zde - ČVUT Media Lab

Aplikace tenkých vrstev na zdvihátka
ventilů motoru formule CTU CarTech
Závěrečná zpráva
Vedoucí projektu:
Doc. Tomáš Polcar, Ph.D.
Katedra řídící techniky FEL ČVUT v Praze
[email protected]
Řešitel:
Bc. Petr Mutafov
Ústav materiálového inženýrství FS ČVUT v Praze
[email protected]
17. července 2012
1 Anotace
Hlavní motivací pro uskutečnění tohoto projektu bylo využití dvou typů moderních ochranných
tenkých vrstev, tj. DLC-W a WSC-Cr, na zdvihátka ventilů motoru formule CTU CarTech. Účelem
bylo snížit opotřebení zdvihátka a snaha alespoň částečně ovlivnit výkonové parametry a spotřebu
paliva. Projekt byl rozdělen na dvě části - testování povlakovaných zdvihátek v laboratorních
podmínkách a dále ve spalovacím motoru formule v rámci měření na motorové brzdě. Výsledky
laboratorních testů ukázaly, že oba typy tenkých vrstev odolaly náročným podmínkám simulující
podmínky v motoru formule. Následné testování zdvihátek s vrstvou DLC-W ve spalovacím motoru
ukázalo velmi nízké opotřebení vrstvy a výsledky jsou tudíž v dobré korelaci s laboratorními testy.
2 Dosažené výsledky
Cílem tohoto projektu bylo otestovat vybrané typy tenkých vrstev v laboratorních podmínkách a
v motoru formule CTU CarTech, protože jedním ze způsobů, jak snížit pasivní odpory
ve spalovacím motoru, je použití tenkých vrstev na mechanické součásti, které jsou nejvíce
vystaveny tření, opotřebení, vysokým teplotám a agresivním látkám jakou je například benzín. Při
výběru součásti pro účely tohoto projektu bylo přihlédnuto jak k pasivním odporům na vybrané
součásti, tak k obtížnosti hodnocení opotřebení tenké vrstvy. Hlavní zdroj pasivních odporů
běžného spalovacího motoru lze najít mezi pístními kroužky a válcem (až 60 %), avšak rozdílnost v
materiálech pístních kroužků a zvláště geometrie funkčních ploch nedovolovala jejich použití pro
tento projekt. Podobná úskalí lze též nalézt při použití řetězového rozvodu, kuličkových ložisek,
ventilových vodítek atd. Z výše zmíněných důvodů bylo jako součást vybráno zdvihátko ventilu,
jelikož jeho funkční plocha je rovinná a tudíž depoziční proces a hodnocení opotřebení po
laboratorních a motorových testech jsou touto volbou usnadněny. Jelikož pasivní odpory mezi
vačkou a ventilovým zdvihátkem některá literatura uvádí v rozsahu 10 – 20 % z celkových
pasivních odporů, z tohoto důvodu lze nepatrné zvýšení výkonových parametrů motoru nebo
snížení jeho spotřeby prostřednictvím povlakovaných zdvihátek považovat za úspěch.
Pro účely výzkumného projektu byly vybrány dva typy tenkých vrstev. Dosažené výsledky
z laboratorních a motorových testů byly následně porovnány, aby mohla být nalezena jejich
-1-
vzájemná korelace. Testování v laboratoři probíhalo ve stejném motorovém oleji Motul 5W-40 jaký
je používán v motoru formule.
Prvním typem tenké vrstvy byla DLC-W (Diamond-Like Carbon) připravená magnetronovým
naprašováním. Jak naznačuje název, DLC vrstva byla dopována wolframem s cílem zlepšit její
mechanické vlastnosti. Jelikož DLC vrstvy byly a stále jsou předmětem studia mnoha výzkumných
skupin na celém světě, na základě těchto bohatých znalostí se podařilo DLC vrstvy rozšířit do
průmyslové sféry. Z tohoto důvodu byla DLC-W vrstva v rámci tohoto projektu považována jako
referenční.
Druhým typem je vrstva WSC-Cr, která byla připravena magnetronovým naprašováním stejně
jako v případě vrstvy DLC-W. Vrstva WSC-Cr patří do rodiny samomazných vrstev
dichalkogenidů přechodových kovů. Mechanické a zejména třecí vlastnosti čistých dichalkogenidů
přechodových kovů představují moderní typ tenkých vrstev, který slibuje dosáhnout hodnotu
koeficientu tření až 0,01. Tyto mimořádné vlastnosti jsou však dosažitelné velmi obtížně, protože
čisté dichalkogenidy přechodových kovů jsou citlivé na oxidační prostředí, mají velmi porózní
strukturu, jejich tvrdost je mnohem nižší v porovnání s konkurenčními vrstvami (např. DLC),
přilnavost vrstvy na běžné materiály není dostatečná a v neposlední řadě struktura nedovoluje
vrstvu vystavit vysokým kontaktním tlakům. Z výše zmíněných důvodů byla v průběhu několika
posledních let snaha zlepšit mechanické a třecí vlastnosti dichalkogenidů přechodových kovů
dopováním různými prvky, řízením struktury během depozičního procesu atd. Tenká vrstva použitá
v tomto projektu využívá mezivrstvu z čistého chromu pro zlepšení adheze na ventilové zdvihátko.
Samotná funkční vrstva je dopována chromem pro zlepšení třecích vlastností.
Laboratorních testy měly za účel otestovat oba typy tenkých vrstev v podmínkách
simulující motor formule. K tomu, aby mohly být simulovány podmínky v motoru, musela být
nejdříve provedena analýza kontaktních tlaků mezi vačkou a ventilovým zdvihátkem. Díky této
analýze byly posléze vybrány nejvhodnější parametry pro laboratorní testy, např. průměr kuličky,
zatížení kuličky, doba testu apod.
Z obecně známých vzorců pro výpočet tuhosti pružiny a z rozměrů vačky a ventilového
zdvihátka byla vypočítána maximální kontaktní síla mezi vačkou a zdvihátkem. Tato síla byla
následně využita pro výpočet maximálního kontaktního tlaku mezi vačkou a zdvihátkem, který činí
p1 = 0,57 GPa. Přestože je kontakt mezi vačkou a zdvihátkem v reálné aplikaci čárový, tento typ
kontaktu by nemusel vést k opotřebení tenké vrstvy během laboratorních testů a z tohoto důvodu
bylo rozhodnuto, že všechny laboratorní testy budou založeny na bodovém kontaktu mezi kuličkou
a povlakovaným zdvihátkem (laboratorní metoda pin-on-disk). Kontaktní tlak mezi kuličkou a
povlakovaným zdvihátkem, tj. p2 pro DLC-W a p3 pro WSC-Cr, by neměl během laboratorních
testů klesnout pod hodnotu p1. Důvodem je, že kontaktní tlak mezi vačkou a zdvihátkem je
doprovázen vibracemi a dalšími vlivy a proto musí být kontaktní tlaky p2 a p3 v průběhu
laboratorních testů vyšší. Kromě toho jsou laboratorní testy povětšinou výrazně kratší, a proto by
volba vyššího kontaktního tlaku mohla urychlit opotřebení zdvihátek. Kulička použitá
v laboratorních testech byla vyrobená z oceli 100Cr6 o průměru 6 mm. Důvody pro použití tohoto
průměru a materiálu kuličky byly tři. Kontaktní tlak mezi kuličkou a povlakovaným zdvihátkem by
měl být dosažen za použití rozumné velikosti závaží, které zatěžuje kuličku. Průměr kuličky 6 mm
je standartně používán v naší laboratoři a výsledky tudíž mohou být porovnány s jiným typem
tenkých vrstev. V neposlední řadě byla snaha najít takový materiál kuličky, který by se co nejvíce
podobal materiálu vačkové hřídele. Kulička z materiálu 100Cr6 všechny výše zmíněné požadavky
splňuje. Vypočtený kontaktní tlak pro závaží 5 N byl p2 = 1,04 GPa pro DLC-W vrstvu a p3 = 0,86
GPa pro WSC-Cr vrstvu. Jak je zřejmé z vypočtených hodnot kontaktních tlaků pro oba typy vrstev,
všechny požadavky pro simulování motorových podmínek byly splněny.
Výsledky laboratorních testů ukázaly, že DLC-W vrstva dosahuje nejlepší hodnoty součinitele
tření µ = 0,06 a míry opotřebení povlaku za podmínky, že není použit motorový olej. Tento jev lze
vysvětlit formováním třecí mezivrstvy mezi vrstvou DLC-W a zkušební kuličkou. Třecí mezivrstva
složená z oxidů železa a chromu má vyšší adhezi ke kovové kuličce a proto ji lze snadno najít na
mikroskopickém snímku po provedení testu bez lubrikantu. Formování třecí mezivrstvy výrazně
-2-
napomáhá snížit součinitel tření. Pokud je vrstva DLC-W testována v motorovém oleji za pokojové
nebo zvýšené teploty, tj. 120 °C stejně jako v motoru formule, součinitel tření se zvyšuje. Důvodem
je pravděpodobně vytvoření olejového filmu a změna viskozity motorového oleje při 120 °C
následkem čehož nedojde k vytvoření třecí mezivrstvy, která napomáhá snížit tření.
Při testování WSC-Cr vrstvy bylo pozorováno zcela opačné chování v porovnání s vrstvou
DLC-W, tzn. nejvyšší hodnota součinitele tření µ = 0,17 byla naměřena při pokojové teplotě bez
použití motorového oleje, zatímco nejnižší součinitel tření µ = 0,10 byl dosažen při 120 °C
v motorovém oleji. Příčinou tohoto jevu je bezpochyby použití oleje, přestože třecí vlastnosti vrstvy
WSC-Cr obecně závisí na vytvoření třecí mezivrstvy. Při bližším zkoumání bylo zjištěno, že
součinitel tření vrstvy WSC-Cr je za pokojové teploty bez použití motorového oleje nižší než
součinitel tření standartního nepovlakovaného zdvihátka. Tato vlastnost může být zvláště přínosná
při spuštění studeného motoru, kdy ještě není motorový olej rovnoměrně rozšířen na všech
mechanických součástech motoru a tím se sníží kontaminace oleje kovovými částicemi.
Jeden z hlavních výsledků laboratorních testů je na Obr. 1, kde je zobrazen součinitel tření pro
obě vrstvy v porovnání se standartním nepovlakovaným zdvihátkem. Laboratorní test byl proveden
za stejných podmínek jako v motoru formule, tj. v motorovém oleji o teplotě 120°C.
Graf jasně ukazuje, že depozice vrstvy DLC-W na zdvihátko pomohlo snížit tření a další snížení
slibuje vrstva WSC-Cr.
Obr. 1. Porovnání DLC-W a WSC-Cr vrstev oproti standartnímu zdvihátku za stejných
podmínek měření.
V poslední části projektu byla zvláštní pozornost věnována vlivu povlakování zdvihátek
na průběh točivého momentu a spotřeby motoru. Pro účely měření na motorové brzdě byly použity
zdvihátka s DLC-W vrstvou jako první, protože měly posloužit jako referenční data. Následně měly
být změřeny i zdvihátka s WSC-Cr vrstvou, ale bohužel se z časových důvodů nepodařilo provést
jejich měření do června 2012 (poslední měsíc trvání tohoto projektu a zároveň termín odevzdání
diplomové práce řešitele). Měření vrstvy WSC-Cr v motoru formule je z výše zmíněného důvodu
naplánováno na podzim 2012.
Výsledky DLC-W vrstvy testované na motorové brzdě ukazují dobrou korelaci s laboratorním
experimentem ve smyslu opotřebení DLC-W vrstvy. Již v průběhu testování v laboratoři bylo
zjevné, že tato vrstva podléhá pouze velmi malému opotřebení, což bylo prokázáno i během testu
na motorové brzdě. Typické opotřebení standartních ventilových zdvihátek je charakterizované
-3-
kruhovými a radiálními rýhami. Jakmile však byly použity zdvihátka s DLC-W vrstvou, kruhové
ani radiální vrypy nebyly přítomné na funkčním povrchu zdvihátka (viz porovnání na Obr. 2).
Obr. 2. Porovnání opotřebení standartních zdvihátek (vlevo) a zdvihátek s DLC-W vrstvou
(vpravo) po testování na motorové brzdě.
Vliv DLC-W vrstvy na průběh výkonových parametrů a spotřeby motoru nebyl pozorován
(viz Obr. 3 a Obr. 4). Přestože první měření zdvihátek s DLC-W vrstvou (červená křivka) ukázalo
konzistentní nárůst v celém spektru vyhodnocovaných otáček, toto měření nemůže být porovnáváno
s testem standartních zdvihátek (modrá křivka). Důvodem byla o několik stupňů nižší teplota
v místnosti, kde je umístěna motorová brzda. Tento rozdíl měl za následek, že se do spalovacího
prostoru dostalo více vzduchu a výkonové parametry motoru byly tudíž nepatrně vyšší.
Pro obdržení porovnatelných výsledků byl test opakován pro teplotu, která odpovídala testu
standartních zdvihátek. V průběhu druhého testu (zelená křivka) byl pozorován malý nárůst
točivého momentu v intervalu 5500 a 8000, avšak tento nárůst byl zřejmě způsoben nepatrným
rozdílem v poměru směsi vzduch-benzín (tzv. lambda), jelikož tento poměr byl nastavován
manuálně z řídící místnosti motorové brzdy.
60
55
Točivý moment [Nm]
50
45
40
35
30
25
20
2000
Standard valve lifter
3000
4000
5000
6000
DLC test No. 1
7000
Otáčky
8000
DLC test No. 2
9000 10000 11000 12000 13000
[min-1]
Obr. 3. Průběh točivého momentu pro standartní a povlakovaná zdvihátka.
-4-
Vliv vrstvy DLC-W na měrnou spotřebu motoru (měřeno v jednotkách g.kW-1.h-1, protože se
v uspořádání motorové brzdy jedná o stacionární motor) je diskutabilní. V nízkých otáčkách lze
pozorovat nárůst oproti standartním zdvihátkám, zatímco pokles spotřeby lze nalézt ve vysokých
otáčkách. Přesnou příčinu pro nárůst resp. pokles spotřeby lze nalézt asi jen velmi obtížně. Pro
zjištění skutečného vlivu vrstvy by se zřejmě muselo přistoupit k testování v řádu několika hodin.
410
Měrná spotřeba [g.kW-1.h-1]
390
370
350
330
310
290
Standard valve lifter
DLC test No. 1
DLC test No. 2
270
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000
Otáčky [min-1]
Obr. 4. Průběh spotřeby motoru pro standartní a povlakovaná zdvihátka.
3 Závěry
Ventilová zdvihátka s DLC-W i WSC-Cr vrstvou prokázaly mimořádné mechanické i třecí
vlastnosti během testování v laboratorních podmínkách. Velmi nízký součinitel tření a míra
opotřebení vrstvy DLC-W při laboratorním testu provedeném při 120 °C koresponduje s výsledky
z motorového testu. Bylo zjištěno, že použití lubrikantu Motul 5W-40 napomohlo snížit součinitel
tření při testování WSC-Cr vrstvy. Navzdory vyšší míře opotřebení vrstvy WSC-Cr, tato vrstva
slibuje další snížení tření v průběhu motorového testu (naplánováno na podzim 2012).
Hodnocení opotřebení zdvihátek po motorovém testu ukázalo, že zdvihátka s DLC-W vrstvou
neobsahují typické radiální ani kruhové vrypy. Tento výsledek může mít pozitivní vliv na snížení
kontaminace motorového oleje kovovými částicemi.
Testování vrstvy DLC-W v motoru formule CTU CarTech nepřineslo žádný přínos z hlediska
zvýšení výkonu/točivého momentu nebo snížení spotřeby. Důvodem je zřejmě množství dalších
pasivních odporů přítomných v motoru. Další důvod lze též spatřit i v příliš krátkém motorovém
testu, čemuž by mohlo napomoci provedení testu v řádu několika hodin.
-5-