بهره گیری از CGI در تولید بوش های بلوک سیلندرهای موتورهای دیزلی

بهره گیری از “Compact Graphite Iron”  در تولید بوش های بلوک سیلندرهای موتورهای دیزلی به جهت سبک سازی و افزایش راندمان آن

در حال حاضر دنیا به دنبال کاهش مصرف و افزایش راندمان ماشین پیش می رود، وزن زیاد موتور باعث افزایش مصرف سوخت و کاهش بهره وری می شود. در موتورهای شناورهای دریایی افزایش وزن موتور علاوه بر دو مورد ذکر شده، باعث افزایش سطح آبخور می شود.

تولید بوش سلیندر از CGI

تولید بوش سلیندر از CGI در سیلندرهای آلومینیومی علاوه بر ویژگی های برجسته ای از قبیل استحکام خستگی و مدول الاستیسیته بالا، باعث کاهش وزن و افزایش تحمل حرارتی آن می گردد تا جایی که محفظه احتراق موتور با این وزن کم توانایی تحمل فشار بالای 200 بار را دارد.

مقدمه:

در دنیا از 2 جنس چدن خاکستری و آلومینیوم و اخیراً از CGI برای ساخت بلوک سیلندر استفاده می شود، که در این مقاله، موارد ذیل مورد بررسی قرار می گیرد:

1. استحکام در مقابل حرارت و فشار
2. وزن

محدوده توانایی تحمل فشار آلیاژ آلومینیوم ALSi9Cu جدار بلوک سیلندر میزان 130 bar می باشد این تحمل برای چدن خاکستری تا محدوده 200 bar و برای CGI بالاتر از 200 bar می باشد. که در این مقایسه CGI برتر از دیگر مواد می باشد. ولی باید در نظر داشت که موتور ساخته شده با ALSi9Cu %40 الی %50 با ابعاد مشابه نسبت به چدن خاکستری و CGI سبک تر است،

از طرفی مقایسه بین این دو را اینطور دانسته اند که وزن موتور ساخته شده با CGI را می توان با کاهش ضخامت سیلندر، کم کردن ارتفاع بلوک سیلندر و میل بادامک و برخی دیگر اجزاء، کاهش داد.

در جدول زیر برخی از ویژگی ها از یک بلوک سیلندر کامل CGI ( موتور آئودی 2.4 لیتری) با موتور آلومینیومی ( موتور مرسدس بنز4 لیتری)، مورد مقایسه قرار گرفته اند هر دو موتور 8 سیلندر می باشند.

ایده موردنظر این است که می توان وزن موتور CGI را با روش ادغام این ماده با آلیاژ آلومینیوم کاهش داد به این صورت که جنس قطعات تحت فشار و حرارت موتور CGI باشد و قطعات کم فشار، از جنس آلیاژ آلومینیوم باشد.

سبکی و انتقال حرارت بالای  ALSi9Cu  و برتری های خصوصیات مکانیکی CGI، طراحان امروز دنیا را باید به سمت استفاده ترکیبی از ایم مواد جهت ساخت موتور، سوق دهد.

بدنه اصلی مقاله:

وزن زیاد موتور، همیشه برای طراحان آن چالشی برای ساخت بلوک سیلندر بوده است. با تبدیل چدن خاکستری به آلومینیوم وزن آن از %40 تا %50 کاهش می یابد. از آن گذشته رسانایی حرارتی آلومینیوم 3 برابر بیشتر از چدن خاکستری است.

CGI ترکیبی جدید از برترین ویژگی ها:

همانگونه که در شکل 2 مشخص است چدن بهم فشرده گرافیتی (CGI) دارای ذرات گرافیت به صورت جدا جدا نمایان است (شبیه کرم خاکی).  اجزاء گرافیتی در چدن به صورت نامنظم گسترده شده است. هر چند آنها کوتاه و نازک هستند، ولی دارای لبه های گرد می باشند. این پدیده باعث می شود تا از شروع رشد ترک جلوگیری شود، که این موارد نشانگر برتری ویژگی های مکانیکی CGI نسبت به چدن خاکستری است.

CGI چیست؟

CGI همواره شامل برخی از نودهای کروی گرافیت است. با استفاده مقدار معینی از منیزیم باعث می شود تا از آرایش پوسته ای یا فلسی گرافیت که دارای لبه های تیز هستند جلوگیری شود. نودها کروی باعث افزایش خواص ماده در قدرت و سختی می شود.

برخی از ویژگی های (CGI) با چدن خاکستری از قبیل نقطه ذوب و انتقال گرما یکسان است. به طور کلی حدود %20 درصد از این احجام کروی برای حفظ ویژگی های CGI کافی می باشد.

ویژگی های مکانیکی بلوک های سیلندری که در شکل 3 نمایش داده شده است، مثال هایی از ریخته گری واقعی است که نتیجه آن مقایسه خصوصیات CGI و چدن خاکستری می باشد.

همانگونه که مشخص است افزایش تحمل تنش کششی CGI باعث بهبود خواص مکانیکی این ماده نسبت به چدن خاکستری شده است.

ویژگی های طراحی موتوری که CGI نسبت به چدن خاکستری

مطالعه بر روی یک موتور 1.3 لیتری CGI نشان داده است که این موتور، عملکر مشابه با موتور 1.8 لیتری چدن خاکستری دارد. علت توانمند شدن موتور CGI، افزایش 30 درصدی Pmax حاصل از انفجار مواد سوختنی می باشد. ویژگی های طراحی موتوری که CGI نسبت به چدن خاکستری ایجاد می نماید.

• کاهش دیواره سیلندر در فشار زیاد
• افزایش Pmax در سیلندر
• موتور ایمن تر نسبت به چدن خاکستری
• کاهش پیچیدگی سیلندر در هنگام ماشینکاری
• بهبود MVH ( نویز، لرزش، سختی).
• کوتاه تر شدن عمق رزوه مهره های سیلندر

در موتورهای دیزلی ضخامت بوش سیلندر چدنی حدود 20 میلیمتر می باشد که این ضخامت به علت خواص مکانیکی برتر CGI به 15 میلیمتر می رسد.

خواص مهم CGI برای موتور

CGI، علاوه بر کاهش وزن موتور، به علت بهبود خواص MVH باعث می شود تا بوش سیلندر در دمای بالا مقاومت خوبی در مقابل تغییر شکل داشته باشد و بیضی گون نشود، این ویژگی خواص مهم ذیل را برای موتور ایجاد می نماید.

1. قدرت بالای موتور به جهت عدم نفوذ گاز احتراق به پایین سیلندر
2. فرصت کافی سوختن مواد سوختنی و آلایندگی کم موتور (زیست محیطی)
3. صدای کم موتور به علت بهبود 40% مدول الاستیسیته نسبت به چدن خاکستری

عدم بیضی شدن بوش سیلندر

علاوه بر این نمودار اصطکاکی یک موتور خطی یا V  شکل (بنزینی یا دیزلی) مطابق شکل 4 می باشد، که در آن بیش از 50% اصطکاک یک موتور مربوط به بوش سیلندر، رینگ های پیستون و پیستون های موتور می باشد، که بهبود خواص NVH در CGL باعث شده تا به علت عدم بیضی شدن بوش سیلندر در تنش های حرارتی، این اصحکاک بسیار کم شده و در مجموع، راندمان موتور افزایش یابد.

وزن موتورهای دریایی شاید بسیار مهمتر از وزن موتورهای خودروهای سبک و سنگین باشد، چرا که اساسا شناورهای بزرگ دارای موتور توان بالا می باشند.

به عنوان مثال موتور رانش یک لندینگ کرافت 30متری ساخت شرکت Scania مدل M18  AMC دارای یک موتور Vشکل 16 لیتری است.

قدرت این موتور 900 اسب بخار است که در 2300 دور بر دقیقه به دست می آید. این موتور دارای وزن 29 تن می باشد.

این در حالی است که در کشتی هایی که طول آن ها بزرگتر از 30  متر می باشند و نیاز به سرعت و قدرت بالا دارند نمی توان از چنین موتور (چدنی) که بسیار سنگین است، استفاده کرد.

به جای آن می توان با بهره گیری مناسب از CGI در نقاط پرفشار و پرحرارت موتوری که بدنه اصلی آن آلیاژ آلومینیوم است وزن موتور را بیش از %50  کاهش داد.

افزایش وزن سطح آبخور کشتی را زیاد نموده و در نتیجه بدنه آن اصطکاک بیشتری را در برخورد با آب دریا ایجاد می نماید و در نتیجه سرعت نهایی کشتی را کاهش می دهد.

نتیجه گیری:

CGI دارای ویژگی هایی اس که خواص مکانیکی مفید موتور را افزایش می دهد، خصوصا موتورهای دیزلی، چرا که در موتورهای دیزلی فشار و حرارت بالاتر از موتورهای بنزینی می باشد.

برای موتور کشتی های بزرگی که دارای سرعت های بالا می باشند لزوما باید از موتورهای سبک و توان بالا بهره برد به ای علت که افزایش توان در موتورهای دیزلی وزن آن را به شدت بالا می برد.

MTU یک سازنده بزرگ موتورهای دریایی می باشد. که با بهره گیری مناسب از مواد، وزن موتور 16 سیلندر 6000  اسب بخار خود را تا حدود 6000 کیلوگرم نموده است. این در حالی است که وزن موتور چدنی با همین قدرت چه بسا بسیار بیشتر از 2 برابر خواهد شد.

با وجود این ویژگی های CGI می توان جهت بهینه نمودن موتور، وزن را بیشتر کاهش داد همانند شکل 5 به جای آن که کل بلوک سیلندر با این ماده ساخته شود، می توان با بکارگیری مناسب از این ماده در بوش سینلدر و دیگر نقاط پرفشار هم وزن را کاهش داد و هم اینکه خواص مکانیکی را برای قدرت بالا حفظ نمود.

مراجع:

[1] Wilson Luiz Guesser – Tupy Fundições and UDESC (Universidade do Estado de Santa Catarina) wguesser@tupy.com.br Rua Albano Schmidt,” Compacted Graphite Iron – a new material for diesel engine cylinder blocks”, 2003

[2] Dr.Steve Dawson, SinterCast, Sweden “Compacted graphite iron – A material solution for modern diesel engine cylinder blocks and heads”. August 2009, 243-246

[3] John Lenny Jr. An Engineering Project Submitted to the Graduate Faculty of Rensselaer Polytechnic Institute in Partial Fulfillment of the  Requirements for the degree of MASTER OF ENGINEERING IN MECHANICAL NGINEERING, “ Replacing the Cast Iron Liners for Aluminum Engine Cylinder Blocks: A Comparative Assessment of Potential Candidates”, April 2011, 5-6