Aluminium, stal i nowe technologie
Wydawałoby się, że wszystko, co można było wymyślić w dziedzinie tłoków silnikowych, zostało już wymyślone. Federal Mogul pokazuje jednak, że wciąż można wprowadzać nowe rozwiązania technologiczne.
Specjaliści Federal-Mogul Holdings Corporation Powertrain Division opracowali nowe technologie produkcji tłoków, które pomagają ograniczyć zużycie paliwa, a tym samym spełnić przez pojazdy wymogi norm emisji Euro 6. Zaawansowana architektura tłoków, nowe procesy produkcyjne podnoszące trwałość i redukujące tarcie znalazły zastosowanie zarówno w tłokach stalowych jak i aluminiowych.
– Wyższe szczytowe ciśnienia w cylindrze stosowane we współczesnych silnikach celem poprawy wydajności spalania są osiągalne wyłącznie dzięki technologicznej ewolucji w produkcji tłoków, która pozwoliła zachować dotychczasową trwałość przy jednoczesnym wzroście obciążeń termicznych i mechanicznych – tłumaczy Norbert Schneider, szef projektantów tłoków. – Bardziej wydajne spalanie, mniejsze tarcie, to konkretne korzyści, które płyną z zastosowania nowych technologii, a jednocześnie przekładają się na niższe spalanie i emisję CO2.
W zależności od tego, czy tłoki wykonane są ze stali czy też aluminium, napotykają na inne wyzwania, co ma związek z właściwościami fizycznymi tych materiałów. Aluminium jest lżejsze i lepiej przewodzi ciepło. Natomiast wyższa wytrzymałość stali jest zaletą w obliczu wzrostu ciśnienia w cylindrze. Przy średnicy tłoka do 120 mm, lepszym wyborem jest aluminium. Z kolei stal jest przyjętym rozwiązaniem w pojazdach ciężarowych, przy średnicy otworu cylindra 130 mm i więcej. Stopniowo jednak wzmacnia się trend wykorzystywania tłoków stalowych również przy średnich wielkościach otworu cylindra, zwłaszcza przy ciśnieniach przekraczających 210-220 barów.
– Mimo że jesteśmy największym na świecie dostawcą tłoków stalowych do pojazdów ciężarowych, to jednak dysponujemy technologiami pozwalającymi oferować klientom szeroki wybór tłoków aluminiowych znajdujących zastosowanie w silnikach z ciśnieniem szczytowym w cylindrze nieprzekraczającym 220 barów – mówi Arnd Baberg, główny inżynier odpowiedzialny za konstruowanie tłoków.
Aluminiowe nowości
Federal-Mogul zwiększył wydajność tłoków aluminiowych, poprawiając ich chłodzenie. Rozbudowana architektura tłoka obejmuje chłodzoną olejem galerię zlokalizowaną bliżej rejonów narażonych na najwyższe temperatury, dzięki czemu ciepło jest odbierane wydajniej niż w jakiejkolwiek konstrukcji konwencjonalnej. Osiągnięcie to stało się możliwe dzięki najnowocześniejszym technikom badań ultradźwiękowych 2D, które zapewniają wysoką jakość odlewu każdego elementu.
Trwałość denka tłoka silnika wysokoprężnego często warunkuje maksymalne temperatury i bezpieczne ciśnienia. Istnieje bowiem ryzyko pęknięć zmęczeniowych, które spowodowane jest obecnością drobin krzemu w aluminium. Opatentowany przez Federal-Mogul proces DuraBowl®, wykorzystuje kontrolowane, ponowne przetopienie krawędzi denka i/lub podstawy komory w denku tłoka w celu zmniejszenia ziarnistości krzemu do zaledwie jednej dziesiątej jego pierwotnej wielkości, co znacznie poprawia trwałość zmęczeniową odlewu.
Aby poprawić wydajność silnika wysokoprężnego, Federal-Mogul opracował ponadto powłokę EcoTough® Diesel, zmniejszającą tarcie pomiędzy płaszczem tłoka a cylindrem nawet o 13 procent w porównaniu do konwencjonalnych powłok grafitowych. EcoTough® Diesel wykorzystuje stałe środki smarne i bazę polimerową wzmocnioną włóknem węglowym, co zapewnia niższe tarcie i lepszą ochronę przed zużyciem.
Stalowe z nanodiamentami
Testowane pod ciśnieniem szczytowym do 300 barów, tłoki Federal-Mogul Monosteel® prezentują najnowsze osiągnięcia firmy w dziedzinie techniki zgrzewania tarciowego, która pozwala poprawić wydajność chłodzenia i ograniczenie masy. Federal-Mogul wyprodukował ponad 8 milionów tłoków Monosteel® od ich premiery w 2003 roku. Firma nadal udoskonala tę technologię, opracowując rozwiązania przeznaczone do najbardziej wymagających zastosowań.
Wysokie obciążenia sworznia tłokowego w nowoczesnych silnikach wysokoprężnych pojazdów ciężarowych powodują, że tłoki wymagają bardzo precyzyjnego przygotowania otworu sworznia. Federal-Mogul opracował unikatowy proces obróbki przy użyciu bardzo precyzyjnej elektrodrążarki (High Precision Electro-Erosion Machining – HPEEM), dokładnie formującej otwór sworznia tłokowego. Oznacza to lepszą nośność i niezawodność.
Tłoki stalowe mają ograniczającą tarcie powłokę EcoTough® Diesel. Tę samą, która stosowana jest w produkcji tłoków aluminiowych. Dodatkowo Federal-Mogul opracował powłokę ochronną pokrywającą denko tłoka. W warstwie chromu znajdują się nanodiamenty, które odbijają ciepło, przyczyniając się do ograniczenia tworzenia się osadów i zapobiegając niszczeniu krawędzi denka.
