функции, принцип работы и конструкция
Деталь, без которой не может работать двигатель внутреннего сгорания, — это поршень. Как он устроен, и какие проблемы с ним возникают чаще всего?
Содержание
- Что такое поршень двигателя, и принцип работы
- Из какого материала производятся поршни
- Конструкция поршня
- Причины износа поршней двигателя
Большинство автолюбителей знают, как работает двигатель внутреннего сгорания. Химическая энергия, содержащаяся в топливе, питающем двигатель (дизельное топливо, бензин и т. д.), преобразуется в механическую и тепловую энергию в процессе сгорания. При этом в камере сгорания образуются газы высокой температуры и давления, которые воздействуют на головку поршня. Они заставляют его перемещаться к нижней мертвой точке (рабочий ход).
В четырехтактных двигателях описанный процесс происходит поочередно. В результате поршневая пара 1—3 находится в нижней мертвой точке, а поршневая пара 2—4 — в верхней мертвой точке (она воспламеняется, сжигает топливно-воздушную смесь и толкает ее к нижней мертвой точке).
Возвратно-поступательный поршень крепится поршневым пальцем к шатуну. Он получает механическую энергию от смеси, сгоревшей в цилиндре. Большинство поршней двигателя изготовлено из сплавов алюминия и кремния. К материалам для изготовления поршней предъявляются высокие требования:
- прочность материала при высоких рабочих температурах;
- высокое сопротивление усталости;
- определённая теплопроводность;
- низкий коэффициент теплового расширения;
- низкая удельная масса;
- устойчивость к абразивному износу;
- устойчивость к коррозии.
При производстве поршней делаются два выбора. Первый (габариты) позволяет выбрать поршень, обеспечивающий оптимальный зазор пары поршень-цилиндр. Второй, в зависимости от массы, состоит в подборе такого поршня, чтобы балансировка системы поршень-кривошип была максимально простой.
Поршень имеет головку, опору ступицы, опору поршневого пальца, кольцевую часть и опорную часть.
Днище
Форма днища зависит от требуемых характеристик камеры сгорания. Самое простое решение — плоское днище. В двигателях с искровым зажиганием, а также в двигателях с воспламенением от сжатия с раздельными камерами сгорания используются слегка выпуклые формы днища, так как они увеличивает жесткость конструкции. Поднутрение в головке поршня используется не для придания формы камере сгорания, а для защиты ее от контакта с клапанами и для направления потока газов, образующихся в процессе сгорания.
Ступица используется для установки поршневого пальца. Как правило, она находится в центре тяжести поршня. Поршневой палец соединяет шатун с поршнем и передает силу, создаваемую газообразными продуктами сгорания, к оси шатуна. Из-за высоких температур в камере сгорания, действующих сил, переменных нагрузок и необходимости смазки для поршней используются разные материалы (например, цементационная сталь 15H, 15N, сталь 38HN для улучшения нагрева или азотированная сталь 38 HMJ).
Поршневые кольца
Основные размеры поршневого пальца определяются на основании расчетов на прочность и выбираются, исходя из действующих стандартов.
Кольцевая часть поршня находится в его верхней части. Двухтактные двигатели имеют 1-4 поршневых кольца, а четырехтактные — 2-4 кольца (обычно используются три).
Количество используемых поршневых колец зависит, среди прочего, от степени сжатия.
Первое поршневое кольцо уплотняет цилиндр. Оно называется уплотнительным (компрессионным). Оно герметизирует камеру сгорания и предотвращает попадание газов в блок цилиндров. Из-за своего расположения кольцо подвержено коррозии и воздействию самых высоких рабочих температур. До 70% тепла передается к цилиндру через компрессионное кольцо. Обычно оно имеет прямоугольную или бочкообразную форму.
Бочкообразное кольцо имеет изогнутую рабочую поверхность для смазки, которая снижает вероятность исчезновения масляной пленки из-за чрезмерного давления на цилиндр.
Кольцо, расположенное в нижней части поршня, называется собирающим (масляным).
Собирающее кольцо имеет две рабочие поверхности, между которыми имеются овальные или круглые отверстия, через них собранный излишек масла поступает к блоку двигателя. Многие масляные кольца используют расширяющуюся пружину для увеличения давления на стенки цилиндра.
Между уплотнительным и собирающим кольцами находится также компрессионно-собирающее кольцо. Его задача — улавливать газы, прошедшие через уплотнительное кольцо, и соскребать излишки масла с поверхности цилиндра. Оно имеет особую форму рабочей поверхности.
Некоторые кольца имеют так называемый нос, то есть разрез, благодаря которому они лучше оттирают смазочное масло. Неправильная установка компрессионно-собирающего кольца приводит к увеличению расхода масла.
Поршневые кольца герметизируют камеру сгорания. Они должны иметь возможность упруго регулироваться под воздействием высокой температуры. Они имеют точно заданную форму, так как необходимо, чтобы они плотного прилегали к стенкам цилиндра для обеспечения герметичности. Соответствующая форма поршневых колец достигается за счет овализации.
Чаще всего поршневые кольца изготавливаются из серого чугуна. Этот материал используется из-за простоты подгонки к стенке цилиндра. Его можно покрыть другими материалами для увеличения прочности.
Трещины на головках поршней и на поршневых кольцах из-за термического износа являются обычной проблемой. Развитие автомобильной промышленности в последние годы привело к тому, что эффективность поршней и поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания зависит в первую очередь от долговечности используемых материалов. Условия эксплуатации привода также являются важным фактором. Вероятность отказа двигателя увеличивается с усилением тепловых нагрузок, связанных с ростом производительности (например, за счет увеличения степени сжатия, номинальной мощности, наддува или из-за использования более двух клапанов на цилиндр).
Конструкционные и эксплуатационные факторы влияют на деградацию материала, используемого в поршнях. В зависимости от перечисленных факторов можно указать следующие виды износа:
- износ из-за трения,
- износ, вызванный повреждением материала (действие переменных механических и термических нагрузок),
- процесс коррозии (изменение физико-химических свойств верхнего слоя материала),
- эрозионный (в результате динамического воздействия газообразной или жидкой среды).
Очень часто трещины вызывают зазубрины, образованные краями углублений клапана. Такие повреждения могут привести, в частности, к нарушениям в процессе горения топливно-газовой смеси или к снижению герметичности камеры.
В двигателях с форкамерным впрыском наиболее распространенным дефектом является растрескивание головки поршня.
Температура на краю поршня в зоне камеры сгорания может быть чуть более 380°C . В случае контакта с жидкостью создаются экстремальные условия, которые могут вызвать трещины или необратимую деформацию поршня. Такое повреждение днища может быть причиной, например, попадания воды или топлива в камеру сгорания.
Еще одна причина повреждения поршня — его тепловая перегрузка. Она может произойти, если масло меняют слишком редко (в автомобилях с двигателем с воспламенением от сжатия его следует менять примерно раз в год; в автомобилях с двигателем с искровым зажиганием — примерно каждые 1,5 года). Это также может привести к засорению форсунок охлаждения моторного масла.
От 40 до 50% механических потерь в двигателе внутреннего сгорания — это потери из-за трения колец и поршня о поверхность подшипника цилиндра. По этой причине размеры поверхности трения колец уменьшаются (при неизменном давлении). Это приводит к снижению эластичности поршневых колец, что может вызвать разрушение из-за тяжелых условий эксплуатации.
- трибологического износа;
- механических перегрузок, которые возникают из-за нарушения процесса сгорания, ошибок сборки или из-за больших нагрузок при запуске холодного двигателя.
Трибологический износ — это вид износа, возникающий в результате процессов трения. Процессы изнашивания изменяют массу, структуру и физические свойства поверхностных слоев контактных площадок. Интенсивность износа является следствием различных взаимодействий и сопротивления участков трения поверхностных слоев.
Еще одна причина повреждения — захват. Он появляется на юбке поршня и вокруг колец. Частые причины этого явления — частицы от процессов трибологического износа или локального перегрева. Алюминиевый сплав поршня термически расширяется вдвое больше, чем чугун в цилиндре.
Основными параметрами двигателя внутреннего сгорания являются:
- объем хода — это разность между верхним и нижним возвратным положением поршня в цилиндре;
- объем камеры сгорания — это объем над головкой поршня, когда он находится в верхнем убираемом положении;
- общий объем двигателя — это сумма объема цилиндра и объема камеры сгорания;
- степень сжатия — это общий объем, деленный на объем камеры сгорания.
Поршень является одной из важнейших частей двигателя, в случае возникновения неисправностей необходимо сразу провести диагностику. Промедление может провести к дорогому ремонту или вообще полной замене двигателя.
Поршень двигателя и его конструктивные особенности
Search — Remove Shortcode
Поиск материалов
plg_search_jcomments
Войти
Регистрация
- Главная
- Техничка
- Поршень двигателя и его конструктивные особенности
Среда, 27 апреля 2016
Если говорить о поршнях, то принцип их работы помогут понять несколько бытовых примеров применения. Поршень воздушного насоса помогает накачивать камеры автомобильных и велосипедных покрышек. Поршень внутри медицинского шприца помогает набирать и вводить лекарство при уколах.
А поршень шприца кулинарного – пальчики оближешь.Вот такие простые примеры помогают четко понять, что, во-первых, обязательным элементом при работе поршня будет цилиндр – такая труба или полость, внутри которой происходит прямолинейное и поступательное перемещение поршня. Во-вторых, это рабочая среда, которая контактирует с поршнем по его торцевой плоскости. Энергия при работе поршня преобразуется из внутренней энергии рабочей среды в кинематическую энергию движения поршня или из кинематической энергии движения поршня во внутреннюю энергию или работу.
Следует также отметить, что форма поперечного сечения поршня, как правило, круглая, хотя это совсем не обязательно – она может быть и прямоугольной, и квадратной, и любой другой формы. Просто круглая форма является наиболее технологичной, т.е. ее легко изготовить как для самого поршня, так и для рабочего цилиндра.
Особое место занимают поршни, работающие в двигателях внутреннего сгорания. Ведь, по сути, двигатель – это сердце автомобиля, а поршень можно уверенно назвать самой ответственной деталью этого сердца.
Условия, в которых функционирует поршень автомобиля, не назовешь легкими. В первую очередь, это высокая температура сгоревших газов в пространстве камеры сгорания над поршнем, которая может достигать 2000°. Она передается как корпусу двигателя — через камеру сгорания цилиндра, так и самому поршню.И если корпус цилиндра имеет возможности к охлаждению снаружи, то для поршня это требует специальных решений задачи по разбрызгиванию охлаждающей среды (например, масла в виде тумана). В целом, влияние высокой температуры в рабочей зоне поршня определяет выбор материала, подходящего для изготовления, и этот материал должен иметь высокую теплостойкость, иначе поршень может даже расплавиться.
Не менее важно влияние температуры на конструкцию, так как вместе с нагреванием будет происходить расширение самого поршня, что может привести к его заклиниванию, а при частоте возвратно-поступательного движения не менее 200 раз в секунду – к поломке. В этом случае требуется материал с низким коэффициентом линейного теплового расширения.
Ранее распространенным материалом с достаточными свойствами был чугун, сегодня это сплавы на основе алюминия. Эти материалы также хороши с точки зрения технологичности конструкции, т.е. позволяют изготовлять поршень достаточно простыми средствами. Кроме этого, алюминиевые сплавы и чугун обеспечивают нужный коэффициент трения-скольжения поршня об стенку гильзы цилиндра, это позволяет снизить потери мощности от трения, что, соответственно, повышает КПД цилиндра, а, значит, и двигателя в целом.
Однако относительно большой удельный вес чугунных поршней из-за возникающих в процессе работы сил инерции определяет применение преимущественно в тихоходных двигателях. Для автомобильных двигателей поршни изготавливают из более легких алюминиевых сплавов.
Все эти особенности работы поршня и определяют его конструкцию, которая включает в себя днище, уплотняющую и направляющую части (направляющую еще называют «юбкой»), а головка поршня состоит из днища и уплотняющей части. Днище непосредственно взаимодействует с горячими газами камеры сгорания, может быть вогнутым или выпуклым, а также иметь дополнительные полости, учитывающие расположение различных выступающих элементов (например, форсунок или свечей зажигания).
На уплотняющей части расположены канавки для установки компрессионных и маслосъемных колец. Часть головки поршня на расстоянии между плоскостью днища и канавкой для первого поршневого (компрессионного) кольца называют «огненным поясом» поршня. И это не случайно, так как назначение компрессионного кольца состоит в том, чтобы не пропускать газы из камеры сгорания в обход поршня (первым компрессионным кольцом отводится 45% тепла).
В тронке (юбке или направляющей части) поршня предусмотрены 2 бобышки для установки пальца-шатуна. Для компенсации температурных напряжений, возникающих у бобышек, на поверхности «юбки» делают углубления для предотвращения задиров, связанных с температурными деформациями, – так называемые «холодильники».
При проектировании поршней конструкторы работают над максимальным их облегчением, что улучшает показатель работы двигателя, стремятся избегать повышенного износа поршня, а также его прогара. Для решения последней задачи учитывают распределение тепловых потоков от камеры сгорания к различным деталям двигателя, в том числе и потоки, проходящие через поршень.
После анализа распределения тепловых потоков намечают способы охлаждения поршня. Очевидно, что на конструкцию поршня также будет оказывать влияние и то, как он взаимодействует с сопрягаемыми деталями – поршневыми кольцами, гильзами и кривошипно-шатунным механизмом.
Зная и понимая условия и принцип работы поршня в двигателе внутреннего сгорания, невозможно оставаться равнодушным к его конструкции, когда вы смотрите на его изображение, а тем более когда чувствуете его металл в своих руках.
Видео о том как делают автомобильные поршни:
Автор
Super UserКомментируют
Топ блоги
Как автомобилисту не уснуть за рулем
В России наладят сборку кроссовера Creta компании Hyundai
Кузовная покраска своими руками
Обзор AUDI Q2 2016-17
Внешность JAC S7 раскрыта
Что делает гоночный поршень?
В то время как любой поршень может быть «гоночным», для того, чтобы по-настоящему определить, что делает гоночный поршень, необходимо вникать в целенаправленный дизайн и проектирование.
Очевидно, что это открытый вопрос, потому что в ответе будут выделяться сверхсложные поршни, разработанные для Формулы-1 и World Endurance Challenge (WEC), но чтобы быть полностью буквальным, ответ должен подтверждать модифицированные вручную литые заводские поршни, используемые в Гонки Hobby Stock на местном грунтовом треке.
В качестве аргумента давайте определим гоночный поршень как поршень, который лучше всего подходит для любого строителя, собирающего двигатель для соревнований по автоспорту. Оттуда обсуждение может перейти к более конкретным темам для обсуждения.
«Обычно [гоночный поршень] представляет собой высокоразвитую конструкцию, которая претерпела множество итераций для оптимизации ее использования в очень специфических условиях», — сказал Алан Стивенсон, старший технический менеджер по работе с клиентами.
В специально созданный гоночный поршень входит многое, например этот поршень Top Fuel. В первую очередь гоночный поршень разработан для конкретного применения и имеет конструктивные особенности, позволяющие однозначно адаптировать его к этому приложению. Простое сравнение поршней эпохи маслкаров 60-х годов с более современными продуктами, безусловно, подтвердит эту позицию. Производители улучшили материалы и конструкции с помощью передового компьютерного моделирования, чтобы повысить мощность и эффективность использования топлива.
Чтобы начать эту гонку на скамье, рассмотрите основы конструкции алюминиевого поршня. Если нет особых ограничений правил, кованый поршень всегда будет предпочтительнее в гонках, чем литой. «Forged — это стандарт, предлагающий превосходную гибкость дизайна и лучшее соотношение цены и качества», — сказал Стивенсон. «Cast не обладает гибкостью и поэтому не может быть разработан или оптимизирован. Литые поршни также тяжелые и хрупкие, но они дешевы в производстве»
Кованые поршни могут быть изготовлены либо из кованой заготовки (справа), где вся форма поршня выточена из кованого алюминиевого цилиндра, либо из сетчатой поковки, которая сжимается ближе к своей окончательной форме с помощью ковочного штампа. Подробнее о процессе ковки поршня читайте ЗДЕСЬ. Маломощные двигатели могут выжить с литыми поршнями, так как они не будут подвергаться чрезмерному нагреву или высоким оборотам. Вы мало что можете сделать для улучшения характеристик с литым поршнем, кроме как выточить немного металла в головке, чтобы очистить клапаны, если установлен более агрессивный распределительный вал.
В 80-х и 90-х годах заэвтектика стала модным словом в поршневой промышленности. Заэвтектический поршень — это поршень, в металлическом составе которого содержится более 12,5% кремния, обычно от 16 до 18%. Стандартный литой алюминиевый поршень содержит от 8 до 10 процентов силикона, что повышает твердость и помогает уменьшить износ кольцевых канавок, юбки и бобышки пальца. Заэвтектический поршень по-прежнему изготавливается методом литья, но сплав стал немного легче, а из-за повышенной прочности отливку можно сделать немного тоньше, чтобы еще больше снизить вес.
Кованые поршни изготовлены из двух разных материалов: алюминия 4032 и 2618. У каждого есть уникальный список плюсов и минусов, которые делают его предпочтительным сплавом для различных применений. Тем не менее, кованый поршень будет намного прочнее, и именно поэтому он доминирует на рынке производительности. Есть два алюминиевых сплава, популярных для поковок: SAE 4032 и SAE 2618. Здесь делается еще один выбор, который часто отличает или, по крайней мере, является хорошим аргументом в пользу гоночного поршня, хотя один сплав не всегда подходит. «лучше» другого.
– Термин «лучше» сложен. Если бы только один сплав лучше подходил для достижения каждой цели, не было бы множества предложений», — объясняет Стивенсон. «4032 меньше расширяется, поэтому ему требуется меньший зазор в холодном состоянии, который работает тише. Это может быть важно для двигателей EFI с датчиками детонации. 4032 менее плотный, поэтому данная конструкция будет легче, чем 2618, однако 4032 не обладает такой стойкостью к высокотемпературному отжигу, как 2618».
Опять же, содержание кремния является отличительным фактором. Поршень 4032 содержит от 11 до 13 процентов кремния, а 2618 — менее 0,25 процента. «2618 имеет более высокий предел прочности, лучшую стойкость к отжигу при повышенных температурах и лучшую пластичность. В условиях гонок цель часто состоит в том, чтобы свести к минимуму вес, не жертвуя долговечностью в условиях высокой температуры. По этим причинам 2618 часто получает одобрение, — продолжает Стивенсон.
Хотя большинство гоночных поршней изготовлены из алюминия 2618, в гонках высокого класса используются некоторые экзотические материалы — по крайней мере, они были опробованы до того, как были запрещены. Алюминиево-бериллиевый сплав, исключительно легкий и прочный, с превосходными тепловыми свойствами, был разработан Mercedes/Ilmor для команды McLaren Formula 1 в конце 1990-х гг. 0 с. Однако сплав был быстро запрещен, поскольку бериллиевая пыль чрезвычайно опасна, а при пожаре элемент превращается в оксид бериллия, который чрезвычайно токсичен.
Последний усовершенствованный сплав, получивший признание в автоспорте, — это алюминиево-металлический матричный композит, или MMC. Еще один очень жесткий и легкий сплав, MMC также запрещен Формулой 1, но продолжает вызывать интерес в других областях автоспорта, где правила более открыты.
Более тонкие поршневые кольца из лучших материалов часто используются в гоночных поршнях. Изображенное верхнее кольцо изготовлено из высокоуглеродистой стали и имеет толщину 0,043 дюйма. Это хорошо циркулирующая монета слева для сравнения. В течение многих лет лучшие производители двигателей отдавали предпочтение цельным поршням, а не кованым, и, возможно, не по той причине, по которой вы могли бы подумать. «Заготовка — это не просто вариант поковки, — сказал Стивенсон. «Заготовки рассматриваются как комплексные инженерные решения, которые проходят через несколько итераций архитектурного проектирования с использованием моделирования методом конечных элементов для оптимизации проекта в соответствии с очень специфическим набором условий окружающей среды. Большинство популярных конфигураций предлагаются в виде позиции каталога, но если встречается несоответствующая комбинация, то можно спроектировать и изготовить кованый поршень по индивидуальному заказу всего за пару недель. Это половина нашего дела».
Другими словами, поршни из заготовок в основном используются в проектах разработки в сжатые сроки, где можно быстро внести критические изменения, не беспокоясь о том, что подходящая поковка недоступна. Дебаты о прочности заготовок и кованых изделий будут иметь сторонников и недоброжелателей с обеих сторон, но, вообще говоря, правильно выполненная поковка будет иметь врожденную прочность в структуре зерна, которой не будет у поршня из заготовок. «Вероятно, 98 процентов гоночных формул имеют кованые варианты, доступные на вторичном рынке», — подтверждает Стивенсон.
Противодетонационные канавки (слева) предназначены для устранения скачков давления, вызванных детонацией. Аккумуляторные канавки (справа) обеспечивают дополнительный объем под верхним кольцом, поэтому давление не увеличивается и не пытается сместить верхнее кольцо. В дополнение к улучшенным материалам и передовым методам изготовления были разработаны специальные функции для увеличения мощности за счет термодинамики, уменьшения веса или уменьшения трения. Ниже приведены некоторые примеры конструктивных элементов, часто уникальных для гоночных поршней:
Комплекты с более тонкими кольцами
Хотя некоторые экзотические двигатели работают с комплектами из 2 колец, в большинстве гоночных приложений используются проверенные комплекты из 3 колец. Что кардинально изменилось, так это толщина этих колец, особенно в Pro Stock и других двигателях, не рассчитанных на выносливость. «Вы уменьшаете трение и массу, высвобождая мощность и позволяя двигателю быстрее разгоняться. Секрет мощности в любом N/A двигателе заключается в использовании самых тонких колец, плоско притертых и совмещенных со сверхплоской кольцевой канавкой, а также в обеспечении минимального осевого и радиального зазора», — добавляет Стивенсон.
Антидетонационные канавки, канавка постоянного давления и канавка аккумулятора
«Канавы аккумулятора работают на каждом поршне, но лучше всего работают на поршнях с газовыми отверстиями», — объясняет Стивенсон. «Они работают по закону Бойля; давление и объем обратно пропорциональны. Из-за нормального вторичного движения (качения поршня) верхнее кольцо имеет тенденцию становиться на мгновение неуравновешенным, поскольку оно быстро меняет направление через ВМТ. Поскольку это происходит вблизи пикового воспламенения, давление сгорания имеет тенденцию преодолевать верхнее кольцо, пока оно не стабилизируется. Давление сгорания также проходит через концевой зазор кольца. Аккумуляторные канавки почти вдвое превышают объем под верхним кольцом, уменьшая давление в соответствии с законом Бойля и предотвращая давление на верхнее кольцо снизу, что способствует флаттеру кольца».
Меньшие и более легкие поршневые пальцы
Меньший вес всегда желателен, но использование меньшего или более тонкого поршневого пальца может снизить прочность и долговечность двигателя. «Это часто происходит за счет использования лучших и более дорогих материалов, но также снижает массу, чтобы двигатель разгонялся быстрее», — добавляет Стивенсон.
Укорачивание юбки поршня является хорошим способом удаления массы, но также может быть обязательным для применения в ходовых элементах. Гоночные поршни также имеют разные профили юбки, что помогает им оставаться стабильными в отверстии цилиндра при высоких оборотах.Укороченные юбки
Опять же, больше изменений в конструкции для уменьшения веса и трения, но эти усилия обычно диктуются и ограничиваются архитектурой двигателя, такой как длина гильз цилиндров и ход поршня. «Точка измерения юбки поршня должна оставаться в отверстии в НМТ», — сказал Стивенсон.
Термические покрытия
Некоторые производители двигателей хотят отражать тепло от поршня, предпочитая, чтобы клапаны и головка цилиндра отводили тепло охлаждающей жидкости, а не поршни и кольца через стенку цилиндра. Термические покрытия предназначены для максимально эффективного отвода тепла от днища поршня, а в некоторых случаях и от камеры сгорания.
Покрытие юбки
«Безусловно, наибольшее трение в двигателе создают кольца. Второе место занимают подшипники. Юбки имеют минимальное трение, поскольку они скользят по масляной пленке», — говорит Стивенсон. На гоночных поршнях лучшие команды используют покрытия в качестве страховки от перегрева. В заводских условиях и условиях ежедневного вождения они используются для защиты от сухого пуска и других ситуаций, когда масло на стенке цилиндра ограничено.
Модификации для конкретных применений
«Некоторые модификации не подходят для одного типа гонок, хотя обычно выполняются на поршнях, предназначенных для других видов гонок», — предупреждает Стивенсон. «Некоторые примеры включают вращение бобышек, врезание бобышек, сверление отверстий в юбках или стойках и 3D-фрезерование под коронкой».
Трехмерное профилирование — это процедура точного фрезерования, при которой днище поршня сохраняет одинаковую толщину независимо от профиля купола. Этот шаг гарантирует, что корона имеет необходимую прочность и термостойкость для соревнований с наименьшим весом. «Это особенно важно при попытке максимизировать степень сжатия, и его также можно использовать вокруг предохранительных клапанов, чтобы обеспечить более плавное движение пламени», — добавляет Стивенсон.
Фактическая конструкция коронки и размеры сброса клапана будут зависеть от камеры сгорания и геометрии клапана. Еще одна особенность гоночных поршней заключается в том, что изготовитель двигателя отправляет форму камеры сгорания производителю поршня, чтобы конструкция купола точно соответствовала профилю камеры.
Наконец, некоторые производители двигателей требуют очень незначительной корректировки общей формы и размеров поршня в соответствии со своими потребностями. «Формы юбочного кулачка/цилиндра и диаметры кольцевых канавок являются частью черного искусства оптимизации конструкции в ходе программы разработки», — говорит Стивенсон.
Как видите, гоночный поршень может иметь одну или несколько упомянутых функций и модификаций. Ключевым моментом является проектирование поршня, который отвечает потребностям производителя двигателей, собирающего двигатель для конкретного соревнования.
Поршни | Все, что вам нужно знать о них
Поршни являются ключевым компонентом двигателя внутреннего сгорания, но что они на самом деле делают и почему люди модернизируют их при модификации своих автомобилей с большей мощностью? Мы встретились с директором Wossner UK Дэвидом Уилером, чтобы поговорить обо всем, что касается поршней; вот все, что вам нужно знать о них.
Руководство из журнала Fast Ford.
Что такое поршни и для чего они?
Поршень — это, по сути, верхняя часть гигантского пресса, который используется для сжатия топлива и воздуха внутри вашего двигателя. Он находится в отверстии цилиндра и выполняет жизненно важные действия на каждом из четырех тактов двигателя.
В такте впуска он перемещается вниз от ВМТ (верхней мертвой точки), вызывая разрежение в цилиндре, которое всасывает топливно-воздушную смесь через впускной клапан. На такте сжатия, когда все клапаны закрыты, поршень движется обратно вверх по цилиндру и сжимает воздушно-топливную смесь, готовую к воспламенению и сгоранию. Когда смесь воспламеняется, сгорание толкает поршень вниз по цилиндру на такте рабочего хода. Наконец, поршень поднимается вверх по цилиндру на такте выпуска, чтобы вытеснить газы через открытые выпускные клапаны.
Поршень прикреплен к шатуну, который прикреплен к коленчатому валу и превращает линейное движение во вращательное, которое мы используем для движения автомобиля. Таким образом, поршень должен выдерживать огромное количество тепла и давления, а также справляться с невероятными силами ускорения и торможения.
Одинаковая ли базовая конструкция?
Нет, требуемый тип поршня будет зависеть от рассматриваемого двигателя, и даже в этом случае конструкция поршня будет существенно различаться в зависимости от того, чего вы хотите добиться от этого двигателя — добавление турбонагнетателя потребует совершенно другой конструкции поршня, чем, скажем, при работе двигателя с дроссельной заслонкой с высокой степенью сжатия, даже если базовый двигатель идентичен.
Но есть некоторые основные сходства между некоторыми типами поршней; Например, большинство поршней, предназначенных для двигателей с турбонаддувом, имеют какую-либо чашу. Между тем, поршни, разработанные для двигателей с профилями распределительных валов с высоким подъемом, часто имеют вырезы для клапанов для обеспечения зазора.
Следует отметить, что с более широким использованием технологии прямого впрыска в современных двигателях конструкция поршня значительно улучшилась, и теперь мы видим совершенно разные конструкции для каждого двигателя.
Чем рабочие поршни отличаются от OEM-версий?
Как правило, производитель выбирает стоимость как решающий фактор при выборе двигателя для производства. Иногда это может означать компромиссы между прочностью и весом ради снижения общих затрат.
У высокопроизводительного поршня все наоборот; его главная забота — прочность и вес, а стоимость — второстепенный фактор. Тем не менее, уменьшенный вес и повышенная прочность не являются единственными преимуществами, поскольку поршни с высокими характеристиками позволяют тюнеру / изготовителю двигателей иметь большую гибкость при выборе собственной версии двигателя.
Увеличенные клапанные карманы, чтобы справиться с более дикими кулачками и большими клапанами, альтернативные коэффициенты сжатия для разных видов топлива и стратегии сопоставления, а также разные размеры штифтов для уменьшения веса или увеличения прочности — все это общие изменения, и их гораздо легче изменить благодаря использованию специального производительный поршень.
Некоторые производители двигателей даже указывают перемещение поршневого пальца, чтобы можно было использовать более длинные шатуны для изменения угла наклона шатунов в двигателе — это все еще довольно распространено, например, на мощных высокооборотных двигателях Cosworth YB.
Из чего сделаны поршни?
Поршни, как правило, изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые используются благодаря малому весу и высоким прочностным характеристикам. Кованые поршни, как правило, изготавливаются из алюминия двух марок: 4032 и 2618.
Существует два основных метода изготовления поршней: литье или ковка. Литье самое простое; сплав нагревают до расплавления, а затем заливают в форму. Ковка сложнее; сплав не плавится, а нагревается до тех пор, пока он не станет достаточно податливым, чтобы его можно было вдавить в пресс-форму под очень высоким давлением.
В результате получается более прочный и долговечный поршень, способный лучше выдерживать температуру и давление настроенного двигателя.
Что вызывает отказ поршней?
В большинстве случаев отказ поршня вызван детонацией, также известной как преждевременное зажигание. Преждевременное зажигание может быть вызвано рядом внешних факторов (слишком большой наддув, недостаточное количество топлива и т. д.), но конечным результатом является то, что воздушно-топливная смесь работает слишком бедно. Это вызывает сильное накопление тепла в двигателе, что может привести к повреждению прокладок головок, головок цилиндров и самих поршней.
К другим неисправностям, как правило, относится промывание канала цилиндра, что опять же вызвано неправильным соотношением воздух/топливо (на этот раз слишком много топлива) или неправильным зазором между поршнем и каналом, из-за чего поршень имеет слишком много места для перемещения внутри цилиндра.
Что еще нужно заменить/модернизировать при установке высокопроизводительных поршней?
В наши дни поршневые кольца обычно считаются жертвой, и их всегда стоит менять при обновлении двигателя.
При первой установке высокопроизводительных поршней или сборке нового двигателя рекомендуется одновременно менять подшипники, прокладки и проверять масляный и водяной насосы.
Другим часто упускаемым из виду элементом является жгут проводов топливного насоса. Мы видели ряд отказов (особенно на старых автомобилях) в результате износа проводки на топливном насосе, что означает, что двигатель не получает нужное количество топлива, вызывая проблемы с предварительным зажиганием, о которых мы упоминали ранее.
Как изменились конструкция и конструкция поршня с течением времени?
Значительно изменился. Благодаря новым и более точным инструментам зазоры между поршнем и отверстием могут быть намного меньше, что значительно помогает снизить шум двигателя.