TRIBODIAGNOSTIKA SPALOVACÍCH MOTORŮ VOZIDEL

TRIBODIAGNOSTIKA SPALOVACÍCH MOTORŮ VOZIDEL

Diplomová práce

Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství

Studijní obor: 2302T010 – Konstrukce strojů a zařízení Autor práce: Bc. Filip Houška

Vedoucí práce: doc. Dr. Ing. Elias Tomeh

Liberec 2014

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

FAKULTA STROJNÍ

Katedra vozidel a motorů Obor N2301

Konstrukce strojů a zařízení Zaměření

Pístové spalovací motory

TRIBODIAGNOSTIKA SPALOVACÍCH MOTORŮ VOZIDEL

Diplomová práce KVM – DP – 672 Bc. Filip Houška

Vedoucí diplomové práce: doc. Dr. Ing. Elias Tomeh

Konzultant diplomové práce: Jiří Klapka – NOCC TESWOR a.s.

Počet stran: 61 Počet obrázků: 13 Počet příloh: 0 Počet výkresů: 0

Květen 2014

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

_________________________________________________________________________

Katedra vozidel a motorů Studijní rok: 2013/2014

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE

Jméno a příjmení Filip H O U Š K A

studijní program N2301 Strojní inženýrství

obor 2302T010 Konstrukce strojů a zařízení zaměření Pístové spalovací motory

Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje diplomová práce na téma:

TRIBODIAGNOSTIKA SPALOVACÍCH MOTORŮ VOZIDEL

Zásady pro vypracování:

(uveďte hlavní cíle diplomové práce a doporučené metody pro vypracování)

Studijní a experimentální práce zaměřené na možnosti diagnostiky tribologických (analýza olejů) vlastností uzlů vozidel a motorů v laboratořích KVM.

1) Popište současný stav dostupných metod testování olejů spalovacích motorů. Uveďte všechny požadavky kladené na ně a popište jejich základní technické parametry.

Zhodnoťte klady a zápory.

2) Uveďte základní druhy a mechanismy opotřebení a popište nejčastější výskyt opotřebení ve spalovacích motorech a jeho částech.

3) Popište metodu tribotechnické diagnostiky a vysvětlete její v

4) Analyzujte vliv konstrukce motoru na vlastnosti motorových olejů. Porovnávejte rozdíly v tribodiagnostice v souvislosti s typem použití paliv – benzinové, naftové a plynové motory. Porovnávejte rozdíly v analýze hodnot simulovaných na Štandech TUL a v provozu.

5) Popište servisních intervalů výměny olejů a jeho princip.

6) Během řešení diplomové práce spolupracujte s firmou NOCC TEWOR, a.s.

Forma zpracování diplomové práce:

Průvodní zpráva - v rozsahu cca 50 stran textu, vč. příloh.

Text celé diplomové práce včetně příloh bude v elektronické formě přiložen na CD nosiči k tištěnému svazku originálu diplomové práce.

K tištěným svazkům originálu diplomové práce bude přiložena výkresová dokumentace.

Seznam literatury (uveďte doporučenou odbornou literaturu):

[1] Časopisy a katalogy firem.

[2] VLK, F.: Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. Nakladatelství a vydavatelství Vlk, Brno, 2001.

[3] STRAKA, Bedřich. Motorové oleje a tribotechnická diagnostika naftových motorů. 1.

vyd. Praha : Nakladatelství dopravy a strojů, 1986. 247 s.

[4] Tribotechnika v teorii a praxi III.Tribotechnics in theory and practice III :

VIII.International conference 21.-24.4. 1997 Skalský Dvůr. 1. vyd. Praha : Sekurkon, 1997. 68 s.

[5] BOHÁČEK, František; DVOŘÁK, Karel. Části a mechanismy strojů II : Hřídele, tribologie, ložiska. 3. vyd. Brno : PC DIR, 1996. 215 s. ISBN 80-214-0829-4.

[6] MAREK, Vladislav; NOVÁČEK, Vladimír. Tribotechnická diagnostika. Praha : Dům techniky ČSVTS, 1986. 1 nestránkovaný sv. s. ISBN X2-0912.051.

[7] JETMAR, J. STODOLA, J. Tribologie a její aplikace v technické diagnostice automobilů. Skripta VA Brno. S-2067, 1991.

[8] KLAPKA, J.: ……….

Vedoucí diplomové práce: doc. Dr. Ing. Elias Tomeh - KVM - TUL

Konzultant diplomové práce: Jiří Klapka – NOCC TEWOR, a.s.

L.S.

Ing. Robert Voženílek, Ph.D. doc. Ing. Miroslav Malý, CSc.

vedoucí katedry děkan

V Liberci dne 1. 11. 2013

___________________________________________________________________________

Platnost zadání diplomové práce je 15 měsíců od výše uvedeného data (v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ).

Termíny odevzdání bakalářské práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v harmonogramu výuky.

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

TRIBODIAGNOSTIKA SPALOVACÍCH MOTORŮ VOZIDEL

Anotace

Nejprve jsou v této práci uvedeny základní důležité vlastnosti motorových olejů a jejich rozdělení. Dále je pojednáváno o metodách testování motorových olejů, druhů opotřebení, režimech tření a výměnných intervalech olejů. Tyto poznatky pomáhají lépe proniknout do problematiky samotné tribotechnické diagnostiky spalovacích motorů.

Poté jsou zde ukázány provedené rozbory olejů odlišných motorů a jejich výsledky, mající různou vypovídající schopnost, která je ovlivněna především použitým palivem.

Klíčová slova:

TRIBODIAGNOSTICS INTERNAL COMBUSTION ENGINE VEHICLES

Annotation

The first part of the thesis covers basic important characteristics of engine oils and their dividing. The next part describes methods of testing engine oils, types of degradation, friction modes and changing intervals. These facts are helpful and important for further studying of the tribotechnic diagnostic of the combustion engines.

The last section covers methods and results of oil analyses from different engines. The relevance of the testing methods and results varies, depending mainly on the used fuel.

Keywords:

Desetinné třídění: (př. 621.43.01)

Zpracovatel: TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra vozidel a motorů

Dokončeno : 2014

Archivní označení zprávy:

6

Poděkování

Chtěl bych poděkovat vedoucímu mé diplomové práce doc. Dr. Ing. Eliasovi Tomehovi a obzvláště konzultantovi mé diplomové práce Jiřímu Klapkovi a jeho zaměstnavateli firmě NOCC TESWOR a.s. za odbornou pomoc, četné informace, cenné rady, připomínky, ochotu a trpělivost při zpracovávání tohoto tématu.

Filip Houška

7

Seznam symbolů a jednotek

SAE Socienty of Automotive Engineers - Společnost automobilových inţenýrů USA.

EGR Exhaust Gas Recirculation – Recirkulace výfukových plynů.

TAN [mg KOH/g] Total acid number – Celkové číslo kyselosti.

TBN [mg KOH/g] Total Base Number – Celkové číslo alkality.

API American Petroleum Institute – Americký ropný institut.

ACEA Association des Constructeurs Européens ď Automobiles – Sdruţení výrobců evropských automobilů.

DPF Diesel Particulate Filter – Filtr pevných částic.

SCR Selective Catalitic Reduction – Selektivní katalytická redukce.

TWC Three Way Catalyst – Třícestný katalyzátor.

SAPS Sulfate Ash Phosphorus Sulfur – sulfátový popel, síra, fosfor.

HTHS [mPa·s] High Temperature High Shear Viscosity – Dynamická viskozita měřená při teplotě 150 °C a velkém smykovém spádu.

ČAPPO Česká asociace petrolejářského průmyslu a obchodu.

MEŘO

8

Obsah

1 Úvod... 10

2 Oleje spalovacích motorů vozidel ... 11

2.1 Rozdělení dle základových sloţek ... 12

2.2 Viskozita ... 13

2.3 Výkonová klasifikace ... 15

3 Vlastnosti motorových olejů ... 19

3.1 Základní vlastnosti ... 20

3.1.1 Mazivost ... 20

3.1.2 Bod tuhnutí ... 20

3.1.3 Odparnost oleje... 20

3.1.4 Oxidace oleje ... 20

3.1.5 Viskozita ... 21

3.1.6 Kyselost a alkalita ... 21

3.1.7 Slučitelnost s plasty ... 22

3.2 Aditivace olejů ... 22

3.2.1 Detergenty a disperzanty ... 23

3.2.2 Antioxidanty ... 23

3.2.3 Modifikátory tření ... 23

3.2.4 Modifikátory viskozity ... 24

3.3 Provozní vlastnosti ... 24

3.3.1 Nečistoty ... 24

3.4 Palivo v oleji ... 24

3.5 Voda a nemrznoucí kapalina v oleji ... 25

4 Metody testování motorových olejů ... 26

4.1 Odběr vzorku oleje ... 26

4.2 Základní metody testování motorových olejů ... 26

4.2.1 viskozita ... 26

4.2.2 Bod vzplanutí ... 27

4.2.3 Obsah vody ... 27

4.2.4 Obsah nečistot ... 28

4.2.5 Stanovení celkové alkality (TBN) a kyselosti (TAN) ... 28

4.2.6 Stanovení popela ... 29

4.3 Speciální metody testování motorových olejů ... 29

4.3.1 spektrometrie ... 29

9

4.3.2 Plynová chromatografie ... 30

4.3.3 Polarografie ... 30

4.3.4 Ferrografie ... 31

4.3.5 Rentgenová fluorescenční analýza ... 31

5 Opotřebení ... 31

5.1 Opotřebení adhezní ... 32

5.2 Opotřebení abrazivní... 33

5.3 Erozivní opotřebení ... 33

5.4 Kavitační opotřebení ... 33

5.5 Únavové opotřebení ... 34

5.6 Korozivní opotřebení ... 34

5.7 Vibrační opotřebení ... 34

5.8 Opotřebení ve spalovacích motorech... 35

6 Reţimy tření a mazání ... 36

6.1 Suché tření ... 36

6.2 Mezné tření ... 37

6.3 Kapalinové tření ... 37

7 Výměnné intervaly olejů ... 38

7.1 Prodlouţené výměnné intervaly olejů... 40

8 Tribotechnická diagnostika spalovacích motorů v praxi ... 41

8.1 Druh paliva ... 41

8.2 Sloţení motorového oleje ... 42

8.3 Rozbory olejů a jejich vliv na konstrukci motorů ... 43

8.3.1 Záţehové motory ... 43

8.3.2 Vznětové motory ... 45

8.3.3 Metylester řepkového oleje (MEŘO) ... 49

8.3.4 Stlačený zemní plyn (CNG) ... 55

8.3.5 Bioplyn ... 57

9 Závěr ... 59

Seznam pouţité literatury ... 60

10

1 Úvod

Poměrně nový druh diagnostiky tribotechnika, se rozšířila teprve někdy kolem roku 1966 a je dnes více jak dříve hojně vyuţívána k vyhodnocení stavů strojních zařízení. Metoda sleduje pouţívané mazivo a z něho je schopna bez nutnosti demontáţe, zanalyzovat také stav samotné strojní součásti. Jedná se tedy o prediktivní údrţbu, kdy se snaţíme závadu objevit, ještě před vznikem váţné poruchy stroje. Tribodiagnostiku můţeme přirovnat ke kontrole stroje podobně, jako kdyţ pacientovi (strojnímu zařízení), lékař (tribodiagnostik) odebere vzorek krve (oleje) ke zjištění příčiny, například nemoci (závady). Nevýhoda metody spočívá v nutnosti obsahu zkoumané tekutiny ve stroji, bez nichţ není moţné vyuţít tribotechnickou diagnostiku. Nehodí se tedy například pro elektromotory. Aby byl takový tribotechnik opravdovým odborníkem ve své profesi, je nutné znát hned několik vědních oborů a to: chemii, strojírenství a fyziku. Všechny tři vědní disciplíny jsou zde navzájem provázané a pomáhají blíţe pochopit danou problematiku. [1]

Kaţdé opatření slouţící k včasné detekci závad, zvyšuje výdaje na údrţbu a provoz strojů a je nutné, aby docházelo minimálně k rovnováze mezi náklady na provedení rozborů a důleţitostí získané informace. Postačujícím faktorem je tedy sledovat v rozborech pouze nejdominantnější prvky, s největší vypovídací schopností. [2]

Přínos tribotechniky je v dnešní době o to významnější, kdy se poţaduje vyšší spolehlivost a hospodárnost prakticky ve všech strojních odvětvích. Správně prováděná tribotechnika je základem ke sníţení většiny negativních vlivů na strojním zařízení. Přínos je jasněji viditelný u velmi drahých strojů a strojů obsahujících větší mnoţství provozní kapaliny, jelikoţ díky relativně rychlému a jednoduchému rozboru můţeme zjistit stav kapaliny a dále vyhodnotit, jestli je nutné ji měnit či naopak ponechat. Díky tomu můţeme například ušetřit nemalé výdaje za samotnou kapalinu (a její zbytečnou předčasnou výměnu). Nedodrţování základních pravidel tribologie vede dle statistik aţ k 70 % poruch.

Hlavními problémovými oblastmi se pak stává opotřebení, koroze, pronikání nečistot do olejového okruhu, oxidace oleje, sníţení mazací schopnosti či pouţití nevhodného typu maziva. [3], [4]

Vliv tribodiagnostiky:

- Včasná detekce problémů, díky správnému nastavení tribodiagnostických kontrol.

- Výměnné intervaly probíhají dle rozborů, ve správnou chvíli a šetří tak náklady a ţivotní prostředí.

- Není nutné provádět ţádné sloţité odstávky či demontáţe stroje.

- Efektivní nástroj pro kontrolu spolehlivosti stroje.

11

- K vyhodnocení je nutné znát typ motoru, typ paliva, způsob provozu a další parametry, aby byla interpretace výsledků správná.

- Rozbory olejů umoţnují stanovení místa poškození, v některých případech i jeho příčinu.

- Pro provádění tribodiagnostiky je nutné kvalitní proškolení a značná zkušenost pracovníka.

- Zvyšuje náklady na údrţbu stroje.

- Pouţívání tribodiagnostických metod je výhodné aţ teprve u velkých a drahých strojů. U motorů osobních vozidel se aţ na výjimky příliš nevyuţívá.

- Přehled o stavu stroje získáváme pouze v místech, kde proudí mazivo.

2 Oleje spalovacích motorů vozidel

Obecné zákonitosti tribotechnické diagnostiky, které byly popsány o kapitolu výše, platí i pro oleje spalovacích motorů. Ovšem naopak ne všechny zásady a parametry, které musí splňovat motorový olej, platí také pro ostatní maziva. Můţeme říci, ţe motorové oleje patří mezi nejsloţitější druhy maziv, ať uţ se jedná o motory pohyblivé či stacionární nebo benzinové či naftové. Oleje pouţíváme tam, kde je moţné a hospodárné zajištění návratu z místa působení znovu do oběhu tak, aby nevznikaly zbytečné ztráty. Schéma mazání, které ukazuje průtok oleje je naznačeno na obr. 1. [1]

Obr. 1 Schéma mazání čtyřdobého benzínového motoru s již méně používaným ventilovým rozvodem OHV. [1]

12

Motorové oleje můţeme rozlišovat podle různých parametrů, ovlivňujících jejich pouţití:

2.1

Rozdělení dle základových složek

Na počátcích rozvoje spalovacích motorů se jako mazivo pouţívaly oleje rostlinného (řepkový olej, ricinový olej) a ţivočišného (kostíkový a kostní olej) původu a časem se pak vakuovou destilací vyráběly tzv. destiláty. V porovnání s dnešními mazivy se jednalo o velmi nekvalitní a zcela nedostačující oleje.

Postupem času se výroba zdokonalila aţ na úroveň dnešních moderních olejů. Ty můţeme rozdělit do dvou velkých skupin dle jejich základových sloţek a to na oleje minerální a syntetické. O těchto dvou skupinách kolují různé, ne zcela pravdivé pověry.

Nejprve je důleţité si tyto dvě skupiny oddělit. Rozdělení je ukázáno na obr. 2. Syntetické základy můţeme vyrábět v zásadě třemi různými postupy. První moţností je hydrokrakovaný olej (modrý sloupec), dále pak PAO (polyalfaolefíny – fialový sloupec) a estery (zelený sloupec). Kaţdý způsob výroby základové sloţky dává oleji různé specifické, zejména fyzikální vlastnosti. Některé atributy v oleji působí velmi pozitivně, jiné naopak kvalitě příliš nepřidávají. Například minerální olej má lepší mazivostní vlastnosti a lépe se v něm rozpouští přísady, naproti tomu syntetický olej disponuje vyšší oxidační stabilitou. Díky kvalitním technologiím a různým zušlechťovacím procesům se rozdíl mezi syntetickými a minerálními oleji dnes velmi omezil.

K potlačení či úplnému zamezení negativních účinků a k vylepšení prospěšných vlastností přidáváme do oleje aditiva, která mohou tvořit i více jak 20 % celkového mnoţství oleje.

Tyto aditiva mohou i z minerální základové sloţky vytvořit olej, převyšující kvalitou olej syntetický. Navíc kvalitní motorové oleje mají základové sloţky zkombinované z jednotlivých typů olejů. Další věcí je, ţe kaţdý motor je konstrukčně navrţen jinak a tak má také různé nároky na mazivo. Z tohoto výše uvedeného tedy vyplívá, ţe nelze jednoznačně posoudit kvalitu motorového oleje podle toho, z jaké základové sloţky byl vyroben. Uţ vůbec se nelze spoléhat na velké nadpisy uvedené na obalech výrobců, konstatující druh základové sloţky a slibující „super“ vlastnosti. Takovéto údaje jsou zcela zavádějící a kupující by se podle těchto parametrů neměl rozhodovat o nákupu, nýbrţ pouze podle výkonové specifikace (viz kap. 1.3) a viskozitě (viz kap. 1.2), uvedené výrobcem vozidla či motoru. [27]

13

Viskozita

Jedná se o jednu z nejdůleţitějších fyzikálních vlastností kapalin. Je to odpor, kterým tekutina působí proti silám snaţícím se posunout její nejmenší částice. Na stykové ploše dvou vrstev tekutin pohybujících se různou rychlostí¨, se projevuje viskozita tečným napětím, jímţ se snaţí rychlejší vrstva urychlovat pomalejší, a ta naopak zadrţovat vrstvu rychlejší.

Dynamická viskozita η je poměr působícího tečného napětí a gradientu rychlosti

Tedy [Pa·s],

Kinematická viskozita je definována poměrem dynamické viskozity a hustoty ρ dané kapaliny při téţe teplotě. Tedy [ · ] (v praxi spíše pouţívaná jednotka [ · ]) kde η [Pa·s], ρ [kg/ ].

Celkovému tření v motoru připadá největší podíl na stykové plochy mezi pístem, pístními krouţky a válcem, zbytek na loţiska a ventilové rozvody. K tomu abychom dosáhli minimálního tření v pístové skupině, je ideální tloušťka mazacího filmu 2-5 µm, která je právě závislá na viskozitě oleje. Správný výběr oleje se tedy řídí především nárokem

Obr. 2 Rozdělení olejů dle základových složek. [27]

14

motoru na jeho viskozitu a viskozitně-teplotní závislosti. U vícestupňových (celoročních) motorových olejů je viskozita v důsledku jejich nenewtonovského charakteru funkcí nejen teploty, ale i smykového spádu, přičemţ vliv smykového spádu na zmenšení viskozity se mění nejen s teplotou, ale i s tlakem. Pro charakterizaci závislosti motorového oleje na teplotě byl zaveden viskozitní index. [1,5,6]

Viskozitní index (VI) je bezrozměrná veličina. Čím je viskozitní index vyšší, tím je viskozita méně závislá na teplotě. Při výpočtu se uvaţují viskozity dvou standartních olejů a to při 100 ºF (≈ 40 ºC) a 210 ºF (≈ 100 ºC). Původně uvaţovaný rozsah VI se pohyboval od 0 (jako nejhorší olej s velkou citlivostí viskozity na teplotu) do 100 (jako nejlepší olej s malou citlivostí viskozity na teplotu). V současné době lze novými technologiemi vyrobit oleje s hodnotou VI vyšší neţ 100 a stejně tak existují i oleje s VI niţším neţ 0.

VI vypočteme: ,

kde L - viskozita [ · ] oleje s VI = 0 při 100 ºF (≈ 40 ºC), jehoţ viskozita při 210 ºF (100 ºC) je stejná jako viskozita zkoušeného oleje při téţe teplotě,

U - viskozita [ · ] zkoušeného oleje při 100 ºF (≈ 40 ºC),

H - viskozita [ · ] oleje s VI = 100 při 100 ºF (≈ 40 ºC), jehoţ viskozita při 210 ºF (100 ºC) je stejná jako viskozita zkoušeného oleje při téţe teplotě.

Hodnoty L a H pro dané kinematické viskozity jsou uvedeny v příslušných tabulkách.

V případě vypočteného VI vyšší neţ 100, je nutné hodnotu ještě přepočítat pomocí vztahu uvedeného v literatuře.

Díky viskozitnímu indexu můţeme rozčlenit oleje do jednotlivých tříd, podle klasifikace SAE. Čím vyšší viskozitní třídou olej disponuje, o to má vyšší hodnotu viskozity. U kaţdé třídy je definována minimální viskozita při teplotě 100 ºC, která nám zaručuje udrţení oleje v mazacím prostoru i při vysokých teplotách.

Dále můţe být ve třídě označení W (Winter), které upozorňuje na definování maximální hodnoty viskozity při nízkých teplotách (tedy, ţe i při nízkých teplotách mazivo neztuhne).

Čím je toto číslo niţší, tím více bude olej tekutější za nízkých teplot. V případě vyhovění obou tříd mluvíme o oleji vícestupňovém (vícerozsahovém, celoročním), který se výhradně dnes pouţívá.

Důleţité je uvést, ţe číselné viskozitní značení udává přibliţné orientační hodnoty, do kterých je moţné olej pouţívat. Ve skutečnosti totiţ závisí na více parametrech. Například 10W-40 značí přibliţnou mezní hodnotu za nízkých teplot do -25 ºC a přibliţnou mezní hodnotu za vysokých teplot do +35 ºC. Doporučené viskozitní třídy SAE jsou uvedeny na obr. 2. [6]

15

Změna viskozity s teplotou je důleţitým znakem všech mazacích olejů z hlediska techniky mazání. Snahou je, aby se oleje s teplotou měnily co nejméně, kvůli zabezpečení kvalitního mazání, jak při nízké rozběhové teplotě, tak při provozu zahřátého oleje. Funkcí viskozity jsou: teplota, tlak, druh proudění, uhlovodíkové sloţení a obsah aditiv.

2.3

Výkonová klasifikace

Kaţdý olej musí odolávat různým typům nepříznivých vlivů pracujících v odlišných podmínkách a zároveň zneškodňovat účinky zplodin spáleného paliva i při jeho stárnutí.

Nejznatelnější rozdíly mezi nároky na olej jsou viditelné mezi záţehovými a vznětovými motory. Velké nerovnosti tkví v odlišných tepelných a tlakových reţimech a v různých sloţeních paliv.

V případě benzínových motorů je větší tepelné zatíţení oleje u motorů chlazených vzduchem a u motorů přeplňovaných. Hlavním ukazatelem je střední efektivní tlak na píst a počet otáček klikového hřídele, které ovlivňují měrný výkon motoru i jeho tepelné zatíţení oleje. U moderních výkonných benzínových motorů s vysokými kompresními poměry mohou vzrůst teploty aţ na 250 °C na prvním pístním krouţku.

Tepelné a tlakové reţimy naftových motorů jsou vyšší neţ u motorů benzínových, coţ je důsledkem vyšších kompresních poměrů a spalovacích tlaků, obzvláště u přeplňovaných motorů. U motorů s nechlazeným pístem mohou teploty dosahovat aţ 300 °C. Podobné teplotě je moţné docílit v turbodmychadle při dlouhodobějším plném zatíţení motoru.

Příčinou opotřebení třecích ploch a korozí kovových částí, zejména loţiskových materiálů, je stárnutí oleje vzniklé kyselými a kondenzačními zplodinami přinesenými vzduchem a profukem a vede k tvorbě úsad a laků, na funkčních částech motoru. Stárnutí oleje je podporováno i plyny odsávanými z olejové vany, vracející se do motoru. Olej můţe napěnit, dostat se do válce a neúplně se zde spalovat. Díky tomu vznikají nestálé zplodiny, jako další zdroj úsad a korozí.

Obr. 3 Doporučené přibližné viskozitní třídy SAE motorových olejů podle vnějších teplot. [7]

16

Některá opatření na zmenšení emisí výfukových plynů, jako je spalování chudé směsi nebo zpoţdění zapalování vedou k menšímu vyuţití energie paliva, vzniká více odpadního tepla a zvyšuje se teplota oleje. Chudá směs navíc vyváří i více oxidů dusíku ve spalinách, které profukem vnikají do klikové skříně a podporují vznik kalů v oleji tím více, čím jsou teploty a tlaky v motoru vyšší. Konstrukce na sníţení emisí fungující na principu vracení jiţ spálených plynů do spalovacího prostoru (EGR) v kombinaci se zpoţděným vstřikem, mají za následek větší styk oleje s oxidy dusíku a jeho nespálenými částmi. Značně nepříznivý je obsah motorové nafty v oleji například díky různým netěsnostem při mazání vstřikovacího čerpadla olejem z olejové vany motoru apod.

Celkově jsou pro motor náročné ty podmínky, kde se buď nadměrně ohřívá, nebo naopak zůstává v neprohřátém stavu. V těchto případech olej i jeho sloţky stárnou mnohem rychleji. V nedostatečně prohřátém oleji kondenzuje vodní pára v motoru a do oleje vniká nespálené nebo částečně spálené palivo, aldehydy a saze. Společně s vodou nebo jen z vlastní oxidace oleje se tvoří kyselé látky napadající kovové povrchy a studené kaly, které zanášejí olejová vedení, pístní dráţky, zvětšují viskozitu oleje apod. Tyto kyselé sloţky ze spalování jsou nebezpečnější s tepelným zatíţením motoru. Moţností obrany proti těmto produktům je tzv. alkalická rezerva mazacího oleje, vyjadřovaná celkovou alkalitou – TBN. S vyšší výkonovou klasifikací oleje roste i minimální úroveň TBN.

Bohuţel dostatečná alkalita není zárukou neutralizace kyselin. Dokonce i slabé kyseliny mohou být příčinou korozního opotřebení i při dostatečně vysoké hladině TBN. Proto se ještě sleduje další hodnota a to celková kyselost – TAN. [1]

Z těchto uvedených důvodů byly vytvořeny výkonnostní kategorie, dělící jednotlivé oleje do skupin dle jejich vlastností. Existuje několik klasifikací. Ovšem dalo by se říci, ţe pouze tři z nich mají dominantní význam: klasifikace API, ACEA a firemní normy předních výrobců automobilů.

Starší, ale stále pouţívaná klasifikace API rozděluje motory benzínové a záţehové. Podle počátečního písmena poznáme, o jaký typ se jedná. Oleje značené písmenem S (Service) jsou pro záţehové motory, oleje s písmenem C (Commercial) jsou pro vznětové motory.

Druhé písmeno u obou kategorií jiţ vypovídá o samotné výkonnosti oleje, přičemţ symboly jsou řazeny alfabeticky a mohli bychom tedy říci, ţe čím je toto písmeno dále v abecedě, tím novější tento olej bude. Vybrané třídy jsou uvedeny v tab. 1. Některé oleje mohou splňovat poţadavky kladené na záţehový i vznětový motor a jsou pak označovány kombinací obou symbolů, např. API SJ/CF – olej prioritně pro benzínové motory, pouţitelný i pro dieselové motory. Klasifikace API byla vytvořena na americkém kontinentu a proto dnes díky rozdílným konstrukcím, objemům, výkonům i odlišných nárocích na obsah přísad zcela nevyhovuje podmínkám pro evropské motory. [6]

17

Klasifikace ACEA je rozdělena do 4 skupin dle počátečních písmen:

Písmeno A určené pro záţehové motory

Písmeno B určené pro vznětové motory osobních automobilů Písmeno C určené pro motory vybavené částicovými filtry Písmeno E určené pro vznětové motory nákladních vozů

Za označením písmene rozdělující klasifikaci do zadané skupiny, se píše číslice. Čím je toto číslo opět vyšší, tím novější olej bude. Na oleji můţe být znovu napsána kombinace těchto klasifikací, např. ACEA A1/B1 – olej vhodný pro záţehové i vznětové motory.

Vybrané třídy ukazuje tab. 2. V této tabulce si můţeme všimnout hodnoty HTHS viskozity.

Tab. 1 Vybrané výkonnostní třídy dle API [8]

Výkonnostní

Status Použití oleje třída API

Záţehové oleje

SN Současná

Pro motory vyrobené po roce 2011 a starší. Vhodná tam, kde je potřeba poskytnout vyšší ochranu pístů, při vyšších teplotách, kde je poţadovaná přísnější kontrola kalu a kompatibility s těsněními. Zaručuje vyšší ochranu turbodmychadla a motoru provozovaným na ethanol do E85. SN zároveň hovoří o vyšší kontrole emisí a niţší spotřebě paliva.

SM Současná Kategorie zavedena v roce 2004. Obsahuje aditiva pro kontrolu deposit, pro sníţení oxidace oleje, sníţení opotřebení a aditiva zlepšující vlastnosti oleje za nízkých teplot.

SL Současná Pro všechny současné motory i starší motory. Kategorie zavedena roku 2001.

SJ Současná Pro motory z roku 1996 a mladší.

SH Zastaralá Pro motory z roku 1996 a starší. Olej obsahuje aditiva pro kontrolu deposit, pro sníţení oxidace oleje, sníţení opotřebení a aditiva proti korozi.

SG Zastaralá Pro motory z roku 1989 - 1993. Olej obsahuje aditiva pro kontrolu deposit, pro sníţení oxidace oleje, sníţení opotřebení a aditiva proti korozi.

SF Zastaralá Pro motory z roku 1980 - 1989. Obsahuje aditiva pro zvýšení oxidační stability a aditiva proti opotřebení, aditiva pro kontrolu tvorby usazenin za nízké i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi.

SE Zastaralá Pro motory z roku 1971 - 1979. Obsahuje aditiva zabraňující oxidaci oleje, aditiva pro kontrolu tvorby usazenin za nízké i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi.

Vznětové oleje

CJ-4 Současná

Zavedena v roce 2006. Určena pro vysokootáčkové čtyřdobé motory ke splnění emisních limitů pro silniční vozidla z roku 2007 a se systémy pro sniţování emisí jako je DPF. Moţné pouţití ve všech aplikacích vznětových motorů poţívající palivo s obsahem síry do 0.05 % hm.

Ochrana před opotřebením motoru, úsadám na pístu, vysokoteplotní stabilita, odolnost proti oxidačnímu zahušťování, pěnění a ztrátě viskozity.

Můţe být pouţito místo CI-4, CI-4 PLUS, CI-4, CH-4, CG-4 a CF-4

CI-4 Současná

Zavedena v roce 2002. Pro vysoko-rychlostní čtyřdobé motory, u kterých je vyţadováno splnění výfukových emisních norem roku 2004 zavedených v roce 2002. CI-4 oleje mají speciální sloţení a trvanlivost pro uţití v motorech s recirkulací výfukových zplodin (EGR). Jsou určeny pro pouţití v motorech, které pouţívají palivo s hmotnostním obsahem síry do 0.5%. Můţe být pouţit místo CD, CE, CF-4, CG-4 a CH-4 olejů.

18

CH-4 Současná

Zavedena v roce 1998. Pro vysoko-rychlostní čtyřdobé motory, u kterých je vyţadováno splnění výfukových emisních norem z roku 1998.

CH-4 oleje mají speciální sloţení pro uţití s palivem s hmotnostním obsahem síry do 0.5%. Můţe být pouţit místo CD, CE, CF-4 a CG-4 olejů.

CG-4 Současná

Zavedena v roce 1995. Pro vysoce zatíţené, vysoko rychlostní, čtyřdobé motory uţívající palivo s hmotnostním obsahem síry do 0.5%.

CG-4 oleje jsou poţadovány pro motory splňující emisní normy z roku 1994. Můţe být pouţit místo CD, CE a CF-4 olejů.

CF-4 Současná Zavedena v roce 1990. Pro vysoko-rychlostní, čtyřdobé, atmosféricky plněné motory a motory s turbodmychadlem. Můţe být pouţit místo CE olejů.

CF-2 Současná Zavedena v roce 1994. Pro vysoce zatíţené, dvoudobé motory. Můţe být pouţit místo CD-II olejů.

CF Současná Zavedena v roce 1994. Pro off-road motory s nepřímým vstřikováním a motory pouţívající palivo s hmotnostním objemem síry nad 0.5%. Můţe být pouţit místo CD olejů.

CE Zastaralá Zavedeno v roce 1987. Pro vysoko-rychlostní, čtyřdobé, atmosféricky plněné motory a motory s turbodmychadlem. Můţe být pouţit místo CC a CD olejů.

CD-II Zastaralá Zavedeno v roce 1987. Pro dvoudobé motory.

CD Zastaralá Zavedeno v roce 1955. Pro určité atmosféricky plněné motory a motory s turbodmychadlem.

Tab. 2 Vybrané výkonnostní třídy dle ACEA [8]

Výkonnostní třída

ACEA Použití oleje HTHS

[mPa.s]

A1, B1 Současná Standardní olej, normální intervaly výměny 2,9 - 3,5 A2, B2 Zastaralá Standardní olej, normální intervaly výměny > 3,5 A3, B3 Současná Olej pro vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu výměny > 3,5 A3,B4 Současná Oleje s vysokou výkonovou rezervou, naftové motory s přímým

vstřikem. > 3,5

B4 Zastaralá Jako B3 + moţno pouţít pro dieselové motory s přímým vstřikováním > 3,5 A4 Zastaralá Rezervováno pro oleje pro benzínové motory s přímým vstřikováním - A5, B5 Současná Jako A3 / B4, avšak se sníţenou viskozitou HTHS 2,9 - 3,5

C1 Současná

Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro vysoce výkonné záţehové i vznětové motory osobních a lehkých nákladních automobilů se systémy DPF a TWC, které vyţadují nízkoviskózní oleje se sníţeným obsahem SAPS a HTHS vyšší neţ 2.9 mPa.s. Tyto oleje prodluţují ţivotnost systémů DPF a TWC a sniţují spotřebu paliva.

> 2,9

C2 Současná

Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro vysoce výkonné záţehové i vznětové motory osobních a lehkých nákladních automobilů se systémy DPF a TWC, které vyţadují nízkoviskózní oleje s HTHS vyšší neţ 2.9 mPa.s. Tyto oleje prodluţují ţivotnost systémů DPF a TWC a sniţují spotřebu paliva.

> 2,9

C3 Současná Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro automobily se systémy DPF a TWC. Tyto oleje prodluţují ţivotnost těchto systémů. > 3,5

C4 Současná Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro automobily se systémy DPF a TWC. Tyto oleje prodluţují ţivotnost těchto systémů.

(platná od roku 2006)

> 3,5

E1 Zastaralá Jiţ neplatné od 3/2000 >= 3,5

E2 Zastaralá Standardní olej, normální intervaly výměny >= 3,5

19

E3 Zastaralá Olej pro vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu výměny (Jiţ

neplatná) >= 3,5

E4 Současná Olej pro extrémně vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu

výměny >= 3,5

E5 Zastaralá Olej pro vysokou zátěţ, moţnost prodlouţení intervalu výměny >= 3,5

E6 Současná

Vysoce stabilní oleje podporující čistotu pístů, sniţující opotřebení (včetně působením sazí) a zajišťující stálé mazání. Olej je doporučován pro moderní, vysoce zatěţované vznětové motory, splňující emisní limity Euro 1-4. Umoţňuje prodlouţené výměnné intervaly dle doporučení výrobce. Je vhodný pro motory se systémy EGR, DPF a SCR NOx. Třída E6 je zvláště doporučována pro motory s DPF systémy, které spalují palivo s nízkým obsahem síry (50 ppm).

>= 3,5

E7 Současná

Stabilní oleje zabraňující usazování nečistot na pístech a vzniku zrcadlových ploch na stěnách válců. Omezuje opotřebení, vznik úsad v turbodmychadlu. Olej je doporučován pro moderní, vysoce zatěţované vznětové motory splňující emisní limity Euro 1-4. Umoţňuje prodlouţené výměnné intervaly dle doporučení výrobce. Je vhodný pro většinu motorů se systémy EGR a SCR NOx. Není vhodný pro systémy DPF.

>= 3,5

E9 Současná Oleje pro prodlouţené intervaly výměn s kontrolou obsahu „SAPS“

max. do 1,0 % hm. -

Jedná se o měření viskozity speciálním Ravensfieldovým viskozimetrem. Normální HTHS viskozita má hodnoty při 150 ºC vyšší neţ 3,5 mPa·s, některé moderní oleje typu longlife dosahují niţších hodnot kolem 2,9 – 3,5 mPa·s, jiné speciální oleje dokonce ještě hodnot niţších. Čím vyšší hodnota HTHS, tím silnější je povrchový olejový film.

Poslední jmenovanou moţností bylo pouţití oleje dle poţadavků výrobce automobilů či motorů. Ti mohou od oleje očekávat vyšší nároky neţ ty, které jsou uvedeny pouze v metodice testů API nebo ACEA. Například je nutná jistá neutrálnost s pouţívanými těsnícími prvky nebo jiné zvláštní poţadavky způsobené konstrukcí motoru či výměnnými intervaly oleje. Známé vlastní normy pro osobní automobily mají firmy jako VW, BMW, PORSCHE a další. Vzhledem k jejich rozsáhlosti a odlišným značením v této práci nejsou uvedeny, ale jsou dobře dohledatelné v literatuře. [6]

3 Vlastnosti motorových olejů

V této kapitole budou rozděleny vlastnosti motorových olejů do tří skupin. Na základní vlastnosti, aditivace a provozní vlastnosti. Základní vlastnosti popisují hlavní důleţité rysy motorového oleje.

Aditivace vystihuje sloţky, které jsou nutné ke zlepšení základních vlastností oleje. Bude zde uvedeno pouze několik základních aditivačních sloţek, ovšem ve skutečnosti jich je celá řada.

Nakonec provozní vlastnosti charakterizují neţádoucí sloţky obsaţené v oleji.

20 3.1 Základní vlastnosti

3.1.1 Mazivost

Základní ovšem málo problematická vlastnost dnešních motorových olejů. Poţadujeme dostatečně velkou tloušťku mazacího filmu, v hydrodynamických, smíšených a v krajních případech i mezních podmínkách tak, aby tření a opotřebení součástí mechanismu bylo co nejmenší (viz kap. 5). Problémovými místy se stávají především povrchy pístních krouţků a válců. Značnému zvětšenému oděru podléhají oba konce zdvihu pístu, kde jsou smykové rychlosti malé aţ nulové, především pak horní úvrať, kde je nejvyšší teplota a tlak plynů. Jmenovat můţeme také povrchy zdvihátek ventilů, vaček, ozubených kol atd.

Uhlovodíkové základové oleje zaručují velmi dobrou mazivost a ve většině případů jsou schopna dobře odolávat těmto zvýšeným mazivostním nárokům. V případě ztíţených podmínek mohou být do oleje přidány protioděrové přísady. [1,6]

3.1.2 Bod tuhnutí

Jedná se o teplotu, do které lze s olejem manipulovat a slouţí nám společně s ostatními hodnotami (dynamická viskozita, viskozitní index, ….), jako kritérium pro posouzení pouţitelnosti oleje za nízkých teplot. Pod bodem tuhnutí má olej tendenci houstnout a přestává volné téci. Jeho hodnota je dobře ovlivnitelná aditivy. [5]

3.1.3 Odparnost oleje

Snahou je, aby ztráty a spotřeba oleje byly co nejmenší i za těţkých tepelných podmínek.

Zvýšenou odparností ubývá z oleje těkavých podílů, dochází k zahušťování oleje a k nechtěnému zvyšování viskozity. Menšími ztráty oleje disponují syntetické sloţky olejového základu, tedy sloţky s vysokým viskozitním indexem. Největší vliv na odparnost má pracovní reţim motoru, zejména teplota a rychlost pístu. [1]

3.1.4 Oxidace oleje

Tato neţádoucí reakce mezi kyslíkem ze vzduchu a molekulami motorového oleje, mění významně jeho vlastnosti a to především za podpory teploty. Čím vyšší teplota oleje, tím rychleji dochází k oxidaci. Jelikoţ teplota zde působí jako katalyzátor, mluví se téţ někdy o termooxidačním stárnutí, při němţ olej podléhá také jistým termickým změnám. Jako

21

místa se zvýšenou teplotou můţeme uvést oblasti pístu a ventilů či turbodmychadla.

Závaţněji oxidaci snáší záţehový motor, jelikoţ produkuje více zbytkového tepla zůstávajícího v motoru. Oxidační stárnutí můţeme značně ovlivnit konstrukcí motoru a jeho chlazením.

Spolu s kyslíkem přichází olej do styku se spalinami, které celý proces ovlivňují. Známým oxidačním pomocníkem je nitrace. Ta vznikne pronikáním zbytků oxidů dusíku ze spalovacího prostoru do motorového oleje, kde vytváří organické nitráty.

Oxidace oleje nechá vzniknout celé řadě produktů, jako jsou aldehydy, ketony, kyseliny, estery a další. Nitrace tvoří, jak bylo řečeno organické sloţky. Všechny jmenované produkty mají polární charakter, oproti nepolárnímu oleji a ovlivňují tedy jeho vlastnosti.

Přispívají ke zvýšení kyselosti a ke korozivnímu působení oleje v motoru, mohou způsobovat zvýšení viskozity, nárůst mnoţství karbonizačních látek a karbonových úsad.

[9]

3.1.5 Viskozita

Snahou výrobců je, aby změna viskozity motorového oleje byla co nejmenší. Jelikoţ jak jiţ bylo uvedeno, je viskozita hlavně funkcí teploty a tlaku, není jednoduché tedy tuto vlastnost dodrţet (více viz kap. 1.2). V praxi se uvádí povolené přibliţné rozpětí viskozity na max. ±20 % pro vznětové motory a +20 % aţ -30 % pro motory záţehové. Nízká viskozita vede k tenkému mazacímu filmu, způsobujícího při vyšším zatíţení aţ porušení a zvýšení opotřebení nebo dokonce i zadírání třecích dílů. Vysoká viskozita způsobená nejčastěji oxidační degradací působí abrazivně na třecí plochy a zvyšuje jejich opotřebení.

Krajním případem zvýšení viskozity je přítomnost chladicí kapaliny v motorovém oleji. [10]

3.1.6 Kyselost a alkalita

Základové oleje jako takové jsou neutrální, ale jisté mnoţství kyselých látek se v nich přeci jenom vyskytuje v podobě některých aditiv, od kterých přímo tuto lehkou kyselost vyţadujeme pro zlepšení vlastností oleje.

Kyselé látky vznikají také z paliva. Spalování je vlastně rychlý oxidační proces, při kterém díky nedokonalému průběhu jsou přítomny všechny meziprodukty oxidace. Téměř všechny jsou kyselé s různým stupněm kyselosti. Dále spalováním vznikají oxidy dusíku - , které ve spojení s vodou (téţ obsaţené ve spalinách), opět vytváří silné kyseliny.

Nakonec kyselé látky vznikají i samotnou oxidací oleje, jak je popsáno v

kap. 2.3. Problematické vzhledem k růstu kyselosti se stávají studené starty. Motor není prohřátý, horké spaliny pronikají do studeného oleje, který je v sobě hromadí. K těmto pochodům samozřejmě dochází i za prohřátého motoru, ovšem v mnohem menší formě.

22

Kyselé látky mohou způsobovat váţnou korozi v motoru. Proto obsahuje motorový olej alkalické sloučeniny, které neutralizují působení kyselých látek. Nazýváme je alkalickou rezervou oleje (nositelem alkalické rezervy oleje jsou detergenty – viz kap. 2.7) a vyjadřují se pomocí hodnoty TBN – celkové číslo alkality. Čím vyšší hodnotu TBN máme, tím déle olej vydrţí neutralizovat kyselé látky. Jinou sledovanou hodnotou je kyselost oleje – TAN.

Vyjadřuje nám mnoţství slabě i silně kyselých látek v oleji. V dobách, kdy motorová nafta obsahovala jistý podíl síry, byla tato hodnota velmi sledována, dnes se ovšem vyrábí bezsirná nafta a tak s kyselými produkty nebývá problém. Výjimku tvoří paliva jako je bioplyn či lodní paliva, kde je nutné tyto hodnoty kontrolovat. [11]

3.1.7 Slučitelnost s plasty

Jasný, ovšem opomíjený problém. Olej nesmí způsobovat bobtnání plastů či měnit nikterak jejich vlastnosti. Porušení různých těsnění a jiných plastových dílů v olejovém systému můţe mít naprosto zbytečné fatální následky na celý motor. U většiny uhlovodíkových základových olejů nebývají ţádné problémy. Pozor je třeba si dát při pouţití většího mnoţství některých syntetických olejů (esterových, polyesterových, …). [9]

3.2 Aditivace olejů

K dosaţení potřebných kvalit se do základového oleje přidávají látky zlepšující jeho vlastnosti. Těchto látek můţe být celá řada. Hrubým odhadem lze říci, ţe přibliţně 20 % z celkového oleje připadá na aditiva. Hlavními sloţkami jsou detergenty a disperzanty, které pokryjí převáţnou část aditiv. Ostatní sloţky se jiţ podílejí pouze malým procentem.

Ovšem neznamená to, ţe by jim to nijak ubíralo na důleţitosti. Kaţdá sloţka má svou nepostradatelnou funkci a formuje tak olej jako celek. V přísadách můţeme nalézt například aditiva: zvyšující ochranu proti korozi, ochranu proti vysokému tlaku a opotřebení, upravující tření, zpomalující oxidaci, modifikátory viskozity, sniţovače bodu tuhnutí, protipěnící přísady….

Obr. 4 Orientační složení motorového oleje. [28]

23 3.2.1 Detergenty a disperzanty

Postupné delší výměnné intervaly olejů vedly k problémům s udrţením dostatečné čistoty motorového oleje. Pro dosaţení potřebné kvality se proto začaly pouţívat detergentní a disperzantní přísady, které jsou dnes součástí veškerých motorových, ale i jiných mazaných strojních zařízení. Tyto přísady plní svou funkci po omezeně danou dobu, a proto je třeba dodrţovat výměnné lhůty motorového oleje.

V první fázi působí detergenty. Jejich funkce spočívá v čištění kovových povrchů motoru.

Mohli bychom je nazvat „čistící sloţkou“ v oleji. Pomáhají v uvolňování různých usazenin, kalů nebo karbonových povlaků z povrchu mazaných částí a jsou také nositeli alkalické rezervy. Při styku s kyselými látkami dochází k neutralizaci a samotné spotřebě detergentu.

Jelikoţ není dobré zmiňované nečistoty jen tak ponechat v oleji a dovolit jim se shlukovat, zvětšovat a usazovat v olejovém systému, přicházejí na řadu disperzanty. Jedná se o bezpopelné (neobsahují kov) polymerní sloučeniny. Ty obalí kaţdou částici nečistoty tak, aby zamezily jejich spojování. Princip spočívá v tom, ţe kaţdá molekula disperzantů má jeden konec polární, ten se uchytí na nečistotě, a druhý konec nepolární dokonale rozpustný v oleji. Malé částečky nečistot se tak nemohou usazovat. Rozměry dispergovaných částic jsou menší neţ tloušťka mazacího filmu a nepůsobí ţádné problémy v celém olejovém okruhu. V případě pronikání nečistot větších rozměrů (prach, otěrové částečky) jiţ bohuţel nejsou tyto přísady schopné si s těmito částicemi poradit.

[12]

3.2.2 Antioxidanty

Antioxidanty zabraňují neţádoucímu stárnutí oleje a upevňují oxidační stabilitu tak, ţe zamezují tvorbě radikálových reakcí nebo rozkládají jejich iniciační látky. Olej je pak schopen lépe odolávat vysokým teplotám, přítomným zplodinám hoření a samotnému kyslíku. [29]

3.2.3 Modifikátory tření

Vytvářejí na kovovém povrchu ochrannou vrstvu, která zabraňuje přímému kontaktu třecích ploch, čímţ sniţují úroveň tření a prodluţují ţivotnost motoru. [29]

24 3.2.4 Modifikátory viskozity

Zlepšují viskozitně teplotní charakteristiku základového oleje. Olej při vyšších teplotách není tolik tekutý a při nízkých teplotách tolik tuhý. [29]

3.3 Provozní vlastnosti

3.3.1 Nečistoty

Nadměrný obsah jakýchkoliv nečistot v oleji zvyšuje opotřebení třecích povrchů, vytváří úsady a kaly, které mohou váţně poškozovat celý motor. Značným zdrojem cizích částic v oleji je nasávaný vzduch. Ten sebou vţdy nese do spalovacího prostoru nějaké malé (větší jsou zachyceny vzduchovým filtrem) prachové částice, které se tak dostanou i do motorového oleje. Tyto prachové částice pocházející většinou z křemičitého prachu, jsou velmi tvrdé, abrazivní a polární.

Nečistoty z vnějšího prostředí se mohou také šířit prostřednictvím paliva. Obzvláště pokud nahromaděné částice v palivu způsobí aţ protrhnutí palivového filtru, který nebyl včas vyměněn.

I při správném mazání dochází k opotřebení třecích ploch a tedy k vzniku jemných částeček kovu pronikajících do oleje. Tyto nečistoty mají sice malé rozměry, ale přesto zvyšují úroveň tření a opotřebení.

Nerozpustné částice se tvoří i v samotném oleji. Zprvu je sice schopen odolávat oxidačnímu a termickému namáhání, ale s časem a velikostí namáhání se mohou tvořit nerozpustné karbonové povlaky, úsady a kaly.

Nakonec zde máme saze. Jejich tvorba ve spalovacím prostoru je znatelná hlavně u vznětových motorů, kde je také značně sledovanou sloţkou emisí výfukových plynů. Saze vznikají nedokonalým spalováním paliva. Z velké části jsou tvořeny uhlíkem s tvrdou strukturou a ostrými hranami. Při průniku do motorového oleje velkému shlukování zabraňují disperzanty (viz kap. 2.7.1). Nadměrný obsah sazí zvyšuje viskozitu a při nedostatku disperzantních přísad dovoluje shlukování sazí a ucpává tak olejový filtr. Jiţ malé mnoţství sazí způsobuje známé zčernání oleje. Tvorba sazí je nepřímo úměrná s tvorbou oxidů dusíku. Jestliţe díky konstrukci zmenšíme tvorbu oxidů dusíku, vzroste pak většinou produkce sazí a naopak. [13]

3.4 Palivo v oleji

Do oleje se palivo dostane vţdy, a to díky netěsnostem mezi pístními krouţky. Jejich těsnost tedy značně ovlivňuje kvalitu olejové náplně. V případě proniknutí motorové nafty do oleje a provozní teplotě kolem 100 °C se ţádné sloţky nafty neodpařují a pouze se zde

25

hromadí. Naopak proniknutím benzinu se při jiţ zmíněných provozních teplotách oleje odpaří některé sloţky a to aţ o polovinu celkového mnoţství benzinu v oleji. Zbylá polovina se opět v oleji pouze hromadí. Důsledkem zvýšení obsahu paliva v oleji je sníţení viskozity, coţ vede ke sníţení mazacího filmu (viz kap. 2.4) a tedy většímu opotřebení motoru. U velkoobjemových diagnosticky sledovaných vznětových motorů se vţdy vyhodnocení obsahu paliva v oleji provádí kvůli včasnému zjištění stavu motoru. [14]

3.5 Voda a nemrznoucí kapalina v oleji

Voda v oleji se rozpouští pouze ve velmi malém mnoţství a díky neustálému promíchávání za provozu vytváří společně s olejem emulzi. Ovšem to pouze v případě velké koncentrace. Za normálních podmínek v oleji vţdy nějaké nepatrné mnoţství vody nalezneme, buď z netěsností pístních krouţků, nebo prostou kondenzací. Většinou s ní nebývají problémy a to hlavně z důvodů toho, ţe se zahřátím motoru na provozní teplotu většina vypaří. Horší situace nastává, pokud vozidlem jezdíme pouze na malé vzdálenosti, řekněme do 10 km. Potom se olej nestačí dostatečně prohřát na provozní teplotu a voda v něm zůstává. Důsledky většího mnoţství vody v oleji jsou minimálně nejednoznačné, díky různým sloţením olejů. Ale pokud bychom měli počítat s těmi nejhoršími důsledky, pak můţe docházet například k vysráţení některých aditiv ve formě úsad či kalů, ke korozi nebo znehodnocení jiných přísad, které se po vypaření vody sice mohou opět v oleji rozpustit, ale také trvale znehodnotit.

Nemrznoucí kapalina sloţená z dvojmocného alkoholu – glykolu se s olejem dostává do styku nejčastěji v případě závady na hlavě válců nebo jeho těsnění. Pro oleje jsou větším problémem, neţ samotná voda. Jiţ při nízkých koncentracích dochází k nevratným změnám funkčních vlastností oleje, jako je ztráta tekutosti, vznik úsad a kalů a nakonec úplné ztuhnutí oleje, které vede k velmi váţným komplikacím v motoru. [15]

Z výše zmíněného vyplývá, ţe na motorové oleje je kladeno mnoho poţadavků, které jsou často protichůdné. Podle typu, konstrukce, výkonu, sloţení paliva a podmínkám pouţití se vybírá olej se správným sloţením a vlastnostmi. Do všeho navíc zasahují poţadavky na splnění emisních limitů, které značně ovlivňují i samotné sloţení olejů a jejich aditivaci.

Výsledkem tedy musí vţdy být kompromis, beroucí ohled na všechny poţadavky. Z tohoto důvodu je tedy zřejmé, ţe neexistuje ten „nejkvalitnější“ olej vhodný pro všechny motory, ale pouze různé druhy olejů pouţitelné pro různé typy motorů.

26

4 Metody testování motorových olejů

Jako kontrola k dodrţení základních vlastností motorových olejů a k včasnému zjištění průniku neţádoucích látek do oleje nám slouţí několik metod. V našem případě je rozdělíme do dvou skupin a to na metody základní a speciální. Existuje více druhů měření stejné veličiny týkající se motorových olejů, v této práci bude vyjmenováno několik základních dobře slouţících metod. Důleţitým předpokladem ke správnému vyhodnocení je také dobře odebraný vzorek.

4.1

Odběr vzorku oleje

Vzorek odebíráme z místa, které určuje technická dokumentace, zpravidla to bývá z výpustě z olejové vany. Prostor okolo výpustě musí být řádně očištěn, aby nedošlo ke kontaminaci vzorku. Odběr se provádí před doplňováním nového oleje, po vypnutí zahřátého motoru na provozní teplotu do čisté a suché vzorkovnice s uzávěrem. Velikost vzorku záleţí na počtu a druhu dělaných testů. V případě základní diagnostiky by měl být postačující objem cca 300 – 400 ml. Nesmíme zapomenout vzorkovnici řádně označit identifikačním štítkem se základními informačními údaji (druh motoru, oleje, kilometrový proběh…). Vzorek se dále odevzdává v co nejkratší době do zkušebny. [5]

4.2

Základní metody testování motorových olejů

Do základních metod tribotechnické diagnostiky zařazujeme veškeré zkoušky relativně nenáročné na speciální příliš drahou techniku a nepotřebující zároveň zcela zkušeného proškoleného tribotechnika. Jedná se většinou o metody poskytující základní (důleţité) informace o stavu oleje, které je moţné provádět na místě nebo v malých laboratořích.

4.2.1 Viskozita

Jednoduchým způsobem je měření pomocí viskozimetru. Jedná se o skleněnou kapiláru, kterou protéká vzorek oleje. Na kapiláře jsou umístěny dvě rysky, mezi kterými měříme čas, za který proteče námi zkoumaný olej. Viskozimetr je po celou dobu měření udrţován v nastavené stejné teplotě. Po vynásobení času konstantou samotného viskozimetru (kterou má kaţdý viskozimetr nastavenou od výrobce) získáme hodnotu kinematické viskozity.

K měření můţeme vyuţít také například Stabingerův viskozimetr. Jedná se o rotační viskozimetr, který dokáţe změřit hodnoty dynamické viskozity, hustoty a tedy také dopočíst viskozitu kinematickou a viskozitní index. Stanovení dynamické viskozity se

27

provádí určením stabilní rychlosti měřícího rotoru s integrovaným magnetem, který plave ve vzorku. Stabilní rychlosti je dosaţeno, jakmile jsou v rovnováze brzdné účinky vířivého elektrického pole a smykové napětí vznikající ve vzorku. Díky tomu, ţe je potřeba k měření pouze malý objem, dochází k rychlým teplotním změnám, a tedy za krátký čas se dosáhne poţadované rovnováhy a výsledků. K přepočtu hodnot na kinematickou viskozitu je zapotřebí znát příslušnou hustotu. Přístroj má integrovanou hustotní celu zaloţenou na ověřeném a přesném principu oscilující U-trubice. Obě cely jsou naplněny v jednom měřícím cyklu. [5]

V literatuře lze nalézt i jiné měřicí přístroje jako je Rotační viskozimetr, Höpplerův viskozimetr a další.

4.2.2 Bod vzplanutí

Nejvíce se pouţívá metoda dle Clevelanda. Měření probíhá v otevřeném kelímku, ve kterém je umístěn vzorek oleje. Kelímek se postupně zahřívá a přikládá se nad vzorek malý plamínek. Jako bod vzplanutí povaţujeme teplotu, při které se ze zahřívaného oleje začne odpařovat takové mnoţství par, které smísením se vzduchem na krátký okamţik vzplanou. Bod vzplanutí není bodem hoření.

Moţné určení bodu vzplanutí je také v uzavřeném kelímku Pensky-Martens nebo v přístrojích, kde je celý proces zcela automatizován.

Bod vzplanutí poskytuje důleţitou informaci o mnoţství paliva v oleji, které se projevuje sníţením naměřené hodnoty. [16]

4.2.3 Obsah vody

Nejjednodušším způsobem určující přítomnost vody v oleji formou ano/ne je tzv. prskací test. Malé mnoţství oleje se kápne na rozpálenou desku. Pokud uslyšíme typické prasknutí (či praskání), pak je jasné, ţe dochází k rychlému odpaření vody a tedy k jejímu obsahu ve vzorku.

Přesnější metodou je destilace s rozpouštědlem (např. xylenem). Při destilační zkoušce sebou páry rozpouštědla strhávají vodu, která kondenzuje v jímadle, kde odečteme obsah vody. Rozlišitelnost obsahu vody je od 0,02 hm. %.

Nejpřesnější metodou stanovení vody je coulometrickou metodou dle pana Karla Fishera.

Průchodem proudu elektrochemickou nádobkou se na platinové anodě z přítomného jodidu vytváří elementární jód, který je titračním činidlem. Jeho mnoţství je přímo úměrné prošlému náboji, tedy integrálu proudu v čase. Jednotka náboje Coulumb se utvoří proudem jednoho ampéru za dobu jedné sekundy. Dalšími vztahy dle Faradayova zákona elektrolýzy pak můţeme vyjádřit látkové mnoţství analyzované vody s velkou přesností.

[17]

28 4.2.4 Obsah nečistot

Jednoduchý a rychlý orientační způsob stanovení odhadu mnoţství nečistot v motorovém oleji je tzv. kapkový test. Kapka zkoumaného oleje při teplotě okolo 20 °C se nanese na filtrační papír. Nechá se alespoň 20 minut působit a poté vyhodnocujeme dle vzhledu.

Vypovídací schopnost má tento test spíše pro zkušeného pracovníka nebo v porovnání se vzorkovnicí různě znečištěných olejů.

Mnoţství nečistot můţeme měřit pomocí mikroporézního filtru (velikost pórů 0,8 mikrometru). Olej se nejprve rozpustí v rozpouštědle, aby se sníţila jeho viskozita. Poté se stupeň znečištění vyhodnocuje, buď porovnáním se stupněm znečištění standartních skvrn, nebo zváţením zaneseného filtru.

Jiným způsobem je měření pomocí odstřeďování. Vzorek s kalibrovanou nádobkou se umístí do odstředivky, kde se po spuštění hromadí nečistoty na dně nádoby. Nečistoty se odečtou na ryskách kalibrované nádobky.

Je ovšem nutné podotknout, ţe dnešní moderní motorové oleje mají velmi dobré detergentní a disperzantní vlastnosti, které příliš nedovolují vytvářet úsady, jaké by byly pro správné vyhodnocení potřebné.

Při negativním výsledku kapkové zkoušky se provádí zkouška obsahu látek nerozpustných v HEO. Stanovuje mnoţství všech tuhých látek obsaţených ve vzorku, které se nerozpustí ve směsi HEO (97 % n-hexan, 2 % etanol, 1 % kyselina olejová).

Nerozpustné látky se po odstředění oddělí, vysuší a jejich obsah se vypočte dle předepsaného vzorce. Z výsledku zkoušky lze usuzovat stupeň degradace oleje a moţnost jeho dalšího pouţívání.

Mezi nečistoty patří také tvorba uhlíkatých úsad. K jeho určení nám slouţí Conradsonův karbonizační zbytek. Jeho hodnota naměřená v hmotnostních %, nám posuzuje odolnost vůči vysokým teplotám a vyjadřuje stárnutí oleje. Zjednodušeně zkouška spočívá v zahřívání oleje za nepřítomnosti vzduchu, aby se odpařily všechny původní i tepelným rozkladem vzniklé těkavé látky a zbylý zbytek se zváţí a hmotnostní podíl spočítá dle daného vzorce uvedeného v literatuře. [16]

4.2.5 Stanovení celkové alkality (TBN) a kyselosti (TAN)

Při měření hodnoty kyselosti (TAN) se vzorek oleje rozpuštěný v neutrálním rozpouštědle postupně po kapkách obohacuje roztokem hydroxidu draselného do okamţiku, neţ přestane vykazovat kyselé vlastnosti. Daný okamţik můţeme detekovat různými způsoby.

Detekce lze pozorovat pomocí barevného indikátoru, který při přechodu do alkalického prostředí změní barvu. Tento způsob ovšem není příliš pouţitelný pro oleje, kde se v tmavé barvě těţko určuje změna odstínu. Proto existují jiné metody zaloţené na detekci

29

elektrochemických vlastností oleje. Výsledkem je mnoţství uváděné v miligramech hydroxidu draselného (KOH), potřebného k neutralizaci kyselých sloţek v 1 gramu oleje (mg KOH/g).

Stanovení celkové alkality (TBN) spočívá ve zjištění obsahu všech zásaditých sloţek, které jsou ve vzorku. Metoda probíhá obdobně jako u TAN s tím rozdílem, ţe se sice zásaditost udává v mnoţství kyseliny chloristé, které je potřeba k neutralizaci všech zásaditých sloţek přítomných v 1 g vzorku, ovšem tato hodnota se ekvivalentně přepočítává na hodnotu hydroxidu draselného. Jednotky u TAN a TBN jsou tedy stejné a lze je porovnávat. [16]

4.2.6 Stanovení popela

Pro motorové oleje se jedná o málo pouţívanou metodu. Odváţený vzorek spálíme a zváţíme hmotnost vyţíhaného zbytku. Výsledek vyjadřujeme v hmotnostních %. Z popela bychom mohli zjišťovat čistotu oleje, ovšem problémem jsou dnes hojně pouţívané přísady na zlepšení vlastností olejů, které se v popelu také objeví. Jestliţe si toto uvědomíme a budeme znát běţné hmotnostní % nového oleje, pak můţeme dobře vzorky porovnávat. Posuzovat lze také druh pouţitých přísad nebo případné nečistoty. [5]

4.3

Speciální metody testování motorových olejů

V případě potřeby dosáhnutí výsledků s přesnějšími hodnotami a vyšší spolehlivostí máme k dispozici speciální metody. Takové zkoušky se obvykle zakládají na nejednoduchých funkčních principech a neméně komplikovaném vyhodnocování. Tyto sloţité postupy zde nebudou nijak do hloubky vysvětlovány, pouze se nastíní jejich vyuţití a uplatnění. Takovéto metody vyţadují dobře proškolený personál a odpovídající vybavení laboratoře.

4.3.1 spektrometrie

4.3.1.1 Infračervená spektrometrie

Jedná se o analytickou techniku určenou pro identifikaci a strukturní charakterizaci organických sloučenin a anorganických látek. Měříme velikost pohlcení infračerveného záření o různých vlnových délkách vzorkem. Infračerveným zářením je elektromagnetické záření, které bývá rozděleno do tří oblastí podle vlnových délek. Nejpouţívanější je střední oblast, pracující v rozsahu 4000 – 200 . Principem metody je absorpce infračerveného záření při průchodu vzorkem, při níţ dochází ke změnám rotačně