Z čeho se motor skládá?

Po mnoho desetiletí se motory vyráběly z nejběžnějších materiálů – oceli, litiny, mědi, bronzu, hliníku. Poměrně málo plastu, někdy jsou některé malé prvky, jako jsou karburátory, vyrobeny ze slitin hořčíku. V návaznosti na trend k lehkým konstrukcím a zvýšení výkonu při současném zlepšení ekologické složky se složení materiálů od té doby znatelně změnilo. Z čeho se dnes vyrábějí motory? Pojďme na to přijít.

Většina majitelů automobilů asi zná hlavní trend moderního automobilového průmyslu: zvyšování výkonu motoru při neustálém snižování jeho objemu a hmotnosti. Tajemství této kombinace spočívá mimo jiné v nových materiálech a designech. A samozřejmě pečlivé prostudování všech prvků pohonné jednotky, stejně jako již neskrývaná absence přebytečných (čti: nerentabilních) bezpečnostních rezerv.

Kupodivu všemožné nanotrubice a další high-tech, o kterých se neustále mluví v médiích, se ve skutečnosti téměř nikdy při výrobě motorů nepoužívají. Ve výrobních motorech jsou nejdražšími a nejsložitějšími materiály nikl-silikonové povlaky, kovokeramický kompozit (např. u Hondy známý jako FRM), různé polymer-uhlíkové kompozice a titanové slitiny, které se postupně objevují i ​​ve sériových motorech. jako slitiny s vysokým obsahem niklu, jako je Inconel. Obecně zůstává stavba motorů velmi konzervativní oblastí strojírenství, kde odvážné experimenty v hromadné výrobě nejsou vítány.

Pokrok je zajištěn především „jemným laděním“ a používáním dlouho známých technologií při jejich zlevňování. Převážnou část sériových jednotek tvoří především litina, ocel a hliníkové slitiny – vlastně nejlevnější materiály ve strojírenství. Stále však existuje prostor pro nové technologie.

Největší částí každého motoru je blok válců. Je nejtěžší. Po mnoho desetiletí sloužila litina jako hlavní materiál pro bloky. Je poměrně odolný, dobře se tvaruje do jakéhokoli tvaru a jeho ošetřené povrchy jsou vysoce odolné proti opotřebení. Ve výčtu výhod nechybí ani nízká cena. Moderní motory s malým objemem jsou stále vyráběny z litiny a je nepravděpodobné, že průmysl v blízké budoucnosti zcela opustí tento materiál.

Hlavním úkolem při zdokonalování litinových slitin je udržení vysoké povrchové tvrdosti při současném zlepšování jejích pomocných vlastností, jinak to může vést k nutnosti použití litinových vložek pro blok válců vyrobených ze slitiny odolnější proti opotřebení. Dělá se to občas, ale hlavně na motorech nákladních automobilů, kde je tato technologie finančně opodstatněná.

Hliník se také jako blokový materiál používá velmi dlouho a je zdokonalován přibližně ve stejném směru. Snahy jsou zaměřeny především na zlepšení jeho zpracovatelských schopností, snížení koeficientu roztažnosti při zachování potřebné tažnosti materiálu a zvýšení potřebných aspektů pevnosti slitin.

Vyvíjejí se také technologie pro využití nízkočistého recyklovaného hliníku. Pro takové slitiny se používají jiné technologie než odlévání a je trendem vyrábět bloky válců kompaktnějších motorů z hliníku. Například motor Volkswagen řady EA211 má dnes hliníkový blok, který se ukazuje být o 40 % lehčí než litina.

Slitiny hořčíku jsou mnohem méně populární. Jsou lehčí než hliník, ale mají výrazně nižší odolnost proti korozi a nesnesou kontakt s horkou chladicí kapalinou nebo spojovacími prvky z vysokoteplotní oceli. Například u bloků řadových šestiválcových motorů BMW řady N52 a N53 je pouze vnější část bloku, „plášť“ chladicího systému, vyrobena ze slitiny hořčíku. U relativně dlouhého bloku šestiválcového motoru to dává nárůst hmotnosti asi o 10 kg ve srovnání s celohliníkovým provedením. Slitiny hořčíku se používají také pro klikové skříně motorů s odnímatelnými válci. Jedná se především o motocyklové motory.

Součásti motoru

Pokud nové technologie a materiály nejsou obecně k největší části motoru příliš přátelské, pak jsou možná především zajímavá překvapení. Vložky válců jakéhokoli bloku jsou místem aplikace všech nejnovějších technologií a materiálů. Vysokopevnostní litina, metody povrchového kalení hliníkových vysokokřemíkových slitin, galvanické povlaky na bázi slitiny karbidu křemíku s niklem, kovokeramické matrice a ocelové nástřiky mají široké uplatnění i na sériových motorech. Nebudeme mluvit o litině a hliníku s vysokým obsahem křemíku, nicméně samotné technologie jsou nejen staré, ale také rozšířené. Ale je lepší mluvit o zbytku materiálů trochu podrobněji.

Objímky z tvrzené litiny technologií CGI (Compacted Graphite Iron) zřejmě implementoval extrémně vysoký stupeň posílení v dieselových motorech. Tato litina se velmi liší od běžné šedé litiny. Má o 75 % vyšší pevnost v tahu, o 40 % vyšší modul pružnosti a je dvakrát odolnější vůči střídavému zatížení. A jeho relativně nízká cena a pevnost umožňují vytvářet litinové bloky o hmotnosti menší než hliníkové. Ale jeho použití je omezeno hlavně na vložky a klikové hřídele. Objímky jsou velmi tenké, tepelně vodivé a přitom stejně technologicky vyspělé a spolehlivé jako běžné litinové objímky. A klikové hřídele konkurují pevností kovaným ocelovým za znatelně nižší náklady.

Pokrytí technologií Nicasil, obecně není neobvyklé a není ani zdaleka nové, ale zůstává jedním z nejmodernějších a nejslibnějších ve svém oboru. Byl vynalezen již v roce 1967 pro motory s rotačními písty a dokázal zazářit v masovém automobilovém průmyslu. Porsche ho používá na vložky válců od 1970. let a v 1990. letech se ho snažilo použít i na sériověji vyráběné motory, například v BMW a Jaguaru, ale nedostatky techniky a vysoká cena od něj donutily upustit. ve prospěch levnějších metod povrchového kalení slitin s vysokým obsahem křemíku, např. pomocí technologie Alusil.

Pravděpodobnějším důvodem selhání jsou navíc právě zvýšené náklady na bloky válců s tímto povlakem, spojené s nízkou vyrobitelností procesu galvanického nanášení a vysokým procentem vad, které nejsou okamžitě zjištěny a které byly následně úspěšně připisovány vysokým – sírový benzín.

Tento povlak však stále zůstává nejlepší volbou pro vytvoření pracovní plochy v jakémkoli měkkém kovu, proto se pod různými obchodními názvy používá v hromadné a zejména závodní konstrukci motorů. Například pod značkou SCEM v motorech Suzuki. Jeho nevýhody se týkají především velmi vysokých nákladů na zpracování a špatné adaptability na sériovou výrobu při použití s ​​velkými víceválcovými bloky.

Kovovo-keramická matrice (MMC), lépe známý jako FRM u motorů Honda, je dalším originálním a zajímavým materiálem. Například motor v superautu NSX měl vložky vyrobené pomocí této technologie. Technologie opět není zdaleka nová, ale stejně jako materiál je velmi perspektivní. Povlak typu Nicasil patří také k MMC, ale musí být aplikován galvanickou metodou a jako matrice působí poměrně tvrdý nikl.

V technologii FRM je materiál matrice hliník a MMC se získává nalitím pouzdra z vláknitého materiálu na bázi uhlíkových vláken do hliníkového bloku. Použití uhlíkových vláken je technologicky vyspělejší. Kromě toho se matrice ukazuje jako mnohem silnější, trochu měkčí, mnohem elastičtější a zcela integrovaná do materiálu bloku. Peeling, jak se stalo s Nicasilem, je prostě nemožný. Díky struktuře materiálu se téměř nebojí oděru a místního poškození a v případě opotřebení může být válec vyvrtán kvůli velké rezervě tloušťky.

Tento typ krytí má také nevýhody. Za prvé značná cena a za druhé drsný přístup k pístním kroužkům, protože jejich struktura je špatně „nastavitelná“. Neexistuje způsob, jak vytvořit plnohodnotnou síť honování, nicméně olej se ve vláknech i tak dobře drží. Okraje vláken jsou velmi tvrdé a i supertvrdé kroužky mají omezenou životnost a píst v místech styku se při sebemenším házení intenzivně opotřebovává, což znamená použití pístů s minimální vůlí a velmi krátkou obrubou. Nátěr je navíc velmi odolný vůči oleji. V důsledku toho motory neustále vykazovaly zvýšenou spotřebu oleje, což jim v určité fázi neumožňovalo splnit přísné ekologické požadavky.

Nyní však tento problém již není relevantní; nové katalyzátory a nové generace olejů s nízkým obsahem popela vám umožňují se o to nestarat. A samozřejmě cena nanesení povlaku tohoto typu je znatelně vyšší než u alusilových nebo litinových manžet, ale stále nižší než u materiálů podobných Nicasilu.

Povlaky MMC různých typů se také používají v řadě částí motoru. Například u sedel ventilů v hlavě válců, zpevnění vnějších lůžek vačkových hřídelů, zejména zatížených míst, kde jsou upevněny konstrukční prvky. To umožňuje široké využití celohliníkových dílů a snížení hmotnosti konstrukce díky zjednodušení. Některé části motoru mohou mít velké součásti MMC, jako jsou ventily. Ale to je stále spousta nesériových návrhů.

slitiny titanu Již delší dobu se ho snaží využít i v konstrukci strojů. V motorech má tento pevný, lehký a vysoce pružný materiál s vynikající chemickou odolností velmi omezené použití kvůli své vysoké ceně. Můžete ale najít sériové provedení s titanovými díly. Titanové ojnice se například dlouhodobě montují do motorů Ferrari a tuningové divize AMG. Titan je také dobrou volbou pro pružiny, podložky, vahadla a další rozvodové prvky, části výměníků EGR a také různé spojovací prvky. Kromě toho se používá k výrobě provozních dílů pro vysoce výkonné turbíny a někdy k výrobě ventilů a dokonce i pístů.

Teoreticky lze v motorech použít díly vyrobené ze slitin titanu s vysokým obsahem křemíku s vysokým obsahem intermetalických sloučenin a sicilidů, ale u většiny slitin titanu dochází k vážné ztrátě pevnosti již při teplotách nad 300 stupňů – změna tažnosti v širokém rozsahu a velký koeficient roztažnosti, který z nich neumožňuje vyrobit odolné díly. 3D tisk ze slitin titanu má omezené použití při výrobě motorů, například pro vytváření výfukových systémů na sportovních autech.

Ale krytiny jsou z nitrid titanu – jeden z nejoblíbenějších prostředků pro kalení pístních kroužků. Tento materiál funguje skvěle na vložkách válců vyztužených silikonem. Používá se také jako sprej na zkosení hran ventilů včetně titanových, na konce tlačníků ventilového mechanismu a dalších součástí motoru. Od 1990. let XNUMX. století se používání této metody kalení neustále zvyšuje a nahrazuje chromování, nitridaci a vysokofrekvenční kalení. Nitrid titanu je také slibným typem povlaku pro vložky válců: lze jej aplikovat metodou PA-CVD (plasma chemical vapor deposition), což znamená, že tyto technologie mohou být v blízké budoucnosti komerčně dostupné, pokud bude poptávka po nových povlaky válců odolné proti opotřebení.

Již zmíněný 3D tisk je také aktivně využíván k vytváření vysoce pevných a vysoce přesných tepelně odolných dílů ze slitiny Inconel. Tato rodina nikl-chromových žáruvzdorných slitin má dlouhou historii výroby výfukových ventilů, horních kompresních kroužků, pružin a dokonce výfukových potrubí, skříní turbín a upevňovacích prvků pro vysokoteplotní aplikace.

V posledních letech, díky rozvoji technologií 3D tisku a aktivnímu využívání slitin Inconel v nich, získávají malé spalovací motory stále častěji díly z tohoto velmi perspektivního materiálu. Provozní rozsah dílů z něj vyrobených je nejméně o 150–200 stupňů vyšší než u nejvíce žáruvzdorných ocelí a dosahuje 1200 stupňů. Jako výztužný materiál jsou slitiny Inconel komerčně používány již poměrně dlouho, např. u motorů Mercedes-Benz je povlak Inconel používán u motorů řady M272/M273.

Plasty jsou také nadále zaváděny do konstrukcí motorů. Prvky sacího a chladicího systému z plastu jsou již samozřejmostí. Ale další rozšiřování sortimentu olejivzdorných a žáruvzdorných plastů s nízkou deformací umožnilo vytvořit plastové klikové skříně spalovacích motorů, víka ventilů, vedení a pouzdra malých konstrukcí uvnitř motoru. Veřejnosti již byly představeny koncepty motorů s blokem válců vyrobeným z plastu, nebo spíše z polymer-uhlíkových kompozic. S o něco nižší pevností než u lehkých slitin je plast levnější na výrobu a mnohem lépe se zpracovává.

Jaký je výsledek?

Studium problematiky použitelnosti materiálů při stavbě motorů ukazuje jasný směr: pro snížení hmotnosti a zlepšení dalších charakteristik není použití některých supermateriálů buď zvlášť vyžadováno, nebo je z principu nemožné kvůli fyzikálním a chemickým vlastnostem. Vývoj technologií jde evoluční cestou – zdokonalování výroby samotné i tradičních materiálů, reorganizace pracovního procesu a optimalizace designu. Ani ve střednědobém horizontu se tedy pravděpodobně nedočkáme revoluce ve výrobě spalovacích motorů, spíše se budeme bavit o postupném opouštění tohoto typu motorů v zásadě ve prospěch elektrických technologií, i když k tomu nedošlo; přesto tam došlo k rychlému technologickému průlomu.