Maskinerisystemer for hurtiggående fartøy og ferger – DFDS Crown of Scandinavia – 9 des 2003

Sylinderlakkering under lupen: hva er det og hva skyldes det?

dr. ing. Øyvind Buhaug

MARINTEK

Introduksjon Sylinderlakk er et belegg som kan dannes på innsiden av sylindrene i dieselmotorer. Disse flatene er honet, dvs utstyrt med små riller som skal sørge for god smøring av sylinderen. Lakkbelegget vil over tid fylle disse honesporene med det resultat at oljeforbruket i motoren øker dramatisk. Vi har sett at oljeforbruket kan komme opp i 10 ganger normalt nivå, men som regel vil motoren bli overhalt før oljeforbruket når slike verdier. Denne typen belegg er heldigvis sjelden, men de skaper store problem for de det gjelder.

Visuelle Inntrykk Belegget varierer i farge fra 'usynlig' hvitt via lysebrun rav til brunt. Eksempler på utseende er i Figur 1. Lysebrun lakk

Brun lakk ‘Gjennomsiktig’ lakk

Figur 1: Utseende av typiske belegg Denne måten å fotografere sylinderforinger gir mye refleksjoner og lite repeterbare bilder. Endret kameravinkel kan gi et helt annet inntrykk av fargen på belegget. Vi har derfor utviklet en metode å fotografere små utsnitt av sylinderforingen på under

kontrollerte lysforhold. Dette gir et noe annet inntrykk av foringen. Forskjellen er størst i foringene der det er lite farge. Nærbilder av samme foring som vist i Figur 1 er vist i Figur 2 under. Lysebrun lakk

Mørk lakk

Gjennomsikig lakk

Figur 2 Nærbilder av samme foringer som vist i figur 1.

Det er ofte mulig å se mønstre i belegget. Noen eksempler på dette er vis i figurene 3, 4 og 5.

(a)

(b)

Figur 3 Striper i belegg - avtrykk fra stempelringer

2

(a) (b)

Figur 4 Bilder som viser avsetninger fra flytende olje. Foringen til venstre har også betydelig polering (abrasiv slitasje).

(a)

(b)

Figur 5 Belegg med rettlinjede kanter. Bilde til venstre kan tyde på dårlig kontakt mellom ring og sylindervegg

Mønstre i belegget kan hjelpe oss til å forstå hva det er som skjer. Bildet i Figur 4 (b) viser at (nedbrutt) olje skrapes opp mot toppen av foringen hvorfra den render tilbake ved stillstand, mens de rette vertikale stripene i Figur 5 (a) indikerer dårlig kontakt mellom sylindervegg og stempelringen i dette området.

Hva består belegget av? Beleggets sammensetning varierer. Det er en glidende overgang mellom det blanke og de brunere beleggene. Begge typer belegg inneholder kalsiumsulfat (gips) og spor av slitasjemetaller. I tillegg vil gjennomsiktig belegg typisk inneholde sot, jernsulfat og organiske kalsium salter, mens det brune tenderer mot produkter av oksidert smøreolje som ikke lengre er løselig i olje.

3

Den indre strukturen i beleggprøver kan undersøkes i transmisjons elektron mikroskop (TEM). Dette innebærer at en svært tynn prøve gjennomlyses med elektroner. Elektrondiffraksjon får krystallinsk materiale til å tre frem i denne typen bilder. Figur 6 viser at belegget inneholder med størrelse inntill 50 nm. Analyse av diffraksjonsmønster viser at dette er kalsium sulfat.

Figur 6 TEM bilde av sylinderlakk. Bilde viser at belegget inneholder gipskrystaller med størrelse inntill 50 nm.

Hvor ligger det på foringen? Det er ikke mulig å se med øye om det er belegg i honesporene. Det ”usynlige” belegget vist i Figur 1 og Figur 2 forårsaker større økning i oljeforbruk enn det de mørkere beleggene som er vist ved siden. Det er imidlertid det er mulig å indikere tykkelsen på belegget ved å måle ruheten i overflaten. Systematiske målinger av ruheten har avdekket at belegget typisk samler seg på midten av foringen. Dette er vist i Figur 7.

4

Deviation from reference. Ra

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50-0.5 0 0.5 1 1

delta Ra [micron]

cm b

elow

flam

e rin

g

.5

Figur 7 Gjennomsnitt av ruhetsmålinger rundt omkrets av sylinder. Positiv ‘delta Ra’ indikerer belegg. Sylinderforing samt stempel i øvre og nedre dødpunkt er antydet til høyre. Figur 8 og Figur 9 viser et bilde av sylinderlakk tatt med ’vanlig’ elektronmikroskop (SEM). Bilde i Figur 8 er typisk for toppen av sylinderen mens Figur 9 er typisk for området i midten der endringen i ruhet er størst. Disse bildene antyder at forskjellen i ruhet skyldes at ’klumper’ av belegget er falt av i toppen av sylinderen.

5

Figur 8 Typisk sylinderbelegg fra øvre del av sylinderforingen

Figur 9 Typisk sylinderbelegg fra midtre del av sylinderforingen

6

Hvor kommer det fra? Sot og svoveloksider fra forbrenningen vil havne på sylinderveggen. Svoveloksidene vil danne svovelsyre i oljefilmen. Kalsiumsulfat dannes når svovelsyre nøytraliseres av oljetilsetninger. Jernsulfat er resultat av svovelsyrekorrosjon på sylinderveggen . Dette vil raskt tære på foringen. Over tid vil oljen på sylinderveggen oksidere. Hastigheten er sterkt avhengig av temperaturen. Tilsetningsstoffer i oljen kan bremse men ikke forhindre oksidasjon. Oksidasjon vil føre til at det dannes syrer. Organiske salter dannes når smøreoljetilsetninger nøytraliserer slike oksidasjonssyrer.

Hvorfor dannes avleiringer Små mengder av stoffene som inngår i belegget er vanligvis tilstede i oljefilmen. Disse stoffene er ikke løselig i olje, men tilsetninger gjør at oljen likevel kan løse en god del slikt materiale. Dannelse av avleiringer skjer som en følge av en ubalanse mellom oljens oppløsende evne og konsentrasjonen av uløselig materiale. Beleggdannelse unngås når fornyelsen av oljefilmen er tilpasset belastningen i form av temperatur og forurensning. Dette er illustrert i Figur 10. Mange faktorer spiller inn på denne balansen. Temperatur i oljefilm

Forurensnings rate.

Lokal og global fornying av oljefilm

Oljefilmens dispergerende evne og motstand mot dannelse av uløselige

oksidasjonsprodukt

Økte avleiringer Reduserte avleiringer Figur 10 Grunnleggende faktorer for tilstand i oljefilmen

Samspill mellom ulike faktorer Sylinderbelegg sies ofte å være et produkt av 'uheldig samspill' mellom motordesign, belastning, samt sammensetning av drivstoff og smøreolje. Hastigheten belegget dannes ved vil være avhengig av fire grunnleggende faktorer:

1. Temperatur 2. Konsentrasjon av 'reaktanter' 3. Konsentrasjon av eventuelle katalysatorer eller inhibitorer 4. Tilgjengelig overflateareal på 'reaktanter'

7

Vi oppfatter belegget som en utfelling av materiale som ikke kan løses i oljen. Samspillet mellom hastigheten belegget dannes ved og motordesign, oljesammensetning, drivstoff og belastning er viste i figur 11. Dette er en komplisert diskusjon. For eksempel vil høy temperatur akselerere nedbrytingen av olje og additiver mens forurensninger som sot og svovelsyre vil avta.

Årsak fra sak til sak Belegg på sylinderforinger må forstås ved balansen i figur 10. Med bakgrunn i feltstudier og belegget sammensetning er det likevel grunn til å sette fokus på i hvilken grad oljefilmen på sylinderen utveksles lav last. I enkelte saker har vi sett klare bevis på svovelkorrosjon på sylinderveggen. Svovelinnholdet i drivstoffet har vært lavt og smøreoljen har normalt god nøytraliserende evne. Sen utveksling av oljefilmen - og dermed for lav tilførsel av nøytraliserende middel, og for lav bortførsel av uløselige produkter - er den mest nærliggende forklaringen til at oljefilmen har kunnet bli sur.

Et lavlast fenomen? Feltstudier har også vist at sylinderbelegg ofte dannes ved utpreget lavlast kjøring. Moderne motorer har generelt sett et lavt oljeforbruk, og ofte synkende oljeforbruk redusert last. Utveksling av oljefilm kan ikke direkte sidestilles med oljeforbruk, men det er trolig en sammenheng slik at lavt oljeforbruk indikerer redusert fornyelse av oljefilmen. Samtidig er lav last den tilstanden hvor forurensning av olje med syreforstadier og sot er høyest slik at behovet for utveksling av oljefilmen er størst ved lav last. Dette vil kunne forrykke balansen i figur 1 i uheldig retning. Dersom lavt oljeforbruk var problemet skulle en kanskje tro at økt forbruk grunnet belegg ville rette opp denne ubalansen, men det trenger ikke være tilfelle. Nærbilder av foringer med belegg viser klare spor etter at materiale samles over ringenes øvre vendepunkt for å renne tilbake på foringen ved stillstand. Olje som akkumuleres høyt på foringen vil være gjenstand for sterk fordampning. Økningen i oljeforbruk som skjer ved fordampning vil være mindre effektivt til å transportere bort materiale enn 'naturlig' oljeforbruk' som i stor grad er forstøvet olje.

Belegg ved høy temperatur? Sen utveksling av oljefilmen kan lokalt skyldes vridninger i foringen. Dette kan forklares ved høy temperatur. Høy temperatur vil også akselerere oksidasjon av olje og forårsake mørkere belegg

8

MotordesignBelastning

Varmeovergang*

Lokal tempi sylinderforingen

Nærhet til flammeGassbevegelse

Trykkbølger

Forbrenningsforløp

MotordesignBelastning

Brennstoff blanding

Lokal varmeovergang

Temperaturi oljefilm

Temp. i oljefilm. *

Brennstoffsammensetning

Kondensasjonsprodukt

Temp.i oljefilm. *

Antioksidanter &Detergenter*

Smøreoljenssammensetning

Baseolje

Oksidasjonsprodukt

Dannelse av olje-uløselige stoffer

Smøreoljensdispergerende

evne*

Motordesign

Oljefilmfornyelse

Transport av olje-uløselige stoffer

OljesammensetningOljefilm temp.*

Fordampning

Konsentrasjon avoljeuløselige stoffer

Smøreoljenssammensetning

Antioksidanter &Detergenter

Oljesammensetning

Mengde'dispersant' i ny

olje

Konsentrasjon avikke løselige stoff

smøreoljenssammensetning

Temp.i oljefilm.*

Termisknedbrytning

Tap avdispergerennde

evne

Smøreoljensdispergerende evne

Inhibitorer &Overflateareal

BELEGGDANNELSE

FiFigur 11. Faktorer som påvirker tilstanden i smøreoljefilmen.

9

Konklusjon Dannelse av belegg er en sammensatt prosess. Den eneste måten å forsikre seg mot belegg er å ha kontroll med begge sider av balansen i Figur 10. Det derfor nødvendig å sikre tilstrekkelig kontroll med utveksling av oljefilmen ved alle lasttilstander og samtidig kontroll på temperaturen i oljefilmen. Dette samt korrekt formulering av smøreolje og drivstoff vil forhindre dannelse av belegg på sylinderforinger og også svovelkorrosjon. Dette notatet er en introduksjon til tema og resultat fra doktoravhandlingen ’Deposit Formation on Cylinder Liner Surfaces in Medium Speed Engines’. Kopi av avhandlingen er tilgjengelig fra Institutt for Marin Teknikk IVT, NTNU 7491 Trondheim v/ Berit Ulleberg Telefax 73 59 56 97

10