Dieselkolbentechnologie

Je schneller und weiter wir fahren wollen, desto härter werden Dieselmotoren, was zu einer größeren Nachfrage nach Motorkomponenten führt, um den Missbrauch zu bewältigen. Daher nehmen die Optionen für kundenspezifische Kolben weiter zu, da wir in der Dieselindustrie weiterhin Innovationen entwickeln, um herauszufinden, was funktioniert und was nicht. Es war oft die Schule harter Schläge, aber diese Lektionen ermöglichen es Kolbenherstellern, kundenspezifische Optionen zu entwickeln, die auf dem basieren, was sie gelernt haben und was sie bereits über die Haltbarkeit und Funktion der Originalausrüstung (OE) wissen.

Kolbenhersteller sind sich in erster Linie einig, dass sie bei der Auswahl von Kolben kontaktiert werden möchten. Es stehen so viele verschiedene Optionen zur Verfügung, dass es ein großer Vorteil ist, ihr Wissen zu nutzen.

„Da wir alle Strapazen von Dieselmotoren erlebt haben, wissen wir, was funktioniert, was nicht und was Sie bei jeder Anwendung tun sollten“, sagt Rick Canning, technischer Spezialist bei CP Carrillo.

Die meisten serienmäßigen Dieselkolben sind gegossen, und Guss steht traditionell am Ende der Leistungskette. Gegossene OE-Dieselkolben haben sich jedoch als langlebig erwiesen und können zumindest bis zu einem gewissen Grad mit der Leistungsklasse mithalten. Ein Vorteil ist, dass sie einen Stahleinsatz für den oberen Ring haben. Darüber hinaus verwenden sie einen Oberring vom Typ „Keystone“, der eine Radialbewegung erzeugt, die Kohlenstoffablagerungen aus der Nut entfernt – ein wichtiger Vorteil für Dieselmotoren.

Gusskolben verfügen außerdem über Ölkühlkanäle hinter den Ringen, um die Wärmekontrolle zu unterstützen, und es ist die Kombination dieser Designaspekte, die es ihnen ermöglicht, leichte Leistungssteigerungen zu bewältigen. Laut Joe Maylish gehören die Gusskolben von Mahle Motorsports zu den meistverkauften Dieselkolben des Unternehmens.

Gusskolben haben viele Vorteile, aber wenn Sie die Leistung weit über das Standardniveau hinaus steigern und mehr als nur gelegentliche Drag-Rennen suchen, schieben Sie möglicherweise mehr, als Gusskolben bewältigen können, was bedeutet, dass es Zeit für ein Upgrade auf Schmiedekolben ist.

„Das Schmieden erzeugt eine dichtere Kornstruktur, wodurch die Moleküle zerkleinert und fester werden“, sagt Canning. Hochleistungs-Zug- oder Drag-Racing-Motoren sind eine häufige Anwendung für geschmiedete Kolben, und während die meisten Dieselmotoren offensichtlich in LKWs zu Hause sind, tauchen immer mehr Motoren zwischen den Kotflügeln von Autos auf, was dazu beigetragen hat, die Leistungsgrenzen noch weiter zu erweitern , die ihren Platz in der Leistung unter Beweis stellen.

„Leute, die sehr viel Boost einführen und versuchen, unverschämte PS-Zahlen zu erzielen, entscheiden sich für die Schmiede“, stimmt Maylish zu.

Allerdings ist Forged nicht ohne Nachteile, und einer davon ist die Expansionsrate. „Die Verbrennungswärme wird an die Oberseite des Kolbens abgegeben, und da es sich um einen geschmiedeten Kolben handelt, muss der Stegdurchmesser verringert werden, damit er bei starker Hitzeeinwirkung nicht wächst und an die Zylinderwand trifft“, so Canning sagt.

Viele geschmiedete Kolben verwenden Legierungen mit geringer Ausdehnung, um die Kolbenpassung so fest wie möglich zu halten, ohne dass es zu Spielproblemen kommt. Aufgrund der extremen Hitze ist das Spiel von entscheidender Bedeutung. Der durchschnittliche Kolben aus Aluminiumguss benötigt ein Zylinderwandspiel von etwa 0,005 bis 0,006 Zoll. Ein geschmiedeter Kolben mit geringer Ausdehnung erfordert 0,007 bis 0,008 Zoll, und eine Legierung mit hoher Ausdehnung kann 0,010 bis 0,012 Zoll oder mehr erfordern. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ausdehnungsraten legen Kolbenhersteller stets Wert auf Messungen während der Montage.

„Bei einem Diesel können selbst die besten Komponenten zerstört werden, wenn sie nicht richtig zusammengesetzt werden“, betont Canning.

Ein weiteres Problem stellen geschmiedete Kolben dar. Sie sind zwar stärker als Gussteile, verfügen aber nicht über die Langzeithaltbarkeit, da Sie weder einen Kolben um einen Stahleinsatz für den Oberring schmieden noch einen Ölkühlkanal hinter den Ringen schaffen können . Die Vorteile eines Trapezrings in einem Diesel sind großartig für die Langlebigkeit, der Nachteil dieses Ringtyps besteht jedoch darin, dass er zu beschleunigtem Verschleiß führt, ohne dass ein hartes Material dagegen schützt, was der Zweck des Stahleinsatzes ist. Dies ist der einzige wahre Vorteil von Serienkolben und ein Grund, warum viele Menschen so lange wie möglich bei ihnen bleiben.

Die Bewegung eines Trapezrings in seiner Nut wird ausgeprägter, wenn zusätzlicher Zylinderwandspielraum erforderlich ist, um die Kolbenausdehnung auszugleichen.

„Dieselmotoren sind sehr hart für Ringnuten“, sagt Canning. „Geschmiedete Dieselkolben sind hart eloxiert, um zusätzlichen Schutz zu bieten. Wir verwenden auch keine Keystone-Ringnuten. Wir verwenden eine herkömmliche rechteckige Ringnut, denn wenn der Stegdurchmesser von der Bohrung übernommen wird, bleibt das, was man für vertikalen Spielraum und Rückraum hat.“ das gleiche."

Ein weiterer Aspekt kundenspezifischer Dieselkolben ist die Verlagerung der oberen Ringnut aufgrund der extremen Hitze- und Druckbelastungen an der Oberseite des Kolbens.

„Damit diese Kolben in Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Hitze funktionieren, senken wir bei bestimmten Anwendungen den oberen Ring um 0,60°“, sagt er.

Die Ausdehnung kann sich mit zunehmender Boost-Stufe und höherer Leistung verstärken, und sie ist auch nicht der einzige hitzebedingte Faktor, der berücksichtigt werden muss. Die meisten serienmäßigen Kolben haben einen Vorsprung oder eine Spitze in der Mitte der Mulde, die dabei hilft, den von der Einspritzdüse versprühten Kraftstoff in der umgebenden Mulde zu verteilen. Wenn sich die Schüssel nach oben krümmt, gibt es normalerweise eine Lippe oder einen Überhang, der das Luft-Kraftstoff-Gemisch zurück in die Mitte der Schüssel leitet. Dies ist konstruktionsbedingt speziell für eine sauberere Verbrennung zur Reduzierung von Emissionen gedacht, aber die Hitze konzentriert sich tendenziell im Oberlippenbereich des Gehäuses, und bei einem Motor mit hohem Ladedruck kann sich die Hitze in der Lippe oder im Überhang ansammeln und zu Detonationen oder Rissen führen im Kolben.

„Hot Spots sind bei Dieselfahrzeugen ein großes Problem“, sagt Canning. „Scharfe Kanten verursachen Probleme und die Hitze dringt dort ein, wo sie Löcher in die Kolben brennen kann. Wir haben nitrosfreie Kolbenschalen mit großzügigen Radien hergestellt, die von der Schale zu den Ventiltaschen und um die Ventiltaschen herum reichen. Alles hat einen großzügigen Radius Es verhindert jegliche Art von Kühlkörper. Die gesamte Oberseite ist völlig glatt, bearbeitet und abgerundet.“

An OE-Kolben werden oft kundenspezifische Arbeiten durchgeführt, indem die um den Kolben herum entworfene Lippe abgearbeitet und die Oberkante des Kolbens abgeschrägt oder abgerundet wird, um die Möglichkeit heißer Stellen auszuschließen. Dies hat sich als effektiv erwiesen, bietet jedoch nicht die gleichen Vorteile wie kundenspezifische Kolben, die von Anfang an ohne Hot Spots konzipiert sind.

Bei der Konstruktion eines Dieselkolbens werden viele Faktoren berücksichtigt, darunter die Art der Einspritzdüse und das Sprühmuster sowie die Kraftstoff- und Zündstrategien, die bei der Abstimmung verwendet werden. Dies kann sich auf das Design oder die Einbeziehung einer Spitze auswirken, und eine häufig von Verbrauchern gestellte Frage bezieht sich auf den Injektorwinkel der Schale.

„Wir haben eine breite Schüssel hergestellt, die alle verschiedenen Winkel abdeckt“, sagt Canning und bekräftigt damit erneut die Idee, dass es für Kolbenhersteller von entscheidender Bedeutung ist, alles über die Anwendung zu wissen, um den richtigen Kolben bereitzustellen. „Kleine Gerichte bringen ohne Lachgas weniger Leistung, aber mit Lachgas ist ein kleines Gericht besser.“

Ein weiterer Aspekt eines kundenspezifischen Kolbens, der die Festigkeit verbessern kann, ist die Bolzennabe. Das Bolzenende einer Dieselpleuelstange ist nach oben hin verjüngt, um die Auflagefläche zu vergrößern und die Last auf einen größeren Bereich auf der Unterseite des Kolbenbolzens an der Stange beim Abwärtshub sowie auf der Oberseite zwischen den Bolzen zu verteilen und Kolben. Im Gegensatz zur maschinellen Bearbeitung des Kegels in einem Schmiedestück ist es von Vorteil, die Stangenform im Schmiedestück zu duplizieren.

„Da wir Carrillo-Stangen und CP-Kolben haben, haben wir die Verjüngung der Carrillo-Stange in das Schmiedestück des CP-Kolbens übernommen“, betont Canning.

Eine weitere Kolbenoption ist Stahl, der die Leistung von geschmiedetem Aluminium bietet, aber den zusätzlichen Vorteil der Haltbarkeit bietet. Stahlkolben sind unglaublich stark und halten der Hitze stand. Allein aufgrund dieser Faktoren scheinen sie die ideale Wahl zu sein, haben aber auch Nachteile. Wenn es zu Abrieb zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenschaft kommt, verursacht Stahl höchstwahrscheinlich Schäden an der Zylinderwand, wohingegen Aluminium die Zylinderwände leichter angreift und Schäden nur am Kolben selbst entstehen.

Beschichtungen sind eine Technologie, die mehrere Optionen bietet und je nach kundenspezifischem Kolben variieren kann. Hochwertige Thermobeschichtungen sind kein Ersatz für Qualität, aber wenn Sie an Ihre Grenzen gehen, können sie Ihnen einen kleinen zusätzlichen Vorteil verschaffen, der Sie ohne Kolbenschäden durchkommt. Sie können auch dazu beitragen, Hotspots zu verhindern und Ihnen ein etwas größeres Zeitfenster für die Abstimmung zu bieten.

„Wir bieten eine Wärmedämmschicht für den Kolbenboden an“, sagte Maylish von Mahle. „Es handelt sich um eine zusätzliche Schutzschicht gegen Thermoschocks, um zu verhindern, dass überschüssige Wärme in den Kolbenboden eindringt.“

Hartanodisieren ist ein gängiges Verfahren zum Schutz der Ringnuten, einige Unternehmen bieten jedoch eine Anti-Verschleiß-Beschichtung auf Nickelbasis an. Obwohl es dem Material Dicke verleiht, ist das Eloxieren ein Prozess, der die Dicke der natürlichen Oxidschicht im Metall erhöht, im Gegensatz zu einer aufgetragenen Beschichtung, die eine andere Art maschineller Endbearbeitung erfordert.

Kolbenmantelbeschichtungen dienen der Reibungsreduzierung und sollen in erster Linie den Verschleiß und die Ermüdung des Kolbenmantels verringern.

„Das Material, das wir für Mahle-Kolbenhemden verwenden, ist Grafal“, sagt Maylish. „Es hat eine dämpfende Eigenschaft, und dort, wo die Möglichkeit eines Kontakts mit der Zylinderwand besteht, verhindert der Grafal den Kontakt von Metall zu Metall.“

Ölgurren ist ein weiterer wichtiger Aspekt von Dieselkolben. Sie werden gekühlt, indem die Unterseite des Kolbens besprüht wird und ein Teil des Öls in Hohlräume hinter den Ringen geleitet wird. Da die gleichen Kanäle nicht in einen geschmiedeten Kolben gegossen werden können, sind viele kundenspezifische Kolben so konstruiert, dass sie den Ölstrahl so lenken, dass die Kühlung maximiert wird.

Letztendlich ist es einer der wichtigsten Faktoren bei der Bestellung von Dieselkolben, dem Kolbenhersteller Ihrer Wahl alle Informationen über Ihre Bauart und den Verwendungszweck zukommen zu lassen. Kolbenhersteller fördern ihr Engagement, um sicherzustellen, dass Sie die Kolben erhalten, die Sie benötigen.

„Wenn Sie Fragen jeglicher Art haben, rufen Sie uns an“, wiederholt Maylish. „Wir haben Leute, die seit über 20 Jahren zu unserem Vertriebspersonal gehören, und Leute, die seit über 30 Jahren zu unserem Technikteam gehören. Wir können Ihnen helfen.“EB