Opotřebení ve spalovacích motorech

Opotřebení ve spalovacích motorech se vyskytuje na všech jeho částech, avšak nejvíce na styku povrchu čepů klikového hřídele s ojničními ložisky, ve ventilových rozvodech a v soustavě okolo samotného pístu.
Samotné opotřebení velmi souvisí s třením, a proto nejvíce náročná a mechanicky opotřebovávaná část motoru je právě pístní soustava.

Ventilový rozvod je velmi náchylný na opotřebení. Hlavně výfukové ventily, protože pracují za vysokého tlaku a teploty okolo 800 °C. Dochází u nich k velkému dynamickému zatížení, teplotnímu spádu po délce ventilu a jsou také vystaveny abrazivním a korozivním účinkům výfukových plynů.
U některých motorů se využívá chlazení ventilů pomocí sodíku, který tím, že zlepšuje odvod tepla, ochlazuje sedla a dříky ventilů, a to cca o 15%.

Opotřebení vačky bez použití mazání

U vačkové hřídele dochází k minimálnímu opotřebení v jejím uložení díky vyspělé technologii výroby ložisek. Budeme se tedy zabývat samotnou vačkou, kde je poškození nejviditelnější. Zde dochází především k adhezivnímu opotřebení ve styku vačky s ventilem.
Na obrázku je zobrazeno opotřebení vačky, vzniklé nedostatečným mazáním. Ventilový rozvod je promazáván či ochlazován i v jeho dalších částech, jako jsou například ventilové pružiny, vahadla, zdvihátka a zvedací tyčky rozvodového ústrojí, atd. Závisí to na typu ventilového rozvodu a jeho konstrukci.

Kliková hřídel není tolik namáhaná na kontaktní opotřebení jako hřídel vačková (nedochází k vzájemnému pohybu ploch součástí vůči sobě, pouze v ložiskách), je tedy snahou zabezpečit co největší únavovou životnost. Ovšem čepy ložisek jsou také opotřebovávány. Velkou úlohu zde hraje správné vyvážení a přesné uložení hřídele, vzhledem k působení všech setrvačných sil a přenášených tlaků od pístů, které v něm vyvolávají pružné kmity. Snažíme se tedy zabránit vzniku vibračního opotřebení i jeho zdroje.

Pístní skupina - nejnáročnější oblast z hlediska zatížení a opotřebení

Nejnáročnější oblast spalovacích motorů z hlediska zatížení a opotřebení je pístní skupina. Mezi základní části pístní skupiny patří píst, pístní čep, pístní kroužky a stěna válce. Největší opotřebení nastává mezi pístním kroužkem a stěnou válce.
Mění se zde teplota, tlak a mazací podmínky, proto se od pístních čepů očekává vysoká únavová životnost a od pístních kroužků tepelná stálost. Nesmí se opomenout ani ojnice, u níž je kladen důraz na velkou únavovou životnost.

Opotřebení pístní skupiny je velmi závislé na použitém motorovém oleji, na tloušťce mazacího filmu, na filtraci částic přítomných v mazivu a dalších. Opotřebení se snižuje vhodnými povrchovými úpravami a výstelkami. Zaměříme se především na motorové oleje, jelikož ty mají zásadní podíl na snížení tření a opotřebení v motoru.

S používáním motorových olejů souvisí také fenomén znečišťování oleje průnikem paliva ze spalovací komory v místech mezi pístními kroužky a stěnou válce. Tomuto průniku paliva do oleje nelze zcela zabránit, protože jisté minimální vůle mezi pístními kroužky a stěnou válce jsou nezbytné pro bezproblémový chod motoru.

Pravidelná kontrola paliva v oleji je nutností!

Na stěnách válce a v prostoru pod pístem se palivo setkává s motorovým olejem, ve kterém se rozpouští. Přítomnost malého množství paliva v motorovém oleji (cca 1 – 2% hm.) je z výše uvedených důvodů poměrně běžným jevem, se kterým se lze setkat jak u zážehových, tak u vznětových motorů.
Pokud je však obsah paliva v oleji vyšší, jedná se pravděpodobně o důsledek nějaké technické závady na motoru, jako je poškození pístních kroužků, závada na vstřikování paliva, apod. Za maximální přijatelnou koncentraci paliva v motorovém oleji je považován limit 4% hm.

Dalším zdrojem nerozpustných částic v oleji je samotný motorový olej. Jeho běžná oxidační a termická degradace vede většinou pouze k tvorbě rozpustných oxidačních produktů. Další oxidační a termické namáhání však už může způsobit tvorbu nerozpustných karbonových povlaků, úsad a kalů.

Tvorba sazí

Saze jsou malé částečky, které vznikají při nedokonalém spalování uhlovodíkových paliv, zejména nafty ve vznětových motorech. U zážehových motorů je tvorba sazí zanedbatelná. Saze jsou velmi sledovanou složkou emisí výfukových plynů a snaha o snížení jejich emisí je jedním z důvodů zavedení nových emisních limitů.
Saze jsou tvořeny téměř čistým uhlíkem a jsou velmi tvrdé s ostrými hranami. Jejich tvorba je nepřímo spojená s tvorbou oxidů dusíku. Saze jsou kulového tvaru o velikosti 10 – 50 nm, které se různými fyzikálními procesy shlukují do větších celků, ale ani tyto skupiny sazí nemají takovou velikost, aby byly zachyceny běžně používanými olejovými filtry.

Už malé množství sazí v oleji, většinou už i saze ze zbytku staré náplně, způsobí zčernání oleje. Nadměrný obsah sazí v oleji způsobuje růst viskozity oleje. Vysoká koncentrace sazí v oleji má za následek zvýšené opotřebení části motoru, zvyšuje se pracovní teplota a tření. Aby nedocházelo k usazování sazí a tvorbě usazenin na částech motoru, obsahuje motorový olej dispersanty, které pomáhají udržet saze v suspenzi.
Příliš vysoká koncentrace sazí může mít také za důsledek vyčerpání disperzantních přísad, koagulaci sazí do větších shluků a postupné ucpávání olejového filtru. Obsah sazí také byl jednou z příčin toho, že vznětové motory osobních automobilů měly kratší interval výměny motorového oleje oproti zážehovým motorům.

Stanovením karbonizačního zbytku se posuzuje sklon oleje k tvorbě uhlíkatých úsad a zbytků při vysokých teplotách. Vysoký karbonizační zbytek se za provozu projeví například zanášením pístních kroužků. U nových olejů se podle jeho hodnoty posuzuje odolnost vůči vysokým teplotám, u použitých olejů vyjadřuje stárnutí oleje, množství karbonu a mechanických nečistot. Udává se v hmotnostních %.

Pro vyhodnocení degradace oleje a opotřebení motorových součástí se provádí různé zkoušky a metody, které podle složitosti a účelu dělíme na jednoduché, standardní a speciální zkoušky. Přičemž jednoduché a standardní zkoušky se zabývají zkoumáním parametrů určujících degradaci oleje a speciální zkoušky mají za úkol zjistit množství, tvar a velikost cizích částic v oleji. Pomocí nich se dále určuje míra opotřebení součástí spalovacího motoru. Lze se ale setkat i s rozdělením zkoušek podle jejich podstaty a fyzikálních principů.

Věda, která se komplexně zabývá chováním dotýkajících se povrchů ve vzájemném pohybu nebo při pokusu o vzájemný pohyb (tření, opotřebení a mazání) se nazývá tribologie. A tribotechnika je disciplína aplikující výsledky tribologie do praxe.

Nejdůležitější úkol tribotechnické diagnostiky je správný a pravidelný odběr vzorku oleje, protože vzorek musí být reprezentativní pro celou olejovou soustavu a má zásadní vliv na výsledky analýz oleje. Proto je nutné dodržovat určité zásady a postupy odběru vzorku oleje.

Při odebírání vzorku oleje je důležité, aby motor byl zahřátý na svou provozní teplotu, tj. aby byl minimálně 20 minut v provozu. Poté se odpustí cca 0,5 l oleje, aby bylo docíleno průplachu výpustních částí motoru, a odměří se do vzorkovnice 200 až 250 ml oleje. Zbylý olej se vrátí zpět do oběhu. Odebraný vzorek se vhodným způsobem popíše, přičemž se odebírá vždy stejným způsobem ze stejného místa v intervalu stanoveném tribologem.

U zkoušek oleje není nutné využívat drahé laboratoře

Mezi jednoduché provozní metody tribotechnické diagnostiky řadíme takové zkoušky, které je možno provádět mimo laboratoře a nejsou náročné na drahou a speciální techniku. Cílem je získat základní informace o stavu oleje a poté se rozhodnout pro použití dalších složitějších zkoušek, nebo případně vyměnit olej za nový.
Zkušený technik dokáže základní stav oleje vizuálně posoudit podle barvy, přítomnosti volné či vázané vody, viditelných mechanických nečistot a zápachu. Zároveň je důležité, aby tyto zkoušky mohl provést i méně zkušený personál než je tribolog a to v podmínkách jako je servisní autodílna, k čemuž slouží různé tribotechnické soupravy.

Kapková zkouška je orientační metodou k posouzení stupně znečištění oleje. Zkouška je rychlá a jednoduchá, a pokud je výsledek jednoznačně dobrý, není potřeba přistupovat ke stanovení látek nerozpustných ve směsném rozpouštědle HEO (97 % n-hexan, 2 % etanol, 1 % kyselina olejová), ani ke stanovení obsahu karbonizačního zbytku v oleji. Kapková zkouška dokáže orientačně určit vyčerpanost detergentů a disperzantů, případně přítomnost vody.

Samotný princip zkoušky spočívá v nanesení kapky oleje na filtrační nebo chromatografický papír (Whatman). Vyhodnocuje se tmavost a rozsah vsáknutí na porézním papíru. Teplota oleje by měla být 20 °C a vzorek by se měl nechat na papíře odstát minimálně 20 minut. Je důležité, aby byl olej homogenní, proto se před nanesením protřepe.

Na obrázku je zobrazena vzorová informativní stupnice k posouzení kapkové zkoušky. Takových stupnic existuje více a ke správnému vyhodnocení je potřeba dostatek zkušeností, avšak jako orientační a rychlá zkouška je tato metoda nenahraditelná.

Posouzení vzhledu a barvy průmyslového oleje je snadný prostředek k zaznamenání změn v oleji.

Otestujte stav motorového oleje a motoru jako takového

Stav motorového oleje a celkově motoru můžete otestovat jednoduchým, rychlým a především bezpečným testem kondice motoru MOTORcheckUP. MOTORcheckUP je pohled do motoru, aniž by bylo potřeba jej rozložit. Stejně jako lékař vyšetřuje lidské tělo a stačí mu k tomu pouze kapka krve, využívá tento systém pouze kapku motorového oleje, aby zjistil, zda je motor “zdravý” nebo zda mu něco chybí.

S MOTORcheckUP můžete rychle a cíleně provést diagnózu Vašeho motoru a tak včas rozpoznat závady a jejich příčiny. Díky tomu můžete předcházet případnému poškození motoru a zároveň ušetřit nemalé finanční prostředky.

MOTORcheckUP můžete jednoduše zakoupit v našem e-shopu nebo nechat diagnostiku a vyhodnocení na Vašem odborném autoservise.

Autor textu: Tomáš Měřínský
Ilustrační fotografie: Tomáš Měřínský a 123rf.com
Připraveno ve spolupráci s magazínem OLDTIMER