A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata. Alapítva: 1840
 

KEZDŐLAP    ARCHÍVUM    IMPRESSZUM    KERESÉS


 BELSŐÉGÉSŰ MOTOROK HENGERFELÜLETÉNEK

    MIKROGEOMETRIAI VIZSGÁLATA

X

Solecki Levente

dr. univ., főiskolai docens, Széchenyi István Egyetem, Járműgyártási Tanszék, Győr • solecki(kukac)sze.hu

 

Bevezetés


Belsőégésű motorok hajtják jelenleg a közúti járművek túlnyomó részét, bár az alternatív hajtások egyre nagyobb mértékben, de egyelőre inkább csak jelzésértékű teret nyernek. A belsőégésű motorokban az üzemanyag energiájának mozgási energiává alakítása a hengerben történik. A henger határolja le az égésteret, és vezeti meg a dugattyúgyűrűkön keresztül a dugattyút. A hengerfal és a dugattyú/dugattyúgyűrűk kapcsolata meghatározó fontosságú a belsőégésű motor működése szempontjából. A jelenleg elterjedt hengerfal-kialakítások hosszú fejlődés eredményeként alakultak ki, és ez a fejlődés jelenleg is folytatódik. A cél, hogy minél kisebb kopás és súrlódás mellett jó tömítést lehessen elérni és hosszú élettartamot. Ez a dolgozat azokat a vizsgálatokat mutatja be, amelyekkel hengerfelületek üzemi kopását lehet meghatározni.


A henger kialakítását meghatározó tényezők


A hengerfelület mikrogeometriai struktúráját – mintázatát – a rendelkezésre álló gyártástechnológiai lehetőségek figyelembe vételével úgy kell kialakítani, hogy két egymásnak ellentmondó követelménynek egyszerre tegyen eleget: a kis ellenállás és kopás érdekében minél kisebb legyen a felületi egyenetlensége (érdessége), de a mintázata olyan legyen, hogy a kenőanyag meg tudjon tapadni rajta, és helyet biztosítson az esetleges szennyeződéseknek (szilárd égéstermék-részecskék, kopadékok).

A hengerfelületek méretét és makrogeometriai alakját a finomfúrás és a hónolás biztosítja, a mikrogeometriai mintázat kialakítására többféle eljárást használnak. A hagyományos hengermintázatot a hengerfelület többfokozatú, úgynevezett platóhónolásával hozzák létre.
A hónolási mintázat olyan lézertáskák beégetésével csökkenthető, amelyek biztosítják a kenőolaj megtapadását. Ezen kívül arra is lehetőség van, hogy lézerkezeléssel feltárják a felületközeli karbonzárványokat, hogy azok üregei biztosítsák a szükséges felületi egyenetlenséget. A felület lézerkezelése két okból is javítja a viselkedését: egyrészt simább (kisebb egyenetlenségű) felületet lehet létrehozni, ami kisebb ellenállást és kopást eredményez, másrészt a lézerezés keményebbé, ezáltal kopásállóbbá teszi a henger futófelületi rétegét.


Hengerfelületek mikrogeometriai
mérési módszerei


A hengerfelületek közvetlenül nehezen mérhetők, mert belső felületeknek rossz a hozzáférhetőségük (Grabon et al., 2010). A mérendő felületeknek a mikrogeometriai vizsgálatokhoz nagy a kiterjedésük – egy átlagos személygépkocsiba épített belsőégésű motor hengerfuratának 80 mm körüli az átmérője és 100 mm körüli a hossza. Az érdességmérés hagyományos tűs letapogatása csak hosszirányban és legfeljebb néhány metszetben, és nem teljes hosszban használható. Többféle optikai eljárás (hagyományos mikroszkóp, fehér fény interferométer, szórt fény érzékelés…) is alkalmazható hengerfelületek vizsgálatára, de ezeket egyedi kialakítással kell ehhez alkalmassá tenni. A felületek mikrogeometriáját mérő általános rendeltetésű berendezésekkel úgy lehet hengerfelületek részeit mérni, hogy roncsolással a méréshez metszeteket készítünk a hengerfelületből. Ennek viszont az a következménye, hogy a felület mikrogeometriai mérése után már nem tudjuk üzemeltetni a motort.

Ha a hengerfelületről szilikonlenyomatot készítünk (1. ábra) (Gara et al., 2010), akkor ez a lenyomat az 1 µm-nél nagyobb felületi egyenetlenségeket viszonylag kis veszteséggel átviszi, és elég sokat átvisz az 1 µm-nél kisebb egyenetlenségekből is. A teljes hengerfelületről bonyolult lenne lenyomatot venni, de mivel a szívó és a kipufogóoldalon nagyobb a hengerfal igénybevétele a dugattyú mozgásától, ezért ezeknek a sávoknak a vizsgálata különösen érdekes a felület kopását illetően. A lenyomattechnika előnye, hogy archiválja a felület kiindulási állapotát, így van az üzemeltetés után lehetőség ugyanazon felületrész kiindulási és a későbbi állapotának összehasonlítására. A lenyomatok rugalmas anyagúak, ezért tapintós – tűs – érzékelővel nem, csak optikai úton mérhetők.

Ahhoz, hogy ugyanazokat a felületrészeket meg lehessen találni a felületről korábbi és későbbi állapotában készített lenyomatokon, találni kell legalább három, nem egy egyenesbe eső olyan bázispontot mindkét lenyomaton, amelyek egymásnak megfelelői, és minden olyan mérőberendezéssel egyértelműen megtalálhatók, amit a mérések során alkalmazni fogunk. Mivel a dugattyúgyűrűk, illetve a dugattyú nem érintkeznek a hengerfelülettel a teljes hosszon, hanem felül és alul marad egy-egy nem érintkező sáv, ezekben lehet ilyen egymásnak megfeleltethető pontokat találni. A hengerfelület mintázata egyedi, tehát mint a 2. ábrán látható, az egymásnak megfelelő pontok egyértelműen azonosíthatók. Meg kell ezután határozni mind a bázispontok, mind a vizsgálandó pontok térbeli koordinátáit. Amilyen pontosan megfeleltethetők, fedésbe hozhatók egymással a bázispontok, olyan pontossággal feltételezhető, hogy a keresett pontok megközelítik egymást. A bázispontok egymásra illesztéséhez szükséges koordinátatranszformáció Helmert-transzformációval (Luhmann, 2003) határozható meg; vagy egyszerűsítve, síkban kezelve a problémát, két lépcsőben kapjuk meg: először a bázispontok súlypontjának egymásra tolásával (transzláció), majd a pontoknak a bázispontok súlypontja körüli elforgatásával, amíg a koordináták eltéréseinek négyzetösszege minimális lesz (rotáció).

A mérések egy optikai koordináta mérőgépen (MAHR PMC800) kezdődnek a kopott felület vagy az arról készített lenyomat vizsgálatával. Ki kell választani mind a bázispontokat, mind azokat a pontokat, amelyeket a továbbiakban vizsgálni fogunk. Ezekről a pontokról képfelvételeket kell készíteni, és meg kell mérni ezeknek a pontoknak a koordinátáit. Ezután meg kell mérni az ennek a felületnek a kiindulási állapotáról készített lenyomaton a bázispontok koordinátáit, és ki kell számolni a két koordinátarendszer egymásra illesztéséhez szükséges eltolást és elforgatást. A vizsgálandó pontok ismeretlen koordinátáit úgy kapjuk meg, hogy a kopott felület vizsgálandó pontjainak koordinátáival elvégezzük a bázispontokon meghatározott koordináta-transzformációt. Ugyanígy, a bázispontokból kiindulva lehet az érdességmérő berendezésen (Taylor Hobson TALYSURF CLI2000) ugyanazokat a pontokat megtalálni, mint amelyeket a koordináta mérőgépen bemértünk.

A módszert úgy ellenőriztük, hogy összehasonlítottuk, mennyire feleltethetők meg egymásnak ugyanazon felületrész közvetlen érzékeléssel készített képi és 3D-s letapogatással készített felvételei a lenyomat megfelelő pontjának képi és 3D-s letapogatással érzékelhető felvételeivel. Azon kívül, hogy a lenyomat a térbeli struktúra tükörképe, el is veszt információt, és az

 

 

érzékeléseknek is van egy bizonyos bizonytalanságuk, a lenyomatokon érzékelhető pontok az eredeti felület pontjaival mind képileg, mind a térbeli struktúrát illetően jó egyezést mutatnak. A lenyomattechnikát összehasonlítottuk a felület közvetlen érzékelésével fehérfény-interferométerrel, és ezzel is megfelelő egyezést kaptunk.


Kopásvizsgálatok a hengerfelületeken


Két vizsgálati sorozatot végeztünk. Az egyikben három, ugyanolyannak tekinthető (típus, gyártás) lézerkezelt hengerfelületű motornak hasonlítottuk össze a gyártás utáni hengerfelületét az 500, illetve 1000 órás kevert programú és 1500 órás teljes terhelésű próbapadi járatás utánival. A vizuális vizsgálatot a négyhengeres motorok minden hengerének szívó- és kipufogóoldalának teljes lökethosszára és még a dugattyúgyűrűk alsó holtpontja alatti területre is elvégeztük. A vizsgálatból megállapítottuk, hogy egy motoron belül az egyes hengerek kiindulási állapotában és kopásában feltűnő eltérés nem mutatkozott, és a szívó- és a kipufogóoldal között sem lehetett nagy különbséget tapasztalni. Mindegyik hengerfelületről készített lenyomatról meg lehetett állapítani mindhárom dugattyúgyűrű (két kompressziógyűrű és az olajlehúzógyűrű) alsó és felső holtpontját. A holtpontnál egyrészt kifényesedik a felület, másrészt itt több hosszirányú karc is kezdődik vagy végződik. A holtpontok helyzetét kimérve és összehasonlítva meg lehetett állapítani, hogy egy motoron belül a négy hengernél összesítve a forgattyústengely egyes hajtókacsapjainak távolsága a forgástengelytől, a hajtókarhosszak és a dugattyú csapszegfurat tengelytávolsága a gyűrűhoronytól mennyire voltak különbözőek.

A holtponti sáv szélességéből a hajtókarcsap/hajtókarfurat, hajtókar/dugattyúcsapszeg/dugattyú és a gyűrűhorony/gyűrű illesztésére lehet következtetni. Egy henger szívó- és kipufogóoldalánál a holtpontmagasságok különbségéből a holtpontokban a dugattyú helyzetének ferdeségére (billegésére) lehet következtetni. A kopás a hengerfelületen olyan formában jelentkezik, hogy a felület gyártási mintázatának magassága csökken, a finom mintázat el is tűnhet, másrészt a felületen olyan hosszirányú karcok keletkeznek, melyek gyártáskor egyáltalán nem voltak. A kopásnyomokból arra lehetett következtetni, hogy az elvárásoknak megfelelően a legnagyobb kopás a löket mentén, a löket felső harmadában van, ahol egyrészt az égésből a legnagyobb nyomások hatnak a dugattyúra, és ahol már mind a három gyűrű érintkezik a hengerfelülettel. A legkevesebbet – 500 órát – járatott motor (2. ábra) hengerfelületén voltak olyan területek, ahol nem volt kopásnyom, és abból, hogy a felület az égéstermékektől kokszosodott, arra következtettünk, hogy ilyen terhelés mellett nem is érintkezett azon a részen a gyűrű a hengerfelülettel. Mivel a gyűrűk alsó holtpontja alatt is voltak hosszirányú karcok; ez arra utalt, hogy itt a dugattyú palástfelülete érintkezett a hengerfelülettel.

Az 1000 órát járatott motornál (3. ábra) sokkal több kopásnyom keletkezett, mint az 500 órát járatottnál, és a teljes lökethosszon jelentkeztek a kopások, de még maradt mintázat az eredeti felületből is.

Az 1500 órás teljes terheléssel járatott motor (4. ábra) hengerfelületén a kopás hatására keletkezett hosszirányú karcok szinte teljesen eltüntették az eredeti mintázatot, a mintázat szempontjából ez a hengerfelület megközelíti ezzel az élettartamának végét.

A másik vizsgálati sorozatot egy spirálhónolt (5. ábra) és egy lézerkezelt hengerfelületű (6. ábra), de egyébként ugyanolyan felépítésű négyhengeres Otto-motoron végeztük. A motorok hengerfelületeinek szívó- és kipufogóoldalairól vettünk a kiindulási állapotban szilikon lenyomatokat. Ezután a motorokat 40 órát járatták fékpadon könnyű terheléssel. A járatás után a motorokat szétszerelték, és a kopott hengerfelületekről lenyomatot vettünk. Ezután a motorokat (ugyanúgy, mint legelőször) összeszerelték, és megint 100 órát járatták könnyű terheléssel. A járatás után megint szétszerelés és a hengerfelületekről lenyomatvétel következett. Így össze lehet hasonlítani, hogy ugyanannak a motornak a hengerfelülete a bejáratás első 40, majd az azt követő 100 órája alatt, ami a további működés szempontjából nagyon fontos, hogyan változik. A vizsgálat alapján megállapítottuk, hogy az első 40 órás járatás mindkét hengerfelületen nem jelentős kopásnyomokat hagy. A különbség a következő 100 órás járatásnál jelentkezik: míg a spirálhónolt hengerfelületű motornál további kopásnyomok keletkeznek, addig a lézerkezelt hengerfelületű motornál nem keletkezik további észrevehető kopásnyom ez alatt a 100 óra futás alatt. Tehát a lézerkezelt hengerfelület viselkedése kedvezőbb, mint a spirálhónolté, mivel a rövid bejáratás után a kopás lecsökken. A mérési módszer alkalmasnak mutatkozik ilyen többlépcsős – a motor ismételt szét- és összeszerelésével járó – kopásvizsgálatok elvégzésére.


Összefoglaló


A hengerfelületek közvetett vizsgálata szilikonlenyomatokkal alkalmas a felület mikrogeometriájának ellenőrzésére, abból a szempontból is, hogy a kiindulási állapot megfelel-e a követelményeknek, valamint a kiindulási állapotot össze lehet hasonlítani a hengerfelület későbbi kopott állapotával. A kopás vizsgálatából következtetéseket lehet levonni mind a hengerfelület üzemi tulajdonságaira, mind az üzemeltetésre.
 



A kutatás a Mobilitás és környezet, Járműipari, energetikai és környezeti kutatások a Közép- és Nyugat-Dunántúli Régióban projekt keretében a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
 



Kulcsszavak: belsőégésű motorok hengerfelülete, spirálhónolás, lézerkezelés, kopásvizsgálat, lenyomattechnika
 


 

IRODALOM

Gara, L. – Zou, Q. – Sangeorzan, B. P. – Barber, G. C. – McCormick, H. E. – Mekari, M. H. (2010): Wear Measurement of the Cylinder Liner of a Single Cylinder Diesel Engine Using a Replication Method. Wear. 268, 558–564.

Grabon, W. – Pawlus, P. – Sep, J. (2010): Tribological Characteristics of One-process and Two-process Cylinder Liner Honed Surfaces under Reciprocating Sliding Conditions. Tribology Int. 43, 1882–1892

Luhmann, T. (2003): Nahbereichs-photogrammetrie, Herbert Wichmann Verlag, Hüthig GmbH. & Co. KG, Heidelberg, 35–45.

 


 

 

1. ábra • Szilikonlenyomat készítése a hengerfelületről <
 


 

 

2. ábra • Az 500 órát járatott motor kiindulási hengerfelületéről készített lenyomat;

a kopott hengerfelület, és a kopott hengerfelületről készített lenyomat <

 


 


3. ábra • Az 1000 órát járatott motor kiindulási és kopott hengerfelületéről készített lenyomat <

 


 


 

4. ábra • Az 1500 órát teljes terheléssel járatott motor

kiindulási és kopott hengerfelületéről készített lenyomat <

 


 


 

5. ábra • A spirálhónolt hengerfelület kiindulási, 40 és 140 órás kopott állapotáról készített lenyomat képe <

 



 

6. ábra • A lézerkezelt hengerfelület kiindulási, 40 és 140 órás kopott állapotáról készített lenyomat képe <