Hengertömb

Hengertömb, vagyis a köznyelvben elterjedt nevén: a blokk. Próbálom összeszedni a gondolataimat, hol is kezdjem a témát, de mindenek előtt szerintem a funkcióival, feladatával praktikus kezdeni. Tehát (a fontosság vonatkozásában a teljesség igénye nélkül) a feladatai:

  • Ágyazást biztosít a főtengelynek;
  • Vezeti a dugattyút;
  • Biztosítja a hűtést, illetve a közel egyenletes hűtés érdekében hűtőfolyadék megfelelő elvezetését;
  • Biztosítja az olaj megfelelő helyekre juttatását (csapágyak, hengerfej, stb);
  • Helyet és/vagy rögzítést biztosít a motort kiszolgáló alkatrészeknek, segédberendezéseknek (tartóbak, olaj- és vízpumpa, generátor, olajszűrő, stb.);
  • Mechanikus rögzítést biztosít a váltónak;
  • Egyes, váznélküli járműveknél (pl. F1, traktorok) jelentős központi teherviselő feladatokat tölt be;

A blokkok lehetséges csoportosításai

Anyag szerint: öntöttvas, alumínium, perselyes alumínium

Konstrukció szerint: szárazperselyes, nedvesperselyes, persely nélküli

Csapágyazás szerint: csapágyankénti csapágykengyeles vagy csapágykeretes (angol kifejezéssel: Bed plate; német kifejezéssel: Lagertraverse, Leiterrahmen)

Vízmag szempontjából: Opened deck, closed deck

De az elsőre esetleg kevéssé érthető felsorolások helyett nézzük konkrétan!

Anyag. Az elmúlt bő tíz év trendjei előtt a blokkok tipikus anyaga az (ötvözött) gömbgrafitos öntöttvas volt. A vas mechanikai szilárdsága elegendő a blokkot érő erők felvételére, a gömbgrafitos anyagszerkezet pedig az anyagban elhelyezkedő porózus grafitszemcsék által kiváló olajtároló-képességet kölcsönöz, ami (a hónolás mikrobarázdáival együtt) kiválóan biztosítja a dugattyú és a gyűrűk megfelelő kenését. Egyetlen hátránya van, a relatív nagy tömege. Ez egy kisebb lökettérfogatú soros motor esetében még kezelhető nagyságrendű, de egy nagyobb vas blokk, tipikusan V-elrendezésű motornál,  adott esetben már önmagában is bőven száz kg-os nagyságrendet érhet el. És akkor még nincs a motorban semmi egyéb alkatrész, amikkel együtt sokszáz kg-ot érhet el a motor - és ez közvetve az erősebb és ezáltal nehezebb alkatrészek végett fogyasztáson túl az egyenletes tengelyterhelésre is kedvezőtlenül hat. Tehát jött a felvetés, hogy próbálkozzunk valami könnyűfémmel…

Perselyes alumínium blokk

Perselyes alumínium blokk

A sűrűsége, az ötvözhetősége és nem utolsó sorban az ára miatt az alumínium kínálkozott megoldásnak. De mivel önmagában az alumínium sem a siklási, sem a kopási elvárásoknak nem felelne meg, okos mérnökök kitalálták, hogy a blokk legyen perselyes. Így a henger maradt vas, és ezt öntötték “körbe” könnyű alumíniummal. Ezzel a megoldással a csúszó-súrlódó alkatrészek kenése biztosított maradt a már bevált vas által, de a tömegen máris nagyon sokat nyertek. Problémaként viszont előálltak a két anyag eltérő hőtágulásából fakadó problémák, amely belső feszültségek okozója.  Viszont előny, hogy konstrukciótól függően felújítható marad a motor, ami a szín-alu blokkok esetében hagyományos technológiákkal, vagy egyáltalán nem megoldható.

Full alumínium blokk

Szín alumínium blokk

A perselyes motorok problémáira reagálva, kikísérletezték a szín-alumínium hengertömböt, amely már a gyűrűk kenési, illetve a hengerfal kopási problémájára is megoldást talált. A probléma megoldása a Szilíciumban rejlik. Az öntvény anyaga Szilíciumban relatíve gazdagabb. Öntéskor a hengerfuratok kialakítása úgy történik, hogy egy hűtött, enyhén kúpos darabot tolnak be a öntő szerszámba. Az olvadt fémből  - ezzel találkozva - lokálisan kicsapódik a Szilícium, így ennek köszönhetően a hengerfal közvetlen közelében a blokk helyileg Szilíciumban dúsabb lesz, ami jóval keményebb az alumíniumnál, így a kopásokat rendkívül jól képes felvenni. A hengerfurat végleges kialakítása sem történhet a hagyományos hónolással, mivel hónoló szerszám szemcséi kiforgatnák a Szilíciumkristályokat a helyükről, s a hengerfal így nem lenne képes ellátni a feladatát.

Konstrukció. A fentebbi bekezdésekben már esett szó a perselyekről, most lássuk a fajtáit. A legegyszerűbb megoldásról, a persely nélküli, a blokk anyagából kialakított hengerről úgy érzem túl sokat nem kell mondani, elég egyértelmű a dolog. Ami viszont szót érdemel, azok a perselyes motorok.

Kezdjük a száraz-perselyes megoldással. Ennek a lényege, hogy az adott elkészült blokköntvény ránézésére semmiben sem különbözik egy kész blokktól, ugyanúgy ki van fúrva a henger, csak ide nem a dugattyú fog beépülni, hanem egy megfelelő tulajdonságú persely van besajtolva. Így a kopást nem a blokk anyag veszi fel, hanem a perselyé. További előnye, hogy kopás esetén a persely kisajtolható és a helyére új építhető be, így a henger javítása forgácsolás nélküli technológiával javítható. A konstrukció hátránya a hűtésben rejlik. Az égés során a hengerben keletkező hő a perselynek adódik át, ami először csak a blokkal találkozik. Tehát itt a az égés és a hűtővíz között az egy hővezetés és két hőátadás helyett máris két hővezetés és három hőátadásról kell beszélnünk, ami egyértelműen rontja a hűtés hatásfokát.

A nedves-perselyes megoldás annyiban különbözik, hogy a hengerpersely külső fala nem a blokkal kerül fizikai kapcsolatba, hanem közvetlenül a hűtővízzel. A blokk oly módon van kialakítva, hogy a blokkba helyezett persely alul és felül is tömített, így a hengerfalat közvetlenül hűtheti a víz. Ennek persze kritikus a készre szerelése, hiszen ha tömítettlenség lép fel, akkor az égéstér kapcsolatba kerülhet a vízzel, a víz összefolyik az olajjal, stb. Tehát itt a technológiai előírások pontos betartása rendkívül fontos. Tehát miután a konstrukció hátrányát már megemlítettem, az előnyével kapcsolatban csak annyit mondanék, hogy ha megnézzük a száraz-perselyes hátrányát, máris kilogikázható…

Úgy érzem, azért meg kell megemlíteni a beleöntött-perselyes motorokat is. Lényegében az, hogy beleöntött-perselyes motorról beszélünk, nem determinálja egyértelműen, hogy ez száraz, vagy nedvesperselyes-e. Ha beleöntött és nedvesperselyes, akkor nagyon jó hőelvezetésű és ezáltal nagy teljesítményű motor lehet belőle, de hát itt viszont a felújításon eshet csorba. Valamit valamiért…

Csapágykengyeles konstrukció

Csapágykengyeles motor

Főtengely-csapágyazás. A főtengely-csapágyazásnak két fő trendje van. Régebben voltak a klasszikus csapágykengyeles megoldások, melyek lényegét egy kép elárulja. Itt minden csapágynak egy, saját kengyele van, ami nem felcserélhető más csapágyhelyek kengyeleivel, mivel a végleges csapágyutcát eme kengyelek felszerelése után munkálják véglegesre. Az egyes kengyelek precíz illesztésekkel csúsztatható a helyére, és a képen is látható módon, illesztőperselyekkel pozícionálják azért, hogy egy későbbi szerelést követően is az előző pozíciójába kerülhessen a darab. A kép egyébirányt egy V-motort ábrázol, amit onnan lehet felismerni, hogy a kengyelekből kétoldalt csavarok állnak ki. Miután a kengyelek a helyükre kerültek, ezek a csavarok oldalirányban fixre húzzák a blokkhoz. Erre azért van szükség, mert ellentétben egy soros motorral, ahol csak hengerirányú, vagyis függőleges, csavarirányú erők hatnak a kengyelre, itt a hengerszögből adódóan a kengyelre a vertikális erők mellett horizontális erők is hatnak. Ez a periodikus hatás egyrészt zajjal jár, másrészt pedig mechanikailag sem igazán kívánatos. S mivel az összes csapágykengyel a blokkhoz van csavarozva, ez még a blokk szoknyájának merevségén is javít egy gondolatnyit.

Bed plate

Bed plate

Bedplate-es konstrukció. Az oldalt látható kép egy sor-hatos motor főtengelyágyazását mutatja. A konstrukció óriási előnye, hogy egyrészt nem lehet véletlenül felcserélni az egyes csapágyak kengyeleit, másrészt pedig beépítve nagyban hozzájárul a blokk merevségéhez. Teszi ezt úgy, hogy egyrészt a blokk pont egy kengyel-magasságnyit alacsonyabb lehet, így nincs egy hosszú szoknya, ami “libeghet”. S miután a bedplate (csapágyhelyenként minimum négy csavarral ) fel lett csavarozva, további jelentős mértékben javítja a blokk merevségét, ami legvégül a szilárdsági jellemzőkön túl zajcsökkenés formájában tapasztalható. Ezen felül a bedplate alsó felülete, ahová az olajteknő is fel van csavarozva, sokkal több rögzítési lehetőséget kínál a blokkon belül elhelyezendő, egyéb alkatrészek, mint pl. az olajpumpa számára is. De simán kialakítható mechamikus olaj-habosodásgátló is - ami egy nem bedplate-es megoldásnál jóval körülményesebb. Tehát számos kedvezőbb tulajdonsága végett kedveltebb, de hát ennek a jóval bonyolultabb alkatrész előállítási költsége az ára.

Vízmag

Vízmag

Vízmag, homokmagok. Nos, azt hiszem, mielőtt elmerülnénk a vízmag témában, ki kell térni az öntés lényegesebb részleteire. Egy motorblokk öntése oly módon történik, hogy ún. homokmagokat formáznak, amit egy speciális kötőanyag tart össze. A jobboldali képen egy négyhengeres motor vízmagja látható. Miután elkészült az öntéshez szükséges összes mag, “összeszerelik” őket és az öntés során a magok között lévő rések kitöltésével fog kialakulni a blokk. Tehát lényegében (konyhanyelven fogalmazva) , ahol nem szeretnénk anyagot, azt a részt homokkal töltjük ki. Így a vízmag ábráján az a térfogat pozitívja látható, amilyen teret a víz ki fog tölteni a blokkon belül.

Motor-magok

Motor-magok

Az itt látható ábrán pedig ugyanennek a motornak az öntéshez “összeszerelt” komplett magjai láthatóak.  A vízmag zöld színű, a szívócsatorna kék, a kipufogócsatorna piros, forgattyús- és hengertér narancsszínű, s végül míg az olajjal érintkező egyéb olajtér fehér színű. A fehér és narancs terek gyakorlatilag egy teret képeznek, de mivel önálló külön magokról van szó, ezért különböztetik meg őket a tervezés során más színnel.

Öntő szerszám

Öntő szerszám

Az öntéshez imént bemutatott magokon túl  szükséges még egy minden oldalt lezáró szerszám, ami a következő, jobboldalon található képen látható. A képen látható szerszám a jobb érthetőség végett lépcsősen van elmetszve. Szépen látszanak a homokmagok közötti rések, amit a szerszámba injektált vas ki tud tölteni. Felmerül a kérdés, hogy jó-jó, de miután leöntöttük, hogy kerül ki a homok a blokkból. A homokmagot összetartó speciális kötőanyag olyan tulajdonságú, hogy a vas olvadási hőmérsékletén egy idő után felbomlik és elpárolog. S miután elpárolog, a mag szétesik, és a bent lévő homok egyszerűen kiönthető a blokk üregein keresztül.

Opened-deck blokk

Opened-deck blokk

És akkor nézzük a vízmag sajátosságait. A vízmagnál alapvetően két fajtát különböztetnek meg, s ebből az első, a régebbi múltra visszatekintő konstrukció a Closed deck kialakítás. De ennek a megértéséhez szemléletesebb az Opened deck-kel kezdeni. Az itt látható képen nagyon jól látszik, hogy a hengerfuratokat egy összefüggő “vár-árok” veszi körül. A kialakítás óriási előnye, hogy a motor szükség esetén akár egy tömbből is kiforgácsolható, valamint akár homokmagok nélkül, ún. Schieber-ek (a blokk külső kontrurjának a negatívját formáló fém szerszámokkal) segítségével önthető. Ennek előnye, hogy nem kell minden motorhoz homokmagot formázni, hanem a egy fém szerszám határozza meg a blokk formáját, s így megfelelő darabszámú gyártásnál olcsóbb lehet. További roppant nagy előnye, hogy a jobboldali hengersorban látható , utólagosan a blokkba helyezendő “vízmagbetét”-tel nagyon pontosan ki lehet alakítani a vízáramlás minden helyen optimális sebességét, így optimalizálva a hűtést. Ezt az ötletet nem rég óta lovagolják meg a gyártók, de több nagyobb autógyár igazolhatja, hogy fogyasztáscsökkenés érhető el vele a következők végett. Ha egy állandó vastagságú vízköpeny veszi körül az egyes hengereket, akkor - lévén az égés által keletkező hő a blokk teteje körül fog kialakulni), a henger felső része mindig melegebb lesz, mint az alsó. Így pedig a hengerfalon lévő olaj hőmérséklete is különbözni fog, ami viszkozitásbéli különbségekben realizálódik. “Fent” hígabb az olaj, “lent” hidegebb. Ráadásul a víznek nem lehet megmondani, hogy csak fentről vonja el a hőt; az ahol éri, viszi. Viszont egy ilyen betéttel elérhető az, hogy a henger alsó részében meglehetősen csekély vastagságú vízgyűrű veszi csak körbe a hengert, így onnan kevesebb hőt tud elvonni, mint felül, ahol már a levékonyított betét végett több víz vonja el a hőt. Tehát ezzel a megoldással homogenizálni lehet a hengerfal hőmérsékleteloszlását, és ez a folyamat másik végén fogyasztáscsökkenés formájában tapasztalható. Ugyanakkor mindenképpen megemlítendő a konstrukció hátránya is: az egyes hengerek mintegy gyárkémény állnak a vár-árok körül és felül semmi nincs, ami megtámasztaná. Ha már össze van szerelve a motor, akkor a hengerfej-tömítésen keresztül a hengerfej már tart, de hát azért van ott hőtágulás, egyéb dinamikus hatások, és ezek nem kifejezetten tesznek jót a magasan dűlöngélő “gyárkémény”-nek.

Closed-deck motorkialakítás

Closed-deck blokk

Nos, ezek után akkor lássuk a closed deck motorokat. Az opened deck blokk leírása után erről már szinte semmit sem kell mondani, minden látható és kikövetkeztethető. A vízmag csak homokmagból kialakítható, így egy tömbből nem kiforgácsolható, s minden egyes blokkhoz készíteni kell egy homokmagot. Ezen felül nem helyezhető bele betét, tehát az igazán finom áramlástani megoldások számára használhatatlan; már csak azért is, mert azok a precíz és kicsi rések homokkal egyszerűen nem kiönthetőek. Viszont óriási előnye, hogy a hengerfal felül is meg van támasztva, így merevebb mind a blokk, mind a hengerfal, tehát ugyanolyan szilárdság eléréséhez kevesebb felhasnált anyag is elegendő. Megfordítva, ugyanannyi anyaggal nagyobb teljesítményt bír ki az öntvény.

Nos, azt hiszem, címszavakban azért sikerült egy-két olyat gondolat mentén bemutatnom a hengertömbök világát, ami sokak számára más megközelítésbe helyezi eme alkatrészekről alkotott tudását.

Geree