Το έμβολο δέχεται μεγάλη πίεση, την οποία πρέπει ταυτόχρονα να διατηρήσει, δηλαδή να μην παρουσιάσει διαρροές. Από αυτό το σημείο γίνονται φανερές οι δύο βασικές απαιτήσεις ενός κατασκευαστή εμβόλου:
• να είναι ανθεκτικά και
• να εφάπτονται με ακρίβεια με τα τοιχώματα του κυλίνδρου.
Την απόλυτη στεγανοποίηση του θαλάμου καύσης αναλαμβάνουν τα ελατήρια, αλλά και πάλι η διάμετρος του εμβόλου πρέπει να βρίσκεται μέσα σε κάποια όρια (ανοχή) ώστε αφενός να κάνουν τα ελατήρια τη δουλειά τους, αφετέρου το έμβολο να είναι ελεύθερο να κινείται μόνο στον κατακόρυφο άξονα και όχι στον κάθετο, με άλλα λόγια να μην παρουσιάζει "τζόγους" οι οποίοι οδηγούν σε φθορά.
Όλα αυτά πρέπει να τα επιτυγχάνει, τη στιγμή που ο ρυθμός παλινδρόμησης μπορεί να φτάνει και στις.. 20.000 ταλαντώσεις το λεπτό στην καλύτερη περίπτωση ( 1 ταλάντωση = 1 στροφή του στροφαλοφόρου), κάτι το οποίο αποκαλύπτει άλλη μια απαίτηση:
• χαμηλό βάρος
Ελαφρύ, ανθεκτικό και κατεργασμένο με ακρίβεια πρέπει, επομένως, να είναι ένα έμβολο. Απαιτήσεις οι οποίες ξεκινούν ήδη από την επιλογή του υλικού.
Υλικά κατασκευής εμβόλων
Στους παλιούς κινητήρες χρησιμοποιούνταν έμβολα από χυτοσίδηρο (μαντέμι). Όμως λόγω του μεγάλου βάρους τους, αναπτύσσονταν μεγάλες δυνάμεις αδράνειας και έτσι οι κινητήρες ήταν επί το πλείστον αργόστροφοι. Σε σύγχρονους κινητήρες, τα έμβολα είναι αποκλειστικά από κράματα αλουμινίου – πυριτίου. Τα έμβολα αυτά έχουν σχετικά μικρή μάζα αλλά και πολύ καλές ιδιότητες ολίσθησης μέσα στον κύλινδρο. Έτσι, οι τριβές μειώνονται, οι κινητήρες γίνονται πολύστροφοι και παρουσιάζουν μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό πυριτίου στο κράμα, τόσο μικρότερη είναι η θερμική διαστολή και η φθορά, αλλά και τόσο δυσκολότερη γίνεται η κατεργασία κατά την κατασκευή.
Με προστατευτικές στρώσεις στις πλευρικές επιφάνειες του εμβόλου, ελαττώνεται η τριβή, δημιουργούνται καλύτερες ιδιότητες λίπανσης και έτσι ο κινητήρας μπορεί να φορτιστεί περισσότερο. Χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες στρώσεις:
• Στρώση κασσίτερου:
Στην μέθοδο αυτή επικάθεται ο κασσίτερος στο αλουμινένιο έμβολο και έτσι το έμβολο έχει καλές ιδιότητες ολίσθησης.
• Στρώση γραφίτη:
Σε αυτή την μέθοδο η επίστρωση επιτυγχάνεται με εκτόξευση και το πάχος αυτής μπορεί να φτάσει μέχρι και τα 0,04 mm. Η επίστρωση αυτή παρέχει εξαιρετική προστασία από την φθορά.
• Στρώση σιδήρου:
Το στέλεχος του εμβόλου επικαλύπτεται και κατόπιν επιστρώνεται με μια στρώση σιδήρου πάχους 30 μm. Ως αντιδιαβρωτική προστασία χρησιμοποιείται μια στρώση κασσίτερου. Με αυτόν τον τρόπο, το έμβολο μπορεί να λειτουργήσει σε κύλινδρο από κράμα αλουμινίου.
Συνοψίζοντας τα υλικά των εμβόλων, αυτά πρέπει να παρουσιάζουν:
• Μικρή πυκνότητα.
Το έμβολο πρέπει να έχει μικρή μάζα, για να μην εμφανίζονται μεγάλες δυνάμεις αδράνειας.
• Υψηλή αντοχή
Ακόμη και στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες καθώς επίσης και υψηλό σημείο τήξης.
• Ελάχιστη θερμική διαστολή
Για να τηρούνται όσο το δυνατόν μικρότερες ανοχές μεταξύ εμβόλου και κυλίνδρου. Έτσι αποφεύγουμε το «χτύπημα» του εμβόλου και στεγανοποιούμε τον κύλινδρο καλύτερα.
• Ελάχιστη αντίσταση τριβής
Για να έχουμε καλύτερες ιδιότητες ολίσθησης του εμβόλου μέσα στον κύλινδρο και έτσι να παρουσιάζεται αυξημένος βαθμός απόδοσης του κινητήρα.
Κατασκευή εμβόλων.
Η κατασκευή του εμβόλου χωρίζεται σε δυο τμήματα:
• στην χύτευση και
• στη μηχανουργική κατεργασία.
Η χύτευση γίνεται με ειδικά καλούπια σε ειδικά χυτήρια πίεσης. Το κράμα αλουμινίου–πυριτίου χυτεύεται στα καλούπια τα οποία είναι προθερμασμένα για να διευκολυνθεί η ροή του τηγμένου μετάλλου. Έπειτα μια πρέσα συμπιέζει το μέταλλο μέσα στα καλούπια με πιέσεις που φθάνουν τους 80 t. Η διαδικασία αυτή αποσκοπεί στην συμπίεση της μοριακής δομής του υλικού και συνεπώς στην ενίσχυση των μηχανικών του ιδιοτήτων. Με αυτόν τον τρόπο κατασκευάζονται τα έμβολα των κινητήρων καθημερινής χρήσης. Αυτά έχουν μικρό συντελεστή κυβικής διαστολής, με λειτουργικές ανοχές εμβόλου – τοιχωμάτων κυλίνδρου που κυμαίνονται μεταξύ 0,02 – 0,04 mm. Αφού το μέταλλο στερεοποιηθεί και κρυώσει, το καλούπι αφαιρείται και το έμβολο πηγαίνει το μηχανουργείο για την διαμόρφωσή του.
Σφυρήλατα έμβολα
Τα απλά σφυρήλατα έμβολα προέρχονται από την μηχανουργική κατεργασία έτοιμων μασουριών σφυρηλατημένου υλικού. Σ’ αυτήν τη περίπτωση, το κράμα αλουμινίου χυτεύεται σε ειδικά καλούπια και αντί να πρεσαριστεί με σταθερή πίεση, σφυρηλατείται, από ένα βάρος που μπορεί να ξεπεράσει τους 100 t, πέφτει επάνω στο ελεύθερο άκρο της μήτρας και συμπιέζει το τηγμένο υλικό. Ένας άλλος τρόπος είναι ότι η σφυρηλάτηση γίνεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, όταν το μασούρι αφαιρεθεί από το καλούπι, αλλά είναι ακόμα σε θερμοκρασία που το καθιστά εύπλαστο. Τότε τοποθετείται σε ειδικές μήτρες πρέσας και σφυρηλατείται. Με αυτόν τον τρόπο, η μοριακή δομή του κράματος συμπιέζεται περισσότερο και όντως οι μηχανικές ιδιότητες του υλικού αυτού είναι λίγο ανώτερες από ενός ‘κοινού’ εμβόλου.
Τα «γνήσια» σφυρήλατα έμβολα όμως κατασκευάζονται διαφορετικά. Κύριος σκοπός της σφυρηλάτησης είναι η αύξηση της σκληρότητας του υλικού, μέσω της πύκνωσης του μοριακού του πλέγματος. Επειδή όμως ένα σφυρήλατο κράμα τείνει να έχει μικρότερη σκληρότητα προς το κέντρο της διατομής του, η σφυρηλάτηση των εμβόλων αυτών γίνεται με διαφορετικό τρόπο. Τα καλούπια τους μοιάζουν σχεδόν με αυτά των απλών εμβόλων και η σφυρηλάτηση γίνεται με το έμβολο μέσα στο καλούπι. Έτσι έχουμε ένα σφυρήλατο κράμα, με μορφή και διαστάσεις πολύ κοντά σε αυτές του τελικού κατεργασμένου προϊόντος και άρα η μηχανουργική του κατεργασία δεν θα αλλοιώσει σχεδόν καθόλου τις ιδιότητες του. Σε αυτήν την περίπτωση, το μοριακό πλέγμα του κράματος είναι πολύ συμπιεσμένο, με αποτέλεσμα να έχει ειδικό βάρος σχεδόν ίδιο με αυτό του σιδήρου και συχνά μεγαλύτερο από αυτόν. Μοναδικό μειονέκτημα, είναι ότι έχει πολύ μεγάλο δείκτη κυβικής διαστολής, που επιτάσσει ανοχές μέχρι και τα 0,12 mm. Το υπό κατασκευή έμβολο μετά την χύτευση περνά στον τόρνο και την φρέζα.
Αυτά είναι εξελιγμένα CNC μηχανήματα που παίζουν με ακρίβεια χιλιοστό του χιλιοστού. Αυτά τα μηχανήματα μπορούν να κατεργάζονται το έμβολο ακόμα και γύρω από τους 5 άξονες ταυτόχρονα, προκειμένου να αποδίδουν πιστά τις κωνικές μορφές του, που θα εξασφαλίσουν το κυλινδρικό του σχήμα, όταν έρθει σε θερμοκρασία λειτουργίας. Τα κοπτικά πλακίδια και τα υγρά που χρησιμοποιούνται είναι εξειδικευμένα και ποικίλουν ανάλογα με το κράμα του εμβόλου. Τα κορυφαία κράματα είναι τόσο σκληρά, με αποτέλεσμα να απαιτούν κατεργασία με κοπτικά εργαλεία από κεραμικά υλικά. Το κόστος εργασίας ενός εμβόλου αυξάνεται, όσο αυξάνεται η ποιότητα.
