Belső égésű motorok hengerfelületének mikrogeometriai vizsgálata

A henger határolja le az égésteret és vezeti meg a dugattyúgyűrűkön keresztül a dugattyút. A hengerfal és a dugattyú/dugattyúgyűrűk kapcsolata meghatározó fontosságú a belső égésű 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.

➊ Szilikonlenyomat készítése a hengerfelületről

A henger kialakítását meghatározó tényezők

A hengerfelület mikrogeometriai struktúráját – mintázatát – a rendelkezésre álló gyártástechnológiai lehetőségek figyelembevételével úgy kell kialakítani, hogy két egymásnak ellentmondó követelménynek egyszerre eleget tegyen: 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 biztosítson helyet 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 ún. platóhónolásával hozzák létre ➊.

Csökkenthető a hónolási mintázat olyan lézertáskák beégetésével, amelyek a kenőolaj megtapadását biztosítják. Ezen kívül lehetőség van arra, 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 a belső felületeknek rossz a hozzáférhetőségük [2]. A mérendő felületeknek a mikrogeometriai vizsgálatokhoz nagy a kiterjedésük – egy átlagos személygépkocsiba épített belső égésű 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 stb.) 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 ➊ [1], 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 mozgásából, ezért ezeknek a sávoknak a vizsgálata különösen érdekes a felület kopását illetően. A lenyomattechnika előnye, hogy archiválja a felület kiindulási állapotát, így lehetőség van az üzemeltetés után ugyanannak a felületrésznek a kiindulási és 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 3 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 fölül és alul marad egy-egy nem érintkező sáv, ezekben lehet ilyen egymásnak megfeleltethető 4 pontot találni. Bázispontnak célszerűen választható a lenyomat 4 sarokpontja is. Meg kell ezután határozni mind a bázispontoknak, mind a vizsgálandó pontoknak a 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 [3] határozható meg, vagy egyszerűsítve síkban kezelve a problémát két lépcsőben: először a bázispontok súlypontjának egymásra tolásával (transzláció), majd a pontoknak a bázispontok súlypontja körüli elforgatásával, amíg a koordináták eltéréseinek négyzetösszege minimális nem lesz (rotáció).

A mérések 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 megfeleltethető lenyomaton a bázispontok koordinátáit és ki kell számolni a két koordináta-rendszer egymásra illesztéséhez szükséges eltolást és elforgatást. Az ismeretlen pontokra ugyanezt az eltolást és elforgatást alkalmazva megkapjuk ezeknek a koordinátáit. Ugyanígy a bázispontokból kiindulva lehet érdességmérő berendezésen (Taylor Hobson TALYSURF CLI2000) ugyanazokat a pontokat megtalálni, mint amelyeket a koordináta-mérőgépen bemértünk.

A módszert úgy ellenőriztük, hogy összehasonlítottuk, hogy mennyire feleltethetők meg egymásnak ugyanannak a felületrésznek a 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 egyik sorozat 3 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 négyhengerű 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 (2 kompressziógyűrű és az olajlehúzógyűrű) alsó és felső holtpontját ➋. 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 4 hengernél összesítve a forgattyús tengely egyes hajtórúdcsapjainak a távolsága a forgástengelytől, a hajtórudhosszak és a dugattyúcsapfurat tengelytávolsága a gyűrűhoronytól mennyire voltak különbözőek.

➋ A kopott hengerfelületen a dugattyúgyűrűk alsó és felső holtpontjainak kopásnyomai

A holtponti sáv szélességéből a hajtórúdcsap/hajtórúdfurat, hajtórúd/dugattyúcsap/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 3 gyűrű érintkezik a hengerfelülettel. A legkevesebbet – 500 órát – járatott motor ➌ ➍ ➎ 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.

➌ ➍ ➎ Az 500 órát járatott motor kiindulási hengerfelületéről készített lenyomat, a kopott hengerfelület és a kopott hengerfelü- letről készített lenyomat képe

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

➏ ➐ Az 1000 órát járatott motor kiindulási és kopott hengerfelületéről készített lenyomat képe

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

➑ ➒ Az 1500 órát teljes terheléssel járatott motor kiindulási és kopott hengerfelületéről készített lenyomat képe

A másik vizsgálati sorozatot egy spirálhónolt ➓ ⓫ ⓬ és egy lézerkezelt hengerfelületű ⓭ ⓮ ⓯, de egyébként ugyanolyan felépítésű négyhengerű Otto-motoron végeztük. A motorok hengerfelületeinek szívó- és kipufogóoldalairól vettünk a kiindulási állapotban szilikonlenyomatot. 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 óra alatt, ami a további működés szempontjából nagyon fontos, hogyan változik. A vizsgálat alapján megállapítottuk, hogy az első 40 órás járatás mindkét hengerfelületen hagy nem jelentős kopásnyomokat. 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.

➓ ⓫ ⓬ A spirálhónolt hengerfelület kiindulási, 40 és 140 órás kopott állapotáról készített lenyomat képe

⓭ ⓮ ⓯ A lézerkezelt hengerfelület kiindulási, 40 és 140 órás kopott állapotáról készített lenyomat képe

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.

Köszönetnyilvánítás

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.

Irodalom

[1] Gara L, Zou Q, Sangeorzan BP, Barber GC, McCormick HE, Mekari MH: Wear measurement of the cylinder liner of a single cylinder diesel engine using a replication method, Wear, 268 (2010) pp. 558-564

[2] Grabon W, Pawlus P, Sep J: Tribological characteristics of one-process and two-process cylinder liner honed surfaces under reciprocating sliding conditions, Tribology International, 43 (2010) pp. 1882-1892

[3] Luhmann T: Nahbereichs-photogrammetrie, Herbert Wichmann Verlag, Hüthig GmbH. & Co. KG, Heidelberg, 2003. pp. 35-45

Kulcsszavak: belső égésű motorok hengerfelülete, spirálhónolás, lézerkezelés, kopásvizsgálat, lenyomattechnika.

Microgeometric examination of the cylinder surfaces of internal combustion engines