WM prináša rozhovor - Výskum/vývoj: Najmodernejší snímač meria viskozitu oleja

WM SE: Vážený Dr. Pfusterschmied, v Inštitúte pre snímačové a aktuátorové systémy Viedenskej technickej univerzity ste vyvinuli snímač hustoty a viskozity, ktorý je vhodný na testovanie motorových a prevodových olejov. Nedávno vás za tento počin ocenila TU vo Viedni Fehrerovou cenou. Čo všetko sa za tým ukrýva?

Pfusterschmied: Základy pre použitú technologickú platformu založenú na piezoelektrických mikrovibračných tyčinkách boli položené už pred približne ôsmymi rokmi v rámci mojej doktorandskej práce. Pritom boli objavené vibračné módy (takzvané „roof tile shaped modes“), ktoré umožňujú zachytávať oscilačné kmitanie aj vo vysokoviskóznych kvapalinách, pričom boli konvenčné vibračné módy maximálne utlmené. V rámci svojej dizertačnej práce som dokázal tento koncept výrazne zdokonaliť novými prístupmi a zároveň preukázať presnosť, ako aj možnosti praktického využitia snímača na meranie hustoty a viskozity kvapalín. Vďaka tomuto vylepšeniu sa nám nakoniec podarilo úspešne zmerať viskozitu bitúmenovej živice, vysoko viskózneho materiálu, ktorý sa používa ako povrchová vrstva vozoviek. Piezoelektrický mikrosnímač zároveň umožňuje monitorovať fermentáciu vína pomocou merania jeho hustoty. V prípade náležitého ďalšieho vývoja tohto snímača môžeme uvažovať aj o jeho využití v osobných automobiloch na meranie hustoty a viskozity. To by nám umožnilo získať spätnú väzbu o kvalite oleja. Fehrerova cena bola udelená na základe týchto výsledkov, ako aj za aplikačne orientovaný výkon v oblasti mikrosenzoriky.

WM SE: Ako tento snímač funguje?

Pfusterschmied: Snímač sa skladá z jednostranne uchytenej, voľne trčiacej kremíkovej tyčinky. Aplikáciou elektricky kontaktovateľnej, tenkej piezoelektrickej vrstvy vyrobenej z nitridu hlinitého je možné tyčinku cielene nastaviť na mechanické kmitanie v jednom z vyššie uvedených vibračných módov typu „roof tile shaped“. Piezoelektrická vrstva navyše umožňuje aj priame elektrické odčítanie mechanického pohybu, vďaka čomu slúži ako budiaca, aj ako odčítateľná vrstva. Keď sa táto oscilačná štruktúra obklopí testovanou kvapalinou, spôsobí to, že vzájomným pôsobením mechanického kmitania a kvapaliny sa z oscilačného kmitača bude pôsobením viskóznych vlastností odoberať energia. Tento jav je potom možné odmerať ako zmenu v mechanických oscilačných vlastnostiach a prostredníctvom vhodných kalibračných postupov na základe toho určiť viskozitu a hustotu danej kvapaliny.

WM SE: Ako je možné využiť tento snímač v moderných osobných a úžitkových vozidlách?

Pfusterschmied: Bolo by možné, aby sa tieto mikroštruktúry integrovali priamo do olejovej sústavy vozidla a v podstate umožnili v reálnom čase sledovať fyzikálne vlastnosti média, ako je napríklad viskozita či jeho hustota. Materiály použité pri piezoelektrickom mikrosnímači umožňujú jeho nasadenie až do teploty 300 °C, vďaka čomu by ho bolo možné inštalovať priamo do osobných vozidiel. Keďže ide o vývoj snímačov v rámci univerzitného výskumného projektu, je na jeho komerčné využitie potrebné absolvovať ešte niekoľko krokov, ktoré by napríklad zahŕňali vytvorenie zapuzdrenia samotného snímača, ako aj otestovanie presnosti snímača vo veľkom počte komerčne dostupných motorových olejov.

WM SE: Aké zistenia ohľadne kvality oleja je možné získať na základe zmeny hustoty a viskozity?

Pfusterschmied: V prvom rade je tu potrebné uviesť, že najmä viskozita je výrazným spôsobom závislá od teploty, a preto je absolútne nevyhnutné dokonale presné meranie teploty. Ku zníženiu kvality oleja dochádza pôsobením chemických zmien, ako napríklad v dôsledku reakcie s kyslíkom, a tieto zmeny sa následne prejavujú v hustote, ako aj viskozite daného média. Vzhľadom na množstvo rôznych druhov motorových olejov je však v tejto oblasti dosť ťažké dať vám jednoznačnú odpoveď.

WM SE: Moderné motorové a prevodové oleje sú špičkovými technickými výrobkami. Podiel prídavných látok, teda aditív, momentálne dosahuje až 40 percent, zvyšok tvoria syntetické základné oleje. Vzájomná súhra všetkých zložiek je chemicky náročná. Je snímač celkovo odolný voči prípadným vplyvom chemických látok?

Pfusterschmied: Všetky použité materiály vykazujú vysokú chemickú odolnosť. Okrem toho je súčasne možné potiahnuť celý snímač tenkou ochrannou vrstvou z materiálu, ako je napr. karbid kremíka, aby sa dodatočne pasivoval a ochránil pred pôsobením chemických látok. Čo však ešte nedokážeme odhadnúť je pôsobenie usadenín, ku ktorým môže dôjsť v priebehu starnutia oleja a ktoré môžu tiež ovplyvniť parametre kmitania.

WM SE: V konečnom dôsledku ide o určenie optimálneho intervalu výmeny. Olej by sa mal vymieňať vtedy, keď sa zobrazí upozornenie na potrebu jeho výmeny. Akú úlohu pritom zohráva výber správneho kvalitného oleja schváleného výrobcom OEM?

Pfusterschmied: V súčasnej verzii dokáže snímač určiť iba fyzikálne vlastnosti oleja, no nedokáže rozpoznať, o ktorý olej vlastne ide. Keďže každý olej starne inak, bolo by preto bezpochyby potrebné poznať charakteristiky starnutia použitého oleja alebo aspoň použiť prahovú hodnotu zmeny viskozity závislú od daného oleja. Z tohto hľadiska by využitie v rámci osobných vozidiel nebolo úplne jednoduché, pretože majiteľ vozidla by musel pri každej výmene používať výlučne oleje, pre ktoré by boli k dispozícii tieto údaje. Čo sa týka používania motorových a prevodových olejov, jednoznačne odporúčam vždy používať kvalitné a značkové oleje, ktoré spĺňajú príslušné normy a špecifikácie výrobcov OEM. Lacné oleje, ktoré si do servisu prinesú samotní zákazníci, neprichádzajú do úvahy!

Dr. Pfusterschmied, ďakujeme vám za odpovede na naše otázky.