Slovenskej akadémie vied, využitie väčšieho množstva keramických materiálov v motore.
Účinnosť automobilového motora nie je vyššia ako 30 percent. Je to najmä preto, že jeho chladením sa odvádza veľké množstvo tepla. Je to nevyhnutné, pretože zliatiny, z ktorých je konštruovaný motor, majú nízku pracovnú teplotu. Pri výbuchu pohonnej zmesi je vo výbušnej komore 800 - 1000 °C, kým teplota chladiacej zmesi je nižšia ako 100 °C. To znamená, že chladenie spôsobuje výrazné zníženie efektívnosti výbušného motora.
Náhradou kovov v motore by mohli byť vyspelé keramické materiály, ktoré sa vyznačujú vysokou tvrdosťou, oteruvzdornosťou, nízkou hustotou a nízkym koeficientom teplotnej rozťažnosti. Bod topenia týchto materiálov je v mnohých prípadoch vyšší ako 2000 °C, zatiaľ čo pri kovoch o dosť nižšia.
Ďalšou prednosťou keramických materiálov je možnosť ovplyvňovania ich vlastností už pri ich príprave. Príkladom môže byť sústružnícky nôž vybavený keramickým rezným nástrojom. Kým doteraz používané rezné nástroje na báze tvrdokovov sú vhodné na bežné obrábanie materiálov, nové viac efektívne technológie si vyžadujú iný prístup, pretože cena obrábania prevyšuje cenu samého materiálu. Napríklad výroba brzdového bubna automobilu vyžaduje 15 sústružníckych operácií, z ktorých 13 sa vykonáva keramickým nástrojom. Dôvod je jednoduchý - keramické nástroje majú vyššiu životnosť a efektívnosť v porovnaní s nástrojom z tvrdokovu. Vypočítaná úspora času na výrobu jedného výrobku obrábaného keramickým rezným nástrojom je až 35 percent, čo sa prejaví poklesom celkovej ceny výrobku o 50 percent. Vzhľadom na syntetický charakter keramických rezných nástrojov možno meniť ich chemické zloženie pre konkrétny typ obrábaného materiálu, a tým zvyšovať ich efektívnosť. Napríklad keramické rezné nástroje na báze nitridu kremíka sa používajú na obrábanie železnej zliatiny, oceľ je obrábaná reznými nástrojmi na báze oxidu hlinitého.
Veľké nádeje
Mnohí odborníci očakávali vynikajúce výsledky od konštrukcie celokeramického výbušného motora. Jeho hlavnou prednosťou mala byť vysoká pracovná teplota, ktorá by zabezpečila veľmi vysokú účinnosť. Malo ísť o motor pracujúci bez chladiaceho média. Veľa sa o konštrukcii tohto motora diskutovalo v Japonsku. V Číne ho dokonca skonštruovali. No len málo skúseností z jeho činnosti preniklo na verejnosť. Dá sa predpokladať, že tento zámer skončil pre keramiku fiaskom v dôsledku vysokej krehkosti. Nie však úplne.
Hybridný motor
Napriek neúspechu bol neskôr navrhnutý tzv. hybridný motor. Ide o motor, ktorý má veľkú časť súčiastok z rôznych keramických materiálov. Skonštruovali ho vo firme ISUZU v Japonsku (na obrázku). Náhradou častí motora súčiastkami z keramiky možno znížiť odvod tepla z pracovnej komory, a tým zvýšiť účinnosť hybridného motoru z 30 na 60 percent! Ide predovšetkým o tie časti motora, ktoré sú najviac tepelne a mechanicky namáhané, ako napríklad sací a výfukový ventil, hlavica turbodúchadla, hlava piestu, piestne krúžky, vnútorná stena valca, čap spájajúci piest a ojnicu.
Čo dokáže keramický ventil
Efekt použitia keramických častí motora ilustruje príklad keramického ventilu. V prvom rade je keramický ventil ľahší ako kovový. Hustota ocele je 7.9 Mg/m3, kým hustota nitridu kremíka je iba 3.2 Mg/m3. Tento fakt je dôležitý pri konštrukcii kľukovej hriadele, ktorá zabezpečuje pohyb ventilov. Vzhľadom na ich nižšiu zotrvačnú hmotnosť, môže byť aj kľuková hriadeľ a s ňou súvisiace časti motora menšie. Tým možno ušetriť 4 - 10 kg hmotnosti motora v závislosti od počtu ventilov.
Ďalšou nesporne významnou prednosťou použitia keramických ventilov je podstatné zníženie zaťaženia životného prostredia. Emisie oxidu uhoľnatého klesnú o 20%, emisie uhľovodíkov o 30% a emisie rakovinotvorného NOx klesnú až o 80%. Navyše keramické ventily významne znižujú hlučnosť motora. Jeden motor s kovovými ventilmi spôsobí toľko hluku ako 12 motorov s keramickými ventilmi! Vyššia teplota spaľovacieho procesu nemá za následok len menšie množstvo emisií, ale pozitívne ovplyvňuje aj spotrebu pohonných látok, ktorá klesne až o 5 percent. Tieto výsledky potvrdila experimentálna prevádzka 1 700 automobilov nemeckej firmy DaimlerChrysler triedy C s keramickými ventilmi pred niekoľkými rokmi.
Vysoká cena
Experiment sa skončil absolútnym potvrdením predností keramických ventilov. Napriek tomuto priaznivému výsledku sa však so sériovou výrobou automobilov s keramickými ventilmi v blízkej budúcnosti nepočíta. Dôvodom je cena. Keramický ventil je ešte stále oveľa drahší ako jeho kovový predchodca. No japonská firma ISUZU oznámila sériovú výrobu a predaj hybridných motorov (t.j. s keramickými súčasťami). Tie však predbežne nebudú montované do automobilov, ale budú slúžiť ako stacionárne turbíny produkujúce elektrickú energiu.
Nezničiteľné brzdné doštičky
Ďalším predstaviteľom z rodiny keramických materiálov sú materiály na báze karbidu kremíka. Vlastnosťami sa nepatrne líšia od nitridu kremíka, a preto si našli v automobilovom priemysle iné uplatnenie. Ide predovšetkým o brzdné kotúče a doštičky, ktoré sú prakticky nezničiteľné. Kým doteraz používané doštičky treba každých 20 000 až 40 000 km vymeniť, v závislosti od charakteru jazdy vodiča, keramické kotúče a doštičky z karbidu kremíka majú dlhšiu životnosť ako sám automobil.
Iné uplatnenie vlákien resp. keramickej vaty karbidu kremíka je pri tlmení hluku vo výfuku. Tlmiče na báze karbidu kremíka sú až trikrát účinnejšie ako doteraz používané.
Keramická zapaľovacia sviečka je ďalším významným reprezentantom keramiky v motore. Celokeramická sviečka s plášťom z oxidu hlinitého a jadrom z elektricky vodivého molybdéndisilicidu MoSi2 má takmer nekonečnú životnosť. Trh zapaľovacích sviečok je pritom obrovský. Pre zaujímavosť, len firma BOSCH vyrába vyše milióna zapaľovacích sviečok denne.
Je keramický motor sen alebo skutočnosť?
Skôr sen. Skutočnosť navyše ukázala, že konštrukcia celokeramického motora nie je ani potrebná. Realitou sú hybridné motory s čoraz zvyšujúcim sa podielom keramických súčastí. Kým v súčasnosti vyrábané motory obsahujú približne 15 až 20 percent keramických súčiastok, predpokladá sa nárast ich podielu až na 50 percent.
Tieto informácie boli zverejnené s láskavým súhlasom Doc. RNDr. Pavla Šajgalíka, DrSc., riaditeľa Ústavu anorganickej chémie Slovenskej akadémie vied.
Autor: UACH SAV
