TRIBOTECHNIKA PLYNOVÝCH MOTOROV

Motoristickej a technickej verejnosti je všeobecne známe, že sa dostáva do popredia nová alternatíva v oblasti pohonných látok pre spaľovacie motory. Nie je to dané len tým, že zásoby ropy a tým aj ropných palív, benzínu a nafty motorovej sa znižujú. Ako nová pohonná látka pripadá do úvahy zemný plyn, ktorého spotreba v najbližších rokoch bude narastať. V roku 2030 sa odhaduje spotreba plynu až 30% z celkových svetových zásob dostupnej energie oproti 22 % v roku 2000. Uplatnenie zemného plynu ako pohonnej látky je výhodné najmä z týchto dôvodov:

• má vynikajúce spaľovacie vlastnosti
• je veľmi čistý (pri jeho spaľovaní vzniká menej škodlivín)
• je bezpečný (je ľahší ako vzduch, má vyššiu zápalnú teplotu)
• je dostupný a lacný.

V ostatnom čase je v pozornosti spotrebiteľskej verejnosti z alternatívnych zdrojov, pohonných látok najmä bioplyn. Bioplyn sa najčastejšie využíva na výrobu elektrickej energie a tepla v kogeneračných jednotkách (KGJ). Plynové motory  kogeneračných jednotiek dosahujú účinnosť pri výrobe elektrickej energie 32 až 40 %. Využitím odpadového tepla motora je možné dosiahnuť celkovú účinnosť až 85 %. Bioplyn je výsledným produktom bioplynových staníc. Podľa dostupných údajov v Slovenskej republike je v prevádzke 107 bioplynových staníc s úhrnným výkonom 101 MW a výrobou  810 000 MWh  elektrickej energie. Na obrázku č.1 je schéma bioplynovej  stanice.

Obrázok č.1

Bioplyn vzniká zo vstupných surovín činnosťou metanogénných baktérií bez prístupu vzduchu. Na anaeróbnej fermentácií sa zúčastňujú rôzne druhy mikroorganizmov. Na výrobu bioplynu sa používajú najmä tieto vstupné suroviny :

• poľnohospodárske produkty a produkty živočíšnej výroby
• odpadové vody (ČOV)
• tuhý komunálny odpad

V nasledovnej tabuľke č.1 uvedieme aké prímesi obsahuje bioplyn.

Tabuľka č.1

Plynová zložka bioplynu	Chemický vzorec	Percentuálny obsah
Metán	CH4	40 – 75 %
Oxid uhličitý	CO2	25 – 55 %
Vodná para	H2O	0 – 10 %
Dusík	N2	0 – 5 %
Kyslík	O2	0 – 2 %
Vodík	H2	0 – 1 %
Čpavok	NH3	0 – 1 %
Sírovodík	H2S	0 – 1 %

Z prímesi je najproblémovejší sírovodík, ktorý sa nachádza v plyne a to takmer vždy nad 0,1 %. Okrem toho jeho % obsah nie je stabilný,  čo môže spôsobiť značné prevádzkové problémy a často aj problémy pri výbere motorových olejov. Sírovodík H₂S pôsobí korozívne na motory a samotné technologické zariadenia, kogeneračné jednotky. Ďalšou zložkou je čpavok, ktorý okrem toho, že je zdrojom zápachu môže spôsobovať v prítomnosti vlhkosti (vody) v mazacom systéme vytváranie roztokov, nežiadúcich prímesí,  látok, ktoré  napádajú kovy. Za prítomnosti vody a produktov starnutia môže dôjsť k tvorbe rušivých emulzií a ku korózii. Kysličník uhličitý CO₂ sa rozpúšťa v ropných olejoch, ale ich vlastnosti neovplyvňuje. Pohlcuje vlhkosť a vlhký je korozívny.

Tribotechnika plynových motorov

Vzhľadom na uvedené problémy a z toho vyplývajúce požiadavky bude vhodné uviesť niektoré informácie v súvislosti s mazaním plynových motorov. Hneď v úvode treba povedať, že plynové motory sú viac citlivé na nečistoty v spaľovacom priestore ako naftové motory. Z toho a ďalších porovnaní vyplýva, že klasifikácie a špecifikácie platné pre benzínové a naftové motory nie sú vhodné pre plynové motory. Pri definovaní požiadaviek na mazanie plynových motorov treba uviesť tieto:

• typ motora (výkon, konštrukcia)
• druh plynu a množstvo nečistôt v plyne
• druh maziva a množstvo prísad
• obsah sírneho popola
• výrobný postup, technológia použitých prísad.

Ako palivo sa používajú čisté plyny propán, bután, zemný plyn, ale aj kyslé plyny a to bioplyn a kalový plyn. Najčastejšie zloženie kyslého plynu, bioplynu je  nasledovné:

• metán , max. 75 %
• kysličník uhličitý , max. do 55 %
• dusík , max. do 5 %
• nečistoty (sírovodík, čpavok, resp. aj chlór)

Treba spomenúť, že obsah síry v palive, plyne môže byť v rozsahu od 0,5 až 2 % hm. Z toho dôvodu veľkým problémom pri  prevádzke plynových  motorov môže byť ich korózia. Prítomnosť vody, rozpusteného kyslíku, oxidov dusíka a nečistôt (chlór, sírovodík) v plyne len podporujú, urýchľujú tento chemický proces. Tento jav sa môže prejaviť najmä pri kyslých plynoch. V technickej praxi sa stretávame najmä s uplatnením plynových motorov na pohon kogeneračných jednotiek, ktoré sa s výhodou používajú pri výrobe elektrickej energie a tepla. Ide o stabilné prevádzkové zariadenia. V súčasnosti sa už s výhodou používa kombinovaná výroba elektrickej energie, tepla a chladu. Môžeme povedať, že ide o trigeneračné  jednotky. Nové moderné motorové oleje, ktoré sa používajú na mazanie benzínových a naftových motorov nie je možné použiť pre plynové motory a to najmä vtedy, ak sa ako palivo používajú kyslé plyny. V tomto prípade môžu tieto oleje a ich prísady urýchľovať koróziu. Ak uvedieme špecifikáciu motorového oleja pre plynové motory, tak sa táto podstatne odlišuje od oleja pre benzínové a naftové motory.

Uvedieme základné rozdiely:

• základový olej - vyžaduje sa vysoká chemická a tepelná stabilita. Finálný výrobok pozostáva z 98 % základového oleja.
• obsah sírneho popola do 0,5 % hm., max 1,0 % hm.
• TBN,  celkové číslo alkality, pre zemný plyn do 6 mgKOH/g,

   pre kyslé plyny až 11 mgKOH/g

• viskozitná trieda  SAE 40 (pre motory  vo vnútri budovy)
• viskozitná trieda  SAE 30 (pre motory umiestnené vonku)

Tieto požiadavky platia najmä pre stabilné plynové motory. Pre spaľovacie motory motorových vozidiel na dvojité palivo (motorová nafta a plyn) sa používajú oleje viacrozsahové, viskozitnej triedy podľa SAE napr. 15W-40. Ide o oleje s nízkym obsahom prísad (zinok, fosfor), ktoré možno použiť aj pre motory s katalyzátorom. Treba si uvedomiť, že pri kvalitných motorových olejoch pre benzínové a naftové motory je ich zloženie 80 až 85 % základového oleja a 15 až 20 % zušľachťujúcich prísad. Pri olejoch pre plynové motory je to 98 % základového oleja a 2 % prísad. Pri hodnotení použitého motorového oleja vyhodnocujeme najmä TBN, alkalickú rezervu oleja. Táto hodnota pri olejoch pre naftové motory v súčasnosti stratila pri znížení obsahu síry  na 0,05 %hm. a podľa najnovších informácii až na 0,03 % hm. v motorovej nafte praktický význam. V olejoch pre plynové motory sa používajú detergentno - disperzantné prísady. Detergentná prísada je organická kovová polárna látka, ktorá neutralizuje kyseliny z dôvodu jej alkalickej rezervy, zabezpečuje čistotu motora, piestnych krúžkov a pod. Disperzantná prísada je  nekovová vysokomolekulárna organická zlúčenina, bezpopolná prísada, ktorá zabezpečuje, aby nespálené častice, uhlík boli v tvare suspenzie a všeobecne prispieva k čistote motora. Čo sa týka množstva sírneho popola ide o dôležitý údaj pri výbere motorového oleja,  kritérium, podľa ktorého musí byť zabezpečená rovnováha z dôvodu kontroly korózie. Kontrolu korózie môžeme vykonávať pomocou boroskopického vyšetrovania časti motora. Na obrázku č.2 je uvedený boroskopický prístroj, zariadenie, ktoré sa používa na boroskopické vyšetrenie.

Obrázok č.2

V nasledovnom prehľade v tabuľke č.2 uvedieme hraničné hodnoty pre hodnotenie použitého motorového oleja pre plynové motory. Ide o údaje, ktoré boli stanovené na základe prevádzkových skúsenosti a sú porovnávané k hodnotám čerstvého oleja.

Tabuľka č.2

Kontrolovaný ukazovateľ	Hraničná hodnota
Kinematická viskozita, mm2.s-1	+/- 20 %
Celkové číslo alkality, TBN, mgKOH/g	50 % z hodnoty čerstvého oleja
Obsah vody, % obj	0,2
Nemrznúca zmes (glykoly), % hm.	Neobsahuje
Obsah kovov, mg/kg (ppm)	Fe – 45, Cu – 35, Al – 20, Si - 50

Uvedené údaje môžu mať aj iné hodnoty a to najmä pri obsahu kovov. Plynové motory  dosahujú dobu chodu až 60 000 prevádzkových hodín do prvej generálnej opravy. Čo sa týka výmenných intervalov motorového oleja, tak pre plynové motory  (zemný plyn) pri použití ropného oleja sú tieto v rozsahu od 600 do 1 000 moto hodín v závislosti od typu motora. U nás sa na pohon kogeneračných jednotiek používajú napr. motory Škoda Favorit, MT 22A,MT 400S, LIAZ, MT 140S, MT200S a ďalšie. Zo známych spoločnosti sú to motory od výrobcov Jenbacher, Waukesha, CAT, MAN, Perkins, Guascor, MWM a ďalší výrobcovia. Pri syntetických olejoch je hodnota výmenných intervalov až 2 násobná. Pri motorových vozidlách môžeme tieto hodnoty často určovať podľa najazdených kilometrov a porovnávať podľa výmenných intervalov pre benzínové a naftové motory. Tieto výmenné intervaly sú závislé najmä na druhu a  čistote použitého plynu. Podľa skúsenosti olejárske  spoločnosti v tejto oblasti ponúkajú servisný program pre plynové motory, ktorý je zameraný na odber vzoriek olejov, resp.  aj  na boroskopické vyšetrovanie motorov, aby sa zabránilo nepredvídaným problémom, ktoré môžu mať vplyv na ich prevádzku. V technickej praxi sa stretávame s uplatnením plynových motorov, ako už bolo uvedené  na pohon  kogeneračných jednotiek (KGJ), ktoré sa s výhodou používajú na výrobu elektrickej energie, tepla a v súčasnosti aj chladu. V tomto prípade už ide o trigeneračné jednotky (TGJ), ktoré nám ponúkajú nové možnosti.

Na záver treba spomenúť, že v praxi sa začína častejšie používať zemný plyn ako palivo pre spaľovacie motory, resp. motory na dvojité palivo (plyn a ropné pohonné látky). Uplatnenie bioplynu je stále aktuálne a jeho rozšírenie bude závisieť od postoja niektorých verejnoprávnych inštitúcií.