Bij een diesel wordt de zuiger zeer zwaar belast. Niet alleen door de hoge verbrandingsdruk in een turbodiesel, maar vooral doordat de verbranding in een kom bovenin de zuiger plaatsvindt. Grotendeels wordt dus de zuigerkroon verhit, meer dan de cilinderwand of cilinderkop. Met oliesproeiers kan de zuiger van onder af gekoeld worden, maar aan de capaciteit van die koeling valt weinig te vergroten.

Vermoeiingsbreuk

Met het oplopen van de zuigerbelasting in downsize-diesels neemt de kans op zuigerschade toe. Technici van Federal-Mogul zochten in detail uit wat er dan precies misgaat. Zodat daarvoor dan een oplossing bedacht kon worden. Die oplossing leverde de DuraBowl-zuiger op.

Het bleek dat de metaalstructuur in een gegoten aluminium zuiger problemen krijgt met de steeds hogere druk en temperatuur in moderne diesels. Er moet silicium in het aluminium zitten om het goed te kunnen gieten. Maar nu blijkt dat zich in het gietproces te grote brokjes silicium vormen.

Dat gaat niet goed bij sterke verwarming, daar aluminium acht keer zo sterk uitzet als silicium. Dat geeft materiaalspanning, ook als de zuiger gekoeld wordt. Tijdens de verbranding lopen temperatuur en spanning hoog op, waarna de zuigerkoeling die warmte weer afvoert.

De steeds wisselende inwendige spanning levert vermoeidheidsbreuken op. Daarbij zijn met name de randen van siliciumbrokjes zwakke punten in het materiaal.

Versterkte structuur

Nu kun je, zegt Federal-Mogul, dat wel oplossen door vezelversterking in de zuiger aan te brengen. Maar dat maakt de fabricage een stuk ingewikkelder en duurder. Een gesmede stalen zuiger is ook sterker, maar zwaarder en duurder dan gegoten aluminium.

Uiteindelijk kreeg Federal-Mogul een andere oplossing voor elkaar, die als nabewerking uitgevoerd wordt en niet kostbaar is. Het levert een veel fijnere materiaalstructuur, met beter verdeeld silicium.

Dat realiseert men door het oppervlak van de zuigerkom na het gieten van de zuiger opnieuw te smelten. Het oppervlaktelaagje wordt daarna zeer snel gekoeld, net zoiets als het ‘afschrikken’ van stalen voorwerpen. Met hetzelfde resultaat, dat het toplaagje aluminium in de zuiger een stuk sterker wordt.

Volgens technologiedirecteur Frank Dörnenburg ligt de levensduur van aldus behandelde zuigers “conservatief geschat viermaal zo hoog”. In het gunstigste geval zou een DuraBowl-zuiger tot zevenmaal zo lang meegaan als een gewone aluminium zuiger. Zo kunnen er dus veilig nog een aantal stappen in downsizing van diesels worden gezet.

Peter Fokker (Redactie Auto & Motor TECHNIEK)