Из какого металла делают поршни
Современные дизельные двигатели должны обладать не только более высокими мощностными показателями при минимальной массе и малом удельном расходе топлива, а и значительно сокращать вредные выбросы. Важным фактором при решении этой проблемы является выбор материала поршня, который может быть изготовлен из алюминиевого сплава или из стали.
Поршень - наиболее ответственная и специфичная деталь в современном двигателе. Он должен быть легким и прочным, способным выдерживать значительные механические и тепловые нагрузки, а кроме того, обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей, низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре.
Удельная мощность современных дизельных двигателей составляет 100 кВт / л. и будет продолжать возрастать, а значит будет расти и максимальное давление в цилиндрах, что также увеличивает нагрузку на поршни.
Поршни работают в «адских» условиях, поскольку во время работы подвергаются высоким термическим и механическим нагрузкам. Обычно срок службы поршня дизеля определяется краем камеры сгорания, на который приходится особенно высокое пиковое давление и температура. В зависимости от материала эта область может разогреваться до температуры от 400 °C до 500 °C.
Алюминий хорошо обрабатывается, замечательно отводит тепло, но имеет ограничения по теплостойкости. Уже при температуре 300 °C его свойства значительно ухудшаются.
Алюминиевые поршни обычно изготавливается из силуминовых сплавов. Для снижения их температуры тепло, возникающее при сгорании топлива, достаточно быстро распределяется и рассеивается в основном через охлаждающее масло и охлаждающую жидкость. Форма и расположение охлаждающего канала, его уровень заполнения и расход масла являются решающими параметрами для оптимального охлаждения.
Благодаря новым каналам охлаждения температура поршня может быть снижена примерно на 35 °C. Другие меры, как, например, армирование волокнами алюминиевого поршня, повышают его прочность при хорошей теплопроводности без снижения прочности. Но имеется предел, который сложно преодолеть.
Поскольку стальной поршень значительно прочнее, чем в алюминиевый, то и расстояние между кольцами, а также общая высота уплотняющей части у него меньше. А поскольку стальные поршни имеют меньшую высоту, то и вес двигателя может быть уменьшен на десятки килограммов.
Первоначально стальные поршни были разработаны для того, чтобы можно было поднять предельное пиковое давление в цилиндрах выше 200 бар для высоконагруженных дизельных двигателей без ущерба для ресурса поршневой группы. У современных коммерческих автомобилей пиковое давление в цилиндрах двигателя достигает 240 бар и тенденция к его повышению сохраняется
Повышенная прочность материала позволяет у стальных поршней иметь значительно меньшую высоту уплотняющей части и поршня в целом [CH]
Испытания на стенде для определения силы трения показали, что стальной поршень может обеспечить экономию топлива от трех до пяти процентов и сокращение выбросов CO2 на три процента. Кроме того, стальные поршни имеют тенденцию расширяться и сжиматься при нагреве со скоростью, очень близкой к скорости чугунного блока, в котором они работают, поэтому характеристики кольцевого уплотнения и выбросов также улучшаются.
Благодаря прочности стали поршень может обеспечить более высокую выходную мощность при повышенных пиковых давлениях в цилиндрах, а выбросы могут быть уменьшены. Все эти преимущества реализованы для двигателей с малой и средней удельной мощностью.
Ситуация несколько иная для двигателей с большей удельной мощностью. В этих случаях стальные поршни не являются идеальным решением.
У сталей тоже есть температурный предел, хотя он значительно выше, чем у алюминия. Сталь образует заметный слой окалины при температуре выше 550 °C, который в целом ослабляет материал - трещины в слое могут привести к трещинам в основе. Также возможно даже разрушение материала.
Кроме того, более низкая теплопроводность стали может привести к проблемам с охлаждением поршня. В отличие от алюминия, у стального поршня тепло хуже отводится от днища. Это может привести к высокой температуре поверхности в охлаждающем канале. Если эти температуры превышают пороговое значение около 350 °C, охлаждающее масло будет быстро стареть и сгорать, в результате чего образуется изолирующий масляный нагар.
Частично проблемы по улучшению охлаждения можно решить изменением формы камеры сгорания в поршне либо применив две форсунки для охлаждающего масла.
Но все-таки для высоких удельных мощностей необходимо будет найти совершенно новые решения, которые не допустят крекинга смазывающих жидкостей.
Поршень двигателя.
• В кривошипно-шатунном механизме поршень выполняет несколько функций, среди которых восприятие давления газов и передача усилий на шатун, герметизация камеры сгорания и отвод от нее тепла. Поршень является наиболее характерной деталью двигателя внутреннего сгорания, т.к. именно с его помощью реализуется термодинамический процесс двигателя.
• Условия, в которых работает поршень, экстремальны и характеризуются высоким давлением, температурой и инерционными нагрузками. Поэтому поршни на современных двигателях изготавливаются из легкого, прочного и термостойкого материала – алюминиевого сплава, реже из стали. Поршни изготавливаются двумя способами – литьем под давлением или штамповкой, т.н. кованые поршни.
— Схема поршня двигателя:
• Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG:
1. головка поршня;
2. поршневой палец;
3. стопорное кольцо;
4. бобышка;
5. поршневая головка шатуна;
6. юбка поршня;
7. стальная вставка;
8. первое компрессионное кольцо (трапециевидное);
9. второе компрессионное кольцо (коническое с подрезом);
10. маслосъемное кольцо (с пружинным расширителем и дренажными отверстиями)
• Поршень цельный конструктивный элемент, который условно разделяют на головку (в некоторых источниках ее называют днище) и юбку. Форма и конструкция поршня в значительной степени определяются типом двигателя, формой камеры сгорания и процессом сгорания, протекающим в ней. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую или близкую к плоской поверхность головки. В ней могут быть выполнены канавки для полного открытия клапанов. Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют более сложную форму. В головке поршня дизельного двигателя выполняется камера сгорания определенной формы, которая обеспечивает хорошее завихрение и улучшает смесеобразование.
• Поршень двигателя SkyActiv-G
Ниже головки поршня выполняются канавки для установки поршневых колец. Юбка поршня имеет конусообразную или криволинейную (бочкообразную) форму. Такая форма юбки компенсирует температурное расширение поршня при нагреве. При достижении рабочей температуры двигателя поршень принимает цилиндрическую форму. Для снижения потерь на трение на боковую поверхность поршня наносится слой антифрикционного материала (дисульфид молибдена, графит). В юбке поршня выполнены отверстия с приливами (бобышки) для крепления поршневого пальца.
— Охлаждение поршня осуществляется со стороны внутренней поверхности различными способами:
масляный туман в цилиндре;
разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
разбрызгивание масла специальной форсункой;
впрыскивание масла в специальный кольцевой канал в зоне колец;
циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.
Поршневые кольца образуют плотное соединение поршня со стенками цилиндра. Они изготавливаются из модифицированного чугуна. Поршневые кольца основной источник трения в двигателе внутреннего сгорания. Потери на трение в кольцах достигают до 25% всех механических потерь в двигателе.
• Число и расположение колец зависит от типа и назначения двигателя. Самая распространенная схема – два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов из камеры сгорания в картер двигателя. Первое компрессионное кольцо работает в наиболее тяжелых условиях. Поэтому на поршнях дизельных и ряда форсированных бензиновых двигателей в канавке кольца устанавливается стальная вставка, повышающая прочность и позволяющая реализовать максимальную степень сжатия. Компрессионные кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную, коническую форму, некоторые выполняются с порезом (вырезом).
• Маслосъемное кольцо удаляет излишки масла с поверхности цилиндра и препятствует попаданию масла в камеру сгорания. Кольцо имеет множество дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.
• Соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Имеется несколько способ установки поршневого пальца. Самый популярный т.н. плавающий палец, который имеет возможность проворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время работы. Для предотвращения смещения пальца он фиксируется стопорными кольцами. Значительно реже применяется жесткое закрепление концов пальца в поршне или жесткое закрепление пальца в поршневой головке шатуна.
• Поршень, поршневые кольца и поршневой палец носят устоявшееся название поршневая группа.
Кованые поршни и их преимущества.
Поршни двигателя – одна из самых сложных и нагруженных деталей. Современная тенденция в спортивном тюнинге – рост максимальных оборотов двигателя. Следовательно приходиться бороться за массу поршня, ведь чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых составляющих сил инерции прижимается к поверхности цилиндра. А значит, меньше будут механические потери, выше мощность, как правило, больше ресурс и выше максимально допустимые обороты двигателя.
В борьбе за снижение массы поршень приобрел оригинальную форму, но напрочь утратил простоту. Во-первых, как известно, металл при нагреве расширяется, причем поршень расширяется неравномерно, больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качания шатуна.
Происходит это из-за того, что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец больше, и поэтому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается неравномерно, и тоже превратиться в изогнутую, как говорят специалисты, «корсетную». Точно также ведет себя и конусная юбка поршня двигателя.
Все это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. А ведь помимо нагрева, поршень подвергается и давлению газов, и воздействиям сил инерции, и под их влиянием тоже деформируется.
Понятно, что поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других воздействиях.
Вот типичный портрет современного поршня для двигателя автомобиля или мотоцикла. Он (поршень) отливается из аллюминиевого сплава с добавлением кремния и в холодном состоянии имеет овальную форму, чтобы при нагреве поршня, в силу упомянутых выше причин, приблизиться к цилиндрической. А для того, чтобы оптимизировать по форме пятно контакта юбки поршня с цилиндром, профиль юбки поршня делают бочкоообразным, причем с запасом, чтобы поршень сохранил форму бочонка и в горячем состоянии.
Кроме того, с целью свести к минимуму температурную деформацию поршня, в тело поршня заливают стальные, термокомпенсирующие вставки, которые призваны удерживать область бобышек от чрезмерного расширения. Главный недостаток литых поршней – процесс литья не свободен от большого процента технологического брака, внутри металла будущего поршня остаются пустоты, возникают трещины. Да и твердость сплава после литья и закалки относительно не высока: 80 единиц по шкале Бринеля.
Поэтому, чтобы соблюсти необходимую прочность литого поршня, его массу приходится увеличивать. К примеру обычный заводской поршень для 16V двигателя ВАЗ, получаемый литьем в кокиль, весит 370 грамм. Как альтернатива заводским, литым поршням появились кованые поршни. В принципе их правильнее называть штампованными, т.к. поршни получают не многократной обработкой давлением, а однократной. Заготовка поршня помещается в матрицу, прижимается пуансоном и полуфабрикат поршня готов. Естественно, окончательную форму поршня он приобретет только после механической обработки.
Штамповка поршня под давлением позволяет упрочнить металл и одновременно сделать поршень гораздо более легким, прочным, надежным и долговечным.
При этом возникает проблема невозможности (вернее большой сложности) запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствии этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня.
В качестве сырья для изготовления кованных поршней используют высококремнистый алюминий (содержание кремния 10-18%), подвергнутый предварительной деформации, в виде прутка, прошедшего многократную протяжку через фильеры. В процессе такой протяжки сечение прутка уменьшается вчетверо и при этом ликвидируются поры в металле будущего поршня и изменяется его структура. Пруток режется, и болванками закладывается в гидравлический пресс.
Усилие в 250 тонн и температура 500 градусов, поддерживаемая системой индукционного нагрева, делает чудеса: металл будущего поршня, словно пластилин, за несколько секунд растекается между матрицей и пуансоном, принимая форму заготовки поршня. Поскольку процесс изготовления поршня протекает при неизменной температуре, называется он изотермической штамповкой. Постоянный нагрев играет здесь большую роль, ведь если температура в зоне матрицы упадет, то возможна недоштамповка поршня, те неравномерное распределение металла.
Если температура повысится, то алюминий будущего поршня попросту начнет плавиться. В результате изотермической штамповки из предварительно деформированного металла и последующего цикла закалки и обязательного старения, получается заготовка под будущий кованый поршень с высокими механическими характеристиками – твердость 130 единиц и отсутствие технологического брака типа каверн, раковин и трещин. Комплект облеченных поршней версии «Тюнинг» весит на 50 грамм легче, по сравнению со стандартными, заводскими ВАЗовскими поршнями.
для сравнения – стандартный, литой поршень ВАЗ от 16V двигателя ( справа ) и спортивный, Т-образный, кованый поршень производства СТИ. Комплект таких поршней весит на 550 грамм легче, чем комплект стандартных, литых поршней ВАЗ.
комплект кованых поршней версии «Тюнинг» для 8V двигателя ВАЗ, кольца поршня 1,5/2,0/3,947мм, поршневой палец 22мм.
комплект кованых поршней версии «Тюнинг» для 16V двигателя ВАЗ, кольца поршня 1,5/2,0/3,947мм, поршневой палец 22мм.
Т-образный кованый поршень 16клапанного двигателя ВАЗ с вытеснителем (для увеличения степени сжатия) под кольца 1,2/1,5/2,0мм, палец диаметром 19мм. Длина пальца 50,2мм. Компрессионная высота поршня 24,3мм.
ВАЗ-овские поршневые кольца с высотой 1,5/2,0/3,947мм для стандартных поршней уступили место более узким фирменным изделиям «Коlbenschmidt», «Маhle» (Германия). Так при диаметре поршня 82,0мм, 82,4мм, 82,5мм, 83,0мм сейчас чаще всего применяют кольца 1,2/1,5/2,0мм. А при диаметре поршня 84мм: 1,2/1,5/2,0мм или 1,5/1,5/2,0мм
Узкие кольца поршня обеспечивают снижение трения, особенно при высоких частотах вращения. Для спортивных моторов национальных гоночных классов, производятся Т-образные поршни под 2а кольца, палец 18мм и высотой 40мм, что с точки зрения снижения массы поршня очень неплохо. Из тех же соображений отверстие в пальце поршня делается не цилиндрическим, а коническим, расширяющимся к его торцам.
«Революционным» в национальных гоночных классах стал переход на кованые поршни с 2мя кольцами, без среднего кольца. При этом за счет одновременного изменения профиля поршня заметного возрастания расхода масла не произошло.
Новые материалы, использумые при производстве кованого поршня (заэвтектические сплавы с содержанием кремния более 14%), и современные технологии позволили уменьшить тепловой зазор между поршнем и блоком цилиндров. Если в прошлом этот зазор доходил до 0,15мм, то сейчас он снижен до 0,05…0,06мм без опасности заклинивания поршня в блоке цилиндров.
25 июля 2012 Метки: поршень , поршни , поршня , кованые , кованый поршень , блок цилиндров , тюнинг , двс , двигатель , поршневая группа
Поршень двигателя: конструктивные особенности
В статье мы рассмотрим конструктивную особенность поршня двигателя автомобиля. Из какого сплава их делают, состав и прочие особенности поршневых колец.
Поршень двигателя представляет собой деталь, имеющую цилиндрическую форму и совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Он принадлежит к числу наиболее характерных для двигателя деталей, поскольку реализация термодинамического процесса, происходящего в ДВС, происходит именно при его помощи. Поршень:
- воспринимая давление газов, передает возникающее усилие на шатун;
На фотографии выше продемонстрированы четыре такта работы поршня двигателя.
Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней
Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:
- высокую механическую прочность;
Требуемым параметрам соответствуют специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть:
В первом варианте их изготовляют путем литья под давлением. Кованые изготовляются методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (в среднем, порядка 15 %), что значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения поршня в диапазоне рабочих температур.
Конструктивные особенности поршня определяются его предназначением
Основными условиями, определяющими конструкцию поршня, являются тип двигателя и форма камеры сгорания, особенности процесса сгорания, проходящего в ней. Конструктивно поршень представляет собой цельный элемент, состоящий из:
Отличается ли поршень бензинового двигателя от дизельного? Поверхности головок поршней двигателей бензинового и дизельного конструктивно отличаются. В бензиновом двигателе поверхность головки — плоская или близкая к ней. Иногда в ней выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Для поршней двигателей, оборудованных системой непосредственного впрыска топлива (СНВТ), свойственна более сложная форма. Головка поршня в дизельном двигателе значительно отличается от бензинового, — благодаря выполнению в ней камеры сгорания заданной формы, обеспечивается лучшее завихрение и смесеобразование.
На фотографии схема поршня двигателя.
Поршневые кольца: виды и состав
Уплотняющая часть поршня включает в себя поршневые кольца, обеспечивающие плотность соединения поршня с цилиндром. Даже самые успешные и состоятельные мужчины хотят новых ощущений. Многие уже устали от пресыщенных барышень из салонов, наглых индивидуалок и высокомерных девиц из экспорт-агентств. Поэтому поиск секса через знакомства на сайтах Новосибирска становится глотком свежего воздуха для многих. Здесь много новых мордашек, не обнаглевших от дорогих подарков, но очень горячих самочек, готовых на многое ради встречи с незнакомцем. Необязательно платить за интим, девушка может попросить подарок или поход в любимое кафе . Техническое состояние двигателя определяется его уплотняющей способностью. Зависимости от типа и предназначения двигателя выбирается число колец и их расположение. Наиболее распространенной схемой является схема из двух компрессионных и одного маслосъемного колец.Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:
- высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
Благодаря легирующим добавкам хрома, молибдена, никеля и вольфрама, термостойкость колец значительно повышается. Путем нанесения специальных покрытий из пористого хрома и молибдена, лужения или фосфатирования рабочих поверхностей колец улучшают их прирабатываемость, увеличивают износостойкость и защиту от коррозии.
Основным предназначением компрессионного кольца является препятствование попаданию в картер двигателя газов из камеры сгорания. Особенно большие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо. Поэтому при изготовлении колец для поршней некоторых форсированных бензиновых и всех дизельных двигателей устанавливают вставку из стали, которая повышает прочность колец и позволяет обеспечить максимальную степень сжатия. По форме компрессионные кольца могут быть:
При изготовлении некоторых колец выполняется порез (вырез).
На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.
Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной, что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической. Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена. Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.
Состав поршневой группы
Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:
- минимальной деформации при работе;
По способу установки поршневые пальцы могут быть:
- закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.
Отвод излишков тепла от поршня
Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:
- системой охлаждения от стенок цилиндра;
С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:
- разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
Видео — работа двигателя внутреннего сгорания (такты, поршень, смесь, искра):
Видео про четырёхтактный двигатель — принцип работы:
Читайте также: