Vlastnosti motorových olejů - Otěrové kovy

V našem seriálu se postupně věnujeme základním vlastnostem motorových olejů, tak jak byste je měli znát vy praktici v autodílnách. Tentokrát se autor celého seriálu ing. Jaroslav Černý, CSc., věnuje rizikům, jež přináší výskyt otěrových kovů v motorovém oleji.

U velkých dopravců se lze často setkat s praxí, že olejové náplně ve velkoobjemových motorech jsou pravidelně analyzovány a pozornost je zaměřena především na obsah kovů v oleji. U mnoha dalších provozovatelů velkých automobilů jsou podobné analýzy prováděny pouze v případě podezření na nenormální provoz a počátky možné závady motoru. Podívejme se v krátkosti, jak se kov dostane do oleje a co to znamená pro další provoz.

Příčiny a zdroje obsahu kovů v oleji
Nejprve se podívejme ve stručnosti, jak se určitý kov dostane do motorového nebo převodového oleje. Začněme úplně samozřejmým faktem, že motor a tedy i všechny třecí povrchy jsou vyrobeny z určitých kovových materiálů. Většinou jde o železo zušlechtěné přídavkem jiných kovů, o hliníkové či měděné součástky, nebo je určitý díl motoru potažen povrchovou vrstvičkou jiného kovu, např. s cílem zvýšit tvrdost povrchu, zlepšit kluzné vlastnosti, zlepšit protikorozní ochranu apod. Díky těmto případům se kromě železa samotného musíme zajímat i o další kovy, např. hliník, měď, chrom, olovo, cín, nikl, stříbro apod.
Třecí povrchy kovů, ani ty pečlivě vysoustružené, nejsou nikdy naprosto hladké. Každý povrch má určitou morfologii, strukturu, kterou je možné znázornit jako zubatou čáru podobně jako na obr. 1. V normálním stavu jsou v motoru dva třecí povrchy odděleny vrstvičkou oleje. Viskóznější oleje vytvářejí při stejné teplotě silnější vrstvičku mazacího filmu než méně viskózní oleje. Povrchy tak nepřicházejí navzájem do kontaktu, nebo jen do minimálního díky některým větším nerovnostem na povrchu. Pokud ale na třecí plochy působí nějaká přítlačná síla, může být vrstvička oleje vytlačena a dva povrchy se do kontaktu dostanou. Dochází k tzv. meznému tření, kdy oba povrchy nejsou mazány vrstvou oleje, ale pouze jeho mazivostními aditivy, která na povrchu kovu ulpěla. Tato situace je také znázorněna na obr. 1. Jestliže se takové dva povrchy navzájem pohybují, dochází k vzájemnému odírání jejich nerovností a oddělování mikroskopických částeček konstrukčního kovu. Tyto částečky pak přecházejí do oleje. Následně je potom možné chemicky stanovit množství určitého kovu v oleji a na základě jeho množství také odhadnout významnost tření v motoru. Tak lze předpovídat počátky závady - např. počátek zvýšeného opotřebení nebo dokonce zadírání. Touto diagnostikou lze předcházet velkým závadám a haváriím motorů mnohem dříve, než by se na závadu přišlo díky jejím dalším projevům (hluk nebo vibrace motoru, zvýšená teplota oleje apod.).

kovove povrchy

plochy

Obr. 1. Mechanismus vzniku otěrových částic

Charakteristické kovy
Díky tomu, že konstrukční kovy různých dílů motoru jsou většinou vyrobeny ze specifických materiálů, je z množství konkrétního kovu v oleji možné také odhadnout pravděpodobné místo, kde k závadě dochází. Samozřejmě že každý motor může mít svoje specifika, vždy stejný díl motoru nemusí být vyroben z ocele stejného složení. Přesto při výrobě motorových dílů převažují určité konstrukční kovy a na tom je založen i odhad lokalizace závady. Seznam nejčastěji analyzovaných kovů v oleji a jejich původ je uveden v tabulce 1.

Tabulka 1. Otěrové kovy v motorovém oleji a jejich zdroje.

Otěrový kov

Původ - motorový díl

železo

vyskytuje se téměř vždy jako hlavní konstrukční kov, jeho koncentrace je až na výjimky vždy nejvyšší

měď

ložiska, ventilová skupina - zdvihátka, pouzdro pístního čepu, bronzové díly

chrom

chromované díly - těsnicí kroužky, vložky apod.

nikl

součást konstrukční oceli ložisek, hřídelí, ventilů

hliník

písty, válečková ložiska, určité typy pouzder

olovo

valivá ložiska, u starých zářehových motorů kontaminace z benzinu

cín

ložiska, bronzové díly

stříbro

postříbřená ložiska

křemík

indikátor prachu, špatný stav vzduchového filtru

V tabulce 1 je vedle běžných konstrukčních kovů uveden i křemík. Ten s konstrukčními kovy nesouvisí, ale jeho obsah je téměř vždy analyzován. Křemík je totiž hlavní součástí prachových částic. Pokud se křemík dostává do motorového oleje ve zvýšeném množství, je většinou problém se vzduchovým filtrem a je třeba filtr vyměnit. Ostatní kovy, jejichž přítomnost je možné v motorovém či převodovém oleji nalézt, pocházejí většinou z aditivace oleje (zinek, molybden, antimon, vápník, hořčík, baryum) nebo z jiných kontaminujících zdrojů. Sodík a bor se nacházejí v nemrznoucích směsích, sodík je také častým kontaminantem motorových olejů díky zimním posypům vozovek solí.

Analýza kovů v oleji
Jak už bylo uvedeno, analýza kovů v motorových olejích se běžně provádí u určitých typů motorů. Výsledkem je pak laboratorní protokol, kde jsou uvedeny koncentrace různých kovů v oleji. Koncentrace se uvádí v jednotkách ppm. Zkratka ppm znamená "part per milion", jedno ppm je tedy jedna miliontina celku. Je to obdoba procent, kdy jedno procento (part per cent) je jedna setina celku. Jestliže dáme tyto dvě vyjádření dohromady, jedno ppm je jedna desetitisícina procenta (0,0001 %). Tolik na vysvětlenou k jednotkám koncentrace kovů.
Určitá hladina koncentrace kovů v oleji je zcela běžná a normální. I při normální a bezproblémové práci motoru dochází ke kontaktu mezi kovovými povrchy, zejména na velmi namáhaných partiích motoru (např. píst ve válci či ventilová zdvihátka). Normální otěrové částice jsou velmi malé a není jich mnoho. Při zvýšeném odírání některého dílu motoru potom dochází ke zvýšenému opotřebení a zvýšení koncentrace konkrétních kovů v oleji. Při závažnějších projevech zvýšeného tření či již přímo při zadírání pak koncentrace kovů může dosáhnout velmi vysokých hodnot - až ve stovkách ppm.
V tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty koncentrací konstrukčních kovů v motorovém oleji z velkého vznětového a zážehového motoru. Jsou zde uvedeny tři limity: oblast normálního provozu, oblast zvýšeného tření a opotřebení a oblast nebezpečného až havarijního opotřebení.

Tabulka 2. Limitní koncentrace kovů v motorovém oleji (ppm)

Kov

Velké vznětové motory - opotřebení

Benzinové motory - opotřebení

normální

zvýšené

nebezpečné

normální

zvýšené

nebezpečné

železo

pod 50

50 - 75

nad 75

pod 120

120 - 150

nad 150

měď

pod 30

30 - 45

nad 45

pod 25

25 - 35

nad 35

chrom

pod 12

12 - 20

nad 20

0 - 17

17 - 25

nad 25

nikl

pod 25

25 - 40

nad 40

pod 25

25 - 40

nad 40

hliník

pod 25

25 - 35

nad 35

pod 35

35 - 50

nad 50

olovo

pod 25

25 - 40

nad 40

pod 25

25 - 40

nad 40

cín

pod 5

5 - 12

nad 12

pod 5

5 - 12

nad 12

křemík

pod 25

 -

nad 25

pod 25

 -

nad 25

Je třeba říci, že tyto limitní hodnoty jsou specifické pro každou značku automobilu. Výrobci velkých vznětových motorů obvykle uvádějí pro všechny typy svých motorů jednotné limity koncentrací kovů. Avšak limity udávané různými výrobci mohou být odlišné. V tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty obvyklé a lze i říci, že průměrné. Při opakovaném překročení varovných limitů pro zvýšené opotřebení je už potřeba najít závadu, která toto zvýšené opotřebení způsobila. Při překročení obsahu křemíku je potřeba vyměnit vzduchový filtr.

Otěrové částice
Abychom naše povídání o kovech v motorových olejích trochu ozvláštnili, ukážeme si, jak otěrové částice vypadají. Protože existuje několik typů namáhání třecích dílů, existuje i několik mechanismů opotřebení, které se většinou pojmenovávají anglickými názvy a v češtině nemají svoje pojmenování (únavové opotřebení, pitting, scuffing, abrazivní opotřebení apod.). Částice vzniklé odlišným mechanismem opotřebení mají různý tvar a charakteristiku povrchu.
Do takových podrobností však nemůžeme zacházet. Uveďme si pouze to, že velikost částic z normálního opotřebení se pohybuje v řádu několika mikrometrů, obvykle do 5 mikrometrů. Čím jsou otěrové částice větší (většinou desítky, někdy až více než sto mikrometrů) a čím je jejich četnost vyšší, tím je opotřebení motoru větší.
Analytickou technikou, kterou lze izolovat většinu otěrových částic z oleje a následně částice prohlédnout a zhodnotit pod mikroskopem, je ferrografie. Jde o metodu, kde pomocí silného magnetu se ze vzorku protékajícího oleje vychytají ferromagnetické částice (železo). Současně s těmito částicemi se izolují i některé další částice, např. prachové částice, oxidické částice nebo tribopolymery.
Na obr. 2 je uveden příklad velmi malých částic normálního opotřebení. Díky magnetickému poli jsou částice uspořádány do řetízků. Na dalším obr. 3 je vidět již velká částice, která vznikla již při velmi silném tření. Částice na obr. 4 vznikla při zadírání motoru. Tyto částice jsou velmi podobné šponám, které vznikají při řezání kovů soustružením. Jejich výskyt v oleji znamená okamžité zastavení a demontáž motoru či stroje. U motoru, který je diagnosticky sledován, k takovému stavu nesmí nikdy dojít.
Moderní mikroskopy umožňují něco více než jen sledování a hodnocení tvaru částice. Díky speciálnímu nasvícení vyhodnocované částice pomocí barevných průchodových a odrazových světel nebo použitím polarizovaného či ultrafialového světla je možné odhadnout i materiál částice - např. železo, barevný kov, prachová částice, oxidická vrstva, částice polymeru apod.

Malé částice normálního opotřebení

Obr. 2. Malé částice normálního opotřebení

Částice intenzivního opotřebení

Obr. 3. Částice intenzivního opotřebení

Částice vznikající při zadírání

Obr. 4. Částice vznikající při zadírání

Závěr
Závěrem je třeba říci, že podrobná analýza otěrových částic vyžaduje již opravdu zkušeného pracovníka, který vyhodnocení provádí. A tomu odpovídá i cena analýzy. U automobilových olejů proto ve většině případů vystačíme s běžným stanovením koncentrace otěrových kovů. S využitím limitních hodnot je potom možné vyhodnotit i stav nebo rychlost opotřebení motoru. Podrobné vyhodnocení otěrových částic přichází v úvahu zejména v některých průmyslových odvětvích (energetika, těžký průmysl), kde na spolehlivosti stroje (turbíny, čerpadla, hydraulického zařízení) závisí i prosperita celé společnosti.

Ústav technologie ropy a petrochemie, VŠCHT Praha

Obrazový materiál byl převzat z Atlasu otěrových částic vydaného společností Reo Trade, s. r. o., Opava.

Zeptat se prodavače

Jméno: *
Příjmení: *
Váš e-mail: *
Předmět dotazu:
Dotaz: *

Položky označené * je nutné vyplnit.

Doporučit produkt

Vaše jméno: *
E-mail příjemce: *
Předmět e-mailu:
Začátek e-mailu:
Vaše poznámka:

Položky označené * je nutné vyplnit.