LSPI a superlubricita

Dopady nových exhalačních norem na konstrukci a provoz motorových vozidel

S eskalací publicity a následně tlaku legislativ pro exhalace ze spalovacích motorů jsou výrobci automobilů a následně také výrobci maziv nuceni hledat nové cesty. Nutně rovněž dochází k úpravám předpisů.

 

S „upgradovanými" předpisy pro mazání motorů přichází nyní postupně všichni svě-toví výrobci osobních automobilů. Z nich vyčnívají ty pro viskozitu motorových olejů. Nízká viskozita na jedné straně usnadňuje studený start, což se odrazí v nižší spotřebě paliva a tedy také v nižší úrovní exhalací, na druhé straně to však způsobuje někdy až fatální problémy s motory předchozích konstrukčních generací. Nové podmínky provozování motorů však také u nových, konstrukčně již adaptovaných motorů, přináší další, dosud neznámé jevy a problémy.
Příspěvek se věnuje zdrojům a dopadům nových opatření a ukazuje na jisté trendy v oboru konstrukcí motorů a jejich mazání.

Limity škodlivin dle norem Euro v gramech na ujetý kilometr

Benzín

 

Nafta

 

 

Je potřeba mít na paměti: Spotřeba = emise a Emise = spotřeba

EURO 5-6,upřesněné emisní limity.Zážehové motory(vozidla kategorií M a N):

EURO 5-6,upřesněné emisní limity.Vznětové motory(vozidla kategorií M a N):

Následek Dieselgate: Urychlené zavedení WLTP a RDE do hodnocení emisí

Vysvětlivky: Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure (WLTP); Real Driving Emission Test (RDE)

 

Náběh na WLTP proběhne ve 3 krocích:

§ 9/2017:

- nové homologace(i nové motory) testovat cyklem WLTP;

- RDE je závazné, hodnoty se oproti WLTP smí lišit max.o 50-110% (není rozhodnuto);

- limity emisí - gram/km - zůstávají nezměněny.

§ 9/2018:

- WLTP a RDE jsou povinné pro veškerá vozidla; zážehové motory budou vybaveny částicovým filtrem.

§ 9/2019:

 

- prodej posledních vozů nehomologovaných dle WLTP.

Aktuální situace s exhalacemi

§ Ze 75 vozů, která nechala testovat nevládní organizace Deutsche Umwelthilfe, dodržely deklarovaný objem exhalací jen čtyři.

§ Nejhůře v testech dopadlo Audi A8 L 4.2 TDI, které produkovalo 1.422 miligramů oxidů dusíku na kilometr a normu Euro 6, která počítá s emisemi maximálně 80 miligramů na kilometr, tak překročilo téměř osmnáctkrát.

§ Mezi největší znečišťovatele patřily i modely Volvo S90 4D, Fiat 500X 2.0, Renault Capture 1.5 dCi, Land Rover Discovery Sport HSE TD4 nebo Mercedes B 180d.

§ V provozu při aktuálním testu dokázaly požadované hodnoty dodržet jen modely Audi A5 2.0 TDI, Mercedes E 200d s novým motorem OM-654, Audi Q3 2.0 TDI quattro a VW Sharan 2.0 TDI.

§ Dieselové vozy splňující nejvyšší normu Euro 6 vyprodukují ve skutečném provozu v průměru 507 miligramů oxidů dusíku na kilometr.

§ Podle současných právních předpisů však auta nemusí normy dodržovat ve skutečném provozu, ale jen při měření v laboratoři.

 

Klíčový fakt: Dosažení výkonu = Spotřeba = Emise

 

Berlín 2017: Summit o řešení u stávajících vozidel

§ Dieselový summit v Berlíně (červen 2017): Německé automobilky na své náklady upraví software u více než pěti milionů dieselových aut tak, aby snížily množství škodlivých emisí, které vozy produkují. Dohodu uzavřeli zástupci německé vlády a domácích automobilek.

 

 

§ Dohoda, na níž přistoupily automobilky Volkswagen, BMW, Daimler a Opel, se týká velké většiny vozů splňujících emisní normu Euro 5 a části vozů splňujících normu Euro 6.

EURO VI: Nové normy automobilek na maziva

Hlavní parametr: Nízká viskozita

§ VW 508.00/509.00  SAE 0W20

§ Ford WSS M2C948 –B  SAE 5W20

§ PSA B71 2312  SAE 0W30

§ FIAT 9.55535.DSX  SAE 0W20

§ General Motors GM Dexos 1 Gen.2  SAE 0W20

§ MB 229.71  SAE 0W20

§ BMW LL-14+  SAE 0W20 ; BMW LL-04  SAE 0W30

Tření: 1/3 spotřeby paliva je nutná na pokrytí třecích ztrát motoru

Skutečnost, že 1/3 spotřeby paliva je nutná na pokrytí třecích ztrát motoru, obhajuje vysoké investice do výzkumu v oblasti tření, resp. do jeho minimalizace. Výrobci automobilů bojují pod tlakem legislativy omezující emise CO₂ se snížením každého gramu emisí a jsou ochotni do výzkumu tření investovat.

Jeví se, že bez zásadního průlomu v snižování koeficientu tření nebude možné dosáhnout požadovaných hodnot spotřeby pohonných hmot - tedy požadovaných hodnot emisí.

Na symposiu Leeds-Lyon byly prezentovány velmi nadějné výsledky výzkumu. Bylo dokumentováno dosažení významného pokroku ve snižování koeficientu tření. Klíčovým bylo dosažení režimu superlubricity v reálných podmínkách provozování motoru. Ohnisko zájmu výzkumů je zaměřeno na pístní skupinu, resp. systém píst - pístní kroužek. Tento systém totiž reprezentuje cca 50% celkových třecích ztrát motoru.

Hlavní technické problémy spojené s plněním exhalačních norem

§ Hlavní problém napříč obory: Tření (1/3 spotřeby paliva je nutná na pokrytí třecích ztrát motoru).

§ Hlavní konstrukční trend: Downsizing. Filosofie: Menší motor spotřebuje méně paliva => vyprodukuje méně emisí. A zážehový méně jak vznětový.

§ Je rozšiřováno množství systémů kontroly exhalací na vozidle. Nejčastěji jde o kombinaci několika systémů dosud užívaných sólo. Např. SCR s EGR.

§ Vyššími teplotami a tlaky v systémech přípravy směsi, spalování, výfuku, dochází ke zvýšení nebezpečí ucpávání různých částí EGR či filtrů s následným zablokováním celého motoru řídící jednotkou.

§ Vkládáním dalších filtračních jednotek do výfukového systému dochází k zvýšení nároků na údržbu, tedy mimo jiné ke komplikování a zdražování servisních úkonů.

§ Zvýšení počtu přeplňovacích jednotek má dopad v nutnosti zavádění komplikovanějších a materiálově náročnějších dílů motoru.

§ Potřeba snižování hmotností dílců v návaznosti s urychlováním inovací dochází k využití nedostatečně odzkoušených dílců, což přináší riziko nižší životnosti.

§ LSPI - Low Speed Pre Ignition - nový - dosud neznámý jev. Avšak jev, který dnes downsizované zážehové motory ohrožuje nejvíce.

Jak LSPI probíhá

§ LSPI je spojeno s detonačním klepáním motoru.

§ Klepání: Iniciální zážeh je proveden zapalovací svíčkou. Druhý, spontánní, téměř paralelní zážeh vzniklý vznícením směsi na základě tlaku a indukovaného tepla ve spalovacím prostoru způsobí, že jdou proti sobě dvě tlakové
vlny. Jejich vzájemná interference způsobí vznik vysokofrekvenčních tlakových vln.

 

§ Ty způsobí charakteristický zvonivý zvuk doprovázený enormním zvýšením tlaku ve spalovacím prostoru.

obr.1…2 souběžné procesy ve spalovacím prostoru válce motoru

LSPI - Částice ve spalovacím prostoru - iniciační faktory

§ Žhnoucí částice ve spalovacím prostoru je místem vzniku předzážehu. Částice karbonu může zažehnout směs ještě v čase, kdy je píst na začátku kompresního pohybu.

§ Rizikovým místem je rovněž žhnoucí zapalovací svíčka. Proto je důležité používat teplotně správný typ !

§ Původ částic: Úsady na ventilech, karbon na hlavě pístu, nečistoty z netěsného sacího traktu.

obr. 2

obr. 3

Low Speed Pre-Ignition (LSPI) – průběh a důsledky.

obr. 4

obr. 5

Důsledek - destrukce

Mohou prasknout písty, kroužky, ohnout se ojnice, deformovat ojniční ložiska

Čím lze LSPI ovlivnit - hlavní faktory

§ konstrukcí částí spalovacího prostoru,

§ nastavením řídící jednotky,

§ složením paliva,

§ materiálem pístu a kroužků,

§ mazivem:

- mazivo není primární příčinou LSPI, avšak může ho ovlivnit; může jeho vznik podpořit či potlačit, a to v závislosti na jeho složení,

- vzniká potřeba zúžení spolupráce konstruktérů motorů a vývojářů maziv; je nutno najít rovnováhu mezi základovým olejem, aditivací a chemickými a fyzikálními poměry v motoru.

Analýza možných příčin / řešení LSPI - chemické prvky v aditivaci maziva

Které chemické prvky aditiva ovlivňují vznik LSPI:

§ Výzkumy prokázaly, že ze strany maziva má největší vliv na vznik LSPI chemická sestava v detergentní aditivaci oleje.

obr. 6 Vliv obsahu vápníku na vznik LSPI

§ Ca - v detergentech - velmi významně – negativně(viz obr.6).

§ Mg - v detergentech - nevýznamně.

§ Složení základového oleje - Group III významně lepší oproti Group II.

§ Mo - modifikace tření, ale také detergence - významně pozitivně(viz obr.10)

§ Důsledkem výzkumů v oblasti LSPI je nález, že využitím kombinace aditiv na bázi Mo a keramické napařované vrstvy povrchu (Physical Vapour Deposition Ceramic - PVDC) lze dosáhnout velmi nízkých koeficientů tření a tak zvané SUPERLUBRICITY.

 

obr.7  Superlubricita: Základní stavební kameny - diamantová kubická krystal. mřížka uhlíku vers. uhlovodík

Maziva dosud šla cestou snižování viskozity. Výzkum hledá další cesty. Dosavadní výsledky hledání - superlubricita:

§ 50 % celkových ztrát motoru je v oblasti pístní skupiny - píst a pístní kroužky.

§ Nejnovějším poznatkem je synergický efekt kombinací některých povrchových povlaků s aditivy mazacího oleje. Tento jev je nazván „superlubricita“ a je intenzivně zkoumán jako nová cesta ke snížení tření.

§ Strukturální superlubricita je stav, ve kterém dva kontaktní povrchy po sobě kloužou bez jakéhokoliv odporu. Koeficient tření: < 0.01 coefficient of friction (CoF). Ten byl sice již dříve zaznamenán na jistých dílech motoru - ve výši 0,02 - bylo to však za použití speciálního mazání, nikoliv za použití motorového oleje. Firmy nejvíce pokročilé v tomto výzkumu - Infineum a Mahle - nyní provádí výzkum s cílem dosáhnout reálné superlubricity za použití běžného motorového oleje 0W20 a na běžných dílech motoru. Cílem je dosažení reálné hodnoty koeficientu tření (≤ 0.04).

§ Na vědecké vysvětlení jevu superlubricity existuje několik hypotéz. Ty hlavní vysvětlují jev jako formaci volné vazby vodíku na uhlíku s mřížkou typu diamantu (tj. kubická či hexagonální). Nejnovějším směrem je zkoumání cesty k dosažení superlubricity, která kombinuje keramické napařované vrstvy povrchu (Physical Vapour Deposition Ceramic - PVDC) a oleje aditivované s použitím Mo.

Superlubricita - porovnání variant

Pístní kroužek potažený s PVD, mazaný olejem s modifikátorem tření s vysokým obsahem Mo vykazuje významné snížení koeficientu tření!

Závěry k chemii

Chemie v oleji a LSPI: Základní premisy pro návrh nových formulací oleje:

§ Sloučeniny vápníku byly dosud velmi významným představitelem ve formulaci detergentních systémů pro motorové oleje,avšak,

§ z důvodu vlivu Ca na vznik LSPI je nutno nahradit Ca jinou látkou. Nejslibněji se jeví použití organických sloučenin na bázi Mo.

§ Je však nezbytné ještě prozkoumat,jak dosáhnout dodržení dosavadní úrovně účinku detergentního systému oleje na čistotu částí motoru a zejména spalovacího prostoru a jeho okolí.

§ Dále je nezbytné ověřit,jak udržet stávající stupeň neutralizace kyselých produktů vznikajících v důsledku spalovacího procesu.

 

Závěry k LSPI

§ Tribologická věda zformulovala, jak by měla vypadat třecí dvojice z pohledu materiálového složení, aby ohrožení LSPI z pohledu mazání bylo co nejvíce eliminováno.

 

§ Nová generace pístů a pístních kroužků - které jsou LSPI ohroženy nejvíce - se do výroby dostane během jednoho až pěti let. Až tehdy budou motory proti tomuto fenoménu odolné.

obr.8  Superlubricita: Porovnání variant testovaných povrchů

obr.9  Experimentální, plně modifikované oleje 0W20
Vysvětlivky: Diamond - Like Carbon (DLC); Physical Vapour Deposition Ceramic (PVDC);
keramické napařované vrstvy povrchu

 

 

Obr.10  Vliv Mo v běžném oleji 0W20

Vysvětlivky: Organic Friction Modifier (OFM); Physical Vapour 
Deposition Ceramic (PVD);CoF-koeficient tření

 

A co s LSPI nyní?

§ Maziváři: Zavést co nejdříve do výroby oleje s aditivací na bázi Mo.

§ Paliváři:Zavést,popř.zvýšit účinnost aditiv s vlivem na čistotu spalovacího prostoru.

§ Motoráři: Zavést konstrukční úpravy v sacím a spalovacím traktu, aby byl co nejvíce eliminován vznik tuhých reziduí.

Do té doby: Automobilisté, uživatelé stávajících downsizovaných motorů: Nepřetěžovat downsizovaný motor v nízkých otáčkách, prostě mu „nešlapat na krk“, když se sotva probouzí k životu turbo. V 3.000 otáčkách LSPI nehrozí. U turba stačí „zdravé střední otáčky“ a všechno rázem běží perfektně. A životnost je OK.

Závěr k technickým možnostem splnění požadavků exhalačních norem.

Pečlivým vybalancováním aditivace motorového oleje za použití organického modifikátoru tření na bázi Mo lze v reálných poměrech běžného motoru dosáhnout hranic superlubricity i s motorovým olejem třídy SAE 0W20.

Je předpoklad, že pokud současně bude použito technologií napařování anorganických povlaků na rozhodující třecí povrchy motoru, tento stav natolik umožní snížit tření, a tudíž také spotřebu paliva motoru, že lze předpokládat, že bude možné podmínky nových exhalačních norem SPLNIT.

Text: Petr CHYTKA, Transa, s.r.o., Jihlava
Ladislav HRABEC, VŠB-TU Ostrava
Michaela HRABCOVÁ, VŠB-TU Ostrava

Späť