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.
|
|