KOROZE CHLADICÍHO SYSTÉMU V AUTOBUSECH Jan SKOLIL1* 1*
CLASSIC Oil s.r.o., Oty Peška 343, 272 01 Kladno, Česká republika
Abstrakt: V posledních letech došlo u většiny autobusů našich dopravních podniků a ČSAD k nárůstu potíží způsobených chladicím systémem motoru. Provozovatele trápí přehřívání převodovek, zanášení radiátorů způsobující neschopnost vozidla topit cestujícím, koroze mrazových zátek a jiných technologických otvorů a nakonec i pronikání vody do olejové náplně nebo naopak díky proreznutí vložek bloku motoru. Jaké jsou příčiny těchto jevů, jak se jim do budoucna vyvarovat a tak trochu i to, kdo z trojice - výrobce autobusu, dodavatel chladicí kapaliny a uživatel vozidla - je za tento stav zodpovědný, se dozvíme v tomto článku. 1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY Česká republika je z hlediska výroby autobusů světová velmoc. Ani ne tak díky roční produkci (téměř 3 700 vozidel), ale zejména v poměru počtu vyrobených vozidel na počet obyvatel [1]. V současnosti jsou aktivní dva výrobci: Iveco, jenž pro první plnění používá chladicí kapalinu Paraflu 11 italského výrobce FL Selenia, dnes vlastněného dvacátým největším dodavatelem olejů na světě - firmou Petronas [2]. Stejně tak není tajemstvím, že autobusy konkurenčního výrobce SOR získáte obvykle s prvonáplní Fridex G48. Již od konce minulého desetiletí 21. století se začaly vyskytovat problémy s korozí chladicího okruhu autobusů u většiny dopravních podniků a ČSAD v České republice, především pak u těch, které používají české značky autobusů a české chladicí kapaliny. Podrobnější zprávy jsou k dispozici zejména z DP města Brna [3, 4], Jihlavy, ale také jiných dopravních podniků. Autor zná podrobně situaci s korozí i u ČSAD Kladno a ČSAD Uherské Hradiště. Nejnovější jsou zprávy v rámci provozu Dopravního podniku hlavního města Prahy, a.s., kde je ovšem počet vozidel zdaleka nejvyšší - cca 1200 autobusů různých značek [5]. Koroze chladicího systému autobusů se obvykle netýká autobusů zn. Solaris, u nichž se používá specifická kapalina doporučená výrobcem motorů Cummins - EC Fleetguard, rovněž nebývají napadeny ani německé autobusy MAN nebo Mercedes-Benz. Jejich počet v provozu je však nižší než počet vozidel SOR a Iveco. Obdobně starší autobusy zn. Karosa s motory Liaz a Renault také nelze považovat za vypovídající vzorek, neboť počet najetých kilometrů
u nich je výrazně vyšší a prošly již dříve používáním rozmanitých druhů chladicích kapalin mj. Fridex Eko Extra, Havoline AFC nebo Paraflu 11.
Obr. 1.: Voda (chladicí kapalina) proniklá do olejové náplně motoru (vlevo), zkorodovaná vložka bloku motoru (vpravo). 2. PRŮBĚH KOROZE A ZÁKLADNÍ PREVENCE Začátek je vždy podobný, blok motoru začne korodovat. Korozní zplodiny následně kolují v chladicím okruhu a zacpávají tenké trubičky vedoucí do hliníkových radiátorů, které jsou jinak korozně nedotčeny. Radiátor se stane neprůchodným a nemůže hřát. Pak začne být cestujícím v autobuse zima. Častokrát těmto problémům ještě předchází přehřívání převodovky, zejména při brzdění retardérem. Po delším provozu s takto nevyhovující chladicí kapalinou dojde také k proreznutí mrazových zátek bloku motoru a manipulačních otvorů [3, 4]. Běžné jsou i případy, kdy jsou kavitačně poškozeny celé vložky bloku skrz naskrz, takže se dostane voda do oleje, někde zase naopak (viz Obr. 1). Tento proces je nezávislý na výrobci autobusů, děje se tak podobně u vozů SOR i Iveco. Z toho se dá jednoznačně usuzovat, že za příčinou problému je nutné hledat chladicí kapalinu. Současné problémy s chladicím okruhem jsou bezpochyby z velké části způsobeny aktuálními požadavky legislativy na výrobce motorů. Snižují se emisní limity, klesá spotřeba paliva, a přesto roste jednotkový výkon motorů, a tím i provozní teplota chladicí kapaliny v motoru. Nelze proto tolerovat dřívější zlozvyky některých dopravců, kdy v létě docházelo k používání a dolévání vody do autobusů, zatímco nemrznoucí směs s inhibitory byla přítomna jen na zimu. Naprosto nezbytné je používání chladicí kapaliny po celý rok. Minimální koncentrace by měla činit alespoň 33% z důvodu nemrznoucích vlastností (cca -20°C), ovšem pro antikorozní ochranu by měl být obsah nemrznoucí směsi ještě vyšší. Pro ředění chladicích kapalin je nutné používání kvalitní vody. Hlavně ne tvrdé, už vůbec ne znečištěné. Uživatel by měl znát její vlastnosti, zejména tvrdost (do 20°dH), obsah chloridů,
síranů a hodnotu pH [6, 7]. Úplně nejvhodnější není ani voda destilovaná, neboť má tendenci do sebe pohlcovat minerály. Nicméně je to určitě menší riziko, než příliš tvrdá nebo špinavá voda. Z těchto důvodů je vůbec nejlepší zamezit řidičům v úpravě koncentrace nemrznoucí směsi a jejímu dolévání. Koncentrace chladicí kapaliny by měla být ověřována refraktometry (pokud možno odborně kalibrovanými) [8]. S výše popsanými informacemi souvisí i preferování nákupu hotové, předředěné kapaliny s požadovaným bodem tuhnutí. Tento způsob je sice mírně nákladnější, lze se jím však vyhnout problémům s překoncentrováním, podředěním chladicí kapaliny nebo s výběrem nevhodné vody. Popsané neduhy byly dříve hlavní příčinou, na kterou sváděli dodavatelé nemrznoucích směsí problémy dopravců s korozí. Opakovaným výskytem potíží s korozí i tam, kde kupují zejména naředěnou směs (např. DP HMP) je zřejmé, že dominantní problém není v péči o chladicí kapalinu, ale v jejím složení. 3. POŽADAVKY NOREM DODAVATELŮ AUTOBUSŮ Zřetelnější nároky na inhibiční ochranu autobusů by nám měly dát normy výrobců autobusů, resp. jejich dodavatelů motorů. Pro autora jsou dostupné normy Iveco Standard 181830, resp. Renault 41-01-001/Q, pro srovnání je ve výčtu níže uvedena i norma VW TL 744 C, kterou plní nejčastěji používané kapaliny typu G11 / G48 [2, 7, 9]. A také norma ÖNORM V 5123, tu splňuje druhá kapalina schválená výrobcem autobusů SOR - OMV 5123 [10]. Známá je i norma CES 14603, kterou musí plnit kapaliny předepsané pro motory Cummins.
Parametry
Jednotka
Inhibitory Obsah dusitanů Obsah vody Hustota 20 o C Teplota varu Volná alkalita Bod tuhnutí (1:2 s vodou) Bod tuhnutí (1:1 s vodou) pH 50 % pH 33 % Korozní zkoušky měď pájka mosaz ocel litina silumin
hm. % hm. % hm. % kg/m3 o C ml °C °C dle g/m2 g/m2 g/m2 g/m2 g/m2 g/m2
Požadavky norem pro chladicí kapaliny Iveco standard Renault V.I. 41VW TL 744C ÖNORM V 5123 18-1830 01-001/Q >5 0 0 0 <3 <5 <4 <3 1,11 - 1,14 1,12-1,14 1,11-1,14 170 - 185 >165 >150 >160 >11 >15 >11 >8 -12 -18 -35 -30 -35 7,5-8,5 7-9 7-8,6 7,7 - 8,5 7,5-10 7-8,6 ASTM D1384 ASTM D1384 ASTM D1384 GFC L-107-A-90 <3 <4 <6 <5 <3 <6 <10 <5 <3 <4 <6 <5 <3 <4 <6 <2,5 <3 <4 <6 <4 <2 <6 <10 <10
Tab. 1.: Přehled požadavků norem výrobců vozidel pro chladicí kapaliny.
Z údajů v Tab. 1 je zřejmé, že tyto normy nám neposkytují bližší informace o požadavcích na složení chladicích kapalin. Z hlediska inhibiční ochrany je direktivní pouze požadavek vysoké hodnoty volné alkality a rozmezí pH. Stejně nepodrobné jsou další normy starších výrobců motorů pro chladicí kapaliny [11, 12]. Zajímavé je připomenout požadavek normy TL 774 na nulovou přítomnost toxických dusitanů, výborných ochránců před kavitací, jejichž obsah normy výrobců motorů pro autobusy neregulují. Naopak např. normou John Deere JDM H24 pro oblast „heavy duty“ je jeho dávkování přímo vyžadováno min. na úrovni 2000 ppm u koncentrátu. Výrobce motorů Cummins a firma Iveco doporučují shodně používat chladicí kapalinu pouze v 50% koncentraci s vodou [2]. Z tohoto pohledu se výrazně odlišuje dodavatel autobusů SOR, jenž - ač používá zejména motory Iveco - doporučuje chladicí kapalinu zn. Fridex G48 nebo OMV Coolant 5123. Rakouskou kapalinu v koncentraci s bodem tuhnutí -27°C (cca 40% koncentrátu) obdobně pak i českou směs s podobně nízkou nezmrzností. Z pohledu korozní ochrany není ani tak důležitá koncentrace nemrznoucí složky - glykolu - neboť ten od 33% koncentrace s vodou nikdy neztuhne, ale jeho roztok jen zgelovatí, jako koncentrace inhibitorů koroze. Všechny tyto kapaliny jsou takzvaného hybridního typu. Jedná se o produkty s obsahem anorganických i organických inhibitorů koroze. Jejich jednotlivý obsah i chemický typ se dle výrobce může značně lišit, přesto díky tomu, že nemají vyhraněné pouze anorganické či organické složení, je velký předpoklad jejich mísitelnosti. To ovšem neznamená, že by si byly kvalitativně rovny. Pouze to říká, že pokud se setkají v náplni chladicího systému motorů, nedojde jejich smísením k žádné nežádoucí reakci a výsledná směs získá vlastnosti té horší z nich.
Obr. 2.: Kapalina typu G48 nepoškozuje plechy dle ASTM D1384 (vlevo), zato chladící okruh autobusu dokonale zacpe korozními zplodinami (vpravo).
4. KOROZNÍ ZKOUŠKY CHLADICÍCH KAPALIN Kromě stanovování kvalitativních parametrů kapalin (pH, volná alkalita), je velmi důležitou zkouškou jejich kvality test korozních účinků dle normy ASTM D1384 (viz také [7]). Test je prováděn po dobu 14 dnů při 88°C na šesti definovaných materiálech (měď, pájka, mosaz, ocel, litina a silumin (hliník)) ve tvaru obdélníku, které jsou spojeny šroubem a ponořeny v dotčené chladicí kapalině. Stanovuje se úbytek nebo nárůst hmotnosti jednotlivých kovů. Tato metoda je ovšem nevyhovující svou délkou i nákladností aparatury. Navíc se v problematice koroze chladicí soustavy autobusů ukazuje, že ani tato metoda není dostačující. Kapaliny nakupované většinou dopravních podniků, ČSAD a přepravců jsou z hlediska normy ASTM D1384 naprosto vyhovující, přesto koroze v autobusech probíhá (Obr. 2). Bylo by nutné provádět testování také podle náročnějších korozních testů, např. ASTM D2570, D2809 nebo D4340, což už jsou takové menší simulované chladicí soustavy pro zjištění podmínek výskytu kavitace nebo důlkové koroze. Tudíž opět v praxi pro kontrolu a výběr chladicích kapalin metody nepoužitelné. Z hlediska přeplňovaných naftových motorů je velmi důležitá norma ASTM D6210, která popisuje požadavky na chemické složení kapalin pro „heavy duty“ aplikace. 5. ANALÝZA A SLOŽENÍ INHIBITORŮ KOROZE DOPORUČENÝCH KAPALIN Protože korozní zkoušky jsou, jak je popsáno výše, časově a hlavně finančně velmi náročné, je kromě kvalitativních metod velmi důležitou stránkou vypovídající o vlastnostech chladicích kapalin jejich chemické složení. Většina kapalin, jež jsou používány v současnosti v dopravních podnicích, byla podrobena prvkové analýze pomocí optické emisní spektrometrie s indukcí vázaným plazmatem (dusitany - spektrofotometricky, resp. dusičnany - iontově selektivní elektrodou, hustota pyknometrem) v laboratoři ALS Czech Republic a.s. Výsledky jsou uvedeny v Tab. 1. Automobilky vlivem environmentálního tlaku začaly postupně některé inhibitory omezovat a zakazovat [7, 10]. V současné době například norma TL 774 pro nejmodernější motory koncernu VW zakazuje používání dusitanů, boritanů, fosfátů, aminů a molybdenanů. Ještě donedávna pak bylo eliminováno také používání silikátů. To sice vede k lepší ekologičnosti nejmodernějších chladicích kapalin, zároveň to však omezuje jejich použitelnost do starších vozidel (s vyšším obsahem železa) a moderních přeplňovaných motorů, které z důvodů vysokých nároků na výkony nemohou brát na vyšší ekologičnost normy TL 774 zřetel. Typickým příkladem jsou kapaliny typu G11/G48 odpovídající normě TL 774C. Pro osobní vozy jsou to výborné kapaliny, pro nákladní techniku a autobusy však
Tab. 2.: Přehled chemického složení vybraných chladicích kapalin používaných pro naftové motory. CS Originální HDX4 Fridex G Fleetguard Antifreeze Glysantin Glysantin Antifreeze G kapalina Antifreeze 48 -20°C ES Compleat Special G48 G30 Cargo G12++
Kapalina / Dodavatel
CAT ELC
ASTM D6210-08
-
Petrochem Carless
Velvana, a.s.
Cummins Czech Republic s.r.o.
CLASSIC Oil s.r.o.
ENI - AGIP
Škoda Auto
100 0,45 885 0,52 5,0 6 510 6 515 7,4 1 200 36 000 1 118
100 1 310 0,30 150 24 8 800 8 824 19 2 930 34 500 1 135
33-36% 350 0,06 3,1 1 190 95 1 285 37 <1,3 4 750 1 056
cca 50 212 369 118 3 530 898 4 428 1 270 1 200 7 580 1 078
100 729 0 22 4 030 747 4 777 1 2 260 17 200 1 148
100 1 0 1 10 7 610 7 620 <0,01 40,7 33 100 1 118
100 <1 <1 167 87 4 660 4 747 <2,4 <6,4 1 970 1 115
Jednotka Koncentrace obj. % 50 Bor mg/l Molybden mg/l - / >300 Křemík mg/l ppm Draslík mg/l Sodík mg/l Sodík+draslík mg/l Fosfor mg/l Dusitany mg/l 1 200 / >300 Dusičnany mg/l ppm 3 kg/m Hustota -
BASF
100 2 435 1 875 1 169 14 269 15 438 0 0 10 1 125
100 1 1 5 2 285 17 739 20 024 0 2 10 1 127
nedostačující. Z Tab. 1. je naprosto zřejmé, že neobsahují žádné dusitany či molybdenany, nezbytnou to ochranu dnešních naftových motorů užitkových vozidel před kavitací a důlkovou korozí. Norma ASTM D6210 (verze 2008) požaduje buď čistě obsah dusitanů min. 1 200 ppm (µg/g) nebo souhrnný obsah dusitanů a molybdenanů min. 780 ppm s tím, že obsah každého z nich pak musí být min. 300 ppm, vše pro 50 obj.% roztok. Moderní inhibitory koroze na bázi organických kyselin a jejich solí nejsou laboratorní chemií tak snadno detekovatelné. Jejich přítomnost, resp. koncentraci, nejlépe odhalí druhá část jejich molekuly - kationt. Čím vyšší obsah sodíku či draslíku, tím vyšší koncentrace organických inhibitorů koroze = solí karboxylových kyselin (samozřejmě po odečtení podílu kationtů z anorganických inhibitorů). Současné problémy s korozí autobusů potvrzují oprávněnost požadavků normy ASTM D6210, že pro správnou ochranu dnešních chladicích systému autobusů je naprosto nutná kombinace obou typů inhibitorů koroze. Anorganických i organických, s nezbytnou přítomností dusitanů, dusičnanů a případně molybdenanů. Dokazuje to i složení ověřených zahraničních chladicích kapalin pro přeplňované naftové motory CAT ELC, EC Fleetguard či HDX4 Antifreeze, které mají dostatečnou antikorozní ochranu (viz Tab. 1.). 6. ZÁVĚR Přestože dopravní podniky používaly či používají některou ze schválených chladicích kapalin výrobci autobusů, probíhá v současnosti nejenom v těchto autobusech koroze chladicího okruhu. Je nutné, aby uživatelé - zejména dopravní podniky, ale i výrobci autobusů požadovaly při výběrových řízeních takový produkt, pro který budou definovány podrobné kvalitativní požadavky, které zajistí vítězství kapaliny splňující nároky přeplňovaných naftových motorů. Vysoutěžená cena na speciální kapalinu (pro heavy duty) bude tímto zadáním, bezpochyby vyšší. Úspory na servisu, čištění, prostojích a náhradních dílech, které vzniknou bezvadnou funkčností chladicího okruhu autobusů, však ušetří mnohem vyšší prostředky než předpokládaný nákup nové špičkové nemrznoucí směsi za více jak dvojnásobnou cenu [13]. Rovněž by ze strany výrobců autobusů a jejich motorů pomohlo rozšíření počtu schválených kapalin na nejméně dva až tři typy. Např. autobusy Solaris či Iveco předepisují každý pouze po jedné zahraniční kapalině, což nedává dost prostoru pro kvalitativní a zejména cenovou optimalizaci při výběru vhodného dodavatele kapaliny.
7. LITERATURA [1] Přehled výroby a odbytu domácích vozidel - údaje za rok 2013 [online]. [cit 2014-04-01]. Dostupné z WWW: http://www.autosap.cz/sfiles/a1-1.htm#akt2013.html. [2] Iveco Standard 18-1830: Anti-freeze and protective fluid for engine cooling circuit. Satiz normazione. 2002. 11s. [3] Tulka J.: Expertíza a technické návrhy řešení problematiky koroze motorů. Objednatel: Dopravní podnik města Brna a.s., 2009, 16s. [4] Posouzení příčin korozního napadení bloku motoru. Zpracovatel: SVÚOM s.r.o., Objednatel: Iveco Czech Republic, a.s. 2009, 16s. [5] Sdružení dopravních podniků ČR: Výroční zpráva za rok 2012. [online]. [cit 2014-04-01]. Dostupné z WWW: http://www.sdp-cr.cz/. [6] Skolil J.: Voda vhodná k ředění provozních kapalin. In: Tribotechnika č. 6/2012, str. 3840, ISSN: 1338-0524. [7] VW TL 774 – 11-2012, Koncernová norma: Chladicí přísada na bázi ethylenglykolu. Wolfsburg: Volkswagen Aktiengesellschaft, 2012. 15s. [8] Skolil J.: Stanovení koncentrace chladicí kapaliny. In: AutoExpert č. 1+2/2014, str. 36-38. [9] Zadávací podmínky Renault 41-01-001/--Q, Chladicí kapaliny. Oddělení 60201 Normalizace Renault Automobiles, 1996. 10s. [10] ÖNORM V 5123 Frostschutzmittel für Kühlsystemem von Verbrennungsmotoren. ONKomitee ON-K 038. 2009. 12s. [11] Náplně chladicích kapalin pro motory Tedom 61-0-0257. Tedom s.r.o. - divize motory. 2005. 5s. [12] Náplně chladicích kapalin pro motory Liaz 61-0-0257. Škoda motory s.r.o. - divize motory. 2000. 5s. [13] Skolil J.: Proč je nám v autobusech zima? In: AutoExpert č. 3/2014, str. 41-43.
