Поддръжка

Уплътнителят за цилиндрова глава при съвременните алуминиеви двигатели

През последните години настъпиха множество промени в областта на двигателните технологии. Съвременните двигатели станаха по-мощни, по-малки и по-леки. За тази цел, както цилиндровата глава, така и цилиндровият блок претърпяха мащабни конструктивни модификации. Оттогава са въведени нови суровини за производството на компоненти. Дълго използваният материал сив чугун е заменен от специфични алуминиеви сплави

Уплътнението между цилиндровата глава и цилиндровия блок продължава да се осигурява посредством уплътнител /гарнитура/ за цилиндрова глава. Първоначално може да изглежда лесно да се осигури надеждно уплътнение срещу охлаждаща течност и моторно масло, както и срещу свежи и отработени газове, но всъщност не е толкова просто, колкото изглежда, предвид условията в съвременните двигатели с вътрешно горене. Трябва да бъдат взети под внимание и промененото влияние на параметри като температура, налягане и динамика. Най-важно е въздействието на динамичните трептения на уплътнителната междина. Силите на затягане на болтовете на цилиндрова глава фиксират главата на цилиндъра върху цилиндровия блок. На пръв поглед това може да изглежда статична връзка, тъй като тези компоненти са тежки, здрави и твърди, но това не е така, тъй като крайното налягане при горене непосредствено след запалване на силно компресираната горивно-въздушна смес не само задвижва буталото в работния ход, но и кара главата на двигателя да се повдига. Въпреки че движението е минимално (2-10µm), достатъчно е да окаже значително влияние върху уплътняващата функция. Това важи на първо място за всички двигатели с вътрешно горене, независимо дали са стари или съвременни конструкции.

За да разберем всичко това по-добре е важно да знаем, че днешните двигатели не са само леки, но и са изградени с много добър топлинен баланс. Предисторията на това е, че инженерите искат да поддържат фазата на загряване възможно най-кратка. В идеалния случай буталата и цилиндрите се разширяват възможно най-равномерно по време на тази фаза на загряване. Ако това се случи, допустимите отклонения между тези части могат да бъдат сведени до минимум, като всичко това оказва значително влияние върху емисиите отработени газове и ефективността на двигателя. Днес двигателите обикновено се произвеждат от алуминиеви сплави, за да задоволят тези изисквания. Прилагайки специални техники на леене, е възможно да се използва по-малко материал и следователно компонентите да се направят по-леки. Това не може да се наблюдава непосредствено при много компоненти като съвременните цилиндрови глави. За да се видят сложните конструкции на цилиндровата глава, частта трябва да се среже на парчета.

Цилиндрова тръба и конструкция на цилиндровия блок от отворен тип


При други компоненти като модерните цилиндрови блокове тази технология може да се види от пръв поглед. Докато досега охлаждащата течност се подаваше през канали около отворите на цилиндъра, сега може ясно да се види работния цилиндър, стоящ във водна риза. Работните цилиндри се отливат към цилиндровия блок и са неразделна част от него. Двигателите с тази конфигурация се описват като „цилиндров блок от отворен тип“ и представляват най-новата технология за съвременни двигатели с вътрешно горене. От само себе си се разбира, че винаги има широко известни изключения от правилото.


На изображението: Цилиндров блок от отворен тип

Съвременните двигатели с лек дизайн, включващи сложни конструкции, състоящи се от алуминиеви компоненти, имат силно динамична уплътнителна система. Следователно трептенето на уплътнителната междина е много по-голямо, отколкото при двигателите от по-старо поколение.

Друг аспект е, че силата, въведена като сила на затягане чрез болтовете на цилиндровата глава в уплътняващата връзка, се стреми да следва законите на физиката и да се разпространява равномерно, но е възпрепятствана от това поради отворената повърхност на тези двигатели. В резултат на това понякога има неравномерна сила, действаща върху цилиндъра, което го кара да се деформира до няколко хилядни от милиметъра. Следователно друго изискване, на което трябва да отговарят новите поколения уплътнители за цилиндрови глави, е, че те все така трябва да функционират надеждно при прилагане на минимална сила, оказвана от болта. Това ще сведе до минимум изкривяване на цилиндъра.

На изображението: Неравномерно разпределяне на силите, водещо до изкривяване на цилиндъра

Поради посочените причини в началото на 90-те години е трябвало да се преосмисли напълно технологията на уплътняване. Традиционните уплътнители, направени от комбинация от метал и мек материал, са прекалено статични решения за уплътняване на тази силно динамична уплътнителна междина. Това води до постоянно натоварване от повдигането и натискането при осъществяването на всеки работен ход. На свой ред това предизвиква „поведение на втвърдяване“, в резултат на което уплътнителят губи своята дебелина. Следователно в хода на живота на автомобила първоначално много високата степен на пресоване между компонента и уплътнителя за цилиндровата глава може да бъде намалена до такава степен, че да възникнат течове. Следователно за тези силно динамични двигатели е трябвало да се разработи ново поколение уплътнители за цилиндровата глава. Ето защо се наблюдава отдръпване от използваните преди това статични метали и меки материали към многослойни уплътнители за цилиндрови глави от високолегирана пружинна стомана, които са също толкова динамични като новите двигатели. Ражда се технологията на многослойния уплътнител /MLS/.

Валцовани участъци, ограничители и носещи слоеве

Уплътнителят от многослойна стомана вече не се притиска върху цялата повърхност. Функцията на уплътняване се постига чрез линейно притискане, при което „валцовани участъци“ се напрягат предварително в съответния функционален слой с помощта на точно определена по-ниска степен на сила. Поради предварителното напрежение, валцованият участък остава гъвкав и може да следва движенията на компонентите на двигателя, обикновено на цилиндровата глава. Валцованият участък има така да се каже пружинна характеристика и може да се извива и отскача.

За да се предотвратят повреди по тези валцовани участъци по време на 250 000-километровия живот на двигателя, който се изисква в наши дни, се използват различни технологии за уплътнение. Те могат да бъдат под формата на заварени или релефни (щамповани) ограничителни уплътнения или т.нар. „стопери“. Днес във функционалния слой е възможно дори да се интегрира сгънато сегментирано ограничително уплътнение. Ограничителните уплътнения предотвратяват всяко „пробиване“ на чувствителните гъвкави валцовани участъци и следователно гарантират тяхната трайност.

Като се вземе предвид всичко това, дизайнът на всеки уплътнител за цилиндрова глава от многослойна стомана е напълно адаптиран към техническите нужди на всеки отделен двигател. Комбинират се различни на брой слоеве с различни стилове валцовъчен участък в комбинация с различни ограничителни уплътнения.

Два примера за възможните комбинации

Два функционални слоя с ограничително уплътнение, заварено върху долния слой

Два функционални слоя с централен слой, показващ щамповано ограничително уплътнение

Подобни статии