A motorodban lévő alumíniumcsigák a tüzes pokolban élnek. Teljes gázzal és 6000-es fordulatszámon egy benzinmotor dugattyúja 0,02 másodpercenként közel 10 tonna erőnek van kitéve, miközben az ismétlődő robbanások több mint 600 Fahrenheit-fokig hevítik a fémet.
Ez a hengeres Hádész manapság forróbb és intenzívebb, mint valaha, és ez valószínűleg csak rosszabb lesz a dugattyúk számára. Ahogy az autógyártók a nagyobb hatékonyságot hajszolják, a dugattyúgyártók olyan jövőre készülnek, amelyben a legerősebb szívó benzinmotorok literenként 175 lóerőt teljesítenek, szemben a mai 130 lóerővel. A turbófeltöltéssel és a megnövekedett teljesítménnyel még keményebb feltételek jönnek. Az elmúlt évtizedben a dugattyúk üzemi hőmérséklete 120 fokkal emelkedett, míg a henger csúcsnyomása 1500 psi-ről 2200 psi-re nőtt.
A dugattyú mesél arról a motorról, amelyben található. A korona elárulhatja a furatot, a szelepek számát és azt, hogy az üzemanyagot közvetlenül a hengerbe fecskendezik-e vagy sem. Egy dugattyú kialakítása és technológiája azonban sokat elárulhat az autóipar előtt álló tágabb trendekről és kihívásokról is. Egy mondással élve: Ahogy az autó megy, úgy megy a motor is; és ahogy a motor megy, úgy megy a dugattyú is. A jobb üzemanyag-fogyasztás és az alacsonyabb károsanyag-kibocsátás érdekében az autógyártók könnyebb, kisebb súrlódású dugattyúkat kérnek, amelyek kitartanak a keményebb üzemi körülmények között is. Ez a három szempont – a tartósság, a súrlódás és a tömeg – emészti fel a dugattyúszállítók mindennapjait.
A benzinmotorok fejlesztése sok tekintetben a dízelek által 15 évvel ezelőtt kijelölt utat követi. A hengercsúcsnyomás 50 százalékos növekedésének ellensúlyozására egyes alumínium dugattyúk már vas- vagy acélbetéttel rendelkeznek a felső gyűrű alátámasztására. A legforróbb benzinmotorok hamarosan hűtőcsatornát, vagyis egy zárt csatornát igényelnek a korona alsó oldalán, amely hatékonyabban vezeti el a hőt, mint a mai módszer, amikor a dugattyú alját egyszerűen olajjal permetezik be. A fröccsöntők olajat lőnek a dugattyú alján lévő kis nyílásba, amely a galériát táplálja. Az egyszerűnek tűnő technológiát azonban nem könnyű legyártani. Az üreges járat létrehozása azt jelenti, hogy a dugattyút két darabból kell önteni és súrlódással vagy lézerhegesztéssel összeilleszteni.
A dugattyúk a motor súrlódásának legalább 60 százalékáért felelősek, és az itt elért fejlesztések közvetlen hatással vannak az üzemanyag-fogyasztásra. A súrlódást csökkentő, grafittal impregnált gyantafoltok, amelyeket a szoknyára szitanyomtatnak, ma már szinte általánosak. A Federal-Mogul dugattyúszállító cég kísérletezik az olajgyűrű kúpos felületével, amely lehetővé teszi a gyűrű feszességének csökkentését anélkül, hogy növelné az olajfogyasztást. Az alacsonyabb gyűrűsúrlódás akár 0,15 lóerőt is felszabadíthat hengerenként.
Az autógyártók is ki vannak éhezve az új súrlódáscsökkentő bevonatokra az egymáshoz súrlódó vagy forgó alkatrészek között. A kemény és csúszós gyémántszerű bevonat (DLC) ígéretes a hengerbetétek, a dugattyúgyűrűk és a csuklócsapok esetében, ahol kiküszöbölheti a csapágyak szükségességét a csap és a csatlakozó rúd között. Ez azonban drága, és a mai autókban kevés helyen alkalmazzák.
“A DLC-ről gyakran beszélnek, de hogy a sorozatgyártású autókba bekerül-e, az még kérdéses” – mondja Joachim Wagenblast, a Mahle, egy német autóalkatrész-beszállító cég termékfejlesztési vezető igazgatója.
Az egyre kifinomultabb számítógépes modellezés és a pontosabb gyártási módszerek bonyolultabb formákat is lehetővé tesznek. Az aszimmetrikus szoknyák a tálak, kupolák és szelepmélyedések mellett, amelyek a hézagoláshoz és az adott sűrítési arány eléréséhez szükségesek, kisebb, merevebb területet tartalmaznak a dugattyú tolóoldalán, hogy csökkentsék a súrlódást és a feszültségkoncentrációkat. Fordítson meg egy dugattyút, és alig több mint 0,1 hüvelyk vastagságú kúpos falakat fog látni. A vékonyabb falak szigorúbb ellenőrzést igényelnek a már mikronokban, azaz milliméter ezredrészekben mért tűréseknél.
A vékonyabb falak egy olyan tárgy hőtágulásának jobb megértését is megkövetelik, amelynek néha másodpercek alatt kell fagypont alatti hőmérsékletről több száz fokra felmelegednie. A motorban lévő fém nem egyenletesen tágul a felmelegedés során, ezért a tűrések optimalizálása olyan tervezési tapasztalatot és precíz megmunkálási képességeket igényel, amelyekkel enyhe excentrikusságokat lehet létrehozni az alkatrészekben.
“Semmi sem egyenes vagy szándékosan kerek” – mondja Keri Westbrooke, a Federal-Mogul műszaki és technológiai igazgatója. “Mindig beépítünk némi kompenzációt.”
A dízelüzemű motorok dugattyúi saját fejlődésükön mennek keresztül, ahogy a hengerek csúcsnyomása 3600 psi felé emelkedik. A Mahle és a Federal-Mogul az öntött alumíniumról a kovácsolt acél dugattyúkra való áttérést jósolja. Az acél sűrűbb, mint az alumínium, de háromszor erősebb, ami olyan dugattyúhoz vezet, amely nagyobb nyomást és hőmérsékletet bír el, a súly növekedése nélkül.
Az acél lehetővé teszi a geometria jelentős megváltoztatását azáltal, hogy lerövidíti a dugattyú kompressziós magasságát, amelyet a csuklócsap közepétől a korona tetejéig terjedő távolságként határoznak meg. Ez a terület teszi ki a dugattyú tömegének 80 százalékát, így a rövidebb általában könnyebbet jelent. Fontos, hogy az alacsonyabb kompressziós magasság nem csak a dugattyúkat zsugorítja. Rövidebb és könnyebb motorblokkot is lehetővé tesz, mivel a fedélzet magassága csökken.
A Mahle acél dugattyúkat gyárt élvonalbeli turbódízel alkalmazásokhoz, például a négyszeres Le Mans-győztes Audi R18 TDI és a Mazda LMP2 Skyactiv-D motorjához. A vállalat még ebben az évben megkezdi az első acél dugattyúk szállítását egy könnyű sorozatgyártású dízelmotorhoz, egy Renault 1,5 literes négyhengereshez.
A belsőégésű motor tartós jelentőségét az alkatrészek folyamatos fejlődésének köszönheti. A dugattyúk nem szexik. Nem olyan divatosak, mint egy lítium-ion akkumulátor, nem olyan összetettek, mint egy duplakuplungos sebességváltó, vagy nem olyan érdekesek, mint egy nyomatékvektoros differenciálmű. Mégis, több mint egy évszázadnyi autóipari fejlődés után a dugattyúk továbbra is a dugattyúk termelik a legtöbb erőt, ami mozgat minket.
Ferrari F136
Applications: Ferrari 458 Italia (shown), 458 Spider
Engine Type: DOHC V-8
Displacement: 274 cu in, 4497 cc
Specific Output: 125.0 hp/l
Max engine speed: 9000 rpm
Bore: 3.70 in
Weight: 2.1 lb
Ford Fox
Applications: Ford Fiesta (shown), Focus
Engine Type: turbocharged DOHC inline-three
Displacement: 61 cu in, 999 cc
Specific Output: 123.1 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 2.83 in
Weight: 1.5 lb
Cummins ISB 6.7
Applications: Ram Heavy Duty (shown)
Engine Type: turbocharged pushrod diesel inline-six
Displacement: 408 cu in, 6690 cc
Specific Output: 55.3 hp/l
Max engine speed: 3200 rpm
Bore: 4.21 in
Weight: 8.9 lb
Ford Coyote
Applications: Ford F-150, Mustang (shown)
Engine Type: DOHC V-8
Displacement: 302 cu in, 4951 cc
Specific Output: up to 84.8 hp/l
Max engine speed: 7000 rpm
Bore: 3.63 in
Weight: 2.4 lb
Fiat Fire 1.4L Turbo
Applications: Dodge Dart; Fiat 500 Abarth (shown), 500L, 500 Turbo
Engine Type: turbocharged SOHC inline-four
Displacement: 83 cu in, 1368 cc
Specific Output: up to 117.0 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 2.83 in
Weight: 1.5 lb
Cummins ISX15
Applications: heavy-duty trucks (International Prostar shown)
Engine Type: turbocharged SOHC diesel inline-six
Displacement: 912 cu in, 14,948 cc
Specific Output: up to 40.1 hp/l
Max engine speed: 2000 rpm
Bore: 5.39 in
Weight: 26.4 lb
Chrysler LA-Series Magnum V-10
Applications: Dodge Viper (shown)
Engine Type: pushrod V-10
Displacement: 512 cu in, 8382 cc
Specific Output: 76.4 hp/l
Max engine speed: 6400 rpm
Bore: 4.06 in
Weight: 2.8 lb
Ford EcoBoost 3.5L
Applications: Ford Expedition, Explorer Sport, F-150 (shown), Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator
Engine Type: twin-turbocharged DOHC V-6
Displacement: 213 cu in, 3496 cc
Specific Output: up to 105.8 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 3.64 in
Weight: 2.6 lb
Toyota 2AR-FE
Applications: Scion tC (shown); Toyota Camry, RAV4
Engine Type: DOHC inline-four
Displacement: 152 cu in, 2494 cc
Specific Output: up to 72.2 hp/l
Max engine speed: 6500 rpm
Bore: 3.54 in
Weight: 2.5 lb
Stihl MS441 Chain Saw
Applications: MS441 C-M Magnum chain saw (shown), MS441 C-MQ Magnum chain saw
Engine Type: two-stroke single-cylinder
Displacement: 4 cu in, 71 cc
Specific Output: 79.7 hp/l
Max engine speed: 13,500 rpm
Bore: 1.97 in
Weight: 0.4 lb
Chrysler Hellcat 6.2L
Applications: Dodge Challenger SRT Hellcat
Engine Type: supercharged pushrod V-8
Displacement: 376 cu in, 6166 cc
Specific Output: 114.7 hp/l
Max engine speed: 6200 rpm
Bore: 4.09 in
Weight: 3.0 lb
As the workload for pistons increases, so do the demands on connecting rods. Higher combustion pressures translate to greater stresses on the sticks linking the pistons to the crank. Az egzotikus titán darabok ritka kivételével a csatlakozó rudakat általában vagy porított acélból készítik, préselik és öntőformában melegítik, vagy nagyobb teljesítményű alkalmazásoknál acélból kovácsolják. A legnagyobb technológiai változást a repedt nagyvégű kupakok jelentik mind a porított acélból készült, mind a kovácsolt összekötőrudak esetében. Korábban a rudat és a forgattyúcsapvégsapkát különálló darabokként gyártották. A repedt kupakkal ellátott rudak egyetlen, dobozkulcs alakú darabként kerülnek ki a formából. A forgattyúcsapvéget maratják, majd egy prés segítségével kettétörik. Az így keletkező szabálytalan felület javítja az igazítást; biztosabb kapcsolatot eredményez a kupak és a rúd között; és karcsúbb, könnyebb összekötőrúd-szerelvényt tesz lehetővé.
Nemfém dugattyúk: A kerámia és a kompozitok az alumíniummal szemben az alacsonyabb hőtágulás, a kisebb súly, valamint a nagyobb szilárdság és merevség csábító tulajdonságait kínálják. Az 1980-as években a Mercedes-Benz egy német kormányzati támogatásból készített egy 190E motort szénkompozit dugattyúkkal, amely 15 000 mérföldet futott probléma nélkül. Bár a technológia megalapozott, a gyártás volt a korlátozó tényező. Egy 1990-es NASA-tanulmány megállapította, hogy egyetlen dugattyú megmunkálása szén-karbon tuskóból 2000 dollárba került. Az alternatíva az időigényes kézi rétegezés volt.
Wankel Rotors: Oké, oké, tudjuk, hogy ez nem dugattyú, de az öntöttvas háromszög alakú rotor a Wankel-motor dugattyú analógja, mert az égési energiát nyomatékká alakítja. Mivel nincs új Mazda RX a láthatáron, úgy tűnik, az egyetlen reményünk a rotációs motorok újjáélesztésére az Audi, amely a 2010-es Audi A1 e-tron plug-in hibrid koncepciójában egy Wankel-típusú hatótávnövelővel kecsegtetett minket.
Oval dugattyúk: Abban az időben, amikor a kétütemű motorkerékpár-motorok voltak a normák, a Honda 1979-ben egy négyütemű motorkerékpár-motorral vett részt a motoros világbajnokságon. Ez áll a történelem egyik legfurcsább motorjaként. A Honda NR500 GP motorkerékpárját egy V-4-es motor hajtotta, 100 fokos vee-szöggel, ovális hengerekkel, amelyek tetején egyenként nyolc szeleppel és dugattyúnként két összekötő rúddal rendelkeztek. Az ovális dugattyúk tömítése nehéznek bizonyult (Soichiro Honda eredeti üzleti tevékenysége az volt, hogy dugattyúgyűrűket szállított a Toyotának), de ez volt a csapat legkisebb gondja. A motorok rendszeresen kiestek a World GP versenyeken, és időnként a kvalifikáció sem sikerült. Három éven belül a Honda visszatért a hagyományos kétütemű versenymotorokhoz.
A dugattyús motorok: Az EcoMotors dízelüzemű, kétütemű, ellentétes dugattyús, ellentétes hengerűrtartalmú (OPOC) motorja a hagyományos kompressziós gyújtású motorokhoz képest akár 15 százalékos hatékonyságjavulást is elérhet. Azzal, hogy az égéstér két dugattyú közé került, a vállalat megszüntette a hengerfejet és a szelepsorokat, amelyek jelentős hőveszteséget és súrlódást okoznak. A kevesebb alkatrészből álló OPOC-motornak olcsóbbnak és könnyebbnek is kell lennie, ha nem kerül a polcra a fantasztikus Fish Carburetorral együtt.
oldalon találhatsz.