Dvě tuhá tělesa nemají nikdy dokonalý povrch a v závislosti na kvalitě opracování se na nich vyskytují různě velké nerovnosti. Ke styku dvou povrchů tedy nedochází v celé ploše, nýbrţ pouze v některých dotykových plochách, kde se koncentruje značné mnoţství energie, měnící se především v teplo. Uvolněným teplem dochází k tavení povrchových vrstev materiálů. Jestliţe je pevnost těchto mikrosvarů menší, neţ pevnost materiálů třecích dvojic, odtrhne se svar ve své ploše. V případě, ţe mají mikrosvary větší pevnost, pak se vytrhávají částice z povrchů materiálu. Tyto částice putují dále s mazivem a jsou zdrojem abrazivního opotřebení nebo se zpět vtisknou do jedné z třecích ploch.
Adhezivnímu opotřebení nelze zcela zabránit, ovšem jeho intenzitu můţeme zmírnit tvorbou ochranných dostatečně pevných vrstev maziva, zmenšením zatíţení třecích ploch, zkvalitněním povrchu či vhodným výběrem třecích dvojic. Zvýšené adhezní působení vytváří intenzivnější odpor proti pohybu (v krajním případě aţ zadření) a narušené funkční povrchy. [1,5]
Obr. 5 Základní mechanismy opotřebení [16]
33
5.2Opotřebení abrazivní
Abrazivní opotřebení je vyvoláno přítomností tvrdých částic mezi třecími povrchy, které jsou v relativním pohybu. Je-li tvrdost částice menší neţ tvrdost povrchu, pak je opotřebení malé. V případě rovnosti tvrdostí opotřebení prudce narůstá a při zvýšené hodnotě tvrdosti částic jiţ dochází ke kritickým abrazivním účinkům. K takovýmto účinkům dochází při všech reţimech tření. Mazivo samo má proti tomuto druhu oděru malou ochrannou schopnost. Přítomnost částic nemusí nutně zpočátku vytvářet komplikace.
Částice totiţ mohou volně klouzat po povrchu či se pouze odvalovat. Celý průběh valení a skluzu závisí na velikosti mezery a výšky abrazivní částice.
Volnými částečkami mohou být zbytky adhezního oděru, tvrdé nečistoty z okolí, karbon vzniklý rozkladem maziva apod. V případě přítomnosti takovýchto nečistot, je nutné kapalinu vyměnit a pohlídat si správnou funkci filtrace. Uvádí se, ţe abrazivní účinky způsobují přibliţně 50 % škod z opotřebení. [1]
5.3
Erozivní opotřebení
Objevuje se za povrchovými překáţkami (hranami), za nimiţ proudící tekutina (plyn) intenzivně víří nebo při dopadu částic na erodovaný povrch. Rozhodujícím faktorem jsou síly působící při brţdění částic z počáteční dopadové rychlosti. Dopadající částice přenášejí energii do povrchové vrstvy erodovaného materiálu a způsobují jeho porušování. Projevem eroze je nerovnoměrné zvrásnění a zvlnění povrchu, případně i tvorbou mělkých prohlubní. Nerovnosti povrchu se postupně zvětšují v nejniţších místech, tedy přesně naopak od adheze a abraze. Stejná opatření proti adhezi a abrazi zmírňují i erozi. Náchylnější k vytváření eroze jsou prostory mazané tekutinou s malými viskozitami.
[1,19]
5.4
Kavitační opotřebení
Kavitace rozrušuje materiál v místech zániku kavitačních dutin, jejichţ zánik vyvolává hydrodynamické rázy. Dutina vznikne například při proudění mazacího oleje kanálem, který náhle změní svůj průřez (technologické provedení, vibrace a chvění stojní součásti), klesne tak tlak v mazací vrstvě natolik, ţe je menší neţ tlak nasycených par oleje a vznikne dutina (bublina) vyplněná parami nebo plyny. V oblastech vyššího tlaku pak tyto dutiny rychle zanikají, dochází k hydrodynamickým rázům a k zvýšení teploty. Opotřebení se projevuje postupně. Nejprve je vidět pouze jisté zatmavění a zmatnění povrchu a dále se pak tvoří velké mnoţství zřetelných drobných pórů, jejichţ rozloţení a hloubka závisí na struktuře materiálu. Tyto malé trhlinky dále postupují do hloubky a začínají se spojovat
34
a vytvářet charakteristické lomové plochy. Uvolněné částečky mohou být zdrojem abrazivního oděru. K omezení působení kavitace lze dosáhnout vhodnou volbou viskozity kapaliny s malou odparností a správným konstrukčním provedením. [1,5]
5.5
Únavové opotřebení
Únava vzniká narůstáním poruch v povrchové vrstvě materiálu vlivem opakovaných stykových napětí v částech povrchů. Existuje celá řada typů únavového poškození.
Známým případem je tvorba důlků (pitting). Tento druh opotřebení vzniká díky mazivu, které účinkem kontaktních tlaků vniká do povrchových trhlin a důsledkem uzavírání kapaliny pohybem součásti dochází k navýšení tlaku a zvýšení namáhání. Brzký vznik únavy můţe mít původ ve špatném materiálu či chybném technologickém postupu. Na vznik trhliny má vliv mnoho ukazatelů jako je rychlost pohybu, zatíţení, vlastnosti materiálu, geometrie, typ maziva atd. Trhliny se přednostně rozšiřují po hranicích zrn a postupně tvoří rozvětvenou síť, aţ dojde k odlupování šupinek a k tvorbě důlků. [1,5]
5.6 Korozivní opotřebení
Jedná se o chemické neţádoucí reakce různých kyselin, zásad, vody, chemicky aktivních zplodin rozkladu maziva a materiálů třecích dvojic způsobující v dynamických podmínkách nepřetrţitou korozi. Urychlujícím činitelem podporující intenzitu je teplota. Také kyslík a vlhkost z okolní atmosféry dosti průběhu pomáhají. Jejich účinkem se navíc na materiálech mohou vyskytovat tvrdé produkty, které se pak stávají příčinou abrazivního opotřebení. Je dobré, aby maziva obsahovala na površích dostatečně únosné a trvanlivé mazací filmy, které zabrání nechtěným reakcím, spojených s postupným opotřebováním.
Samozřejmě samotné mazivo nesmí téţ obsahovat látky působící korozivně s povrchovým materiálem. Naopak v dynamických podmínkách se oleje vybavují vhodnými inhibitory koroze. Kyselé korozivní sloţky oleje se zneškodňují vytvořením nadbytečné alkality (viz kap. 2.5). [1]
5.7 Vibrační opotřebení
Vibrační opotřebení nebo také vibrační koroze (tribokoroze) se vyskytuje při smykovém tření především ţelezných povrchů tam, kde dochází k opakovanému napětí důsledkem vibrace. Střídavě mechanicky namáhané povrchy chemicky reagují s okolním prostředím, hlavně s kyslíkem a vytvářejí oxidy, které se smykem odstraňují a obnaţený povrch je tak vystaven nové reakci a celý proces se opakuje. Intenzita vibrační koroze závisí na
35
frekvenci, amplitudě vibrace, zatíţení, tvrdosti povrchových materiálů, teploty a vlhkosti okolní atmosféry, součinitele tření a obsahu kyslíku ve stykových místech. Obranou proti tomuto druhu opotřebení je vhodná volba materiálu, nahrazení příliš tuhých dílů součástmi s větší elasticitou, zamezení přístupu kyslíku, pouţití maziv. [1]
5.8 Opotřebení ve spalovacích motorech
Zvyšováním účinnosti spalovacích motorů a snahou o větší měrné výkony se také zvyšují nároky na celý klikový mechanismus a jeho příslušenství. Tato zlepšení provázejí spoustu změn, vedoucím k navýšení nároků na celý motor. Hlavním důsledkem je zvyšování teplot a tlaků ve spalovacích prostorech a vyšší namáhání součástí. Opotřebení se nejvíce projevuje v místech klikové hřídele, ve ventilových rozvodech a v okolí pístu.
Ideálním případem by bylo, kdyby veškeré třecí plochy byly mazány hydrodynamicky.
Bohuţel tomu tak není a většina kontaktů je mazána mezně.
Ventilové rozvody – pozor bychom si měli dát na ventily, obzvláště výfukové, pracující za vysokých teplot (okolo 800 º C), na vačku a uloţení vačkové hřídele, vahadla, zdvihátka, zvedací tyčky a rozvodové ústrojí.
Kliková hřídel – k největšímu opotřebení dochází v místech čepů pro loţiska. Vliv na ţivotnost má správné a přesné vyváţení a uloţení hřídele.
Pístní skupina – jedná se o nejnáchylnější oblast v motoru. Součásti jsou namáhány rozdílnými teplotami a tlaky v krátkém časovém sledu. Dochází zde k největším ztrátám v tření. [20]
Jak jiţ bylo uvedeno, ve většině případů nepůsobí pouze jedno, nýbrţ celá sorta opotřebení najednou. Je proto těţké rozlišit druhy opotřebení na jednotlivé součásti. Na obrázcích je uvedeno několik samostatných případů opotřebení ve spalovacím motoru.
Na součásti na obrázku mohou působit i jiné formy opotřebení. Záleţí na mnoha faktorech.
Obr. 7 Abrazivní opotřebení pístu [21]
Obr. 6 Adhezní opotřebení pístního čepu [21]
36
6 Režimy tření a mazání
Důleţitým parametrem je způsob mazání třecích povrchů. Jednotlivá místa spalovacího motoru jsou promazávána v různých reţimech. Avšak k některým typům tření by vůbec nemělo docházet.
6.1 Suché tření
Třecí povrchy se spolu bezprostředně dotýkají naprosto suchými drsnými povrchy. Při vzájemném pohybu tedy dochází k velkému otěru a k značně vysokým teplotám. Jedná se o nejméně příznivý druh tření. Na velikost opotřebení má vliv: vlastnosti materiálu, tepelné vlastnosti, mechanické vlastnosti, chemické sloţení atd. V extrémních případech můţe docházet díky vysokým teplotám k roztavení materiálu a svaření třecích povrchů k sobě. Teorie suchého tření je dosti rozsáhlá, ovšem jelikoţ toto tření nikde ve spalovacím prostoru nenajdeme, nebude zde dále rozváděno.
Obr. 8 Kavitační opotřebení vložky válce [22] Obr. 9 Vibrační opotřebení ozubeného kola [22]
Obr. 10 Únavové opotřebení zdvihátka ventilu [22]
Obr. 12 Erozivní opotřebení ventilu [22]
Obr. 11 Korozivní opotřebení jehly vstřikovací trysky [23]
37
6.2 Mezné třeníMezné tření nastává, pokud jiţ mezi třecími povrchy existuje alespoň tenká vrstva maziva.
Tloušťka olejového filmu nepřesahuje drsnost povrchu součásti. Vzájemný styk se uskutečňuje pouze po výčnělcích. Hlavní sloţkou třecí síly je síla adhezní, která je rovna síle nutné k porušení adhezních mikrosvarů. K meznímu tření většinou dochází v případech, kdy při malých stykových plochách jsou třecí povrchy zatěţovány velkými tlaky, při malých smykových rychlostech a mezi drsnými povrchy. Mezné filmy podstatně zmenšují třecí síly při relativním pohybu dvou těles a zabraňují tvorbě studených svarů, avšak nedokáţí zcela oddělit třecí povrchy. V případě pouţití mezního tření vybíráme jako stykové plochy součástí měkké kovy, které zmenšují tření, a volíme vhodná aditiva. [1]
6.3 Kapalinové tření
Nejdokonalejšího způsobu mazání dosáhneme aţ při kapalinovém tření. Mezi třecími povrchy se vytváří souvislá vrstva maziva, která převyšuje drsnost povrchů a třecí síla je tak závislá pouze na velikosti vnitřního tření v kapalině. Mazací vrstvička přenáší zatíţení, kterými jsou k sobě tělesa přitlačována, zároveň musí vytvořit odpovídající protitlak. Toho lze dosáhnout buď hydrodynamicky, nebo hydrostaticky.
Unášíme-li kapalné mazivo do zúţeného prostoru, pak nám vznikne hydrodynamické tření. Jeden povrch tělesa je nakloněn proti druhému ve směru pohybu. Vznikne tak klínová vrstva, v níţ se rozdílem rychlostí vytvoří tlak, který působí na povrchy. Velikost tlaku závisí na smykové rychlosti, na viskozitě maziva a na sešikmení povrchů.
Taková klínová vrstva vzniká také v kluzném loţisku při otáčení čepu, který strhává mazivo s sebou a tlačí jej pod sebe a působí tak jako čerpadlo. Zvětšením zatíţení se zmenší mezera mezi zatíţenou částí čepu a pánví loţiska a tlak v mazivu vzroste.
Naopak při sníţení zatíţení se zvětší tloušťka mazací vrstvy a tlak v ní poklesne.
Ke správné funkci hydrodynamického mazání je nutné mít dostatečné mnoţství oleje s danou viskozitou vtékajícího do mazacího klínu tak, aby měla vrstva maziva alespoň minimální tloušťku k vytvoření dokonalého oddělení třecích povrchů mazivem.
Nejsou-li vhodné podmínky k vytvoření hydrodynamického tlaku, pak vytváříme tlak hydrostatický. Jedná se o vloţení maziva mezi smykové plochy pod tlakem odpovídajícím kolmému zatíţení smykových ploch. [1]
Ve spalovacích motorech je snahou, aby ve všech místech docházelo ke kapalinovému tření. Ovšem ne vţdy je moţné toho docílit. Hydrostatického mazání například není dosaţeno při spouštění motoru, kdy se vrstva teprve vytváří a při jeho zastavování, kdy se
38
mazací vrstva naopak „ztrácí“. Také náhlé změny rychlosti či střídavé zatěţování tomuto mazání neprospívají.
7 Výměnné intervaly olejů
Důleţitou skutečností vhodnou si na tomto místě připomenout je, ţe jediná hodnota, která vypovídá o kvalitě motorového oleje, je výkonová specifikace. Není to viskozita, ani postup výroby (minerální či syntetický olej). A zároveň je ještě důleţitější si uvědomit, ţe kvalita oleje nemá vliv na výměnný interval. Vyšší výkonová specifikace ho nikterak neprodlouţí. Pouze samotní výrobci mohou zodpovědně určit dobu, po kterou je moţné olej v motoru pouţívat vzhledem ke konstrukci, kvalitě spalování atd. Pozor na to, ţe tato doba je uváděna jako maximální a nemusí vţdy vyhovovat kaţdému provozu. Při častějších jízdách ve městě nebo se studeným startem dochází k rychlejší degradaci oleje a je vhodnější výměnný interval zkrátit.
Váţnou chybou je zvolení nesprávného motorového oleje (viskozitní a výkonová specifikace) mající za následek v lepším případě sníţení výkonu a zvýšení spotřeby, ovšem v horším případě můţe vést aţ ke zkrácení ţivotnosti motoru nebo k jeho váţnému poškození.
Správná výměna oleje by měla být provedena za dostatečně prohřátého motoru tak, aby byl olej teplý a jeho viskozita co nejmenší, aby došlo k co největšímu zhomogenizování a bylo vypuštěno maximální moţné mnoţství oleje. Zároveň by měl být ponechán dostatečné dlouhý časový prostor na vypuštění náplně. Přísné časové normy na provádění úkonů v servisech těmto skutečnostem nepomáhají. Bohuţel nikdy se nepodaří vypustit veškerý motorový olej. I při správném postupu zůstává v motoru aţ 10 % starého oleje. Ten se dostává do styku s novým olejem a ovlivňuje tak jeho vlastnosti. V případě, ţe by v motoru zůstalo nedbalou výměnou větší mnoţství starého oleje, dochází pak k rychlejší degradaci nové náplně a k nutnosti dřívější výměny. Pokud je při výměně olej nadměrně znehodnocen, vytváří se v motoru pevné usazeniny, které okamţitě způsobí
Obr. 13 Schématické znázornění vytvoření hydrodynamického tlaku na rovné podložce a v kluzném ložisku. [1]
39
prudký pokles kvality nové náplně. Extrémně znehodnocený olej můţe mít změněny viskozitní vlastnosti aţ o dvě třídy.
Moderním trendem je dnes zvyšování litrového výkonu při současném sniţování objemu motoru a velikosti olejové náplně. Jedná se o pochopitelnou reakci na emisní normy, ekologii a ceny pohonných hmot. Tato skutečnost ovšem zvyšuje poţadavky na celou mazací soustavu včetně samotného oleje. Musí tak docházet k lepším odvodům tepla z pístů a dalších částí spalovacího motoru. Na obr. 11 je ukázán vývoj osobních motorových vozidel Opel a VW do roku 2010.
Další neprospěšnou skutečností pro motorové oleje je pouţívání biosloţek v palivech, které způsobují také rychlejší znehodnocení olejů, často i dříve neţ je doporučeno
výrobcem. Přítomnost metylesteru mastných kyselin (MEŘO) v motorové naftě zhoršuje oxidační stabilitu v oleji a tvoří nerozpustné kaly a pryskyřice. V případě bioetanolu
v benzinu vznikají při spalováni kyselé produkty, které se do motoru dostávají hlavně při studených startech. [2,4,24,25]
Pro obecný přehled výměnných intervalů velkých vznětových motorů je na obr. 12 ukázán postup u vozidel značky TEDOM. Je vidět, ţe výměny se řídí podle toho, v jakém prostředí je vozidlo v provozu.
Tab. 3 Vývoj osobních motorových vozidel Opel a VW. [25]
40
7.1 Prodloužené výměnné intervaly olejůPro prodlouţené výměny motorových olejů jasně hovoří několik aspektů, díky nimţ se tato metoda uplatnila. Jedná se hlavně o úsporu motorového oleje, financí, práce, času a sníţení ekologické zátěţe a úsporu energie. Ovšem existují i negativa hovořící proti prodlouţeným intervalům výměn. Takovými negativy je zvýšení rizika poškození motoru, opotřebení a zvýšená tvorba úsad.
Aby bylo moţné prodlouţit výměnné intervaly, je zapotřebí splnit některé poţadavky.
Jedná se předně o přesnost výroby motorů, zajištění čistoty a pouţití kvalitních filtrů oleje i vzduchu. Výrobci motorů by měli úzce spolupracovat s výrobci takovýchto olejů. Běţné stanovení prodlouţené výměny se pohybuje přibliţně v najetí 30 000 km (pro záţehové motory) respektive 50 000 km (pro vznětové motory) či uplynutí dvou let. Je ovšem záhodno uvést, ţe se jedná opět jako v předchozích případech o hodnoty hraniční. To znamená, ţe této hodnoty lze dosáhnout ekonomickým způsobem jízdy a provozem převáţně na dlouhých trasách. Naopak provozování v extrémních podmínkách (prašnost), při jízdách v městském provozu či nehospodárným způsobem se opět značně interval zkracuje. Celkově veškeré aspekty, na které si musíme dávat pozor v případě normálních výměnných intervalů, zde platí také, ovšem v mnohem větší míře.
Tab. 4 Výměnný interval velkých vznětových motorů TEDOM. [26]
41
V některých mimoevropských zemích se tyto prodlouţené výměny olejů příliš nerozšířily.
Odpůrci tvrdí, ţe se pouze jedná spíše o marketingový tah. Jíní jim oponují a chválí si ušetřené finance a čas. [24,25]
8 Tribotechnická diagnostika spalovacích motorů v praxi
Veškeré informace napsané před touto kapitolou byly důleţité základní „stavební kameny“, o kterých by měl kaţdý tribodiagnostik dobře vědět. Ovšem skutečná nutná znalost a problematika této diagnostiky zasahuje do mnohem širšího okruhu.
Výběr správného motorového oleje pro ten správný motor a jeho kontrola pomocí tribodiagnostiky, je ve skutečnosti dosti nesnadným úkolem. Při výběru musíme především zohlednit druh paliva, konstrukci motoru a sloţení motorového oleje.
8.1 Druh paliva
Díky hledání alternativních zdrojů energie se dnes pouţívají i jiná paliva neţ benzin či motorová nafta. Jedná se především o plynná paliva.
Benzin a motorová nafta – Některé informace jsou v kap. 1.3, kde je uvedeno, ţe největším rozdílem v palivech je tepelné namáhání. Průnik těchto paliv netěsnostmi přes pístní krouţky do motorového oleje, způsobuje sníţení viskozity a nehomogenitu olejového filmu. Vysoká kontaminace můţe zapříčinit dokonce pokles tlaku v systému, který dále vede aţ k přidření z důvodů nedostatku oleje v některých mazaných místech.
U motorové nafty bychom si měli navíc dát pozor na mnoţství sazí v oleji a dříve také na obsah síry, která vytvářela kyselé úsady. Ovšem dnes se jiţ prodává nafta bezsirná.
Plynná paliva - Z ekologických a ekonomických důvodů, se hlavně v městské a meziměstské dopravě vyuţívají vozidla spalující především CNG a LPG.
Ve stacionárních motorech se pak vyuţívají tzv. „špinavá paliva“, tedy bioplyny.
Problémem těchto paliv vyrobených ze zbytků zemědělské produkce, exkrementů hospodářského zvířectva, ze skládek či kalů je jejich různá kvalita. Sloţení můţe být velmi různorodé. Základním negativem je obsah síry a jeho sloučenin, které korozivně opotřebovávají motor a jeho části.
Motorový olej je v plynovém motoru zatěţován rozdílně od běţných paliv. Působí zde zejména vyšší teploty (rozvody, pístová skupina), jejímţ projevem je především sníţení viskozity, díky degradaci zušlechťujících přísad. Naopak se pouze minimálně vytvářejí popelnaté úsady. [32, 33]
42
Co se paliva týče, je důleţité si uvědomit, ţe například sníţení viskozity u motorové nafty, nemá stejnou příčinu, jako u plynného paliva. Dále, ţe takovéto hodnoty, které jsou u kapalného paliva minimálně varující, nemusí u plynného paliva způsobovat větší znepokojení.
8.2 Složení motorového oleje
Ke správně prováděné tribodiagnostice je bezpodmínečně nutné, dobře znát pouţívaný olej a to značně podrobně. Nestačí vědět pouze o jedné ze základních vlastností. Co se týká viskozitních parametrů, ty většina uţivatelů zná. Ovšem neméně důleţitou hodnotu, jako je výkonová klasifikace, jiţ někteří opomíjí. Při rozboru je tato hodnota nepostradatelná.
V provozu se určuje především úroveň kontaminace zplodinami spalovacího procesu (saze) pomocí Conradsonova karbonizačního zbytku (CCR). V obsahu motorových olejů se nacházejí popelnaté přísady, které mají vliv na počáteční hodnotu CCR. V tab. 5 je názorně ukázáno sloţení motorového oleje dle ACEA pro vznětové motory uţitkových automobilů. Je vidět, ţe ve výkonových klasifikacích je značný rozdíl obsahu jednotlivých sloţek. Neznalý hodnotitel, pak můţe mylně jiţ na počátku pouţití olej povaţovat za znečištěný.
Toto různé sloţení jednotlivých olejů je způsobeno zavedením nových emisních limitů a typů katalytických systémů výfukových plynů, které jsou speciálně připraveny pro „Low SAPS“ oleje charakterizované nízkým obsahem sulfátového popelu, fosforu a síry. [34]
Takovýchto úskalí je více a s postupným vývojem motorových olejů jich bude přibývat a je potřeba se jim dostatečně věnovat.
Představa přibliţných limitních hodnot laboratorních zkoušek motorového oleje je
Představa přibliţných limitních hodnot laboratorních zkoušek motorového oleje je