Τριβολογία ελατηρίων εμβόλου

Abstract

Το έμβολο ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι το πρώτο εξάρτημα του μηχανισμού που μετατρέπει τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ωφέλιμο μηχανικό έργο. Η θερμότητα που παράγεται από την καύση του καυσίμου, ένα μεγάλο μέρος της οποίας μεταφέρεται λόγω αγωγιμότητας στα τοιχώματα του κυλίνδρου μέσω των ελατηρίων του εμβόλου, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της σκληρότητας και της αντοχής σε φθορά του υλικού του εμβόλου και των ελατηρίων, ενώ προκαλεί οξείδωση και εξάτμιση του λιπαντικού στα ανώτερα τοιχώματα του κυλίνδρου. Οι υδρατμοί, τα όξινα προϊόντα της καύσης, οι εναποθέσεις άνθρακα και τα σωματίδια που προέρχονται από την καύση, συντελούν στη μείωση της αντοχής σε φθορά του εμβόλου, των ελατηρίων και των τοιχωμάτων του κυλίνδρου. Όταν τα προϊόντα της καύσης και τα σωματίδια που προκαλούν φθορά αναμιχθούν με το λιπαντικό κοντά στην περιοχή των ελατηρίων, προκύπτει ο σχηματισμός λιπαντικού με υποβαθμισμένες λιπαντικές ιδιότητες. Το έμβολο δρα ως στεγανοποιητικό μεταξύ του θαλάμου καύσης του κυλίνδρου και του στροφαλοθαλάμου και αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπόκειται σε μεταβαλλόμενες πιέσεις με μεγάλες διακυμάνσεις. Η βαθμίδα πίεσης κατά μήκος του εμβόλου χρησιμοποιείται ώστε να αυξηθεί η πίεση επαφής μεταξύ του πρώτου και, μερικώς, του δεύτερου ελατηρίου έναντι της επιφάνειας του χιτωνίου του κυλίνδρου, επιτρέποντας στην πίεση του θαλάμου καύσης να δράσει στην πίσω πλευρά των ελατηρίων. Τα φορτία λόγω ελαστικότητας των ελατηρίων είναι υπεύθυνα για το υπόλοιπο μέρος της τιμής της πίεσης επαφής. Το ελατήριο λαδιού είναι επιφορτισμένο με μεγαλύτερη ελαστική δύναμη και λειτουργεί με μικρότερα πάχη μεμβράνης του λιπαντικού σε σχέση με το δεύτερο και το πρώτο ελατήριο. Το φαινόμενο διαρροής, δηλαδή της διαφυγής αερίων καύσης από το χώρο καύσης προς το χώρο του στροφαλοθάλαμου, επιτρέπεται σε μικρή κλίμακα για λόγους που σχετίζονται με τις ανοχές των ελατηρίων λόγω τοποθέτησης και λόγω διαστολής, αλλά και προκειμένου να διατηρείται η φόρτιση των ελατηρίων από τα αέρια της καύσης. Ωστόσο, η διαφυγή αερίων μπορεί να διαρρήξει το σχηματισμό της μεμβράνης στην περιοχή επαφής ελατηρίου / κυλίνδρου και κάτω από ανεπιθύμητες συνθήκες είναι δυνατό να έχουμε καταστροφή των ελατηρίων λόγω διάβρωσης από τα θερμά διαφυγόντα καυσαέρια. Οι συνθήκες λίπανσης στην περιοχή επαφής ελατηρίου / κυλίνδρου εξαρτώνται από την ποιότητα του λιπαντικού, τη ροή του, την αλληλεπίδραση των γειτονικών ελατηρίων μεταξύ τους, τα υλικά κατασκευής των επιφανειών ή τυχόν επιφανειακές επικαλύψεις, την ποιότητα κατεργασίας της επιφάνειας και το ανάγλυφό της καθώς και το βαθμό λείανσης, τις σχετικές ταχύτητες ολίσθησης, τις ακτινικές δυνάμεις των ελατηρίων, τη γεωμετρία επαφής και τις μεταβολές της λόγω της κλίσης των ελατηρίων και την αξονική ή και ακτινική κίνηση των ελατηρίων και την παραμόρφωση του κυλίνδρου. Για υψηλού επιπέδου προηγμένες προσομοιώσεις των συνθηκών λίπανσης στην επαφή ελατηρίου / κυλίνδρου είναι δυνατό να συμπεριληφθούν οι περισσότερες από τις παραμέτρους που αναφέρθηκαν παραπάνω, με τις πιο σημαντικές παραμέτρους να είναι οι συνθήκες υδροδυναμικής, μικτής ή οριακής λίπανσης των ελατηρίων. Μετρήσεις του πάχους της μεμβράνης του λιπαντικού στην περιοχή επαφής ελατηρίου / κυλίνδρου παρέχουν ένα πολύτιμο εργαλείο για τριβολογικού τύπου αναλύσεις των ελατηρίων και των συνθηκών λίπανσής τους. Το ελάχιστο πάχος της μεμβράνης του λιπαντικού παρατηρείται κοντά στα νεκρά σημεία του κύκλου λειτουργίας του εμβόλου, και ιδιαίτερα στο ΑΝΣ. Καθώς το λιπαντικό αναμιγνύεται με τα καυσαέρια αυξάνονται οι εκπομπές ρύπων της μηχανής και γι αυτό το λόγο οι αυστηρές προδιαγραφές εκπομπών ρύπων απαιτούν τη μείωση του πάχους της μεμβράνης του λιπαντικού καθ’ όλη την περιοχή επαφής μεταξύ ελατηρίων / κυλίνδρου. Ο συντελεστής τριβής και η δύναμη τριβής μεταξύ των εξαρτημάτων της διάταξης του εμβόλου και των τοιχωμάτων του κυλίνδρου αντικατοπτρίζουν την κατανάλωση ενέργειας των παλινδρομικών εξαρτημάτων της μηχανής, υποδηλώνουν την πιθανότητα εμφάνισης φθοράς των επιφανειών ολίσθησης και φανερώνουν τις συνθήκες λίπανσης κατά μήκος της διαδρομής του εμβόλου. Στα σημεία αντιστροφής της κίνησης του εμβόλου, όπου η ταχύτητα ολίσθησης είναι ελάχιστη, ο συντελεστής τριβής παίρνει τις μεγαλύτερές του τιμές, ειδικά στο ΑΝΣ όπου η πίεση των αερίων της καύσης φτάνει επίσης στη μέγιστή της τιμή. Λόγω των παραπάνω συνθηκών, η επαφή μεταξύ ελατηρίου / κυλίνδρου γίνεται κάτω από συνθήκες μικτής ή οριακής λίπανσης κοντά στα νεκρά σημεία του κύκλου και κάτω από συνθήκες υδροδυναμικής λίπανσης στο μέσο της διαδρομής του εμβόλου από το ΑΝΣ προς το ΚΝΣ ή αντίστροφα. Οι μαλακές επικαλύψεις έχουν ως στόχο να μειώσουν το συντελεστή τριβής κάτω από συνθήκες οριακής λίπανσης και εφαρμόζονται στην ποδιά του εμβόλου και στα ελατήρια προκειμένου να μειωθεί η τριβή κατά την περίοδο «ρονταρίσματος» της μηχανής. Μετά την περίοδο «ρονταρίσματος» της μηχανής η φθορά των επιφανειών ολίσθησης της διάταξης του εμβόλου και του κυλίνδρου αρχίζει να φτάνει σε ένα σταθερό επίπεδο. Ο μηχανισμός φθοράς που εμφανίζεται στο πρώτο στάδιο της ζωής ενός κινητήρα, οφείλεται στην απόξεση σωματιδίων, ως αποτέλεσμα της επαφής των κορυφών των τραχυτήτων των επιφανειών ολίσθησης. Το μεγαλύτερο μέρος της φθοράς σημειώνεται κοντά στο ΑΝΣ και στο ΚΝΣ όπου η φθορά του κυλίνδρου είναι επίσης σημαντική. Κάτω από ατυχείς συγκυρίες, όπως είναι για παράδειγμα η λείανση της επιφάνειας του κυλίνδρου που «σβήνει» το ανάγλυφο της επιφάνειας, η φθορά λόγω στεγνής επαφής μεταξύ των ελατηρίων και του κυλίνδρου μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την απόξεση και το σχηματισμό γραμμώσεων του εμβόλου. Λιπαντικά που περιέχουν μεγάλο αριθμό ρύπων είναι επίσης πιθανό να δημιουργήσουν φθορά λόγω απόξεσης μεταξύ των επιφανειών ολίσθησης. Οι σκληρές επικαλύψεις των εμβόλων και των ελατηρίων τους, όπως είναι ηλεκτροχημική επιμετάλλωση χρωμίου, η θερμική επιμετάλλωση μολυβδαινίου ή εναζώτωση, εφαρμόζονται συστηματικά ώστε να προστατευθούν τα ελατήρια του εμβόλου από λειαντική φθορά, αστοχία λόγω διάβρωσης από τα καυσαέρια και αστοχία λόγω κόπωσης.