Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Vypracoval: Miroslav Pešek

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

Obsah:• Historie• Výskyt a vlivy na opotřebení• Technologie snižování tření a opotřebení

– LST– Povrchové laserové kalení– DLC– Keramické povlaky– Tepelné naprašování– Povlaky s nano-strukturou– Maziva

• Zhodnocení

1 2 3 4 5 6 7 8 9 … 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Historie• Spalovací motor byl vyvinut v roce 1885 Gottliebem Daimlerem.

Prvními mazivy byl řepkový olej, rybí tuk a loje. Rostoucí požadavky na výkon motorů vedly k rozvoji olejářského průmyslu. Dnes tvoří motorové oleje hlavní náplň většiny firem zabývající se výrobou maziv.

• Postup vývoje snižování mechanických ztrát:• Vývoj maziv• Změna materiálového složení součástí• Vytváření povlaků• Texturování povrchů• Nano-povlaky

1 2 3 4 5 6 7 8 9 … 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

Výskyt a vlivy na opotřebení • Ventilové rozvody• Kliková hřídel• Pístní skupina• Oleje ve spalovacích motorech• Wanklův motor• Jiné okolnosti

1 2 3 4 5 6 7 8 9 … 12

[<URL>http://motorkari.cz, 2006-04-15]

[<URL>http://motorkari.cz, 2006-04-15]

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Technologie snižování tření a opotřebení• Bloky motorů se vyráběly 100 let z šedé litiny. Posledních 20 let

jsou bloky lity ze slitiny AlSi (silumin). Tyto bloky mají nižší hmotnost při vyšší tuhosti, ovšem AlSi nedisponuje tak dobrými tribologickými vlastnostmi jako

• šedá litina. • Posledních 15 let se usilovně • pracuje na hledání vhodných • povlaků, které by snížily tření a • opotřebení.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 … 12

[I. Etsion, G. Halperin, E. Becker, Wear, 2006]

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Laser surface texturing• Uměle vytvořený systém mikro-důlků na povrchu. Zkoumá se

použití pro pístní čepy, pístní kroužky. Jedná se zatím o nejefektivnější metodu v redukci tření, jak dokládá předchozí obrázek.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 … 12

[G. Ryk, I. Etsion, Wear 2006]

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Povrchové laserové kalení• Metoda používaná pro zlepšení tribologických vlastností zejména

klikových a vačkových hřídelí. Používají se vysoce výkonné lasery o výkonech 103 až 105 W/cm2 a časová interakce 0,1-0,3 s.

• Tvrdost oceli En18 běžně požívané pro tyto hřídele vzroste tvrdost z 250 HV02 na 950 HV02 a tloušťka vrstvy se pohybuje v rozmezí 0,2-1 mm.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 … 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• DLC diamant like carbon • Diamant je materiál s jedinečnými vlastnostmi, zejména

povrchovou tvrdostí a otěru-vzdorností. Povlak se nanáší na tenkou vrstvu Cr-N, která zvyšuje přilnavost.

• V současné době se uskutečňují testy, které by měly nalézt nejvhodnější tloušťku povlakové vrstvy.

[S. C. Tung, H. Gaob, Waer, 2003]

1 … 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Keramické povlaky• Tepelné ztráty v motoru jsou stále dominantní a proto se vědci

zabývají možností jejich snížení. Zájem je směřován především na keramické materiály, které poskytují dobré tepelně izolační vlastnosti. Testují se především tři materiály Al-Mo-Ni, CaZrO3 a MgZrO3.

Výhody- snížení tepelných ztrát- odolnost proti opotřebeníNevýhody- opracování povrchu- kluzné vlastnosti- dokončovací operace - povlaky

1 … 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

Tepelné naprašování

• Plazmová technologie• Metoda dnes již běžně používaná pro vytvoření povlaků na

pístních kroužcích, pístních čepechZpůsob vhodný pro povlaky na stěnách válců

• HVOF (high velocity oxy-fuel)• Podobné plazmovému povlakování, pracuje s vyšší teplotou a

vzdáleností od tělesa.• Nevhodné pro povlaky stěn válců.

1 … 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Nano-strukturní povlaky• Nano-technologie jsou symbolem budoucnosti, testují se tudíž i ve

spalovacích motorech. Konkrétní materiál TiC, vsazený do beztvárné uhlíkové mřížky TiC/a-H:C. Materiál poskytne velmi nízký koeficient tření 0,012 bez jakéhokoliv maziva.

• Tribologické vlastnosti vysoce závisí na prostředí v kterém se tělesa vyskytují.

[Y.T. Pei, D. Galvan, J.Th.M. De Hosson C. Strondl, JECS]

1 … 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Maziva• Vývoj maziv je úzce spjat s ekologickými požadavky. Nejúčinnější

látky, pro snížení opotřebení a tření, jsou zároveň škodlivé. Hledají se i jiné maziva, zejména rostlinné oleje. Kokosový olej poskytuje dobré kluzné vlastnosti, naproti tomu nízkou ochranu proti opotřebení.

•

[acea, 2004]

1 … 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Snižování tření a opotřebení u spalovacích motorů

Fakulta strojního inženýrství

• Závěr• Většina uvedených způsobů redukce tření a opotřebení je ve fázi

testování v reálných motorech a hledání vhodných nositelů. Všechny metody poskytují krok kupředu, záleží tedy na nákladnosti výroby a ostatních kritériích.

• Zajímavou cestu ukazuje použití nano-povlaků, velmi sledovaným povlakem je DLC, u kterého se dá předpokládat brzké nasazení do reálného provozu.

1 … 4 5 6 7 8 9 10 11 12