Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Reologický profil motocyklového motorového oleje Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Libor Severa, Ph.D. Vypracoval: Bc. Vojtěch Kumbár Brno 2010

2 Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy Agronomická fakulta 2009/2010 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Bc. Vojtěch Kumbár Zemědělská specializace Management techniky Název tématu: Reologický profil motocyklového motorového oleje Rozsah práce: 60 stran Zásady pro vypracování: 1. Studium literatury z oboru mechanika tekutin 2. Vypracování literárního přehledu a shrnutí současného stavu poznání 3. Sestavení a popis metodiky pro hodnocení reologických vlastností motorových olejů pomocí rotační viskozimetrie 4. Měření reologických vlastností motorových olejů rotačním viskozimetrem (Anton Paar) 5. Vyhodnocení experimentů z hlediska statistického a metodického 6. Vypracování matematických modelů experimentálních výsledků 7. Vypracování diplomové práce v předepsaném rozsahu Seznam odborné literatury: PAVLOVSKÝ, M. Návrh metodiky a zařízení ke sledování změn viskozity motorového oleje ve vztahu k provozu traktoru Zetor. Diplomová práce ZOUHAR, L. Provozní diagnostika motorových olejů. Diplomová práce. Mendelu Brno, PAWLAK, Z. Tribochemistry of lubricating oils. 1. vyd. London: ELSEVIER, ISBN SEVERA, L. -- HAVLÍČEK, M. -- BUCHAR, J. KŘIVÁ. Acta of Mendel University of agriculture and forestry Brno = Acta Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně sv. LIV, č. 1, s ISSN OTTO, S. R. -- DENIER, J. P. An introduction to programming and numerical methods in MATLAB. London: Springer, s. ISBN ZAPLATÍLEK, K. -- DOŇAR, B. MATLAB : pro začátečníky. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, s. ISBN

3 Datum zadání diplomové práce: říjen 2008 Termín odevzdání diplomové práce: květen 2010 Bc. Vojtěch Kumbár řešitel doc. Ing. Libor Severa, Ph.D. vedoucí práce doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí ústavu prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. děkan AF MENDELU

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Reologický profil motocyklového motorového oleje vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu použité literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF Mendelu v Brně. dne. podpis diplomanta.

5 PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě děkuji doc. Ing. Liborovi Severovi, Ph.D. za vedení práce, za odborné konzultace a za cenné rady a připomínky, které mi velice pomohly při vypracování této diplomové práce. Také děkuji Vladimírovi Ficenecovi za poskytnutí jednoho ze vzorků použitého motocyklového motorového oleje.

6 ABSTRAKT Tato diplomová práce je zaměřena na zkoumání a popis reologického profilu motocyklového motorového oleje. V teoretické části diplomové práce je vytvořen přehled základních fyzikálních vlastností tekutin. Dále jsou zde popsány metody měření viskozity a také současný stav poznání o mazivech. Experimentální část diplomové práce se zabývá především měřením závislosti viskozity na teplotě jednotlivých vzorků motocyklových motorových olejů, a to olejů nepoužitých (nových) i olejů použitých. Vzorky nepoužitých motocyklových motorových olejů byly vybrány mezi běžně prodávanými motocyklovými oleji vyrobenými v Evropské unii. Celkem bylo použito šest vzorků olejů s viskozitním indexem 10W40. Čtyři oleje jsou syntetické a dva oleje jsou polosyntetické. Vzorky použitých olejů byly odebrány z motocyklů Yamaha SR 125 (tzv. zajížděcí olej) a Suzuki GSX-R 750 SRAD (tzv. vyjetý olej). K měření viskozity byl použit rotační viskozimetr Anton Paar DV3-P. Teplotní závislost olejů byla dále modelována pomocí několika matematických modelů. Mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami byly následně zjišťovány korelační koeficienty 2 R. Klíčová slova: motorový olej, viskozita, motocykl, matematický model. ABSTRACT The diploma thesis is focused on determination and description of rheological profile of motorcycle engine oil. The introducing theoretical part contains a survey of fundamental physical properties of fluids. It also describes different methods for viscosity measurement and summaries present state of knowledge, concerning lubricants. The experimental part of diploma thesis deals with temperature dependencies of motorcycle engine oil s viscosity. Different types of oil were used - namely unused oil (new) and used oil. The samples of unused oils were selected from the common commercial products produced in EU. All together, six different oils with viscosity index 10W40 were used. Four of them were synthetic and two were semi-synthetic.

7 The experimental samples of used oils were exposed to operational cycle in motorcycle Yamaha SR 125 (used oil) and Suzuki GSX-R 750 SRAD (run-in oil). Rotational viscometer Anton Paar DV3-P was used to measure viscosity parameters. Temperature dependences of tested oils were consequently modelled by means of several mathematic models. Satisfying correlation coefficients received. 2 R between measured and computed were Key words: engine oil, viscosity, motorcycle, mathematic model.

8 OBSAH 1 ÚVOD TEORETICKÁ ČÁST Mechanika tekutin Tekutina a její vlastnosti Reologie Reometrie Viskozita Obecná definice viskozity Definice viskozity pomocí experimentů Objemová stlačitelnost Objemová roztažnost Povrchové napětí Tlak Měrná hmotnost (hustota) Metody měření viskozity Pádové (tělískové) viskozimetry Kapilární viskozimetry Výtokové viskozimetry Rotační viskozimetry Maziva Základy tribologie a tribotechniky Základní vlastnosti mazacích olejů Motorové oleje Viskozita motorových olejů Viskozitní index motocyklového motorového oleje Motocyklové motorové oleje Mazací okruh čtyřdobého motocyklového motoru CÍLE PRÁCE MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ Nepoužitý motocyklový motorový olej...53

9 4.2 Použitý motocyklový motorový olej Měření viskozity motocyklových motorových olejů Matematický model Mikroskopické snímky motocyklového motorového oleje VÝSLEDKY A DISKUZE Nepoužitý motocyklový motorový olej Použitý motocyklový motorový olej Motocyklový motorový olej použitý k běžnému provozu motoru motocyklu (tzv. vyjetý olej) Motocyklový motorový olej použitý k zajetí motoru motocyklu (tzv. zajíždějící olej) Přímé porovnání použitého motocyklového motorového oleje Mikroskopické fotografie motocyklového motorového oleje ZÁVĚR Nepoužitý motocyklový motorový olej Použitý motocyklový motorový olej Mikroskopické fotografie motocyklového motorového oleje...76 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...77 SEZNAM OBRÁZKŮ...81 SEZNAM TABULEK...82

10 Úvod 1 ÚVOD Motorové oleje slouží k mazání a čištění spalovacích motorů. Dále chrání motory před korozí, zdokonalují těsnění a odvádí teplo od jednotlivých částí a prvků motoru. K popisu a znalosti motorového oleje slouží jeho reologický profil, který bude v této práci zkoumán. Reologie je velice cenným a účinným nástrojem k popisu chování a hodnocení kvality tekutin. Jednou z nejvýznamnějších vlastností tekutin je bezpochyby viskozita, a to především její závislost na okolním prostředí. V této práci je primárně zkoumána závislost kinematické viskozity motocyklového motorového oleje na teplotě. Popis a znalost teplotní závislosti kinematické viskozity motorových olejů jsou velmi významné, a to zvláště při hodnocení provozní účinnosti spalovacích motorů. K experimentům byly vybrány vzorky často užívaných motocyklových motorových olejů, a to olejů nepoužitých (nových) i olejů použitých. Vzorky nepoužitých motocyklových motorových olejů byly vybrány mezi běžně prodávanými motocyklovými oleji vyrobenými v Evropské unii. Celkem bylo použito šest vzorků olejů s viskozitním indexem 10W40. Čtyři oleje jsou syntetické a dva oleje jsou polosyntetické. Vzorky použitých olejů byly odebrány z motocyklů Yamaha SR 125 (tzv. zajížděcí olej) a Suzuki GSX-R 750 SRAD (tzv. vyjetý olej). K měření viskozity byl použit rotační viskozimetr Anton Paar DV3-P. Teplotní závislost olejů byla dále modelována pomocí několika matematických modelů v programech MATLAB a Microsoft Excel. Mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami byly následně zjišťovány korelační koeficienty 2 R. U nepoužitých motocyklových motorových olejů byly k matematickému modelování použity vztahy Vogelův, Arrhéniův, Gaussův a také polynom 6. stupně. U použitých motocyklových motorových olejů byly k matematickému modelování použity vztahy Gaussův, exponenciální a i zde polynom 6. stupně. V experimentální části práce bylo zkoušeno mikroskopické fotografování tří vzorků motocyklového motorového oleje značky Motul. A sice vzorky nepoužitého i použitého oleje. K pořízení mikroskopických snímků byl použit mikroskop Olympus BX51 s digitální kamerou DP70. 10

11 Teoretická část 2 TEORETICKÁ ČÁST V teoretické části této práce je vytvořen přehled a popis základních fyzikálních vlastností tekutin. Dále jsou zde popsány metody měření viskozity a také současný stav poznání o mazivech, motorových olejích a jejich základních vlastnostech a funkcích. 2.1 Mechanika tekutin Mechanika tekutin je část mechaniky, která se zabývá mechanickými vlastnostmi tekutin, to jest silami v kapalinách a plynech a pohybem kapalin a plynů (prouděním). Tekutiny se na rozdíl od pevných látek vyznačují tekutostí, tedy schopností měnit svůj tvar a přizpůsobovat se tvaru nádoby, v níž se nachází. Schopnost tekutin téci je pro různé látky různá a je závislá především na jejich vnitřním tření (viskozitě). [27] Tekutina a její vlastnosti Před zkoumáním vlastností tekutin je nutné poznat je i z hlediska fyzikálního. Tekutiny nemají vlastní tvar, nabývají tvaru nádob, v nichž se nacházejí. Molekuly konají chaotické kmity kolem rovnovážných poloh, které se s časem mění. Vzájemné přitažlivé síly mezi molekulami kapalin jsou menší než u pevných látek, nejsou však úplně zanedbatelné jako u plynů. K důležitým vlastnostem skutečných tekutin patří jejich viskozita (vazkost), objemová stlačitelnost, objemová roztažnost, povrchové napětí a měrná hmotnost (hustota). [7] Reologie Vědní obor nazývaný reologie se zabývá studiem vnitřní reakce látek (pevných i tekutých) na působení vnějších sil, respektive jejich deformovatelností a tokovými vlastnostmi. Souvislost mezi mikrostrukturou a reologickými vlastnostmi zkoumá 11

12 Teoretická část mikroreologie. Pro potřeby chemického inženýrství má význam zejména fenomenologická reologie (makroreologie) kapalin, která na ně pohlíží jako na kontinuum a formuluje zákonitosti viskózního toku. [35] Reologické chování tekutých materiálů hraje důležitou roli v řadě technologických operací. Znalost základních reologických veličin, viskozity, meze toku a modulů pružnosti je potřebná nejen k charakterizování surovin eventuelně produktů, ale i k řešení mnoha technických úloh a inženýrských výpočtů při navrhování, zdokonalování a kontrole různých výrobních a dopravních zařízení. [35] Reometrie Reometrie je obsáhlý vědní obor, který se zabývá studiem reologických vlastností látek. Jejím úkolem je experimentální stanovení funkční závislosti mezi tečným napětím a gradientem rychlosti pro daný vzorek kapaliny. To znamená závislosti zdánlivé viskozity na tečném napětí nebo gradientu rychlosti. [35] Viskozita Viskozita je fyzikální veličina udávající poměr mezi tečným napětím a změnou rychlosti v závislosti na vzdálenosti mezi sousedními vrstvami při proudění skutečné tekutiny. Viskozita je veličina charakterizující vnitřní tření a závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi. Tekutiny s větší přitažlivou silou mají větší viskozitu, větší viskozita znamená větší brždění pohybu tekutiny nebo těles v tekutině. [31] Obecná definice viskozity Viskozita je mírou vnitřního tření tekutiny při vzájemném relativním pohybu částic (vrstev) vůči sobě. Je definována dynamickou ( η ) a kinematickou ( ν ) viskozitou. Dynamická a kinematická viskozita závisí na teplotě a tlaku. 12

13 Teoretická část U tekutin se viskozita při stálém tlaku snižuje s rostoucí teplotou, protože se snižují přitažlivé síly mezi molekulami tekutiny. Pro vodu je závislost ( ν ) = f ( t) normálním tlaku ( p n ) vynesena na obr. 1. [7] η, při Obr. 1 Závislost viskozity vody na teplotě (převzato z [7]) Kromě tekutin, u nichž je viskozita ( η, ν ) fyzikální veličinou závislou pouze na teplotě ( t ) a tlaku ( p ), existují ale i tekutiny, u nichž je viskozita závislá také na tečném napětí ( τ ), popřípadě na smykové rychlosti dc. Tyto kapaliny se nazývají dn nenewtonské. Nenewtonské tekutiny nejsou tekutinami v pravém slova smyslu. Jsou to většinou emulze, tedy směsi pevných látek s kapalinami. Přesto to jsou látky, které v podstatě tečou, i když to nejsou fyzikální tekutinová kontinua. Proto se nenewtonská tekutina považuje za tekutinu s proměnlivou viskozitou. Viskozitu některých charakteristických kapalin při teplotě 18 C udává tab. 1. [7] 13

14 Teoretická část Tab. 1 Některé vlastnosti vybraných kapalin (pozn. σ p pro tekutinu x vzduch x stěnu) (převzato z [7]) tekutina 10 3.η [Pa.s] 10 6.ν [m 2.s -1 ] 10 2.σ p [N.m -1 ] ρ [kg.m -3 ] aceton 0,330 0,416 2, benzen 0,670 0,761 2, ethylalkohol 1,240 1,570 2, ethyléter 0,248 0,354 1, glycerin 1656, ,000 6, rtuť 1,566 0,115 50, voda 1,000 1,001 7, Definice viskozity pomocí experimentů Již Isaac Newton na základě pozorování řeky a hladiny vody v rotujícím vědru, došel k poznání, že uvnitř kapaliny existuje tření, které přenáší pohyb od jedné vrstvy kapaliny ke druhé. Mírou tohoto tření, které má za následek pozorované rozdíly rychlosti proudění vody v řece nejnižší rychlost u břehů a nejvyšší uprostřed, je pak viskozita. V předchozí podkapitole je zmínka o existenci vnitřního tření, viskozity reálných tekutin. Pro pochopení těchto sil uvažme dvě rovinné desky o ploše ( A ), mezi kterými je například voda, viz obr. 2. [2] 14

15 Teoretická část Představme si experiment, kdy se nachází kapalina mezi dvěma rovinnými deskami: Obr. 2 Kapalina mezi dvěma rovinnými deskami (převzato z [2]) Spodní deska je ve stálé poloze. Horní deskou pohybujeme rovnoměrně malou rychlostí ( v ). Měříme-li sílu ( ) F, kterou potřebujeme k tomu, abychom horní desku udrželi v pohybu, zjistíme, že je úměrná ploše desek a poměru d v, to znamená: v F = η. A. ;[ N ], (1) d 15

16 Teoretická část analogicky k tlaku zavádíme pojem smykového napětí ( τ ) : 2 [ N. ] F τ = ; m. (2) A Konstanta úměrnosti ( η ) se nazývá dynamická viskozita. Uvažujeme o lineárním rozložením rychlosti. Ve skutečnosti je toto rozložení rychlostí obecně složitější. [2] Máme malý hranol, jehož stěny jsou rovnoběžné se směrem proudění: Obr. 3 Hranol v proudu (převzato z [2]) Je zřejmé, že smykové napětí je úměrné rychlosti smykové deformace. Jak již bylo uvedeno, tekutiny, pro které platí lineární závislost mezi smykovým napětím a rychlostí deformace, se nazývají newtonovské tekutiny. Pro tyto látky je materiálovou charakteristikou dynamická viskozita ( η ), která má rozměr [ Pa. s] viskozitu se používá kinematická viskozita ( ) dynamickou a kinematickou viskozitou je: ν, která má rozměr [ m ] 2. s 1. Mimo dynamickou. Vztah mezi 16

17 Teoretická část 1 [ ] 2 m. η ν = ; s, (3) ρ kde ( ρ ) je hustota tekutiny. [2] Znalost viskozity je velmi významná, neboť umožňuje řešit celou řadu úloh. V prvé řadě umožňuje popsat charakter proudění tekutin, a to pomocí tzv. Reynoldsova čísla 1 ( Re ), což je bezrozměrné číslo definované vztahem: v. ρ. R Re =, (4) η kde ( v ) je rychlost proudění, ( R ) je charakteristický rozměr potrubí nebo obtékaného tělesa a ( ρ ) je hustota tekutiny. [2] V zemědělství a potravinářství, stejně jako v řadě dalších oborů, má pak značný význam znalost proudění tekutin v potrubích. Uvažujme proudění viskózní kapaliny v trubce kruhového průřezu, jak je znázorněno na obr. 4: 1 Reynoldsovo číslo je číslo bezrozměrné, které dává do souvislosti setrvačné síly a viskozitu (tedy odpor prostředí v důsledku vnitřního tření). Pomocí tohoto čísla je možné určit, zda je proudění tekutiny laminární nebo turbulentní. Čím je Reynoldsovo číslo vyšší, tím nižší je vliv třecích sil částic tekutiny na celkový odpor. [29] 17

18 Teoretická část Obr. 4 Proudění viskózní kapaliny trubkou kruhového průřezu (převzato z [2]) Předpokládejme, že rychlost kapaliny na stěnách trubky je nulová, potom má rozložení rychlosti parabolický průběh: v p1 p ( x) =.( R x ); [ m. s ] 4. η. l, (5) pro objem ( V ) kapaliny, která proteče průřezem trubky za jednotku času, platí: V 4 π. R =.( p 8. η. l 1 p 2 ); 3 [ m ]. (6) Tento vztah se nazývá Hagenův Poiseuillův zákon. Z uvedeného vztahu je zřejmé, že pro zadaný objem kapaliny roste velikost přetlaku s viskozitou. Růst přetlaku v potrubí je možný až do určité velikosti dané pevnosti materiálu potrubí. Tento růst přetlaku pak vyžaduje i zvýšení výkonu čerpadla apod. [2] 18

19 Teoretická část Objemová stlačitelnost Objemová stlačitelnost ( δ ) kapalin je velice malá, proto lze kapaliny ve většině případů považovat za nestlačitelné. Například pro vodu činí Objemová stlačitelnost plynů je naopak velká a řídí se stavovou rovnicí. [7] 10 1 δ = 5.10 Pa Objemová roztažnost Objemová roztažnost ( γ ) způsobená změnou teploty je u kapalin velmi malá. Kapalin s výraznou roztažností se využívá jako teploměrových kapalin u kapalinových teploměrů. U ostatních kapalin se změna objemu s teplotou zpravidla zanedbává. [7] Povrchové napětí Povrchové napětí ( σ p ) je efekt, při kterém se povrch kapalin chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimálním rozpětím [27]. Molekuly kapaliny, které nejsou v blízkosti okraje hladiny, stěny nebo dna, jsou ovlivňovány mezimolekulárními silami rovnoměrně na všechny strany, tudíž výsledná síla na ni působící je nulová. Molekuly na hladině jsou více přitahovány do kapaliny, nežli do plynu. Takto vzniká v kapalině na hladině a u stěny přídavné tahové napětí směřující do kapaliny. Podle [7] lze složky přitažlivých mezimolekulárních sil tečné k povrchu kapaliny vyjádřit povrchovým napětím ( σ ) elementární síly ( df ) a elementární délky ( dl ) povrchu: p, které je dáno podílem 1 [ N. ] df σ p = ; m. (7) dl 19

20 Teoretická část se stěnou. Na obr. 5 můžeme sledovat chování kapaliny na rozhraní s plynem v místě styku Obr. 5 Povrchové napětí kapalin (převzato z [7]) Napětí mezi kapalinou a plynem ( ) kp σ, kapalinou a stěnou ( ) a stěnou ( σ ps ) musí být v bodě ( A ) v rovnováze. Potom platí: σ a plynem ks σ σ σ cosδ, (8) ps ks = kp. kde úhel ( δ ) styku kapaliny se stěnou: σ ps σ ks cos δ =. (9) σ kp Z definice funkce cosinus leží výsledek pravé strany rovnice (9) v intervalu ( 1;1 ), proto interval úhlu ( δ ) leží právě v mezích ( π ;0). Velikost tohoto úhlu, 20

21 Teoretická část respektive elevaci povrchu kapaliny u rtuti a depresi u vody znázorňuje obr. 6. Hodnoty povrchového napětí vybraných tekutin uvádí tab. 1. [7] Obr. 6 Elevace a deprese kapaliny u stěny (převzato z [7]) Tlak Tlak ( p ) je podle [7] případem napětí, které může být tečné i normálové. Normálové napětí směřuje vždy kolmo do tekutiny a nazývá se tlakem definovaným rovnicí: df p = ;[ Pa]. (10) ds Tečné napětí nepřichází v hydrostatice v úvahu, protože částice kapaliny jsou v relativním klidu. Tím je i tečné napětí nulové, proto ani změna viskozity skutečné kapaliny s teplotou neovlivní hydrostatické vlastnosti této tekutiny. 21

22 Teoretická část Měrná hmotnost (hustota) Měrná hmotnost ( ρ ) je u sourodých, spojitých, homogenních látek, za jaké lze tekutiny považovat, dána poměrem hmotnosti ( m ) a objemu ( V ): 3 [ kg. ] 1 m ρ = = ; m, (11) V v kde ( m ) je hmotnost látky [ kg ], ( ) 1 [ ] 3 m. kg 3 V je objem látky [ ] m a ( ) v je měrný objem. Vzhledem k zanedbání roztažnosti a stlačitelnosti kapalin s teplotou je i měrná hmotnost nezávislá na teplotě. Měrné hmotnosti některých tekutin jsou uvedeny v tab. 1. [7] 2.2 Metody měření viskozity K měření viskozity se nejčastěji užívají pádové, laminární, výtokové a rotační viskozimetry, z nichž však pouze poslední typ a speciální kapilární viskozimetry umožňují dostatečně charakterizovat tokovou křivku i nenewtonských kapalin. Podmínkou správného měření je vždy laminárnost proudění v celém rozsahu měření a dobře definovaná geometrie toku. [35] Kromě toho existuje celá řada přístrojů určených k hodnocení konzistence určitých výrobků za určitých standardních podmínek, jejichž stupnice jsou kalibrovány buď newtonskou kapalinou nebo ve stupních charakteristických pouze pro ten který přístroj. Hodnoty naměřené na těchto přístrojích poskytují sice informace o změnách vlastností daného produktu, avšak k obecnému měření nejsou vhodné. [35] Pádové (tělískové) viskozimetry Měření těmito přístroji je založeno na měření rychlosti pádu známého tělíska (obvykle koule) v kapalině, jejíž viskozitu určujeme. Podle Stokesova zákona pro rychlost pádu platí rovnice: 22

23 Teoretická část 1 [ m. ] F v = ; s 6. π. η. r (12) a 3 3 F =. π. r.( ρ ρ 0 ). g; [ N ], (13) 4 kde ( ρ 0 ) a ( ρ ) jsou hustoty kapaliny a tělíska, ( r ) je poloměr tělíska. [35] Pro stanovení viskozity se pak používá vztah: ( ρ ρ ) ; [ Pa. s] 2 2. g. r. 0 η =. (14) 9. v Asi nejjednodušším tělískovým viskozimetrem je viskozimetr Stokesův. Jiným přístrojem této skupiny je technický viskozimetr Höpplerův, v němž padá kulička skleněnou trubicí skloněnou od vertikály o 10 a o průměru málo větším než je průměr koule. [35] 23

24 Teoretická část Obr. 7 Schéma Höpplerova kuličkového viskozimetru (převzato z [35]) V obou případech je měření viskozity převedeno na měření doby pádu kuličky. Výměna kuliček umožňuje kvalitativní zjištění, závisí-li viskozita na gradientu rychlosti či nikoliv, tj. zda se zkoumaná kapalina chová newtonowsky nebo nikoliv. [35] Pro měření velmi viskozních kapalin byly vyvinuty reoviskozimetry s tlačnou kuličkou, v nichž je kulička protlačována vzorkem umístěným v nádobě válcovitého tvaru při definovaném zatížení, které je možno měnit. Lze tak tedy zjišťovat i tokové charakteristiky nenewtonských kapalin. [35] Kapilární viskozimetry Měření pomocí těchto přístrojů je založeno na Poisseuilově rovnici pro laminární výtok kapaliny z kolmé trubice kruhového průřezu vlastní hmotností. Platí tedy: 24

25 Teoretická část π. r 4. p. τ η = ;[ Pa. s], (15) 8. V. l kde ( r ) je poloměr trubice, ( p) je rozdíl tlaků daný hydrostatickým tlakem kapaliny ve svislé kapiláře, který je úměrný hustotě kapaliny, ( τ ) je doba průtoku, ( V ) je objem vyteklé kapaliny a ( l ) je délka trubice. [14] Podle [14] je tedy viskozita úměrná hustotě kapaliny a době průtoku. Obvykle se provádí měření relativní, při němž se na stejném viskozimetru porovnává viskozita měřené kapaliny ( ) η se známou viskozitou srovnávací kapaliny ( ) n : ref η τ = η τ ref ref. ρ ρ ref, (16) kde ( ) τ a ( ) τ jsou doby průtoku určitého objemu měřené a srovnávací kapaliny, ref vymezené dvěmi ryskami ( A ) a ( B ), ( ) kapaliny. ρ a ( ) ρ jsou hustoty měřené a srovnávací Kapilární viskozimetry jsou přesné (s chybou měření jen 0,01% až 0,1%), avšak nemohou být použity pro měření viskozity nenewtonských kapalin, neboť rychlostní gradient není konstantní roste se vzdáleností od osy kapiláry. [14] Na obr. 8 je velmi často používaný Ubbelohdeův viskozimetr s visící hladinou. ref 25

26 Teoretická část Obr. 8 Ubbelohdeův kapilární viskozimetr (převzato z [14]) Pro měření tokových křivek nenewtonských kapalin je nutno používat průtokové kapilární viskozimetry s nastavitelným tlakovým spádem. Potřebný tlakový spád se vytváří různou výškou sloupce měrné kapaliny, tlakem interního plynu nebo zatěžovaným pístem. Měří se buď objemový průtok (běžnější, méně náročný způsob) nebo tlakový spád (vyžaduje spolehlivé objemové dávkování se stabilním výkonem). Přesnost měření závisí především na výběru správné kapiláry s dobře definovanými parametry a na měření tlakového rozdílu. [35] 26

27 Teoretická část Obr. 9 Viskozimetry s nastavitelným tlakovým spádem (převzato z [35]) Výtokové viskozimetry 200 Jak uvádí [4] výtokový viskozimetr se skládá z kalibrované nádobky o objemu 3 cm a výtokové dírky. Princip měření je založen na měření času výtoku měřené kapaliny ( t ), který se vztahuje na čas výtoku ( ) Viskozita ( n E ) je potom dána poměrem: t destilované vody při teplotě 20 C. 1 t η E = ;[ E]. (17) t 1 27

28 Teoretická část Hodnota viskozity ( n E ) zde vychází ve stupních Englera ( E) jednotkou stupně Englera a jednotkou ze soustavy SI 2. Převod mezi pro veličinu kinematická viskozita je znázorněn v grafu na obr. 10. Počátek grafu není příliš patrný, ale podle [3] platí, že právě 1 E = m. s. Obr. 10 Závislost SI veličiny kinematická viskozita na jednotce stupně Englera (převzato z [3]) částí. Na obr. 11 je schéma Englerova výtokového viskozimetru s popisem jeho všech 2 Soustava SI (zkratka z francouzského Le Système International d'unités) je mezinárodně domluvená soustava jednotek, která se skládá ze základních jednotek, odvozených jednotek, předpon a vedlejších jednotek. Základních jednotek je sedm: metr, kilogram, sekunda, kelvin, ampér, kandela, mol. Mezinárodně garantuje definice jednotek a uchování etalonů Burelu International des Poids et Mesures v Sèvres (Francie), v České republice Český metrologický institut v Brně. Soustava vznikla v roce 1960 ze soustavy metr-kilogram-sekunda. Existoval také užívaný systém centimetr-gram-sekunda (soustava CGS). [30] 28

29 Teoretická část Obr. 11 Englerův výtokový viskozimetr (převzato z [4]) Popis Englerova výtokového viskozimetru z obr. 11: 1 temperovaná nádoba, 2 teploměr, 3 míchadlo, 4 výtoková dírka s průměrem 2,8 mm, 5 uzávěr dírky, 6 stojan, 7 ohřev pláště, 8 temperovací lázeň, 9 odměrná nádobka na měření průtoku s objemem cm. Jak uvádí [4], je tento výtokový (Englerův) viskozimetr určen pouze pro měření viskozity newtonských kapalin Rotační viskozimetry V případě rotačního viskozimetru je vzorek podrobován smyku mezi dvěma definovanými plochami, z nichž jedna vykonává otáčivý pohyb, přičemž se vyhodnocuje brzdný účinek vzorku při různých rychlostech otáčení. Nejběžnější typ 29

30 Teoretická část rotačního viskozimetru s dvěma souosými válci ( V 1 ) a ( V 2 ) kapalina ( K ), je schematicky znázorněn na obr. 12. [35], mezi kterými je měrná Obr. 12 Schéma základních typů uspořádání rotačních viskozimetrů (převzato z [35]) Jeden z válců (v tomto případě vnější) se při měření uvede do rotačního pohybu stálou úhlovou rychlostí ( ω ) a registruje se moment síly ( ) M působící přitom na vnitřní válec ( V 2 ). V uvedeném případě se měří stočení torzního vlákna ( T ), na kterém je zavěšen válec ( V 1 ), metodou světelného paprsku odráženého zrcátkem ( Z ). V komerčních přístrojích se otáčivý moment měří zpravidla elektricky, což umožňuje jeho další snadné zpracování, eventuálně zápis. [35] Jsou-li známy poloměry válců ( r 1 ), ( r 2 ) a výška smýkané vrstvy kapaliny ( ) lze vypočítat viskozitu podle rovnice: h, 30

31 Teoretická část M. 1 2 r r 2 η 1 2 M = A. ;[ Pa. s] 4. π. h. ω =, (18) ω kde ( A ) je přístrojová konstanta. Rovnice byla odvozena za předpokladu stabilního laminárního toku ve štěrbině a při zanedbání koncových a hranových efektů. Pro eliminaci jejich vlivu byla navržena řada korekcí. Určité problémy vyvolává také skutečnost, že v různých bodech měřené kapaliny ve válcové mezeře je různá rychlost smykové deformace. Dále je nutno počítat s ohřevem vzorku během měření, který se zvyšuje s viskozitou a rychlostí otáčení. Rotačním viskozimetrem tedy snadno získáme hodnoty smykového napětí ( τ ) (platí, že τ M ) pro různé hodnoty rychlostního gradientu ( D ), jehož hodnota je dána rychlostí otáčení a poloměrem válců (hodnoty jsou pro každé uspořádání tabelovány). [35] Souhrnně je možno o reometrech se souosými válci říci, že je k dispozici řada komerčních přístrojů nejrůznějšího provedení, rozsahů a přednosti, z nichž je nutno vybírat vždy podle konkrétních požadavků vyplývajících hlavně ze struktury a typu viskozitní anomálie měřené kapaliny. [35] Obr. 13 Různé úpravy měrného prostoru rotačních viskozimetrů (převzato z [35]) Místo dvou souosých válců se zvláště pro kapaliny s vyšší viskozitou často užívá uspořádání kužel deska (obr. 12). V obou případech se měřená kapalina dává do úzké štěrbiny mezi dvě plochy, takže při měření se vystačí s malým množstvím kapaliny 31

32 Teoretická část ( 0,1 ml ). V tomto případě je celý vzorek podroben konstantní rychlosti smykové deformace a jsou potlačeny koncové a krajové efekty. Zahřívání vzorku je v důsledku velké chladící plochy a tenké vrstvy velmi účinná. Nevýhodou je omezená použitelnost tohoto systému pro suspenze a disperze (větší částice narušují tokové poměry v klínové mezeře). [35] Vztah mezi smykovým napětím ( τ ) a momentem síly ( M ) je pro uspořádání kužel deska s poloměrem podstavy kužele ( R ) podle [35] dán rovnicí: 2 [ N ] 3. M ;. 3 τ = m (19) 2. π. R a pro gradient rychlosti ( D ) platí: ω D =, (20) α kde ( α ) je úhel štěrbiny v radiánech. Tokovou rovnici nenewtonských kapalin lze tedy tímto viskozimetrem určovat přímo z naměřených závislostí momentu síly na úhlové rychlosti. Platí tedy: τ 3. M. α M η = = = K. ;[ Pa. s]. (21) 3 D 2. π. ω. R ω Rotačním viskozimetrem (obr. 12) lze určovat viskozitu také tím způsobem, že necháme vnitřní válec konat torsní kmity uvnitř stojícího vnějšího válce, když předtím vhodně upravíme velikost jeho momentu setrvačnosti. Mluvíme potom o viskozimetru torzním. Viskozita se určí měřením útlumu kmitů kmitajícího válce. [6] 32

33 Teoretická část 2.3 Maziva Podle [36] je hlavním úkolem maziva co nejvíce zmenšovat tření v dotykových místech dvou těles v relativním pohybu. Vedle tohoto musí plnit mazivo řadu dalších funkcí, v některých případech navzájem spjatých zabezpečit odvod tepla, zmenšovat opotřebení, působit jako těsnící činitel, chránit kovové plochy před korozí, zbavovat třecí plochy nečistot primárních a sekundárních a další funkce. Jsou to především přenos síly (u hydraulických olejů), tlumení rázů, elektrický izolátor a další. K plnění výše uvedených funkcí musí mít mazivo určité vlastnosti. Tyto vlastnosti lze rozdělit na vlastnosti jednoznačně definované a komplexní. Mezi vlastnosti jednoznačně definované patří měrná hmotnost (hustota), viskozita a reologické vlastnosti, tepelná vodivost a měrné teplo, stlačitelnost (u kapalných maziv), kritéria vymezující teplotní oblasti použití maziv, životnostní a povrchové vlastnosti. Mezi vlastnosti komplexní řadíme například mazací schopnost, která zahrnuje souběžně vliv viskozity maziva, maznosti a mazivosti maziva. Maziva je podle [36] možno rozdělit do těchto základních skupin: kapalná maziva mazací oleje, plastická maziva mazací tuky, tuhá maziva přidávaná do kapalných i konzistentních maziv, plynná maziva Základy tribologie a tribotechniky Tribologie je nauka o mazivech, o vědeckém výzkumu a technickém použití zákonitostí a poznatků pro obory tření, opotřebení a mazání. Zabývá se určováním a změnou struktur maziv a jejich chováním ve všech možných přírodních i umělých tribologických systémech. Jako praktická aplikace tribologických poznatků vznikla tribotechnika. Ta se zabývá v široké míře pracovními postupy, které mají vliv na minimalizaci, respektive optimalizaci tření a opotřebení. Tribotechnika zahrnuje 33

34 Teoretická část techniku mazání (vnášením maziv mezi třecí dvojice), techniku zabývající se ochranou proti opotřebování a také opatření administrativního charakteru. [36] Podle [36] můžeme vymezit základní tribologické pojmy: Tření Tření nastává v dotykových místech dvou elementů, kde se projevuje vznikem síly působící proti pohybu. Každé tření je výlučně kinetické. Druhy tření: Smykové vzniká mezi povrchy dvou třoucích se těles. Třecí síla i následky tření (teplo) jsou relativně velké. Příkladem jsou kluzná ložiska ve spalovacích motorech. Valivé vzniká při vzájemném pohybu dvou rotačních elastických těles, případně odvaluje-li se jedno rotační těleso po druhém stojícím. Teoreticky je styk bodový (u kuliček) nebo přímkový (u válečků a kuželíků). Ve skutečnosti se však plastickou deformací rotačních elastických těles vytváří přídavné kluzné tření, které zvyšuje hlavně ztráty třením. Příkladem může být kolo na kolejnici. Tření v ozubených soukolích je přechodem tření smykového a valivého. Například u spirálového ozubení (převládá tření smykové). V technice se velmi často vyskytují kombinace těchto tření v nejrůznějších podobách. V případě mazání třecích ploch mohou nastat tři případy tření: tření kapalinné, tření mezní a tření smíšené. Opotřebení a otěr Opotřebení je nežádoucí změna povrchu součástí vznikající oddělováním částic mechanickými účinky, případně doprovázená chemickým, elektrochemickým, elektrickým nebo jiným působením. Jde-li pouze o procesy mechanické povahy, užívá se pojem otěr. 34

35 Teoretická část Příčin, které vyvolávají opotřebení strojních součástí, je mnoho. Ze zjištění druhu opotřebení můžeme soudit na jeho příčinu, což je nezbytné pro odstranění následků nežádoucího opotřebení. Pro tento účel je důležité znát základní druhy opotřebení a jejich charakteristiky, viz tab

36 Teoretická část Tab. 2 Základní druhy opotřebení a jejich charakteristiky (převzato z [36]) Druh opotřebení Adhesivní otěr Abrazivní otěr Únavový otěr Vibrační otěr Erozivní otěr Kavitační opotřebení Chemické opotřebení Charakteristika Oddělování částic materiálu působením meziatomových sil mezi styčnými plochami během vzájemného relativního pohybu součástí. Oddělování částic materiálu rýhováním a řezáním tvrdými částicemi. Oddělování částic a poruchy v podpovrchové nebo povrchové vrstvě materiálu. Oddělování částic a poškozování povrchu vzájemnými tangenciálními posuny malé amplitudy při působení normálního zatížení. Oddělování částic a poškozování povrchu materiálu v důsledku proudění kapaliny. Oddělování částic a poškozování povrchu účinkem místních hydrodynamických rázů v proudící kapalině. Porušení povrchu materiálu chemickým účinkem prostředí, s nímž se povrch součástí stýká. Příčina a) Mezi stykovými plochami není mazivo. b) Mezi stykovými plochami je nesouvislá vrstva maziva. c) Mazivo je ve formě tuhé vrstvy vytvořené uměle, nebo působením prostředí. a) Tvrdé částice volné nebo vázané v protilátce (abrazivní otěr prvého typu). b) Tvrdší, drsný povrch jednoho z členů třecí dvojice (abrazivní otěr druhého typu). a) Cyklické opakování stykového napětí určité velikosti mezi stýkajícími se povrchy (první typ). b) Porucha povrchové vrstvy křehkým lomem (druhý typ). Nepatrné vzájemné posuny třecích povrchů pod určitým zatížením. a) Tvrdé částice nesené proudem kapaliny nebo plynu. b) Proud kapaliny, kapek páry nebo plynu. Vytváření bublinek páry či plynu v kavitačních dutinách a jejich zánik při změně zatížení, který se děje vysokou frekvencí. a) Vznik pevně lnoucích tvrdých produktů na povrchové vrstvě, které v případě porušení vedou k intenzivnímu opotřebení. b) Zplodiny měkčí povahy mohou mít dobré kluzné vlastnosti. Při snadném odstraňování nastává rychlý otěr. 36

37 Teoretická část Koroze třením a lícovací koroze Koroze třením je složitý fyzikálně-chemický děj vznikající na povrchu či v povrchových vrstvách dvojice kluzných uložení, které může být jak v pohybu (zejména v nepravidelných vibracích či malých kmitavých pohybech), nebo může být relativně v klidu (např. v lícovaném spojení dvou elementů). Koroze třením postihuje především železné kovy. Příčiny této koroze nejsou zatím úplně jasné. Vedou k ní patrně plastické deformace krystalické mřížky v povrchu materiálu, přítomnost vzdušného kyslíku a volné vlhkosti. Zejména nepříjemná a častá je koroze v místech, kde k sobě přesně lícují kovové plochy. Tento druh koroze může být blokován přítomností maziva. Účinněji napomáhají pasivační procesy, jako například máčení lícovaných plechů v horké kyselině fosforečné ( H PO 3 4 ), nitridování, pomědění, pochromování, pozinkování. Málo účinné jsou povlaky olejové či grafitové Základní vlastnosti mazacích olejů Na mazací oleje, zejména motorové, jsou kladeny rozmanité a často i protichůdné nároky. Podle [36] olej z hlediska tribotechnického musí: dobře lpět na mazaném povrchu při všech provozních podmínkách, což je určeno jeho hlavní komplexní vlastností mazací schopností, odolávat smykovým silovým polím, dobře odvádět třecí a provozní teplo, chránit jak železné, tak barevné kovy (ložiska) před korozí, odolávat co nejdéle i za nepříznivých podmínek stárnutí oxidaci uhlovodíků, resp. základních složek oleje, přispívat k těsnění pístů ve válci i za vysokých teplot, 37

38 Teoretická část rozptylovat co nejjemněji nečistoty vznikající otěrem a zabraňovat jejich usazování, umožňovat provoz při velkých mrazech, ale i při vysokých teplotách. Olej nesmí: napadat těsnící materiály, pěnit při provozu v motoru, vykazovat vysoké karbonizační číslo a rovněž nesmí být náchylný k tvorbě tzv. studených kalů. Olej má být: málo odparný, což se příznivě odráží na malých ztrátách v provozu i za vysokých teplot (tato vlastnost souvisí s frakčním složením základového oleje), skladovatelný alespoň dva roky v temnu (plechová či polystyrenová embaláž) v přiměřené teplotě, ekonomický v provozu, což souvisí s jeho cenou a užitnými vlastnostmi, mísitelný s jinými oleji téže skupiny SAE 3 (dle viskozity) a dle podmínek provozu bez ohledu na firemní původ, v účelném balení i vzhledem k laickému používání na obalu má být vytištěn návod k použití a případná upozornění, účelně značen dle mezinárodních norem SAE tak, aby byla jasná jeho specifikace a podmínky použití. 3 Základní rozdělení do tzv. viskozitních tříd bylo vytvořeno Společností amerických inženýrů (Society of Automotive Engineers), známá pod zkratkou SAE [36]. 38

39 Teoretická část Mazací schopnost je komplexní vlastnost zahrnující tři dílčí vlastnosti: viskozitu, mazivost a maznost. Viskozita každá kapalina, ať již má jakékoliv složení či polaritu, vykazuje určité tření, a tím i ztráty energie při jejím toku. Tyto vnitřní odpory kapaliny, specifické co do vlastností pro každou kapalinu a způsobené relativním posunem olejových částic po sobě, nazýváme viskozitou. Viskozita je přímo měřitelná veličina, která se může použít k výpočtu tření a únavnosti filmu, a to při daných technických a pracovních podmínkách, při kterých se tato vrstva vytváří (tlak, teplota, otáčky, rozměry a vůle ložiska aj.). To znamená, že viskozitu můžeme použít jako porovnávací veličinu pro vyjadřování mazací schopnosti maziva v daných podmínkách. Čím vyšší je viskozita oleje, tím je větší únosnost mazacího filmu, pak ovšem rostou energetické ztráty vynaložené na tření ve viskozním oleji. Mazivo má pro daný případ největší mazací schopnost, má-li optimální (ne maximální) viskozitu. Je to nejmenší hodnota viskozity, při níž má mazací film ještě dostačujicí únosnost k přenosu zatížení. Viskozita olejů není konstantou, ale je závislá na teplotě, tlaku, různých parametrech, uhlovodíkovém složení i na obsahu aditiv. [36] Mazivost je mazací schopnost kapaliny uplatňující se v oblasti hydrodynamického mazání, ve kterém dané mazivo zajišťuje nejmenší součinitel tření při optimální únosnosti kapalinné vrstvy. Tato vlastnost se týká pouze kapalných maziv. Vysokou mazivost vykazují právě vysoce rafinované oleje zbavené polárních látek. [36] Maznost definujeme jako mazací schopnost maziva pro oblast mazání mezní mazací vrstvou. Maznost je tedy vlastnost maziva zajišťující co největší únosnost tzv. mazné vrstvičky při optimálním koeficientu tření. V zemědělství a dopravě má mazná složka maziva výjimečnou důležitost. [36] Dalšími vlastnostmi olejů jsou tepelná vodivost, stlačitelnost minerálních olejů a měrné teplo (množství tepla v Joulech, které je třeba k ohřátí jednoho kilogramu oleje o 1 C ). 39

40 Teoretická část Motorové oleje Jak uvádí [36], jsou oleje tekuté organické sloučeniny mastné povahy. Jsou specificky lehčí než voda, ve vodě nerozpustné. Rozpouští se v ethanu, benzínu a jiných organických rozpouštědlech. Podle původu se oleje obecně rozdělují na rostlinné, živočišné, minerální (ropné) a syntetické. Výrobci motorových olejů postupně zdokonalovali výrobu konstrukcí hnacích agregátů, ať již to bylo změnou technologie při výrobě nebo přidáváním různých přísad, které například zabraňují usazování karbonů, zajišťují ochranu motorů proti opotřebení a hlavně zajišťující dostatečné mazání motoru a ochranu ložisek při všech pracovních a tepelných režimech. Podle [36] můžeme motorové oleje rozdělit na: Minerální (ropné) oleje jsou v podstatě směsi výševroucích uhlovodíků. Získávají se převážně z ropy (popřípadě také z černouhelného nebo hnědouhelného dehtu, živiční břidlice apod.). V rafineriích se surová ropa rozdestiluje na jednotlivé frakce, přičemž frakce vhodná pro výrobu olejů se upravuje rafinačními pochody, při nichž se odstraňují nežádoucí nestabilní látky, jako například síra a polyaromatické sloučeniny. K rafinaci se využívá řada chemických procesů, jako je použití selektivních rozpouštědel nebo hydrogenace. Získané rafináty a hydrogenáty se odparafinují a dočistí tzv. kontaktováním s bělicí hlinkou a jejím odfiltrováním od nečistot vzniklých při teplotním zpracování. Získají se oleje s nízkým bodem tuhnutí používané jako základové oleje pro výrobu různých druhů olejů. Syntetické oleje jsou úzkou frakcí uhlovodíků, která se nezískává z ropy, ale syntézou uhlovodíků. Jsou připravovány úpravou vhodné chemické sloučeniny. Jsou to například polyolefíny (polyizobutylen, polypropylen apod.), aromatické sloučeniny (např. alkylbenzeny) nebo estery organických kyselin a alkoholů, polyglykoly, halogenové oleje a řada dalších. Všechny tyto látky vykazují vlastnosti podobné ropným mazivům. Tyto oleje mají vyšší odolnost proti vysokým teplotám, dále vyšší tekutost při nižších teplotách, vyšší mazivost, vyšší index atd., než je tomu u olejů minerálních. 40

41 Teoretická část Polosyntetické oleje jsou to minerální oleje se syntetickými komponenty. Vyrábějí se tak, že se v určitém procentu přidají do minerálního oleje syntetické složky. Zpravidla bývají syntetické komponenty zastoupeny v minerálním oleji měrou vyšší než polovina. Výraz polosyntetický je tedy nutno chápat jako přibližné vyjádření toho, že se jedná o téměř syntetický olej Viskozita motorových olejů Viskozita je odpor, jímž tekutina působí proti silám snažícím se posunout její nejmenší částice. Na stykové ploše dvou vrstev tekutiny pohybujících se různou rychlostí se projevuje viskozita tečným napětím, jímž se snaží rychlejší vrstva urychlovat pomalejší, a ta naopak zadržovat vrstvu rychlejší. Viskozita je tedy jednou z nejdůležitějších vlastností, která ovlivňuje tokové vlastnosti látek. Určuje režim mazání, tvorbu a únosnost mazacího filmu, velikost odporu pohyblivých částí, těsnící schopnost a čerpatelnost. Čerpatelnost charakterizuje chování za nízkých teplot a vyjadřuje schopnost být nasávaný do olejového čerpadla a vytlačovaný z něj. Vlivem tlaku a teploty se může viskozita oleje měnit. Tyto závislosti určují vlastnosti použitého oleje. Mírou této závislosti je koeficient viskozity. V praxi se nejvíce uplatňuje viskozitní index. [36] Rozlišujeme viskozitu kinematickou a dynamickou. Kinematická viskozita definuje poměr dynamické viskozity a hustoty kapaliny: 1 [ ] 2 m. η ν = ; s, (22) ρ dynamická viskozita se dá vyjádřit slovně: 41

42 Teoretická část síla. čas N. s η = ; = Pa. s 2 plocha m. (23) Jednotka [ Pa. s] je vysoká, a proto se v praxi mnohem více uplatňuje jednotka o tři řády menší, tedy [ s] 3 mpa., pro kterou platí 1mPa. s = 1.10 Pa. s. Podle [36] je měření a výpočet viskozit zcela zásadní pro hodnocení maziv. Vyjadřuje se relativní viskozitou, to je poměrem viskozity dané kapaliny a viskozity srovnávací kapaliny při stejných teplotách: η η rel =. (24) η 0 Viskozita se měří přístrojem zvaným viskozimetr. Stanovuje se například podle doby průtoku daného množství oleje kapilárou za přesně dané teploty, měřením rychlosti pádu kuličky v měřené kapalině či měřením na základě přenosu rotačního momentu. [36] Viskozitní index motocyklového motorového oleje Při nízké viskozitě je olej řídký a rychle tekoucí, při vysoké naopak hustý a teče velmi pomalu. Z toho vyplývá, že olej o nízké viskozitě potřebuje kratší dobu a nižší tlak k tomu, aby zcela vyplnil dutinu, do níž je napuštěn. Viskozita olejů je rozdělena do tříd SAE. Absolutně nejnižší viskozitu má olej SAE0W (W jako Winter = zima), ale ten je tak řídký, že jeho optimální použití má opodstatnění za velmi nízkých teplot okolí (od -35 C výše). Nejhustší olej nese označení SAE60, ten je ale pro běžnou potřebu zase velice hustý. To všechno jsou oleje, které v motorech motocyklů příliš neupotřebíme, pro motocyklové motory mají největší význam oleje s označením například SAE 10W40, tedy oleje, které mají rozsah zaručené teplotní působnosti větší než oleje jednoduché SAExx. [10] 42

43 Teoretická část Zatímco u olejů SAExx je doporučovaný teplotní rozsah asi 30 C (myslí se teplota okolí, ne motoru), rozsah u oleje SAE 10W40 je zaručen od asi -25 do 50 C. Přesnější hodnoty teplot a hodnoty olejů s jiným označením jsou v grafu na obr. 14. Tyto oleje jsou tedy takové 2 v 1 třeba olej s označením SAE 0W40 se za nízkých teplot chová jako SAE0W a za vysokých teplot jako SAE40. [10] C Obr. 14 Teplotní rozsah jednotlivých olejů (převzato z [10]) Všeobecně mají všechny oleje při vysoké okolní teplotě nízkou viskozitu (proto je také důležité před výměnou oleje motor zahřát, aby ho z motoru vyteklo co nejvíce) a naopak, pokud je motor velmi studený, oleje jsou husté a jejich viskozita vysoká. Viskozita ovlivněná okolní teplotou hraje hlavní roli při studeném startu motoru, protože bezprostředně po nastartování je potřeba, aby olej začal proudit a mazat exponovaná místa. Na vlastnosti oleje a na jeho viskozitu mají vliv i přísadové látky, jejichž složení si každý výrobce pečlivě chrání. Tato aditiva napomáhají tomu, aby olej snáze rozpouštěl a odstraňoval usazeniny v motoru, chránil lépe proti korozi. Určují samozřejmě také teplotní rozsah daného oleje atd. Ideální olej je tedy takový, který okamžitě po startu dokáže maximálně mazat motor a zároveň dokáže i za vysokých teplot vytvářet olejový film na všech potřebných součástech motoru. [10] 43

44 Teoretická část Motocyklové motorové oleje Správné oleje pro mazání čtyřdobých motorů motocyklů jsou sice podobné automobilovým motorovým olejům, ale nejsou stejné. Pro posouzení kvality olejů pro supervýkonné vysokootáčkové motocyklové motory nestačí obvyklé srovnání jejich druhu, viskozity a výkonnosti. Mnozí výrobci proto již vyvinuli speciální oleje, které odpovídají odlišným požadavkům na mazání motocyklových motorů. [15] Moderní motocyklové čtyřdobé motory jsou vysokootáčkové motory s velkým litrovým výkonem, mají malé olejové náplně a navíc mají ve většině případů společnou náplň pro mazání motoru i převodů. Dále se u motocyklů vyskytují konstrukční prvky, které jsou u automobilů naprosto neznámé, například mokrá spojka, mokrá volnoběžka startéru. Tyto skupiny, které běží v lázni motorového oleje, kladou protichůdné požadavky na motorový olej, jehož základním úkolem je snižovat tření, ale na určitých plochách musí být jistá hodnota tření zachována. Z principu je tedy vyloučeno použití moderních automobilových olejů, které jsou za účelem úspory paliva tzv. friction modified, tedy upraveny pro minimalizaci tření. Pro motocyklové motory jsou vyžadována maziva s velkou zatížitelností, vysokou tepelnou stabilitou a dobrou odolností vůči střihovému namáhání. Tento parametr, nezbytný pro spolehlivou funkci a životnost převodovky, představuje odolnost olejového filmu proti jeho přerušení na zubech ozubených kol. Je definován tzv. indexem střihové stability SSI (Shear Stability Index). Jeho nízká hodnota, okolo SSI = 20, označuje výbornou stabilitu. Typický automobilový motorový olej má tuto hodnotu mezi 30 a 50. Naproti tomu špičkový závodní motocyklový olej má SSI = 5, což je naprosto výjimečná hodnota. V minulosti výrobci motorů vyžadovali (a zřídka tak ještě předepisují) použití olejů s nižší viskozitou v zimě a s vyšší viskozitou v létě, kdy viskozita olejů se stoupající teplotou klesá. Zavedení vícerozsahových olejů umožnilo používání stejného oleje po celou sezónu. [15] Negativní vlastností je postupná degradace a ztráta účinnosti způsobená zejména střihovým namáháním, které je v motocyklových pohonných jednotkách velmi výrazné. Na druhé straně, některé syntetické základové oleje (zejména syntetické estery, ale i jiné nové typy syntetických olejů) vykazují přirozené vícerozsahové vlastnosti a aditivaci. Vedle odolnosti proti opotřebení, snižování tření a antikorozních vlastností je kvalita 44

45 Teoretická část vícerozsahového motorového oleje dána také tím, jak si olej svoji viskozitu zachovává během výměnného intervalu. Výrobci motocyklových olejů proto věnovali značný čas a vývojové úsilí, aby jejich vícerozsahové oleje pro čtyřdobé motory motocyklů vykazovaly vynikající vlastnosti stability. [15] Minerální oleje jsou dostačující pro mazání většiny starších motorů i pro nové stroje s nižším měrným výkonem, ale po zavedení kategorie závodních motocyklů superbike v roce 1988 se stal nezbytným naprosto nový přístup k problematice mazání motocyklových motorů. Bylo sice dosaženo značných zlepšení ve vývoji konvenčních olejů na minerální bázi, ale navzdory velkému úsilí autorů receptur nedosahují úrovně ochrany potřebné pro nejnovější vysoce zatěžované motory. Tato omezení způsobuje základní chemické složení těchto produktů. Moderní motory motocyklů potřebují moderní mazání, a to vyžaduje krok k technologii syntetických maziv. Někteří výrobci zde profitují ze svého vývoje syntetických olejů pro letectví, kde bylo nutné zavedení těchto high-tech kapalin daleko dříve než v mazání motorů silničních vozidel. Proto se v jejich sortimentu setkáváme s motocyklovými oleji různých výkonových úrovní od plně syntetických přes oleje na syntetické bázi, polosyntetické, k olejům synteticky posíleným. [15] V recepturách motorových olejů pro čtyřdobé motocykly se vyskytují jako základové oleje jednak syntetické uhlovodíkové oleje (PAO), tak syntetické estery, ale i hydrokrakované minerální oleje (HC). Všechny tyto oleje, posílené vhodnými aditivy, vykazují celou řadu vynikajících vlastností. Mají vynikající mazací vlastnosti a dlouhou životnost, proto výborně chrání všechny součástky proti opotřebení, a to navíc při nízkých i vysokých teplotách. [15] 45

46 Teoretická část Tab. 3 Vlastnosti olejů (převzato z [15]) Během studených startů motoru dochází k nejméně 50 % jeho celkového opotřebení, protože všechny součásti nejsou v této době správně mazány. Při každém odstavení motoru olej stéká do olejové vany a po několika hodinách jsou některé součásti již bez potřebné ochrany. V několika prvních vteřinách po opětovném uvedení do chodu, než je dosažen plný průtok oleje všemi mazanými místy, trpí některé součásti motoru, jako například pístní kroužky, ložiska, vačky a zdvihátka, přímým kontaktem kovových ploch, na kterých dochází k nevratnému poškození povrchu. Také přísady proti opotřebení používané v běžných motorových olejích nedosahují své plné účinnosti, dokud teplota olejového filmu, a tedy celého motoru, není C. Pokud je vozidlo provozováno na krátké vzdálenosti s delšími přestávkami, olej se nezahřeje na provozní teplotu a výsledkem je nadměrné opotřebení například rozvodového mechanismu. Výhodou motorových olejů posílených syntetickými estery nebo přísadami na bázi syntetických esterů je skutečnost, že vytvářejí dlouhodobě trvanlivý ochranný film na všech součástech motoru, které jsou takto chráněny od okamžiku startu. [15] Syntetické estery se vlivem opačné elektrické polarity svých molekul doslova přilepí ke kovovým povrchům součástí motoru, a vytvoří tím odolný, dokonale chránicí film, který na nich zůstává i poté, kdy je motor mimo provoz a olej není dopravován 46

47 Teoretická část na mazaná místa. Velmi významně snižují opotřebení motoru při startu a poskytují vynikající ochranu motoru v celém rozsahu provozních teplot. [15] Mazací okruh čtyřdobého motocyklového motoru Motocykly s dvoudobým motorem se v této práci věnovat nebudu, jelikož u těchto motocyklů se používají úplně jiné oleje, než kterými se v celé práci zabývám. V dobách před 70 lety, kdy ekologie nebyla brána nikterak vážně, byly používány systémy ztrátového mazání. To znamenalo, že z nádrže na olej se čerpal olej ke klikové hřídeli, pak k hlavě válců a dalším potřebným místům a končil na primárním převodu, ze kterého olej zvolna odkapával na zem. Dnes se již používá stálá olejová náplň v klikové skříni (mokrá skříň) nebo v externí nádržce (suchá skříň), kdy bývá využito například rámu (především u motocyklů enduro) nebo je olej i v zadní kyvné vidlici (u motocyklů značky Buell). [18] Zjednodušené schéma mazacího okruhu s mokrou skříní je na obr. 15. Obr. 15 Schéma mazacího okruhu (převzato z [18]) 47

48 Teoretická část Jak je i z obr. 15 patrné, je olej uložen v olejové vaně. Ta má ve svém nejnižším bodě výpustný šroub a může v ní být uloženo i čidlo hladiny, případně čidlo tlaku oleje. Z vany je olej nasáván přes sací koš, ve kterém se zachycují největší nečistoty, do čerpadla, odkud se přes olejový filtr dostává do okruhu. Dříve se používala čerpadla pístová, později zubová a v dnešní době se výhradně používají trochoidní (Eatonova) čerpadla. [18] U klikových hřídelí uložených ve valivých ložiskách se většinou používají zubová olejová čerpadla. Valivá ložiska jsou méně náročná na mazání, než jsou ložiska kluzná. U valivých ložisek se tlak hřídele rovnoměrně rozkládá na množství válečků nebo kuliček, které dohromady zabírají menší plochu vyžadující mazání. Kluzná ložiska potřebují k mazání vysoký tlak, protože olejový film se musí vtlačit mezi pánev ložiska a rotující čep. V takovém případě se právě používají trochoidní (Eatonova) čerpadla, která jsou schopna vyvinout dostatečný tlak i průtok. [26] Eatonovo čerpadlo má dva rotory vnitřní se čtyřmi zuby a vnější se zuby pěti. Aby se firma Harley-Davidson trochu lišila, používá větší počet zubů. Pravidlem však je, aby vnější rotor měl vždy o jeden zub víc. [18] Eatonovo (trochoidní) čerpadlo můžeme vidět na obr. 16. Obr. 16 Eatonovo čerpadlo (převzato z [18]) 48

49 Teoretická část Aby si motorový olej za všech podmínek udržel dostatečnou mazací schopnost a chladicí účinek, nesmí být příliš zahřátý. Většinou postačí, je-li olejová vana chlazena obtékajícím vzduchem. Chladicí účinek může poněkud zvýšit olejová vana z lehké slitiny s chladicími žebry. Teplotně velmi zatěžované motory vyžadují dostatečné chlazení motorového oleje (asi na 85 C ) prostřednictvím chladiče oleje. Rozlišujeme chladiče oleje chlazené kapalinou a vzduchem. Chladiče oleje jsou zpravidla používány u motorů, které jsou více provozně namáhány nebo jsou chlazeny jen vzduchem. Konstrukce chladičů oleje je obdobná jako u chladičů používaných pro chlazení motorů kapalinou. Rozdíl je v tom, že tyto chladiče odolávají většímu tlakovému zatížení, než je tomu při chlazení vodním. Kapalinou chlazené chladiče oleje jsou připojeny na oběh chladiva v motoru. U vzduchem chlazených chladičů je olej chlazen proudem vzduchu. [26] Jak dále [26] uvádí, k čištění oleje u čtyřdobých motorů od nečistot slouží olejový filtr. Bez tohoto filtru by motor rychle podléhal opotřebení. Proto je pravidelná výměna olejového filtru velice důležitá. Filtrační vložky se vyrábějí ze skládaného papíru a ukládají se do odděleného pouzdra na nebo v bloku motoru. Kromě toho se používají jednodílné filtrační patrony (filtrační vložka v plechovém pouzdru), které lze přímo přišroubovat zvnějšku na motor. U olejových filtrů rozlišujeme průtoková a obtoková provedení. U provedení s průtokovým filtrem protéká olejovým filtrem před přivedením k mazaným místům veškerý olej tlačený olejovým čerpadlem. Olejový filtr je pak vybaven přepouštěcím ventilem, který zajišťuje obtok olejového filtru a mazání motoru (avšak nefiltrovaným olejem) v případě ucpání filtrační vložky. Dále je v systému přetlakový ventil, který při příliš vysokém tlaku oleje odvádí část oleje zpět do olejové vany. Příliš vysoký tlak může vzniknout za studena při průtoku hustého oleje potrubím. Dále je ve stoupajícím olejovém vedení jednocestný ventil, který zabraňuje stečení oleje z výše položených mazaných míst zpět do olejové vany po zastavení motoru. Po nastartování motoru je tak zajištěna okamžitá dodávka oleje do potřebných míst. U systémů s obtokovým filtrem protéká olejovým filtrem vždy jen malá část proudu čerpaného oleje, ten se tak čistí pomaleji, ale podle [26] to může mít i své výhody: Olejový filtr může být jemnější a může olej čistit lépe než průtokový filtr a filtrační vložka neklade proudu oleje velký odpor. 49

50 Teoretická část V případě ucpání filtru nedojde k přerušení zásobování motoru olejem, a proto není potřeba přepouštěcího ventilu. Asi jen společnost Yamaha používá hladinové čidlo oleje, které kontroluje výšku (tedy objem) oleje v motoru a při snížení hladiny se rozsvítí kontrolka mazání. Tato kontrolka může probliknout i při studeném motoru, kdy olej nestíhá stékat do vany díky vyšší viskozitě. Ostatní výrobci používají tlakové čidlo umístěné v hlavním mazacím kanálu. Toto čidlo spíná při tlaku nižším než asi 1 bar (1 bar = 10 5 Pa ). Vzhledem k provoznímu tlaku mazacího okruhu 3 6 barů je nutné při rozsvícení kontrolky motor ihned vypnout. Tlak čerpadla je závislý na otáčkách motoru. Horní hranici tlaku hlídá přetlakový ventil, který přebytečný olej přepouští zpět do vany. Kluzná ložiska (klikový hřídel, ojnice, vačkové hřídele) jsou mazány tzv. tlakovým olejem, většina ostatních částí jen ostřikem (válce, vačky, rozvodový řetěz). [18] Olejová náplň v motoru má mít přesně daný objem. Přebytek oleje v motoru zvyšuje tlak v klikové skříni, protože klikový hřídel a vyvažovací zátěž se musí prodírat větší hmotou oleje. Vysoký tlak oleje může poškodit olejová těsnění. Kromě toho může olej při vyšších otáčkách vytékat z odvzdušňovacího potrubí motoru. Pokud je odvzdušnění vyvedeno do vzduchového filtru, jak je často konstruováno u moderních motocyklů, dojde pak k zanesení vzduchové filtrační vložky. Následkem je nedostatečné zásobování motoru vzduchem, z čehož plyne pokles výkonu motoru a zvýšení spotřeby paliva. Pokud do motoru nalijeme opravdu mnoho oleje, bude motor silně kouřit a bude se zahlcovat. Pokud je odvzdušnění motoru vyvedeno mimo, bude olej vytékat ven z motoru a může se stát, že bude oleje v motoru nedostatek. Při nedostatku oleje se urychluje opotřebení motoru a při velkém nedostatku oleje může dojít k vážným a nevratným poškozením. Klikový hřídel rozpění malou náplň v olejové vaně, čímž vznikají v oleji vzduchové bublinky, a tyto pak snižují mazací účinek oleje. Následkem je nedostatečné mazání a přehřívání ložisek, pístů a stěn válců. Motorový olej se příliš zahřívá a ztrácí své mazací schopnosti, které má při ideální provozní teplotě. Dochází k narušení molekulových řetězců aditiv obsažených v oleji, což má negativní vliv na mazací vlastnosti oleje. [26] Čtyřdobé motocyklové motory mají měrný výkon ( kw na litr objemu válců) výrazně větší než u typického automobilového motoru. Objem olejové náplně 50

51 Teoretická část motocyklového motoru je zpravidla menší než u automobilového. Navíc u motocyklů ve většině případů motorový olej maže také vysokootáčkovou převodovku. [26] Stav a spotřeba motorového oleje jsou důležitými ukazateli stavu motoru. Vysoká spotřeba oleje je obvykle následkem velkého opotřebení motoru. Vizuálně je rozpoznatelná podle namodralého výfukového dýmu, především při volnoběhu motoru bez přidaného plynu. Jak je uvedeno v [26], jsou nejčastější příčiny vysoké spotřeby oleje: vysoké opotřebení třecích ploch válců, respektive vložek válců, opotřebované nebo popraskané pístní kroužky, vadné těsnění hlavy válce, opotřebovaný dřík ventilu. 51

52 Cíle práce 3 CÍLE PRÁCE Reologie je velice cenným a účinným nástrojem k popisu chování a hodnocení kvality motorových olejů. Jednou z nejvýznamnějších vlastností většiny motorových olejů je viskozita, a zvláště pak její závislost na okolním prostředí (nejčastěji teplota). Na hodnocení tohoto jevu je tato diplomová práce především zaměřena. Popis a znalost teplotní závislosti kinematické viskozity motorových olejů jsou totiž velmi významné, a to zvláště při hodnocení provozní účinnosti spalovacích motorů. Práce si klade za cíl vyhodnocení a popis reologického profilu šesti vybraných komerčně prodávaných motocyklových motorových olejů. Čtyři vzorky motorového oleje jsou syntetické a dva jsou polosyntetické. Byly vybrány motocyklové oleje s nejpoužívanějším viskozitním indexem 10W40. U všech šesti výrobků je hlavním úkolem určit závislost viskozity na teplotě, a to v rozmezí od -5 C do +115 C, pomocí rotačního viskozimetru Anton Paar DV3-P. Doplňujicí částí k předchozím měřením je měření dvou vzorků použitého motocyklového motorového oleje. První vzorek byl použit při zajíždění motocyklového motoru po výbrusu (najeto 650 km ) a druhý byl použit v motoru silničního sportovního motocyklu a vypuštěn byl po běžně užívaném intervalu výměny po 6200 km provozu. Dalším cílem práce je sestavení matematických modelů teplotní závislosti viskozity. Tyto modely mohou být použity pro popis a predikci tokového chování motorových olejů. Cílem této práce je i porovnání mikroskopických fotografií jednoho ze šesti vzorků nepoužitých (nových) motocyklových motorových olejů se dvěma vzorky použitého motocyklového motorového oleje stejného výrobce a typu (všechny 3 vzorky jsou od francouzského výrobce Motul). 52

53 Materiál a metody zpracování 4 MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ V této kapitole je sestaven podrobný popis použitého materiálu, měřicích přístrojů a rovněž popis a postup jednotlivých měření. 4.1 Nepoužitý motocyklový motorový olej V první části měření reologických vlastností motocyklového motorového oleje bylo použito šest komerčně prodávaných motocyklových olejů. Čtyři oleje jsou syntetické a dva oleje jsou polosyntetické. Tyto oleje jsou běžně dostupné v síti motocyklových prodejen nebo ve specializovaných prodejnách s oleji a mazivy. K měření byly vybrány motocyklové oleje s nejpoužívanějším viskozitním indexem 10W40. Oleje byly zakoupeny nové a nepoužité a v originálních obalech s objemem jeden litr. Chování použitých olejů předpokládáme za odlišné od těch nepoužitých, o čemž se můžeme více dozvědět v následujicí kapitole a v [11]. Podrobný popis olejů je vytvořen v tab. 4. Tab. 4 Vybrané nové motocyklové motorové oleje číslo vzorku typ oleje označení výrobce viskozitní index země původu 1 syntetický Moto 4T Off Road Repsol 10W40 Španělsko 2 syntetický Motex 4T X Chevron 10W40 Belgie 3 syntetický Silkolene Comp 4 Fuchs 10W40 Velká Británie 4 syntetický 5100 Ester 4T Motul 10W40 Francie 5 polosyntetický Power 1 GPS Castrol 10W40 Evropská unie 6 polosyntetický DuraBlend 4T Valvoline 10W40 Nizozemsko Podle [16] předpokládáme, že motorový olej vykazuje známky chování newtonských kapalin, proto nebyly nutné přípravy vzorků olejů. Ačkoli předpokládáme, že se motorový olej chová jako newtonská kapalina, může se po přidání různých doporučovaných přísad (aditiv) svým chováním od newtonských kapalin lišit, jak je popsáno v [24]. 53

54 Materiál a metody zpracování 4.2 Použitý motocyklový motorový olej V druhém měření reologických vlastností byly použity motocyklové motorové oleje použité. Byly měřeny dva vzorky použitých olejů, a to stejné značky. Jednalo se o oleje značky Motul, jehož nepoužitý vzorek byl měřen i v prvním měření. Oba vzorky jsou uvedeny v tab. 5. Tab. 5 Vybrané použité motocyklové motorové oleje číslo vzorku typ oleje označení výrobce viskozitní index země původu najeto, km 7 syntetický 5100 Ester 4T Motul 10W40 Francie syntetický 5100 Ester 4T Motul 10W40 Francie 6200 použití zajíždění motoru běžné užití Prvním vzorkem použitého motocyklového oleje (číslo vzorku 7) je olej, který byl použit při zajíždění motocyklového motoru po výbrusu válce. Byl vypuštěn z motoru motocyklu Yamaha SR 125 (obr. 17), což je malý chopper s jednoválcovým vzduchem a olejem chlazeným motorem o objemu 125 8,8 kw. Olej byl vypuštěn po zajetí motoru, přesněji po 650 km. 3 cm s maximálním výkonem U zajíždění motocyklových motorů je doporučován maximální interval první výměny oleje asi km, jelikož jsou při zajíždění motocyklového motoru nároky kladené na olej velmi vysoké. Další výměny oleje jsou již dle uživatelské příručky asi 6000 km. 54

55 Materiál a metody zpracování Obr. 17 Yamaha SR 125 (převzato z [32]) Druhým vzorkem použitého motocyklového oleje (číslo vzorku 8) je motorový olej, který byl vypuštěn po uplynutí běžně udávaného intervalu výměny. Přesně po 6200 km. Tento olej byl vypuštěn ze čtyřválcového motoru o objemu 750 motocyklu Suzuki GSX-R 750 SRAD (obr. 18). Jedná se o vodou a olejem chlazený motor s maximálním výkonem 99 kw. Tento motocykl patří do kategorie silničních sportovních motocyklů. 3 cm 55

56 Materiál a metody zpracování Obr. 18 Suzuki GSX-R 750 SRAD (převzato z [23]) 4.3 Měření viskozity motocyklových motorových olejů Měření reologických vlastností (viskozity) motocyklových motorových olejů bylo provedeno na rotačním viskozimetru Anton Paar DV 3P (rakouský výrobce), který měří kroutící moment rotujícího vřetena ponořeného do vzorku. Tento viskozimetr pracuje na principu měření krouticí síly nutné k překonání odporu u rotujícího válce nebo disku ponořeného v měřeném materiálu. Rotující válec nebo vřeteno jsou propojeny přes pružinu s hřídelí motoru, který se točí definovanou rychlostí. Úhel pootočení hřídele je měřen elektronicky a poskytuje přesnou informaci o poloze hřídele, potažmo vřetene. Z měřených hodnot je na základě interních výpočtů přímo zobrazena hodnota dynamické viskozity v [ mpa. s]. Pro kapaliny konstantní viskozity odpor vůči pohybu roste s velikostí vřetena. Rozsah měření pro stanovení reologických vlastností materiálu může být přizpůsoben zvolením vhodné kombinace vřetene a rychlosti otáčení. Pro získání relevantních výsledků měření je nezbytné znát nejdůležitější reologické vlastnosti vzorku. Je tedy třeba vyhodnotit, o jaký typ materiálu se jedná a správně jej klasifikovat. [19] 56

57 Materiál a metody zpracování Na obr. 19 je fotografie použitého rotačního viskozimetru Anton Paar DV3-P a na obr. 20 je schematické znázornění měřícího zařízení. Obr. 19 Rotační viskozimetr Anton Paar DV3-P (převzato z [19]) 57

58 Materiál a metody zpracování Obr. 20 Schematické znázornění mechanismu měření (převzato z [19]) Technické údaje použitého přístroje: Rozsahy měření pro standardní vřetena: DV 3P L: 15 *) do mpa.s = 15 **) do mpa.s DV 3P R: 100 *) do mpa.s = 100 **) do mpa.s DV 3P H: 0,16 **) do Pa.s = 1,6 *) do mpa.s *) omezeno vlivem turbulence, **) pro měření odpovídající 10 % plného rozsahu 58

59 Materiál a metody zpracování Rozlišení: pro adaptér nízká viskozita : 0,01 viskozita < mpa.s: 0,1 viskozita > mpa.s: 1 Přesnost: +/- 1 % z plného rozsahu Opakovatelnost: +/- 0,2 % z plného rozsahu Hodnoty momentu (plné zatížení): DV 3P L: 0,07 mn.m DV 3P R: 0,7 mn.m DV 3P H: 5,8 mn.m Teplota místnosti: C Vlhkost: max. 80 % RH do 31 C max. 50 % RH do 40 C Teplotní senzor Pt 100: rozsah: C rozlišení: 0,1 C přesnost: +/- 0,25 C opakovatelnost: +/- 0,1 C Výstupy: RS 232 zapisovač 1 kanál 0 V do 5 V DC vstup 59

60 Materiál a metody zpracování přesnost nejméně 1 % z plného rozsahu Rozměry (d x š x v): 350 x 300 x 500 mm Materiál vřeten: AISI 316 nerez ocel K měření bylo použito standardizované vřeteno s označením R3. Toto vřeteno je nejvíce vhodné pro kapaliny podobných vlastností, jako má motocyklový motorový olej. Na rotačním viskozimetru jsme nastavili předem změřenou hustotu vzorku motocyklového motorového oleje. Dále jsme nastavili počet otáček vřetena na 50 za minutu a nakonec ještě zvolili vzorkovací frekvenci. Do kyvety jsme odměřili 250 ml měřeného vzorku motocyklového oleje zchlazeného na -5 C. Tuto kyvetu se vzorkem jsme umístili do měřicího prostoru rotačního viskozimetru a vložili do ní měřicí vřeteno (R3), nakalibrovaný teplotní senzor Pt 100 a spustili měření kinematické viskozity. Kinematická viskozita je poměr viskozity dynamické a hustoty měřeného vzorku: η ν =, (25) ρ kde ( ν ) je kinematická viskozita, ( η ) je dynamická viskozita a ( ρ ) je hustota. V systému SI má kinematická viskozita jednotku [ m ] 2. s 1 Stoke [ St ], kdy 1 Stoke odpovídá 1 cm 2. s 1. [21]. Také se používá jednotka Měření bylo prováděno v teplotním rozsahu od -5 C do asi +115 C. 4.4 Matematický model Matematický model byl vytvořen pomocí softwaru MATLAB v (R14) Service Pack 3, Curve fitting application (The MathWorks, Inc., 60

61 Materiál a metody zpracování USA). Dalším softwarem, pomocí něhož byl vytvořen matematický model, byl Microsoft Excel 2002 ( ) Service Pack 3. koeficientu Přesnost (vhodnost) proložených funkcí byla určována pomocí korelačního 2 R, stupeň významnosti (p < 0.05). [21] 4.5 Mikroskopické snímky motocyklového motorového oleje K mikroskopickému fotografování byly vybrány vzorky olejů od francouzské firmy Motul, a to vzorky nepoužitého oleje i oleje použitého. Z použitých olejů byly vzaty oba vzorky olejů, tedy tzv. vyjetého i tzv. zajížděcího oleje. K získání mikroskopických snímků byl použit mikroskop Olympus BX51 s digitální kamerou DP70 (Olympus Optical Co., Ltd., Japan). Obr. 21 Mikroskop Olympus BX51 (převzato z [17]) 61

62 Výsledky a diskuze 5 VÝSLEDKY A DISKUZE V této kapitole jsou prezentovány výsledky měření seřazené do přehledných tabulek a jsou zde i vyhotovené grafy. K výsledkům je připojena i diskuze. 5.1 Nepoužitý motocyklový motorový olej Toto měření bylo provedeno se šesti vzorky nepoužitého (nového) motocyklového motorového oleje (viz kapitola Materiál a metody zpracování). Nejprve byla uvažována a měřena závislost kinematické viskozity na teplotě u šesti různých syntetických a polosyntetických olejů. Naměřené hodnoty jsou znázorněny na obr. 22, kde lze vidět přehled teplotních závislostí jednotlivých motocyklových motorových olejů. Obr. 22 Teplotní závislost olejů (převzato z [21]) 62

63 Výsledky a diskuze Na dalším obrázku (obr. 23) je znázorněna kinematická viskozita v závislosti na teplotě a hustotě. Obr. 23 Závislost viskozity na teplotě a hustotě olejů (převzato z [21]) Z grafu na obr. 23 je zřejmé, že u měřených motocyklových motorových olejů není závislost kinematické viskozity na hustotě. Tento jev můžeme částečně vysvětlit různým chemickým složením jednotlivých olejů. Zatímco závislost kinematické viskozity na hustotě nebyla měřením prokázána, závislost viskozity (kinematické i dynamické) na teplotě je vysoká. Pro smysluplné porovnání musíme vybrat srovnávací teplotu. Podle normy ISO 8217 je srovnávací teplota pro různé kapaliny 100 C. Pro předestilované kapaliny je srovnávací teplota 40 C. V tab. 6 je vytvořen podrobný přehled kinematických viskozit a hustoty jednotlivých motocyklových motorových olejů při srovnávací teplotě 40 C. [21] Tab. 6 Přehled kinematických viskozit a hustot nepoužitých olejů (převzato z [21]) číslo vzorku oleje: ν (mm 2.s -1 ) ρ (kg.m -3 )

64 Výsledky a diskuze Klesání viskozity olejů se stoupající teplotou bylo očekávané a ztotožňuje se i se závěry v literatuře [8] a [12]. Je zřejmé, že teplotní závislost je velmi vzdálená závislosti lineární. Jedním z důvodů je jistě účinek chemických procesů probíhajících při zahřívání v oleji. Vliv teploty na kinematickou viskozitu oleje může být dobře matematicky modelován. Matematické modelování poskytuje prostředky reprezentující jisté množství reologických dat v rámci jednoduchého matematického výrazu. Je spousta přijatelných tvarů rovnic vhodných k modelování určitých situací, ale jeden matematický model vhodný pro všechny situace neexistuje [22]. Závislost kinematické viskozity na teplotě může být modelována například pomocí Voglova vztahu: T 1 T + T 2 ν = z e, (26) kde ( ν ) je kinematická viskozita, ( z ) je hustota oleje, ( ) T je celková teplota teplotněviskozitní závislosti, ( T 2 ) je spodní hranice teploty související s přechodem tepla soustavy kyveta-olej a ( T ) je teplota měřeného oleje. Při rostoucí teplotě ( T ) se zvyšuje i kinematická viskozita pro danou teplotu, kdežto vzrůstající teplota ( T 2 ) má opačný účinek. Pro malé teploty ( T 1 ) nebo vysoké teploty ( T 2 ) se může stát viskozita nezávislou na teplotě [24]. Při použití Voglova vztahu byla mezi naměřenými 2 a vypočítanými hodnotami zjištěna korelace R = 0,92 ± 0, 04 (pro všechny měřené oleje). [21] Vliv teploty na viskozitu newtonských kapalin (včetně motorových olejů) můžeme také vyjádřit pomocí Arhéniova vztahu, který zahrnuje celkovou teplotu ( T ), univerzální plynovou konstantu ( R ) a aktivační energii pro viskozitu ( ) 1 E : a 1 Ea ν = f ( T ) = A.exp, (27) R. T 64

65 Výsledky a diskuze kde jsou hodnoty ( A ) a ( E ) stanoveny experimentálně. Vyšší hodnoty ( ) a E ukazují na rychlejší změny viskozity v závislosti na teplotě. Vzhledem k neznámé viskozitě ( ν ), při libovolné teplotě ( T ), při referenční viskozitě ( ν ) a při referenční teplotě ( T ) nemusíme uvažovat konstantu ( A ). Potom nám vyplyne rovnice zapsaná v logaritmickém tvaru: r a r ν ln ν r = Ea 1 1 R T Tr. (28) Takový nebo podobný přístup byl použit pro popis závislosti viskozity na teplotě newtonských kapalin u mnoha autorů (například [5], [9], [20]). Při použití Arhéniova vztahu byla mezi naměřenými a vypočítanými hodnotami zjištěna korelace 2 R = 0,96 ± 0,08 (pro všechny měřené oleje). Velmi vysokých přesností korelace mezi naměřenými a vypočítanými hodnotami bylo dosaženo při použití Gaussova nebo polynomického modelu. 2 Příznivého výsledku korelace R = 0,993 ± 0, 007 (pro všechny měřené oleje) bylo dosaženo u polynomu 6. stupně. Jak můžeme vidět v [21], bylo dosaženo ještě vyšší 2 přesnosti korelace R = 0,9993 ± 0, 003 (pro všechny měřené oleje) pomocí Gaussova modelu a při použití vztahu: 2 2 x b1 x b4 a exp... a4 exp. (29) c1 c4 Příklad polynomické a Gaussovy aproximace můžeme vidět na obr. 24, kde bylo použito naměřených hodnot pro vzorek oleje č.3. 65

66 Výsledky a diskuze Obr. 24 Naměřené hodnoty a matematický model pro olej č. 3 (převzato z [21]) Obdobné matematické vztahy byly použity mnohými autory (například [13], [25]) k popsání teplotní závislosti reologických vlastností různých materiálů. Popis závislosti viskozity na teplotě, především klesání viskozity s rostoucí teplotou, byl ve výše uvedených publikacích a studiích obdobný. Můžeme tedy říci, že viskozita motorového oleje je funkcí teploty. Znalost tohoto chování má velký význam, obzvláště s ohledem na efektivnost a výkon spalovacího motoru. Viskozita ovlivňuje tekutost oleje, což má vliv i na hnací sílu motoru, a také na tlak oleje v olejové náplni spalovacího motoru. Tekutost oleje je i důležitým faktorem ovlivňujícím délku životnosti motoru. Dříve byla u motorových olejů viskozita a s ní související tekutost sledována především s ohledem na schopnost dobrého mazaní třecích ploch v motoru a schopnost dobrého odvádění tepla a nečistot v motorovém prostoru. S velkým vzestupem regulace a řízení motoru (především přesné seřízení zapalování) se klade i mnohem větší důraz na znalost viskozitního chování 66

67 Výsledky a diskuze motorového oleje [1]. Vzestupem regulace a řízení motoru je chápáno například řízení vačkového hřídele, aktivní palivové řízení a dvoufázové ovládání ventilů. Jedná se o velmi přesná zařízení, která potřebují stálý přísun tzv. tlakového oleje (tj. olej, který je přiváděn pod určitým tlakem), který umožňuje hydraulické ovládání součástí v motoru. Proto je jejich funkce velice citlivá na viskozitu motorového oleje. [21] 5.2 Použitý motocyklový motorový olej K měření použitého motocyklového motorového oleje byly použity dva vzorky olejů. V obou případech byl použit olej od francouzského výrobce Motul (více o vzorcích použitých olejů je v kapitole Materiál a metody zpracování). Pro smysluplné porovnání musíme opět vybrat srovnávací teplotu. Podle normy ISO 8217 je srovnávací teplota pro různé kapaliny 100 C. Pro předestilované kapaliny je srovnávací teplota 40 C. V tab. 7 je vytvořen podrobný přehled kinematických viskozit a hustoty jednotlivých použitých motocyklových motorových olejů při srovnávací teplotě 40 C. [21] Tab. 7 Přehled kinematických viskozit a hustot použitých olejů číslo vzorku oleje: 7 8 ν (mm 2.s -1 ) ρ (kg.m -3 ) Porovnáme-li tyto dva vzorky použitého oleje se vzorkem nepoužitým, jehož vlastnosti jsou uvedeny v tab. 6, můžeme vidět, že hustoty vzorků jsou podobné, kdežto kinematické viskozity u použitých olejů jsou o poznání menší Motocyklový motorový olej použitý k běžnému provozu motoru motocyklu (tzv. vyjetý olej) První použitou metodou k zjištění korelace mezi hodnotami naměřenými a vypočítanými je pro tzv. vyjetý motocyklový motorový olej metoda Gaussova. 67

68 Výsledky a diskuze U vzorku tzv. vyjetého oleje byla pomocí Gaussova modelu zjištěna korelace R 2 = 0,9983 při použití vztahu: 2 2 x b 1 x b5 a exp... a5 exp. (30) c1 c5 Na obr. 25 je znázorněno prostředí programu MATLAB při zjišťování korelace pomocí metody výpočtu Gaussova proložení. Obr. 25 Prostředí programu MATLAB Další metodou k zjištění korelace mezi hodnotami naměřenými a vypočítanými je pro tzv. vyjetý motocyklový motorový olej metoda exponenciální. U vzorku 68