Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů
M. Pešek
Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické Brno,
Technická 2, 616 69 Brno, Česká republika
Spalovací motor je tepelnou elektrárnou využívanou na celém světě pro pohon motorových vozidel. Za dobu
svého vývoje se značně změnil, ale základní charakteristika zůstává stále stejná. Již od počátku spalovacích
motorů se setkávají konstruktéři s problém snižování tření a opotřebení. Vyššího významu se této problematice
dostalo se zvyšováním měrného výkonu, které vedlo ke zvýšení teplot a tlaků ve spalovacím prostoru.
Konstrukce motoru však není činnost, při které by se hledalo pouze nejlepší a nejlevnější řešení problémů, ale je
silně ovlivněna ekologickými nároky na chod motoru, které jsou hlavně spjaty se snižováním měrné spotřeby a
obsahem škodlivých látek ve výfukových plynech. V některých případech, právě kvůli splnění stále se
zpřísňujících požadavků na ekologičnost chodu motoru, vyvstávají problémy ohledně snižování tření a
opotřebení vnitřních pohyblivých částí. V tomto článků jsou popsány nové metody pro redukování opotřebení a
tření v dnešních spalovacích motorech.
1. ÚVOD
Již od počátku lidského snažení se objevoval
stále problém s opotřebením součástí, které jsou ve
vzájemném pohybu. Tyto problémy nabyly vyššího
významu s objevem parního stroje (1782, James
Watt) a následně s vynalezením spalovacího motoru
(1885, Gottlieb Daimler). V motoru se nalézá mnoho
pohyblivých částí, které podléhají značnému
opotřebení.
V počátcích se spalovací motory mazaly pomocí
řepkového oleje, rybího tuku a lojů, ale ty s
postupem času bylo ovšem nezbytné nahradit
kvalitními mazivy. Je nutné si připomenout, že
motorové oleje neslouží pouze pro mazání, ale i
k odvodu teple a nečistot, utěsňování spalovacího
prostoru. Oleje ve spalovacích motorech jsou dnes
jedním z předních zájmu vývoje olejářských a
rafinérských firem. Hledají se především vhodná
aditiva, které posouvají vlastnosti olejů do jiných
sfér. Shrňme si podmínky, ve kterých motorový olej
pracuje: mazivo musí být schopné odolávat
vysokým teplotám, ale zároveň musí poskytovat
dostatečnou ochranu při „studených“ startech.
Samozřejmostí je, že mazivo zajišťuje separaci
povrchů a vede ke snížení opotřebení. Vývoj se
ovšem neodvíjel pouze od požadavků na snížení
opotřebení. V šedesátých letech se začalo pracovat
na snižovaní viskozity maziv a tím ke snížení
vnitřního odporu a následného snížení spalovaného
paliva. Vše vedlo ke snižování hodnot zplodin.
Například dříve používaný olej 20W-50 byl
nahrazen olejem s označením 15W-40, s nižší
viskozitou. Práce s mazivy skýtá ovšem jistá
omezení a snižování opotřebení a tření není již tak
výrazné jako v počátcích. Z toho důvodu se nynější
vývoj orientuje spíše na lepší rozvod oleje. Nejvíce
progresivní metodou se ovšem jeví různé povlaky.
Následně budou tyto metody a způsoby podrobněji
rozepsány.
2. VÝSKYT A VLIVY NA OPOTŘEBENÍ
Následkem požadavků na vyšší výkon a nižší
měrnou spotřebu dochází ke zvyšování teploty a
tlaků ve spalovacím motoru. Následkem toho je však
vyšší namáhání součástí použitých v motorech.
Opotřebení se ve spalovacích motorech vyskytuje na
několika místech. K nejzávažnějším se řadí styk
klikové hřídele v ložiscích, ve ventilových
rozvodech a především v soustavě okolo samotného
činného pístu. Většina kontaktů je mazána mezním
mazáním,
které
jen
místy
přechází
v hydrodynamické. Mechanické ztráty v pístových
spalovacích motorech činí přibližně 20% a u
Wanklova motoru okolo 15%. Pokud toto
vztáhneme k celkové účinnosti blízké 35%
u benzinových motorů a 40% u naftových, určitě
cítíme, že snížení mechanických ztrát je docela
vítané. Z celkových ztrát třením připadá celých 50%
právě na tření mezi pístem a válcem, ze kterých je
70-80% způsobeno pístními kroužky [1-4]. Toto je
dáno i tím, že mazivo ve spalovacím prostru je
narušováno přítomností pohonných hmot. V případě
benzinových motorů je problém s nízkým Ph,
v případě dieselových motorů účinnost maziva
snižují saze. S ohledem na náročné podmínky ve
spalovacím prostoru se vývoj orientuje právě na tuto
oblast. V podstatě se dá říci, že opotřebení a snížení
tření je ve všech částech motoru snižováno
podobným způsobem.
2.1. Opotřebení ventilového rozvodu
Ventilové rozvody jsou vysoce náchylné na
opotřebení. Zvláště výfukové ventily jsou vystaveny
extrémním podmínkám. Výfukový ventil pracuje za
vysokého tlaku a teploty přibližně 800°C. Ventily se
vyrábějí z oceli třídy 14 a 16, podobně jako vačkové
hřídele. Na obrázku 1 jsou popsány kritéria pro
konstrukci ventilů. Z tohoto obrázku je zřejmé, že
materiál, který by splňoval všechny požadavky by
byl hodně drahý. V dnešním automobilovém
průmyslu je ovšem důležitým kritériem i cena.
Odolnost proti opotřebení
Pevnost v tahu
Nízká hustota
Odolnost proti opotřebení
Vysoká napěťová únosnost
Vysoká napěťová únosnost
Tepelná stálost
Korozivzdornost
Stabilní mikrostruktura
Vysoká napěťová únosnost
Odolnost proti opotřebení
Obrázek 1. Konstrukční požadavky na ventil [5]
Článek [5] se zabýval sledováním opotřebení
vačkové hřídele. Dospěl k zajímavému závěru a sice,
že k maximálnímu opotřebení nedochází na vrcholu
vačky, ale ve stoupání, jak můžeme vidět na obrázku
2 tudíž výsledky mazaného kontaktu se mohou lišit.
v sekci 2-3. Tento test ovšem proběhl bez mazání.
Obrázek 2. Opotřebení vačky [6]
V tomto článku bylo publikováno, že vačka je
vystavena především adhesivnímu opotřebení.
Zároveň kontakt mezi vačkou a ventilem je styk
nekonfornmě zakřivených těles, což připomíná
kontakt ve valivém ložisku. Blíže o mechanicmech
opotřebení se můžeme dočíst v tomto článku [6].
Dalším místem opotřebení ve ventilovém
rozvodu je uložení samotného vačkového hřídele.
V dnešní době jsou ovšem ložisková uložení na
takové úrovni, že opotřebení v těchto místech je na
minimální hodnotě.
V rozvodovém mechanismu se nalézají další
díly, které podléhají opotřebení. V podstatě se dá ale
říci, že všechny opotřebovávací mechanismy jsou
shodné s opotřebením na vačkovém hřídeli nebo na
ventilu.
2.2. Opotřebení klikové hřídele
Materiál použitý na výrobu klikové hřídele se
poněkud liší od materiálu na hřídel vačkovou. Hřídel
není namáhána tolik na otlačení a tudíž hlavní
požadavky směřují na vysokou únavovou životnost.
U klikových hřídelí se vývoj zaměřil na zlepšení
výroby, kdy se od litých hřídelí přešlo na hřídele
kované. S příchodem skládaných hřídelí se naskytla
možnost používání různých materiálů. Dnes se
používá nerezová ocel, která je v čepech ještě
povrchově kalena, následně, jako u vačkových
hřídelí, je povrch nitridován, nebo cementován.
Uložení klikové hřídele je dnes řešeno
bronzovou výstelkou ložisek. I vývoj ložiskových
pouzder se pohnul kupředu, ovšem v tomto článku o
vývoji ložisek není zmínky, neboť toto by vydalo za
velmi rozsáhlý článek. Navíc jsou ložiskové
materiály shodné s jinými používanými za
obdobných podmínek.
2.3. Pístní skupina
Nejnáročnější oblastí automobilového motoru je
oblast spalovacího prostoru. Shrňme si všechny
součásti, které můžeme označit jako pístní skupinu.
Hlavní částí je píst, pístní čep, pístní kroužky a stěna
válce. Jak je již výše zmíněno, hlavní opotřebení a
ztráty třením jsou mezi pístním kroužkem a stěnou
válce. Musíme si také připomenout, že části
pracující ve spalovacím prostoru nejsou namáhány
stále stejným napětím, ale mění se zde teplota, tlak a
mazací podmínky [7]. Z tohoto vyplývá, že se
součásti jako pístní kroužky a zejména na pístní
čepy jsou kladeny požadavky na vysokou únavovou
životnost a od pístních kroužků se očekává tepelná
stálost.
V článku [8] se zabývali studiem opotřebení
vlivem použití ERG v dieselových motorech. EGR
se používá pro snížení množství škodlivého NOx ve
spalinách. Princip spočívá ve smíchání spalin
s čerstvým vzduchem, což má za následek snížení
teploty hoření. Výskyt NOx je závislý na teplotě
hoření a klesá s klesající teplotou. Má však neblahý
vliv na opotřebení motoru, zejména pak válců,
pístních kroužků, ložisek a ventilových rozvodů.
Vlivem recyklace spalin se do motoru dostávají
saze, které mají v průměru 0,2 až 0,5 µm. Když
uvážíme, že tloušťka mazacího filmu je 0,025 µm a
menší, nastává zde závažný problém. Tyto částice
působí jako brusná zrna a přes olejovou vanu jsou
roznášeny do všech mazaných částí motoru.
Mazání pístové oblasti je zajištěno vtlačováním
maziva do pórů v materiálu, mluvíme tedy o
chemickém mazacím filmu, tudíž požadujeme
materiál, který disponuje určitou pórovitostí.
V těchto pórech se mazivo usadí a následně může
trvale zajistit potřebné mazání. V dalších sekcích
najdeme zmínky o možných řešeních.
2.4. Olej ve spalovacích motorech
Motorový olej je též kategorie sama pro sebe.
V dnešní době jsou motorové oleje velkým zájmem
všech olejářských firem. Připomeňme si jen hlavní
omezení motorového oleje, jménem rozběh. Ne
nadarmo, start motoru vozidla WRC stojí přibližně
1000 € a je stavěn na asi 30 startů. Motoru po
nastartování trvá určitou dobu, než se mazivo
roznese do celého složitého mechanismu. Proto se
hledají přísady, které dokáží ochránit motor při
startu. Jednou z těchto přísad je zinkový
dialkyldithiophosphate (ZDDP), jehož se do maziva
přidává asi 1%. Blíže o vlastnostech této látky
najdeme v článku [9, 10]. Ovšem snížení opotřebení
a tření nespočívá jen v použitém oleji, ale i
v celkové konstrukci oběhového systému maziva ve
spalovacím motoru.
Dávno pryč je doba, kdy bylo mazání
zprostředkováno rozstřikování oleje z klikové skříně
a také pomalu upadá mazání dvoudobých motorů
vmícháním maziva do paliva. Dnešní olejový oběh
je velice složité a důmyslně propracované zařízení.
Olej je stažen do olejové vany, tudíž téměř nepřijde
do styku s nefunkčními částmi klikové hřídele,
mluvíme o tzv. suché klikové skříni. Odtud je
mazivo přes filtrovací zařízení rozváděno do celého
motoru.
Velký význam je dnes kladen na filtraci maziva.
Připomeňme si, že existují i dva způsoby výměny
oleje. První, preferován v USA, doporučuje výměnu
oleje po ujetí 5000 mil. Druhá, dána pro země
evropské unie, dává přednost výměně maziva po
ujetí 15 000 km. Při obou výměnách se vymění
nejen mazivo, ale i olejové filtry. Výměna filtrů je
velice důležitá, neboť se v nich zadržují částice,
které by mohli způsobit abrazivní opotřebení, které
je ve spalovacích motorech velmi nebezpečné. Proto
velké úsilí spočívá i v hledání účinných filtrů.
S nástupem mikro a nano vláken se tomuto směru
naskytly nové možnosti.
2.5. Opotřebení u Wanklova motor
Opotřebení Wanklova motoru je v nesouladu
s výše uvedeným. S ohledem na odlišnou konstrukci
je zřejmé, že opotřebení ventilového rozvodu zcela
odpadá a tření mezi pístem a stěnou hypocykloidní
komory pracuje na zcela jiném principu. Posuvný
pohyb je zde nahrazen rotačním a lamely, řekněme
nahrazující pístní kroužky, jsou ke stěně
přitlačovány pružinou. Již díky citelnému snížení
vzájemně pohybujících se součástí je zřejmé, že se
sníží i tření a opotřebení. Bohužel tento motor trpí
jinými nedostatky, ale to již nespadá do zájmů
tohoto článku.
2.6. Jiné okolnosti
Dalším významným faktorem majícím vliv na
opotřebení motorů je záběh. Podrobný článek [11]
zabývající se touto problematikou nastínil, jak
důležitý proces plní ve funkci prodloužení životnosti
a snižování tření. Během záběhu se sobě povrchy
přizpůsobují a vyhlazují se drobné nerovnosti.
Dobrý záběh je fatálně důležitý pro správnou funkci
a dlouhou životnost motoru.
3. TECHNOLOGI
OPOTŘEBENÍ
SNIŽOVÁNÍ
TŘENÍ
na 85,3°C, ale koeficient tření klesl o 15% oproti
DLC a o 38% vůči neupravenému čepu.
A
Celých sto let byly motory vyráběny z šedé litiny
s lamelárním grafitem, neboť byla dobře obrobitelná
a poskytovala dobré tribologické vlastnosti.
Nevýhodou byla vysoká hmotnost. Posledních 20 let
se využívá AlSi (takzvaný silumin). Tento materiál
má vyšší tuhost a hmotnost motorů se výrazně
snížila. Ovšem tato slitina nedisponuje tak dobrými
tribologickými vlastnostmi jako litina. Z tohoto
důvodu se používaly válcové vložky z šedé
lamalární litiny, nebo různé povlaky. V posledních
15 letech se pracovalo na vývoji několika povlaků a
metod, ale pouze plazmové rozprašovací procesy se
dostaly do velkosériové výroby [12]. Většinu těchto
materiálu spojuje úsilí o nalezení materiálu, který by
disponoval samomaznými vlastnostmi.
Na obrázku 3 je znázorněn vztah mezi zatížením
a koeficientem tření u čtyřech různých materiálů.
Test je proveden na pístních čepech. Tento test je
popsán v článku [13], který se zabýval popsáním
vhodné zkušební metody. Problémem zkoušení
povlaků jsou složité mechanismy, které velice
ovlivňují výsledky. Samotný film se pohybuje
v rozmezí mezného a smíšeného mazání, ovšem
podmínky smíšeného mazání nejsou doposud plně
známy, tudíž simulační procesy jsou velice složité.
Z tohoto důvodu se hledá vhodné zjednodušení, pro
levnou a rychlou zkouškou. Tato reference je
zejména použita, aby si čtenář udělal alespoň letmý
přehled nároků, kterým podléhá povlak ve svém
životě a také pro nastínění vlastností některých
povlaků a hlavně jejich porovnání.
Z obrázku 3 je patrné, že všechny povlaky vedly
ke snížení tření. Průměrný koeficient tření u
neošetřeného povlaku je 0,05 při zatížení 950 N,
s povlaky CrN a DLC dosáhl koeficient tření 0,05
při zatížení 1000 N. Pouze LST dosáhl limitu 1200
N s koeficientem tření 0,04. Testy také ukázaly, že
s použitím LST se sice zvýší teplota třením z 66°C
Obrázek 3. Průměrný součinitel tření v závislosti na
rozdílném normálovém zatížení pro různé čepy [13]
3.1. Laser surface texturing LST
Jedná se o laserem vytvořené mikrodůlky na
povrchu. Tato technologie se testoval pro použití na
pístních kroužcích, pístních čepech a stěnách válce.
Základním principem této metody je možnost
zanesení oleje do mikrodůlků, jejichž hloubka se
pohybuje okolo 5,6 µm. Experimentálně byl získán
nejvhodnější poměr mezi průměrem a hloubkou
mikrodůlků. Mazivo usazené v tomto prostoru by
následně mělo poskytnou dostatečné ochránění
navzájem se pochybujících součástí. Dalším velkým
pozitivem je, že při použití LST na pístní kroužky
(ve většině případů pouze na první tzv. stírací
kroužek) nedojde k tak radikálnímu setření oleje ze
stěny válce.
Vývoj této metody je nyní ve stádiu testování a
hledání vhodného povrchu pro aplikaci LST.
V článku [14] provedli zkoušku, kdy porovnávali
účinnost LST upravených kroužků, oproti
neupraveným kroužkům. Jako referenční kroužek
byl použit soudečkový kroužek a byl porovnán se
soudečkovým kroužkem s plným a částečným
texturováním. Systém částečného LST je zobrazen
na obrázku 5, jenž pochází z článku [14]. Tento test
poskytl výsledky, vypovídající o nevhodném řešení,
neboť soudečkově tvarované kroužky poskytují
dobrý hydrodynamický efekt a nebylo tudíž možné
určit, jakou zásluhu na zlepšení mazání má LST. Na
obrázku 4 je znázorněn rozdíl průměrné třecí síly
mezi netexturovaným a LST kroužkem. Při testu
v reálném motoru bylo zjištěno jen malé snížení
tření a oproti soudečkovým kroužkům a to pouze do
2000 otáček. Nad 2000 se již tato malá výhoda
ztratila úplně. V závěru článku je též napsáno, že
lepším nositelem LST je klasický válcový kroužek.
Tato technologie není zamýšlena pouze na pístní
kroužky, ale testuje se i vliv LST na pístních čepech
[13]. Jak je vidět na obrázku 3, podává zde
povrchové texturování výrazné výsledky s ohledem
na součinitel tření. Bohužel zde není popsáno o jaký
druh LST se jedná, jestli o plné, nebo částečné, ale
dá se předpokládat, že v místě styku s pístem a
ložiskem ojnice je plné texturování.
Metoda LST je stále ve zkušebním stádiu, ale je
zřejmé, že se jedná o metodu, která bude schopna
poskytnout výrazné snížení tření a snížit opotřebení
v motorech. V současné době se hledá optimální tvar
pístních kroužků a také se studuje chování textury
vzhledem k opotřebení.
Obrázek 5. Částečně LST upravený pístní kroužek: (a)
schématické znázornění části kroužku, (b) detailní
pohled na dvě souměrně umístněné LST zóny šíře B/2
navzájem v obou axiálních koncích pístního kroužku
šíře W, (c) fotografie částečného LST [14]
Obrázek 4. Závislost třecí síly na otáčkách při tlaku 0,2
MPa [14]
3.2. Povrchové laserové kalení
Tato metoda slouží pro zvýšení tribologických
vlastností zejména vačkových a klikových hřídelí.
Pro tuto úpravu jsou používány vysoce výkonné CO2
a Nb-YAG lasery, které poskytují vhodné parametry
pro lokální kalení. Výhodou tohoto způsobu je, že je
použitelný pro všechny železné kovy a nemusíme se
zabývat případnou mezivrstvou.
Výkon laseru se pohybuje v rozmezí 103 až 105
W/cm2 a časová interakce 0,1-0,3 s, pomocí čehož
lze snadno dosáhnout martenzitické struktury [15].
Proces probíhá ve třech fázích: 1) prudké ohřátí, 2)
prudké ochlazení, 3) pozvolné, samovolné
ochlazování v ochranné atmosféře. Napětí, které
vznikne díky rychlému ochlazení může mít za
následek zvýšení odolnosti proti opotřebení a korozi
[16, 17]. Zkoumala se také možnost použití nátěrů,
které by zvýšily prokalitelnost, konkrétně se jednalo
o sirník molibdeničitý, fosforečnan ziničitý a další
[18]. Tloušťka zakalené vrstvy se pohybuje
v rozmezí 0,2-1 mm.
V článku [19] se zabývali studiem vlivu
povrchového kalení na oceli En18, která se používá
na vačkové hřídele. Jedná se o středně uhlíkovou
ocel, jejíž tvrdost je 250 HV0,2, která po kalení
vzroste na 950 HV0,2. Zde také vyvstala názor, že
při práci ve vysokých teplotách může dojít
k následnému popouštění a dalšímu zvyšování
tvrdosti. V závěru testu se můžeme dočíst, že tato
metoda vede ke zvýšení otěru-vzdornosti a snížení
tření, ale nejsou uvedeny žádné konkrétní údaje.
3.3. Diamantové povlaky DLC
Použití diamantu v průmyslu je stále častější,
díky jeho jedinečným vlastnostem [20]. Diamant
disponuje výjimečnými vlastnostmi jak optickými,
mechanickými, tepelnými a elektrickými. Tato
vrstva má vysokou tvrdost a ohromnou odolnost
proti otěru [21]. Tyto vlastnosti ho předurčují
k použití pro tenké povlaky a proto tento materiál
byl podroben důkladnému zkoumání.
Výzkum byl zaměřen především na nalezení
opotřebovávacích mechanismů, zejména k tomu, aby
bylo možné určit, při jaké tloušťce bude mít povlak
nejvyšší životnost. Základním předpokladem bylo,
že při tenké vrstvě bude opotřebení zejména
abrazivní a s rostoucí tloušťkou se objeví únavové
opotřebení a pitting. Při provedení erozního testu
diamantového povlaku [22] bylo dokázáno, že
s rostoucí tloušťkou klesá životnost. Naproti tomu
při vzrůstající tloušťce roste odolnost proti kavitaci
[23].
Pro použití diamantových povlaků je také
důležité zvážit, jaké parametry bude mít povrch na
opačném tělese. Při použití měkkého tělesa dojde
k opotřebení na únavu, neboť měkké těleso není
schopné abrazivního opotřebení vůči diamantu.
Těmto podmínkám je nutno přizpůsobit tloušťku
filmu.
V současnosti je tato metoda v testování,
podobně, jako LST. Zkoumá se, jaké mechanismy se
podílejí na opotřebení, pokud se kombinují různé
povrchy. Například v článku [24] zkoumali
opotřebovávací mechanismy, pokud se do kontaktu
použije ocel proti oceli, kde na obou površích bude
nanesena vrstva diamantu. Vrstva je zde vytvořena
napařováním pomocí CVD [21] a mezi povlak a
základní materiál byla použita vrstva Cr-N pro
zvýšení přilnavosti [25]. Vztah mezi tloušťkou a
životností je znázorněn na obrázku 6. V závěru toho
článku dospěli k tomu, že s malým nárůstem
tloušťky filmu se dramaticky zvýší jeho životnost.
Opotřebovávací mechanismy byly pro obě tloušťky
stejné a jednalo se o abrazivní opotřebení.
Obrázek 6. Vliv normálového zatížení na životnost
s ohledem na tloušťku povlaku [24]
Další výhodou DLC je obsah uhlíku, který
působí jako velmi dobré tuhé mazivo. Olejářský
průmysl také využívá reakce mezi olejem a
povlakem, tyto látky označujeme jako modifikátory
tření. Například při použití molybdenu v mazivu
reaguje s filmem a následkem reakce se povrch
zdrsní.
Dále díky tvrdosti DLC může být zadrženo více
oleje na stěnách válce. V článku [27], kde
porovnávali vlastnosti DLC s jinými povrchovými
úpravami, jsou vidět jisté závislosti mezi
povrchovou vrstvou a použitým mazivem. Na
obrázku 7 je také vidět závislost mezi průměrným
součinitelem tření a časem. Je zde porovnáno CrN,
nitridovaný povrch a DLC. Z tohoto grafu vyplývají
zjevné výhody DLC v podobě nižšího tření a delší
životnosti, tudíž se dá očekávat, brzké nasazení
diamantových povlaků do výroby.
3.4. Keramické povlaky
Dnes je snaha snižovat ztráty i na jiné úrovni,
než mechanické, proto jsou vyvíjeny povlaky, které
mají vést ke snížení tepelných ztrát. Ve většině
případů se jedná o keramické materiály, neboť
produkují dobrou tepelnou izolaci, jak je obecně
známo. Tyto matiriály jsou nanášeny na povrch ve
většině
případů
pomocí
plazmového
paprsku.
Obrázek 7. Závislost koeficientu tření na čase, při použití
různých povlaků na pístní kroužky pohybující se proti
válci, za použití minerálního oleje 5W-30, zatížení 80 N,
teplotě 125°C a rychlosti 138 mm/s [26]
Při použítí této technologie je dosaženo tvrdého
povrchu s nízkou pórovitostí. Problém keramických
materiálů spočívá v tom, že tyto materiály
neposkytují právě ideální tribologické vlastnosti a
následné vytvoření povlaku nebo podobná úprava je
velmi náročná.
V literatuře [27] byl testován Al-Mo-Ni
compositní povlak, se zaměřením na opotřebení,
přičemž byl test proveden v dvouválcovém motoru.
Výsledky jsou zobrazeny na obrázku 8, kde je vidět
malý nárust opotřebení v závislosti na teplotě, což je
pro použití v motorech požadováno. V dalším
článku [28] publikovali závěry testu povlaku z
CaZrO3 a MgZrO3, který byl aplikován do spalovací
komory. Je jasné, že pokud se nalézá povlak na
tomto místě, jsou na něj kladeny vysoké požadavky
nejen na snížení tepelných ztrát, ale také by měly
minimálně dosáhnout stejného třecího koeficientu a
opotřebení, jako materiály běžně používané na
těchto místech. V tomto článku se však věnovali
pouze vlastnostem týkajících se zlepšení tepelné
účinnosti. Nalézá se ovšem mnoho dalších článků,
které se zabívaly studiem různých keramických
materiálů jako například tuhé roztoky nitridu
kremíku [29].
Dá se předpokládat, že použití keramických
povlaků bude dálo rozvíjeno, neboť tepelné ztráty
jsou stále dominantní. Hlavní cíl je nalézt substrát s
dobrýmy tribologickými vlastnostmi.
Obrázek 8. Závislost opotřebení na teplotě při různém
zatížení [27]
3.5. Tepelné naprašování
Tepelné naprašování můžeme rozdělit na dva
základní druhy a sice plazmové povlakování a
HVOF. Plazmové povlakování je dnes technologie,
která je již používána. Proces spočívá v natavení
prášku proudem plasmy a jeho nanášení na povrch.
Tato metoda je dnes využívána zejména pro válce
motorů. S vývojem plazmových povlaků se vyvíjela
i tato technologie a dnes se na tomto poli nalézá
několik verifikací této metody.
Na podobném principu pracuje i HVOF (high
velocity oxy-fuel). Tento způsob je také hojně
využívána, ale má některá omezení oproti plazmě.
Na rozdíl od plazmy je tato metoda obtížně
použitelná pro povlakování vnitřních stran válců.
HVOF oproti plazmě pracuje s vyšší vzdáleností od
upravovaného
předmětu,
aby
nedocházelo
k takovému zahřívání. Díky průměrům válců je
nemožné dosáhnout požadovaného odstupu. Tato
technologie se ovšem ve velké míře využívá pro
povrchové úpravy pístních kroužků ve velmi
namáhaných motorech.
V tabulce 1 je uveden přehled možných
technologií, které byly myšleny pro použití ve
spalovacích motorech. Výsledky prokázaly, že
snížení
opotřebení
při
použití
tepelného
rozprašování je až okolo 30% oproti litinovým
vložkám a snížení spotřeby paliva se pohybuje
v rozmezí 2-4% [29,30].
velmi závisí na vlhkosti prostředí, podobně jako
součinitel tření.
Tabulka 1
Vývoj a zamýšlené technologie výroby válcového
prostoru [12]
Pro tyto metody jsou zkoumány různé prvky a
slitiny. Zkoumání probíhá tak, že se navrhne
materiál, který by mohl podávat dobré tribologické
vlastnosti a pak se zkoumá, zda-li tento předpoklad
byl správný. Díky této metodě pokus-omyl je možné
nalézt mnoho literatury, která se zabývá testem
jednotlivých materiálů
3.6. Nano-strukturové povlaky
V článku [31] se zabývali zkoumáním povlaku
s nano-strukturou. Konkrétně se jednalo o materiál
TiC, který byl vsazen do uhlíkové mřížky, tedy
TiC/a-H:C. Mezi povrch a povlak je nanesena vrstva
chrómu o tloušťce 100nm a přechodová 100nm
vrstva, kde chrom přechází na titanový substrát.
Povlak je nanášen magnetronovým povlakováním
v argon/acetylenové atmosféře [32].
Testy prokázaly, že tento povlak dosahuje velmi
nízkého tření f=0,012 pod dusíkem a 0,05 pod
vzduchem. Nutno ale zdůraznit, že tyto hodnoty jsou
měřeny bez maziva. Povlak totiž disponuje velkým
samomazným efektem. Tento součinitel ovšem
velice závisí na prostředí, ve kterém pracuje a
zejména na jeho vlhkosti, jak je názorně vidět na
obrázku 9.
Pozitivní vlastností těchto povlaků je, že tyto
materiály jsou schopny pojit vysokou houževnatost a
odolnost proti opotřebení s nízkým třením. Odolnost
opotřebení velmi závisí na povrchové tvrdosti a na
modulu pružnosti. Se zvyšující se tvrdostí povrchu
klesá jeho odolnost proti opotřebení. Tato odolnost
Obrázek 9. Závislost koeficientu tření na vlhkosti a
okolního prostředí a použité struktuře [31]
Nano-technologie v dnešní době zažívá velký
rozkvět a je tudíž pouze otázkou času, kdy se objeví
první výsledky s použitím nano-povlaků v reálných
motorech.
3.7. Nové materiály na namáhané součásti
Stávající materiály jsou pro některé aplikace
málo odolné a tak se pracuje na hledání nových
možností. Jako příklad můžeme uvést materiál TiAl
[06], který ukázal mnoho předností oproti klasickým
ocelovým ventilům. Díky nižší hmotnosti této
sloučeniny lze snížit tuhost pružin, což redukuje
následně i tření a opotřebení.
Tato slitina je ovšem méně tvrdá a tak se
problém s opotřebením řešil následným povlakováním. Zkoumaly se účinky nitridování a
cementování a použití PVD (plazmové povlakování). Velké možnosti skýtá TO (tepelná oxidace),
což je proces při kterém se na povrchu vytvoří
vrstvička oxidů TiO2 a Al2O3 [33]. Při TO ovšem
vzniká i NbO, které se odírá ve formě velmi ostrých
částic a vede k nepříznivému průběhu opotřebení.
Hledáním vhodného povlaku se zabývají další
studie, kde se hledají možnosti v lepší přípravě
povrchů a zkoumá se i možnost odstranění Nb
částic.
Už nyní je ale zřejmé, že se dočkáme
materiálové revoluce.
3.8. Maziva
Jak již bylo několikrát v tomto článku zmíněno,
využívá se samomazného efektu některých látek,
které se v současné době testují pro použití jako
povlaky. Tento efekt je klíčový v redukci
koeficientu tření.
Dalším faktorem kterým se získává nižší tření
jsou přísady. Mezi tyto přísady patří i ZDDP, jenž se
do olejů přidává i v současné době. Další přísadou,
která se výrazně podílí na redukci tření a opotřebení
je trikresylfosforečnan. Pokud se ovšem podíváme
na vývoj olejů, obsah těchto látek se významně
snižuje, neboť produkují při spálení škodlivé plyny.
Jedná se zejména o snižování obsahu síry, fosforu a
fosfátů v mazivu.
Jednou, z možných cest je použití rostlinných
olejů. Tato maziva byla vyřazena pro použití ve
spalovacích motorech kvůli jejich oxidaci a nízké
stálosti za nízkých teplot [34]. Existují zprávy o
zkoušení kokosového oleje, který disponuje vysokou
viskozitou, dobrou mazavostí, vysokou teplotou
vznícení [35]. Naproti tomu trpí nevýhodami
v podobně špatného chování za nízkých teplot.
Tento olej byl podroben výzkumu a bylo zjištěno, že
podává špatné výsledky s ohledem na opotřebení
[36], tudíž se hledají vhodná aditiva, které by vedla
ke snížení opotřebení. Takovou přísadou by mohl
být ZDDP, který při obsahu 2% výrazně zvýší
ochranu proti opotřebení. Nyní je však otázkou, zdali výhoda, kterou má kokosový oleje v podobě
nízkého množství škodlivých emisí nebude
potlačena množstvím škodlivin z ZDDP. Nicméně se
jeví použití rostlinných olejů jako potenciální možná
cesta.
4. ZÁVĚR
Tento článek měl poskytnou přehled o
nejprogresivnějších metodách, které jsou dnes
zamýšleny pro použití ve spalovacích motorech.
Jednu z nejslibnějších metod představuje LST, které
je ve stádiu testování a hledání vhodného povrchu,
pro jeho aplikaci. Je tedy snad jen otázkou času, za
jak dlouho se sním bude možné setkat v reálném
provozu.
Další, neméně dobrou cestu naznačil diamant.
Jeho jedinečné vlastnosti budou určitě využity
v moderních motorech a to především na silně
otíraných plochách, jako např. povrch konce ventilů
a vačkové hřídele.
S vývojem nových materiálů a zlepšování jejich
vlastností se naskýtají nové možnosti využití
například keramiky. Tato hmota má však ne příliš
dobré tribologické vlastnosti a tak se hledají
způsoby, jak je těmto látkám dodat. Nicméně
keramika představuje budoucnost pro motory, neboť
snižují ztráty na dvou frontách.
Dnes již běžně používané povlakování pomocí
plazmového paprsku se dále vyvíjí a hledají se nové
materiály. Vedle plazmového povlakování se
objevilo povrchové laserové kalení, které pracuje
jiným způsobem, ale cíl je stejný – dosáhnout odolné
vrstvy s dobrými kluznými vlastnostmi. Také vývoj
nano-technologií dnes zažívá obrovský rozvoj a tak
je pravděpodobné, že se objeví i ve spalovacích
motorech.
Snad nejdůležitější otázkou tedy bude cena a
množství škodlivých emisí. V tuto chvíli ale není
možné říci, která metoda se stane právě tou
vyvolenou, neboť mnoho z těchto způsobů je
v závěrečné fázi testování.
Referenční texty:
[1] M. Nakada, Trends in engine technology and
tribology, Tribology Int. 27 (1994) 3–8.
[2] G.D. Knoll, H.J. Peeken, Hydrodynamic
lubrication of piston skirts, J. Lub. Tech. Trans.
ASME 104 (1982) 504–509.
[3] H. Mitsuru, B. Yasukazu, A study of piston
friction force in an internal combustion engine,
ASLE Trans. 30 (1987) 444–451.
[4] M. Takiguchi, K. Machida, S. Furuhama, Piston
friction force of a small high speed gasoline engine,
J. Tribology Trans. ASME 110 (1988) 112–118.
[5] R. Ipek, B. Selkuk, The dry wear profile of cam
shift, Journal of Materials Processing Technology
168 (2005) 373–376
[6] Nagaraj Nayaka, P.A. Lakshminarayanan, M.K.
Gajendra Babu, A.D. Dani, Predictions of cam
follower wear in diesel engines, Wear 260 (2006)
181–192
[7] M.B. Karamýs, K. Yýldýzlý, H. Cakýrer, Wear
behaviour of Al–Mo–Ni composite coating at
elevated temperature, Wear 258 (2005) 744–751
[8] Shrawan Kumar Singh, Avinash Kumar
Agarwal,
Mukesh
Sharma,
Experimental
investigations of heavy metal addition in lubricating
oil and soot deposition in an EGR operatér, Applied
Thermal Engineering 26 (2006) 259–266
[9] M. Becchi, F. Perret, B. Carraze, J.F. Beziau, J.P.
Michel,
Structural
determination
of
zinc
dithiophosphates in lubricating oils by gas
chromatography–mass spectrometry with electron
impact and electron-capture negative ion chemical
ionization, Journal of Chromatography A, 905
(2001) 207–222
[10] Nicholas J. Mosey, Tom K. Woo, Insights into
the chemical behavior of zinc dialkyldithiophosphate
anti-wear additives in their isomeric and
decomposed forms through molecular simulation,
Tribology International
[11] Peter J. Blau, On the nature of running-in,
Tribology International 38 (2005) 1007–1012
[12] Ge´rard Barbezat, Advanced thermal spray
technology and coating for lightweight engine
blocks for the automotive industry, Surface &
Coatings Technology 200 (2005) 1990 – 1993 [20]
[13] I. Etsion, G. Halperin, E. Becker, The effect of
various surface treatments on piston pin scuffing
resistence, Wear (2006)
[14] G. Ryk, I. Etsion, Testing piston rings with
partial laser surface texturing for friction reduction,
Wear (2006)
[15] John R. Bradley, Sooho Kim, Scr. Metall. 23
(1989) 131–136.
[16] A. Weisheital, B.L. Mordike, Laser surface
modification of materials in Proc. IMT Conf.,
Birmingham, 1991, pp. 7–91.
[17] K.D. Schager, B. Schotes, B.L. Mordike, E.
Macheraugh: Residua stresses in laser treated plain
carbon steels, in 3rd Int. Conf. On Res. Stresses,
Tonshima, 1991, pp. 31–91.
[18] W.M. Steen, Laser Materials Processing,
Springer-Verlag, London,1991
[19] J. Senthil Selvan, K. Subramanian, A.K. Nath,
Effect of laser surface hardening on En18 (AISI
5135) steel, Journal of Materials Processing
Technology 91 (1999) 29–36
[20] R. Berman, Physical Properties of Diamond,
Clarendon press, Oxford, 1965
[21] K.E. Spear, Journal of the American Ceramic
Society 72 (1989) 171.
[22] D.W. Wheeler, R.J.K. Wood, Wear 225– 229
(1999) 523.
[23] F. Deuerler, O. Lemmer, M. Frank, M. Pohl, C.
Hebing, International Journal of Refractory Metals
and Hard Materials 20 (2002) 115.
[24] L. Kreinesa, G. Halperina, I. Etsiona, M.
Varenberga, A. Hoffmanb, R. Akhvledianib,
Fretting wear of thin diamond films deposited on
steel substrates, Diamond & Related Materials 13
(2004) 1731– 1739
[25] O. Glozman, A. Hoffman, Israel Journal of
Chemistry 38 (1998) 75.
[26] Simon C. Tung, Hong Gamb, Tribological
characteristics and surface interaction between
piston ring coatings and a blend of energyconserving oils and ethanol fuele, Wear 255 (2003)
1276–1285
[27] M.B. Karamıs, K. Yıldızlı, H. Cakırer, Wear
behaviour of Al–Mo–Ni composite coating at
elevated temperature, Wear 258 (2005) 744–751
[28] I. TaymazT, K. Cakir, A. Mimaroglu,
Experimental study of effective efficiency in a
ceramic coated diesel engine, Surface & Coatings
Technology 200 (2005) 1182– 1185
[29] Pedro Reis, J. Paulo Davim, Xin Xu, J.M.F.
Ferreira, A note on tribological behaviour of asialon/steel couples under dry conditions, Materials
and Design (2006)
[30] Nicholas J. Mosey, Tom K. Woo, Insights into
the chemical behavior of zinc dialkyldithiophosphate
anti-wear additives in their isomeric and
decomposed forms through molecular simulation,
Tribology International
[31] Y.T. Pei, D. Galvan, J.Th.M. De Hosson C.
Strondl, Advanced TiC/a-C:H nanocomposite
coatings deposited by magnetron sputtering, Journal
of the European Ceramic Society 26 (2006) 565–570
[32] Pei, Y. T., Galvan, D. and De Hosson, J. Th.
M., Nanostructure and properties of TiC/a-C:H
composite coatings, Acta Mater., 2005, in press.
[33] J. Xia, C.X. Li, H. Dong, T. Bell,
Nanoindentation and nanoscratch properties of a
thermal oxidation treated g-TiAl based alkou,
Surface & Coatings Technology 200 (2006) 4755 –
4762
[34] Zeman A, Sprengel A, Niedermeier D, Spath
M. Biodegradable, lubricants - studies on thermooxidation of metal-working and hydraulic fluids by
differential scanning calorimetry (DSC); 1995, vol.
268, p. 9–15.
[35] N.H. Jayadasa, K Prabhakaran Nairb,
Ajithkumar G, Tribological evaluation of coconut
oil as an environment-friendly lubricant, Tribology
International
[36] Bowden FP, Tabor D. The nature of metallic
wear. The friction and lubrication of solids. Oxford
Classic Texts. New York: Oxford University Press;
2001. p. 285–98 [chapter 14].