Rozhovor v WM - Výzkum/vývoj: Nový senzor měří viskozitu oleje

WM SE: Vážený pane doktore Pfusterschmiede, v Ústavu senzorických a pohonných systémů na Technické univerzitě ve Vídni jste vyvinul snímač hustoty a viskozity, který je vhodný pro testování motorových a převodových olejů. Za to jste nedávno na TU ve Vídni obdržel Fehrerovu cenu. Jak jste k takovému výsledku dospěl?

Pfusterschmied: Základy použité technologické platformy založené na piezoelektrickém mikrovibračním paprsku jsem položil již před osmi lety ve své disertační práci. Nalezli se vibrační režimy (tzv. „roof tile shaped modes“, neboli „režimy ve tvaru střechy“), které umožňují vibrace i ve vysoce viskózních kapalinách, zatímco běžné vibrační režimy se v tomto prostředí maximálně tlumí. V rámci své disertační práce jsem dokázal tento koncept významně vylepšit novými přístupy a demonstrovat přesnost a praktičnost senzoru pro měření hustoty a viskozity kapalin. Tento další vývoj nakonec umožnil úspěšně měřit viskozitu bitumenu, extrémně vysoce viskózního materiálu, který se používá jako povrch vozovky. Piezoelektrický mikrosenzor dále umožňuje sledovat fermentaci vína prostřednictvím měření hustoty. Pokud budeme senzor dále vyvíjet, lze jej použít také k měření hustoty a viskozity kapalin v automobilech. To by umožnilo sledovat kvalitu oleje. Fehrerova cena byla udělena za základy této technologie a její orientaci na použití v praxi v oblasti mikrosenzorové technologie.

WM SE: Jak senzor funguje?

Pfusterschmied: Senzor se skládá z volně stojícího křemíkového paprsku, který je na jedné straně upnutý. Použitím piezoelektrické tenké vrstvy vyrobené z nitridu hlinitého, kterou lze elektricky kontaktovat, lze paprsek nastavit na mechanické vibrace v jednom z výše uvedených vibračních režimů ve tvaru střechy („roof tile shaped“). Piezoelektrická vrstva také umožňuje přímé elektrické čtení mechanického pohybu, a proto slouží jako spouštěcí i čtecí vrstva. Pokud je tato vibrační struktura obklopena testovanou kapalinou, dochází vzájemným působením mechanické vibrace a kapaliny k odebírání energie z vibrátoru prostřednictvím viskózních účinků. To lze poté detekovat jako změnu mechanického chvění a pomocí vhodných kalibračních metod odvodit viskozitu a hustotu kapaliny.

WM SE: Jak si můžeme představit použití senzoru v moderních automobilech nebo užitkových vozidlech?

Pfusterschmied: Tyto mikrostruktury bychom mohli integrovat přímo do olejového okruhu, abychom mohli přímo na palubní desce sledovat fyzikální vlastnosti, jako je například viskozita a hustota. Materiály použité na piezoelektrickém mikrosenzoru umožňují provozní teplotu až 300 °C, a proto by se mohly používat přímo v autě. Zatím se však tento vývoj senzorů odehrává jen v rámci univerzitního výzkumného projektu. Aby bylo možné je využívat komerčně, bude to vyžadovat ještě značné úsilí. Například budeme muset pracovat na implementaci zapouzdření senzoru a kontrole přesnosti senzoru v nesčetných komerčně dostupných motorových olejích.

WM SE: Jaké závěry ohledně kvality oleje můžeme dělat podle změny hustoty a viskozity?

Pfusterschmied: Nejprve je třeba uvést, že zejména viskozita je velmi závislá na teplotě, a proto je naprosto nezbytné přesné měření teploty. Degradace oleje je výsledkem chemických přeměn, například reakcí s kyslíkem, a tyto změny se projevují jak v hustotě, tak ve viskozitě. Vzhledem k mnoha různým typům motorových olejů je obtížné dát zde jasnou odpověď.

WM SE: Moderní motorové a převodové oleje jsou technicky vysoce pokročilé produkty. Podíl aditiv je nyní až 40 procent, zbytek jsou syntetické základní oleje. Interakce složek je chemicky složitá. Je senzor zcela necitlivý vůči jakýmkoliv chemickým vlivům?

Pfusterschmied: Všechny použité materiály mají vysokou chemickou odolnost. Dále je možné pokrýt celý senzor tenkou ochrannou vrstvou, například z karbidu křemíku, aby se dodatečně pasivoval a chránil před chemickými útoky. Co zatím nemůžeme odhadnout, je vliv usazenin, které se mohou vyskytnout během stárnutí oleje a také ovlivňují parametry vibrací.

WM SE: Nakonec jde o optimální interval výměny. Olej by se měl vyměňovat, pokud je to skutečně žádoucí. Jak důležité je zvolit olej správné kvality, který schválili výrobci OE?

Pfusterschmied: V aktuální verzi může senzor detekovat pouze fyzikální vlastnosti oleje, ale nedokáže rozpoznat, o který olej se jedná. Protože každý olej stárne odlišně, bylo by proto nutné znát charakteristiky stárnutí použitého oleje nebo alespoň použít prahovou hodnotu pro změnu viskozity závislou na oleji. V tomto ohledu není použití v osobních vozech tak snadné, protože majitel vozidla by musel při každé výměně oleje používat pouze oleje s uloženými údaji. Pokud však jde o používání motorových a převodových olejů, vždy doporučuji používat kvalitní a značkové oleje, které splňují příslušné normy a specifikace výrobců OE. Levné oleje, které zákazníci sami přivezou do servisu, nepřipadají v úvahu!

Pane doktore Pfusterschmiede, děkuji za odpovědi na naše otázky.