A dugattyú igénybevétele, szerkezeti kialakítása

A dugattyú az égéstér mozgó határoló elemét képezi. A hengerperselyben végez alternáló mozgást a forgattyús mechanizmus törvényszerűségei szerint. Feladata az égéstér lezárásán kívül a gázerők továbbítása a forgattyús hajtómű felé. Az égéstér tökéletes lezárását, tömítését a forgattyúház tere felé tartozékai, a dugattyúgyűrűk végzik. Az erőátadás közbenső eleme a dugattyú és a hajtórúd kö-zött a dugattyúcsapszeg. Az égéstérben felszabaduló hőmennyiségnek kb. 20-35 százaléka a hűtő-közegbe távozik az égésteret határoló szerkezeti elemeken keresztül. Az így eltávozó hőmennyiség-nek harmada-fele a dugattyún keresztül halad. Ez a tekintélyes nagyságú hőáram elsősorban a du-gattyúgyűrűkön keresztül a hengerperselybe távozik. Az olajlehúzó dugattyúűrűk a hengerfalon le-vő olajat nem engedik bejutni az égéstérbe. A fenti feladatokhoz járul még 2-ütemű motorok eseté-ben a gázcserefolyamat vezérlése, részeseté-ben vagy teljes egészéeseté-ben.

A dugattyú a belsőégésű motor egyik legjobban igénybevett alkatrésze. Üzemviszonyaira nagy mechanikai terhelés és nagy termikus igénybevétel jellemzőek. Ugyanakkor csúszófelületein gyak-ran kedvezőtlen, vagy meg nem felelő kenési viszonyok mellett, nagy siklási sebességek lépnek fel.

A fenti igénybevételekből következnek azok a jellemzők, követelmények, amelyeket a dugattyú üzemének zavartalan biztosítása érdekében az alkalmazott anyagokkal szemben kell támasztani.

Ezek az alábbiak:

- nagy mechanikai szilárdság, az üzemi hőmérsékleten is;

- kismértékű fajlagos deformáció; bizonyos határok felett a deformáció nehezen számítható járu-lékos igénybevételeket okoz;

- kis fajlagos sűrűség, a fellépő tömegerők csökkentése érdekében;

- kis hőtágulási együttható; ennek a dugattyú és a hengerpersely közötti játék szempontjából van jelentősége;

- kopásállóság;

- jó szükségfutási képesség;

- kedvező meleg- és hidegtechnológiai tulajdonságok;

- alacsony előállítási költségek.

Olyan anyag, amely valamennyi fenti követelményt kielégítené, nincs. A belsőégésű motorok fejlő-dése során az öntöttvas és a könnyűfém dugattyúanyagok váltak be. (Ezek anyagjellemzőinek felso-rolására és összehasonlítására a későbbiekben még visszatérünk.) Az öntöttvasból készült dugattyúk jelentősen nagyobb fajlagos sűrűségük miatt nagyobb tömegerőket okoznak.

7. A FORGATTYÚS HAJTÓMŰ 185

A választott anyag nagymértékben meghatározza a dugattyú szerkezeti kialakítását. A vasúti dízel-motorok dugattyúinak anyaga leggyakrabban a könnyűfém; de számos motortípust gyártanak ön-töttvas vagy öntött acél dugattyúval, valamint ún. épített dugattyúval.

7.54. ábra. Könnyűfém dugattyú általános felépítése

Könnyűfém dugattyú általános felépítését mutatja a 7.54. ábra. A dugattyú egyes részeinek viszony-lagos méreteit az átmérő függvényében szokás megadni. Az értékek tájékoztató jellegűek és 100-200 mm átmérőjű dugattyúkra vonatkoznak:

A dugattyútető alakját az égéstér szabja meg, falvastagságát egyenletesen terhelt köralakú befogott lemezként határozzuk meg:

m eg

b p

D





 

 4

max 2

(mm) ahol pmax (MPa) a maximális gáznyomás,

ζmeg (MPa) a megengedhető feszültség. Értéke könnyűfém dugattyúknál 40-60 MPa.

Az alkalmazott kompresszió dugattyúgyűrűk száma 3, ha D < 135 mm,

3-4, ha 135 < D < 175 mm, 4-5, ha D > 175 mm.

Általában két olajlehúzó gyűrűt használnak. Az olajlehúzó gyűrűk mögül az olajat kis furatokon ke-resztül vezetik el a dugattyú belsejébe.

A dugattyúcsapszeget hosszirányban Seeger-, vagy rugós gyűrűvel biztosítják. A csapszeg l hosszú-ságát szerkesztéssel kell meghatározni, közelítőleg l = 0,9 D. A dugattyúszemben a megengedhető felületi nyomás 35-50 MPa értékű.

A palást alsó részén kissé megnövelik a falvastagságot. Itt képezik ki a megmunkáláshoz szükséges bázisfelületet, valamint innen munkálják le a „súlyrahozáskor” feleslegesnek mutatkozó anyag-mennyiséget.

(7.71)

A dugattyú formai kialakítását szilárdsági követelmények és a hőelvezetés szempontjai határozzák meg. Fontos, hogy a csapszegszemet a dugattyútetővel bordák, vagy még inkább tömör támasztóláb kösse össze. Így az erővezetés irányában megfelelő keresztmetszeteket lehet kialakítani. A dugaty-tyútetőt belső oldalán szokás bordákkal ellátni. Ezek szerepe a tető merevítésén kívül a hőátadó fe-lület növelésében van. Merevítés szempontjából a keresztbordázás kedvezőbb a radiális bordaelren-dezésnél.

A dugattyútető tetemes termikus igénybevétele miatt a nagy fajlagos teljesítményű motoroknál a te-tőrészt acélból készítik és csavarokkal erősítik a könnyűfém palástrészhez. Erre mutat példát a 7.55.

ábra (D = 160 mm). A tetőrész és az alsó támasztórész közötti körgyűrű alakú üregbe a hajtórúdon keresztül vezetik fel és kis csövecske segítségével fecskendezik be a hűtőolajat. Az üregben az olaj eltávozása előtt ide-oda rázódik, a tetőbe beáramlott hőmennyiség jelentős részét az olaj vezeti el.

Ezzel a dugattyúgyűrűk felé áramló hőmennyiség csökken, a gyűrűzóna hőmérséklete alacsonyabb lesz. A legfelső dugattyúgyűrű hornya az acél tetőrészbe van bemunkálva, így a horony kiverődése csökkenthető.

7.55. ábra. Acél tetőrésszel és könnyűfém palástrésszel épített dugattyú

A dugattyútetőbe beáramlott hőmennyiség nagy része egyszerű dugattyúfelépítés esetében a gyűrű-zónán keresztül adódik át a hengerperselynek. Ilyen esetben a tetőt nagy átmeneti keresztmetszettel kell a dugattyúpalásthoz csatlakoztatni. Ha a tető alsó részét nem hűtik olajjal, akkor a hőmennyi-ségnek kb. 10 százaléka távozik sugárzással és légcirkuláció útján a forgattyúház tere felé. A hajtó-rúdon felvezetett szórt kenőolajhűtés esetén ez az arány növekszik. Az English Electric RK típusú vasúti dízelmotorja dugattyújának (D = 254 mm) hőmérsékleti viszonyait mutatja a 7.56. ábra, szórt kenőolajhűtés esetére. Az ábrán fel vannak tüntetve az állandó hőmérsékletű pontokat összekötő vonalak, az izotermák. A hőáramlás iránya az izotermákra merőleges. Ugyancsak be vannak jelölve az egyes zónákon elvezetett hőmennyiségek részarányai is. A legfelső gyűrűhorony környezete be-öntött kopásálló Ni-Resist anyagból készült.

7. A FORGATTYÚS HAJTÓMŰ 187

7.56. ábra. English Electric RK típusú vasúti dízelmotor dugattyújának hőmérsékleti viszonyai

Szóró-olajozásra mutat példát a 7.57. ábra. A felfecskendezett olaj nem hullik rögtön vissza, hanem a dugattyútető alatt kiképzett térrészben rázódik a 7.58. ábrán mutatott megoldásnál (lásd a 7.55. áb-rát is). Ez az ún. shakerhatás.

7.57. ábra. A dugattyútető belső felületének szóró-olajozása

7.58. ábra. A dugattyútető belső felületének olajozása a shakerhatás felhasználásával

Tovább növelhető az olaj hűtőhatása, ha azt a dugattyútető alatt beépített, vagy beöntött körkörös csatornarendszerben nagy sebességgel áramoltatják. Erre mutat példát a 7.59. ábra. Ezeknél a kivi-teleknél nehéz feladat az olaj feljuttatása az alternáló mozgást végző dugattyúba. A megoldást gyak-ran teleszkópos csőrendszer alkalmazása adja. A beépített körkörös hűtőrendszer segítségével a hőáram irányítható és a gyűrűzónától elterelhető.

7.59. ábra. A dugattyútető hűtése beépített körkörös csatornarendszerben áramoltatott kenőolajjal

Az M61 sorozatú mozdonyokba beépített GMC 16-567 D1 típusú 2-ütemű dízelmotor dugattyúját mutatja a 7.60. ábra. A dugattyú (átmérője D = 215,9 mm) kétrészes felépítésű. A gyűrűket hordozó öntöttvas palást acél tartóelemre támaszkodik fel. A dugattyútető kialakítása olyan, hogy a gyűrű-zónába szűk keresztmetszet, „hőgát” akadályozza meg a hő átáramlását.

A 7.61. ábra a 14D-40 típusú kétütemű vasúti dízelmotor dugattyújának felépítését mutatja. A du-gattyú hűtésére szolgáló kenőolajat a hajtórúd szárában végighaladó furaton keresztül vezetik fel. A dugattyú fejrészből, palástból és tartórészből áll. Az acélból készült fejrész hordozza a négy kompressziógyűrűt. Az ötvözött öntöttvasból készített kompressziógyűrűk hengerrel érintkező felü-letén bronz betét van, ezenkívül a gyűrűk felülete a futási tulajdonságok javítása céljából vékony ónréteggel van bevonva. A dugattyú palástja perlites öntöttvasból készül, a palástot a futási és szük-ségfutási tulajdonságok javítása céljából szintén vékony ónréteggel vonják be. A palást alsó részén helyezkedik el a két olajlehúzó gyűrű. A dugattyú tartórész (betét) könnyűfém ötvözetből készül, ebben van az üreges kiképzésű, „úszó” típusú ötvözött acél dugattyúcsapszeg ágyazva.

7. A FORGATTYÚS HAJTÓMŰ 189

7.60. ábra. A GMC 16-567D1 típusú kétütemű vasúti dízelmotor dugattyújának felépítése Az előzőeket összefoglalva, megállapíthatjuk, hogy a dugattyú hőterhelését az alábbi módszerekkel lehet csökkenteni:

- kiegyenlített hőmérsékleteloszlással, - szerkezeti felépítés segítségével, - hűtéssel,

- hőgátak létrehozásával.

Ezt a célt szolgálják azok az eljárások is, amelyek során a dugattyútetőre igen vékony keramikus ré-teget visznek fel. A keramikus réteg rossz hővezető lévén, nem engedi, vagy gátolja a hőmennyiség egy részének a dugattyúba való beáramlását.

7.61. ábra. A 14D-40 típusú kétütemű vasúti dízelmotor dugattyújának felépítése

A választott égéstér nemcsak a dugattyútető formai kialakítását, hanem a hőmérsékletszinteket és -eloszlást is befolyásolja. Erre találunk adatokat a [35] közleményben. Az M.A.N. cég D = 220 mm furatú egyhengeres kísérleti motorjába beépített dugattyúja tetőrészének hőmérsékletét meghatároz-ták előkamrás égéstér és közvetlen befecskendezés esetén. A mért értékeket a 7.62. ábra mutatja.

Közvetlen befecskendezésű égéstérrel 20-110 C°-kal alacsonyabb hőmérsékleteket kaptak.

7.62. ábra. Dugattyútető hőmérsékletek előkamrás égéstér és közvetlen befecskendezés esetén

A 7.63. ábra a könnyűfém dugattyúk különböző pontjain mért átlagos üzemi hőmérsékleteket mu-tatja 4-ütemű dízel és Otto-motorok esetében.

7.63. ábra. Könnyűfém dugattyúk különböző pontjain mért átlagos üzemi hőmérsékletek négyütemű dízel- és Otto-motorok esetében