ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΕΛΑΤΗΡΙΑ ΕΜΒΟΛΟΥ

ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ – ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΚΟΡΟΜΠΟΚΗΣ

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΔΕΣΠΟΙΝΑ ΤΣΙΛΙΚΗ

ΧΑΝΙΑ 2017

- 1 -

ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ

ΣΧΟΛΗ ΜΗXΑΝΙΚΩΝ

Πτυχιακή εργασία: « ΕΛΑΤΗΡΙΑ ΕΜΒΟΛΟΥ»

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΤΣΙΛΙΚΗ ΔΕΣΠΟΙΝΑ

ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ : ΚΟΡΟΜΠΟΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ - ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ

Ημερομηνία ανάθεσης:

Ημερομηνία παράδοσης:

Ημερομηνία εξέτασης:

Βεβαιώνεται ότι η παρούσα διπλωματική είναι ολοκληρωμένη.

Ο εισηγητής Ο καθηγητής

Τσιλίκη Δέσποινα

- 2 -

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ............................................................................................................. - 4 -

ABSTRACT .............................................................................................................. - 6 -

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ............................................................................................................... - 7 -

Ιστορική Αναδρομή ........................................................................................... - 7 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΕΛΑΤΗΡΙΩΝ ΕΜΒΟΛΟΥ ................................. - 9 -

1.1 Κύριες Λειτουργίες Των Ελατηρίων Εμβόλου....................................... - 9 -

1.2 Κατηγορίες Ελατηρίων Εμβόλου ......................................................... - 10 -

1.2.1 Ελατήρια Συμπίεσης (Compression Rings) .................................. - 10 -

1.2.2 Ελατήρια Απόξεσης Λαδιού (Scraper Rings) ............................... - 14 -

1.2.3 Ελατήρια Ρύθμισης Λαδιού (Oil Control Rings) .......................... - 15 -

1.3 Αρθρώσεις Ελατηρίων (Ring Joints) .................................................... - 19 -

1.4 Σφήνες Ελατηρίων (Joint Notches) ...................................................... - 20 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΛΑΤΗΡΙΩΝ ΕΜΒΟΛΟΥ ............................... - 22 -

2.1 Υλικά Κατασκευής Ελατηρίων Εμβόλου (Piston Ring Materials) ...... - 22 -

2.2 Κατασκευή Ελατηρίων Εμβόλου (Piston Ring Manufacture) ............. - 24 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ .......................................................................... - 26 -

3.1 Επικαλύψεις Χρωμίου (Chromium Plated Peripheries ) ...................... - 26 -

3.2 Επικαλύψεις Με Θερμικό Ψεκασμό (Thermal Spray Coatings) .......... - 28 -

3.3 Επικαλύψεις PVD (PVD Coatings) ...................................................... - 30 -

3.4 Εναζώτωση Και Ανθρακοεναζώτωση (Nitriding And Carbonitrading) - 32

-

3.5 Επεξεργασία Επιφανειών ..................................................................... - 33 -

3.5.1 Χαλκός Και Κασσίτερος (Tin And Copper) ................................. - 33 -

3.5.2 Φωσφάτα (Phosphating) ................................................................ - 33 -

3.5.3 Μαύρο Οξείδιο (Black Oxiding) ................................................... - 34 -

3.5.4 CPS και CPG ................................................................................. - 34 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο: ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΚΑΙ ΒΛΑΒΕΣ .............................. - 35 -

4.1 Κανονικές Συνθήκες Λειτουργίας ........................................................ - 35 -

4.1.1 Κατανάλωση Λαδιού (Oil Consumption) ..................................... - 35 -

4.1.2 Διαφυγή Αερίων (Blow by) ........................................................... - 36 -

4.1.3 Εκπομπές Καυσαερίων (Exhaust Emissions)................................ - 37 -

4.2 Τριβολογία Ελατηρίων Εμβόλου.......................................................... - 38 -

4.2.1 Φθορά (Wear) ................................................................................ - 38 -

- 3 -

4.2.2 Γραμμώσεις (Scuffing) .................................................................. - 40 -

4.2.3 Micro welding ............................................................................... - 41 -

4.2.4 Τριβή (Friction) ............................................................................. - 42 -

4.3 Δυσλειτουργίες Ελατηρίων Εμβόλου ................................................... - 44 -

4.3.1 Κόλλημα Ελατηρίων (Ring Sticking) ........................................... - 44 -

4.3.2 Πτερυγισμός Ελατηρίων (Ring Flutter) ........................................ - 45 -

4.3.3 Θραύση Ελατηρίων (Ring Breaking) ............................................ - 46 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΛΑΤΗΡΙΩΝ ΕΜΒΟΛΟΥ ....... - 47 -

5.1 Παραδείγματα Πακέτων Ελατηρίων Εμβόλων .................................... - 47 -

5.1.1 Βενζινοκινητήρες επιβατηγών αυτοκινήτων ................................. - 47 -

5.1.2 Πετρελαιοκινητήρες επιβατηγών αυτοκινήτων ............................ - 48 -

5.1.3 Πετρελαιοκινητήρες φορτηγών ..................................................... - 49 -

ΕΠΙΛΟΓΟΣ............................................................................................................. - 51 -

ΠΗΓΕΣ .................................................................................................................... - 53 -

- 4 -

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Το έμβολο ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι το πρώτο εξάρτημα του

μηχανισμού που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια του καυσίμου σε ωφέλιμο μηχανικό

έργο. Το έμβολο δρα και ως στεγανοποιητικό μεταξύ του θαλάμου καύσης του

κυλίνδρου και του στροφαλοθαλάμου. 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. 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 στροφαλοθαλάμου, 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.

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.

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. Οι σκληρές

επικαλύψεις των εμβόλων και των ελατηρίων τους, όπως είναι ηλεκτροχημική

- 5 -

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.

- 6 -

ABSTRACT

The piston is the first part of an internal combustion engine that converts the thermal

energy of the fuel into a beneficial mechanical work. The piston also acts as a seal

between the cylinder and the crankcase combustion chamber. The pressure along the

piston is used to increase the contact pressure between the first and, partially, the

second ring against the surface of the cylinder sleeve, allowing the combustion

chamber pressure to act on the rear side of the rings. The oil ring is loaded with more

elastic force and operates with smaller film thicknesses of the lubricant than the

second ring and the first ring. Βlow-by phenomenon, meaning the combustion gases

leakage from the combustion chamber to the crankcase space, is allowed on a small

scale.

Lubricating conditions depend on the quality of the lubricant, its flow, the interaction

of the adjacent rings with each other, the surface materials or surface coatings, the

surface treatment quality and the embossing, as well as the degree of grinding,

relative gliding speeds, radial forces of rings, contact geometry and its variations due

to the inclination of the rings and the axial or radial motion of the rings and the

deformation limit of the cylinder.

The wear mechanism occurring in the first stage of an engine's life is due to the

scraping of particles as a result of the contact of the tip edges of the sliding surfaces.

Most damage is noted near the TDC and the BDC, where the wear of the cylinder is

also important. Under unfortunate circumstances, such as the grinding of the surface

of the cylinder, which "erases" the surface relief, wear due to dry contact between the

rings and the cylinder may result in scraping and scuffing of the piston. Ηard coatings

of the pistons and their rings, such as electrochemical plating chromium, the thermal

molybdenum plating or nitriding, systematically applied to protect the piston rings

from abrasive wear, failure due to corrosion of the exhaust and failure due to fatigue.

- 7 -

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ιστορική Αναδρομή

Στις πρώτες ατμομηχανές δεν χρησιμοποιούνταν ελατήρια εμβόλου. Οι μηχανές

εσωτερικής καύσης τότε δεν χρησιμοποιούνταν σε μεγάλο ποσοστό οπότε και οι

απαιτήσεις ήταν μικρότερες. Με την αύξηση όμως της απαιτούμενης ισχύος

εμφανίζονταν και υψηλότερες θερμοκρασίες, οι οποίες προκαλούσαν μεγαλύτερη

θερμική διαστολή του υλικού του εμβόλου. Τα δύο προβλήματα που παρουσιάστηκαν

ήταν πρώτον η μεγάλη τριβή που αναπτυσσόταν μεταξύ εμβόλου – χιτωνίου και

δεύτερον τα μεγάλα διάκενα μεταξύ εμβόλου – χιτωνίου κατά την ψυχρή εκκίνηση

που επέτρεπαν στα καυσαέρια να περνούν στο στροφαλοθάλαμο.

Τα πρώτα ελατήρια εμβόλου που χρησιμοποιήθηκαν στις μηχανές είχαν σκοπό της

αποφυγή εμφάνισης καυσαερίων στο στροφαλοθάλαμο και όχι τόσο την μείωση

τριβής. Παράλληλα εμποδίζοντας την διαφυγή καυσαερίων ασκείται στο έμβολο

μεγαλύτερη πραγματική πίεση και κατά συνέπεια αυξημένη απόδοση. Ο Ramsbottom

το 1954 κατασκεύασε ένα ενιαίο, μεταλλικό ελατήριο εμβόλου. Η ελεύθερη

διάμετρος του ελατηρίου ήταν 10% μεγαλύτερη από την εσωτερική διάμετρο του

κυλίνδρου. Όταν προσαρμόζεται το ελατήριο στην υποδοχή του εμβόλου πιέζεται στα

εσωτερικά τοιχώματα του κυλίνδρου λόγω εσωτερικών ελαστικών δυνάμεων.

Προγενέστερες κατασκευές ελατηρίων εμβόλου αποτελούνταν από πολλά κομμάτια

(δηλ. ήταν διαιρούμενα) και είχαν πρόσθετο ελατηριωτό τμήμα ώστε να τους παρέχει

την απαραίτητη ελαστική δύναμη έναντι της εσωτερικής διαμέτρου του κυλίνδρου. Ο

Miller, το 1962 τροποποίησε στο ελατήριο του Ramsbottom έτσι ώστε η πίεση του

ατμού να επενεργήσει στην πίσω πλευρά του ελατηρίου, και να εξασφαλίσει

καλύτερη στεγανοποίηση.

Αρχικά τα ελατήρια εμβόλου λιπαίνονταν μεμονωμένα. Όταν όμως οι συνθήκες

καύσης έγιναν πιο απαιτητικές, π.χ. με υψηλότερες θερμοκρασίες, πιέσεις και

ταχύτητες εμβόλων, άρχισαν να χρησιμοποιούνται τα ελατήρια λαδιού. Ο

σχηματισμός κατάλληλης λιπαντικής μεμβράνης επάνω στο έμβολο, στα ελατήρια

του εμβόλου και στα τοιχώματα του κυλίνδρου, έγινε αναγκαίος προκειμένου να

παρεμποδιστεί η φθορά. Τα ελατήρια λαδιού ήταν και είναι ειδικά σχεδιασμένα ώστε

να κατανέμουν κατάλληλα το λιπαντικό στα τοιχώματα του κυλίνδρου και για να

- 8 -

αποξέουν την περίσσεια του λιπαντικού, ώστε να μην καίγεται στον θάλαμο καύσης

και να επιστρέφει στο στροφαλοθάλαμο.

- 9 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΕΛΑΤΗΡΙΩΝ ΕΜΒΟΛΟΥ

1.1 Κύριες Λειτουργίες Των Ελατηρίων Εμβόλου

Οι λειτουργίες ενός ελατηρίου εμβόλου είναι:

• Η στεγανοποίηση του θαλάμου καύσης στη φάση της συμπίεσης,

• Η σωστή κατανομή του λιπαντικού στα τοιχώματα του κυλίνδρου,

• Η μεταφορά θερμότητας από την κεφαλή του εμβόλου στα τοιχώματα του

χιτωνίου και

• Η σταθεροποίηση του εμβόλου κατά την παλινδρομική κίνηση.

Τα ελατήρια με τις υποδοχές τους είναι σχεδιασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να

εμποδίζουν την διαφυγή καυσαερίων στο στροφαλοθάλαμο με σκοπό την αποφυγή

καταστροφής του κυλινδρελαίου. Εκτός από την αποφυγή εμφάνισης καυσαερίων

στον στροφαλοθάλαμο μια άλλη λειτουργία των ελατηρίων είναι και η αποφυγή

περίσσειας λαδιού στον θάλαμο καύσης, που επιτυγχάνεται με την απόξεση

λιπαντικού από τα τοιχώματα κατά τη διάρκεια κίνησης του εμβόλου στο κάτω νεκρό

σημείο και εμποδίζει την δημιουργία εξανθρακωμάτων στα τοιχώματα του χιτωνίου.

Η σωστή προσαρμογή των ελατηρίων στα τοιχώματα του χιτωνίου δίνει την

δυνατότητα κίνησης στις υποδοχές τους στεγανοποιώντας το διάκενο που οδηγεί τα

καυσαέρια στο στροφαλοθάλαμο. Ο βαθμός στεγανοποίησης των ελατηρίων

εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, την κατάλληλη επαφή των ελατηρίων και

χιτωνίου, την προένταση των ελατηρίων και την κατανομή δυνάμεων των αερίων στις

επιφάνειες επαφής των ελατηρίων. Σε κάποιους από τους θαλάμους καύσης γίνεται

μεταφορά θερμικής ενέργειας στα άκρα του εμβόλου μέσα από το έμβολο π.χ. στην

ποδιά του εμβόλου και στα ελατήρια μέσω των οποίων μεταφέρεται η θερμότητα στα

τοιχώματα του κυλίνδρου. Επίσης κατά την ψυχρή εκκίνηση που τα διάκενα εμβόλου

– χιτωνίου είναι μεγαλύτερα, τα ελατήρια στηρίζουν το έμβολο μειώνοντας

σημαντικά τις φθορές των χιτωνίων (οβάλ) κατά την κίνηση του εμβόλου. [1]

- 10 -

1.2 Κατηγορίες Ελατηρίων Εμβόλου

Ο αριθμός και ο τύπος των ελατηρίων σε μια μηχανή καθορίζεται από τις απαιτήσεις

τις. Έτσι άλλα ελατήρια χρησιμοποιούνται σε μια δίχρονη ή τετράχρονη μηχανή όπως

και σε μηχανές μέσης ή μεγάλης ισχύς από αυτές μικρής ισχύος. Τα ελατήρια έχουν

ταξινομηθεί ανάλογα με την λειτουργικότητα τους και την γεωμετρία τους. Ανάλογα

με την λειτουργικότητά τους, υπάρχουν 3 κατηγορίες :

• Ελατήρια συμπίεσης

• Ελατήρια απόξεσης λαδιού και

• Ελατήρια ρύθμισης λαδιού

1.2.1 Ελατήρια Συμπίεσης (Compression Rings)

Ο αριθμός των ελατηρίων συμπιέσεως εξαρτάται από το είδος του εμβόλου και από

τον τύπο της μηχανής . Στις μηχανές μέσης και μεγάλης ισχύος κάθε έμβολο διαθέτει

τρία έως εφτά ελατήρια συμπιέσεως. Στις υψηλής ταχύτητας τετράχρονες

πετρελαιομηχανές υπάρχουν δύο ή τρία ελατήρια συμπίεσης. Τα ελατήρια

συμπιέσεως τοποθετούνται στο πάνω μέρος του εμβόλου και δέχονται τις

μεγαλύτερες θερμικές καταπονήσεις. Ειδικά στις δίχρονες μηχανές αντιμετωπίζουν

υψηλότατες θερμοκρασίες και πιέσεις στην αρχή της φάσεως της καύσεως. Λίγο πριν

το κάτω νεκρό σημείο περνούν από τις θυρίδες σαρώσεως οπότε ψύχονται καθώς

έρχεται σε επαφή με τον αέρα εισαγωγής. Η ψύξη αυτή είναι ανομοιόμορφη γιατί οι

θυρίδες σαρώσεως καλύπτουν μόνο ένα μέρος της επιφάνειας των ελατηρίων. Λόγω

ακριβώς αυτής της ανομοιόμορφης ψύξεως εμφανίζονται μεγάλες θερμοκρασιακές

διαφορές με αποτέλεσμα την εμφάνιση ισχυρών θερμικών τάσεων. Κατά τη φάση της

εκτονώσεως τα καυσαέρια ωθούν τα ελατήρια στο κάτω τμήμα του αυλακιού . Οπότε

υπάρχει δίοδος έτσι ώστε τα καυσαέρια να εισέλθουν στην εσωτερική κοιλότητα του

αυλακιού μεταξύ ελατήριου και εμβόλου. Η υψηλή πίεση των καυσαερίων

εφαρμόζεται καταυτόν τον τρόπο στο εσωτερικό των ελατηρίων, ιδιαίτερα στο

πρώτο, με αποτέλεσμα να προκαλεί τη διαστολή τους και να βελτιώνεται έτσι η

στεγανόποιητική τους δράση. Η εσωτερική όμως αυτή πίεση αυξάνει τη μηχανική

καταπόνηση των ελατηρίων ενώ παράλληλα αυξάνει και τη τριβή μεταξύ των

ελατηρίων και του χιτωνίου. Η κατανομή της δύναμης των ελατηρίων στο χιτώνιο

εξαρτάται από την προένταση τους και από την γεωμετρία τους.

- 11 -

Σύμφωνα με την γεωμετρία των ελατηρίων συμπιέσεως προκύπτουν οι εξής

κατηγορίες:

1. Ορθογώνια βαρελοειδή ελατήρια (Barel faced Rectangular

ring):

2. Ορθογώνια ελατήρια (Rectangular ring): Ο τύπος αυτός

συναντάται πολύ συχνά και θεωρείται πολύ ικανοποιητικός

από άποψη στεγανοποίησης. Παρόλο το απλό γεωμετρικό

σχήμα, με την κατάλληλη περιφερειακή επίστρωση και με τη

βαρελοειδές επιφάνεια επαφής καταφέρνει την επαρκή

στεγανοποίηση. Τοποθετείται συνήθως στην πρώτη εγκοπή.

[1]

3. Κωνικά ελατήρια (Taper Faced ring): Το κωνικό

προφίλ της επιφάνειας επαφής καθιστά ικανή την επενέργεια

της πίεσης των καυσαερίων στην πλευρά της επιφάνειας

επαφής και για το λόγο αυτό αντισταθμίζει μέρος της πίεσης

που ασκείται στο τοίχωμα του χιτωνίου, με συνέπεια να

μειώνει το ρυθμό φθοράς κατά τη διάρκεια του στρωσίματος

της μηχανής ( ρονταρίσματος). Ένα προφίλ κωνικής

επιφάνειας επαφής έχει μεγάλη ικανότητα απόξεσης

λιπαντικού, και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το ελατήριο αυτό

να μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν ελατήριο απόξεσης

λιπαντικού, όπως βέβαια και σαν ελατήριο συμπίεσης.

- 12 -

4. Ελατήρια με άνω εσωτερική φαλτσογωνιά (Beveled) ή

με σκαλοπάτι (Stepped ring): Με την κατασκευή της γωνίας ή

σκαλοπατιού στο άνω εσωτερικό μέρος των κωνικών ή

ορθογώνιων ελατηρίων επιτυγχάνεται η συστροφή του

ελατηρίου. Η φαλτσογωνιά προκαλεί τη θετική συστροφή του

ελατηρίου μέσα στην υποδοχή του κατά τη διάρκεια

λειτουργίας της μηχανής. Σε συνθήκες λειτουργίας τα

ελατήρια με εσωτερική φαλτσογωνιά πιέζονται επίπεδα έναντι

του τοιχώματος του χιτωνίου και αυτό οφείλεται στην πίεση

των αερίων η οποία προκαλεί μία επιπλέον πίεση στο

ελατήριο από την πίσω πλευρά. Με αυτόν τον τρόπο

μειώνεται η κατανάλωση λαδιού. Ο τύπος αυτών των

ελατηρίων μπαίνει στην πρώτη ή δεύτερη εγκοπή του

εμβόλου.

5. Ελατήρια με κάτω εσωτερική φαλτσογωνιά (Beveled) ή

με σκαλοπάτι (Stepped ring): Η γεωμετρία αυτών των

ελατηρίων προκαλεί αρνητική συστροφή. Ο σκοπός της

κατασκευής αυτής είναι να επιτευχθεί η μέγιστη

στεγανοποίηση στο κάτω εξωτερικό και στο άνω εσωτερικό

μέρος του ελατηρίου [8]. Για το λόγο αυτό η γωνία που

δημιουργείται στο εξωτερικό τμήμα του ελατηρίου πρέπει να

είναι τέτοια ώστε το άνω εξωτερικό τμήμα του ελατηρίου να

μην έρχεται σε επαφή με το χιτώνιο. Αυτή η μορφή ελατηρίου

τοποθετείται στη δεύτερη εγκοπή του εμβόλου.

6. Σφηνοειδές ελατήρια(Keystone ring): Το σφηνοειδές

προφίλ κάνει το αξονικό διάκενο του ελατηρίου μεγαλύτερο

με παράλληλη αύξηση του ακτινικού διακένου της υποδοχής.

Το σφηνοειδές προφίλ χρησιμοποιείται με σκοπό την

αποτροπή σφήνωσης του ελατηρίου στην υποδοχή του. Η

- 13 -

γωνία κατασκευής έχει εύρος από 6 μέχρι 15 μοίρες. Τα

ελατήρια αυτά τοποθετούνται στο πρώτο αυλάκι του εμβόλου.

7. Σφηνοειδές ελατήρια με γωνία στο άνω μέρος (Half

Keystone ring): Ο τρόπος λειτουργίας είναι ίδιος με τα

σφηνοειδή ελατήρια. Λόγω του σχήματος δημιουργείται

θετική συστροφή. Η γωνία αυτών των ελατηρίων είναι 7

μοίρες και τοποθετούνται στο πρώτο αυλάκι του εμβόλου σε

περιπτώσεις που τα ορθογώνια ελατήρια αντιμετωπίζουν

κολλήματα. Χρησιμοποιούνται σε δίχρονες μηχανές όπως

Snowmobile και αεροπλάνα Ultra light.

8. Ελατήρια τύπου L: Ο κατακόρυφος βραχίονας του L

βρίσκεται στο ίδιο ύψος με την κεφαλή του εμβόλου. Με την

πίεση των καυσαερίων που επενεργούν στο πίσω μέρος του

βραχίονα θα σφραγίσει με την άνω πλευρά του την αύλακα

του εμβόλου. Ο τύπος αυτός χρησιμοποιείται σε μικρές

δίχρονες βενζινομηχανές. [10]

Οι εγκοπές των ελατηρίων μπορεί να είναι είτε απλές διαμήκεις είτε υπό γωνία είτε

σύνθετες με διαβάθμιση . Στην τρίτη περίπτωση προσφέρουν την καλύτερη

στεγανοποίηση . Οι τελευταίες χρησιμοποιούνται συνήθως στο πρώτο ελατήρια

συμπιέσεως . Κατά την τοποθέτηση των ελατηρίων πρέπει οι εγκοπές τους να μην

βρίσκονται στην ίδια ευθεία διότι αυξάνονται οι διαφυγές των καυσαερίων και

μειώνεται η στεγανότητα. Τοποθετούνται συνήθως ανά εκατόν είκοσι μοίρες ή

εκατόν ογδόντα μοίρες. Για να μην υπάρχει κίνδυνος περιστροφής των ελατηρίων

χρησιμοποιούνται επίσης ειδικές σφήνες που βιδώνουν στα τοιχώματα του εμβόλου

και τα συγκρατούν σε σταθερή περιφερειακή θέση.

Σε δίχρονες μηχανές η σφήνωση των ελατηρίων χρησιμοποιείται και για να μην

βρεθούν οι εγκοπές των ελατηρίων στην περιοχή των θυρίδων όπου υπάρχει ο

- 14 -

κίνδυνος θραύσεως τους. Τα ελατήρια έξω από τον κύλινδρο έχουν εξωτερική

διάμετρο μεγαλύτερη της εσωτερικής διαμέτρου του χιτωνίου έτσι κατά την

τοποθέτησή τους εντός του κυλίνδρου βρίσκονται υπό συνεχή τάση λόγο συμπιέσεως.

Η τάση αυτή εξασφαλίζει τη στεγανοποίηση του κυλίνδρου. Η τάση αυτή όμως δεν

πρέπει να υπερβαίνει συγκεκριμένες τιμές που ορίζονται από τον κατασκευαστή.

Η εσωτερική διάμετρος των ελατηρίων είναι μεγαλύτερη της διαμέτρου των

αυλακώσεων όπου τοποθετούνται (για να είναι δυνατή η σύσφιξη τους και η

τοποθέτηση του εμβόλου με τα ελατήρια εντός του χιτωνίου). Επίσης το πλάτος των

ελατηρίων είναι μικρότερο από το άνοιγμα του αντίστοιχου αυλακιού.

1.2.2 Ελατήρια Απόξεσης Λαδιού (Scraper Rings)

Τοποθετούνται συνήθως δύο έως τρία ελατήρια λαδιού στο κατώτερο τμήμα του

εμβόλου ή αμέσως μετά από τα ελατήρια συμπιέσεως. Τα ελατήρια απόξεσης λαδιού

έχουν ένα νύχι στην κάτω εξωτερική πλευρά και με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται

πολύ καλή απόξεση λαδιού [2]. Η αποτελεσματικότητα αυτή οφείλεται σε διάφορους

λόγους. Το βήμα αυτό αυξάνει την πίεση και ταυτόχρονα δημιουργεί θετική

συστροφή η οποία, χωρίς την πίεση των αερίων, φέρνει την περιφέρεια του ελατηρίου

σε επαφή με την ακμή μόνο του ελατηρίου. Κατά την κίνησή τους προς το ΑΝΣ, η

άνω κεκλιμένη επιφάνεια τους στρώνει τη μεμβράνη του λιπαντικού. Εμπρός από την

κεκλιμένη τους επιφάνεια δημιουργείται σφήνα λαδιού, που συμπιέζει το ελατήριο

και ρυθμίζει το πάχος της μεμβράνης. Κατά την κίνηση των ελατηρίων προς τα ΚΝΣ

δε σχηματίζεται σφήνα λαδιού οπότε το ελατήριο δεν συμπιέζεται και το λάδι

αποξαίνεται από τα τοιχώματα του χιτωνίου. Εάν κατά λάθος τα ελατήρια

τοποθετηθούν με το νύχι προς τα επάνω, τότε αυξάνεται η κατανάλωση του λαδιού,

επειδή αυτό ωθείται προς την περιοχή των ελατήρια συμπιέσεως κατά την άνοδό του

εμβόλου. Η δημιουργία μεμβράνης μικρού πάχους μειώνει την λιπαντική ικανότητα

και αυξάνει τον κίνδυνο ξηρής τριβής μεταξύ ελατηρίων και χιτωνίου. Όμως και στην

περίπτωση λιπαντικής μεμβράνης αυξημένου πάχους δημιουργούνται προβλήματα. Η

περίσσεια λαδιού αυξάνει την κατανάλωση λιπαντικού αλλά και των κινδύνων

δημιουργίας εξανθρακωμάτων λαδιού στους αύλακες των ελατήρια που επιταχύνουν

τη φθορά των ελατηρίων και του χιτωνίου. Προκαλεί επίσης κόλλημα των ελατηρίων.

- 15 -

1. Ορθογώνια ελατήρια με νύχι (Napier ring): Τοποθετούνται

στην δεύτερη αύλακα του εμβόλου. Έχει αντικατασταθεί από

τα κωνικά ελατήρια με νύχι.

2. Κωνικά ελατήρια με νύχι (Taper faced napier ring): Η

κωνικότητα έχει σκοπό την βελτίωση της απόξεσης αλλά και

ρύθμισης της λιπαντικής μεμβράνης. Έχουν αντικαταστήσει

τα απλά ελατήρια με νύχι ορθογώνιας διατομής.

3. Κωνικά ελατήρια με νύχι κλειστά μπροστά (Taper faced

closed gap ring). Η εφαρμογή των ελατηρίων αυτών είναι ίδια

με τα παραπάνω. Η διαφορά είναι ότι στο διάκενο το νύχι

σταματάει. Ο σκοπός του σχήματος αυτού είναι για μείωση

της απώλειας συμπίεσης (blow by).

1.2.3 Ελατήρια Ρύθμισης Λαδιού (Oil Control Rings)

Τα ελατήρια λαδιού τοποθετούνται στην τελευταία εγκοπή του εμβόλου. Είναι

σχεδιασμένα καθαρά για την ρύθμιση του λαδιού και γιαυτό υπάρχουν αρκετοί

διαφορετικοί τύποι. [11,12,13]

• Ελατήρια λαδιού ενός κομματιού (Single-piece oil control rings):

Είναι όπως τα ελατήρια συμπίεση ή απόξεσης λαδιού. Για α ρυθμίσουν το λάδι

χρησιμοποιούν την αρχική τους τάση. Στις σύγχρονές μηχανές δεν χρησιμοποιούνται

πλέον γιατί δεν πληρούν τις απαιτήσεις. Υπάρχουν τα παρακάτω είδη:

1. Αυλακωτό ελατήριο με διαδοχικές εσωτερικές οπές

(Slotted oil control ring): Το ελατήριο αυτό είναι ορθογώνιο

με αυλάκι στην μέση της εξωτερικής πλευράς. Με αυτόν τον

- 16 -

τρόπο αν το πλάτος των πλευρών που ακουμπούν στο χιτώνιο

είναι μικρότερο από το ολικό τότε δημιουργείται μεγαλύτερη

πίεση από ένα απλά ορθογώνιο ελατήριο.

2. Αυλακωτό ελατήριο με λοξές άκρες (Beveled edge oil

control ring): Για ακόμα μεγαλύτερη πίεση χρησιμοποιούνται

ελατήρια σαν τα παραπάνω με λοξεμένες όμως τις ακμές όπως

στο σχήμα.

3. Αυλακωτό ελατήριο με παράλληλα λοξές άκρες

(Double beveled oil control ring): Σε αυτόν τον τύπο

ελατηρίου οι εξωτερικές πλευρές είναι λοξεμένες αλλά

παράλληλα. Με αυτόν τον τρόπο καθώς η πίεση παραμένει

ίδια μειώνεται η κατανάλωση λιπαντικού λόγω βελτιωμένης

απόξεσης.

• Ελατήρια λαδιού πολλών κομματιών (Multi-piece oil control rings):

Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό των ελατηρίων λαδιού εκτός από την τάση που

ασκούν στο χιτώνιο ώστε να ρυθμίζουν το πάχος της λιπαντικής μεμβράνης είναι η

ικανότητα τους να προσαρμόζονται στις φθορές που έχει υποστεί το χιτώνιο. Ο

τρόπος να συνδυαστούν και οι δύο αυτές απαιτήσεις είναι με τη χρήση ελατηρίων

πολλών κομματιών. Αυτά έχουν στο εσωτερικό τους ένα αυτοφερόμενο ελατήριο

(spring) το οποίο έχει την τάση να ωθεί το ελατήριο (piston ring) στο χιτώνιο.

Τα ελατήρια λαδιού πολλών κομματιών αποτελούνται από δύο ή τρία κομμάτια.

• Ελατήρια λαδιού με δύο κομμάτια:

- 17 -

Το αυλάκι που φέρει το ελατήριο εμβόλου για το σπειροειδές ελατήριο μπορεί να έχει

ημικυκλικό σχήμα ή σχήμα V το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της ροπής

αδράνειας. Σε περιπτώσεις που χρειάζεται μεγαλύτερη αντοχή, όπως στις μηχανές

Ντήζελ, το εσωτερικό του ελατηρίου εμβόλου είναι επενδυμένο με τεφλόν. Αυτό

συμβαίνει για την αποφυγή επιπλέον φθοράς μεταξύ ελατηρίου εμβόλου και

σπειροειδές ελατηρίου.

Επιπλέον, για την αποφυγή συσσώρευσης λαδιού στο εσωτερικό μεταξύ των δύο

ελατηρίων υπάρχουν διάκενα για αποστράγγιση. Αυτά μπορεί να είναι ή σχισμές ή

κυκλικά. Για μεγάλο διάστημα χρησιμοποιούσαν σχισμές αλλά τα τελευταία χρόνια

τα κυκλικά χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο. Τα διάτρητα ελατήρια εμβόλου

έχουν μεγαλύτερη αντοχή στη θραύση από αυτά με σχισμές, προσφέροντας

μεγαλύτερη ασφάλεια στην συναρμολόγηση ειδικά στα ελατήρια με μικρό πλάτος.

Επίσης τα ελατήρια με κυκλικές σχισμές έχουν μεγαλύτερη απόδοση στην απόξεση.

1. Αυλακωτό ελατήριο με σπειροειδές ελατήριο στο

εσωτερικό του (coil spring loaded slotted oil control ring):

Είναι το ίδιο ελατήριο με το παραπάνω αλλά στο εσωτερικό

του έχει την αύλακα ώστε να προσαρμοστεί το σπειροειδές

ελατήριο. Ανάμεσα υπάρχουν τα διάκενα που δεν φαίνονται

και είναι είτε κυκλικά είτε σχισμές.

2. Αυλακωτό ελατήριο με σπειροειδές ελατήριο στο

εσωτερικό του και λοξές άκρες (Coil spring loaded beveled

edge oil control ring): Όπως το παραπάνω με εσοχή για το

σπειροειδές ελατήριο.

3. Αυλακωτό ελατήριο με σπειροειδές ελατήριο στο

εσωτερικό του και λοξές άκρες παράλληλα (Coil spring

loaded double beveled oil control ring): Όπως το παραπάνω

με εσοχή για το σπειροειδές ελατήριο.

- 18 -

4. Αυλακωτό ελατήριο με σπειροειδές ελατήριο στο

εσωτερικό του, λοξές άκρες και επικάλυψη χρωμίου στα

σημεία επαφής του με το χιτώνιο (Coil spring loaded beveled

edge oil control ring with chromed, profile ground lands): Η

επικάλυψη χρωμίου δίνει στο ελατήριο εμβόλου την

δυνατότητα υψηλής σταθερότητας στο χρόνο και το καθιστά

κατάλληλο για χρήση κυρίως σε μηχανές Ντήζελ.

5. Αυλακωτό ελατήριο με σπειροειδές ελατήριο στο

εσωτερικό του με επίστρωση αζώτου (Nitride profiled steel

ring): Οι λοξές άκρες του ελατηρίου είναι από χάλυβα με

υψηλή περιεκτικότητα χρωμίου. Για περισσότερη προστασία

κατά της φθοράς το ελατήριο έχει υποστεί εναζώτωση σε όλη

την επιφάνεια του. Όπως και το παραπάνω ελατήριο με

επικάλυψη χρωμίου χρησιμοποιείται κυρίως σε μηχανές

Ντήζελ. Η αποστράγγιση λαδιού γίνεται από τις οπές μεταξύ

των ελατηρίων.

• Ελατήρια λαδιού με τρία κομμάτια:

Τα ελατήρια με τα τρία κομμάτια αποτελούνται από δύο ελατήρια χάλυβα που είναι

γνωστά ως τμήματα (rails ή segments) και έναν διαστολέα – αποστάτη που κρατάει

τα τμήματα στην απαιτούμενη σχετική αξονική απόσταση, ενώ παράλληλα τα

πιέζουν προς το χιτώνιο. Αν ο διαστολέας – αποστάτης είναι από χάλυβα τότε η

εναζώτωσή του μπορεί να τον προστατέψει από δευτερογενείς φθορές. Στο παρελθόν

οι επιφάνειες τριβής των τμημάτων είχαν επικάλυψη χρωμίου, σήμερα όμως γίνεται

εναζώτωση σε όλη την επιφάνεια και χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με διαστολέα –

αποστάτη επίσης από άζωτο ώστε να ικανοποιήσει υψηλότερες απαιτήσεις σχετικά με

την ανθεκτικότητα της μηχανής αλλά και αυστηρότερα όριο εκπομπών ρύπων. Η

εναζώτωση προσφέρει άριστη προστασία στις επιφάνειες τριβής χιτωνίου –

ελατηρίων αλλά και προστατεύει από δευτερογενείς φθορές μεταξύ αποστάτη και

- 19 -

τμημάτων. Η προσαρμοστικότητα των ελατηρίων μπορεί να βελτιστοποιηθεί με τη

χρήση τμημάτων με μικρότερο ακτινικό πάχος τοιχώματος.

1. Σύστημα VF: Ο διαστολέας – αποστάτης είναι

κατασκευασμένος από χάλυβα και είναι λυγισμένος σε σχήμα

U με αυλακώσεις και η ανοιχτή πλευρά βλέπει προς την

εσωτερική διάμετρο. Είναι συνήθως κατασκευασμένος από

χάλυβα, άνθρακα. Επίσης υπάρχει παρόμοιος τύπος από

κράμα χρωμίου – αζώτου με χάλυβα.

2. Σύστημα MF: Ο διαστολέας – αποστάτης αποτελείται

από κράμα χρωμίου – αζώτου με χάλυβα και έχει εγκάρσια

κυματοειδή μορφή όπως στο σχήμα.

3. Σύστημα S S50: Ο διαστολέας – αποστάτης σε αυτό το

σύστημα αποτελείται από κράμα χρωμίου – αζώτου με

χάλυβα όπως στο σύστημα MF, έχει όμως διαμήκη

κυματοειδή μορφή.

1.3 Αρθρώσεις Ελατηρίων (Ring Joints)

Ο πιο κοινός τύπος άρθρωσης είναι ο τύπου butt (Σχήμα 1). Ο τύπος angle(Σχήμα 2)

και overlapped(Σχήμα 3) δεν χρησιμοποιούνται στα επιβατηγά και φορτηγά

αυτοκίνητα και δεν έχουν κάποιο ιδιαίτερο πλεονέκτημα όσο αφορά τη

στεγανοποίηση. Αυτοί οι τύποι χρησιμοποιούνται σε συμπιεστές και υδραυλικά

συστήματα. Οι τύποι convex(Σχήμα 4) και angle step(Σχήμα 5) παρέχουν καλύτερη

στεγανοποίηση από τις τύπου butt(Σχήμα 1) και γιαυτό χρησιμοποιούνται σε μεγάλο

βαθμό σε υδραυλικές μονάδες. Οι δοκιμές τους σε μηχανές εσωτερικής καύσης έχουν

δείξει διάφορα αποτελέσματα. Ο τύπος γάντζου (hook)(Σχήμα 6) χρησιμοποιείται

μόνο λόγω ευκολότερης συναρμολόγησης. Για παράδειγμα στα αυτόματα κιβώτια

- 20 -

ταχυτήτων αυτοκινήτων που η σύνδεση των ορθογωνίων ελατηρίων είναι δύσκολη

λόγω της υδραυλικής πίεσης.

1. Butt Joint

2. Angle Joint

3. Overlapped Joint

4. Convex Step Type Joint for Improved Sealing

5. Angle Step Type Joint for Improved Sealing

6. Hook Joint

1.4 Σφήνες Ελατηρίων (Joint Notches)

Οι σφήνες είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να αποτρέπουν την μετατόπιση του

ελατηρίου στις δίχρονες μηχανές. Αυτό εξασφαλίζει ότι το ελατήριο δεν θα

- 21 -

αναπηδήσει στις θυρίδες σαρώσεως και σπάσει. Το ελατήριο σταθεροποιείται από

ένα πείρο ο οποίος ασφαλίζει στην αύλακα του ελατηρίου και εμπλέκεται ανάμεσα

στα άκρα του ελατηρίου. Η εσωτερική και κεντρική σφήνα βρίσκεται στο αυλάκι του

ελατηρίου ενώ η πλευρική σφήνα βρίσκεται στο πάνω ή κάτω μέρος της αύλακας. Η

εσωτερική σφήνα είναι αυτή που χρησιμοποιείται περισσότερο.

1. Εσωτερική Σφήνα (Joint With Internal

Notch)

2. Κεντρική Σφήνα (Joint With Central Notch)

3. Πλευρική Σφήνα (Joint With Side Notch)

- 22 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΛΑΤΗΡΙΩΝ ΕΜΒΟΛΟΥ

2.1 Υλικά Κατασκευής Ελατηρίων Εμβόλου (Piston Ring

Materials)

Τα υλικά κατασκευής των ελατηρίων υπόκεινται σε ένα σύστημα λαμβάνοντας

υπόψη κυρίως τα δυναμικά, μηχανικά και τα φορτία τριβής. Τέτοια φορτία απαιτούν

την χρήση υλικών με υψηλή αντοχή (κυρίως σε θερμοκρασίες από 200 – 300

βαθμούς) ιδιαίτερα στην ελαστική περιοχή, τα οποία είναι απαραίτητο να έχουν και

υψηλή αντοχή κατά της φθοράς σε περιπτώσεις κανονικής λειτουργίας και

λειτουργίας με ελάχιστη λίπανση. Επιπλέον οι θερμοφυσικές ιδιότητες όπως η

θερμική αγωγιμότητα και η θερμική διαστολή είναι ένας σημαντικός παράγοντας

στην απόδοση των ελατηρίων εμβόλου. Επίσης, η αντοχή στην διάβρωση και στο

φαινόμενο Micro welding είναι ιδιότητες που καθορίζουν τα χαρακτηριστικά των

υλικών των ελατηρίων του εμβόλου.

Τα υλικά που επιλέγονται είναι φαιός χυτοσίδηρος και χάλυβας σύμφωνα με τις

καταπονήσεις και την χρήση τους ως ελατήρια συμπιέσεως ή λαδιού. Εκτός από τα

υλικά του χάλυβα, οι χυτοσίδηροι φαίνεται να χρησιμοποιούνται σε μια μη θερμικά

Πίνακας 1: Υλικά Επικαλύψεων Και Χαρακτηριστικά Τους

*Η αντοχή κάμψης δεν έχει μετρηθεί στα ελατήρια

**Σύμφωνα με τις προδιαγραφές GOE

- 23 -

επεξεργασμένη κατάσταση ή σκλήρυνση με θερμική επεξεργασία.

Το προτιμώμενο υλικό για ελατήρια συμπίεσης είναι χαμηλού κράματος θερμικά

επεξεργασμένος οζώδης χυτοσίδηρος (nodular cast iron) (GOE 52 – KV1). Αυτό το

υλικό χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή στην κάμψη το λιγότερο 1300 MPa και

υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Για υψηλότερη σκληρότητα χρησιμοποιείται υλικό

τύπου GOE 56 – KV4.

Στο δεύτερο αυλάκι χρησιμοποιείται κράμα θερμικά επεξεργασμένου φαιού

χυτοσίδηρου (GOE32 – F14). Εκτός του ότι έχει υψηλή αντοχή στην κάμψη και

υψηλό μέτρο ελαστικότητας, επειδή δεν έχει επικάλυψη για να επιτευχθεί υψηλή

αντοχή στη φθορά γίνεται επεξεργασία σκλήρυνσης της τάξης των 320 έως 470 HB.

Λόγω των απαιτήσεων υψηλής αντοχής στη φθορά χρησιμοποιείται θερμικά

επεξεργασμένο κράμα φαιού χυτοσίδηρου (GOE 44). Αυτό έχει υψηλή αντοχή στην

κάμψη το λιγότερο 800 MPa και υψηλό μέτρο ελαστικότητας.

Ο σφαιροειδής γραφίτης χωρίς κράμα χρησιμοποιείται στα ελατήρια λαδιού δύο

κομματιών στο τρίτο αυλάκι. Τα υλικά κατασκευής ελατηρίων (STD GOE12 –

GOE13) χαρακτηρίζονται από μια λεπτή φυλλοειδή δομή γραφίτη και έχουν καλή

προσαρμοστικότητα λόγω του χαμηλού μέτρου ελαστικότητας.

Η μείωση του πλάτους των ελατηρίων εμβόλου στους βενζινοκινητήρες ώστε να

μειώνεται το ολικό πλάτος του εμβόλου και η αύξηση της πίεσης καύσης στους

πετρελαιοκινητήρες απαιτεί υλικά αυξημένης αντοχής.

Αυτές οι αντοχές επιτυγχάνονται με κράματα χάλυβα με υψηλή περιεκτικότητα σε

χρώμιο. Η μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε αυξημένες καταπονήσεις αποδεικνύεται από

την βελτιωμένη αντοχή σε κόπωση, όπως φαίνεται στην εικόνα 1 συγκρίνοντας τις

καμπύλες S – N για διαφορετικά υλικά κατασκευής ελατηρίων εμβόλου (σφαιροειδή,

θερμικά επεξεργασμένου φαιού χυτοσίδηρου και θερμικά επεξεργασμένου χάλυβα με

18% χρώμιο).

- 24 -

Η αντίσταση στη φθορά προέρχεται από τα λεπτά κατανεμημένα καρβίδια του

χρωμίου τύπου M23 C6 και M7 C3. Για αυξημένη αντοχή στη φθορά στους χάλυβες

αυτούς χρησιμοποιείται επικάλυψη αζώτου περιφερειακά.

Οι χάλυβες χρησιμοποιούνται συνήθως στα ελατήρια συμπιέσεως των

βενζινοκινητήρων και των πετρελαιοκινητήρων φορτηγών όπως και στα τμήματα και

στους διαστολείς – αποστάτες των ελατηρίων λαδιού δύο κομματιών.

2.2 Κατασκευή Ελατηρίων Εμβόλου (Piston Ring Manufacture)

Τα ελατήρια από γκρι χυτοσίδηρο και τα χαλύβδινα ελατήρια κατασκευάζονται με

διάφορες διαδικασίες. Τα ελατήρια γενικά υπόκεινται σε μια μηχανική επεξεργασία

για να αποκτήσουν το σχήμα που απαιτείται με τη βοήθεια ενός διπλού έκκεντρου

καμπής, είναι μια διαδικασία κατά την οποία το ακατέργαστο τεμάχιο ελατηρίου, που

είναι αξονικά έτοιμο, στρέφεται με τον ίδιο τρόπο ταυτόχρονα στις εσωτερικές και

εξωτερικές διαμέτρους. Έπειτα ένα τμήμα που είναι ισοδύναμο με το ελεύθερο

διάκενο κόβεται από το ελατήριο και το ελατήριο λαμβάνει το σχήμα που θα του

δώσει η αντίστοιχη κατανομή ακτινικής πίεσης όταν θα μπει στον κύλινδρο. Μόλις

στο εσωτερικό του κυλίνδρου είναι σφιχτό το ελατήριο από την εξωτερική διάμετρο,

ασκεί την προσχεδιασμένη αξονική πίεση στον κύλινδρο.

Εικόνα 1: Αντοχή Σε Κόπωση Επιλεγμένων Υλικών

- 25 -

Εκτός από την χρήση διπλού έκκεντρου καμπής, το ελατήριο μπορεί να διαμορφωθεί

και την εσωτερική και εξωτερική διάμετρο ξεχωριστά. Αυτό περιλαμβάνει έκκεντρο

που στρέφει την εξωτερική διάμετρο του μη κυκλικού ελατηρίου και γίνεται

μηχανική επεξεργασία της εσωτερικής διαμέτρου στη θέση συμπίεσης. Το διάκενο

κόβεται σε ένα βήμα μεταξύ της μηχανικής επεξεργασίας της εξωτερικής και

εξωτερικής διαμέτρου του ελατηρίου. Επίσης θα πρέπει να αναφερθεί η χρήση της

θερμότητας ώστε το ελατήριο να διαμορφωθεί πλήρως αλλά αυτή η διαδικασία

χρησιμοποιείται σπάνια.

Τα χαλύβδινα ελατήρια κατασκευάζονται από ένα συρμάτινο προφίλ. Τα ελατήρια

αρχικά περιελίσσονται σε ένα κυκλικό σχήμα και μετά αφαιρείται το διάκενο. Το

απαιτούμενο σχήμα λαμβάνεται με θερμική επεξεργασία κατά την οποία τα ελατήρια

τοποθετούνται σε έναν κατάλληλα σχεδιασμένο άξονα και δέχονται την απαραίτητη

κατανομή πίεσης.

Τα προφίλ των επιφανειών επαφής, τα κωνικά ελατήρια, τα σφηνοειδή ή τα ελατήρια

με σχισμές κατασκευάζονται με βάση το σχέδιο του ελατηρίου, σε αυτόματους

τόρνους ή σε μηχανήματα τροχισμού χρησιμοποιώντας εργαλεία κοπής ειδικού

προφίλ πριν ή μετά την επικάλυψη.

- 26 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΙΣ

3.1 Επικαλύψεις Χρωμίου (Chromium Plated Peripheries )

Στο σύστημα τριβής ελατηρίων εμβόλου – χιτωνίου, γίνεται ηλεκτροχημικά

επίστρωση σκληρού χρωμίου στις επιφάνειες επαφής των ελατηρίων εμβόλου με το

χιτώνιο που διακρίνεται για την υψηλή αντίσταση στη φθορά και την χαμηλή φθορά

του χιτωνίου. Αυτού του είδους επικαλύψεις γίνονται συνήθως στο πρώτο ελατήριο

συμπιέσεως που τα μηχανικά και θερμικά φορτία είναι μέγιστα αλλά και στα

ελατήρια λαδιού που ασκούνται μεγάλες πιέσεις. Στους πετρελαιοκινητήρες των

φορτηγών επικάλυψη χρωμίου γίνεται και στο δεύτερο ελατήριο συμπιέσεως. Αυτά

τα συστήματα περιορίζονται μόνο από λεπτή λιπαντική μεμβράνη συνδυασμένη με

υψηλά μηχανικά και θερμικά φορτία.

Οι επικαλύψεις μπορεί να υποστούν φθορά νωρίς ή μετά από αρκετές ώρες

λειτουργίας. Επίσης μπορεί να παρουσιαστούν γδαρσίματα ή κόπωση που

σχετίζονται με την αποφλοίωση. Στις επικαλύψεις αυτές εφαρμόζεται μια ειδική

τεχνική λείανσης (lapping) από την συνηθισμένη. Η βελτιωμένη αυτή τεχνική παρέχει

καλύτερο σχηματισμό λιπαντικής μεμβράνης κατά τις πρώτες ώρες λειτουργίας και

επιβραδύνει το φαινόμενο του scuffing μεγαλώνοντας την αντοχή σε φορτία. Η

επιφανειακή κατασκευή εξαλείφει την τραχύτητα και δημιουργεί καλές επιφάνειες

έδρασης για καλύτερη απομόνωση και περιέχει θύλακες λαδιού έτσι ώστε να

ελέγχεται καλύτερα στις κρίσιμες συνθήκες.

Με τις απαιτήσεις όσο αφορά το φορτίο στις σύγχρονες μηχανές εσωτερικής καύσης

να αυξάνονται, χρειάζεται συνεχώς να βελτιώνεται η αντοχή των επικαλύψεων των

ελατηρίων σε υψηλότερα μηχανικά και θερμικά φορτία πέρα από τις πρώτες ώρες

λειτουργίας. Το σύστημα επικάλυψης « Μήτρα επικάλυψης χρωμίου με σκληρά

σωματίδια ενσωματωμένα στο δίκτυο μικροσχισμών» πληροί τις απαιτήσεις για το

σύνολο της ζωής της επικάλυψης.

Τα διάφορα αποτελέσματα που προκύπτουν από την προσπάθεια τελειοποίησης

αυτού του συστήματος, δηλαδή CKS(Chromium with aluminum oxide ceramic –

Χρώμιο με κεραμικό οξείδιο του αργιλίου) και GDC (Chromium with microdiamond

- Χρώμιο με μικροδιαμάντι ), δείχνουν να εμφανίζεται μια σχισμή στην επικάλυψη

- 27 -

είτε τοπικά είτε σε όλη την επικάλυψη, γιαυτό το λόγο ενσωματώνονται σκληρά

σωματίδια.

Στην εικόνα 2 παρακάτω απεικονίζεται σχηματικά η διαδικασία της επίστρωσης. Τα

στάδια αποτελούνται από την επίστρωση του χρωμίου, άνοιγμα των σχισμών, ένθεση

σκληρών σωματιδίων, ενσωμάτωση σκληρών σωματιδίων κλείνοντας τις

μικροσχισμές, δημιουργία της τελευταίας επίστρωσης.

Το σύστημα CKS αναπτύχθηκε ειδικά για το πρώτο ελατήριο συμπίεσης, κυρίως για

υψηλών φορτίων πετρελαιοκινητήρες. Οι μικροσχισμές που σχηματίζονται σε αυτό

το σύστημα γεμίζονται με την ενσωμάτωση σωματιδίων κεραμικού οξειδίου του

αργιλίου. Σε σύγκριση με τις επικαλύψεις σκληρού χρωμίου, αυτό το σύστημα

προσφέρει 50% χαμηλότερο ποσοστό τριβής και σημαντική βελτίωση κατά του

φαινομένου scuffing. Μια προσαρμοσμένη παραλλαγή χρησιμοποιείται και στα

ελατήρια λαδιού με την τελευταία επίστρωση να είναι αποκλειστικά σκληρό χρώμιο

για να παρέχει μηχανική υποστήριξη στα τμήματα.

Το σύστημα GDC αναπτύχθηκε για κινητήρες με ακραία φορτία. Σε αυτό το σύστημα

η επικάλυψη σκληρού χρωμίου ενισχύεται με πολύ μικρά σωματίδια διαμαντιού

ενσωματωμένα στις πολύ μικρές ρωγμές με υποκατασκευή. Σε σύγκριση με το

Εικόνα 2: Σχηματική Απεικόνιση Της Επίστρωσης Χρωμίου

- 28 -

σύστημα CKS η φθορά μειώθηκε στο μισό και ακόμα μεγαλύτερη βελτίωση

σημειώθηκε κατά του φαινομένου scuffing χωρίς να εμφανίζεται φθορά του χιτωνίου.

Το σύστημα εφαρμόζεται επίσης και στα ελατήρια λαδιού με την τελευταία

επίστρωση από σκληρό χρώμιο.

Η διάρκεια ζωής των κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι περιορισμένη όχι μόνο

από φθορά του κυλίνδρου και των επιφανειών επαφής των ελατηρίων αλλά επίσης σε

κάποιο βαθμό από φθορά των πλευρών των ελατηρίων και της αύλακας του

εμβόλου.

Ένα μέσο για την επανόρθωση του προβλήματος της φθοράς εκτός από θωράκιση της

αύλακας του εμβόλου είναι η επικάλυψη χρωμίου στις πλευρές του ελατηρίου.

Ανάλογα με την εφαρμογή και την απαιτούμενη αντοχή το πάχος της επικάλυψης

χρωμίου στις πλευρές των ελατηρίων που συνιστάται είναι το ελάχιστο 5μm για

κινητήρες βενζίνης υψηλής ταχύτητας και το ελάχιστο 10μm για κινητήρες

πετρελαίου.

3.2 Επικαλύψεις Με Θερμικό Ψεκασμό (Thermal Spray Coatings)

Οι επικαλύψεις με ψεκασμό στο πρώτο ελατήριο είναι προτιμότερε από αυτές τις

επικάλυψης χρωμίου όταν οι κινητήρες υπόκεινται σε υψηλό κίνδυνο του φαινομένου

Εικόνα 3: Επικάλυψη Χρωμίου Στις Πλευρές Και Την Επιφάνεια Επαφής Του Ελατηρίου

- 29 -

scuffing, κυρίως στους πετρελαιοκινητήρες. Τα υλικά προστίθενται με διαδικασία

ψεκασμού και αντέχουν περισσότερο στην φθορά που συμβαίνει όταν

προσκολλούνται δυο μέταλλα που έρχονται σε επαφή, γιαυτό περιέχουν και κεραμικά

υλικά.

Τα υλικά επικάλυψης των ελατηρίων ποικίλουν από μολυβδαίνιο, που έχουν χαμηλή

τάση προσκόλλησης ώστε να σχηματίσει σκληρά κεραμικά οξείδια κατά την

διαδικασία ψεκασμού και της υψηλής θερμοκρασία τήξης του, μέχρι επικαλύψεις από

μετάλλου - κεραμικά υλικά και ολοκληρωτικά κεραμικά.

Οι επικαλύψεις κεραμικών υλικών – μετάλλου χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο

στις επιφάνειες επαφής των ελατηρίων των πετρελαιομηχανών, ενώ οι επικαλύψεις

μολυβδαινίου δεν χρησιμοποιούνται πολύ λόγο της χαμηλότερης αντίστασης σε

φθορά συγκριτικά με τις παραπάνω. Οι επικαλύψεις με βάση το μολυβδαίνιο και τα

σκληρά κράματα αυτορευστοποίησης, όπως MP43, χρησιμοποιούνται μόνο σε

βενζινοκινητήρες. Τα κεραμικά υλικά θα χρησιμοποιηθούν ακόμα περισσότερο στο

μέλλον αν μειωθεί η ευθραυστότητα, τυπικό χαρακτηριστικό των κεραμικών.

Για την κατασκευή επικαλύψεων μετάλλου – κεραμικών υλικών χρησιμοποιείται η

μέθοδος πλασματικού ψεκασμού. Η επικάλυψη MKP 81A χρησιμοποιείται επιτυχώς

σε πετρελαιοκινητήρες φορτηγών και επιβατηγών αυτοκινήτων. Λόγω του υψηλού

σημείου τήξεως, ο πλασματικός ψεκασμός είναι μια πολύ οικονομική και

αποτελεσματική διαδικασία, αλλά δεν είναι κατάλληλη για δομές σκληρού μετάλλου

που είναι σε πλεονεκτική θέση. Γιαυτό χρησιμοποιείται η μέθοδος HVOF (High

Velocity Oxy-Fuel) [44,45].

Σε μια ελεγχόμενη διαδικασία με σχετικά μέτριες θερμοκρασίες τα κονιοποιημένα

υλικά εκτοξεύονται στην επιφάνεια των ελατηρίων και ενσωματώνονται με

υπερηχητική φλόγα. Αυτές οι επικαλύψεις αναγνωρίζονται με το όνομα MKJet.

Εκτός από τα άλλα πλεονεκτήματα των MKJet σε σύγκριση με τις επικαλύψεις

πλάσματος είναι η εξαιρετικά λεπτή δομή της επίστρωσης (Εικόνα 3), εύκολα

ελέγξιμων τάσεων συμπίεσης, με εξαιρετική αντοχή κατά της προσκόλλησης

σωματιδίων. Αυτό μειώνει τις φθορές σε σχέση με τις επικαλύψεις πλάσματος κατά

ένα παράγοντα και αυξάνει την αντοχή σε ρήξη σε όλα τα σχεδιασμένα ελατήρια. Τα

χαρακτηριστικά της φθοράς είναι συγκρίσιμα με εκείνα των επικαλύψεων CKS.

- 30 -

Οι επικαλύψεις MKJet εμφανίζουν μια σκληρή μεταλλική κατασκευή που προέρχεται

κυρίως μέσω συμπίεσης σκόνης. Έχουν ένα κεραμικό περιεχόμενο που φτάνει σε

ποσοστό έως και 80%.

Οι επικαλύψεις MKP έχουν φολιδωτή δομή που είναι χαρακτηριστικό του

πλασματικού ψεκασμού που προέρχεται μέσω τήξης της σκόνης. Το ποσοστό τους σε

κεραμικό υλικό είναι έως και 40%.

Δεδομένου ότι υπάρχει μεγάλο φάσμα υλικών που διατίθενται για ψεκασμό, διάφορες

επικαλύψεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τις ειδικές απαιτήσεις ενός κινητήρα.

Συνεπώς οι επικαλύψεις με ψεκασμό προσφέρονται για πολλές επιλογές κραμάτων

από τις επικαλύψεις χρωμίου.

3.3 Επικαλύψεις PVD (PVD Coatings)

Η τεχνολογία PVD (Physical Vapor Deposition) είναι μια μέθοδος με την οποία

γίνεται εναπόθεση σκληρών επικαλύψεων με αντίδραση από την αέρια φάση στην

επιφάνεια των ελατηρίων. Αυτό περιλαμβάνει την αεριοποίηση ή ιονισμό του

μετάλλου. Τα ιόντα του μετάλλου επιταχύνουν στην επιφάνεια του συστατικού,

αποφορτισμένα και επικάθονται. Στην διαδικασία αντίδρασης, τα άτομα του

μετάλλου αντιδρούν με τα αντιδρώντα άτομα του αερίου, σχηματίζοντας νιτρίδια,

Εικόνα 4: Δομή Επικάλυψης Με Θερμικό Ψεκασμό

- 31 -

καρβίδια και οξείδια κ.ά. Αυτό προκαλεί τις λεπτές και πυκνές επικαλύψεις να

σχηματίζονται πάνω στο ελατήριο εμβόλου.

Εξαιτίας του κεραμικού χαρακτήρα αυτών των επικαλύψεων, οι επικαλύψεις

ελατηρίων PVD έχουν υψηλή αντίσταση στα γδαρσίματα (φαινόμενο scuffing )και

υψηλή αντίσταση στη φθορά. Οι επικαλύψεις PVD προτιμώνται σε ελατήρια που

είναι βασισμένα σε κράματα χρωμίου – αζώτου (CrN) (Εικόνα 4). Εναλλακτικά

κράματα όπως DLC (Diamond Like Carbon) χρησιμοποιούνται όλο και πιο συχνά με

την προοπτική μείωσης της τριβής. Οι επικαλύψεις DLC στα ελατήρια των

βενζινομηχανών παρουσιάζουν μια σημαντική βελτίωση κατά τις πρώτες ώρες

λειτουργίας και μειωμένη φθορά χιτωνίου ειδικά όταν συνδυάζονται με χιτώνια από

αλουμίνιο (Al).

Δεδομένης της κεραμικής δομής των επικαλύψεων PVD χαρακτηρίζονται από

υψηλές παραμένουσες τάσεις, θέτοντας περιορισμούς στο πάχος επικάλυψης και στο

σχεδιασμό των ελατηρίων. Παρόλα αυτά είναι αναμενόμενο ότι η βελτίωση αυτών

των επικαλύψεων, σε σύγκριση με τα κράματα CrN που χρησιμοποιούνται τώρα, θα

επιφέρει και περισσότερη χρήση αυτών στο μέλλον.

Εικόνα 5: Επικάλυψη Ελατηρίου Εμβόλου Με PVD CrN

- 32 -

3.4 Εναζώτωση Και Ανθρακοεναζώτωση (Nitriding And

Carbonitrading)

Η εναζώτωση είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται κυρίως για αύξηση

απόδοσης των ελατηρίων στις βενζινομηχανές. Η εναζώτωση έχει ως αποτέλεσμα

αυξημένη σκληρότητα και έτσι μειώνεται η λείανση και η πιθανότητα προσκόλλησης

σωματιδίων καθώς και αποτρέπει το φαινόμενο του Scuffing.

Η εναζώτωση των ελατηρίων είναι μια θερμική επεξεργασία κατά την οποία το άζωτο

και ο άνθρακας απορροφώνται σε θερμοκρασία που κυμαίνεται από 450 – 585

βαθμούς ένα πολυφασικό στρώμα αζώτου. Αυτό το επισκληρυσμένο στρώμα

δημιουργείται με τον μετασχηματισμό φάσης των κοντινών περιοχών του υλικού και

έτσι σχηματίζεται η λεγόμενη θήκη.

Η επιλογή των υλικών του ελατηρίου για εναζώτωση είναι σημαντική για να

καθοριστεί ο σχηματισμός της θήκης και τα χαρακτηριστικά της. Για

εναζωτωποιημένα ελατήρια συμπίεσης και ελατήρια ελέγχου λαδιού (χαλύβδινα

τμήματα, ελατήρια λαδιού δύο κομματιών) χρησιμοποιούνται κράματα χάλυβα με

υψηλή περιεκτικότητα χρωμίου (GOE 65C, GOE 66). Η εναζώτωση παράγει το

λεγόμενο "στρώμα διάχυσης "που έχει επιφανειακή σκληρότητα > 900HV 0,1 και

πάχος θήκης αζώτου NHT 700HV 0.5 = 0.05 mm έως 0,07mm.

Εναζώτωση διεξάγεται επίσης σε ελατήρια εμβόλου από χυτοσίδηρο . Σε τέτοιες

περιπτώσεις, η θήκη αζώτου χαρακτηρίζεται από το σχηματισμό αυτό που

αποκαλείται ένα «λευκό στρώμα» που αποτελείται από σίδηρονιτρίδια και

καρβονιτρίδια , με ένα στρώμα διάχυσης κάτω. Με την υψηλή του σκληρότητα των

600 - 800HV 0,05 του 2 - 10 μm το παχύ λευκό στρώμα δρα ως στρώμα κατά της

φθοράς. Το στρώμα διάχυσης έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση απόδοσης του

ελατηρίου , ειδικά στην περίπτωση των θερμικά επεξεργασμένων χυτοσιδήρων ,

λόγω της σημαντικής αύξησης σκληρότητας .

Εναζώτωση γίνεται επίσης για θωράκιση πλευρές του ελατηρίου εμβόλου.

Μια ελεγχόμενη διαδικασία εναζώτωσης της πλευράς του ελατηρίου αυξάνει

σημαντικά την επιφανειακή σκληρότητα και ως εκ τούτου βελτιώνει την αντοχή στη

φθορά. Η βύθιση του αζώτου στο στρώμα διάχυσης μειώνει επιπλέον την ευαισθησία

στο φαινόμενο micro welding.

- 33 -

3.5 Επεξεργασία Επιφανειών

Η ακόλουθες επεξεργασίες επιφάνειας για τα ελατήρια εμβόλου έχουν κυρίως

σχεδιαστεί για να παρέχουν προστασία από τη διάβρωση κατά την αποθήκευση και

την ενίσχυση της εμφάνισης και όχι τόσο για τη μείωση της φθοράς στις επιφάνειες

επαφής και τις πλευρές ή για την μείωση του φαινομένου scuffing στις πρώτες ώρες

λειτουργίας.

3.5.1 Χαλκός Και Κασσίτερος (Tin And Copper)

Η χρήση κασσίτερου και χαλκού έχουν χαμηλή σκληρότητα και ως εκ τούτου

ενεργούν, κατά μία έννοια, ως «λιπαντικά». Τα προϊόντα αυτά εφαρμόζονται

συνήθως σε πάχη μεταξύ 2 και μm.

3.5.2 Φωσφάτα (Phosphating)

(Ψευδάργυρος Φωσφορικό ή Φωσφορικό Μαγγάνιο)

Εικόνα 6: Εναζώτωση Στις Πλευρές Του Ελατηρίου

- 34 -

Η επιφάνεια του ελατηρίου μετασχηματίζεται με χημική επεξεργασία σε

κρυστάλλους φωσφάτων. Η φωσφορική επίστρωση είναι μαλακότερη από το υλικό

βάσης του ελατηρίου και επομένως φθείρεται πιο εύκολα και συνεπώς επιταχύνει το

«ξάπλωμα» του ελατηρίου. Αυτά τα επιχρίσματα παράγονται σε πάχη μεταξύ 2 και 5

μm.

3.5.3 Μαύρο Οξείδιο (Black Oxiding)

Το μαύρο οξείδιο χρησιμοποιείται κυρίως για επικάλυψη των πλευρών των τμημάτων

κατασκευασμένων από χάλυβα άνθρακα . Αυτά είναι πολύ λεπτά στρώματα οξειδίου

του σιδήρου (πάχος <1μm) και παρέχουν ένα ορισμένο ποσό προστασίας από τη

διάβρωση .

3.5.4 CPS και CPG

CPS (για άζωτο σε χαλύβδινα ελατήρια) και CPG (για άζωτο σε ελατήρια από

χυτοσίδηρο) είναι διαδικασίες χημικής παθητικότητας. Μειώνουν τον κίνδυνο

εμφάνισης micro welding μέσω μιας ελεγχόμενης τροποποίησης της επιφάνειας

μορφολογίας σχηματίζοντας ρηχές μικροκοιλότητες και αφαιρώντας τα σημάδια των

σχισμών από την τρόχιση. Έχουν επίσης θετική επίδραση στην αντοχή στη διάβρωση

και την αντοχή σε κόπωση.

- 35 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο: ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΚΑΙ ΒΛΑΒΕΣ

4.1 Κανονικές Συνθήκες Λειτουργίας

4.1.1 Κατανάλωση Λαδιού (Oil Consumption)

Με τον όρο κατανάλωση λαδιού στις μηχανές εσωτερικής καύσης εννοείται ένας

αριθμός από φαινόμενα, γιαυτό καλό θα ήταν να δοθεί ένας ορισμός

[14,15,16,17,20,21]. Η κατανάλωση λαδιού δηλώνει τη μεταβολή της ποσότητας του

λιπαντελαίου στο κάρτερ (Sump Tank) της μηχανής με την πάροδο του χρόνου,

συνήθως μετράται βαρυμετρικά, και επηρεάζεται από τρία κριτήρια:

1. Απώλεια λαδιού μέσω του συστήματος εξάτμισης,

2. Κατακαθίσεις λαδιού στη μηχανή,

3. Εμφάνιση ρινισμάτων ή μεγαλύτερων κομματιών στο κάρτερ, αύξηση λαδιού

στο καρτερ.

Ο όρος εκπομπή λαδιού (Oil emission) δηλώνει την απώλεια λαδιού μόνο από το

σύστημα εξάτμισης [18,19]. Επομένως η εκπομπή λαδιού είναι μόνο ένα μεγάλο ή

μικρό μέρος της κατανάλωσης λαδιού και παίζει ιδιαίτερα καθοριστικό ρόλο για την

βελτίωση των εκπομπών ρύπων του κινητήρα. Από την άλλη η κατανάλωση λαδιού

είναι σημαντικός δείκτης για τα διαστήματα αλλαγής του λαδιού, εάν παρουσιαστούν

στο λάδι πολλά από τα προϊόντα της καύσης τότε μπορεί να πάρει και αρνητικές

τιμές. Όπως φαίνεται στο Διάγραμμα 1 όμως οι μετρήσεις των δύο παραμέτρων είναι

εντελώς διαφορετικές.

Διάγραμμα 1: Σύγκριση Εκπομπής Καυσαερίων Και Κατανάλωσης Λαδιού

- 36 -

Για την αξιολόγηση των ελατηρίων απόξεσης λαδιού λαμβάνονται υπ’ όψη και οι δύο

παράμετροι. Προς το παρόν δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η απώλεια λαδιού

καθαρά από το σύστημα των ελατηρίων, αφού οι απώλειες συμβαίνουν επίσης μέσω

διαφυγής αερίων καθώς και λιπαίνονται και άλλα εξαρτήματα της μηχανής από το

ίδιο λάδι όπως οι βαλβίδες και το turbocharger.

Η κατανάλωση λαδιού του συστήματος εμβόλου – ελατηρίων – χιτωνίου μπορεί να

μειωθεί ρυθμίζοντας και τα τρία παραπάνω. Οι ρυθμίσεις στα ελατήρια είναι οι εξής:

1. Αύξηση της πίεσης επαφής.

2. Βελτιστοποίηση της προσαρμογής.

3. Χρησιμοποιώντας αιχμηρές άκρες στο κάτω μέρος των ελατηρίων για την

καθοδική πορεία.

4. Σχεδιάζοντας μια υδροδυναμική επιφάνεια επαφής για την ανοδική πορεία

αποφεύγοντας τις αιχμηρές άκρες.

5. Μείωση των αντιδράσεων στο αυλάκι του εμβόλου – πιο σταθερές συνθήκες.

Τέλος, στοχεύοντας στη μείωση της κατανάλωσης λαδιού πρέπει να λαμβάνονται

υπόψη και τα συστήματα αυτόματου καθαρισμού όλου του συστήματος. Η πολύ

λεπτή μεμβράνη λαδιού μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στην φθορά και στην

τριβή, ενώ η ανεπαρκής σάρωση μπορεί να έχει αρνητικές επιπτώσεις στην απόδοση

μετά από πολλές ώρες λειτουργίας.

4.1.2 Διαφυγή Αερίων (Blow by)

Ο όρος διαφυγή αερίων αναφέρεται στο μέρος του συνολικού ποσού των αερίων που

διαφεύγουν από τον θάλαμο καύσης και καταλήγουν στο στροφαλοθάλαμο [22,23].

Επίσης διαφυγή γίνεται από βαλβίδες, άξονες ή το turbocharger προκαλώντας αλλαγή

στην απόλυτη ποσότητα των καυσαερίων. Σαν μέτρηση της ποσότητας αερίων που

διαφεύγουν δίνεται η ολική ποσότητα καυσαερίων επειδή δεν μπορεί να μετρηθεί.

Παρόλα αυτά αυτό δίνει μόνο μια έμμεση ένδειξη της απόδοσης του συστήματος

ελατηρίων – εμβόλου.

Η ποιότητα της μόνωσης εξαρτάται από δύο παράγοντες, την ταχύτητα του

συστήματος και την διαφορική πίεση στο σημείο μόνωσης.

- 37 -

Σε έναν κινητήρα πετρελαίου (Εικόνα 1) η ποσότητα των καυσαερίων αυξάνει με την

αύξηση της μέσης πραγματικής πίεσης ( διαφορική πίεση πάνω από τα ελατήρια

εμβόλου). Επίσης η ποιότητα μόνωσης βελτιώνεται όσο αυξάνεται η ταχύτητα.

Αντιθέτως σε έναν βενζινοκινητήρα (Εικόνα 2), μέχρι τις 4500 στροφές η

συμπεριφορά είναι η ίδια με τον πετρελαιοκινητήρα, η ποσότητα των αερίων αυξάνει

σημαντικά σε χαμηλές τιμές της μέσης πραγματικής πίεσης και σε ακόμα υψηλότερες

στροφές ξεπερνάει ακόμα και τιμές του πλήρες φορτίου. Αυτή η ανωμαλία

αναφέρεται ως πτερυγισμός (flutter).

4.1.3 Εκπομπές Καυσαερίων (Exhaust Emissions)

Τα καυσαέρια του κινητήρα περιέχουν διάφορα συστατικά αέρια, υγρά και στερεά

του καυσίμου και του λαδιού σε διάφορες συνθέσεις και ποσότητες. Τα προϊόντα της

Εικόνα 7: Χάρτης Εξαερισμού (Diesel Engine)

Εικόνα 8: Χάρτης Εξαερισμού (Gasoline Engine)

- 38 -

καύσης όπως υδρογονάνθρακες (HC), οξείδια του αζώτου (NOX) και μονοξείδιο του

άνθρακα (CO), περιορίζονται σε διαφορετικά επίπεδα για διαφορετικούς κύκλους

λειτουργίας από τη νομοθεσία στις διάφορες χώρες [24,25]. Επίσης, το διοξείδιο του

άνθρακα στα καυσαέρια έμμεσα περιορίζεται λόγω των τιμών «CAFÉ» (Fuel

Economy). Τα καύσιμα με υψηλή αναλογία υδρογόνου – άνθρακα έχουν ευνοϊκή

επίδραση στις εκπομπές καυσαερίων. Κατά συνέπεια σε μια μηχανή αποκλειστικά

υδρογόνου, οι εκπομπές είναι μόνο υδρογονάνθρακες (HC), μονοξείδιο του άνθρακα

(CO) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2) από την τέλεια ή ατελή καύση του λαδιού.

Η εκπομπή λαδιού (oil emission) ελέγχεται κυρίως μέσα από την διαδικασία της

καύσης, τα σημεία λειτουργίας του κινητήρα, την σύνθεση και τη γήρανση του

λαδιού και επίσης λαμβάνοντας υπόψη τις ακόλουθες πτυχές στο σύστημα ελατηρίων

– εμβόλου – χιτωνίου:

1. Σχεδιασμός των ελατηρίων εμβόλου (τύπος, σχήμα, άκρες κ.λπ.),

2. Βελτιωμένη προσαρμοστικότητα και μεγαλύτερη πίεση επαφής,

3. Βελτίωση της επιφανειακής τοπογραφίας του κυλίνδρου,

4. Μείωση της στρέβλωσης των οπών,

5. Βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του εμβόλου ( όγκος εσοχών για την

τοποθέτηση των ελατηρίων και γεωμετρία αυτών, πόδια του εμβόλου για

μεγαλύτερη απόξεση και αποφυγή απόξεσης κατά την ανοδική πορεία)

Συνοψίζοντας, οι αντικρουόμενοι στόχοι που προκύπτουν γύρω από το ζήτημα των

εκπομπών καυσαερίων είναι από τη μια να βελτιωθεί η απόξεση και έτσι να μειωθεί η

εκπομπή λαδιού, και από την άλλη να μειωθεί η τριβή ώστε να υπάρχει οικονομία

καυσίμου και χαμηλότερα επίπεδα διοξείδιο του άνθρακα (CO2).

4.2 Τριβολογία Ελατηρίων Εμβόλου

4.2.1 Φθορά (Wear)

Η αντίδραση μεταξύ δύο υλικών που τρίβονται μεταξύ τους εκδηλώνεται με την

απώλεια υλικού λόγω διαβρωτικής, κολλητικής ή λειαντικής δράσης, ή από

παραμόρφωση των αλληλεπιδρώντων συστατικών ή ένα συνδυασμό και των δύο

αυτών επιδράσεων συνδυασμένο με αλλαγή στις χημικές ιδιότητες των επιφανειών.

- 39 -

Παρόλα αυτά η φθορά δεν θα πρέπει να ισούται μόνο με το φορτίο που δέχονται οι

επιφάνειες τριβής, αλλά και μέσα από τις επιφάνειες των δύο σωμάτων που

αλληλεπιδρούν. Με άλλα λόγια η φθορά μεταξύ δύο στοιχείων που δέχονται

πανομοιότυπα φορτία δεν είναι ίδια.

Η φθορά που παρατηρείται στο σύστημα ελατηρίων – χιτωνίου καλείται φθορά

επιφανειών τριβής, ενώ η φθορά του συστήματος εμβόλου – ελατηρίων καλείται

πλευρική φθορά. Μέτα από κάποιες ώρες λειτουργίας η επιφάνεια επαφής των

ελατηρίων με το χιτώνιο έχει μια ασύμμετρη βαρελοειδή μορφή. Στις κάτω πλευρές

των ελατηρίων αλλά και των εσοχών του εμβόλου παρατηρείται φθορά που έχει

δημιουργηθεί από κυκλικές κινήσεις ή τάσεις.

Μια τυπική φθορά στις πετρελαιομηχανές είναι μία κορυφογραμμή που σχηματίζεται

στο χιτώνιο στο σημείο αναστροφής του πρώτου ελατηρίου και ονομάζεται φθορά

χιτωνίου στο ΑΝΣ. Σε πολλές περιπτώσεις υπάρχει και άλλη κορυφογραμμή που

σχηματίζεται από το ελατήριο στο δεύτερο αυλάκι του εμβόλου. Στις βενζινομηχανές

με χιτώνια από γκρι χυτοσίδηρο δεν παρατηρείται τέτοια φθορά στο ΑΝΣ, αν και η

κατάσταση μπορεί να είναι διαφορετική με άλλα υλικά κατασκευής χιτωνίου [26,27].

Επιπλέον στα ελατήρα με πολλά κομμάτια μπορεί να παρουσιαστούν φθορές που

αναφέρονται ως δευτερεύουσες.

Με στόχο την μείωση της φθοράς υπάρχουν διάφορα βασικά εργαλεία που είναι

διαθέσιμα για την μείωση των καταπονήσεων στα συστήματα ελατηρίων – χιτωνίου

και ελατηρίων – εμβόλου. Μερικές από τις επιλογές, ωστόσο, θα μπορούσε να

έρχονται σε σύγκρουση με άλλους στόχους, όπως η βελτιστοποίηση της απόδοσης

των ελατηρίων και η μείωση της απώλειας τριβής.

• Ενέργειες σχετικά με τα ελατήρια εμβόλου:

o Ανακούφιση καταπονήσεων ελατηρίου,

o Βελτίωση της λίπανσης,

o Χρησιμοποιώντας διαφορετικά υλικά κατασκευής.

• Ενέργειες σχετικά με το χιτώνιο:

o Βελτίωση λίπανσης του κυλίνδρου,

o Βελτίωση λίπανσης της επιφάνεια επαφής,

o Χρησιμοποιώντας διαφορετικά υλικά κατασκευής,

o Βελτιστοποίηση της ψύξης του χιτωνίου,

- 40 -

o Ελαχιστοποίηση της στρέβλωσης των οπών.

• Ενέργειες σχετικά με το έμβολο

4.2.2 Γραμμώσεις (Scuffing)

Ο όρος Scuffing αρχικά ορίστηκε για το φαινόμενο που παρατηρείται στην επιφάνεια

επαφής των ελατηρίων με επικάλυψη χρωμίου (Εικόνα 3). Οι δυσχρωμίες και το

επονομαζόμενο ‘’δέρμα αλιγάτορα’’ στις επιφάνειες με χρώμιο είναι ενδείξεις από

υψηλά θερμικά φορτία. Αν ο όρος Scuffing επεκταθεί και σε άλλα υλικά, τότε όλα τα

φαινόμενα που παρατηρούνται από υψηλές θερμοκρασίες θα μπουν κάτω από αυτό

το πλαίσιο.

Η διάκριση μεταξύ των όρων γδαρσίματα (Scuffing) και επικαθίσεις (Seizure) είναι

λεπτή. Το κοινό χαρακτηριστικό είναι ότι δημιουργούνται από υψηλά φορτία. Στην

περίπτωση σοβαρής επικάθισης στην επιφάνεια των ελατηρίων θα παρουσιαστεί

βαριά χάραξη ή επικάθιση ξένου υλικού [28,29].

• Ενέργειες σχετικά με τα ελατήρια εμβόλου:

o Χρήση ελατηρίων με υδροδυναμικά βελτιωμένη επιφάνεια επαφής και

κατανομή πιέσεων

o Χρήση βελτιωμένων επιφανειών επαφής

o Αλλαγή υλικού κατασκευής στις επιφάνειες των ελατηρίων

▪ Παραλλαγές χρωμίου CKS,GDC

▪ Παραλλαγή MKP81A με υψηλή περιεκτικότητα σε

μολυβδαίνιο

▪ Χρήση HVOF παραλλαγή MKJet502

▪ Χρήση PVD παραλλαγή CrN

• Ενέργειες σχετικά με το χιτώνιο:

o Επιφάνειες ώστε να παρέχουν περισσότερα υδροδυναμικά

χαρακτηριστικά.

- 41 -

4.2.3 Micro welding

Το Micro welding περιγράφει μια ειδική περίπτωση φθοράς των ελατηρίων ή της

εσοχής του εμβόλου που συμβαίνει συχνά μετά από βραχείς χρόνους λειτουργίας του

κινητήρα στα ελατήρια συμπίεσης από χυτοσίδηρο ή την αντίστοιχη αύλακα στα

έμβολα από αλουμίνιο.

Αυτή η χαρακτηρίζεται και παίρνει το όνομα της από την εντοπισμένη συγκόλληση

υλικού που συνοδεύεται από θραύση μέρους του εμβόλου και μεταφορά του

κομματιού από το έμβολο προς την πλευρά του ελατηρίου ιδιαίτερα στην κάτω

πλευρά. Παραδείγματα του φαινομένου Micro welding φαίνονται στις Εικόνες 4,5

[30].

Εάν το ελατήριο υποστεί τέτοιου είδους ζημιά και στην συνέχεια περιοριστεί στην

κίνηση του μέσα στο αυλάκι ή ακόμα και αν λιώσει, θα επηρεάσει την συμπεριφορά

της φθοράς (καύση της αύλακας) και λειτουργικά χαρακτηριστικά (αύξηση

φαινόμενου blow by και κατανάλωση λαδιού) σε ακραία σημεία μέχρι και βλάβη

στον κινητήρα [31].

Υπάρχουν πολλοί τρόποι για την αποφυγή micro welding ανάλογα με την τριβολογία

μεταξύ των υλικών και των επιφανειών τριβής.

• Ενέργειες σχετικά με τα ελατήρια εμβόλου:

Εικόνα 9: Ελατήριο Εμβόλου Με Επικάλυψη Χρωμίου Ύστερα Από Φαινόμενο Scuffing

- 42 -

o Μείωση τραχύτητας και αύξηση επί τοις εκατό των επιφανειών

τριβής των πλευρών του ελατηρίου,

o Επίστρωση – επεξεργασία των πλευρών των ελατηρίων

(επικάλυψη PVD, χημική επεξεργασία CPS),

o Επίστρωση φωσφόρου ή κασσίτερου στις πλευρές του ελατηρίου,

o Άλλα υλικά κατασκευής ελατηρίων,

• Ενέργειες σχετικά με το έμβολο και ρύθμιση στις συνθήκες λειτουργίας

Το φαινόμενο micro welding μπορεί να αποφευχθεί συνδυάζοντας σωστά τις

ενέργειες σχετικά με το εμβολο και τα ελατήρια.

4.2.4 Τριβή (Friction)

Ο κινητήρας κατά την παλινδρομική κίνηση (έμβολα, ελατήρια, χιτώνια, διωστήρες,

στροφαλοφόρος, έδρανα, λάδι) υπόκειται σε τριβή το οποίο είναι ένα μέρος των

μηχανικών απωλειών. Οι απώλειες από τα ελατήρια αντιπροσωπεύουν ένα ποσοστό

είκοσι τοις εκατό, με τα ελατήρια λαδιού να αντιπροσωπεύουν το εξήντα τοις εκατό

αυτού του αριθμού.

Τριβή ορίζεται ως η αντίσταση κατά την σχετική κίνηση των επιφανειών επαφής. Η

επαφή γίνεται άμεσα (επαφή μεταξύ στερεών) ή έμμεσα (λόγω λίπανσης) ή σε

συνδυασμό αν μιλάμε για μικτή τριβή. Η δυνάμεις τριβείς είναι μια συνάρτηση των

ιδιοτήτων των υλικών και των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών του

συστήματος. Άλλοι παράγοντες είναι οι δομές των επιφανειών, εννοώντας τις

επιφάνειες επαφής των ελατηρίων, την τραχύτητα και την απόκλιση από το ιδανικό

σχήμα του χιτωνίου. Αυτές οι δομές δεν έχουν ολοκληρωτική επαφή, έτσι οι τοπικές

Εικόνα 10: Πλευρά Ελατηρίου Που

Έχει Υποστεί Επικόλληση

Αλουμινίου. Μεγέθυνση x100

Εικόνα 11: Καταστροφή Αύλακας

Εμβόλου. Μεγέθυνση x25

- 43 -

πιέσεις επαφής διαφέρουν από τις ειδικές. Με την παρουσία επαφής και μικτής τριβής

παρουσιάστηκαν μηχανισμοί φθοράς που συνοδεύονται από απώλεια ενέργειας. Η

θερμότητα λόγω τριβής μπορεί να φτάσει υψηλά επίπεδα τοπικά και πιθανόν να έχει

ως αποτέλεσμα φθορά υλικού.

Η καμπύλη Stribeck δείχνει τον συντελεστή τριβής f και το πάχος του φίλμ λαδιού h,

συναρτήσει της τραχύτητας, του ιξώδους του λαδιού και την ειδική πίεση επαφής των

επιφανειών.

Το σημείο λειτουργίας του ελατηρίου του εμβόλου στην καμπύλη Stribeck εξαρτάται

από την γωνία στροφάλου και ακόμη και με σταθερή ταχύτητα του κινητήρα

μετατοπίζεται πέρα δώθε μεταξύ των τιμών λειτουργίας για μηδενική και μέγιστη

ταχύτητα, ενώ στην περιοχή των νεκρών σημείων είναι στη ζώνη μικτής τριβής.

Εξαιτίας της συμπίεσης μπορεί να υπάρχουν υπολείμματα λαδιού στα νεκρά σημεία

στις υψηλές στροφές. Η ανώτερη ταχύτητα εξαρτάται από τον τύπο του κινητήρα.

Ανάλογα με την θερμοκρασία το δυναμικό ιξώδες εξαρτάται από το σημείο

λειτουργίας του κινητήρα.

Με σύγχρονους υπολογιστές μπορεί να υπολογιστεί το πάχος της λιπαντικής

μεμβράνης και οι δυνάμεις τριβής στα ελατήρια εμβόλου, λαμβάνοντας υπόψη την

τραχύτητα και τον προσανατολισμό των επιφανειών, καθώς και την μερική πλήρωση

λαδιού στα κενά μεταξύ των μερών [34,35,36,37,38].

Καμπύλη Stribeck

- 44 -

Στα νεκρά σημεία τα ελατήρια αντιμετωπίζουν μικτή τριβή. Η δυνάμεις τριβής σε

αυτά τα σημεία παίρνουν τις μεγαλύτερες τιμές τους αλλά η επίδρασή τους στην

απώλεια τριβής είναι αμελητέα αφού η σχετική ταχύτητα τείνει στο μηδέν. Σε γενικές

γραμμές μπορούμε να πούμε ότι χοντρικά ότι η απώλεια τριβής είναι ανάλογη με την

ταχύτητα του κινητήρα. Η συσχέτισή της με το φορτίο είναι αμελητέα. Για τα

ελατήρια εμβόλου η μέση πραγματική πίεση τριβής ορίζεται από τον τύπο: ρ mr,

δακτύλιος = Ρ R, δακτύλιος / (σε V h ).

Η μείωση της τριβής αντιμετωπίζεται με την βελτιστοποίηση της λειτουργικής

συμπεριφοράς του πακέτου των ελατηρίων εμβόλου με σκοπό να ελαχιστοποιήσει

την κατανάλωση καυσίμου. Συχνά έρχεται σε αντίθεση, όμως, με τη βελτιστοποίηση

της κατανάλωσης λαδιού και του φαινομένου blow by.

Οι κύριες δράσεις για τη μείωση τριβής είναι τα εξής:

• Ενέργειες σχετικά με τα ελατήρια εμβόλου:

o Μείωση εφαπτομενικής δύναμης και πίεση ανά μονάδα,

o Βελτίωση της γεωμετρίας των επιφανειών επαφής,

o Μείωση αριθμού ελατηρίων κυλίνδρου ανά κύλινδρο.

• Έλεγχος με την βοήθεια του λαδιού και του συστήματος κάθαρσης της

μηχανής.

4.3 Δυσλειτουργίες Ελατηρίων Εμβόλου

4.3.1 Κόλλημα Ελατηρίων (Ring Sticking)

Ο όρος κόλλημα χωρίζεται σε δύο κατηγορίες, ζεστό κόλλημα και κρύο κόλλημα. Με

τον όρο κρύο κόλλημα εννοείται η κόλληση του ελατηρίου στην αύλακα του εμβόλου

όταν δεν λειτουργεί η μηχανή, κατά τη διάρκεια π.χ. αποσυναρμολόγησης της

μηχανής. Με τον όρο ζεστό κόλλημα εννοείται όταν κολλήσει το ελατήριο και

περιορίζονται οι κινήσεις του στην αύλακα του εμβόλου όσο λειτουργεί η μηχανή.

Κόλλημα παρατηρείται από το λάδι και τις επικαθίσεις άνθρακα.

Τρόποι αποφυγής κολλήματος ελατηρίων:

• Χρήση ελατηρίων τύπου Keystone,

• Αύξηση αξονικού διακένου ελατηρίου – αύλακας εμβόλου,

- 45 -

• Μείωση αξονικού πλάτους ελατηρίων,

• Μείωση των θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στο αυλάκι του εμβόλου,

• Χρήση καλύτερης ποιότητας λαδιού για λιγότερες εξανθρακώσεις.

4.3.2 Πτερυγισμός Ελατηρίων (Ring Flutter)

Όπως αναφέρθηκε στο τμήμα 6.1.2 που αφορά το φαινόμενο της διαφυγής αερίων

(blow by), ανωμαλίες στην διαφυγή αερίων (υπερβολικά υψηλές τιμές σε χαμηλές

μέσες πιέσεις σε υψηλές στροφές του κινητήρα), παρατηρούνται ιδιαίτερα στους

κινητήρες βενζίνης [39,40,41].

Οι ανωμαλίες αυτές αναφέρονται συχνά με τον όρο (flutter) και οφείλονται σε δύο

διαφορετικές αιτίες ή στον συνδυασμό και των δύο.

• Ακτινική κατάρρευση του ελατηρίου εμβόλου

• Αξονική ανύψωση του ελατηρίου στο αυλάκι από την κάτω πλευρά

Ένα ελατήριο εμβόλου καταρρέει ακτινικά όταν ένα θετικό φορτίο που έχει φορά

ακτινικά προς τα μέσα εμφανίζεται μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών

διαμέτρων του ελατηρίου. Η κατανομή του φορτίου και η φορά του εξαρτάται από

ακτινική κατανομή της πίεσης του ελατηρίου και την πίεση της καύσης που ασκείται

μπροστά και πίσω από το ελατήριο.

Η άλλη επαφή του ελατηρίου στο αυλάκι του εμβόλου ελέγχεται αρχικά από την

αδράνεια και τις δυνάμεις τριβής και δεύτερον από τις δυνάμεις των αερίων που

επενεργούν πάνω και κάτω από το ελατήριο. Η αρνητική διαφορική πίεση (πίεση

πάνω και κάτω από το ελατήριο) μπορεί να προκαλέσει την ανύψωση του ελατηρίου

από το κάτω μέρος της αύλακας με αποτέλεσμα την αύξηση διαφυγής αερίων.

Ενέργειες για την αποφυγή του φαινομένου Flutter:

• Αποφυγή ακτινικής κατάρρευσης με την χρήση ελατηρίων διαφορετικής

γεωμετρίας και άλλη κατανομή ακτινικής πίεσης

• Καθυστερημένη συσσώρευση πιέσεων κάτω από το πρώτο ελατήριο

χρησιμοποιώντας ένα δεύτερο ελατήριο στην δεύτερη αύλακα που θα

σφραγίζει λιγότερο αποτελεσματικά

• Αύξηση του όγκου κάτω από το πρώτο ελατήριο

• Δίνοντας κλίση στην αύλακα του εμβόλου

- 46 -

• Μειώνοντας τις δυνάμεις αδράνειας

• Ρυθμίζοντας το αξονικό διάκενο

4.3.3 Θραύση Ελατηρίων (Ring Breaking)

Ένα ελατήριο μπορεί να σπάσει, ακόμα και αν δεν έχει φθορές πριν την τοποθέτησή

του, για πολλούς λόγους [42,43]. Η θραύση ελατηρίου μπορεί να συμβεί από την μια

λόγω των περιθωρίων κατά την λειτουργία της μηχανής, όπως η κρουστική καύση σε

πετρελαιοκινητήρες και βενζινοκινητήρες, και από την άλλη λόγω των γεωμετρικών

συνθηκών, το διάκενο του ελατηρίου να είναι πολύ μικρό ή το αξονικό διάκενο να

είναι πολύ μεγάλο. Στις δίχρονες μηχανές μπορεί να συμβεί όταν το ελατήριο

χτυπήσει σε κάποια από τις θυρίδες, πολύ μικρές δια τομές ειδικά στα ελατήρια

λαδιού λόγω των σχισμών, ειδικά σχεδιασμένες αρθρώσεις κ.λπ.

Όπως και σε όλα τα φαινόμενα κατάγματος, θα πρέπει να διαχωρίζεται ένα κάταγμα

λόγω υψηλού φορτίου και ένα κάταγμα λόγω κόπωσης. Τυπικά ένα κάταγμα λόγω

κόπωσης συμβαίνει όταν ένα ελατήριο πιεστεί στο μέγιστο κλείσιμό του, περίπου 180

μοίρες από το διάκενο, συνδυασμένο με υπερβολική παλλόμενη ή κυκλική τάση

κάμψης. Παρόλα αυτά θραύσεις ελατηρίων, παράγοντας μικρά θραύσματα,

παρατηρούνται συχνά κοντά στο διάκενο. Επιπλέον είναι σημαντικό ειδικά στα

ελατήρια με επικάλυψη χρωμίου να λαμβάνεται υπόψη η ευαισθησία των εγκοπών

του υλικού, γιατί όπως είναι γνωστό στις εγκοπές δημιουργούνται υψηλές τάσεις.

Επίσης θα πρέπει να σημειωθεί ότι σε ένα υλικό κατασκευής όσο παχύτερη θα είναι η

επικάλυψη χρωμίου τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η εγκοπή που σχηματίζεται και

τόσο θα μειώνεται η αντοχή σε κόπωση του ελατηρίου.

Ενέργειες προς αποφυγή του φαινομένου θραύσης ελατηρίων:

• Αλλαγή του σχεδιασμού των ελατηρίων με μεγαλύτερη αντοχή στην κόπωση

o Χρήση άλλων υλικών κατασκευής με μεγαλύτερη αντοχή σε κάμψη

με το ίδιο ή όχι ανάλογο μέτρο ελαστικότητας,

o Χρήση άλλης επικάλυψης (υλικό, πάχος)

• Περιορισμό του αξονικού διακένου.

- 47 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΛΑΤΗΡΙΩΝ

ΕΜΒΟΛΟΥ

5.1 Παραδείγματα Πακέτων Ελατηρίων Εμβόλων

Ουσιαστικά ο σχεδιασμός των ελατηρίων εξαρτάται από τις απαιτήσεις της

απόδοσης. Αυτά με τη σειρά τους εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις τεχνικές και

εμπορικές συνθήκες στους τομείς επιβατηγών βενζινοκινητήρων, επιβατηγών και

φορτηγών πετρελαιοκινητήρων, και τις ανάγκες του πελάτη σε αυτόν τον τομέα.

Για κάθε ένα από τα τμήματα της αγοράς παρουσιάζονται τυπικοί σχεδιασμοί και

δίνονται στρατηγικές επίλυσης προβλημάτων.

Οι απαιτήσεις σχεδιασμού ελατηρίων εμβόλου για επιβατηγά και φορτηγά

καθορίζονται σύμφωνα με τις νομικές προδιαγραφές εκπομπών ρύπων. Αυτό

δημιουργεί την απαίτηση για εξαιρετικά χαμηλή διαφυγή αερίων και κατανάλωση

λαδιού και ύστερα από πολλές ώρες λειτουργίας.

5.1.1 Βενζινοκινητήρες επιβατηγών αυτοκινήτων

1ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Ορθογώνιο βαρελοειδές ελατήριο

Υλικό Κατασκευής: Χάλυβας με άζωτο

Αξονικό Πλάτος: 1 - 1,2 mm

2ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Κωνικό ελατήριο με νύχι

Υλικό Κατασκευής: Γκρι χυτοσίδηρος

Αξονικό Πλάτος: 1,2 - 1,75 mm

- 48 -

3ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Σύστημα MF

Υλικό Κατασκευής: Φαιός χυτοσίδηρος ή προφίλ χάλυβα, οι

επιφάνειες επαφής έχουν επικάλυψη αζώτου

Αξονικό Πλάτος: 2 - 2,5 mm

5.1.2 Πετρελαιοκινητήρες επιβατηγών αυτοκινήτων

1ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Ελατήριο με άνω εσωτερική φαλτσογωνιά

ή με σκαλοπάτι

Υλικό Κατασκευής: Οζώδης χυτοσίδηρος, οι επιφάνειες

επαφής έχουν επικάλυψη CKS για υψηλή αντίσταση στη

φθορά

Αξονικό Πλάτος: 1,75 - 3,5mm (εξαρτάται από τη διάμετρο

οπής, το φορτίο της πίεσης και τον τύπο ελατηρίου)

2ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Ελατήριο με κάτω εσωτερική φαλτσογωνιά

ή με σκαλοπάτι

Υλικό Κατασκευής: Κράμα γκρι χυτοσίδηρου με υψηλή

αντίσταση στη φθορά

Αξονικό Πλάτος: 2mm

- 49 -

3ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Αυλακωτό ελατήριο με σπειροειδές

ελατήριο στο εσωτερικό του, λοξές άκρες και επικάλυψη

χρωμίου στα σημεία επαφής του με το χιτώνιο

Υλικό Κατασκευής: Φαιός χυτοσίδηρος ή προφίλ χάλυβα, οι

επιφάνειες επαφής έχουν επικάλυψη χρωμίου ή αζώτου

Αξονικό Πλάτος: 2 – 3mm

5.1.3 Πετρελαιοκινητήρες φορτηγών

1ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Σφηνοειδές ελατήρια

Υλικό Κατασκευής: Οζώδης χυτοσίδηρος ή χάλυβας, οι

επιφάνειες επαφής έχουν επικάλυψη CKS για υψηλή

αντίσταση στη φθορά

Αξονικό Πλάτος: 2,5 – 4mm

2ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Κωνικό ελατήριο με νύχι

Υλικό Κατασκευής: Γκρι χυτοσίδηρος, οι επιφάνειες επαφής

έχουν επικάλυψη χρωμίου

Αξονικό Πλάτος: 2 - 3mm

- 50 -

3ο Αυλάκι:

Τύπος Ελατηρίου: Αυλακωτό ελατήριο με σπειροειδές

ελατήριο στο εσωτερικό του, λοξές άκρες και επικάλυψη

χρωμίου στα σημεία επαφής του με το χιτώνιο

Υλικό Κατασκευής: Φαιός χυτοσίδηρος ή προφίλ χάλυβα, οι

επιφάνειες επαφής έχουν επικάλυψη χρωμίου ή αζώτου

Αξονικό Πλάτος: 3 - 4mm

- 51 -

ΕΠΙΛΟΓΟΣ

Η χρήση των ελατηρίων εμβόλου είναι πολύ σημαντική για μια μηχανή λόγω της

λίπανσης που προσφέρουν και την μείωση της φθοράς μεταξύ της χιτωνίου και

εμβόλου. Παρόλα αυτά η φθορά δεν εξαλείφεται και γι’ αυτό γίνονται συνεχώς

βελτιώσεις πάνω σε αυτά. Συνοψίζοντας από τα παραπάνω αλλά και από

μακροχρόνια μελέτη των ειδικών πάνω στο θέμα των ελατηρίων προκύπτουν κάποια

συμπεράσματα και ενέργειες προς αποφυγή της ανεπιθύμητης φθοράς αλλά και τυχόν

προβλημάτων όσο αναφορά την λειτουργία της μηχανής.

Για αντοχή σε φθορά και γδαρσίματα (scuffing) κατάλληλες είναι οι επικαλύψεις των

επιφανειών επαφής αλλά και περιφερειακά με υλικά CKS, GDC, MKJet, PVD για

πετρελαιοκινητήρες και εναζώτωση για βενζινοκινητήρες. Αυτές οι επικαλύψεις

έχουν εξαιρετικά υψηλή αντίσταση στη φθορά. Επιπλέον, για αντιμετώπιση του

φαινομένου microwelding χρειάζεται βελτιστοποίηση της τραχύτητας στις πλευρές

του ελατηρίου με την χρήση κατάλληλης επεξεργασίας και βελτιστοποίηση της

επιφανειακής δομής χρησιμοποιώντας την διαδικασία CPS.

Σχετικά με τις λειτουργικές απαιτήσεις μια μηχανής όπως η μείωση της κατανάλωσης

του λαδιού και η αποτροπή διαφυγής των καυσαερίων χρειάζονται βελτιώσεις στη

γεωμετρία κυρίως των ελατηρίων. Με την χρήση ελατηρίων βαρελοειδούς επιφάνειας

επαφής με κλειστό διάκενο στο πρώτο ελατήριο μειώνοντας το πλάτος τους και

βελτιώνοντας τις εξωτερικές ακμές στον πυθμένα, αλλά και βελτιώνοντας τις έδρες

και τις οπές στα ελατήρια λαδιού ελαχιστοποιείται η κατανάλωση λαδιού και η

διαφυγή καυσαερίων προς τον στροφαλοθάλαμο.

Επιπλέον το φαινόμενο διαφυγής καυσαερίων και η κατανάλωση λαδιού

επηρεάζονται σημαντικά από παράγοντες όπως ο σχεδιασμός βάσεως της μηχανής

(engine block). Οι χαμηλές στρεβλώσεις σε πολλές περιπτώσεις επιτρέπουν στην

εφαπτομενική δύναμη να μειωθεί με αποτέλεσμα μειωμένη απώλεια τριβής χωρίς

δυσμενή επίδραση στην κατανάλωση λαδιού. Σε βάσεις αλουμινίου με χιτώνια από

γκρι χυτοσίδηρο, η ακεραιότητα δεσμού της βάσης και των υλικών του χιτωνίου είναι

πολύ σημαντική. Το τυπικό χάσμα που βρίσκεται μεταξύ βάσης και χιτωνίου

επηρεάζει αρνητικά την δυναμική απόδοση της μηχανής. Αν η βάση κατασκευάζεται

- 52 -

με χύτευση υψηλής πίεσης τότε η χρήση υβριδικών χιτωνίων (Εικόνες 12,13) (γκρι

σίδηρος ή χιτώνια αλουμινίου με εξωτερική επικάλυψη αλουμινίου) θα εξασφαλίσει

τη μέγιστη συγκόλληση της επένδυσης υλικού στη βάση ιδιαίτερα στην κρίσιμη

περιοχή του άνω νεκρού σημείου.

Τέλος, η απαίτηση για χαμηλότερα επίπεδα CO2 οδηγεί στην ανάγκη για επιπλέον

μείωση των απωλειών τριβής των ελατηρίων. Για να γίνει αυτό πρέπει να μειωθεί το

αξονικό πλάτος, το ακτινικό πάχος και κατά συνέπεια να αναπτύσσονται χαμηλότερες

εφαπτομενικές δυνάμεις. Παρόλα αυτά ταυτόχρονα θα πρέπει η αντοχή, η

κατανάλωση λαδιού και η ευκολία συναρμολόγησης να μην επηρεαστούν. Για

υψηλότερη αντοχή συνίσταται αλλαγή των ελατηρίων συμπίεσης από οζώδη

χυτοσίδηρο σε χάλυβα, και χρήση οζώδη χυτοσίδηρου ή χάλυβα στα ελατήρια

λαδιού.

Φυσικά οι φθορές και η σωστή λειτουργία της μηχανής εξαρτώνται από

αναρίθμητους παράγοντες και όχι μόνο από τα υλικά κατασκευής, τις επικαλύψεις και

την γεωμετρία των ελατηρίων. Η καλή ποιότητα καυσίμου και λιπαντικού είναι πολύ

σημαντικός παράγοντας όπως επίσης και η συντήρηση της μηχανής στις σωστές ώρες

λειτουργίας. Επαφίεται στην κρίση και στην σωστή πρακτική του κατασκευαστή, του

χρήστη και του συντηρητή τελικά η ορθή λειτουργία και η επιμήκυνση του χρόνου

ζωής της μηχανής.

Εικόνα 12: Υβριδικό Χιτώνιο Εικόνα 13: Χιτώνιο Γκρι Χυτοσίδηρου

Χωρίς Επικάλυψη

- 53 -

ΠΗΓΕΣ

[1] Dressel, U.: Kolbenringe als Dichtelemente in der Hydraulik Kolbenringe als

Wellenabdichtung Fachschrift K6 der Goetze AG, 1983

[2] Englisch, C.: Kolbenringe Bd. I und II Wien, Springer Verlag 1958

[3] Arnold, H. , Florin, F.: Zur Berechnung selbstspannender Kolbenringe von

konstanter Stärke Konstruktion 1 (1949), Nr. 9

[4] Mierbach, A.: Berechnung der Radialdruckverteilung von Kolbenringen in

verzogenen Zylinderbuchsen Fachschrift K 15 der Goetze AG, 1980

[5] Gintsburg, B. J.: Splitless-type Piston Rings Russian Engineering Journal,

Volume XLVIII, Nr. 7

[6] Müller, R.: Zur Frage des Formfüllvermögens von Kolbenringen in von der

Kreisform abweichenden Bohrungen gleicher Umfangslänge MTZ 31 (1970), Nr. 2

[7] Mierbach, A.: Radialdruckverteilung und Spannbandform eines Kolbenringes

MTZ 55 (1994), Nr. 2

[8] Jakobs, R.: Ein Beitrag zur Wirkungsweise von negativ vertwistenden

Minutenringen in der zweiten Nut von Pkw-Dieselmotoren Fachschrift K 41 der

Goetze AG, 1988

[9] Furuhama, S.; Ichikawa, H.: L-Ring Effect on Air-Cooled Two Stroke Gasoline

Engines SAE Paper 730188 (1973)

[10] McLean, D.H.; et al.: Development of Headland Ring and Piston for a Four-

Stroke Direct Injection Diesel Engine SAE Paper 860164 (1986)

[11] Jöhren, P.: Ölabstreifringe: Ein Vergleich bewährter und neuer

Ringkonstruktionen Fachschrift K 23 der Goetze AG, 1979

[12] Jakobs, R.: Einfluß von Ölringdesign und Ölringauslegung auf Ölverbrauch und

Reibung Fachschrift K 40 der Goetze AG, 1987

[13] Esser, J.: Einfluss von Ölabstreifringen auf den Ölverbrauch MTZ 63 (2002),

Nr. 7/8

[14] Furuhama, S.: A Study of the Oil Loss through the Piston Bulletin of JSME,

Vol. 6, No. 22, 1963

[15] Jöhren, P.: Beurteilung des Ölverbrauchsverhaltens von Hubkolbenmotoren bei

Instationärbetrieb Fachschrift K 45 der Goetze AG, 1987

[16] Iven, P.: Ölverbrauch von 4-Takt-Tauchkolbenmotoren Fachschrift K 18 der

- 54 -

Goetze AG, 1983

[17] Jöhren, P., Newman, B. A.: Evaluating the Oil Consumption Behaviour of

Reciprocating Engines in Transient Operation SAE Paper 880098 (1988)

[18] Bergmann, M., Röthig, J., Seibold, J., Zeuner, A.: Methode zur

Ölverbrauchsmessung durch Markierung mit radioaktivem Brom MTZ 58 (1997),

Nr.2

[19] Püffel, P. K.: Eine neue Methode zur schnellen und exakten

Ölverbrauchsmessung MTZ 60 (1999), Nr. 12

[20] Priebsch, H. H., Herbst, H. M.: Simulation des Einflusses von

Kolbenringparametern MTZ 60 (1999), Nr. 11

[21] Knoll, G., Lechtape-Grüter, R.: Rechnerische Simulation der Ölverbrauchs- und

Öltransportwege im Bereich Kolben-Kolbenring-Zylinder FVV Bericht, Heft 707,

2001

[22] Wölfle, M. et al.: Die neue Motorenbaureihe von Ford für den Einsatz in

Schwellenländern, Teil 2 MTZ 60 (1999), Nr. 12

[23] Ebner, H. W., Jaschek, A. O.: Die Blow-by-Messung ? Anforderungen und

Meßprinzipien MTZ 59 (1998), Nr. 2

[24] Dietrich, W. R.: Die Gemischbildung bei Gas- und Dieselmotoren sowie ihr

Einfluß auf die Schadstoffemissionen - Rückblick und Ausblick - Teil 1 und 2

MTZ 60 (1999), Nr. 1 und 2

[25] Robota, A., Zwein, F.: Einfluss der Zylinderlaufflächentopografie auf den

Ölverbrauch und die Partikelemissionen eines DI-TCI-Dieselmotors MTZ 60 (1999),

Nr. 4

[26] Plankert, H. W., Stecher, F.: Oberflächengestaltung von Kolbenringlaufflächen -

Ein Ergebnis tribologischer Untersuchungen Fachschrift K 24 der Goetze AG,

1979

[27] Gerve, A., Oechsner, H.: Tribomutation von Werkstoffoberflächen im

Motorenbau am Beispiel des Zylinderzwickels FVV Bericht, Heft R 497, 1998

[28] Wiemann, L.: Die Bildung von Brandspuren auf den Laufflächen der Paarung

Kolbenring-Zylinder in Verbrennungsmotoren MTZ 32 (1971), Nr. 2

[29] Wiemann, L., Oesterlee, R., Uetz, H.: Brandspuren und Honeinflüsse -

Untersuchungen zur Brandspurbildung in Verbrennungsmotoren FVV Bericht, Heft

112, 1970

[30] Grunow, F.: Schutz der Kolbennut durch Oberflächenbehandlung des

- 55 -

Kolbenrings Sonderausgabe von ATZ und MTZ : Werkstoffe im Automobilbau 98/99

[31] Ishaq, R.; Grunow, F.: Wege zur Optimierung des Reibsystems Kolbenring und

Ringnut. MTZ 60 (1999) 9

[32] Pischinger, S.: Verbrennungsmotoren, Band I und II Vorlesung an der RWTH

Aachen, 2001

[33] Kessen, U.: Tribologische Untersuchungen an der Kolbengruppe eines

Dieselmotors bei hohen Mitteldrücken Dissertation Universität Hannover, 1999

[34] Patir, N.; Cheng, H.S.: An Average Flow Model for Determining Effects of

Three-Dimensional Roughness on Partial Hydrodynamic Lubrication. Trans. of

ASME, Journal of Lubrication Technology, VOL 100, 1978

[35] Jakobs, R.: Zur Reibleistung der Kolbenringe bei Personenwagen-Ottomotoren

MTZ 49 (1988) 7/8

[36] Kornprobst, H., Woschni, G., Zeilinger, R.: Kolbenringbewegung FVV

Forschungsbericht Heft 405, 1987

[37] Lechtape, R., Knoll, G.: Kolbenringreibung II FVV Forschungsbericht Hefte

570-1 und 570-2, 1994

[38] N.N.: Piston Ring Dynamics and Lube Oil Consumption AVL Glide Version

4.3, User Manual, 2000

[39] Goetze AG: Flattern und Brechen von Kolbenringen Arbeitsgespräch November

1967 in Burscheid Sonderdruck der Goetze AG

[40] Dykes, P. et al.: Piston Ring Movement during Blow-by in High Speed Petrol

Engines Transact. Inst. Mech. Eng., Vol 2, 1947

[41] Steinbrenner, H.: Messungen zur Erfassung des Ringflatterns in schnellaufenden

Kolbenmaschinen MTZ 22 (1961), Nr. 7

[42] Jöhren, P.: Gestaltfestigkeitsuntersuchungen an Kolbenringen im Ottomotor

MTZ 43 (1982), Nr. 4

[43] Neuhäuser, H. J.: Zum Riß- und Ermüdungsverhalten hartverchromter

Kolbenringe - Ergebnisse der Schallemissionsanalyse und der

Gestaltfestigkeitsprüfung Fachschrift K 43 der Goetze AG, 1987

[44] Buran, U., Mader, C.; Morsbach, M.: Plasmaspritzschichten für Kolbenringe:

Stand und Einsatzmöglichkeiten Fachschrift K 35 der Goetze AG, 1983

[45] Herbst-Dederichs, C.: Grundlagen des thermischen Spritzens In: Handbuch der

thermischen Spritztechnik Hrsg.: E. Lugscheider DVS-Verlag, Düsseldorf, 2002

- 56 -

[46] Morsbach, M., Jöhren, P.: Praxisrelevante Verschleißermittlung an Kolbenring-

und Zylinderlaufflächen MTZ 52 (1991), Nr. 9