A belső égésű motorok dugattyúi

Egy korábbi írásunkban részletesen kitértünk az égésterek kialakítására, és ezen a szálon haladunk tovább a dugattyúk felé – ugyanis ez az alkatrész az alábbi funkció tekintetében is megkerülhetetlenek.

A dugattyú az az elem a motorból, melyet a legtöbb laikus is ismerni szokott. Népszerűsége nem megalapozatlan, hiszen rengeteg végső mutató múlik azon, hogy hogyan teljesít a motorblokkban ez a hengerszerű fém tárgy.

Az alábbi cikkben néhány tervezési szempontot, alapvető funkciókat és valós kivitelt mutatunk be.

Definíció

A motor erőátviteli láncolatában a dugattyú jelenti az első elemet, azaz a „frontvonalat”. A hajtóanyag elégetése során felszabaduló hőenergia mechanikai munkává való átalakítása során nem csak az erőt kell továbbítania, hanem a hajtórúdnak a hengerben történő egyenesbe vezetését is biztosítania kell.

Emellett a dugattyúgyűrűk segítségével tömítő funkciót is ellát az égéstér és a forgattyúház között, valamint hőelvezetést is szavatol az hűtőközeg irányába.

A feladatok nem feltétlen azonos követelményeket támasztanak a dugattyúval szemben, épp ezért tervezésük komplex feladat, melyet még ma is csak részben végeznek szimulációkkal, nagy hányadban hagyatkoznak tapasztalati tényekre és valós mérésekre.

Fontos megjegyeznünk, hogy nem csak a négyütemű benzines és gázolajos motorok tartoznak a dugattyús motorok közé – ide soroljuk például a dugattyús gőzgépeket, a kétütemű belső égésű motorokat és a már korábban szintén taglalt Stirling-motort is. Jelen cikkünkben a belső égésű motorokra koncentrálunk.

Felépítés, tervezési szempontok

A dugattyú végső geometriája, illetve annak felhasznált anyaga jellemzően valamilyen korábban meghatározott paraméter következménye. Közúti tervezésnél többnyire a motor számára rendelkezésre álló hely nagyjából meghatározza a lökettérfogatot, mely behatárolja a hengerek elrendezését, számát, valamint a furat és a löket hosszának arányát. Versenyautók, sportkocsik esetén előfordul, hogy az erőforrás köré tervezik a járművet, ez ad némi extra szabadságot a konstruktőrök számára.

A felhasználás módja döntő hatással bír a dugattyú kialakítására, ahogy azt a motorok hatásfokáról szóló cikkben is kiemeltük:

„Mivel a fordulatszám növelésével hatásosan növelhető a motor teljesítménye, kompenzációként ígéretes megoldás a hengerfurat növelése a lökethossz ellenében, ezáltal a furat/löket arány növekvő irányba történő eltolása, hiszen kimutatható, hogy ezzel az egységnyi űrtartalomra eső teljesítmény egyébként is nagyobb lesz.

A furat méretét azonban nem lehet a végtelenségig növelni: minél inkább emelkedik ez az érték, annál kedvezőtlenebb alakúvá válik az égéstér, mely egyre rosszabb hatásfokú égéshez és kopogási hajlamhoz vezet.

A hengerszám szintén hatással bír a teljesítményre: ha ugyanazt a lökettérfogatot több kisebb méretű henger adja, hatékonyabb lesz a töltés, kedvezőbb a hőmenedzsment, cserében viszont megnőnek a súrlódási veszteségek, mely mind a hatásfok, mind pedig az emissziós jellemzők romlásához vezet.”

A fentiek egyenes következménye, hogy sportmotoroknál egészen kis palástmagassággal rendelkező, nagy furat/löket arányú hengerekkel találkozunk, míg például teherautó dízelmotorok esetén pont ennek az ellentéte figyelhető meg.

A hosszabb palást jobb megvezethetőséget biztosít nagyobb nyomaték mellett is, és a dugattyú kevésbé hajlamos az imbolygásra a hengertérben.

Anyagválasztás, gyártás

Évtizedeken át a dugattyú anyaga megrendíthetetlenül az öntöttvas volt, elsősorban strapabírósága miatt. Ahogy azonban egyre nőttek a motorok csúcs-fordulatszámai, egyre inkább indokolttá vált a könnyebb dugattyúk gyártása, ezért a könnyűfém-ötvözetek felé orientálódott az iparág. Mivel a motorblokkok jelentős része is ma már alumínium- vagy magnézium-ötvözetből készül, az eltérő hőtágulási együttható sem válik a könnyűfém dugattyú hátrányára.

Manapság az általános eljárás a könnyűfém dugattyúk melegen kovácsolása, mely során az öntöttvassal minimum megegyező tartósságú, ám annál jóval könnyebb dugattyút állítanak elő.

Mivel a dugattyú fel-le mozog, a hajtórúd pedig alternáló mozgást végez, mereven nem összekapcsolhatók. Ezt a csuklós kényszert a dugattyúcsapszeg biztosítja. A csapszeg furata köré koncentrálódik az erőleadás jelentős része, ezért a tervezés során ezen a ponton külön megerősítésről kell gondoskodni.

Gyakran találkozunk a dugattyúpalást alsó részén kivágásokkal, felhasításokkal. Ezek a hőtágulás okozta beszorulás elkerülését hivatottak szolgálni.

Szabad szemmel nehezen megfigyelhető, de a dugattyú tetejét általában kisebb átmérővel készítik, mint az alsó részét. Ennek az az oka, hogy a dugattyútető sokkal több hővel és sokkal intenzívebben érintkezik, ezért a hőtágulása is nagyobb lesz üzem közben. Következésképpen, ha az előzetes számítások helytállók, a jármű működése közben az átmérők egyformák lesznek.

Dugattyúgyűrű

A korábban említett tömítési funkció ellátásához a dugattyúnak egy újabb alkatrészre, a dugattyúgyűrűre van szüksége. A mai motorok dugattyúin több ilyen is megtalálható. Ezek közül az egyik az olajlehúzó. Ezt minden olyan erőforrásban alkalmazzák, ahol fennáll a veszélye az olajfilm képződésének a hengerfalon. Jellemzően csak a kétütemű motorokon nem találunk ilyet.

A gyűrűk száma és az elhelyezésük elsősorban attól függ, hogy benzines vagy dízelmotorról beszélünk. Az első kompressziógyűrű (más néven „tűzgyűrű”) általában a dízelmotorokban távolabb van a dugattyútetőtől, mint a benzineseknél, a gyűrűk teljes száma is nagyobb, valamint olajlehúzóból is kettővel rendelkeznek.

A kompressziógyűrűket fokozott védelemmel kell ellátni a dízelmotorok esetén, többek között a potenciális szúróláng megakadályozása miatt, ugyanis itt ez fokozott veszélyt jelent. Ezért gyakran minimálisra szűkítik a dugattyú és a hengerfal közötti hézagot, ám ilyenkor gondoskodni kell a berágódási esély csökkentéséről.

E problémára általában ún. labirinttömítés-szerű gyűrűprofilt alkalmaznak, mely visszatartja a szúrólángot, és a berágódás valószínűségét is mérsékli. A gyakorlatban ez egy szögletes talpú U-alakú profilt jelent, a nyitott végével a hengerfal felé.

A dugattyúk jövője

Jelenleg már több gyártó is készít olyan motorokat, melyben 3D nyomtatók által készített dugattyúk dolgoznak. A technológia a gyakorlatban is működőképesnek bizonyult, így előreláthatólag el fog terjedni az alacsonyabb kategóriájú szegmensekben is, amint sikerült még költséghatékonyabbá tenni a gyártást.