174229. lajstromszámú szabadalom • Könnyűfém dugattyú Diesel-motorokhoz
3 174229 4 Az említett intézkedésekkel a könnyűfém dugattyúk hő okozta repedéseinek és a termikus túlterhelés következtében előálló rásülések és kiégések problémái kielégítően megoldhatók. Ezek az intézkedések azonban nem kielégítőek ahhoz, hogy általuk különösen a közvetlen befecskendezéses Diesel-motorok dugattyúinál az égéstér-kamra szélétől kiinduló termikus fáradási repedések elkerülhetők legyenek. Az égést ér-kamrában fellépő magas hőmérsékletek következtében — amelyek 600 °C-nyi értékkel is, de mindenképpen messze meghaladják az ismert könnyűfém dugattyúanyagok megengedett hőfokterhelését — elsősorban az égéstér-kamra széle kritikus igénybevétel alatt áll, különösen akkor, ha az égéstér-kamra nagyon mély vagy alámetszett. A felgyorsított gázáramok folytán a hőátadás ebben a zónában fokozott, a hőelvezetés azonban, elsősorban kis kamra-nyílásszögeknél korlátozott. Ezáltal növekszik az égéstér-kamra szélének hőmérséklete és a hőfokeloszlásból adódó nagy tangenciális feszültséggel együtt a rugalmassági határon túli igénybevételt okoz. Terhelésváltozás, vagy a Diesel-motor leállítása folytán bekövetkező lehűléskor belső húzófeszültségek alakulnak ki. Ha ez a folyamat gyakori - mint járműmotoroknál - akkor termikus fáradási repedések lépnek fel. Ezek a repedések igen mélyek lehetnek és hűtőüreges dugatytyúknál ezen üregig terjedhetnek, ami az égési gázok átfúvásához vezethet. Korlátozott mértékben lehetséges az égéstér-kamra szélének tehermentesítése konstrukciós optimum révén — a gázerőből és hőfokeloszlásból adódó feszültségek csökkentésével -, valamint a kamra széleinek lekerekítésével és szelepfészek-szerű áttörésekkel. Az anyag szempontjából a meleg szilárdság mellett elsősorban a hőtágulás és a plasztikus nyúlás gyakorol befolyást, összehasonlító kísérletek az eutektikus ötvözetek előnyeit mutatják az eutektikuson túli ötvözetekkel szemben, továbbá a sajtolt ötvözetek előnyeit az öntött ötvözetekkel szemben. Olyan kísérletek, amelyeknek az volt a célja, hogy hőkezeléssel vagy felületi kezeléssel pl. sörétszórás útján, a termikus kifáradási szilárdság javulását érjék el, nem vezettek pozitív eredményre. Az égéstér-kamra szélének fegyverzettel való ellátása pl. egy nikkellel ötvözött öntöttsav gyűrű beöntésével, amely dugattyúgyűrű befogadására szolgáló betéttel ellátott dugattyúnál egyszerűen össze lehet kötve ezzel a betéttel. (DBGM 1 890 021), korlátozott üzemidőre segítséget nyújt. 300 és 400 000 km közötti futásidők után azonban károsodásokat figyeltek meg, ugyanis az öntöttvas gyűrű részei kitörtek. Az ausztenites anyagnak ugyan kisebb a hőtágulása, mint az alumínium ötvözetnek, de lényegesen forróbb lesz. A maradó alakváltozás folytán hosszabb üzem után az említett gyűrű és a dugattyúfenék között rés keletkezik. Egy ilyen fegyverzet további hátránya, hogy a dugattyú hűtésére szolgáló hatékony helyzetű üreg kialakítása igen nehéz, hátrány továbbá a dugattyú súlyának és önköltségének a növekedése. Alternatív megoldások után kutatva, amelyekkel az említett hátrányok elkerülhetők, megvizsgáltak olyan megoldásokat, amelyek szerint a dugattyúfenékre fémvagy fémkerámiaréteget vittek fel plazmasugaras eljárással. Ezzel kapcsolatban azonban olyan problémák merültek fel, hogy éppen az éles, tehát veszélyeztetett kamranyílások peremrészeinél a felvitt réteg szerkezete egyenetlen lesz és annak tapadó-szilárdsága nem kielégítő. A súlytöbblet elkerülésére irányuló törekvést mutatja az is, hogy a dugattyúfeneket nem magas hőállóságú vasanyagokból - mint acél vagy szürke öntvény — alakítják ki. Az utóbbi időben jelentős eredményeket értek el kemény eloxált réteggel bevont dugattyúfenekekkel. Egy ilyen réteggel a fegyverzet nélküli dugattyúfenékkel szemben, a repedések megjelenéséig mintegy 4-szeres futásidő meghosszabbodást értek el. Egy fegyverzet nélküli dugattyú, amely sajtolt alumínium ötvözetből készült, már kb. 90 000 km megtett út után az égéstér-kamra széleinél keletkezett repedéseket mutat. Ugyanez a dugattyú, ha egy speciális eljárással az egész dugatytyúfeneket kemény eloxált réteggel látták el, 400 000 km után is még tökéletesen repedésmentes. A kemény eloxált rétegnek a szemcsehatárok károsodása elleni védő hatása különösen a finom alapstruktúrájú anyagnál kiemelkedő. Mivel a kemény eloxált réteget nem külön rétegként viszik fel, hanem az alapanyagból alakul ki, a réteg-tapadással kapcsolatban problémák nem merülnek fel. A kemény eloxált réteg lezárja a dugattyúfenekeket, védelmet biztosít korrózió, valamint oxidáció ellen, jó hőszigetelést nyújt és nem gyakorol befolyást a dugattyú anyagának szilárdsági értékeire. Az említett előnyök ellenére megállapították, hogy a kemény eloxált réteg egyes helyeken, éspedig lényegében a dugattyúfenék nagy hőterhelésű részein, a repedésérzékenységet csökkenti, illetve késlelteti, de más helyeken, lényegében a gáz- és tömegerőkkel erősen terhelt tartományokban a repedésérzékenységet fokozza. Ezért jelen találmánynak az a célja, hogy a kemény eloxált réteget az égéstér-kamrával ellátott könnyűfém dugattyú fenekén ott és úgy biztosítsa, hogy az mind a nagy hőterhelésű, mind pedig a gáz- és tömegerők által erősen terhelt dugattyúfenék-tartományokban csökkentse, illetve késleltesse a repedésérzékenységet. Ennek a feladatnak a megoldása abban áll, hogy a kemény eloxált réteg a dugattyúfenéknek a gáz- és tömegerők által erősen terhelt tartományaiban ki van hagyva. Különösen lényeges, hogy a kemény eloxált réteg az égéstér-kamra szélének a csapirányban fekvő szakaszainál van elhagyva. Olyan könnyűfém dugattyúknál, amelyeknél a dugattyúfenékben még szelepfészek-szerű áttörések is vannak, célszerű, hogy ezeket a tartományokat se vonják be kemény eloxált réteggel. A találmány szerinti kemény eloxált réteg egy előnyös elhelyezése abban áll, hogy az olyan közvetlen befecskendezésű Diesel-motorok könnyűfém dugattyújának fenekében, ahol az égéstér-kamrát 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
