Aplikace tenkých vrstev na zdvihátka ventilů motoru formule CTU CarTech Závěrečná zpráva Vedoucí projektu: Doc. Tomáš Polcar, Ph.D. Katedra řídící techniky FEL ČVUT v Praze
[email protected] Řešitel: Bc. Petr Mutafov Ústav materiálového inženýrství FS ČVUT v Praze
[email protected] 17. července 2012
1 Anotace Hlavní motivací pro uskutečnění tohoto projektu bylo využití dvou typů moderních ochranných tenkých vrstev, tj. DLC-W a WSC-Cr, na zdvihátka ventilů motoru formule CTU CarTech. Účelem bylo snížit opotřebení zdvihátka a snaha alespoň částečně ovlivnit výkonové parametry a spotřebu paliva. Projekt byl rozdělen na dvě části - testování povlakovaných zdvihátek v laboratorních podmínkách a dále ve spalovacím motoru formule v rámci měření na motorové brzdě. Výsledky laboratorních testů ukázaly, že oba typy tenkých vrstev odolaly náročným podmínkám simulující podmínky v motoru formule. Následné testování zdvihátek s vrstvou DLC-W ve spalovacím motoru ukázalo velmi nízké opotřebení vrstvy a výsledky jsou tudíž v dobré korelaci s laboratorními testy.
2 Dosažené výsledky Cílem tohoto projektu bylo otestovat vybrané typy tenkých vrstev v laboratorních podmínkách a v motoru formule CTU CarTech, protože jedním ze způsobů, jak snížit pasivní odpory ve spalovacím motoru, je použití tenkých vrstev na mechanické součásti, které jsou nejvíce vystaveny tření, opotřebení, vysokým teplotám a agresivním látkám jakou je například benzín. Při výběru součásti pro účely tohoto projektu bylo přihlédnuto jak k pasivním odporům na vybrané součásti, tak k obtížnosti hodnocení opotřebení tenké vrstvy. Hlavní zdroj pasivních odporů běžného spalovacího motoru lze najít mezi pístními kroužky a válcem (až 60 %), avšak rozdílnost v materiálech pístních kroužků a zvláště geometrie funkčních ploch nedovolovala jejich použití pro tento projekt. Podobná úskalí lze též nalézt při použití řetězového rozvodu, kuličkových ložisek, ventilových vodítek atd. Z výše zmíněných důvodů bylo jako součást vybráno zdvihátko ventilu, jelikož jeho funkční plocha je rovinná a tudíž depoziční proces a hodnocení opotřebení po laboratorních a motorových testech jsou touto volbou usnadněny. Jelikož pasivní odpory mezi vačkou a ventilovým zdvihátkem některá literatura uvádí v rozsahu 10 – 20 % z celkových pasivních odporů, z tohoto důvodu lze nepatrné zvýšení výkonových parametrů motoru nebo snížení jeho spotřeby prostřednictvím povlakovaných zdvihátek považovat za úspěch. Pro účely výzkumného projektu byly vybrány dva typy tenkých vrstev. Dosažené výsledky z laboratorních a motorových testů byly následně porovnány, aby mohla být nalezena jejich -1-
vzájemná korelace. Testování v laboratoři probíhalo ve stejném motorovém oleji Motul 5W-40 jaký je používán v motoru formule. Prvním typem tenké vrstvy byla DLC-W (Diamond-Like Carbon) připravená magnetronovým naprašováním. Jak naznačuje název, DLC vrstva byla dopována wolframem s cílem zlepšit její mechanické vlastnosti. Jelikož DLC vrstvy byly a stále jsou předmětem studia mnoha výzkumných skupin na celém světě, na základě těchto bohatých znalostí se podařilo DLC vrstvy rozšířit do průmyslové sféry. Z tohoto důvodu byla DLC-W vrstva v rámci tohoto projektu považována jako referenční. Druhým typem je vrstva WSC-Cr, která byla připravena magnetronovým naprašováním stejně jako v případě vrstvy DLC-W. Vrstva WSC-Cr patří do rodiny samomazných vrstev dichalkogenidů přechodových kovů. Mechanické a zejména třecí vlastnosti čistých dichalkogenidů přechodových kovů představují moderní typ tenkých vrstev, který slibuje dosáhnout hodnotu koeficientu tření až 0,01. Tyto mimořádné vlastnosti jsou však dosažitelné velmi obtížně, protože čisté dichalkogenidy přechodových kovů jsou citlivé na oxidační prostředí, mají velmi porózní strukturu, jejich tvrdost je mnohem nižší v porovnání s konkurenčními vrstvami (např. DLC), přilnavost vrstvy na běžné materiály není dostatečná a v neposlední řadě struktura nedovoluje vrstvu vystavit vysokým kontaktním tlakům. Z výše zmíněných důvodů byla v průběhu několika posledních let snaha zlepšit mechanické a třecí vlastnosti dichalkogenidů přechodových kovů dopováním různými prvky, řízením struktury během depozičního procesu atd. Tenká vrstva použitá v tomto projektu využívá mezivrstvu z čistého chromu pro zlepšení adheze na ventilové zdvihátko. Samotná funkční vrstva je dopována chromem pro zlepšení třecích vlastností. Laboratorních testy měly za účel otestovat oba typy tenkých vrstev v podmínkách simulující motor formule. K tomu, aby mohly být simulovány podmínky v motoru, musela být nejdříve provedena analýza kontaktních tlaků mezi vačkou a ventilovým zdvihátkem. Díky této analýze byly posléze vybrány nejvhodnější parametry pro laboratorní testy, např. průměr kuličky, zatížení kuličky, doba testu apod. Z obecně známých vzorců pro výpočet tuhosti pružiny a z rozměrů vačky a ventilového zdvihátka byla vypočítána maximální kontaktní síla mezi vačkou a zdvihátkem. Tato síla byla následně využita pro výpočet maximálního kontaktního tlaku mezi vačkou a zdvihátkem, který činí p1 = 0,57 GPa. Přestože je kontakt mezi vačkou a zdvihátkem v reálné aplikaci čárový, tento typ kontaktu by nemusel vést k opotřebení tenké vrstvy během laboratorních testů a z tohoto důvodu bylo rozhodnuto, že všechny laboratorní testy budou založeny na bodovém kontaktu mezi kuličkou a povlakovaným zdvihátkem (laboratorní metoda pin-on-disk). Kontaktní tlak mezi kuličkou a povlakovaným zdvihátkem, tj. p2 pro DLC-W a p3 pro WSC-Cr, by neměl během laboratorních testů klesnout pod hodnotu p1. Důvodem je, že kontaktní tlak mezi vačkou a zdvihátkem je doprovázen vibracemi a dalšími vlivy a proto musí být kontaktní tlaky p2 a p3 v průběhu laboratorních testů vyšší. Kromě toho jsou laboratorní testy povětšinou výrazně kratší, a proto by volba vyššího kontaktního tlaku mohla urychlit opotřebení zdvihátek. Kulička použitá v laboratorních testech byla vyrobená z oceli 100Cr6 o průměru 6 mm. Důvody pro použití tohoto průměru a materiálu kuličky byly tři. Kontaktní tlak mezi kuličkou a povlakovaným zdvihátkem by měl být dosažen za použití rozumné velikosti závaží, které zatěžuje kuličku. Průměr kuličky 6 mm je standartně používán v naší laboratoři a výsledky tudíž mohou být porovnány s jiným typem tenkých vrstev. V neposlední řadě byla snaha najít takový materiál kuličky, který by se co nejvíce podobal materiálu vačkové hřídele. Kulička z materiálu 100Cr6 všechny výše zmíněné požadavky splňuje. Vypočtený kontaktní tlak pro závaží 5 N byl p2 = 1,04 GPa pro DLC-W vrstvu a p3 = 0,86 GPa pro WSC-Cr vrstvu. Jak je zřejmé z vypočtených hodnot kontaktních tlaků pro oba typy vrstev, všechny požadavky pro simulování motorových podmínek byly splněny. Výsledky laboratorních testů ukázaly, že DLC-W vrstva dosahuje nejlepší hodnoty součinitele tření µ = 0,06 a míry opotřebení povlaku za podmínky, že není použit motorový olej. Tento jev lze vysvětlit formováním třecí mezivrstvy mezi vrstvou DLC-W a zkušební kuličkou. Třecí mezivrstva složená z oxidů železa a chromu má vyšší adhezi ke kovové kuličce a proto ji lze snadno najít na mikroskopickém snímku po provedení testu bez lubrikantu. Formování třecí mezivrstvy výrazně -2-
napomáhá snížit součinitel tření. Pokud je vrstva DLC-W testována v motorovém oleji za pokojové nebo zvýšené teploty, tj. 120 °C stejně jako v motoru formule, součinitel tření se zvyšuje. Důvodem je pravděpodobně vytvoření olejového filmu a změna viskozity motorového oleje při 120 °C následkem čehož nedojde k vytvoření třecí mezivrstvy, která napomáhá snížit tření. Při testování WSC-Cr vrstvy bylo pozorováno zcela opačné chování v porovnání s vrstvou DLC-W, tzn. nejvyšší hodnota součinitele tření µ = 0,17 byla naměřena při pokojové teplotě bez použití motorového oleje, zatímco nejnižší součinitel tření µ = 0,10 byl dosažen při 120 °C v motorovém oleji. Příčinou tohoto jevu je bezpochyby použití oleje, přestože třecí vlastnosti vrstvy WSC-Cr obecně závisí na vytvoření třecí mezivrstvy. Při bližším zkoumání bylo zjištěno, že součinitel tření vrstvy WSC-Cr je za pokojové teploty bez použití motorového oleje nižší než součinitel tření standartního nepovlakovaného zdvihátka. Tato vlastnost může být zvláště přínosná při spuštění studeného motoru, kdy ještě není motorový olej rovnoměrně rozšířen na všech mechanických součástech motoru a tím se sníží kontaminace oleje kovovými částicemi. Jeden z hlavních výsledků laboratorních testů je na Obr. 1, kde je zobrazen součinitel tření pro obě vrstvy v porovnání se standartním nepovlakovaným zdvihátkem. Laboratorní test byl proveden za stejných podmínek jako v motoru formule, tj. v motorovém oleji o teplotě 120°C. Graf jasně ukazuje, že depozice vrstvy DLC-W na zdvihátko pomohlo snížit tření a další snížení slibuje vrstva WSC-Cr.
Obr. 1. Porovnání DLC-W a WSC-Cr vrstev oproti standartnímu zdvihátku za stejných podmínek měření.
V poslední části projektu byla zvláštní pozornost věnována vlivu povlakování zdvihátek na průběh točivého momentu a spotřeby motoru. Pro účely měření na motorové brzdě byly použity zdvihátka s DLC-W vrstvou jako první, protože měly posloužit jako referenční data. Následně měly být změřeny i zdvihátka s WSC-Cr vrstvou, ale bohužel se z časových důvodů nepodařilo provést jejich měření do června 2012 (poslední měsíc trvání tohoto projektu a zároveň termín odevzdání diplomové práce řešitele). Měření vrstvy WSC-Cr v motoru formule je z výše zmíněného důvodu naplánováno na podzim 2012. Výsledky DLC-W vrstvy testované na motorové brzdě ukazují dobrou korelaci s laboratorním experimentem ve smyslu opotřebení DLC-W vrstvy. Již v průběhu testování v laboratoři bylo zjevné, že tato vrstva podléhá pouze velmi malému opotřebení, což bylo prokázáno i během testu na motorové brzdě. Typické opotřebení standartních ventilových zdvihátek je charakterizované -3-
kruhovými a radiálními rýhami. Jakmile však byly použity zdvihátka s DLC-W vrstvou, kruhové ani radiální vrypy nebyly přítomné na funkčním povrchu zdvihátka (viz porovnání na Obr. 2).
Obr. 2. Porovnání opotřebení standartních zdvihátek (vlevo) a zdvihátek s DLC-W vrstvou (vpravo) po testování na motorové brzdě.
Vliv DLC-W vrstvy na průběh výkonových parametrů a spotřeby motoru nebyl pozorován (viz Obr. 3 a Obr. 4). Přestože první měření zdvihátek s DLC-W vrstvou (červená křivka) ukázalo konzistentní nárůst v celém spektru vyhodnocovaných otáček, toto měření nemůže být porovnáváno s testem standartních zdvihátek (modrá křivka). Důvodem byla o několik stupňů nižší teplota v místnosti, kde je umístěna motorová brzda. Tento rozdíl měl za následek, že se do spalovacího prostoru dostalo více vzduchu a výkonové parametry motoru byly tudíž nepatrně vyšší. Pro obdržení porovnatelných výsledků byl test opakován pro teplotu, která odpovídala testu standartních zdvihátek. V průběhu druhého testu (zelená křivka) byl pozorován malý nárůst točivého momentu v intervalu 5500 a 8000, avšak tento nárůst byl zřejmě způsoben nepatrným rozdílem v poměru směsi vzduch-benzín (tzv. lambda), jelikož tento poměr byl nastavován manuálně z řídící místnosti motorové brzdy. 60 55
Točivý moment [Nm]
50 45 40 35 30 25 20 2000
Standard valve lifter 3000
4000
5000
6000
DLC test No. 1 7000
Otáčky
8000
DLC test No. 2
9000 10000 11000 12000 13000
[min-1]
Obr. 3. Průběh točivého momentu pro standartní a povlakovaná zdvihátka.
-4-
Vliv vrstvy DLC-W na měrnou spotřebu motoru (měřeno v jednotkách g.kW-1.h-1, protože se v uspořádání motorové brzdy jedná o stacionární motor) je diskutabilní. V nízkých otáčkách lze pozorovat nárůst oproti standartním zdvihátkám, zatímco pokles spotřeby lze nalézt ve vysokých otáčkách. Přesnou příčinu pro nárůst resp. pokles spotřeby lze nalézt asi jen velmi obtížně. Pro zjištění skutečného vlivu vrstvy by se zřejmě muselo přistoupit k testování v řádu několika hodin. 410
Měrná spotřeba [g.kW-1.h-1]
390 370 350 330 310 290
Standard valve lifter
DLC test No. 1
DLC test No. 2
270 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000
Otáčky [min-1] Obr. 4. Průběh spotřeby motoru pro standartní a povlakovaná zdvihátka.
3 Závěry Ventilová zdvihátka s DLC-W i WSC-Cr vrstvou prokázaly mimořádné mechanické i třecí vlastnosti během testování v laboratorních podmínkách. Velmi nízký součinitel tření a míra opotřebení vrstvy DLC-W při laboratorním testu provedeném při 120 °C koresponduje s výsledky z motorového testu. Bylo zjištěno, že použití lubrikantu Motul 5W-40 napomohlo snížit součinitel tření při testování WSC-Cr vrstvy. Navzdory vyšší míře opotřebení vrstvy WSC-Cr, tato vrstva slibuje další snížení tření v průběhu motorového testu (naplánováno na podzim 2012). Hodnocení opotřebení zdvihátek po motorovém testu ukázalo, že zdvihátka s DLC-W vrstvou neobsahují typické radiální ani kruhové vrypy. Tento výsledek může mít pozitivní vliv na snížení kontaminace motorového oleje kovovými částicemi. Testování vrstvy DLC-W v motoru formule CTU CarTech nepřineslo žádný přínos z hlediska zvýšení výkonu/točivého momentu nebo snížení spotřeby. Důvodem je zřejmě množství dalších pasivních odporů přítomných v motoru. Další důvod lze též spatřit i v příliš krátkém motorovém testu, čemuž by mohlo napomoci provedení testu v řádu několika hodin.
-5-
