywana między innymi mazutem, trafia do kolumny próżniowej. Obniżenie ciśnienia pozwala oddzielać ciężkie frakcje w niższej temperaturze. Ma to znaczenie, ponieważ nadmierne podgrzanie mogłoby doprowadzić do rozkładu surowca, zanim udałoby się go właściwie rozdzielić.

W wyniku tego etapu powstają frakcje próżniowe, z których można otrzymać między innymi bazowe oleje smarowe.

3. Rafinacja rozpuszczalnikowa

W starszych i klasycznych technologiach stosuje się rozpuszczalniki, które pomagają oddzielić niepożądane składniki od właściwej frakcji olejowej. Usuwane są między innymi związki aromatyczne oraz część substancji wpływających negatywnie na stabilność termiczną i odporność na utlenianie.

Ten etap poprawia jakość bazy, ale nie prowadzi do idealnego uporządkowania wszystkich cząsteczek. Dlatego klasyczne bazy mineralne mają zwykle większy rozrzut właściwości niż nowocześniejsze bazy hydrokrakowane.

4. Odparafinowanie

Parafiny mogą krystalizować w niskiej temperaturze, zwiększając lepkość oleju albo utrudniając jego przepływ podczas rozruchu. W procesie odparafinowania usuwa się część tych składników, często z użyciem rozpuszczalnika i kontrolowanego schładzania.

W praktyce chodzi o to, aby olej nie zachowywał się zimą jak gęsty syrop. To właśnie między innymi od skuteczności tego procesu zależy późniejsza temperatura płynięcia bazy.

5. Hydrorafinacja

W obecności wodoru, pod zwiększonym ciśnieniem i w obecności katalizatora, usuwa się siarkę, azot oraz część niestabilnych związków. Nasycane są także wybrane wiązania chemiczne, co poprawia odporność bazy na utlenianie i ogranicza tworzenie osadów.

Tak otrzymana baza może być znacznie czystsza niż produkt poddany wyłącznie podstawowej rafinacji. Właściwości zależą jednak od konkretnej technologii i parametrów procesu. Samo określenie „mineralny” nie mówi jeszcze, jak zaawansowane oczyszczanie zastosowano.

Bazy syntetyczne i hydrokrakowane – nowoczesne technologie syntezy

W przypadku baz hydrokrakowanych również wykorzystuje się surowiec pochodzący z ropy, ale jego cząsteczki poddaje się znacznie głębszej przebudowie. Hydrokraking odbywa się z udziałem wodoru i katalizatorów. Długie, niestabilne łańcuchy węglowodorów są rozbijane, a następnie przekształcane w bardziej pożądane struktury.

Najprościej można porównać ten proces do sortowania i przebudowy elementów. W klasycznej rafinacji przede wszystkim oddziela się składniki i oczyszcza je. W hydrokrakingu dodatkowo zmienia się strukturę części cząsteczek, dzięki czemu baza ma bardziej przewidywalne właściwości.

Bazy hydrokrakowane, często określane jako HC lub grupa III, mogą oferować:

• wysoki wskaźnik lepkości, czyli mniejszą zmianę lepkości wraz z temperaturą,
• dobrą odporność na utlenianie,
• niską zawartość siarki i zanieczyszczeń,
• korzystne właściwości niskotemperaturowe.

Inną drogą jest synteza chemiczna. Polialfaolefiny PAO otrzymuje się z mniejszych cząsteczek, między innymi pochodnych etylenu, które łączy się w kontrolowany sposób. Producent nie bierze więc gotowej mieszaniny cząsteczek z ropy i tylko jej nie oczyszcza, ale buduje pożądane struktury od podstaw. PAO charakteryzuje się bardzo dobrą stabilnością, niską lotnością i wysoką odpornością na temperaturę.

W olejach specjalistycznych stosuje się również estry. Są to związki polarne, czyli takie, których cząsteczki mają większą zdolność przyciągania się do powierzchni metalu. Mogą wspierać tworzenie filmu olejowego i poprawiać właściwości niskotemperaturowe. Z drugiej strony estry wymagają odpowiedniego doboru, ponieważ ich kompatybilność z uszczelnieniami i innymi składnikami oleju musi być sprawdzona.

Warto zachować ostrożność wobec prostego podziału na „mineralny” i „syntetyczny”. Olej hydrokrakowany może być sprzedawany jako syntetyczny w zależności od obowiązujących zasad rynkowych i sposobu komunikacji producenta, choć technologicznie różni się od oleju opartego na PAO. Dla kierowcy ważniejsze od samej etykiety są wymagane normy, lepkość i dopuszczenia producenta silnika.

Grupy baz olejowych według API – klasyfikacja i właściwości

Klasyfikacja American Petroleum Institute dzieli bazy na pięć grup. Pod uwagę bierze się między innymi zawartość siarki, stopień nasycenia węglowodorami oraz wskaźnik lepkości. Nie jest to ranking, w którym grupa V zawsze oznacza produkt lepszy od grupy IV. Grupa V obejmuje bardzo różne substancje, dlatego jej właściwości trzeba analizować osobno.

Grupa I to klasyczne bazy mineralne. Zawierają więcej związków aromatycznych i siarki niż nowsze grupy, mają też niższy wskaźnik lepkości. Mogą być wystarczające w starszych silnikach, szczególnie gdy konstrukcja nie wymaga długich interwałów wymiany ani niskiej lotności oleju.

Grupa II powstaje z zastosowaniem intensywniejszej hydrorafinacji. Ma niższą zawartość siarki i większy stopień nasycenia. Taka baza lepiej znosi utlenianie i może być używana w wielu współczesnych formulacjach.

Grupa III jest głęboko hydrokrakowana. Dzięki przebudowie cząsteczek oferuje wysoki wskaźnik lepkości i dobrą stabilność. To obecnie bardzo popularna baza w olejach określanych jako syntetyczne lub technologicznie syntetyczne.

Grupa IV obejmuje PAO. Cząsteczki są wytwarzane syntetycznie i mają bardzo regularną strukturę. PAO dobrze sprawdza się w niskich i wysokich temperaturach, ale często wymaga połączenia z innymi bazami lub estrami, ponieważ sama baza nie rozwiązuje wszystkich problemów formulacyjnych.

Grupa V to pozostałe bazy, na przykład estry, poliglikole czy niektóre specjalistyczne substancje. Nie powinno się utożsamiać jej z jednym konkretnym poziomem jakości. Ester użyty w niewielkiej ilości jako składnik formulacji pełni inną funkcję niż olej oparty w dużej mierze na bazie estrowej.

Wskaźnik lepkości opisuje, jak silnie lepkość zmienia się wraz z temperaturą. Im wyższy, tym łatwiej zaprojektować olej, który pozostaje odpowiednio płynny przy rozruchu i jednocześnie zachowuje film olejowy po rozgrzaniu. Nie oznacza to jednak, że zawsze należy wybierać najwyższy możliwy wskaźnik. Silnik ma określone wymagania konstrukcyjne i nie wolno zastępować zalecanej lepkości przypadkowym produktem.

Blending – jak wygląda proces mieszania bazy z dodatkami uszlachetniającymi

Po przygotowaniu bazy następuje blending olejów, czyli mieszanie komponentów według ściśle opracowanej receptury. Baza trafia do zbiornika, gdzie w kontrolowanej temperaturze dodaje się kolejne składniki. Temperatura, kolejność dozowania i czas mieszania mają znaczenie, ponieważ niektóre dodatki muszą się rozpuścić, a inne mogą reagować ze sobą lub zanieczyścić układ, jeśli zostaną wprowadzone nieprawidłowo.

W gotowym oleju pakiet dodatków może stanowić około 15–25% objętości. Nie są to „drobne ulepszacze”, lecz składniki decydujące o tym, czy olej poradzi sobie z sadzą, paliwem, wysoką temperaturą i produktami spalania.

Modyfikatory lepkości są szczególnie ważne w olejach wielosezonowych. Ich zadaniem jest ograniczenie nadmiernego spadku lepkości po rozgrzaniu. Trzeba jednak pamiętać, że pod wpływem ścinania mechanicznego mogą z czasem tracić swoje właściwości. Dlatego olej o odpowiedniej klasie SAE nie powinien być eksploatowany bez końca tylko dlatego, że nadal wygląda czysto.

Detergenty i dyspergatory działają inaczej. Detergent pomaga utrzymywać powierzchnie w czystości, a dyspergator otacza drobiny zanieczyszczeń i zapobiega ich łączeniu się w większe skupiska. W silniku z dużym przebiegiem olej może szybko ciemnieć właśnie dlatego, że skutecznie przejmuje produkty spalania. Sam ciemny kolor nie jest więc wystarczającym powodem do reklamacji oleju.

Dodatki przeciwzużyciowe AW oraz wysokociśnieniowe EP tworzą warstwę ochronną w sytuacjach, gdy film olejowy jest bardzo cienki. Ma to znaczenie między innymi podczas rozruchu, dużego obciążenia i pracy elementów rozrządu. Ich ilość musi być jednak dobrana do układu oczyszczania spalin. Więcej dodatków nie zawsze oznacza lepszy olej.

Kontrola jakości i testy laboratoryjne gotowego oleju

Po blendowaniu pobiera się próbki partii i sprawdza ich właściwości fizykochemiczne. W laboratorium bada się między innymi:

• lepkość kinematyczną w określonych temperaturach,
• lepkość dynamiczną i zachowanie oleju podczas rozruchu,
• temperaturę zapłonu,
• temperaturę płynięcia,
• wskaźnik zasadowy TBN,
• zawartość pierwiastków i popiołu siarczanowego,
• stabilność na utlenianie oraz odporność na ścinanie.

TBN określa rezerwę zasadową oleju, która pomaga neutralizować kwaśne produkty powstające podczas spalania. W silnikach Diesla i przy długich okresach pracy ma to szczególne znaczenie, ale sam wysoki TBN nie jest uniwersalnym argumentem za wyborem konkretnego produktu.

W przypadku olejów przeznaczonych do określonych silników przeprowadza się także testy stanowiskowe i silnikowe wymagane przez normy branżowe oraz procedury producentów pojazdów. Sprawdza się między innymi zużycie, czystość tłoków, tworzenie osadów, kompatybilność z uszczelnieniami i zachowanie w wysokiej temperaturze.

To etap, którego nie widać na półce sklepowej. Dwie butelki o podobnej etykiecie mogą mieć zupełnie różny zakres badań i dopuszczeń. Dlatego podczas zakupu sprawdzam nie tylko klasę SAE, ale również aktualne wymagania API, ACEA oraz konkretne aprobaty producenta samochodu.

Wpływ procesu produkcji na właściwości oleju – oleje Low SAPS i ochrona DPF

Nowoczesny olej musi współpracować nie tylko z silnikiem, ale również z układem oczyszczania spalin. W silnikach Diesla jest to przede wszystkim DPF, a w wielu silnikach benzynowych filtr GPF oraz katalizator.

Podczas spalania niektórych dodatków powstaje popiół siarczanowy. Nie jest on usuwany podczas standardowej regeneracji filtra cząstek stałych i stopniowo zajmuje jego objętość. Z tego powodu opracowano oleje niskopopiołowe Low SAPS, w których ogranicza się zawartość popiołu, siarki i fosforu. Skrót SAPS odnosi się do siarczanów, popiołu, fosforu i siarki.

Ograniczenie tych składników nie oznacza, że olej ma mniej chronić silnik. Oznacza raczej konieczność zastosowania innego pakietu dodatków i dokładnego znalezienia kompromisu między ochroną mechaniczną a trwałością układu wydechowego.

W nowoczesnych silnikach benzynowych ważne jest także zjawisko LSPI, czyli przedwczesnego zapłonu przy niskiej prędkości obrotowej i wysokim obciążeniu. Może ono powodować bardzo gwałtowne ciśnienia w cylindrze. Formulacja oleju, między innymi dobór detergentów i dodatków wapniowych, może wpływać na skłonność silnika do tego zjawiska. Nie jest to jednak problem, który kierowca powinien rozwiązywać samodzielnym mieszaniem olejów. Potrzebny jest produkt spełniający wymagania konkretnej jednostki napędowej.

Jak wiedza o produkcji oleju pomaga w wyborze właściwego produktu

Wiedza o tym, jak powstaje olej silnikowy, pomaga odczytywać etykietę bez ulegania hasłom reklamowym. Najpierw sprawdzam instrukcję samochodu i wymagany standard. Dopiero później analizuję lepkość oraz markę produktu.

Klasyfikacja SAE, na przykład 5W-30, opisuje zachowanie oleju w niskiej i wysokiej temperaturze. Liczba przed literą W dotyczy warunków zimowych, a druga część oznaczenia lepkości po rozgrzaniu. Nie jest to jednak klasyfikacja jakościowa.

Klasyfikacje API i ACEA opisują wymagania użytkowe. ACEA rozróżnia między innymi oleje przeznaczone do silników benzynowych i Diesla oraz produkty o obniżonej zawartości popiołu. W przypadku wielu samochodów najważniejsze są jednak konkretne aprobaty producenta, zapisane w instrukcji lub dokumentacji technicznej.

Z mojego doświadczenia wynika, że kierowcy popełniają trzy typowe błędy:

• wybierają olej wyłącznie po cenie albo napisie „syntetyczny”,
• uznają, że wyższa lepkość zawsze lepiej chroni zużyty silnik,
• kupują produkt o podobnym oznaczeniu, ale bez wymaganej normy OEM.

Jeśli samochód ma DPF lub GPF, nie stosowałbym przypadkowego oleju „do diesla” tylko dlatego, że ma właściwą lepkość. Jeżeli producent wymaga oleju Low SAPS, trzeba sprawdzić odpowiednią klasę ACEA i aprobatę. Przy intensywnym użytkowaniu, krótkich trasach i częstych regeneracjach filtra szczególnie ważna jest terminowa wymiana, bo nawet najlepsza baza nie zatrzyma rozcieńczania oleju paliwem.

Teraz łatwiej odpowiedzieć, jak powstaje olej silnikowy: zaczyna się od wydzielenia i oczyszczenia bazy, następnie stosuje się hydrokraking albo syntezę chemiczną, później przeprowadza blending z dodatkami, testy laboratoryjne i kontrolowany rozlew do opakowań. Dla kierowcy najważniejszy wniosek jest praktyczny: nie wybieraj oleju na podstawie jednego słowa z etykiety. Porównaj lepkość, normę API lub ACEA, aprobatę producenta i przeznaczenie produktu, a następnie wymieniaj go zgodnie z rzeczywistymi warunkami eksploatacji.

O autorze

Marek Kaczmarek

Administrator

Mam na imię Marek Kaczmarek, mam 42 lata i od kilkunastu lat zawodowo jestem związany z motoryzacją. Zaczynałem od pracy przy samochodach w warsztacie, później przez kilka sezonów zajmowałem się również ogumieniem, a z czasem coraz mocniej związałem się z diagnostyką i badaniami technicznymi pojazdów.

Odwiedź stronę internetową Wyświetl wszystkie posty