MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DISERTAČNÍ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DISERTAČNÍ PRÁCE BRNO 2013 VOJTĚCH KUMBÁR

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Reologický profil motorového oleje používaného ve čtyřdobých pístových motorech Disertační práce Vedoucí práce: doc. RNDr. Stanislav Bartoň, CSc. Vypracoval: Ing. Vojtěch Kumbár Brno 2013

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem disertační práci na téma Reologický profil motorového oleje používaného ve čtyřdobých pístových motorech vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu použité literatury. Disertační práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího disertační práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne podpis doktoranda.

4 PODĚKOVÁNÍ Velké poděkování patří tragicky zesnulému původnímu školiteli doc. Ing. Liboru Severovi, Ph.D., se kterým bylo téma této disertační práce navrženo, vytvořeno zadání a rozpracováno mnoho experimentů, které jsou této disertační práce součástí. Děkuji rovněž svému současnému školiteli doc. RNDr. Stanislavu Bartoňovi, CSc. za metodické vedení, cenné rady a věcné připomínky, které mi poskytl při zpracování této disertační práce. Dále děkuji spolupracovníkům z Ústavu techniky a automobilové dopravy (MENDELU) i všem ostatním, kteří mi pomáhali se získáváním vzorků upotřebeného motorového oleje. Zpracovaná disertační práce byla finančně podpořena z prostředků specifického vysokoškolského výzkumu prostřednictvím projektů IGA AF č. IP14/2011 a č. IP22/2012.

5 ABSTRAKT KUMBÁR, V.: Reologický profil motorového oleje používaného ve čtyřdobých pístových motorech. Tato disertační práce popisuje reologické a tokové chování motorového oleje používaného ve čtyřdobých pístových motorech. K experimentům byly vybrány motorové oleje používané v motocyklech, v automobilech a v zemědělské technice. Byly odebírány vzorky upotřebeného motorového oleje, které byly dále analyzovány. Měřena byla časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí motorového oleje, smykové napětí v závislosti na smykové rychlosti motorového oleje, teplotní závislost hustoty motorového oleje a teplotní závislost dynamické a kinematické viskozity motorového oleje. K zjištění stavu degradace motorového oleje byly naměřené výsledky upotřebeného motorového oleje porovnány s naměřenými výsledky nepoužitého (nového) motorového oleje stejné značky a specifikace. K naměřeným výsledkům byly následně sestaveny matematické modely. Mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami byly zjišťovány a hodnoceny korelační koeficienty a koeficienty determinace. Vytvořené matematické modely mohou sloužit k predikci chování motorových olejů a kapalin podobných vlastností. Klíčová slova: viskozita, hustota, smykové napětí, časová závislost, motorový olej, matematický model

6 ABSTRACT KUMBÁR, V.: Rheological profile of engine oil used in four-stroke piston engines. This dissertation deals with rheological and flow behavior of engine oil used in four-stroke piston engines. Experiments were performed using some selected oils used in motorcycles, cars and agricultural machinery. Samples of used oil were collected and analyzed. The following parameters were measured: time-dependence of dynamic viscosity and shear stress of engine oils, the dependence of shear stress on the shear rate of engine oil, temperature dependence of engine oil density and temperature dependence of dynamic and kinematic viscosity of engine oil. To evaluate the degree of degradation of analyzed engine oils, the measured results were compared with data concerning new, (non-used) motor oil of the same trademark and specification. Thereafter, mathematical models were elaborated using the results obtained in individual measurements. Correlation coefficients and coefficients of determination existing between measured and calculated values were calculated and evaluated. Elaborated mathematical models can be used when predicting the behavior of engine oils and liquids with similar rheological characteristics. Keywords: viscosity, density, shear stress, time dependence, engine oil, mathematical model

7 OBSAH 1 ÚVOD LITERÁRNÍ PŘEHLED REOLOGIE Zrod reologie Význam reologie v mechanice kontinua Aplikace reologie Reologie kapalin Newtonské kapaliny Ne-newtonské kapaliny Reometrie Reometrické metody Pádové (tělískové) viskozimetry Kapilární viskozimetry Výtokové viskozimetry Rotační viskozimetry MAZIVA Základy tribologie a tribotechniky Základní vlastnosti mazacích olejů Motorové oleje Složení motorových olejů Viskozita a viskozitní třída motorových olejů Výkonnostní třída motorových olejů Motocyklové motorové oleje Automobilové motorové oleje Motorové oleje pro zemědělské stoje a univerzální traktorové oleje ČTYŘDOBÝ PÍSTOVÝ SPALOVACÍ MOTOR Způsob činnosti čtyřdobého pístového spalovacího motoru Základní konstrukční koncepce čtyřdobých pístových spalovacích motorů Mazání motoru Tlakové oběžné mazání Olejová čerpadla... 68

8 Čističe oleje Možné závady mazací soustavy CÍLE PRÁCE MATERIÁL A METODIKA POUŽITÉ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE Rotační viskozimetr Technické údaje použitého přístroje Anton Paar DV 3P Postup měření reologických a tokových vlastností motorového oleje Postup měření teplotní závislosti dynamické a kinematické viskozity motorového oleje Digitální hustoměr Technické údaje použitého přístroje Densito 30 PX: Postup měření teplotní závislosti hustoty motorového oleje MOTOROVÉ OLEJE Motocyklový motorový olej Automobilový motorový olej Motorový olej pro zemědělské a stavební stroje MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ VÝSLEDKY A DISKUZE MOTOCYKLOVÝ MOTOROVÝ OLEJ Časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí motocyklového motorového oleje Smykové napětí motocyklového motorového oleje Dynamická a kinematická viskozita motocyklového motorového oleje Teplotní závislost nového (nepoužitého) motocyklového motorového oleje Teplotní závislost nového, částečně upotřebeného a zcela upotřebeného motocyklového motorového oleje AUTOMOBILOVÝ MOTOROVÝ OLEJ Časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí automobilového motorového oleje Smykové napětí automobilového motorového oleje

9 5.2.3 Průběžné sledování smykového napětí a kinematické viskozity automobilového motorového oleje Hustota, kinematická viskozita a smykové napětí nových automobilových motorových olejů Teplotní závislost hustoty a dynamické viskozity automobilového motorového oleje MOTOROVÝ OLEJ PRO ZEMĚDĚLSKÉ A STAVEBNÍ STROJE Časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí motorového oleje pro zemědělské stroje Smykové napětí motorového oleje pro zemědělské stroje Teplotní závislost dynamické viskozity motorového oleje pro zemědělské stroje ZÁVĚR MOTOCYKLOVÝ MOTOROVÝ OLEJ AUTOMOBILOVÝ MOTOROVÝ OLEJ MOTOROVÝ OLEJ PRO ZEMĚDĚLSKÉ STROJE SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK

10 1 ÚVOD Tato disertační práce je dle logiky vědeckých prací rozdělena na teoretickou část a část praktickou výzkumnou. Součástí teoretické části práce je rozsáhlý literární přehled významné české a zahraniční literatury zabývající se problematikou reologie, maziv (především motorové oleje) a čtyřdobých pístových motorů. 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 a dynamické viskozity motorového oleje na teplotě, na čase, na míře upotřebení a na míře degradace. Popis a znalost teplotní závislosti kinematické a dynamické viskozity motorových olejů jsou velmi významné, a to zvláště při hodnocení provozní účinnosti spalovacích motorů. I znalost závislosti kinematické a dynamické viskozity na míře upotřebení a míře degradace je významné pro hodnocení optimálnosti délky intervalu výměny motorového oleje. K experimentům byly vybrány vzorky často užívaných motorových olejů, a to olejů nepoužitých (nových), olejů částečně i zcela upotřebených. Vzorky nepoužitých motorových olejů byly vybrány mezi běžně prodávanými oleji vyrobenými především v Evropské unii. Částečně a zcela upotřebené motorové oleje byly odebrány z motorů motocyklů, osobních automobilů, traktorů, sklízecí řezačky a sklízecí mlátičky. K měření reologických a tokových vlastností byl použit rotační viskozimetr Anton Paar DV3-P. K měření hustoty (měrné hmotnosti) byl použit digitální hustoměr Mettler Toledo Densito 30 PX. Získaná data byla dále modelována pomocí několika matematických modelů v programech Matlab, Microsoft Excel, Statistica a Maple. Mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami byly následně zjišťovány a hodnoceny koeficienty lineární 10

11 korelace R a koeficienty determinace R 2. K matematickému modelování byly použity vybrané vztahy a funkce Vogelův vztah, Arrhéniův vztah, Gaussův vztah, exponenciální funkce, lineární funkce, mocninná funkce, nelineární lomená funkce a také polynomy vyšších stupňů. Vytvořené matematické modely mohou sloužit k predikci chování motorových olejů a kapalin podobných vlastností. 11

12 2 LITERÁRNÍ PŘEHLED 2.1 Reologie V úvodu této kapitoly je nutno podotknout, že je několik pohledů, jak na reologii pohlížet. Je to především z důvodu interdisciplinárního použití této vědecké disciplíny. V této kapitole bude nahlíženo na reologii především s ohledem na výzkum vazkých (newtonských) tekutin Zrod reologie Zrod reologie jako samostatné vědní disciplíny je popsán v publikaci (Raab, 2004), ve které je uvedeno, že zrod reologie byl na spadnutí už od počátku dvacátých let minulého století. Mnoho teoretických fyziků v oblasti mechaniky kontinua, odborníků v mechanice a hydrodynamice i praktických stavebních inženýrů si uvědomovalo, že průběh časově závislých deformací v nejrůznějších materiálech lze popsat prakticky stejným matematickým aparátem. Ukazuje se, že specialisté z různých oblastí nauky o materiálech včetně hydrodynamiky si tak mohou pomocí matematických rovnic nebo názorných teoretických modelů dobře rozumět. Příslušnou užitečnou mezioborovou vědu nakonec založili v roce 1928 společně chemik E. C. Bingham 1 a stavební inženýr M. Reiner 2. Když tito dva badatelé hledali pro novou, právě narozenou vědu jméno, vzpomněli si na slavné zvolání starořeckého filozofa Herakleita 3 Panta rhei!, neboli 1 Eugene Cook Bingham ( ) byl profesorem a vedoucím na ústavu chemie na Lafayettské Univerzitě. Zakladatel a průkopník v reologii. Za vynález variabilního tlakového viskozimetru mu byl v roce 1921 udělen certifikát Franklinova institutu. Tzv. Binghamské tekutiny jsou pojmenovány právě po něm. Od roku 1948 je Společností pro reologii (USA) udělována každoročně Binghamova medaile. Jako předseda Společnosti amerických chemiků intenzivně prosazoval, aby byl zaveden v USA metrický systém. (Wikipedia, 2013a) 2 Markus Reiner ( ) byl izraelský vědec a jedna z hlavních osob reologie. V roce 1958 mu byla udělena Izraelská cena. Ta je udílena od roku 1953 a patří mezi nejvyšší izraelská státní vyznamenání. Reiner nebyl pouze klíčovou postavou reologie, ale společně s Eugenem C. Binghamem tento termín zavedl a založil vědeckou společnost pro studium v rámci reologie. Kromě termínu reologie a svých publikací je znám pro Buckingham-Reinerovu rovnici, Reiner-Riwlinovu rovnici a Debořino číslo. (Dürrenmatt, 1963) a (Wikipedia, 2013b) 3 Hérakleitos z Efesu, (cca 540 př. n. l. 480 př. n. l.) byl řecký předsókratovský filosof (respektive myslitel, který byl později v době, kdy už filosofická tradice existovala zpětně označen za filosofa), rodák z Efesu, města na západním pobřeží Malé Asie, kde se dnes rozkládá Turecko. O jeho životě 12

13 Vše plyne. Řecké slovo rhein znamená téci a reologie je tedy nauka o toku a plynutí, přesněji řečeno, je to věda o časově závislých tokových a deformačních procesech v různých materiálech. Předmětem nauky o toku neboli reologie jsou tedy různé kapaliny, ale také mnoho materiálů, které tvoří přechod mezi pevnými látkami a kapalinami. Takových substancí je překvapivě mnoho. Za určitých okolností totiž prakticky všechny materiály tečou. Mezi tyto okolnosti patří především čas. Ve starozákonním zpěvu prorokyně Debory 4 se vyskytuje verš skály tekly před Hospodinem. Podle tohoto Debořina zpěvu bylo v reologii zavedeno takzvané Debořino číslo:. (1) Přitom t rel je relaxační doba daného materiálu, která charakterizuje rychlost molekulárních přeskupení. Je velice krátká pro tekutou vodu a velmi dlouhá pro tvrdou žulu. Veličina t obs je doba pozorování. Čím menší je Debořino číslo, tím tekutější se jeví daný materiál. Skutečně, pro Hospodina, jehož pozorovací doba může být nekonečně dlouhá, tečou i skály. A také naopak, na samém počátku podmořské exploze se i voda může jevit jako velmi tvrdý a tuhý materiál. Více o zrodu reologie je popsáno v publikaci (Barnes a kol., 1998), kde je tento zrod datován již od roku Toho roku Robert Hooke 5 zformuloval svoji True Theory of Elasticity, do českého jazyka překládanou jako Teorie pružnosti. a osobnosti je známo jen velmi málo a velká část informací je pravděpodobně smyšlená. Z Hérakleitova učení je pro moderního člověka největší inspirací učení o změně jako podstatném rysu vesmíru ( Nevstoupíš dvakrát do téže řeky ), učení o logu, nejčastěji vykládaném jako rozum řídící svět, a přesvědčení o významu, jednotě a síle protikladů ( Cesta nahoru-dolů, jedna a táž, Nemoc činí zdraví příjemným a dobrým, hlad nasycení, námaha odpočinek. ). (Wikipedia, 2013c) 4 Debora (ekumenická Bible Debóra) je biblická prorokyně a žena, vyvolená Hospodinem, aby soudila Izrael po soudci Ehúdovi. (Wikipedia, 2013d) 5 Robert Hooke ( ) byl anglický tzv. renesanční muž, jehož záběr byl ohromný. Známý je jeho fyzikální zákon (Hookeův zákon) o přímé úměrnosti velikosti deformace a napětí v deformovaném tělese. Je mu přisuzováno zavedení biologického pojmu buňka, pro svá pozorování používal jednoduchý mikroskop, který dále zdokonalil Anton van Leeuwenhoek, jež bývá považován za zakladatele mikrobiologie. Mezi Hookovy vynálezy patří: anemometr, teploměr, univerzální kloub, vodováha, irisová clona, zaměřovací kříž u dalekohledu. Byl také architektem a po požáru Londýna v roce 1666 vypracoval velké množství plánů na obnovení města. Zajímal se rovněž o astronomii, 13

14 Dalším významným milníkem zrodu reologie popisuje Barnes a kol. (1998) rok 1687, tedy rok kdy Isaac Newton 6 přichází se svou velmi významnou publikací Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, do českého jazyka překládanou jako Matematické principy přírodní filozofie, ve které je uvedeno velmi podobné schéma, jako je na Obrázku 1. Vztah mezi Newtonem a Hookem byl velmi chladný. Některá Hookeova prvenství jsou někdy připisována Newtonovi nebo jsou po Newtonovi pojmenována. Jako zajímavost o reologii uvádí Barne a kol. (1998) početné záměny v textech anglických slov Rheology a Theology (platí i pro české překlady Reologie a Teologie ), kdy se u dnešních klávesnic s tzv. QWERTY rozložením znaků (i pro české normované (ČSN ) rozložení znaků tzv. QWERTZ) nacházejí písmena R a T hned vedle sebe. Tento překlep ve většině případů nerozená ani kontrola pravopisu a gramatiky v textových editorech Význam reologie v mechanice kontinua Kontinuum je podle (Batry, 2006) třeba chápat jako prostředí, které je považováno za spojité či souvislé, s odhlédnutím od možné diskrétní struktury prostředí. Ve fyzice je to také idealizovaný model hmoty, který zanedbává její částicovou strukturu (atomy, molekuly) a považuje hmotu za spojité prostředí, které lze popsat její hustotou. zkonstruoval helioskop určený k pozorování Slunce, objevil červenou skvrnu na Jupiteru a z jejího pozorování usoudil, že se planeta otáčí. Přispěl také k formulaci Newtonova gravitačního zákona. (Drake, 2006) 6 Sir Isaac Newton ( ) byl anglický fyzik, matematik, astronom, přírodní filosof, alchymista a teolog, jež bývá často považován za jednu z nejvlivnějších osob v dějinách lidstva. Jeho publikace Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, položila základy klasické mechaniky a dnes bývá řazena mezi nejdůležitější knihy v historii vědy. Newton v ní popisuje zákon všeobecné gravitace a tři zákony pohybu, které se na další tři staletí staly základem vědeckého pohledu na fyzický vesmír. Newton propojil Keplerovy zákony pohybu planet s vlastní teorií gravitace a dokázal, že pohyb předmětů na Zemi se řídí stejnými pravidly jako pohyb vesmírných těles. Tím smetl poslední pochyby o heliocentrismu a přispěl k vědecké revoluci. V mechanice Newton formuloval teorii o zachování hybnosti a momentu hybnosti. Na poli optiky sestavil první zrcadlový dalekohled a na základě pozorování, že optické hranoly rozkládají bílé světlo do jednotlivých barev viditelného spektra, rozvedl teorii barev. Rovněž vyslovil zákon chladnutí a zkoumal rychlost zvuku. V matematice se dělí s Gottfriedem Leibnizem o zásluhy na objevu integrálního kalkulu. Dále pak zobecnil binomickou větu, vymyslel takzvanou Newtonovu metodu řešení soustav nelineárních rovnic a přispěl k výzkumu mocninných řad. Newton byl horlivě věřícím křesťanem, byť zastával místy nekonvenční názory. Přestože je dnes vzpomínán především pro svůj přínos vědě, větší část svých textů věnoval výkladům Bible. (Bajer, 2004) a (Schneider, 1988). 14

15 Mechaniku kontinua můžeme v souladu s literaturou (Falkovich, 2011) rozdělit na mechaniku pevných těles a na mechaniku tekutin. V publikaci (White, 2003) je mechanika tekutin popsána jako odvětví fyziky, které se zabývá tekutinami (kapalinami, plyny a plazmatem) a silami na ně působícími. Mechaniku tekutin dále rozdělují na hydrostatiku studium tekutin v klidovém stavu, hydrokinetiku studium tekutin v pohybu a hydrodynamiku studium vlivu silového působení na tekutiny v pohybu. Žádný z těchto oborů nestuduje detailní složení tekutin z pohledu atomové struktury. Využívá se především modelů, na které je pohlíženo z makroskopického hlediska. Autor v publikaci (Schowalter, 1978) uvádí, že v praxi se reologie týká především rozšíření mechaniky kontinua charakterizující tok materiálu, který vykazuje kombinaci elastického, viskózního a plastického chování. Dále kombinuje pružnost a Newtonovu mechaniku tekutin. To se také týká vytváření predikcí mechanického chování pro mikrostruktury nebo nanostruktury materiálu (např. velikosti molekul a složení polymerů v roztoku nebo rozdělení velikosti částic v pevné suspenzi). Materiály s vlastnostmi kapalin potečou při účinku mechanického tlaku, který je definováno jako síla působící na určitou plochu. Existují různé druhy tlaku (např. střihový, torzní, atd.). Navíc mohou materiály rozdílně reagovat na různý účinek tlaku. Velká část teoretické reologie se zabývá společným působením vnějších a vnitřních sil při změně tlaku a rychlosti deformace. Pro upřesnění je třeba dodat, že z pohledu mechaniky, je tekutina látka, která nemá žádné smykové napětí. Proto má tekutina v klidu tvar obsahu nádoby. Tekutina v klidu nemá také žádné smykové napětí. Podle Batchelora (1968) můžeme mechaniku kontinua rozdělit na více oborů a podoborů, což je znázorněno v Tabulce I. Tab. I Rozdělení mechaniky kontinua mechanika pevných těles mechanika kontinua mechanika tekutin elasticita (pružnost) plasticita ne-newtonské tekutiny reologie newtonské tekutiny 15

16 2.1.3 Aplikace reologie Přehled o aplikacích reologie podává publikace (Faith, 2001), kde je uvedeno, že reologii lze aplikovat především ve vědách zabývajících se materiálovým inženýrstvím, ale i v geofyzice, ve fyziologii, v biologii člověka i ve farmacii. Tokové vlastnosti se také používají jako důležitý nástroj kontroly kvality. V publikaci (Pirkla, 2011) je o aplikaci reologie uvedeno, že 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, event. produktů, ale i k řešení mnoha technických úloh a inženýrských výpočtů při navrhování, zdokonalování a kontrole různých výrobních a dopravních zařízení Reologie kapalin Pirkl (2011) dále uvádí, že matematickým vyjádřením tokových vlastností kapalin jsou reologické stavové rovnice, které zpravidla vyjadřují vztah mezi deformačním smykovým (tečným, vazkým) napětím a deformací kapaliny. Jejich grafickou podobou jsou tokové křivky. V případě ideálně viskózního materiálu platí pro tečné napětí klasický Newtonův zákon:, (2) kde součinitel je dynamická viskozita charakterizující vnitřní tření newtonské kapaliny, du je vzájemná rychlost pohybu smykových rovin vzdálených o dx a D je tzv. gradient rychlosti (rychlost deformace, rychlost smyku), který charakterizuje tvarové změny v proudící tekutině. Podrobné schéma ke vztahu (2) je uvedeno na Obrázku 1. Dynamická viskozita je veličinou, jejíž hodnota závisí na teplotě a tlaku. U plynů s teplotou roste, u kapalin naopak klesá. V soustavě SI 7 je jednotkou Pascal 7 Soustava SI (zkratka z francouzského Le Système International d'unités) je mezinárodně domluvená soustava jednotek fyzikálních veličin, která se skládá ze základních jednotek, odvozených jednotek a násobků a dílů jednotek. Mezinárodně garantuje definice jednotek a uchování etalonů Bureau 16

17 sekunda Pa s = kg m -1 s -1. Dříve se udávala dynamická viskozita nejčastěji v Poisech P nebo centipoisech cp. Platí 1 Pa s = 10 P. Obr. 1 Rychlostní profil toku v kapalině mezi nepohyblivou a pohybující se deskou (Barnes a kol., 1998) Převrácená hodnota dynamické viskozity se nazývá tekutost (fluidita), která má v soustavě SI je jednotkou m s kg -1 : (3) viskozita: Podíl dynamické viskozity a hustoty tekutiny se nazývá kinematická (4) International des Poids et Mesures v Sèvres (Francie), v České republice Český metrologický institut v Brně. Základních jednotek je sedm: metr, kilogram, sekunda, kelvin, ampér, kandela, mol. Odvozené jednotky se tvoří výhradně jako součiny a podíly jednotek základních. Násobky a díly (výhradně dekadické) se tvoří pomocí předpon před jednotkami. Soustava vznikla v roce 1960 ze soustavy metrkilogram-sekunda (MKS), který byl zaveden za Velké francouzské revoluce (1789 až 1799) a v dalších letech rozšiřován (Británie 1860, 1921 fyzikální jednotky, v roce 1948 pak začal samotný standardizační proces). (Mouton, 2008) 17

18 V soustavě SI má kinematická viskozita jednotku m 2 s -1. Starší jednotkou je Stokes St = cm 2 s -1, platí 1 St = 10-4 m 2 s -1. U kinematické viskozity je tato starší jednotka často užívána, především při popisů dějů závisejících jak na viskozitě, tak na hustotě, např. při popisu hydrodynamiky kapalin. V publikaci (Buchar, 1990) je možno se dočíst, že 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 8 (Re), což je bezrozměrné číslo definované vztahem:, (5) kde v je rychlost proudění, R je charakteristický rozměr potrubí nebo obtékaného tělesa a ρ je hustota tekutiny. Obr. 2 Proudění viskózní kapaliny trubkou kruhového průřezu (Buchar, 1990) 8 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. (Rudolf, 2010) 18

19 Buchar (1990) dále uvádí, že 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 Obrázku 2. Předpokládejme, že rychlost kapaliny na stěnách trubky je nulová, potom má rozložení rychlosti parabolický průběh: ( ) ( ) (6) Pro objem kapaliny V, která proteče průřezem trubky za jednotku času, platí: ( ) (7) 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 Newtonské kapaliny Batchelor (1968) ve své publikaci uvádí, že newtonská látka je reologický model viskózní látky, která se řídí Newtonovým zákonem viskozity. Reologická rovnice newtonské látky je tedy charakterizována přímou úměrností rychlosti deformace a napětí. Reologickou rovnicí je Newtonův zákon viskozity a materiálovou konstantou charakterizující danou newtonskou látku je viskozita. Model newtonské látky je vhodný především k popisu kapalin hovoří se pak o newtonské kapalině, popř. o newtonské tekutině. Jedná se zpravidla 19

20 o nízkomolekulární látky. Viskozita těchto tekutin nezávisí na vazkém napětí. Jejich toková křivka je znázorněna na Obrázku 3. Z grafů na Obrázku 3 je zřejmé, že platí: (8) Obr. 3 Toková a viskozitní křivka newtonské kapaliny (Pirkl, 2011) Látky, jejichž viskózní chování nelze popsat Newtonovým zákonem viskozity, se označují jako ne-newtonské Ne-newtonské kapaliny V publikaci (Pirkl, 2011) je dále uvedeno, že vedle newtonských kapalin existují i kapaliny reologicky složitější, které se Newtonovým zákonem neřídí. Označují se proto jako ne-newtonské kapaliny a jsou to např. roztoky a taveniny polymerů, suspenze, různé pasty apod. Platí pro ně analogicky s Newtonovým zákonem rovnice:, (9) kde je ovšem tzv. zdánlivá viskozita, která není látkovou konstantou, ale závisí na rychlosti deformace nebo tečném napětí. Některé příčiny jsou schematicky znázorněny na Obrázku 3. 20

21 Obr. 4 Vliv toku na uspořádání částic v ne-newtonské kapalině (Pirkl, 2011) a orientace, b napřímení, c deformace, d rozmělnění K charakterizaci toku ne-newtonských kapalin je proto nutno znát průběh závislosti = (D) v širším intervalu D. Na Obrázku 5 jsou tokové a viskozitní charakteristiky nejznámějších nenewtonských kapalin: Obr. 5 Tokové a viskozitní charakteristiky (Pirkl, 2011) 1 newtonská kapalina, 2 strukturně viskózní kapalina, 3 diletantní kapalina, 4 plastická kapalina (pseudoplastická s mezí toku), 5 Binghamská kapalina Pseudoplastické kapaliny, jsou kapaliny, jejichž zdánlivá viskozita se s rostoucím gradientem rychlosti zmenšuje, viz Obrázek 5. Podle průběhu tokové křivky se někdy 21

22 rozlišují dvě podskupiny. Pravé pseudoplastické kapaliny a strukturně viskózní kapaliny u nichž lze stanovit dvě limitní hodnoty zdánlivé viskozity (Obrázek 6). Jsou to např. roztoky a taveniny polymerů, roztoky mýdel a detergentů, některé suspenze apod. Z technického hlediska je pseudoplasticita zpravidla vítanou vlastností, protože snižuje energetickou náročnost při míchání, toku kapalin potrubím apod. Více je o pseudoplastických kapalinách uvedeno v publikacích (Capobianchi a Aziz, 2012), (Luan a kol., 2012) a (Guedda a Kersner, 2011). Obr. 6 Toková a viskozitní křivka strukturně viskózní kapaliny (Pirkl, 2011) Dilatantní kapaliny, jsou kapaliny, jejichž zdánlivá viskozita roste s rostoucím gradientem rychlosti, viz Obrázek 5. Toto chování je poměrně řídké a bylo pozorováno v některých vysoce koncentrovaných suspenzích (např. v PVC plastisolech). Jelikož zpravidla komplikuje technologické procesy, je žádoucí dilataci pokud možno potlačit změnou složení. K vyjádření průběhu tokových křivek uvedených ne-newtonských kapalin se užívají rovnice empirické nebo poloempirické povahy:, (10) n > 1 pro pseudoplasticitu n = 1 pro newtonskou kapalinu n < 1 pro dilataci kde K, n jsou empirické látkové parametry charakterizující vlastnosti toku ne-newtonské kapaliny a závisejí pouze na teplotě. Parametr K se nazývá součinitel (koeficient) 22

23 konzistence a parametr n je index (nebo exponent) toku. Více je o dilatantních kapalinách uvedeno v publikacích (Nakanishi a kol., 2012), (Li a kol., 2010) a (Saga a Deguchi, 2010). Binghamské kapaliny, tj. kapaliny s plastickou složkou deformace u nichž dochází k toku až po překročení určitého prahového smykového napětí, tzv. meze toku (kluzu) k, viz Obrázek 5. Pro tyto plastické kapaliny platí: (11) Patří sem např. koncentrované průmyslové a odpadní (splaškové) kaly, kašovité suspenze křídy a vápna aj. Rovněž u pseudoplastických a dilatačních kapalin může existovat varianta s mezním smykovým napětím (Obrázek 5). Typické plastické chování vykazují např. zubní pasty, čokoláda, rtěnky aj. Více je o Binghamských kapalinách uvedeno v publikacích (Hao a Hai, 1982) a (Nedoma, 1995). Existují také kapaliny s časově závislou složkou deformace, které mění zdánlivou viskozitu s dobou působení napětí. Jejich tokové křivky jsou hysterezní, průběh při zvyšování napětí se liší od průběhu při jeho snižování, viz Obrázek 6. Rozlišují se dva základní typy. Látky tixotropní, u nichž zdánlivá viskozita klesá s prodlužující se dobou působení napětí. Tento typ chování je velmi výhodný např. pro nátěrové hmoty. Důležitá je znalost tixotropního chování např. pro stanovení spouštěcího příkonu míchadel. Více v publikaci (Severa, 2008). Látky reopektické, u nichž zdánlivá viskozita během smykového namáháním s časem roste. Na rozdíl od tixotropie se s tímto chováním můžeme setkat jen zřídkakdy (např. u suspenzí bentonitu). Více v publikaci (Oates a kol., 2006). 23

24 Obr. 7 Charakteristické křivky tixotropní kapaliny (Pirkl, 2011) Závěrem Pirkl (2011) uvádí, že anomálie viskozity mohou být velmi různorodé a v praxi se můžeme setkat i s různými kombinacemi chování viskózního s elastickým (kapaliny viskoelastické nebo elastoviskózní). Do této skupiny kapalin se řadí např. velmi koncentrované suspenze a velmi koncentrované roztoky makromolekul. Autor také zdůrazňuje, že pro ne-newtonské kapaliny, které se v průmyslu vyskytují velmi často, nemá pojem viskozity jako látkové konstanty fyzikální význam a je nutno jej nahradit tokovou křivkou v potřebném rozsahu tečných napětí. Vzhledem k možnosti různých anomálií nelze tedy plně spoléhat na hodnoty získané extrapolací. Údaj zdánlivé viskozity změřený na jednoduchém viskozimetru bez udání tečného napětí nebo rychlostního gradientu může sloužit pouze pro orientační srovnání konzistence nenewtonských kapalin stejného druhu měřené na stejných přístrojích za stejných podmínek. Velmi kvalitní a obsáhlý všeobecný popis reologických vlastností materiálů je uveden v publikaci (Barnes a kol., 1998). Popis reologických vlastností technických a průmyslových materiálů je pak uveden v publikaci (Sobotka, 1984) Reometrie Podle publikace (Hela, 2010) je reometrie obsáhlý vědní obor, který se zabývá studiem reologických vlastností látek. Pirkl (2011) uvádí, že reometrie je experimentální stanovení funkční závislosti mezi tečným napětím a gradientem rychlosti pro daný vzorek kapaliny, tzn. závislosti zdánlivé viskozity na tečném napětí nebo gradientu rychlosti. 24

25 Stanway (2004) popisuje reometrii jako experimentální techniku používanou ke stanovení reologických vlastností materiálů. Pod tímto pojmem si představuje kvantitativní a kvalitativní vztahy mezi deformací a napětím a jejich deriváty. Dále autor uvádí, že volba odpovídající zkušební metody závisí na reologické vlastnosti, která má být stanovena. Může to být stabilní smyková viskozita, lineární viskoelastické vlastnosti (modul pružnosti), elongační vlastnosti, atd. Pro všechny reálné materiály (kapaliny) se měří zmíněné vlastnosti jako funkce smykové rychlost, frekvence, atd. Pro některé materiály je za daných podmínek tato závislost téměř neznatelná (viz newtonské kapaliny). V souvislosti s dnešními, tzv. inteligentními kapalinami, jako je magnetoreologická kapalina a elektroreologická kapalina, je právě reometrie primární metodou pro kvantifikaci užitečných vlastností těchto materiálů. Magnetoreologickými kapalinami a jejich vlastnostmi se zabývá několik významných publikací, například (Bell a kol., 2007), (Vereda a kol., 2009), (Spaggiari a Dragoni, 2012) a také český autor (Sedlačík, 2012). Elektroreologickými kapalinami a jejich vlastnostmi se zabývá rovněž několik významných publikací, například (Cheng, 2008), (Lengálová, 2002), (Balza, 2007) a opět i (Sedlačík, 2012). V publikaci (Barnes a kol., 1998) je uvedeno, že v reometrii jsou zkoumány tokové vlastnosti materiálů. Jednou z nich je například smykový tok. Dále Barnes a kol. (1998) uvádí, že reologie je důležitou součástí reologického výzkumu. Motivací pro všechny reometrické studie je často naděje, že sledovaná chování mohou být korelována jednoduchými funkcemi. Reometrie má proto potenciální význam v kontrole kvality a řízení procesů. Dále má také potenciální význam pro posouzení užitečnosti každého navrhovaného konstitutivního modelu pro zkušební materiál. I proto může být reometrie relevantní v průmyslových procesech modelování, a to obzvláště v budoucnu, kdy se projeví plný potenciál výpočtů a modelování dynamiky kapalin pomocí velmi výkonných počítačů Reometrické metody V publikaci (Pirkl, 2011) je uvedeno, že úkolem reometrie je stanovení závislosti zdánlivé viskozity na tečném napětí, na teplotě nebo na gradientu rychlosti. 25

26 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 ne-newtonských kapalin. Podmínkou správného měření je vždy laminárnost proudění v celém rozsahu měření a dobře definovaná geometrie toku. Kromě toho existuje celá řada přístrojů určených k hodnocení konzistence určitých výrobků za určitých standardních podmínek, jejichž stupnice jsou kalibrovány buďto 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 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: (12) a ( ) (13) kde ρ 0 a ρ jsou hustoty kapaliny a tělíska, r je poloměr tělíska. Pro stanovení dynamické viskozity se pak používá vztah: ( ) (14) Asi nejjednodušším tělískovým viskozimetrem je viskozimetr Stokesův. Jiným přístrojem této skupiny je technický viskozimetr Höpplerův (Obrázek 8), v němž padá 26

27 kulička skleněnou trubicí skloněnou od vertikály o 10 a o průměru málo větším než je průměr koule. 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 newtonovsky nebo nikoliv. Obr. 8 Schéma Höpplerova kuličkového viskozimetru (Pirkl, 2011) Pro měření kapalin s vysokou viskozitou 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 ne-newtonských kapalin Kapilární viskozimetry Měření pomocí těchto přístrojů je založeno na Poisseuilově rovnici pro laminární výtok kapaliny z kolmé trubice kruhového průřezu vlastní hmotností. Podle Macoska (1994) platí: (15) 27

28 kde τ je doba průtoku, p je rozdíl tlaků daný hydrostatickým tlakem kapaliny ve svislé kapiláře, který je úměrný hustotě kapaliny, r je poloměr trubice, V je objem vyteklé kapaliny a l je délka trubice. Dynamická viskozita je úměrná hustotě kapaliny a době průtoku. Obvykle se provádí měření relativní, při němž se na stejném viskozimetru porovnává dynamická viskozita měřené kapaliny η se známou dynamickou viskozitou srovnávací kapaliny η ref : (16) kde τ a τ ref jsou doby průtoku určitého objemu měřené a srovnávací kapaliny, vymezené dvěma ryskami A a B (Obrázek 9), ρ a ρ ref jsou hustoty měřené a srovnávací kapaliny. Kapilární viskozimetry jsou přesné (s chybou měření jen 0,01 % až 0,1 %), avšak nemohou být použity pro měření viskozity ne-newtonských kapalin, neboť rychlostní gradient není konstantní roste se vzdáleností od osy kapiláry. Více je o kapilárních viskozimetrech uvedeno v publikaci (Rowlinson a Widom, 1982). Obr. 9 Ubbelohdeův kapilární viskozimetr (Rowlinson a Widom, 1982) 28

29 Obr. 10 Viskozimetry s nastavitelným tlakovým spádem (Pirkl, 2011) V publikaci od Pirkla (2011) je uvedeno, že pro měření tokových křivek nenewtonských kapalin je nutno používat průtokové kapilární viskozimetry s nastavitelným tlakovým spádem (Obrázek 10). Potřebný tlakový spád se vytváří různou výškou sloupce měrné kapaliny, tlakem interního plynu nebo 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 Výtokové viskozimetry Dzianik (2008) ve své publikaci uvedl, že výtokový viskozimetr se skládá z kalibrované nádobky o objemu 200 cm 3 a výtokové dírky. Princip měření je založen na měření času výtoku měřené kapaliny t, který se vztahuje k času výtoku t 1 destilované vody při teplotě 20 C. Dynamická viskozita η e je potom dána poměrem 29

30 . (17) Hodnota dynamické viskozity η e zde vychází ve stupních Englera E. Pro převod mezi E (stupně Englera) a m 2.s -1 (kinematická viskozita) platí následující vztah: ( ). (18) Jak dále uvádí Dzianik (2008), je tento výtokový (Englerův) viskozimetr určen pouze pro měření viskozity newtonských kapalin. Schématický obrázek tohoto viskozimetru je zobrazen na Obrázku 11. Obr. 11 Englerův výtokový viskozimetr (Dzianik, 2008) 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 200 cm 3 30

31 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 rotačního viskozimetru s dvěma souosými válci V 1 a V 2, mezi kterými je měrná kapalina K, je schematicky znázorněn na Obrázku 12. Obr. 12 Schéma základních typů uspořádání rotačních viskozimetrů (Pirkl, 2011) 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. Jsou-li známy poloměry válců r 1, r 2 a výška smýkané vrstvy kapaliny h, lze vypočítat dynamickou viskozitu podle rovnice: 31

32 ( ), (19) 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). V publikaci od Pirkla (2011) je uvedeno, že souhrnně je možno o reometrech se souosými válci říci, že je k dispozici řada komerčních přístrojů nejrůznějšího provedení, rozsahů a přesností, z nichž je nutno vybírat vždy podle konkrétních požadavků vyplývajících hlavně ze struktury a typu viskozitní anomálie měřené kapaliny. Obr. 13 Různé úpravy měrného prostoru rotačních viskozimetrů (Pirkl, 2011) Místo dvou souosých válců se zvláště pro kapaliny s vyšší viskozitou často užívá uspořádání kužel deska (Obrázek 13). V obou případech se měřená kapalina dává do úzké štěrbiny mezi dvě plochy, takže se při měření vystačí s malým množstvím kapaliny ( 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 zanedbatelné. Nevýhodou je omezená 32

33 použitelnost tohoto systému pro suspenze a disperze (větší částice narušují tokové poměry v klínové mezeře). Vztah mezi smykovým napětím τ a momentem síly M je pro uspořádání kužel deska s poloměrem podstavy kužele R podle Pirkla (2011) dán rovnicí: (20) a pro gradient rychlosti D platí: (21) kde α je úhel štěrbiny v radiánech. Tokovou rovnici ne-newtonských kapalin lze tedy tímto viskozimetrem určovat přímo z naměřených závislostí momentu síly na úhlové rychlosti. Platí tedy:. (22) Rotačním viskozimetrem (Obrázek 13) 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. Více o použití torzních viskozimetrů je uvedeno v (Veselá a Vacek, 2012). 2.2 Maziva 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 těsnicí činitel, chránit kovové plochy před korozí, zbavovat třecí plochy nečistot 33

34 primárních a sekundárních a další funkce. Podle Zehnálka (2005) 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. V publikaci (Zehnálek, 2005) jsou rozdělena maziva do těchto základních skupin: kapalná maziva mazací oleje, plastická maziva mazací tuky, tuhá maziva přidávaná do kapalných i konzistentních maziv, plynná maziva. Dále je v této práci kladen důraz především na maziva kapalná, tedy na mazací oleje. A to především oleje motorové. O plastických mazivech je možno se více dozvědět v publikacích (Řeřábek, 2009), (Pošta, 2010) a (Chekan a kol., 2005). O tuhých mazivech je možno se více dočíst v publikacích (Mang a Dresel, 2001), (Štěpina a Veselý, 1992) a (Du a kol., 2012). Plynná maziva jsou velmi dobře popsána v publikacích (Wakabayashi, 1997) a (Horne a kol., 1981). 34

35 2.2.1 Základy tribologie a tribotechniky Zehnálek (2005) popisuje tribologii jako nauku 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 techniku mazání (vnášením maziv mezi třecí dvojice), techniku zabývající se ochranou proti opotřebování a také opatření administrativního charakteru. Podle Zehnálka (2005) můžeme vymezit základní tribologické pojmy: 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 třecích 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 je nežádoucí změna povrchu součástí vznikající oddělováním částic mechanickými účinky, případně doprovázená 35

36 chemickým, elektrochemickým, elektrickým nebo jiným působením. Jdeli pouze o procesy mechanické povahy, užívá se pojem otěr. 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 Tabulka II. 36

37 Tab. II Základní druhy opotřebení a jejich charakteristiky (Zehnálek, 2005) druh opotřebení Adhesivní otěr Abrazivní otěr Únavový otěr 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. příčina Mezi stykovými plochami není mazivo. Mezi stykovými plochami je nesouvislá vrstva maziva. Mazivo je ve formě tuhé vrstvy vytvořené uměle, nebo působením prostředí. Tvrdé částice volné nebo vázané v protilátce (abrazivní otěr prvého typu). Tvrdší, drsný povrch jednoho z členů třecí dvojice (abrazivní otěr druhého typu). Cyklické opakování stykového napětí určité velikosti mezi stýkajícími se povrchy (první typ). Porucha povrchové vrstvy křehkým lomem (druhý typ). Vibrační otěr Oddělování částic a poškozování povrchu vzájemnými tangenciálními posuny malé amplitudy při působení normálního zatížení. Nepatrné vzájemné posuny třecích povrchů pod určitým zatížením. Erozivní otěr Oddělování částic a poškozování povrchu materiálu v důsledku proudění kapaliny. Tvrdé částice nesené proudem kapaliny nebo plynu. Proud kapaliny, kapek páry nebo plynu. Kavitační opotřebení Oddělování částic a poškozování povrchu účinkem místních hydrodynamických rázů v proudící kapalině. Vytváření bublinek páry či plynu v kavitačních dutinách a jejich zánik při změně zatížení, který se děje vysokou frekvencí. Chemické opotřebení Porušení povrchu materiálu chemickým účinkem prostředí, s nímž se povrch součástí stýká. Vznik pevně lnoucích tvrdých produktů na povrchové vrstvě, které v případě porušení vedou k intenzivnímu opotřebení. Zplodiny měkčí povahy mohou mít dobré kluzné vlastnosti. Při snadném odstraňování nastává rychlý otěr. 37

38 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 3 PO 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. Zehnálek (2005) uvádí, že 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, 38

39 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 9 provozu bez ohledu na firemní původ, (dle viskozity) a dle podmínek 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. Mazací schopnost je podle Zehnálka (2005) komplexní vlastnost zahrnující tři dílčí vlastnosti: viskozitu, mazivost a maznost. 9 Základní rozdělení do tzv. viskozitních tříd bylo vytvořeno Společností amerických inženýrů (Society of Automotive Engineers), známá pod zkratkou SAE. (Greenleaf, 2011) 39

40 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 viskózním 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 dostačující únosnost k přenosu zatížení. Viskozita olejů není konstantou, ale je závislá na teplotě, tlaku, různých parametrech, uhlovodíkovém složení i na obsahu aditiv. 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. 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. Dalšími vlastnostmi olejů jsou tepelná vodivost, stlačitelnost minerálních olejů a také měrné teplo (množství tepla v Joulech, které je třeba k ohřátí jednoho kilogramu oleje o 1 C ) Motorové oleje Motorový olej je velmi obecné souhrnné označení pro celou skupinu olejů, používaných jako maziva a chladiva, plnících těsnící a čistící funkci v motorech. 40

41 Složení motorových olejů Motorový olej se podle Manga a Dresela (2001), Černého a Maška (2010) i podle Vlka (2006) skládá z největší části ze základového oleje, z polymerů (modifikátory viskozity) a z tzv. aditivačního balíčku. Tento balíček aditiv obsahuje především disperzanty, detergenty, protioděrová aditiva a ostatní aditiva (antioxidanty, modifikátory tření, protikorozní a jiné). Černý (2009) uvádí, že základové oleje mohou být minerální nebo syntetické. Minerálních olejů je dnes celá řada a vyrábějí se v různých stupních kvality. Ty nejlepší z minerálních olejů jsou dnes natolik kvalitní, že není žádný významný rozdíl mezi těmito minerálními a syntetickými oleji. Oba dva typy olejů mohou zabezpečit naprosto shodnou výkonnost a kvalitu motorového oleje. Různé typy syntetických olejů se uplatní spíše v oblasti průmyslových olejů. Dále se v publikaci (Černý, 2009) dočteme celý postup výroby základového oleje. Základový olej se vyrábí buďto z ropných destilačních frakcí anebo z některých meziproduktů zpracování ropy. Velmi kvalitní základové oleje lze vyrobit např. z destilačních zbytků po výrobě motorové nafty hydrokrakovou technologií. Rafinací nebo jinou úpravou takových surovin je získáván základový olej. Pokud chceme vyrobit např. motorový olej, pak musíme z několika jednotlivých základových olejů připravit směs, která viskozitně a dalšími vlastnostmi vyhoví požadavkům na olej, který chceme vyrobit. Kromě viskozity jsou důležité zejména nízkoteplotní vlastnosti, složení oleje, těkavost a další. K této směsi základových olejů se potom přimíchávají aditiva a výsledkem je motorový, převodový či jiný olej. Základové oleje se vždy vyrábějí ve třech technologických krocích. Prvním krokem je rafinace ropné suroviny, druhým krokem je odparafinování oleje a třetím je dorafinování oleje tak, aby měl nejen dobré vlastnosti, ale působil důvěryhodně i na pohled. Měřítkem kvality základového oleje je především viskozitní index, obsah síry a obsah nasycených uhlovodíků. Čím je základový olej kvalitnější, tím má vyšší viskozitní index, větší obsah nasycených uhlovodíků a nižší obsah síry. Rafinace ropné suroviny je nejdůležitějším krokem, který většinou určuje kvalitu hotového oleje. Nejstarším a stále nejobvyklejším způsobem rafinace je extrakce ropné suroviny (vakuového destilátu) vhodným rozpouštědlem. Extrakční rozpouštědlo má takové vlastnosti, že je schopné z ropné suroviny odstranit většinu látek, které v olejích 41

42 nejsou potřeba a jsou nežádoucí. Cílem je odstranit hlavně pryskyřičnaté látky, které obsahují síru a dusík. Tyto látky by v oleji vytvářely nežádoucí úsady a kaly a na horkých dílech motoru by se vytvářely tvrdé lakovité nánosy. Olejům vyrobeným extrakční rafinací se říká rozpouštědlové rafináty. Těchto základových olejů se stále vyrábí největší množství a tvoří přibližně 65 % všech vyrobených olejů. Dalším a modernějším způsobem rafinace je hydrokrakování. Jde o proces, který probíhá přibližně při teplotě 400 C nebo i vyšší a při vysokém tlaku vodíku. Dochází při něm k přeorganizování ropných molekul. Přítomnost vodíku současně zabezpečuje, že všechny či alespoň většina nežádoucích sirných a dusíkatých látek je odstraněna. Produktem hydrokrakování jsou velmi kvalitní základové oleje s téměř nulovým obsahem síry a dusíku a s velmi nízkým obsahem aromatických uhlovodíků. Často se pro výrobu hydrokrakových olejů používají zbytky z hydrokrakování vakuových ropných destilátů s cílem vyrobit palivo (naftu). Dalším stupněm výroby základových olejů je odparafínování. Každý ropný olej, který prošel pouze prvním stupněm výroby rafinací obsahuje poměrně velké množství parafínů, které způsobují, že olej je za normální teploty téměř tuhý. Takové oleje jsou v praxi nepoužitelné. Motor v automobilu naplněný takovým olejem bychom ani nenastartovali. Oleje se proto musí tuhých parafínů zbavit. Černý (2009) uvádí, že se to provádí dvěma způsoby. Tradiční postup se nazývá "rozpouštědlové odparafínování". Při něm je rafinovaný olej smíchán s rozpouštědlem, podchlazen na nízkou teplotu a vyloučený parafín je od oleje odfiltrován. Rozpouštědlo je potom z oleje odstraněno. Kromě odparafínovaného oleje je produktem tohoto procesu tuhý parafín, který je využívaný zejména v obalové technice. Druhým a velmi moderním postupem je hydroizomerace parafínů. Tento postup je velmi podobný hydrokrakovacímu procesu. Takto se vyrábějí zejména moderní a velmi kvalitní základové oleje, často naprosto bezbarvé. Závěrečným stupněm výroby základových olejů je dorafinace. V tomto stupni dochází k odstranění zbytkových nečistot oleje a zlepšuje se i jeho barva. Černý (2009) uvádí, že čím je olej světlejší, tím je zákazníky lépe akceptován, i když barva oleje nemusí korespondovat s kvalitou. Dorafinace může být prováděna buďto opět hydrogenačně nebo také extrakcí rozpouštědlem. Nejjednodušším způsobem dorafinace 42

43 je adsorpce nečistot na aktivní hlince. Tomuto způsobu dorafinace se také říká "horký kontakt", protože proces spočívá v rozmíchání hlinky v teplém oleji a následném odfiltrování hlinky s adsorbovanými nečistotami. Během celé výroby základových olejů musí být do technologie zařazena také destilace. Při hydrogenační rafinaci se destilací odstraňují vznikající lehké a těkavé produkty hydrokrakování, a ty se míchají do motorových paliv. Vakuovou destilací vyrobených rafinovaných olejů se získávají různé destilační řezy základových olejů, z nichž se pak vyrábějí mazací oleje s různou viskozitou. Shodný postup uvádí i Mustafa (2012). Základové oleje se podle kvality rozdělují do pěti skupin. Ropné (minerální) oleje tvoří první tři skupiny. Rozdíl mezi nimi je v obsahu síry a nasycených uhlovodíků a v hodnotě viskozitního indexu. Rozmezí těchto hodnot pro jednotlivé skupiny je uvedeno v Tabulce III. Na Obrázku 14 je přehledně zobrazeno zastoupení jednotlivých složek v motorovém oleji. Tab. III Rozdělení základových olejů skupina nasycené uhlovodíky (%hm.) síra (%hm.) viskozitní index typ oleje I. pod 90 nad 0, rozpouštědlové rafináty II. nad 90 pod 0, hydrokrakování oleje III. nad 90 pod 0,03 nad 120 hydrokrakování oleje< IV. polyalfaolefiny V. ostatní syntetické oleje (estery, polyglykoly a další) 43

44 Obr. 14 Složení motorového oleje (Černý, 2012) Podle Černého (2012) jsou olejová aditiva chemické přísady, které zlepšují vlastnosti olejů (i plastických maziv). Druhy aditiv a jejich množství se liší podle způsobu užití maziva. Obsah aditiv v mazivu se pohybuje v rozsahu od 1 % do 25 %. Druhy a množství aditiv stanovují výrobci na základě norem a praktických zkoušek. Černý (2012) rozděluje aditiva dle chemické struktury na tyto dvě skupiny: Polární aditiva velké množství aditiv jsou tzv. povrchově aktivní polární látky. Polární látky jsou chemické látky, jejichž molekuly jsou nesymetrické, a proto na jejich koncích vznikají elektrické náboje. Těmito náboji jsou molekuly přitahovány k povrchům, např. k povrchu pístu ve válci motoru. Polární aditiva utvoří na povrchu tenký film, který v závislosti na chemickém složení aditiva zvyšuje odolnost proti korozi, proti usazování nečistot a proti poškození vysokým tlakem. Nepolární aditiva nepolární aditiva nejsou povrchově aktivní. To znamená, že nejsou přitahována k povrchům, ale jsou rozptýlena v celém objemu maziva rovnoměrně. Přesto jsou tato aditiva velice významná - zlepšují viskozitu maziva, snižují bod tuhnutí maziva a chrání gumová těsnění proti poškození. Dále je v publikaci (Černý, 2012) uveden popis jednotlivých aditiv: 44

45 Detergenty zamezují usazování nečistot na površích, případné již vytvořené nečistoty rozpouštějí. Díky detergentům mazivo lépe přilne k mazaným plochám. Detergenty hrají významnou roli např. při ochraně pístu ve válci, kde vlivem vysokých teplot dochází k uvolňování uhlíku, který má tendenci se usazovat na pracovních plochách pístu. Vzniklé usazeniny způsobují vznik netěsností vlivem mechanického poškození (poškrábání) nebo změnou tvaru zapříčiněnou nánosem nečistot. Na Obrázku 15 je zobrazena struktura detergentu. Obr. 15 Struktura detergentu (Černý, 2012) Disperzanty zabraňují tvorbě usazenin, které se tvoří především za nižších provozních teplot. Disperzanty obalí mikroskopické mechanické nebo kapalné nečistoty a zamezí tak jejich koncentraci a usazování. Nečistoty se vlivem disperzantů vznášení rovnoměrně v celém objemu maziva. Zamezí se tak zablokování olejových kanálů a filtrů. Na Obrázku 16 je zobrazena funkce disperzantů. 45

46 Obr. 16 Disperzanty obalující nečistotu (Černý, 2012) Zlepšující ochranu proti vysokému tlaku a opotřebení tato aditiva chrání před opotřebením ocelové části, které se o sebe třou pod vysokým tlakem (např. ozubená kola). Aditiva vytvoří chemickou reakcí na povrchu kovu odolné vrstvy, které zamezí kontaktu kov na kov. Zvyšující ochranu proti korozi tato aditiva vytvářejí na povrchu kovů ochranný film, který zabraňuje tvorbě koroze (brání oxidaci kovového povrchu). K oxidaci povrchů kovů může docházet například vlivem agresivních sloučenin vznikajících ve válci motoru při spalování palivové směsi. Upravující tření tato aditiva upravují tření mezi třecími plochami na požadovanou hodnotu. Přesná hodnota tření ploch je požadována například v automatických převodovkách, retardérech. Zlepšující viskozitu tato aditiva stabilizují viskozitu maziva, tzn. viskozita maziva je méně závislá na teplotě. Tím rozšiřují teplotní rozsah, v jakém je mazivo schopno plnit svou funkci. Se snižující se teplotou viskozita maziva stoupá a naopak, se zvyšující teplotou viskozita maziva klesá. Změny viskozity maziva mají dopad rovněž na tloušťku mazacího filmu a na ztráty energie, které vznikají překonáváním odporu maziva. 46

47 Snižující bod tuhnutí tato aditiva snižují možnost shlukování parafinů v mazivu za nízkých teplot. Při nízkých teplotách dochází u minerálních olejů k vylučování a shlukování parafínů a tudíž ke zvyšování hustoty. Zvýšená hustota maziva a jeho nekonzistentnost zhoršuje kvalitu mazání a zvyšuje ztráty energie z důvodu překonávání odporu maziva. Chránicí elastomery tato aditiva zpomalují stárnutí gumových a umělohmotných částí, které jsou ve styku s mazivem (například těsnění) tím, že zamezují vyplavení změkčovadel (chemické degradaci elastomerů) obsažených v gumových a plastových dílech. Elastomery zajišťují, aby gumové a plastové části byly stále elastické (pružné). Zpomalovače stárnutí tato aditiva omezují chemickou degradaci maziva, ke které dochází především za vyšších teplot. Likvidací oxidačních činidel zamezují vzniku nežádoucích chemických sloučenin, které zkracují životnost maziva. Degradací mazivo tmavne a dochází ke zvyšování viskozity. Deaktivátory kovů tato aditiva zabraňují chemickým reakcím probíhajícím na povrhu mikroskopických kovových částeček přítomných v mazivu (ocel, měď). Kovové částečky, které vznikají třením kovu o kov, působí jako katalyzátor chemických degradačních procesů. Vytvořením ochranného filmu kolem částeček kovu je zamezeno katalytickým chemickým reakcím a je tudíž zpomaleno stárnutí maziva. Snižující pěnivost tato aditiva potlačují vznik olejové pěny. Intenzivním promícháváním oleje se vzduchem dochází k tvorbě pěny, která urychluje stárnutí maziva (usnadňuje oxidaci), zvyšuje stlačitelnost maziva (vznikají problémy u hydraulických soustav, motorů, kompresorů a převodovek) a může způsobit i únik maziva ze zařízení. Povýrobní tato aditiva se přilévají do nového i částečně upotřebovaného motorového oleje pro zmenšení vůlí starých nebo hodně použitých motorů. Slouží také k prodloužení životnosti motorového oleje. Více je o funkcích a vlivu povýrobních aditiv uvedeno v publikaci (Kumbár a kol., 2011). 47

48 Viskozita a viskozitní třída motorových olejů Viskozita je podle Zehnálka (2005) 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. Mang a Dresel (2001) doplňují, že viskozita je jednou z nejdůležitějších vlastností, která ovlivňuje tokové vlastnosti látek. Určuje režim mazání, tvorbu a únosnost mazacího filmu, velikost odporu pohyblivých částí, těsnicí 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 třída. Količ (1998) uvádí, že 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 jen za velmi nízkých teplot okolí (od 35 C výše). Nejviskóznější olej nese označení SAE60, ten je ale pro běžnou potřebu zase velice hustý. To všechno jsou oleje, které v motorech příliš neupotřebíme, pro motory mají největší význam oleje s označením například SAE 10W-40, tedy oleje, které mají rozsah zaručené teplotní působnosti větší než oleje jednoduché SAExx. Zatímco u olejů SAExx je doporučovaný teplotní rozsah asi 30 C (myslí se teplota okolí, ne motoru), rozsah u oleje SAE 10W-40 je zaručen od asi 25 C do 50 C. Přesnější hodnoty teplot a hodnoty olejů s jiným označením jsou v grafu na Obrázku 17. Tyto oleje jsou tedy takové 2 v 1 třeba olej s označením SAE 0W-40 se za nízkých teplot chová jako SAE0W a za vysokých teplot jako SAE40. 48

49 Obr. 17 Teplotní rozsah jednotlivých olejů (Količ, 1998) Dále Količ (1998) uvádí, že 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 Výkonnostní třída motorových olejů V publikaci (Černý, 2011) je uvedeno, že pro každý olej stanoví výrobce oblast, ve které je vhodné olej používat. Oblast použití oleje je závislá především na jeho chemickém složení (složení základových olejů, obsahu aditiv) a z něj plynoucích fyzikálních vlastnostech. Proto hovoříme o motorových, převodových, hydraulických, potravinářských a dalších olejích. Kromě toho, že se olej řadí do jedné (nebo i více) výše zmíněných skupin, může mu být přidělena tzv. výkonnostní třída. 49

50 Výkonností třída určuje, jaké zatížení je olej schopen snášet, aniž by výrazným způsobem došlo ke zhoršení jeho funkce. Motorové (i převodové) oleje do motorových vozidel jsou rozděleny do výkonnostních tříd dle evropské normy ACEA 10 nebo americké normy API 11. U motocyklových motorových olejů je používaná výkonnostní třída dle normy JASO 12. Tato norma (JASO, 2012) udává standardy pro dvoudobé a čtyřdobé motory motocyklů. Nejvyšší výkonnostní třídou pro dvoudobé motory motocyklů je třída JASO FC a pro čtyřdobé motory motocyklů je to třída JASO MA. Výrobci automobilů požadují, aby olej použitý pro mazání motoru vyhovoval určité výkonností třídě definované v mezinárodních normě ACEA/API nebo výkonností třídě, kterou si výrobce sám definuje (podnikové normě výrobce, např. podniková norma VW odpovídá přibližně mezinárodní normě ACEA A3). Výrobci olejů proto své produkty nechávají testovat dle mezinárodních norem a norem výrobců. Výsledkem je, že u svých výrobků uvádějí, jaké normy olej splňuje. Výkonnostní třídy olejů dle ACEA V Tabulce IV jsou uvedeny výkonnostní třídy dle normy ACEA, tak jak je ve své publikaci uvádí Černý (2011). Označení tříd: A benzínové motory B dieselové motory osobních automobilů, dodávek a lehkých užitkových vozidel C zážehové a vznětové motory osazené částicovými filtry E dieselové motory těžkých užitkových vozidel 10 ACEA = Association des Constructeurs Européens d Automobiles 11 API = American Petroleum Institut 12 JASO = Japanese Automobile Standards Organization 50

51 Tab. IV Výkonnostní třídy dle ACEA výkonnostní použití oleje třída ACEA A1, B1 Standardní olej, normální interval výměny. A2, B2 Standardní olej, normální interval výměny (již neplatné). A3, B3 Olej pro vysokou zátěž, možnost prodloužení intervalu výměny. B4 Jako B3 + možnost použít pro dieselové motory s přímým vstřikováním. A4 Rezervováno pro oleje pro benzínové motory s přímým vstřikováním. A5, B5 Jako A3/B4, avšak se sníženou viskozitou HTHS 13 E1 Od března 2000 již neplatné. E2 Standardní olej, normální interval výměny. E3 Olej pro vysokou zátěž, možnost prodloužení intervalu výměny (již neplatná). E4 Olej pro extrémně vysokou zátěž, možnost prodloužení intervalu výměny E5 Olej pro vysokou zátěž, možnost prodloužení intervalu výměny Vysoce stabilní oleje podporující čistotu pístů, snižující opotřebení (včetně působením sazí) a zajišťující stálé mazání. Olej je doporučován pro moderní, vysoce zatěžované E6 vznětové motory, splňující emisní limity Euro 1-4. Umožňuje prodloužené výměnné intervaly dle doporučení výrobce. Je vhodný pro motory se systémy EGR 14, DPF 15 a SCR NOx 16. Stabilní oleje zabraňující usazování nečistot na pístech a vzniku zrcadlových ploch na stěnách válců. Omezuje opotřebení, vznik úsad v turbodmychadlu. Olej je doporučován E7 pro moderní, vysoce zatěžované vznětové motory splňující emisní limity Euro 1-4. Umožňuje prodloužené výměnné intervaly dle doporučení výrobce. Je vhodný pro většinu motorů se systémy EGR a SCR NO x. Není vhodný pro systémy DPF. Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro vysoce výkonné zážehové i vznětové motory osobních a lehkých nákladních automobilů se systémy DPF a TWC 17, které C1 vyžadují nízkoviskózní oleje se sníženým obsahem SAPS 18 a HTHS vyšší než 2,9 mpa.s. Tyto oleje prodlužují životnost systémů DPF a TWC a snižují spotřebu paliva. Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro vysoce výkonné zážehové i vznětové motory osobních a lehkých nákladních automobilů se systémy DPF a TWC, které C2 vyžadují nízkoviskózní oleje s HTHS vyšší než 2,9 mpa.s. Tyto oleje prodlužují životnost systémů DPF a TWC a snižují spotřebu paliva. Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro automobily se systémy DPF a TWC. Tyto C3 oleje prodlužují životnost těchto systémů. Stabilní olej kompatibilní s katalyzátorem pro automobily se systémy DPF a TWC. Tyto C4 oleje prodlužují životnost těchto systémů. (platná od roku 2006) Výkonnostní třídy olejů dle API V Tabulce V jsou uvedeny výkonnostní třídy dle normy API (Černý, 2011). Třídy začínající písmenem S jsou pro benzínové motory a třídy začínajícím písmenem C jsou pro dieselové motory. 13 Zkratka HTHS znamená High Temperature High Shear a jde o dynamickou viskozitu měřenou při vysoké teplotě (150 C) a velkém smykovém spádu (10 6 s -1 ). HTHS viskozita má určitý vztah k síle (tloušťce) mazacího filmu. Čím je HTHS viskozita vyšší, tím olej tvoří silnější (tlustší, ne však ve smyslu pevnější) mazací film. V případě příliš nízké HTHS viskozity může dojít k přetržení olejového filmu mezi dvěma třecími plochami, a ty pak nejsou dostatečně mazány. (Matějovský, 2008) 14 EGR Exhaust Gas Recirculation = recyklace výfukových plynů. 15 DPF Diesel Particulate Filter = filtr pevných částic. 16 SCR Selective Catalitic Reduction = selektivní katalytická redukce. (Skřivánek a kol., 2012) 17 TWC Three Way Catalyst = trojcestný katalyzátor. 18 SAPS Sulfate Ash Phosphorus Sulfur = sulfátový popel, síra, fosfor. 51

52 Tab. V Výkonnostní třídy dle API výkonnostní použití oleje třída API Pro všechny současné motory. Kategorie zavedena 30. listopadu Oleje klasifikace SM SM obsahují aditiva pro kontrolu deposit, pro snížení oxidace oleje, snížení opotřebení a aditiva zlepšující vlastnosti oleje za nízkých teplot. SL Pro všechny současné motory i starší motory. Kategorie zavedena roku SJ Pro motory z roku 1996 a mladší. Pro motory z roku 1996 a starší. Olej obsahuje aditiva pro kontrolu deposit, pro snížení SH oxidace oleje, snížení opotřebení a aditiva proti korozi. Pro motory z roku Olej obsahuje aditiva pro kontrolu deposit, pro snížení SG oxidace oleje, snížení opotřebení a aditiva proti korozi. Pro motory z roku Obsahuje aditiva pro zvýšení oxidační stability a aditiva SF proti opotřebení, aditiva pro kontrolu tvorby usazenin za nízké i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi. Pro motory z roku Obsahuje aditiva zabraňující oxidaci oleje, aditiva SE pro kontrolu tvorby usazenin za nízké i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi. Pro motory z roku Obsahuje aditiva pro kontrolu tvorby usazenin za nízké SD i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi. Pro motory z roku Obsahuje aditiva pro kontrolu tvorby usazenin za nízké SC i vysoké teploty, pro ochranu proti opotřebení a korozi. Pro starší motory vyžadující minimální ochranu aditivy. Lze použít pouze, je-li výslovně SB požadováno výrobcem. Pro starší motory, bez nároku na výkon a ochranu. Lze použít pouze, je-li výslovně SA požadováno výrobcem. Zavedena v září Pro vysoko-rychlostní čtyřdobé motory, u kterých je vyžadováno splnění výfukových emisních norem roku 2004 zavedených v roce CI-4 oleje mají CI-4 speciální složení a trvanlivost pro užití v motorech s recirkulací výfukových zplodin (EGR). Jsou určeny pro použití v motorech, které používají palivo s hmotnostním obsahem síry do 0,5 %. Může být použit místo CD, CE, CF-4, CG-4 a CH-4 olejů. Zavedena v roce Pro vysoko-rychlostní čtyřdobé motory, u kterých je vyžadováno splnění výfukových emisních norem z roku CH-4 oleje mají speciální složení pro CH-4 užití s palivem s hmotnostním obsahem síry do 0,5 %. Může být použit místo CD, CE, CF-4 a CG-4 olejů. Zavedena v roce Pro vysoce zatížené, vysoko rychlostní, čtyřdobé motory užívající CG-4 palivo s hmotnostním obsahem síry do 0,5 %. CG-4 oleje jsou požadovány pro motory splňující emisní normy z roku Může být použit místo CD, CE a CF-4 olejů. Zavedena v roce Pro vysoko-rychlostní, čtyřdobé, atmosféricky plněné motory CF-4 a motory s turbodmychadlem. Může být použit místo CE olejů. Zavedena v roce Pro vysoce zatížené, dvoudobé motory. Může být použit místo CF-2 CD-II olejů. Zavedena v roce Pro off-road motory s nepřímým vstřikováním a motory CF používající palivo s hmotnostním objemem síry nad 0,5 %. Může být použit místo CD olejů. Zavedeno v roce Pro vysoko-rychlostní, čtyřdobé, atmosféricky plněné motory CE a motory s turbodmychadlem. Může být použit místo CC a CD olejů. CD-II Zavedeno v roce Pro dvoudobé motory. CD Zavedeno v roce Pro atmosféricky plněné motory a motory s turbodmychadlem. CC Pro motory z roku CB Pro středně zatížené motory z roku 1949 až CA Pro lehce zatížené motory z roku

53 2.2.4 Motocyklové motorové oleje V publikaci (Cihlář a kol., 2008) je uvedeno, že oleje pro mazání čtyřdobých motorů motocyklů jsou sice podobné automobilovým motorovým olejům, ale nejsou stejné. Pro posouzení kvality olejů pro výkonné 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. Cihlář a kol. (2008) dále uvádějí, že 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 19. 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. 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. 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 19 SSI Shear Stability Index = index střihové stability. 53

54 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. V publikaci (Wilson, 1998) je uvedeno, že 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. V recepturách motorových olejů pro čtyřdobé motocykly se vyskytují jako základové oleje jednak syntetické uhlovodíkové oleje, tak syntetické estery, ale i hydrokrakované minerální oleje. 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. Cihlář a kol. (2008) i Wilson (1998) uvádějí, že 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 54

55 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. 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 na mazaná místa. Velmi významně snižují opotřebení motoru při startu a poskytují vynikající ochranu motoru v celém rozsahu provozních teplot Automobilové motorové oleje Automobilový motorový olej je jeden z technologicky nejsložitějších výrobků olejářských společností, jehož vlastnosti jsou dány řadou mnohdy protichůdných technických požadavků a parametrů. Pro ilustraci lze uvést několik oblastí, které vyjadřují požadavky, jež výrobci motorů kladou na motorový olej. Jak uvádí (Mang a Dresel, 2001), jsou motorové 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, 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 Manga a Dresel (2001) 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, 55

56 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. 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 Motorové oleje pro zemědělské stoje a univerzální traktorové oleje Mimo klasického motorového oleje určeného pro zemědělské a stavební stroje, které mají obdobné vlastnosti jako automobilové motorové oleje, se u těchto strojů často používá univerzální traktorový olej. Jako univerzální traktorové oleje jsou obvykle chápány dva typy olejů, které jsou označovány jako STOU 20 a UTTO STOU Super Tractor Oil Universal = (super) univerzální traktorový olej. 21 UTTO Universal Tractor Transmission Oil/Fluid = univerzální převodový traktorový olej/kapalina. 56

57 Kunz (2006) uvádí, že STOU oleje jsou multifunkční víceúčelové produkty, které se používají jako náplň do motoru, hydraulického systému a převodového ústrojí prakticky pro každý moderní traktor, sklízecí mlátičku a další zemědělskou techniku. Použitím STOU olejů se dosáhne finanční úspory (jeden olej místo tří) a zjednoduší se údržba stroje. K výrobě se používají pouze vysoce kvalitní suroviny. V publikaci (Kržan a Vižitin, 2003) je uvedeno, že oleje UTTO jsou takové specifické produkty, které je možno použít jako náplň do převodového ústrojí, spojkového ústrojí, mokré brzdy, hydraulického systému. Opět je lze využít pro traktory, sklízecí mlátičky a další zemědělskou techniku. UTTO nejsou použitelné jako motorové oleje, tudíž není dál těmto olejů věnována pozornost. 2.3 Čtyřdobý pístový spalovací motor Tato kapitola je věnována čtyřdobým pístovým spalovacím motorům, aby bylo zřejmé, jaká technická zařízení jsou motorovými oleji přesně mazána. V publikaci (Bauer a kol., 2006) je uvedeno, že spalovací motory jsou od svého objevení předmětem stálého zájmu konstruktérů, což umožňuje jejich přizpůsobování novým požadavkům, které vyplývají z rostoucích nároků kladených ze strany uživatelů a mezinárodních norem omezujících negativní vlivy provozu motorů na životní prostředí. Výrobci motorů mají snahu vyrábět výkonné a přitom energeticky přijatelné motory. Největší modernizace se dnes objevuje především v oblasti přípravy palivové směsi a aplikace elektroniky v řízení a ovládání motoru. Elektronika dokáže na základě soustavy snímačů a akčních členů provádět stálou kontrolu a regulaci motoru a současně spojovat řízení motoru s ostatními skupinami, např. převodovým ústrojím, podvozkem atd. Cílem prováděných změn je snížit spotřebu paliva, ztrátové výkony, tepelné namáhání, opotřebení, emise a náročnost na údržbu. Grečenko (1970) definuje pístový spalovací motor jako tepelný stroj, u něhož se získává mechanická energie termochemickým uvolňováním energie z přivedeného paliva, což se projeví zvýšením teploty a tlaků plynů ve spalovacím prostoru. Zvýšený 57

58 tlak ve válci působící na píst při expanzi koná užitečnou práci. Proto lze spalování v motorech považovat za přeměnu tepelné energie na mechanickou práci. Na Obrázku 18 jsou znázorněny hlavní vnitřní pohyblivé motorovým olejem mazané díly v zážehovém tříválcovém motoru Škoda 1,2 HTP, 40 kw. Obr. 18 Hlavní vnitřní pohyblivé díly v zážehovém tříválcovém motoru (Beroun, 2010) 58

59 2.3.1 Způsob činnosti čtyřdobého pístového spalovacího motoru V publikaci (Vlk, 2003) je uvedeno, že pracovní cyklus čtyřdobého pístového spalovacího motoru probíhá během dvou otáček klikového hřídele a je složen z těchto čtyř na sebe navazujících fází: sání, komprese, expanze, výfuk. Pracovní cyklus probíhá nad pístem. Výměna náplně válce probíhá prostřednictvím ventilů ovládaných vačkovým hřídelem. Na Obrázku 19 je znázorněn pracovní cyklus čtyřdobého vznětového motoru a na Obrázku 20 je znázorněn pracovní cyklus čtyřdobého zážehového motoru. Obr. 19 Pracovní cyklus čtyřdobého vznětového motoru (Vlk, 2003) 1 sání, 2 komprese a vstříknutí paliva, 3 samovznícení a expanze, 4 výfuk 59

60 Obr. 20 Pracovní cyklus čtyřdobého zážehového motoru (Vlk, 2003) 1 sání, 2 komprese a zážeh, 3 hoření a expanze, 4 výfuk Vlk (2003) dále uvádí, že pracovní cyklus je ohraničen fázemi ovládání ventilů, viz Obrázek 21. Obr. 21 Čtyři doby jednoho pracovního cyklu čtyřdobého pístového spalovacího motoru (Vlk, 2003) Základní pozice při sání: sací ventil je otevřený, výfukový ventil je zavřený, 60

61 nedochází ke spalování. Pohybem pístu směrem do dolní úvratě vzniká vlivem podtlaku nasávací efekt, takže směs paliva a vzduchu proudí otevřeným sacím ventilem do válců. Aby bylo optimálně využito účinku klesajícího pístu, je sací ventil otevřen už předtím, než klikový hřídel dostihne horní úvratě předstih činí několik stupňů úhlu otočení klikového hřídele. Proudění nasávané směsi pokračuje ještě poté, co píst dosáhl své dolní úvratě a začal opět stoupat. Aby bylo dosaženo co největšího stupně plnosti, zůstává sací ventil otevřen ještě poté, co klikový hřídel dosáhl dolní úvratě. Jde opět o několik stupňů úhlu otočení klikového hřídele. Výfukový ventil zůstává otevřen ještě na počátku sání, aby mohly být z válce beze zbytku odstraněny proudící výfukové plyny. Základní pozice při kompresi: sací ventil je zavřený, výfukový ventil je zavřený, píst se pohybuje směrem do horní úvratě. Směs je stlačována stoupajícím pístem a krátce před dosažením horní úvratě je zapálena zapalovací svíčkou (zážehový motor) nebo dojde k samovznícení hořlavé směsi (vznětový motor). Sací ventil je pro zajištění co nejlepšího naplnění válce otevřen ještě na začátku komprese. Základní pozice při pracovním zdvihu (spalování a expanze): sací ventil je zavřený, výfukový ventil je zavřený, píst se pohybuje do dolní úvratě, dochází ke spalování směsi spojenému s jejím objemovým roztažením. 61

62 Zapálená směs hoří. Ve válci stoupá teplota a tlak. Krátce po dosažení horní úvratě dosahuje tlak své nejvyšší hodnoty a tlačí píst dolů. Přitom píst pohání přes ojnici klikový hřídel a ten další ústrojí pohonu a pomocná zařízení. Sací ventil je během pracovního zdvihu uzavřen. Protože je spalování ukončeno krátce po dosažení maximálního tlaku, je výfukový ventil otevřen již před dolní úvratí. Tím se dosáhne toho, že se spalované plyny rozproudí vysokou rychlostí a sání s sebou strhne všechny výfukové plyny. Základní pozice při výfuku: sací ventil je zavřený, výfukový ventil je otevřený, píst se pohybuje směrem do horní úvratě, nedochází ke spalování. Píst vytlačuje ven zbylé výfukové plyny. Sací ventil je otevřen už několik stupňů úhlu otočení klikového hřídele před horní úvratí, aby jim mohly bez prodlevy začít proudit čerstvé plyny potřebné pro dobu sání. Během výfukové části cyklu je výfukový ventil otevřen a uzavírá se krátce poté, co píst dosáhne horní úvratě. Přípravou palivové směsi se detailněji zabývá Macek (2007) a Ferenc (2006) Základní konstrukční koncepce čtyřdobých pístových spalovacích motorů Beroun (2010) uvádí, že čtyřdobé pístové spalovací motory jsou zpravidla konstruovány jako víceválcové jednotky. Uspořádání válců je nejčastěji v řadě (tzv. řadové motory), některé konstrukce mají vidlicové uspořádání dvou řad válců (ve tvaru písmene V) a vyskytují se konstrukce automobilových motorů s plochým uspořádáním válců (tzv. ležaté boxer motory). Víceválcové automobilové motory se vyznačují větší rovnoměrností chodu a lze u nich dosáhnout i vyšší kvalitu vyvážení nerovnoměrně se pohybujících hmot (setrvačných sil). O vhodnosti koncepce motoru rozhodují především hmotnost motoru a zástavbové rozměry, výrobní cena, sériovost výroby, požadavky na kulturu chodu (rovnoměrnost otáčení a torzní vlastnosti klikového 62

63 hřídele, vyvážení) a provozní náklady (vč. náročnosti na údržbu). Zmíněné základní varianty automobilových motorů jsou schematicky zakresleny na Obrázcích 22 až 24. Obr. 22 Řadový čtyřválcový motor s trojnásobným uloženým klikovým hřídelem (Beroun, 2010) Pro zvýšení tuhosti celého motoru z důvodů větší životnosti se častěji volí pětinásobné uložený klikový hřídel, tj. s ložiskem za každým zalomením. Obr. 23 Pohled na dvojici válců s uspořádáním do V (Beroun, 2010) Úhel rozevření válců je různý, většinou od 60 do 90. Některé nové generace V-motorů jsou řešeny jako kombinace řadového a vidlicového uspořádání s úhlem rozevření 15 a střídavým řazením válců v řadách. 63

64 Obr. 24 Dvouválcový ležatý boxer motor (Beroun, 2010) V publikaci Beroun (2010) je dále uvedeno, že čtyřdobý pístový spalovací motor představuje velmi složitý systém, který může kvalitně a spolehlivě pracovat pouze tehdy, budou-li úspěšně zvládnuty všechny problémy, jejichž řešení vyžaduje hluboké znalosti mechaniky tuhých těles, mechaniky tekutin a výrobních technologií. K moderně řešeným motorům dnes patří i složité systémy automatizovaného řízení založené na kombinaci mechanických, pneumatických, hydraulických, elektrických a elektronických prvků a soustav. Teoretické, konstrukční a výrobní řešení kvalitního automobilového motoru musí respektovat všechny poznatky a zkušenosti moderní vědy. Bez kvalitních znalostí a vysoce kvalifikovaných pracovníků ve výzkumu, vývoji a výrobě v podnicích automobilového průmyslu a kvalifikovaném servisním zabezpečení provozu automobilů se na trhu nemůže uplatnit žádný nový výrobek Mazání motoru V publikaci (Vlk, 2003) je uvedeno, že hlavní funkcí mazací soustavy je vytvořit tenký olejový film na třecích plochách tak, aby se relativní pohyb součástí uskutečnil jako kapalinné (hydraulické) tření. Výsledkem je snížení míry opotřebení součástí. Míra tření je tak převáděna z polosuchého tření na tření kapalinné. Zcela je nutno mazáním zamezit suchému tření součástí. Tím je dosaženo nejmenšího odporu proti pohybu součásti. Zároveň je úkolem mazání odvádět teplo. Olej tak ochlazuje nejvíce tepelně namáhané součásti (např. píst) a vymezuje provozní vůle smontovaných součástí. 64

65 Dalším úkolem mazání je chránit soustavu mazání a součásti mazané před korozí, odvádět nečistoty a zvyšovat těsnost pístní skupiny motoru. Tak je zabráněno průniku plynů do prostoru klikové skříně. Jako ostatní součásti motoru prošlo i mazání motoru svým vlastním vývojem. Od mazání rozstřikem až k současnému tlakovému mazacímu systému. Souběžně probíhal i vývoj olejů, viz kapitola Motorové oleje. Vlk (2003) rozlišuje následující systémy mazání: Mazání mastnou směsí, kdy je mazací olej smíchán ve stanoveném poměru s palivem (1:25 až 1:1000), což se využívá u dvoudobých motorů. Mazání čerstvým olejem (ztrátové). Tlakové oběžné mazání, kde je k mazacímu místu přiveden olej pod tlakem od olejového čerpadla. Mazána jsou důležitá mazací místa, navíc pomocí rozstřiku oleje jsou mazány další součásti motoru. Zvláštním druhem tlakového oběžného mazání je mazání se suchou skříní. Nejdůležitější mazací místa, která musí být prostřednictvím mazací soustavy dostatečně zásobována olejem, jsou ložiska klikové skříně, ojniční ložiska, zdvihátka, ložiska vačkového hřídele, vačky, ventilové páky a vahadla, rozvodový řetěz s napínákem, pracovní plochy válců a pohon příslušenství Tlakové oběžné mazání V publikaci (Vlk, 2003) je uvedeno, že u dnešních vozidlových motorů se používá výhradně mazání tlakové. Mazací olej je na jednotlivá místa vytlačován olejovým čerpadlem a obíhá motorem (oběžné mazání). Na Obrázku 25 je znázorněn oběh motorového oleje u tlakového oběhového mazání, kde se čárkovaně znázorněné olejové kanály používají jen u vznětových motorů. Tlakové oběžné mazání je dnes nejčastějším mazacím systémem. U tohoto systému saje čerpadlo olej z olejové vany. Sítem a filtrem vyčištěný olej je vytlačován potrubím k mazacím místům. 65

66 oleje: Vlk (2003) rozlišuje dva způsoby tlakového mazání, a to podle umístění zásoby mazání s mokrou skříní, mazání se suchou skříní. Obr. 25 Oběh motorového oleje u tlakového oběhového mazání (Vlk, 2003) 1 vačkový hřídel, 2 hydraulická hrníčková zdvihátka, 3 chlazení pístů rozstřikem oleje, 4 přepouštěcí ventil, 5 zpětný uzávěr oleje, 6 přetlakový ventil, 7 turbodmychadlo, 8 olejové čerpadlo, 9 podtlakové čerpadlo, 10 tlakový regulační ventil, 11 spínač tlaku oleje, 12 čistič (filtr) oleje, 13 chladič oleje Mazání s mokrou skříní (mazání z klikové skříně) je obvyklým způsobem mazání vozidlových spalovacích motorů. Olejovou nádrží je spodní víko motoru (olejová vana), 66

67 kde se olej shromažďuje a chladí. Odtud je olej přes hrubý čistič oleje nasáván olejovým čerpadlem do soustavy mazání motoru, tj. do vedení oleje a do mazacích kanálků (Obrázek 26). Většinou se používají další čističe a někdy také chladiče oleje. Obr. 26 Tlakové oběhové mazání s mokrou skříní (Vlk, 2003) 1 přetlakový ventil, 2 čistič (filtr) oleje, 3 zubové čerpadlo, 4 vedení od hlavního ložiska klikového hřídele k ojničnímu ložisku, 5 sací zvon se sítem, 6 hlavní vedení tlakového oleje k ložiskům klikového hřídele, 7 zpětný tok oleje z rozvodové do klikové skříně, 8 vedení k ložiskům vačkového hřídele Příliš vysokému tlaku oleje v důsledku jeho vysoké viskozity, především při a po spuštění studeného motoru, se zamezuje pojistným omezovacím tlakovým ventilem, který je umístěn bezprostředně za olejovým čerpadlem. Z mazaných míst odkapává olej a odtéká zpět do olejové jímky ve spodním víku motoru. Množství oleje v jímce musí být možné kontrolovat. K tomu většinou slouží měrka oleje. Nová vozidla používají elektronické snímače pro měření dostatečného množství oleje, které předávají informaci na přístrojovou desku. I tato vozidla bývají stále vybavena měrkou oleje. 67

68 Mazání se suchou skříní (mazání z oddělené olejové nádrže), jak popisuje Vlk (2003), se nejvíce používá u motorů pro terénní vozidla, sportovní vozidla, traktory a motocykly. Zásoba oleje je mimo spodní víko motoru v samostatné nádrži, viz Obrázek 27. Ta je umístěna buďto přímo na spodním víku nebo je mimo motor, uložena v rámu nebo karoserii vozidla. Olejové čerpadlo je pak dvoustupňové. První stupeň odsává olej ze spodního víka motoru (vany) do olejové nádrže. Druhý stupeň je tlakové čerpadlo pro mazací soustavu. Výhodou mazání se suchou klikovou skříní je uspořádání zásobní nádrže, která zajišťuje spolehlivé mazání všech míst také při extrémním náklonu vozidla. Rovněž je zajištěno spolehlivé mazání při rychlém projíždění zatáček. Obr. 27 Princip mazání se suchou skříní (Vlk, 2003) Olejová čerpadla Olejová čerpadla jsou podle Vlka (2003) u motorů s rozvodem OHV 22 nejčastěji poháněna od hřídele rozdělovače, který je v poměru 1:1 poháněn od vačkové hřídele. U motorů s rozvodem OHC 23, resp. DOHC 24, zajišťuje pohon olejového čerpadla zpravidla ozubený řemen nebo řetěz, případně je pohon proveden ozubeným soukolím přímo od klikového hřídele. 22 OHV overhead valves visuté ventily jsou v hlavě válců, vačkový hřídel je uložen v klikové skříni. (Vlk, 2003) 23 OHC overhead camshaft vačkový hřídel a visuté ventily jsou umístěny v hlavě válců. (Vlk, 2003) 24 DOHC double overhead camshaft ventilový rozvod se dvěma vačkovými hřídeli v hlavě válců. (Vlk, 2003) 68

69 Vlk (2003) dále uvádí, že u vozidlových motorů se používají tato olejová čerpadla: zubová, srpkovitá (s vnitřním ozubením), rotační s vnějším a vnitřním rotorem. Zubové čerpadlo (Obrázek 28) se skládá ze skříně, v jejíž dutině jsou uložena dvě stejná ozubená kola, která jsou spolu v záběru. Hnací kolo je spojeno s hnacím hřídelem, hnané kolo je uloženo otočně na čepu. Při otáčení kol vzniká za místem záběru v mezerách mezi rozestupujícími se zuby podtlak. Olej se nasává do mezer mezi zuby a po obvodě kol je dopravován na výtlačnou stranu. Zde jdou zuby opět do záběru, objem mezer mezi zuby se zmenšuje, a tím je olej vytlačován do výtlačného potrubí. Obr. 28 Zubové čerpadlo Čerpadlo s vnitřním ozubením (Obrázek 29) je modernější formou zubového čerpadla. Menší vnitřní kolo s vnějším ozubením je většinou umístěno přímo na klikovém hřídeli. Vnější kolo s vnitřním ozubením je vzhledem k vnitřnímu kolu umístěno excentricky (výstředně). Tak vzniká sací prostor a tlakový prostor, přičemž tyto prostory jsou vzájemně odděleny tělesem ve tvaru srpku. Olej se přepravuje 69

70 v zubových mezerách podél horní strany a podél dolní strany srpku. Záběr zubů vnitřního a vnějšího kola zabraňuje zpětnému toku oleje z výtlačné strany k sací straně. Výhodou srpkového čerpadla je vyšší přepravní výkon, především při nízkých otáčkách motoru. Odpadá zvláštní pohon čerpadla od klikového hřídele, což zjednodušuje a zlevňuje konstrukci. Obr. 29 Čerpadlo s vnitřním ozubením Trochoidní čerpadlo (Obrázek 30) je objemové čerpadlo s vnějším rotorem s vnitřním ozubením a vnitřním rotorem s vnějším ozubením (tvar křivek boků zubů je trochoidní). Oba rotory mají malý počet zubů, přičemž vnitřní rotor má o jeden zub méně než vnější rotor a je spojen s hnacím hřídelem, obvykle klikovým hřídelem. Ozubení vnitřního rotoru je tvarováno tak, že se každý zub dotýká vnějšího rotoru a úplně utěsňuje vznikající prostory. Při otáčení rotorů se na sací straně pracovní prostory uzavřené zuby postupně zvětšují, čerpadlo tak nasává. Na výtlačné straně se odpovídajícím způsobem prostory zmenšují a olej je vytlačován do výtlačného vedení. Protože se olej současně přepravuje do výtlačného vedení z několika komor čerpadla, trochoidní rotační čerpadlo pracuje rovnoměrněji, než čerpadlo zubové. Při velkém přepravním proudu může vytvářet vysoké tlaky. Trochoidní ozubení se používá u srpkového čerpadla. 70

71 Obr. 30 Trochoidní čerpadlo (Rollinger, 2005) Vlk (2003) závěrem uvádí, že olejová čerpadla nevyžadují zvláštní údržbu a málo se opotřebovávají. Vadné olejové čerpadlo je většinou nutno vyměnit, protože oprava často není možná nebo se nevyplatí Čističe oleje Čističe (filtry) oleje mají za úkol odstranit z mazacího oleje nečistoty, které se do něj dostanou v průběhu provozu motoru. Podle Braesse a Seifferta (2001) se jedná o: mechanické částice, vzniklé otěrem součástí, které jsou mazány, zbytky spáleného paliva, zbytkový spálený olej, prachové částice nasáté do motoru během provozu. Čističe (filtry) oleje můžeme rozdělit na dva základní typy: plnoprůtokové (hlavní) čističe, obtokové (vedlejší) čističe. 71

72 Plnoprůtokové čističe jsou podle Braesse a Seifferta (2001) vysoce účinné, filtrací prochází všechen olej a je tak zachycováno velké množství nečistot. Olej je tak vyčištěn během jednoho průtoku soustavou. V tělese čističe je obtokový (pojistný) ventil, který v případě neprůchodnosti čističe zajistí průtok nevyčištěného oleje k mazaným místům. Tyto čističe jsou konstruovány jako jednoúčelové a po použití se vymění za nové. Obtokové (poloprůtokové) čističe pracují podle Braesse a Seifferta (2001) tak, že tlakový olej, který je vtlačován do mazacího systému, prochází částečně přes olejový čistič (asi 5 až 10 %) a část proudí přímo k mazaným místům motoru. Obtokový čistič je připojen paralelně na hlavní olejový kanál. Vyčištěný olej odtéká z čističe do spodního víka motoru (olejové vany), k mazaným místům proudí nevyčištěný olej. Výhodou těchto čističů je vyšší čisticí schopnost, neprůchodný čistič neblokuje průtok oleje k mazaným místům. Používá se také kombinace obou druhů čističů oleje. Pak je olej čištěn rychle a dokonale. Podle konstrukce a způsobu odstranění nečistot z mazacího oleje rozděluje Vlk (2003) čističe na tyto základní druhy: s papírovou čisticí vložkou, odstředivé (cyklónové), štěrbinové. Čističe oleje s papírovou příp. textilní vložkou se používají pro jemné čistění oleje. Plšek (2010) uvádí, že filtrační vložka má schopnost zachycovat velmi jemné mechanické částice nečistot, a to již od velikosti 5 µm. Tyto čističe se používají jako obtokové i jako plnoprůtokové. Obtokové čističe jsou většinou rozebíratelné (Obrázek 31) a pravidelně se u nich vyměňuje pouze čistící vložka. Plnoprůtokové (výměnné) čističe oleje jsou nerozebíratelné (Obrázek 32), těleso čističe a vložka jsou navzájem pevně spojeny a při údržbě se vyměňují jako jeden celek. Plnoprůtokový čistič je vybaven obtokovým ventilem a zpětným ventilem. Zpětný ventil brání samovolnému vyprázdnění čističe po zastavení motoru a při spuštění motoru zajišťuje jeho okamžité mazání. Čistící vložka z hvězdicovitě složeného papíru je umístěna v tělese z ocelového plechu. Záhyby umožňují maximální využití plochy papíru. Papír je ošetřen pryskyřicí. Olej vstupuje do čističe z vnější strany a odchází středovou 72

73 trubkou, která sahá od podložky na konci víčka ve vnitřku druhého konce čističe. Trubka pomáhá udržet tvar papírového čističe, jinak by tlak a průtok oleje poškodil filtr ve středu. Perforace trubky zajišťuje proudění vyčištěného oleje zpět do motoru. Obr. 31 Rozebíratelný čistič motorového oleje (Vlk, 2003) 1 těleso čističe, 2 pružná miska, 3 čisticí vložka, 4 pružina, 5 přítlačný talířek, 6 membrána, 7 kroužek, 8 víko čističe, 9 podložka, 10 šroub, 11 těsnění Obr. 32 Výměnný nerozebíratelný čistič motorového oleje (Vlk, 2003) Odstředivý (cyklónový) čistič oleje, jak je popsáno v publikaci (Vlk, 2003), zachycuje ty nejjemnější částice a vylučuje je odstředivou silou na stěně rotoru tohoto čističe. Tento čistič pracuje jako odstředivka, tzn. s volným odtokem oleje. Používá se výhradně jako obtokový filtr. Částice nečistot se odstřeďují na vnitřní stěnu rotoru 73

74 a zůstávají tam jako zahuštěná vrstva, která se musí v předepsaných servisech údržby odstranit (po rozložení odstředivky). Čistič oleje se v poslední době spojuje s chladičem oleje a vytváří tzv. jednotku čištění oleje, viz Obrázek 33. Obr. 33 Jednotka složená z čističe oleje a chladiče oleje (Vlk, 2003) 1 tlakový olej od olejového čerpadla, 2 předfiltrovaný motorový olej, 3 obtokový čistič oleje, 4 chladicí kapalina Štěrbinový (lamelový) čistič je podle Vlka (2003) čistič plnoprůtokový, který se používá pouze ve zvláštních případech jako přídavné čištění u motorů, které musí pracovat v prostředí o vysoké prašnosti (lomy, doly, pole apod.). Čisticí vložka se skládá z lamel a hvězdic vyrobených z tenkého ocelového plechu. Hvězdice a lamely jsou střídavě uloženy na čepu a čištěný olej prostupuje mezerami mezi nimi. Nečistoty se zachycují na povrchu vložky a jsou mechanicky stírány pootáčením vložky. Tento typ olejového čističe je zobrazen na Obrázku

75 Obr. 34 Štěrbinový a obtokový čistič motorového oleje (Vlk, 2003) 1 připouštěcí ventil, 2 páčka k pootáčení lamelami, 3 štěrbinový čistič, 4 stírací kartáč, 5 lamela, 6 distanční vložka, 7 obtokový čistič, 8 papírová lamela, 9 papírová distanční vložka, 10 sací koš, 11 zubové čerpadlo, 12 hlavní kanál Etzold (2010) uvádí, že při pravidelné výměně motorového oleje, jejíž délku stanovuje výrobce vozidla, se vždy současně mění i olejové čističe. U čističů odstředivých a štěrbinových se vyčistí, vyperou vložky, odstraní se usazená vrstva karbonu a čističe se sestaví. Po namontování se utěsní dokonale spojení s motorem a přívodním potrubím. Tělesa těchto čističů se dokonale očistí před montáží filtračních vložek Možné závady mazací soustavy Podle Vlka (2003) mohou mazací soustavy vykazovat dva okruhy závad: náhlý pokles nebo ztráta tlaku mazacího oleje, náhlé zvýšení mazacího tlaku. 75

76 Pokud se při měření tlaku pomocí manometru projeví pozvolný pokles tlaku a při zahřátém motoru je rozsvícena kontrolka mazání, jedná se ve většině případů o zvýšené opotřebení hlavního uložení klikového hřídele a ojnic motoru. Mazací tlak oleje je možné zvýšit seřízením redukčního ventilu na původní hodnotu tj. 0,4 0,5 MPa. Vyšší tlak vede k poškození filtračních vložek a může dojít i k jejich protržení. Protože hlavní tlak drží klikový hřídel jako základní součást motoru, je pokles tlaku signálem zvýšení opotřebení jeho ložisek. Podle toho Vlk (2003) usuzuje na nutnost jejich možné výměny nebo na celkovou generální opravu motoru. Další příčiny náhlé ztráty tlaku můžou být způsobeny: nefunkčností olejového čerpadla, nedostatkem oleje, prasklou pružinou redukčního ventilu, prasklou trubkou sacího koše čerpadla, prasklou trubkou v soustavě mazacího rozvodu. Pozvolný pokles tlaku oleje způsobuje: ucpaný hrubý čistič oleje na sacím koši v olejové nádrži, příliš řídký (málo viskózní) olej vlivem přehřátí motoru, zvýšená vůle čepů klikového mechanizmu, zvýšená vůle ozubených kol olejového čerpadla. Náhlé zvýšení tlaku oleje může způsobit ucpání kanálů soustavy mazání motoru nebo přívodního potrubí. Podobné možné závady mazací soustavy uvádí ve své publikaci i Horejš a Motejl (2009). 76

77 3 CÍLE PRÁCE Tato disertační práce s názvem Reologický profil motorového oleje používaného ve čtyřdobých pístových motorech má několik dílčích cílů, které jsou seřazeny v této kapitole: Prvním z dílčích cílů této disertační práce je předložit rozsáhlý a aktuální literární přehled za použití významných českých i zahraničních zdrojů. Literární přehled by se měl zabývat především třemi nejdůležitějšími oblastmi, které jsou vázány na celé téma práce. Jsou to: reologie, maziva a čtyřdobí pístový spalovací motor. Druhým dílčím cílem této práce je předložit přesný a věcný přehled použitého materiálu a zvolených metodik, aby bylo možné kdykoliv v budoucnu popsané experimenty zopakovat. Třetím dílčím cílem této práce je odběr zkoumaného materiálu, tedy motorového oleje. Odběr upotřebeného motorového oleje z motorů vybraných vozidel (motocykly, automobily, zemědělská technika) je velmi důležitým krokem k následnému získání kvalitních a nezkreslených výsledků. Při odběrech motorového oleje je nutno dbát na volbu vhodného odběrného místa. Rovněž je zapotřebí používat velmi čistou (dezinfikovanou) odběrovou aparaturu a vzorkovnice. Čtvrtým dílčím cílem této práce je provedení experimentů. Analyzovat se budou reologické a tokové vlastnosti motorových olejů. Sledována bude časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí motorového oleje, vliv smykové rychlosti na smykové napětí motorového oleje, vliv teploty a degradace motorového oleje na jeho dynamickou i kinematickou viskozitu a hustotu (měrnou hmotnost). Pátým dílčím cílem této práce je vyhodnocení získaných dat. Pro sledování stavu degradace motorového oleje budou získané výsledky upotřebeného oleje srovnány s výsledky oleje nepoužitého (nového) stejné značky a specifikace. Šestým a velmi významným dílčím cílem této práce bude sestavení matematických modelů popisujících fyzikálně-mechanické stavy motorových olejů používaných v motorech motocyklů, automobilů a zemědělských strojů. Použity budou programy Matlab, Microsoft Excel, Statistica a Maple. Mezi 77

78 naměřenými a vypočtenými hodnotami budou zjišťovány korelační koeficienty R a koeficienty determinace 2 R. K matematickému modelování budou použity vybrané vztahy a funkce Vogelův vztah, Arrhéniův vztah, Gaussův vztah, exponenciální funkce, lineární funkce, mocninná funkce, nelineární lomená funkce a polynomy vyšších stupňů. Vytvořené matematické modely mohou sloužit k predikci chování motorových olejů a kapalin podobných vlastností. Sedmým dílčím cílem této práce bude vytvoření diskuze a závěrů k získaným výsledkům a jejich následné porovnání s výsledky obdobných výzkumů publikovaných především v zahraničních publikacích. Kompletní splnění vytyčených dílčích cílů této disertační práce dává vysoký předpoklad k vytvoření srozumitelné, aktuální a přínosné vědecké práce. 78

79 4 MATERIÁL A METODIKA V této kapitole je vytvořen přehled měřicích zařízení a analyzátorů, které byly při měření reologických a tokových vlastností, teplotních závislostí dynamické a kinematické viskozity a teplotních závislostí hustoty (měrné hmotnosti) motorového oleje použity. Dále jsou zde popsány jednotlivé motorové oleje motocyklové, automobilové a motorové oleje pro zemědělské stroje. U upotřebených motorových olejů jsou přehledně uváděny další důležité informace, jako je například nájezd na daný motorový olej. U motocyklů a automobilů se nájezd udává běžně v kilometrech, u zemědělské techniky je to nejčastěji v motohodinách Použité měřicí přístroje K měření reologických a tokových vlastností i k měření teplotních závislostí dynamické a kinematické viskozity byl použit rotační viskozimetr Anton Paar DV 3P, u nějž byla používána různá standardizovaná vřetena. K měření teplotní závislosti hustoty (měrné hmotnosti) byl použit přenosný digitální hustoměr Densito 30 PX od firmy Mettler Toledo Rotační viskozimetr Měření probíhalo na rotačním viskozimetru Anton Paar DV 3P, který měří krouticí moment rotujícího vřetena ponořeného do vzorku. Na Obrázku 35 je fotografie použitého rotačního viskozimetru propojeného s osobním počítačem. 25 Motohodina je veličina měřená u strojů a motorů, u kterých nelze měřit jinak množství odvedené práce nebo příkon. Typicky u stavebních a zemědělských strojů. Je vztažena ke jmenovitým otáčkám motoru a je definována takto: Jedna hodina práce motoru při jmenovitých otáčkách = jedna motohodina. Udává tedy přibližně zatížení motoru. Orientačně lze podle ní zjistit např. spotřebu paliva, určuje servisní intervaly apod. Pro přesnější popis zatížení a opotřebení motoru a tedy i odvedené práci a jeho skutečného stavu, by bylo třeba uvádět ještě dobu trvání práce v občanském čase a celkovou spotřebu paliva. (Pacas, 1987) 79

80 Obr. 35 Rotační viskozimetr Anton Paar DV-3P Tento viskozimetr pracuje na principu měření kroutící 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 kinematické 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. 80

81 Na Obrázku 36 je schématické znázornění měřícího zařízení. Obr. 36 Schématické znázornění mechanismu měření (Severa, 2008) Technické údaje použitého přístroje Anton Paar DV 3P 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 mpa.s = 1,6 *) do mpa.s *) omezeno vlivem turbulence **) pro měření odpovídající 10 % plného rozsahu 81

82 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: 10 C až 150 C Rozlišení: 0,1 C 82

83 Přesnost: ±0,25 C Opakovatelnost: ±0,1 C Výstupy: RS 232 Zapisovač 1 kanál 0 V do 5 V DC vstup 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 reologických vlastností byl použit adaptér pro měření malých vzorků a vřeteno TR8. Měření s uvedeným vřetenem má oproti měření se standardními vřeteny výhodu ve vyšší dosažené přesnosti. Vzhledem k paralelní válcové geometrii může být měřena rychlost deformace a smykové napětí. K měření teplotní závislosti dynamické a kinematické viskozity bylo použita vřetena R3, R4 a TR8 v závislosti na viskozitní třídě měřeného motorového oleje. Stejně jako u dalších měření, mají podle Severy (2008) i zde kromě reologických vlastností vliv na výsledek měření i další faktory: teplota vzorku (pro opakovatelnost experimentu se považuje za přijatelnou hranici 0,1 C), průměr zásobníku vzorku / geometrie kanálu vřetena, plnění zásobníku / vnoření vřetena, 83

84 model viskozimetru, použité vřeteno, rychlost deformace při testu (pro ne-newtonské kapaliny), trvání testu (pro časově závislé kapaliny). Je možné porovnávat pouze měření prováděná za identických podmínek, a proto je důležitý záznam výše uvedených dat Postup měření reologických a tokových vlastností motorového oleje K měření reologických a tokových vlastností bylo použito speciální vřeteno TR8 v kombinaci s adaptérem pro měření malých vzorků. Pro měření smykového napětí byla do adaptéru pro měření malých vzorků vkládána kyveta s 15 ml vzorku motorového oleje. Otáčky vřetene byly nastavovány na hodnoty od 10 do 200 za minutu. Smyková rychlost (někdy též označována jako smykový spád) se pro použité vřeteno stanovuje jako 0,93 otáček vřetena. Dále byla nastavena vhodná vzorkovací frekvence. Rozsah smykové rychlosti byl tedy od 9,3 s -1 do 186 s -1. Teplota vzorku byla udržována na 40 C, což je, dle ISO 8217:2012, standardizovaná referenční teplota pro předestilované ropné kapaliny Postup měření teplotní závislosti dynamické a kinematické viskozity motorového oleje K měření teplotní závislosti dynamické a kinematické viskozity motorového oleje byla použita vřetena R3 a R4. Tato vřetena jsou nejvíce vhodná pro stanovování teplotní závislosti dynamické a kinematické viskozity kapalin podobných tokových vlastností jako motorového oleje. Počet otáček vřetena byl vždy zvolen dle viskozitní třídy motorového oleje od 20 do 100 za minutu. Dále byla nastavena vhodná vzorkovací frekvence. Vzorek motorového oleje byl odměřen do kyvety s objemem 250 ml. Vzorek byl poté zchlazen na teplotu 10 C. Kyveta se vzorkem byla umístěna do měřicího prostoru rotačního 84

85 viskozimetru, kde byl olej pozvolna zahříván až do teploty asi 100 C. Přesná teplota byla sledována pomocí kalibrovaného teplotního senzoru Pt 100. Srovnávací měření kinematické i dynamické viskozity motorových olejů probíhalo v adaptéru pro měření malých vzorků (15 ml) za použití vřetena TR8 a při teplotě vzorku 40 C v temperovací lázni Digitální hustoměr Hustota (měrná hmotnost) byla měřena pomocí přenosného digitálního hustoměru Densito 30 PX od firmy Mettler Toledo. Tento hustoměr je vybaven speciální stupnicí pro měření ropných produktů. Tento přenosný hustoměr umožňuje během krátké doby zjistit hustotu vzorku. Přístroj používá metodu oscilující trubice v kombinaci s přesným měřením teploty. Vzorkovací hadička se ponoří do vzorku a po nasátí se automaticky spustí měření. Výsledek se zobrazí na displeji v několika sekundách. Hustoměr je vybaven pumpou s regulovatelnou rychlostí nasávání a speciálním otvorem pro možný vstřik vzorku externí stříkačkou (pro velmi viskózní vzorky). Přístroj má automatickou teplotní kompenzaci nebo 10 teplotních kompenzačních koeficientů. Kalibrace se provádí na vzduch nebo vodu. Do interní paměti lze uložit až 1100 výsledků vzorků a přenést do osobního počítače pomocí infračerveného rozhraní. Densito 30 PX se dodává v kufříku s kompletním vybavením, viz Obrázek

86 Obr. 37 Přenosný digitální hustoměr Densito 30 PX (Merci, 2013) Technické údaje použitého přístroje Densito 30 PX: Měřící rozsah hustoty: 0 až 2 g cm -3 Měřící rozsah teploty: 0 až +60 C Rozlišení: 0,0001 g cm -3 Přesnost: 0,001 g cm -3 86

87 Jednotky měření: hustota, specifická hmotnost, Brix%, alkohol, Baumé, Plato, API, kyselina sírová, koncentrace. Identifikace vzorku: datum, čas a identifikace přístroje Postup měření teplotní závislosti hustoty motorového oleje Měření teplotní závislosti hustoty motorového oleje bylo prováděno na vzorku motorového oleje o objemu 250 ml. Toto množství bylo umístěno do kyvety, ve které se poté nechal vzorek zchladit na teplotu 10 C. Vzorek motorového oleje byl dále pozvolna zahříván do teploty 60 C. Měření (odečet hustoty) bylo prováděno vždy po 5 C. Přesná teplota byla sledována pomocí digitálního teploměru Greisinger GTH Srovnávací měření hustoty motorových olejů probíhalo v kyvetě o objemu 250 ml, při teplotě 40 C v temperovací lázni. 4.2 Motorové oleje Měřeno a analyzováno bylo značné množství motorových olejů. Jednalo se o motorové oleje motocyklové, automobilové a pro zemědělské stroje různých viskozitních a výkonnostních tříd. Měření upotřebeného motorového oleje bylo vždy doplněno měřením nového (nepoužitého) motorového oleje stejné značky a specifikace. To umožnilo stanovení míry degradace jednotlivých upotřebených olejů. Pro lepší přehlednost jsou jednotlivé motorové oleje rozděleny do následujících podkapitol. U každého měřeného motorového oleje, který byl v této práci analyzován, je uvedeno: oblast použití, výrobce, 87

88 obchodní označení, viskozitní třída, výkonnostní třída (ACEA, API, JASO, firemní norma nebo kombinace). Přesný popis měřeného vzorku poté vypadá například takto: automobilový motorový olej, Castrol, Magnatec, 10W-40, ACEA A3/B4. Bude-li popisován vzorek přímo v kapitole/podkapitole, kde je již z názvu zřejmé, že se jedná například o motocyklové motorové oleje, nebude již oblast použití znovu uváděna. Přesný popis pak bude vypadat například takto: Paramo, Trysk M8AD, 15W-50, API SE/CC. V dalších kapitolách se budou, především kvůli úspoře místa a lepší přehlednosti, používat zkratky, které jsou u jednotlivých motorových olejů, umístěny v tabulkách ve sloupci Označení. Zkratka je složena ze tří velkých písmen, podtržítka a číslovky. První velké písmeno je zkratka pro oblast mobilní techniky (M motocykl, A automobil, Z zemědělský stroj). Druhé a třetí písmeno je zkratka pro motorový olej (vždy MO). Číslovka za podtržítkem označuje pořadí oleje v jednotlivé tabulce. Tvar zkratky bude pak vypadat takto: XMO_i. ) Motocyklový motorový olej Motocyklové motorové oleje, u kterých byly stanovovány reologické vlastnosti a teplotní závislost kinematické viskozity a hustoty jsou uvedeny a popsány v Tabulce VI. 88

89 Tab. VI Seznam měřených motocyklových motorových olejů označení výrobce obchodní označení viskozitní třída výkonnostní třída MMO_1 Castrol Power 1 10W-40 JASO MA 2, API SJ MMO_2 Castrol Power 1 Racing 4T 10W-50 JASO MA, API SL MMO_3 Fuchs Silkolene Comp 4 10W-40 JASO MA, API SG/SH/SJ MMO_4 Chevron Motex 4T X 10W-40 JASO MA, API SL MMO_5 Motul 5100 Ester 4T 10W-40 JASO MA, API MMO_6 Motul T 10W-40 SG/SH/SJ/SL JASO MA, API SG/SH/SJ/SL MMO_7 Repsol Moto 4T Off Road 10W-40 JASO MA, API SJ. MMO_8 Valvoline DuraBlend 4T 10W-40 JASO MA, API SG Upotřebený motorový olej byl odebírán z několika druhů motocyklů osazených čtyřdobými motory s různým počtem válců a rozdílným výkonem. Podrobný přehled je sestaven v Tabulce VII. Doporučovaný interval výměny motorového oleje u těchto motocyklů byl pro všechny stroje stejný, a to 6000 km. Tab. VII Vybrané motocykly značka typ kategorie objem válců, cm 3 počet válců, ks výkon, kw Honda XL 700 V Transalp enduro Honda CBR 600 F silniční cestovní Kawasaki ZX-9R Ninja silniční sportovní Suzuki GSX-R 750 silniční sportovní Triumph Tiger nakedbike Yamaha SR 125 silniční cestovní Yamaha XV 1100 Virago chopper Nakedbike Jedná se o motocykl bez kapotáže, nebo pouze s malou aerodynamickou kapotáží, který se od supersportovních motocyklů liší i svou ergonomií. Jezdec zde má obvykle vzpřímenější pozici, která je pohodlnější i na delší trasy a je dána především vyšším umístěním řídítek. (Gscheidle a kol., 2005) 27 Chopper Motocykl s výraznými vzhledovými úpravami. Podstatnější než jízdní výkony je jeho vzhled. Typicky je vybaven dvouválcovým vidlicovým motorem o zdvihovém objemu kolem 1000 cm³. V původním smyslu slova byl chopper osekaný (chopped) motocykl, bez nepodstatných součástí. (Gscheidle a kol., 2005) 89

90 4.2.2 Automobilový motorový olej Automobilové motorové oleje, u kterých byly stanovovány reologické vlastnosti a teplotní závislost dynamické a kinematické viskozity a hustoty jsou uvedeny a popsány v Tabulce VIII. Tab. VIII Seznam měřených automobilových motorových olejů označení výrobce obchodní viskozitní označení třída výkonnostní třída AMO_1 Carlson Millenium ACEA A3/B3/B4, API 5W-40 SYNTH SJ/CF/EC AMO_2 Castrol Magnatec 10W-40 ACEA A3/B3/B4, API SL/CF AMO_3 Castrol EDGE Formula RS 10W-60 ACEA A3/B3/B4 AMO_4 Elf Evolution CRV 0W-30 ACEA A5/B5 AMO_5 Eneos Premium Ultra 0W-20 API SM/GF-4 AMO_6 Eneos Premium Ultra 0W-50 API SM AMO_7 Mobile1 New Life 0W-40 ACEA A3/B3/B4, API SM/CF AMO_8 Mobile1 Rally Formula 5W-50 ACEA A3/B3/B4, API SJ/SL/SM/CF AMO_9 Mogul Felicia 15W-40 ACEA A3/B3, API SH/CF AMO_10 Mogul Special 20W-30 API SC/CB AMO_11 Mogul M7ADS III 20W-40 API CF-4/SF AMO_12 MOL ACEA A3/B4/E7, API CI- Gas Eco+ 15W-40 Dynamic 4/CF/SL AMO_13 Paramo TRYSK M8AD 15W-50 API SE/CC AMO_14 Q8 Formula F1 10W-50 ACEA A3, API SM/CD AMO_15 Shell Helix Ultra Extra 5W-30 ACEA C2/C3 (A3/B3/B4) AMO_16 Valvoline Racing VR1 20W-50 API SL Upotřebený motorový olej byl odebírán z několika druhů automobilů osazených čtyřdobými motory s rozdílným výkonem. Jeden automobil byl osazen zážehovým motorem, druhý zážehovým motorem provozovaným na LPG 28 a třetí vznětovým motorem přeplňovaným turbodmychadlem. Podrobný přehled automobilů je sestaven v Tabulce IX. 28 LPG Liquefied Petroleum Gas = zkapalněný ropný plyn. LPG je směs uhlovodíkových plynů používaná jako palivo do spalovacích spotřebičů a vozidel. (Štěrba a Kryžický, 2002) 90

91 Tab. IX Vybrané automobily značka typ motor přeplňování objem válců, cm 3 počet válců, ks výkon, kw zážehový Renault Scenic I ne (LPG) Škoda Felicia zážehový ne Škoda Roomster vznětový ano Motorový olej pro zemědělské a stavební stroje Motorové oleje pro zemědělské stroje, u kterých byly stanovovány reologické vlastnosti a teplotní závislost kinematické viskozity a hustoty jsou uvedeny a popsány v Tabulce X. Tab. X Seznam měřených motorových olejů pro zemědělské stroje označení výrobce obchodní označení viskozitní třída výkonnostní třída ZMO_1 Aral Gigaturboral 10W-40 ACEA E5/E7, API CH-4 ZMO_2 Castrol Agri Power 15W-40 ACEA E3/E5/B3/A4, API CH-4/SH ZMO_3 Paramo M7ADS III 15W-40 API CF/SF Upotřebený motorový olej byl odebírán z několika zemědělských strojů osazených čtyřdobými vznětovými motory s obdobným výkonem. Podrobný přehled zemědělských strojů je sestaven v Tabulce XI. Tab. XI Vybrané zemědělské stroje značka typ stroj objem válců, počet válců, výkon, cm 3 ks kw Zetor 7011 traktor Zetor 7245 traktor New Holland T 8040 traktor Fiatagri FX 9640 sklízecí řezačka New Holland CX 860 sklízecí mlátička

92 4.3 Matematické modelování Naměřená data byla zpracována a matematické modely byly sestaveny pomocí čtyř speciálních programů. Na zpracování dat a vkládání proložení pomocí definovaných funkcí (lineární, mocninná, polynomická, exponenciální, atd.) byly použity programy Microsoft Excel 2010, Statistica 10 a Matlab R2009b. V programu Matlab byly dále k proložení naměřených dat použity Vogelův vztah, Arrhéniův vztah a Gaussův vztah. K sestavení vlastních funkcí (nelineární lomená, exponenciální), kterými byla naměřená data prokládána, a k vypočítání jednotlivých koeficientů byl použit program Maple 6. U všech proložení (ve všech programech) byly sledovány hodnoty korelačních koeficientů a koeficientů determinace, jakožto objektivních ukazatelů vhodnosti použití dané funkce nebo vztahu. 92

93 5 VÝSLEDKY A DISKUZE V této kapitole je vytvořen přehled naměřených výsledků motorových olejů používaných ve čtyřdobých pístových motorech. Kvůli přehlednosti byla tato kapitola rozdělena do několika podkapitol, a to podle oblasti použití motorového oleje. V každé podkapitole (oblasti použití motorového oleje) jsou uvedeny výsledky časové závislosti dynamické viskozity nového i upotřebeného motorového oleje, časové závislosti smykového napětí nového i upotřebeného motorového oleje, závislost smykového napětí na smykové rychlosti nového i upotřebeného oleje, teplotní závislost hustoty, dynamické a kinematické viskozity nového i upotřebeného oleje. U motocyklového a u automobilového motorového oleje jsou rovněž vyhodnocovány výsledky kontinuálních odběrů. Dále byl sledován stupeň degradace upotřebených motorových olejů. Pokud to bylo možné a vhodné, byly naměřené výsledky matematicky modelovány. Získané výsledky a vytvořené matematické modely byli podrobeny diskuzi a některé výsledky byly rovněž porovnávány s výsledky obdobných výzkumů publikovaných v tuzemských a především pak zahraničních publikacích. 5.1 Motocyklový motorový olej Tato podkapitola je dále rozdělena na několik částí, a to podle měřených fyzikálních vlastností, kterými jsou především časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí motorového oleje, smykové napětí motorového oleje a viskozitní vlastnosti motorového oleje Časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí motocyklového motorového oleje U motocyklového motorového oleje byly nejprve měřeny a dály vyhodnocovány časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí. 93

94 K tomuto měření byl použit motocyklový motorový olej v této práci označován jako MMO_2. V prvním měření byl použit nový (nepoužitý) motocyklový motorový olej a ve druhém částečně upotřebený motocyklový motorový olej s nájezdem 500 km. Tento částečně upotřebený motorový olej byl odebrán z motocyklu Honda CBR 600F (více informací v Tabulce VII). Na Obrázku 38 jsou výsledky pro nový (nepoužitý) motocyklový motorový olej. Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí byly sledovány po dobu 1200 s, a to vždy po 10 s. Obr. 38 Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí nového (nepoužitého) motocyklového motorového oleje Získané výsledky byly dále matematicky modelovány pomocí lineární funkce dle obecného vztahu: ( ). (23) 94

95 platí: Pro výpočet dynamické viskozity nového motocyklového motorového oleje ( ) [ ], (24) kde η je dynamická viskozita a t je čas. Za vztahem v hranaté závorce je uvedena výsledná jednotka a za středníkem jednotky, ve kterých se do vztahu dosazují. Podle kladného znaménka koeficientu a 1 lze konstatovat, že je lineární funkce stoupající. Toto stoupání je velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 1 se blíží nule. Pro výpočet smykového napětí nového motocyklového motorového oleje platí: ( ) [ ], (25) kde τ je smykové napětí a t je čas. Podle kladného znaménka koeficientu a 1 lze i u vztahu (25) konstatovat, že je lineární funkce stoupající. Toto stoupání je opět velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 1 se blíží nule. Hodnoty korelačních koeficientů R obou lineárních proložení dosahovaly velmi vysokých hodnot 0,94, resp. 0,95. Na Obrázku 39 jsou výsledky pro částečně upotřebený motocyklový motorový olej. Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí byly sledovány po dobu 1200 s, a to vždy po 10 s. 95

96 Obr. 39 Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí částečně upotřebeného motocyklového motorového oleje Získané výsledky byly i zde matematicky modelovány pomocí lineární funkce dle obecného vztahu (23). Pro výpočet dynamické viskozity částečně upotřebeného motocyklového motorového oleje platí: ( ) [ ], (26) kde η je dynamická viskozita a t je čas. Podle záporného znaménka koeficientu a 1 lze konstatovat, že je lineární funkce klesající. Toto klesání je velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 1 se blíží nule. Pro výpočet smykového napětí částečně upotřebeného motocyklového motorového oleje platí: ( ) [ ], (27) 96

97 kde τ je smykové napětí a t je čas. Podle kladného znaménka koeficientu a 1 lze i u vztahu (27) konstatovat, že je lineární funkce klesající. Toto klesání je opět velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 1 se blíží nule. Hodnoty korelačních koeficientů R obou lineárních proložení dosahovaly velmi vysokých hodnot 0,95, resp. 0,96. V závěru této části je možno konstatovat, že nový (nepoužitý) i částečně upotřebený motocyklový motorový olej lze považovat za časově nezávislý, a to jak z hlediska dynamické (i kinematické) viskozity, tak z hlediska smykového napětí. Podobných výsledků je dosaženo i v publikacích (Yamaguchi a kol., 2013) a (Ragazzi a kol., 1996) Smykové napětí motocyklového motorového oleje Závislost smykového napětí motocyklového motorového oleje na smykové rychlosti (někdy též označované jako smykový spád) byla měřena rovněž na oleji v této práci označován jako MMO_2. V prvním měření smykového napětí byl použit nový (nepoužitý) motocyklový motorový olej, ve druhém částečně upotřebený motocyklový motorový olej s nájezdem 500 km a ve třetím měření byl použit opět částečně upotřebený motocyklový motorový olej tentokrát s nájezdem 1000 km. Oba částečně upotřebené motorové oleje byly odebrány z motoru motocyklu Honda CBR 600F (více informací v Tabulce VII). Na Obrázku 40 jsou zobrazeny naměřené výsledky smykového napětí v závislosti na smykové rychlosti pro všechny tři vzorky oleje. Smyková rychlost byla nastavována od 10 s -1 až po asi 190 s

98 Obr. 40 Závislost smykového napětí na smykové rychlosti motocyklového motorového oleje Získané výsledky byly i zde matematicky modelovány pomocí lineární funkce dle obecného vztahu (23). Pro výpočet smykového napětí motocyklového motorového oleje platí: nový (nepoužitý) motorový olej: ( ) [ ], (28) částečně upotřebený (nájezd 500 km) motorový olej: ( ) [ ], (29) částečně upotřebený (nájezd 1000 km) motorový olej: ( ) [ ], (30) 98

99 kde τ je smykové napětí a je smyková rychlost. Hodnoty korelačních koeficientů R všech lineárních proložení dosahovaly velmi vysokých hodnot 0,99. V závěru této části je možno konstatovat, že nový (nepoužitý) i částečně upotřebený motocyklový motorový olej (nájezd 500 km a 1000 km) lze považovat za newtonskou kapalinu, jelikož závislost smykového napětí na smykové rychlosti stoupá konstantně. Podobných závěrů je dosaženo i v publikacích (Šolín, 2010) a (Veselá, 2011) Dynamická a kinematická viskozita motocyklového motorového oleje Teplotní závislost nového (nepoužitého) motocyklového motorového oleje Měření kinematické viskozity bylo provedeno se šesti vzorky nového (nepoužitého) motocyklového motorového oleje (MMO_1, MMO_3, MMO_4, MMO_5, MMO_7 a MMO_8). Nejprve byla uvažována a měřena závislost kinematické viskozity na teplotě u těchto olejů. Naměřené teplotní závislost kinematické viskozity motocyklových motorových olejů jsou znázorněny na Obrázku 41. Na Obrázku 42 je znázorněna kinematická viskozita v závislosti na teplotě a hustotě. 99

100 Obr. 41 Teplotní závislost kinematické viskozity motocyklových motorových olejů Obr. 42 Závislost kinematické viskozity na teplotě a hustotě nových motocyklových motorových olejů 100

101 Z grafu na Obrázku 42 je zřejmé, že u měřených motocyklových motorových olejů není kinematická viskozita závislá na hustotě. Tento jev můžeme částečně vysvětlit různým chemickým složením jednotlivých olejů. Zatímco závislost kinematické viskozity na hustotě měřením prokázána nebyla, závislost viskozity (kinematické i dynamické) na teplotě je vysoká. Pro porovnání musíme vybrat srovnávací teplotu. Podle normy ISO 8217 je srovnávací teplota pro předestilované kapaliny 40 C. V Tabulce XII je vytvořen podrobný přehled kinematické viskozity a hustoty jednotlivých motocyklových motorových olejů při srovnávací teplotě 40 C. Tab. XII Přehled kinematické viskozity a hustoty motocyklových motorových olejů označení kinematická viskozita, mm 2 s -1 hustota, kg m -3 MMO_ MMO_ MMO_ MMO_ MMO_ MMO_ Pokles viskozity olejů se stoupající teplotou byl očekávaný a ztotožňuje se i se závěry v publikacích (Guo a kol., 2007) a (Mann, 2007). 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. Podle publikace (Steffe, 1996) existuje několik vhodných vztahů použitelných k modelování určitých situací, ale jeden matematický model vhodný pro všechny situace neexistuje. Závislost kinematické viskozity na teplotě může být modelována například pomocí Voglova vztahu: ( ), (31) kde ν je kinematická viskozita, z je hustota oleje, T 1 je celková teplota, T 2 je spodní hranice teploty soustavy kyveta-olej a T je teplota měřeného oleje. Při rostoucí teplotě 101

102 T 1 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, což je uvedeno v publikaci (Takata a Wong, 2006). Při použití Voglova vztahu byl mezi naměřenými a vypočítanými hodnotami zjištěn koeficient determinace R 2 = 0,92 ± 0,04 (pro všechny měřené oleje z Tabulky XII). 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 E a : ( ), (32) kde jsou hodnoty A a E a stanoveny experimentálně. Vyšší hodnoty E a ukazují na rychlejší změny viskozity v závislosti na teplotě. Vzhledem k neznámé viskozitě ν, při libovolné teplotě T, při referenční viskozitě ν r a při referenční teplotě T r nemusíme uvažovat konstantu. Potom nám vyplyne rovnice zapsaná v logaritmickém tvaru: ( ) ( ) ( ). (33) Takový nebo velmi podobný přístup byl použit pro popis závislosti viskozity na teplotě newtonských kapalin v publikacích (Severa a Los, 2008), (Hlaváč, 2007) a (Friso a Bolcato, 2004). Při použití Arhéniova vztahu byl mezi naměřenými a vypočítanými hodnotami zjištěn koeficient korelace R 2 = 0,96 ± 0,02 (pro všechny měřené oleje z Tabulky XII). Velmi vysokých přesností koeficientu determinace mezi naměřenými a vypočítanými hodnotami bylo dosaženo při použití Gaussova nebo polynomického modelu. Koeficientu determinace R 2 = 0,98 ± 0,001 (pro všechny měřené oleje z Tabulky XII) bylo dosaženo u polynomu 6. stupně. Dokonce ještě vyšší přesnosti, a to hodnoty koeficientu determinace R 2 = 0,99 ± 0,003 (pro všechny měřené oleje z Tabulky XII), bylo dosaženo pomocí Gaussova modelu a při použití vztahu: 102

103 ( ) ( ). (34) Příklad polynomické a Gaussovy aproximace je zobrazen na Obrázku 43, kde bylo použito naměřených hodnot vzoreku oleje MMO_3. Obr. 43 Naměřené hodnoty a matematické modely pro olej MMO_3 Obdobné matematické vztahy sloužící k popisu teplotní závislosti reologických vlastností různých materiálů byly použity v publikacích (Marcotte a kol., 2001) a (Tavares a kol., 2007). Popis poklesu viskozity s rostoucí teplotou byl ve výše uvedených publikacích obdobný. Můžeme tedy konstatovat, že dynamická i kinematická viskozita motocyklového motorového oleje je výrazně teplotně závislá. 103

104 Teplotní závislost nového, částečně upotřebeného a zcela upotřebeného motocyklového motorového oleje K měření upotřebeného motocyklového motorového oleje byly použity čtyři vzorky olejů. U motorového oleje MMO_5 byla srovnávána teplotní závislost kinematické viskozity nového, částečně upotřebeného a zcela upotřebeného oleje. Částečně upotřebený olej byl odebrán z motoru po 650 km provozu v motocyklu Yamaha SR 125. Tento olej byl používán jako tzv. zajížděcí olej po generální opravě motoru. Zcela upotřebený olej byl odebrán z motoru motocyklu Suzuki GSX-R 750 po nájezdu 6000 km. Tento interval určuje výrobce tohoto motocyklu jako hraniční pro výměnu motorového oleje. Pro motorový olej MMO_2 bylo vytvořeno porovnání dynamické viskozity nového oleje a dvou částečně upotřebených olejů odebraných z motoru motocyklu Honda CBR 600F po 500 km a po 1000 km. U motorového oleje MMO_6 bylo vytvořeno porovnání teplotní závislosti kinematické viskozity nového a částečně upotřebeného oleje. Částečně upotřebený olej byl odebrán z výkonného motoru motocyklu Kawasaki ZX-9R Ninja po nájezdu 3500 km. Porovnání nového, částečně upotřebeného a zcela upotřebeného oleje MMO_5 V Tabulce XIII je vytvořen podrobný přehled kinematických viskozit a hustoty jednotlivých použitých motocyklových motorových olejů při srovnávací teplotě 40 C (dle ISO 8217). Tab. XIII Přehled kinematické viskozity a hustoty oleje MMO_5 označení nájezd, km kinematická viskozita, mm 2 s -1 hustota, kg m -3 MMO_ MMO_5_zu MMO_5_ču

105 Porovnáme-li tyto dva vzorky upotřebeného motorového oleje se vzorkem nepoužitým, je patrné, že hustoty vzorků jsou podobné, kdežto kinematické viskozity u upotřebených motorových olejů jsou o poznání menší. Zcela upotřebený olej MMO_5_zu Po změření teplotní závislosti kinematické viskozity obou vzorků upotřebeného oleje byla první použitou metodou k zjištění korelace mezi hodnotami naměřenými a vypočítanými metoda Gaussova. U tohoto vzorku oleje byl pomocí Gaussova modelu zjištěn koeficient determinace R 2 = 0,998 při použití vztahu: ( ) ( ). (35) Na Obrázku 44 je znázorněno prostředí programu MATLAB při zjišťování korelace pomocí metody výpočtu Gaussova proložení. Obr. 44 Prostředí programu MATLAB 105

106 Další použitou metodou k zjištění korelace mezi hodnotami naměřenými a vypočítanými byla pro olej MMO_5_zu metoda exponenciální. U tohoto vzorku byl pomocí exponenciálního modelu zjištěn koeficient determinace R 2 = 0,995 při použití vztahu:. (36) Graf na Obrázku 45 znázorňuje teplotní závislost kinematické viskozity u oleje MMO_5_zu. Jsou zde znázorněna i proložení získaná pomocí Gaussova a exponenciálního vztahu. Obr. 45 Graf teplotní závislosti kinematické viskozity u oleje MMO_5_zu 106

107 Částečně upotřebený olej MMO_5_ču První použitou metodou k zjištění korelace mezi hodnotami naměřenými a vypočítanými byla pro olej MMO_5_ču metoda Gaussova. U tohoto vzorku byl pomocí Gaussova modelu zjištěn koeficient determinace R 2 = 0,997 při použití vztahu (35). Další metodou k zjištění korelace mezi hodnotami naměřenými a vypočítanými byla pro olej MMO_5_ču metoda exponenciální. U tohoto vzorku byl pomocí exponenciálního modelu zjištěn koeficient determinace R 2 = 0,987 při použití vztahu (36). Graf na Obrázku 46 znázorňuje teplotní závislost kinematické viskozity u motorového oleje MMO_5_ču. Jsou zde znázorněna i proložení získaná pomocí Gaussova a exponenciálního vztahu. Obr. 46 Graf teplotní závislosti kinematické viskozity u oleje MMO_5_ču 107

108 Přímé porovnání nového, částečně upotřebeného a zcela upotřebeného oleje MMO_5 Grafické porovnání všech tří vzorků motocyklového motorového oleje MMO_5 je vyhotoveno na Obrázku 47. Při porovnání bylo použito polynomického modelu, přesněji polynomu 4. stupně. Vzorky motorového oleje byly nejprve zchlazeny na teplotu 5 C, poté byly pozvolna zahřívány až na teplotu 110 C. Kinematická viskozita byla odečítána vždy po 5 C. Obr. 47 Graf teplotní závislosti kinematické viskozity u oleje MMO_5 Z grafu na Obrázku 47 je patrné, že nejvyšší kinematickou viskozitu při nízkých teplotách vykazuje olej nový. Nižší hodnoty kinematické viskozity vykazuje olej částečně upotřebený (MMO_5_ču), na který byly sice při záběhu motoru po výbrusu válce kladeny velké nároky, ale byl v motoru jen do konce záběhu, což bylo asi 650 km. Nejnižších hodnot kinematické viskozity dosahuje olej zcela upotřebený (MMO_5_zu), který konal své úkoly ve vysokootáčkovém motoru silničního sportovního motocyklu po dobu výrobcem běžně užívaného intervalu výměny, a to přesně 6000 km. 108

109 Nad hodnotou teploty oleje asi 50 C jsou hodnoty kinematické viskozity u všech tří vzorků olejů přibližně stejné. Získané výsledky byly dále matematicky modelovány pomocí polynomu 4. stupně dle obecného vztahu: ( ). (37) Pro výpočet kinematické viskozity motocyklového motorového oleje platí: nový (nepoužitý) motorový olej: ( ) [ ] (38) částečně upotřebený (nájezd 650 km) motorový olej: ( ) [ ] (39) zcela upotřebený (nájezd 6000 km) motorový olej: ( ) [ ] (40) kde ν je kinematická viskozita a t je teplota. Hodnoty koeficientů determinace R 2 všech polynomických proložení dosahovaly velmi vysokých hodnot od 0,983 po 0,

110 S narůstajícím počtem ujetých kilometrů ztrácí olej svou viskozitu, a to především při teplotách do 50 C. Olej se pak stává více tekutým při nižších teplotách, a tím motor více trpí při tzv. studených startech, jelikož olej již nedovede tak dobře vytvořit na součástech motoru tenkou olejovou vrstvu (olejový ochranný film). Studený start můžeme chápat jako start takového motoru, který má stejnou teplotu s teplotou okolí. Motor tedy není předehřátý. Při těchto startech potom nejsou dostatečně mazány dotykové plochy v motoru, jelikož olej kvůli svým vlastnostem steče z těchto ploch, a tím dochází k většímu opotřebení těchto částí. Porovnání nového oleje a dvou částečně upotřebených olejů MMO_2 Pro motorový olej MMO_2 bylo vytvořeno porovnání dynamické viskozity nového oleje a dvou částečně upotřebených olejů odebraných z motoru motocyklu Honda CBR 600F, a to po 500 km a po 1000 km. Sledován byl především vliv délky nájezdu u zvoleného motorového oleje (MMO_2) na jeho dynamickou viskozitu. Toto sledování je na Obrázku 48. Obr. 48 Vliv nájezdu km na dynamickou viskozitu oleje MMO_2 Z výsledků měření je zřejmé, že se stoupajícím počtem najetých kilometrů klesá dynamická viskozita motorového oleje. 110

111 Získané výsledky byly dále matematicky modelovány. Jako velmi vhodný model by zde mohla sloužit lineární funkce, jelikož by ale po určitém počtu najetých kilometrů mohla predikovat hodnotu dynamické viskozity nulovou, což z fyzikálního hlediska není možné, byla zvolena funkce exponenciální. Obecný vztah exponenciální funkce vypadá následovně: ( ). (41) Pro výpočet dynamické viskozity motocyklového motorového oleje platí: ( ) [ ] (42) kde η je dynamická viskozita a s je dráha. Hodnota koeficientu determinace R 2 exponenciálního proložení dosáhla velmi vysoké hodnoty 0,991. Porovnání nového a částečně upotřebeného oleje MMO_6 U motorového oleje MMO_6 bylo vytvořeno porovnání teplotní závislosti kinematické viskozity nového a částečně upotřebeného oleje. Částečně upotřebený olej byl odebrán z motoru výkonného motocyklu Kawasaki ZX-9R Ninja po nájezdu 3500 km. U tohoto oleje (MMO_6) bylo sledováno, jak se změní teplotní závislost kinematické viskozity prémiového motocyklového motorového oleje po nájezdu 3500 km ve výkonném motoru silničního sportovního motocyklu. Vzorky motorového oleje byly nejprve zchlazeny na teplotu 10 C a následně pozvolna zahřívány až do teploty 80 C. Kinematická viskozita byla odečítána po 5 C. Hustota nového (nepoužitého) i částečně upotřebeného oleje dosahovala hodnoty 843 kg.m -3. Na Obrázku 49 je tato teplotní závislost kinematické viskozity obou olejů vyobrazena. 111

112 Obr. 49 Teplotní závislost kinematické viskozity oleje MMO_6 Podobně jako v předchozích měřeních i zde vykazuje částečně upotřebený motorový olej částečnou ztrátu kinematické viskozity. Tato ztráta se nejvíce projevuje při teplotách do 40 C. Získané výsledky byly dále matematicky modelovány pomocí polynomu 4. stupně dle obecného vztahu (37). Pro výpočet kinematické viskozity motocyklového motorového oleje platí: nový (nepoužitý) motorový olej: ( ) [ ], (43) částečně upotřebený (nájezd 3500 km) motorový olej: 112

113 ( ) [ ], (44) kde ν je kinematická viskozita a t je teplota. Hodnota koeficientu determinace R 2 velmi vysokých hodnot 0,986, resp. 0,995. použitého polynomu 4. stupně dosáhly 5.2 Automobilový motorový olej Tato podkapitola je dále rozdělena na několik částí, a to podle měřených fyzikálních vlastností, kterými jsou především časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí motorového oleje, smykové napětí motorového oleje a viskozitní vlastnosti motorového oleje. Dále byla velká pozornost věnována kontinuálním odběrům motorového oleje, kde je možno s narůstajícím počtem najetých kilometrů sledovat postupnou degradaci motorového oleje. Toto měření bylo provedeno u dvou osobních automobilů, a to se vznětovým a se zážehovým motorem Časová závislost dynamické viskozity a smykového napětí automobilového motorového oleje U automobilového motorového oleje byly nejprve měřeny a dály vyhodnocovány časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí. K tomuto měření byl použit automobilový motorový olej, v této práci označován jako AMO_15. V prvním měření byl použit nový (nepoužitý) automobilový motorový olej a ve druhém zcela upotřebený automobilový motorový olej s nájezdem km. Tento zcela upotřebený motorový olej byl odebrán z osobního automobilu Škoda Roomster (více informací v Tabulce IX). 113

114 Na Obrázku 50 jsou výsledky pro nový (nepoužitý) automobilový motorový olej. Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí byly sledovány po dobu 1200 s, a to vždy po 10 s. Obr. 50 Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí nového (nepoužitého) automobilového motorového oleje Získané výsledky byly dále matematicky modelovány pomocí lineární funkce dle obecného vztahu (23). platí: Pro výpočet dynamické viskozity nového automobilového motorového oleje ( ) [ ], (45) kde η je dynamická viskozita a t je čas. Podle kladného znaménka koeficientu a 1 lze konstatovat, že je lineární funkce stoupající. Toto stoupání je velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 1 se blíží nule. 114

115 Pro výpočet smykového napětí nového motocyklového motorového oleje platí: ( ) [ ], (46) kde τ je smykové napětí a t je čas. Podle kladného znaménka koeficientu a 1 lze i u vztahu (46) konstatovat, že je lineární funkce stoupající. Toto stoupání je opět velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 1 se blíží nule. Hodnoty korelačních koeficientů R obou lineárních proložení dosahovaly velmi vysokých hodnot 0,93, resp. 0,92. Na Obrázku 51 jsou výsledky pro zcela upotřebený automobilový motorový olej. Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí byly sledovány po dobu 1200 s, a to vždy po 10 s. Obr. 51 Časové závislosti dynamické viskozity a smykového napětí zcela upotřebeného automobilového motorového oleje 115

116 Získané výsledky byly dále matematicky modelovány pomocí mocninné funkce, která zde vykazovala vyšší přesnost než výše použitá funkce lineární, dle obecného vztahu: ( ) (47) oleje platí: Pro výpočet dynamické viskozity upotřebeného automobilového motorového ( ) [ ] (48) kde η je dynamická viskozita a t je čas. Podle záporného znaménka koeficientu a 0 lze konstatovat, že je mocninná funkce klesající. Toto klesání je velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 0 se blíží nule. Hodnota koeficientu determinace R 2 vysoké hodnoty 0,91. mocninného proložení dosáhla velmi platí: Pro výpočet smykového napětí upotřebeného automobilového motorového oleje ( ) [ ] (49) kde τ je smykové napětí a t je čas. Podle záporného znaménka koeficientu a 0 lze konstatovat, že je mocninná funkce klesající. Toto klesání je velmi mírné, jelikož hodnota koeficientu a 0 se blíží nule. Hodnota koeficientu determinace R 2 vysoké hodnoty 0,90. mocninného proložení dosáhla velmi V závěru této části je možno konstatovat, že nový (nepoužitý) i částečně upotřebený automobilový motorový olej lze považovat za časově nezávislý, a to jak 116

117 z hlediska dynamické (i kinematické) viskozity, tak z hlediska smykového napětí. Podobných výsledků je dosaženo i v publikacích (Yamaguchi a kol., 2013) a (Ragazzi a kol., 1996) Smykové napětí automobilového motorového oleje Závislost smykového napětí automobilového motorového oleje na smykové rychlosti (někdy též označované jako smykový spád) byla měřena pro olej v této práci označován jako AMO_2. V prvním měření smykového napětí byl použit nový (nepoužitý) automobilový motorový olej a ve druhém měření byl použit zcela upotřebený automobilový motorový olej s nájezdem km. Upotřebený motorový olej byl odebrán z motoru automobilu Renault Scenic (více informací v Tabulce IX). Na Obrázku 52 jsou zobrazeny naměřené výsledky smykového napětí v závislosti na smykové rychlosti pro oba vzorky oleje. Smyková rychlost byla nastavována od 10 s -1 až po asi 190 s -1. Obr. 52 Závislost smykového napětí na smykové rychlosti automobilového motorového oleje 117

118 Získané výsledky byly i zde matematicky modelovány pomocí lineární funkce dle obecného vztahu (23). Pro výpočet smykového napětí automobilového motorového oleje platí: nový (nepoužitý) motorový olej: ( ) [ ], (50) zcela upotřebený (nájezd km) motorový olej: ( ) [ ], (51) kde τ je smykové napětí a je smyková rychlost. Hodnoty korelačních koeficientů R obou lineárních proložení dosahovaly velmi vysokých hodnot 0,99. Je možno konstatovat, že nový (nepoužitý) i upotřebený automobilový motorový olej ( km) lze považovat za newtonskou kapalinu, jelikož závislost smykového napětí na smykové rychlosti stoupá konstantně, viz (Šolín, 2010) a (Veselá, 2011) Průběžné sledování smykového napětí a kinematické viskozity automobilového motorového oleje Tato část je věnována průběžnému sledování smykového napětí a kinematické viskozity automobilového motorového oleje v průběhu jednoho intervalu výměny motorového oleje. Vzorky byly odebírány po 1500 km ze zážehového motoru automobilu Renault Scenic a ze vznětového motoru automobilu Škoda Roomster. Výjimkou byly první odběry (druhé vzorky) po 20 km, kdy byl sledován okamžitý pokles kinematické viskozity i smykového napětí. Tento pokles je způsoben především nedokonalým 118

119 vypuštěním upotřebeného motorového oleje z prostoru motoru. Dle publikace (Černý a Mašek, 2010) může zůstat v motorovém prostoru až 10 % upotřebeného motorového oleje. To může být u automobilu asi ml. Podrobný popis obou automobilů je uveden v Tabulce IX. K odsávání vzorků oleje byla použita speciální odběrná aparatura. Motorový olej byl odsáván z ukazatele stavu hladiny motorového oleje (měrka) vždy po důkladném zahřátí a promíchání oleje v motorovém prostoru. Výsledné hodnoty kinematické viskozity a smykového napětí automobilového motorového oleje odebraného ze zážehového motoru jsou uvedeny v Tabulce XIV a na Obrázku 53. Tab. XIV Přehled kinematické viskozity a smykového napětí oleje AMO_2 skutečný nájezd, km kinematická viskozita, mm 2 s -1 smykové napětí, g cm -1 s ,96 172, ,80 170, ,56 169, ,79 161, ,29 159, ,12 158, ,88 157, ,40 157, ,97 157, ,06 156, ,73 156, ,59 155,60 119

120 Obr. 53 Vliv délky nájezdu na kinematickou viskozitu a smykové napětí automobilového motorového oleje (zážehový motor) Získané výsledky byly i zde matematicky modelovány pomocí lineární funkce dle obecného vztahu (23). Pro výpočet kinematické viskozity automobilového motorového oleje (zážehový motor) platí: ( ) [ ], (52) kde ν je kinematická viskozita a s je dráha (nájezd). motor) platí: Pro výpočet smykového napětí automobilového motorového oleje (zážehový ( ) [ ], (53) 120

121 kde τ je smykové napětí a s je dráha (nájezd). Hodnoty korelačních koeficientů R obou lineárních proložení dosahovaly vysokých hodnot 0,77, resp. 0,78. Výsledné hodnoty kinematické viskozity a smykového napětí automobilového motorového oleje odebraného ze vznětového motoru jsou uvedeny v Tabulce XV a na Obrázku 54. Tab. XV Přehled kinematické viskozity a smykového napětí oleje AMO_15 skutečný nájezd, km kinematická viskozita, mm 2 s -1 smykové napětí, g cm -1 s ,63 139, ,88 137, ,85 135, ,16 134, ,87 131, ,23 129, ,89 128, ,74 128, ,20 127,12 121

122 Obr. 54 Vliv délky nájezdu na kinematickou viskozitu a smykové napětí automobilového motorového oleje (vznětový motor) Získané výsledky byly i zde matematicky modelovány pomocí lineární funkce dle obecného vztahu (23). Pro výpočet kinematické viskozity automobilového motorového oleje (vznětový motor) platí: ( ) [ ], (54) kde ν je kinematická viskozita a s je dráha (nájezd). motor) platí: Pro výpočet smykového napětí automobilového motorového oleje (vznětový ( ) [ ], (55) 122

123 kde τ je smykové napětí a s je dráha (nájezd). Hodnoty korelačních koeficientů R obou lineárních proložení dosahovaly velmi vysokých hodnot 0,91, resp. 0,90. Porovnáme-li výsledky kinematické viskozity a smykového napětí v závislosti na délce nájezdu (pro zážehový a vznětový motor) můžeme konstatovat, že dle očekávání se stoupajícím nájezdem klesala kinematická viskozita i smykové napětí. Porovnáme-li hodnoty koeficientů a 1 všech lineárních funkcí je patrné, že smykové napětí u obou vzorků automobilového motorového oleje klesá přibližně stejně pro oba typy motorů. Kinematická viskozita automobilového motorového oleje klesala (dle stejného koeficientu) rychleji u vznětového motoru. To může být dáno především tím, že ve vznětovém motoru jsou na motorový olej kladeny vyšší nároky (vyšší kompresní tlaky atd.) Hustota, kinematická viskozita a smykové napětí nových automobilových motorových olejů V této kapitole byl vytvořen přehled fyzikálních vlastností automobilového motorového oleje. Konkrétně se jedná o hustotu, kinematickou viskozitu a smykové napětí. Tyto vlastnosti byly měřeny pro všechny viskozitní třídy komerčně dostupných automobilových motorových olejů v České republice. Podrobný přehled automobilových motorových olejů a jejich fyzikálních vlastností je uveden v Tabulce XVI. Tab. XVI Přehled hustoty, kinematické viskozity a smykového napětí olejů označení viskozitní třída hustota, kinematická viskozita, smykové napětí, kg m -3 mm 2 s -1 g cm -1 s -2 AMO_5 0W ,0 98,63 77,85 AMO_4 0W ,4 124,37 98,71 AMO_7 0W ,4 164,63 129,74 AMO_6 0W ,3 201,82 158,47 AMO_15 5W ,3 165,85 130,56 AMO_1 5W ,7 182,07 144,32 123

124 AMO_8 5W ,8 233,45 185,78 AMO_2 10W ,1 238,05 189,91 AMO_14 10W ,4 240,86 191,54 AMO_3 10W ,8 359,25 284,34 AMO_12 15W ,5 305,57 249,74 AMO_13 15W ,8 355,21 287,24 AMO_10 20W ,8 238,66 191,94 AMO_11 20W ,0 306,62 248,37 AMO_16 20W ,3 470,02 387,42 Pro lepší přehlednost bylo vytvořeno několik porovnávacích grafů. Vždy se ale musí jednat o porovnání v jedné viskozitní třídě. Na Obrázku 55 je znázorněna kinematická viskozita a smykové napětí pro automobilové motorové oleje, kterým začíná viskozitní označení 0 (0W-xx). Na Obrázku 56 je naopak znázorněna kinematická viskozita a smykové napětí pro automobilové motorové oleje, kterým končí viskozitní třída číslem 40 (xxw-40). Obr. 55 Porovnání automobilových motorových olejů 0W-xx 124

125 Obr. 56 Porovnání automobilových motorových olejů xxw-40 Z výše uvedených hodnot a grafů je patrné, že s narůstající kinematickou viskozitou stoupá i smykové napětí. Pro hustotu toto tvrzení neplatí, jelikož hustotu oleje si volí každý výrobce individuálně. Hustota motorového oleje nemá totiž ve srovnání s viskozitou a smykovým napětím tak velký význam pro provoz motoru a jeho součástí. Toto tvrzení je uvedeno i v publikacích (Cerha, 2010) a (Janáčová, 2011). Dalším zajímavým porovnáním různě viskózních automobilových motorových olejů je vyobrazeno pomocí programu Maple na Obrázku 57 a na Obrázku 58. Jedná se porovnání teplotní závislosti dynamické viskozity tří automobilových motorových olejů s viskozitní třídou 5W-30, 10W-40 a 15W-40 (AMO_15, AMO_2 a AMO_9). Na Obrázku 57 je použit matematický model pomocí nelineárně lomené funkce dle obecného tvaru: 125

126 ( ) (56) Obr. 57 Porovnání automobilových motorových olejů (AMO_15, AMO_2, AMO_9) Na Obrázku 58 je použit matematický model pomocí exponenciální funkce dle obecného tvaru: ( ) ( ). (57) 126

127 Obr Porovnání automobilových motorových olejů (AMO_15, AMO_2, AMO_9) Teplotní závislost hustoty a dynamické viskozity automobilového motorového oleje. Teplotní závislost dynamické viskozity motocyklových motorových olejů již byla prokázána v předcházející kapitole. Dle odborné literatury lze předpokládat i značnou teplotní závislost dynamické i kinematické viskozity u automobilových motorových olejů. Tento předpoklad je potvrzen na Obrázku 59, kde je vytvořeno porovnání nového a zcela upotřebeného automobilového motorového oleje AMO_9. U tohoto oleje bylo sledováno, jak se změní teplotní závislost dynamické viskozity automobilového motorového oleje po nájezdu km v zážehovém motoru osobního automobilu Škoda Felicia. Vzorky motorového oleje byly nejprve zchlazeny na teplotu 5 C a následně pozvolna zahřívány až do teploty 95 C. Dynamická viskozita byla odečítána po 5 C. 127

128 Obr. 59 Teplotní závislost dynamické viskozity nového a upotřebeného oleje AMO_9 Získané výsledky byly i zde matematicky modelovány pomocí polynomu 5. stupně dle obecného vztahu: ( ). (58) Pro výpočet dynamické viskozity v závislosti na teplotě automobilového motorového oleje platí: nový (nepoužitý) motorový olej AMO_9: ( ) [ ], (59) zcela upotřebený (nájezd km) motorový olej AMO_9: 128

129 ( ) [ ], (60) kde η je dynamická viskozita a t je teplota. Hodnota koeficientu determinace R 2 velmi vysokých hodnot 0,997, resp. 0,996. použitého polynomu 5. stupně dosáhly Dalším experimentem bylo stanovení teplotní závislosti hustoty a dynamické viskozity pro směsi nového a upotřebeného automobilového motorového oleje (AMO_9). K míchání nového a upotřebeného oleje vždy částečně dochází při výměně upotřebeného motorového oleje za motorový olej nový, jelikož z motorového prostoru nikdy nevyteče všechen starý olej (upotřebený). Dle publikace (Černý a Mašek, 2010) zůstane po vypuštění či odsátí upotřebeného motorového oleje až 10 % původního oleje v motorovém prostoru. Dalším případem, kdy dochází k míchání nového a upotřebeného motorového oleje, je situace, kdy se někteří provozovatelé snaží prodloužit životnost svého upotřebeného motorového oleje tím, že přilévají nový motorový olej do stávající náplně motorového oleje. V Tabulce XVII je uvedeno složení jednotlivých směsí nového a upotřebeného automobilového motorového oleje. Tab. XVII Přehled směsí nového a upotřebeného oleje (AMO_9) označení množství upotřebeného oleje, ml množství nového oleje, ml 100_ _ _ _ _

130 Na Obrázku 60 je vytvořen graf vlivu teploty a koncentrace nového oleje v upotřebeném na hustotu směsi. Pro toto měření byly tyto směsi nejprve zchlazeny na teplotu 10 C a následně pozvolna zahřívány až do teploty 80 C. Hustota byla odečítána po 10 C. Obr. 60 Vliv teploty a koncentrace na hustotu motorového oleje AMO_9 Z prostorového grafu je patrné, že vliv teploty na hustotu směsi je minimální. Hodnota hustoty při zahřátí z 10 C na teplotu 80 C klesne v průměru pouze na 97 % původní hodnoty. Ani vliv koncentrace upotřebeného motorového oleje v novém oleji na hustotu směsi není příliš patrný. Na Obrázku 61 je vytvořen graf vlivu teploty a koncentrace nového oleje v upotřebeném na dynamickou hustotu směsi. Pro toto měření byly tyto směsi nejprve zchlazeny na teplotu 10 C a následně pozvolna zahřívány až do teploty 100 C. Hustota byla odečítána po 10 C. 130

131 Obr. 61 Vliv teploty a koncentrace na dynamickou viskozitu oleje AMO_9 Z prostorového grafu je patrné, že vliv teploty na dynamickou viskozitu směsi je vysoký. Hodnota dynamické viskozity při zahřátí z 10 C na teplotu 100 C klesne v průměru až na 1 % původní hodnoty. Znatelný je i vliv koncentrace upotřebeného motorového oleje v motorovém oleji novém na dynamickou viskozitu směsi. Hodnota dynamická viskozity směsi 100_0 má poloviční hodnotu dynamické viskozity směsi 0_