De aluminium slakken in uw motor leven in een vurige hel. Bij 6.000 toeren per minuut en volgas wordt een zuiger in een benzinemotor elke 0,02 seconde onderworpen aan bijna 10 ton kracht, terwijl herhaalde explosies het metaal verhitten tot meer dan 600 graden Fahrenheit.
Dezer dagen is dat cilindrische Hades heter en intenser dan ooit, en het zal waarschijnlijk alleen maar erger worden voor zuigers. Als automakers jacht hogere efficiëntie, zuiger fabrikanten bereiden zich voor op een toekomst waarin de meest-potente natuurlijk aangezogen benzinemotoren 175 pk per liter produceren, omhoog van 130 vandaag. Met turbolading en hogere vermogens komen nog zwaardere omstandigheden. In de afgelopen tien jaar zijn de bedrijfstemperaturen van de zuigers met 120 graden gestegen, terwijl de piekcilinderdrukken zijn opgelopen van 1500 psi tot 2200.
Een zuiger vertelt een verhaal over de motor waarin hij zich bevindt. De kroon kan de boring onthullen, het aantal kleppen, en of de brandstof al dan niet rechtstreeks in de cilinder wordt ingespoten. Maar het ontwerp en de technologie van een zuiger kunnen ook veel zeggen over de bredere trends en uitdagingen waarmee de auto-industrie wordt geconfronteerd. Om een spreuk te gebruiken: zoals de auto gaat, zo gaat de motor; en zoals de motor gaat, zo gaat de zuiger. In hun streven naar een zuiniger brandstofverbruik en lagere emissies vragen autofabrikanten om lichtere zuigers met minder wrijving en voldoende uithoudingsvermogen om zwaardere bedrijfsomstandigheden te doorstaan. Het zijn deze drie punten – duurzaamheid, wrijving en massa – die de werkdag van de zuigerleveranciers in beslag nemen.
In veel opzichten volgt de ontwikkeling van benzinemotoren het pad dat 15 jaar geleden door diesels werd uitgestippeld. Ter compensatie van de 50 procent hogere piekcilinderdruk hebben sommige aluminiumzuigers nu een ijzeren of stalen tussenstuk om de bovenste ring te ondersteunen. De heetste benzinemotoren zullen binnenkort een koelgalerij nodig hebben, of een ingesloten kanaal aan de onderkant van de kroon dat efficiënter is in het verwijderen van hitte dan de huidige methode om de onderkant van de zuiger eenvoudigweg met olie te besproeien. De sproeiers spuiten olie in een kleine opening aan de onderkant van de zuiger die de galerij voedt. De schijnbaar eenvoudige technologie is echter niet gemakkelijk te fabriceren. Om een holle doorgang te maken, moet de zuiger in twee stukken worden gegoten en via wrijving of laserlassen worden samengevoegd.
De zuigers zijn verantwoordelijk voor ten minste 60 procent van de wrijving van de motor, en verbeteringen op dit gebied hebben een directe invloed op het brandstofverbruik. Wrijving-verminderende, grafiet-geïmpregneerd hars patches zeefdruk op de rok zijn nu bijna universeel. Zuigermengelleverancier Federal-Mogul experimenteert met een taps toelopend oppervlak op de oliering, waardoor de ringspanning kan worden verlaagd zonder dat het olieverbruik toeneemt. Lagere ringwrijving kan tot 0,15 pk per cilinder vrijmaken.
Automakers zijn ook hongerig naar nieuwe wrijvingsverminderende afwerkingen tussen onderdelen die tegen elkaar wrijven of roteren. De harde en gladde diamantachtige deklaag, of DLC, houdt belofte voor cilindervoeringen, zuigerveren, en polspinnen, waar het de behoefte aan lagers tussen de pin en de drijfstang kan elimineren. Maar het is duur en heeft weinig toepassingen in de auto’s van vandaag.
“Er wordt vaak over DLC gesproken, maar of ze in productieauto’s terechtkomen is nog maar de vraag,” zegt Joachim Wagenblast, senior directeur productontwikkeling bij Mahle, een Duitse leverancier van auto-onderdelen.
Steeds verfijndere computermodellen en preciezere fabricagemethoden maken ook complexere vormen mogelijk. Naast de schalen, koepels en klepinkepingen die nodig zijn voor de speling en om een bepaalde compressieverhouding te bereiken, hebben asymmetrische skirts een kleiner, stijver gebied aan de stuwzijde van de zuiger om wrijving en spanningsconcentraties te verminderen. Draai een zuiger om en u ziet taps toelopende wanden die nauwelijks meer dan 0,1 inch dik zijn. Dunnere wanden vereisen een striktere controle op toleranties die al worden gemeten in microns, of duizendsten van een millimeter.
Dunnere wanden vereisen ook een beter begrip van de thermische uitzetting van een voorwerp dat soms in enkele seconden moet opwarmen van beneden het vriespunt tot enkele honderden graden. Het metaal in uw motor zet niet gelijkmatig uit als het opwarmt, dus het optimaliseren van toleranties vereist de ontwerpervaring en nauwkeurige bewerkingsmogelijkheden om kleine excentriciteiten in de onderdelen aan te brengen.
“Niets wat we maken is opzettelijk recht of rond,” zegt Keri Westbrooke, directeur van engineering en technologie bij Federal-Mogul. “
De zuigers van dieselmotoren ondergaan hun eigen evolutie naarmate de piekcilinderdruk oploopt tot 3600 psi. Mahle en Federal-Mogul voorspellen een verschuiving van gegoten aluminium naar gesmede stalen zuigers. Staal is dichter dan aluminium, maar drie keer sterker, wat leidt tot een zuiger die beter bestand is tegen hogere drukken en temperaturen, zonder dat het gewicht toeneemt.
Staal maakt een opmerkelijke verandering in de geometrie mogelijk door de compressiehoogte van de zuiger te verkorten, gedefinieerd als de afstand van het midden van de pen van de pols tot de bovenkant van de kroon. Dit gebied is goed voor 80% van het gewicht van de zuiger, dus korter betekent meestal lichter. Belangrijk is dat een lagere compressiehoogte niet alleen de zuigers kleiner maakt. Het maakt ook een korter en lichter motorblok mogelijk omdat de dekhoogte wordt verminderd.
Mahle produceert stalen zuigers voor toonaangevende turbodiesel toepassingen, zoals de vier keer Le Mans-winnende Audi R18 TDI en Mazda’s LMP2 Skyactiv-D motor. Het bedrijf zal later dit jaar beginnen met het verschepen van zijn eerste stalen zuigers voor een lichte productiedieselmotor, een Renault 1,5-liter viercilinder.
De blijvende relevantie van de verbrandingsmotor is te danken aan de voortdurende evolutie van zijn componenten. Zuigers zijn niet sexy. Ze zijn niet zo modieus als een lithium-ion batterij, niet zo complex als een transmissie met dubbele koppeling en ook niet zo interessant als een torque-vectoring differentieel. Maar na meer dan een eeuw van vooruitgang in de auto-industrie produceren zuigerzuigers nog steeds de meeste kracht die ons voortbeweegt.
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. Met de zeldzame uitzondering van exotische stukken van titanium, worden de drijfstangen typisch of van staalpoeder gemaakt, samengeperst en in een vorm verwarmd, of uit staalvoorraad voor hogere prestatiestoepassingen gesmeed. De belangrijkste technologische verschuiving zijn gescheurde drijfstangkappen voor zowel poeder-metalen als gesmede drijfstangen. Vroeger werden de drijfstang en de krukpeneinddop als afzonderlijke stukken vervaardigd. Stangen met gescheurde doppen komen uit de gietvorm als één enkel, steeksleutelvormig stuk. Het krukpenuiteinde wordt geëtst en vervolgens met een pers in tweeën gebroken. Het resulterende onregelmatige oppervlak verbetert de uitlijning, zorgt voor een stevigere verbinding tussen de dop en de stang, en maakt een slankere, lichtere drijfstangassemblage mogelijk.
Nonmetalen Zuigers: De keramiek en de samenstellingen bieden de verleiding van lagere thermische uitbreiding, lichter gewicht, en hogere sterkte en stijfheid in vergelijking met aluminium aan. In de jaren ’80, gebruikte Mercedes-Benz een Duitse overheidssubsidie om een 190E motor met koolstof-samengestelde zuigers tot stand te brengen die 15.000 mijlen zonder kwestie liepen. Hoewel de technologie deugdelijk is, was de fabricage de beperkende factor. Uit een NASA-studie uit 1990 bleek dat het bewerken van een enkele zuiger uit een koolstof-koolstof billet $2000 kostte. Het alternatief was een tijdrovend hand lay-up proces.
Wankel Rotors: Oké, oké, we weten dat het geen zuiger is, maar de gietijzeren driehoekige rotor is het zuiger-analoog van de Wankelmotor omdat hij verbrandingsenergie omzet in koppel. Met geen nieuwe Mazda RX aan de horizon, lijkt onze enige hoop op een revival van de rotatiemotor Audi te zijn, die ons plaagde met een Wankel-achtige range extender in zijn 2010 Audi A1 e-tron plug-in hybride concept.
Oval Pistons: In een tijd waarin tweetaktmotoren de norm waren, bracht Honda in 1979 een viertakt naar de World Motorcycle Grand Prix. Het staat bekend als een van de vreemdste motoren uit de geschiedenis. Honda’s NR500 GP-motor werd aangedreven door een V-4-motor met een spinehoek van 100 graden, ovale cilinders met elk acht kleppen en twee drijfstangen per zuiger. Het afdichten van de ovale zuigers bleek moeilijk (Soichiro Honda’s oorspronkelijke business was het leveren van zuigerveren aan Toyota), maar dat was een van de minste zorgen van het team. De motoren vielen regelmatig uit in World GP races en slaagden er soms niet in zich te kwalificeren. Binnen drie jaar stapte Honda weer over op een traditionele tweetakt racemotor.
Opposed-Piston Engines: EcoMotors’ dieselverbrandende tweetaktmotor met tegenoverliggende zuigers en cilinders (OPOC) claimt een rendementsverbetering van maar liefst 15 procent ten opzichte van een conventionele motor met compressie-ontsteking. Door de verbrandingskamer tussen twee zuigers te plaatsen, heeft het bedrijf de cilinderkoppen en de kleppenaandrijving, die bronnen van aanzienlijk warmteverlies en wrijving zijn, geëlimineerd. Een OPOC motor met minder onderdelen zou ook goedkoper en lichter moeten zijn, als hij niet op de plank belandt met de fantastische Fish Carburetor.