Rodzaje i typy materiałów stosowanych przy produkcji silników Diesla

Rodzaje i typy materiałów stosowanych przy produkcji silników Diesla

Silniki Diesla to jednostki napędowe wykorzystujące samozapłon mieszanki paliwowo-powietrznej pod wpływem wysokiej temperatury generowanej przez sprężanie powietrza w cylindrze. Charakteryzują się wysoką sprawnością cieplną i momentem obrotowym, co czyni je popularnym wyborem w pojazdach użytkowych, maszynach rolniczych oraz okrętach.

Ze względu na specyfikę pracy silników Diesla, materiały stosowane w ich produkcji muszą spełniać rygorystyczne wymagania. Kluczowe właściwości, jakie powinny posiadać, obejmują:

• Odporność na wysokie temperatury – elementy silnika, takie jak tłoki i komora spalania, są narażone na temperatury sięgające nawet 600°C.
• Wytrzymałość na wysokie ciśnienie – podczas spalania paliwa ciśnienie w cylindrze może osiągać poziomy rzędu 180–200 barów, co wymaga zastosowania materiałów o dużej odporności mechanicznej.
• Trwałość i odporność na zużycie – elementy podlegające ciągłemu tarciu, takie jak wały korbowe, panewki czy tłoki, muszą być odporne na ścieranie i pitting.
• Odporność na korozję – silniki Diesla pracują w warunkach narażonych na agresywne związki chemiczne pochodzące ze spalania paliwa, co wymaga stosowania materiałów odpornych na korozję wysokotemperaturową i chemiczną.

Żeliwo

Rodzaje stosowanego żeliwa:

• Żeliwo szare (EN-GJL-250) – charakteryzuje się dobrą obrabialnością oraz właściwościami tłumiącymi drgania, wynikającymi z obecności grafitu w strukturze.
• Żeliwo sferoidalne (EN-GJS-400, EN-GJS-500) – posiada wyższą wytrzymałość mechaniczną i udarność w porównaniu do żeliwa szarego dzięki grafitowi w formie sferoidalnej, co poprawia także jego odporność na pękanie.

Zastosowania:

• Blok silnika – żeliwo jest stosowane ze względu na wysoką stabilność wymiarową, odporność na obciążenia termiczne i tłumienie drgań.
• Głowica cylindrów – wykorzystywana w konstrukcji głowic silników Diesla ze względu na odporność na wysoką temperaturę i ciśnienie, jakie panują w komorze spalania.

Właściwości:

• Odporność na ścieranie i wysoką temperaturę – kluczowa w elementach silnika narażonych na intensywne tarcie i wysokie temperatury spalin.
• Tłumienie drgań – struktura grafitu obecna w żeliwie skutecznie redukuje drgania, co przekłada się na cichszą pracę silnika i mniejsze zużycie komponentów.

Aluminium i jego stopy

Stopy aluminium:

• AlSi9Cu3 – stop aluminium z dodatkiem krzemu (Si) i miedzi (Cu), stosowany głównie w produkcji tłoków oraz obudów silników ze względu na dobrą wytrzymałość mechaniczną i właściwości odlewnicze.
• AlSi12 – stop aluminium o wysokiej zawartości krzemu, charakteryzujący się dobrą przewodnością cieplną i odpornością na wysokie temperatury, stosowany w tłokach oraz komponentach narażonych na intensywne nagrzewanie.

Zastosowanie:

• Redukcja masy silnika – aluminium jest znacznie lżejsze od żeliwa, co umożliwia zmniejszenie masy całkowitej silnika, co jest kluczowe w pojazdach użytkowych oraz sportowych.
• Dobra przewodność cieplna – stopy aluminium efektywnie odprowadzają ciepło, co minimalizuje ryzyko przegrzewania się komponentów silnika, takich jak tłoki.

Ograniczenia:

• Niższa odporność na ścieranie w porównaniu do żeliwa – aluminium, mimo zalet termicznych i niskiej masy, wykazuje mniejszą odporność na ścieranie, co ogranicza jego zastosowanie w elementach o wysokim stopniu tarcia, chyba że zostanie dodatkowo wzmocnione powłokami ochronnymi lub obróbką powierzchniową.

Stale stopowe i nierdzewne

Stale konstrukcyjne:

• 42CrMo4 (1.7225) – stal chromowo-molibdenowa o wysokiej wytrzymałości i twardości, stosowana w wałach korbowych i korbowodach. Charakteryzuje się dobrą hartownością, odpornością na obciążenia dynamiczne oraz właściwościami zmęczeniowymi, co czyni ją odpowiednią do elementów narażonych na cykliczne naprężenia.
• 36CrNiMo4, 1.6511– stal chromowo-niklowo-molibdenowa o wysokiej wytrzymałości, stosowana w wałach korbowych oraz wysoko obciążonych elementach silnika. Dzięki zawartości niklu charakteryzuje się wyjątkową odpornością na pękanie i wysoką udarnością, co sprawia, że jest idealna do pracy w ekstremalnych warunkach mechanicznych.

Stale nierdzewne:

• AISI 304 (1.4301) – stal austenityczna, wykorzystywana w elementach układu wydechowego ze względu na wysoką odporność na korozję i działanie wysokich temperatur. Jest często używana w rurach wydechowych oraz kolektorach spalin.
• AISI 316 (1.4401) – stal nierdzewna z dodatkiem molibdenu, cechująca się jeszcze większą odpornością na korozję w agresywnych środowiskach chemicznych, w tym na działanie soli i kwasów. Znajduje zastosowanie w turbosprężarkach, szczególnie w układach o wysokim stopniu doładowania, gdzie wymagane jest połączenie odporności na ciepło i agresywne spaliny.

Zalety:

• Wysoka wytrzymałość mechaniczna – stale stopowe, takie jak 42CrMo4 i 36CrNiMo4, 1.6511, charakteryzują się dużą nośnością i odpornością na odkształcenia pod wpływem wysokich obciążeń dynamicznych.
• Odporność na korozję – stale nierdzewne, zwłaszcza AISI 304 i AISI 316, skutecznie chronią komponenty silnika przed szkodliwym działaniem czynników zewnętrznych, takich jak wilgoć, spaliny oraz substancje chemiczne.

Zastosowania:

• Wały korbowe i korbowody – wymagają wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej, co zapewniają stale konstrukcyjne o dużej twardości i hartowności.
• Elementy układu wydechowego – rury i kolektory spalin z stali nierdzewnej zapewniają odporność na korozję i wysoką temperaturę, co przedłuża ich żywotność.
• Turbosprężarki – stale nierdzewne odporne na działanie wysokich temperatur i spalin stosuje się w korpusach oraz wirnikach turbosprężarek.

Stopy tytanu

Charakterystyka:

• Niska masa, wysoka wytrzymałość – stopy tytanu charakteryzują się wyjątkowo korzystnym stosunkiem wytrzymałości do masy, co pozwala na redukcję masy komponentów bez utraty ich trwałości. Tytan posiada także dobrą odporność na korozję, co zwiększa trwałość elementów pracujących w trudnych warunkach.

Zastosowanie:

• Zawory w sportowych i wyczynowych silnikach Diesla – dzięki niskiej masie zawory tytanowe pozwalają na zwiększenie prędkości obrotowej silnika i poprawę jego osiągów, jednocześnie zachowując odporność na wysokie temperatury i ciśnienie w komorze spalania.

Wady:

• Wysoki koszt produkcji – skomplikowany proces wydobycia i obróbki tytanu sprawia, że jego wykorzystanie jest ograniczone do zastosowań specjalistycznych, takich jak silniki sportowe lub lotnicze.

Stopy miedzi i brązy

Rodzaje:

• Brąz aluminiowy – stop miedzi z dodatkiem aluminium, charakteryzujący się podwyższoną odpornością na korozję i ścieranie, często stosowany w elementach narażonych na tarcie.
• CuSn12 (brąz cynowy) – stop miedzi z cyną, znany z bardzo dobrych właściwości ślizgowych oraz wysokiej odporności na zużycie, wykorzystywany w łożyskach i tulejach.

Zastosowania:

• Tuleje i panewki – elementy pracujące w ruchu obrotowym, gdzie kluczowe jest minimalizowanie tarcia oraz zużycia.
• Łożyska ślizgowe – stosowane w wałach korbowych i innych elementach obrotowych, zapewniające cichą i efektywną pracę.

Właściwości:

• Doskonałe właściwości ślizgowe – stopy miedzi minimalizują tarcie między współpracującymi elementami, co zmniejsza zużycie i poprawia efektywność pracy silnika.
• Odporność na zużycie – brązy, dzięki swojej strukturze, są odporne na ścieranie, co zwiększa trwałość elementów, nawet w warunkach intensywnej eksploatacji.

Kompozyty i materiały ceramiczne

Ceramika inżynierska:

• Tlenek cyrkonu (ZrO₂) – zaawansowany materiał ceramiczny o wyjątkowej odporności na wysokie temperatury i właściwościach izolacyjnych. Jest stosowany w komponentach, takich jak końcówki wtryskiwaczy paliwa oraz izolatory cieplne w układach spalania, gdzie kluczowa jest minimalizacja strat cieplnych i odporność na ekstremalne warunki pracy.

Kompozyty:

• Włókna węglowe – materiał kompozytowy o bardzo niskiej masie i wysokiej wytrzymałości, stosowany w układach wydechowych wysokiej wydajności, głównie w pojazdach sportowych i wyścigowych. Dzięki odporności na wysokie temperatury i niskiemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej, włókna węglowe poprawiają efektywność cieplną i redukują masę pojazdu.

Zalety:

• Odporność na ekstremalne temperatury – zarówno tlenek cyrkonu, jak i włókna węglowe mogą wytrzymać temperatury przekraczające 1000°C, co czyni je idealnymi materiałami w strefach silnie obciążonych termicznie.
• Lekkość i trwałość – kompozyty, takie jak włókna węglowe, zapewniają wyjątkową redukcję masy przy zachowaniu doskonałej trwałości i sztywności strukturalnej.

Porównanie właściwości materiałów

Podsumowanie

Odpowiedni dobór materiałów w produkcji silników Diesla ma kluczowe znaczenie dla wydajności, trwałości i ekonomii jednostki napędowej. Materiały muszą spełniać wymagania dotyczące odporności termicznej, wytrzymałości mechanicznej oraz odporności na korozję, aby sprostać ekstremalnym warunkom pracy.

Nowoczesne trendy obejmują rozwój zaawansowanych stopów, ceramiki inżynierskiej oraz kompozytów, które umożliwiają dalsze zwiększenie sprawności cieplnej i redukcję masy silników. Wykorzystanie takich materiałów, jak tlenek cyrkonu, tytan oraz włókna węglowe, staje się coraz bardziej powszechne w sportowych i wysokowydajnych jednostkach napędowych.