Producenci samochodów, by sprostać coraz bardziej rygorystycznym normom emisji dwutlenku węgla i zmniejszyć zużycie paliwa, wyciskają z małych wysokoprężnych silników siódme poty. Federal-Mogul opracował technologię, która zwiększa odporność tłoków na mechaniczne i termiczne obciążenie wytwarzane w wysilonych jednostkach, umożliwiając poprawę ich osiągów i trwałości.

Technologia nazwana DuraBowl wzmacnia denko tłoka silników Diesla przez miejscowe ponowne przetopienie stopów wokół wgłębienia na środku denka. Znacząco poprawia to odporność zmęczeniową aluminium w miejscach, gdzie jest najbardziej potrzebna. Efektem jest zwiększenie trwałości części od cztero- do nawet siedmiokrotnie, w porównaniu z tradycyjnymi, odlewanymi tłokami.

W ciągu ostatniej dekady przeciętna moc maksymalna silników wzrosła z 50 kW/l (68 KM/l) do około 70 kW/l (95 KM/l). Spalanie w silnikach diesla odbywa się w zagłębieniu denka tłoka, gdzie temperatura może sięgnąć ponad 400 stopni Celsjusza, a ciśnienie ponad 200 barów. Federal-Mogul zwraca uwagę na fakt, iż te coraz trudniejsze warunki zwiększają ryzyko uszkodzenia obrzeży wgłębienia w denku tłoka.

Dogłębne analizy firmy pokazały, że termiczne i mechaniczne uszkodzenia okolic zagłębienia w denku tłoka mogą być wykryte przez obecność wolnych cząstek krzemu rozłożonych na aluminiowej matrycy. Aluminium rozszerza się ośmiokrotnie bardziej niż krzem, powodując naprężenia wewnątrz tłoka podczas zmiany temperatury. Powtarzane obciążenia mechaniczne wywoływane zapłonem w cylindrze może spowodować zmęczenie mechaniczne krawędzi cząsteczek krzemu. Krzem jest niezbędnym elementem stopu aluminium, poprawiającym jego właściwości dzięki niskiej rozszerzalności i dobrej odlewalności, dlatego nie może być obecnie wyeliminowany.

Jedynym dotychczasowym potencjalnym rozwiązaniem wspomnianego problemu było wzmacnianie tłoków włóknami, co nie było techniką niezawodną.

– „Wzmacniane włóknami tłoki zwiększają trudność produkcji, gdyż stopiony stop musi zostać rozprowadzony na włóknach podczas odlewania. Ponadto nie jest on jeszcze niezawodny, nie ma sposobu na przetestowanie integralności wyprodukowanej części, zaś nasz proces DuraBowl pozwala na wykonanie testu za pomocą prądu wirowego, by zapewnić jej jakość.” – powiedział Frank Doernenburg z Federal-Mogul.

Rozwiązanie Federal-Mogul polega na przygotowaniu odlewu tłoka i późniejszym ponownym przetopieniu stopu wokół wgłębienia na denku tłoka. Ponownie stopiony stop chłodzi się tysiąc razy szybciej niż zwykły, co prowadzi do zmniejszenia cząsteczek krzemu do 10 proc. ich wcześniejszego rozmiaru. Hutnicy stosują taką metodę, by udoskonalić mikrostrukturę, zwiększając wytrzymałość i trwałość metalowych stopów.

– „Siłą i skutecznością naszego rozwiązania jest jego fizyczna prostota. Zaawansowanie tkwi w kontroli kluczowych parametrów, co zapewnia jakość. Efektem jest zaawansowany technicznie, wydajny i atrakcyjny cenowo produkt w porównaniu ze wzmacnianymi włóknami i stalowymi tłokami.” – tłumaczy Doernenburg.
– „Proces ponownego topienia z pewnością zwiększa trwałość tłoka i jego wydajność, znacznie przyczyniając się do zwiększenia skuteczności zużycia paliwa oraz redukcji emisji dwutlenku węgla.” – podsumował Doernenburg.

Technologię DuraBowl zastosowano już w wydajnym silniku Diesla, który trafił niedawno do jednego z czołowych producentów samochodów.