Piston - partea principală a pompelor , compresoarelor și motoarelor cu combustie internă alternativă , care servește la transformarea energiei gazului comprimat în energia mișcării de translație (la compresoare - invers). Pentru conversia ulterioară a energiei în cuplu, sunt folosite restul pieselor KShM - biele și arborele cotit. Primul motor cu combustie internă cu piston a fost creat de inginerul francez Lenoir în 1861 [1] , înainte ca pistoanele să fie folosite în motoare cu abur și pompe.
Pistonul unui motor de portbagaj sau compresor are trei părți care își îndeplinesc funcțiile [2] :
Capul pistonului se numește partea inferioară împreună cu partea de etanșare. Pentru a transfera forța de la piston, la motoarele cu cruce poate fi folosită o tijă sau o bielă conectată la piston prin intermediul unui bolț de piston [3] . Alte opțiuni de conectare ( SPGG , șaibe ) sunt rar utilizate. Pe lângă trunchi sau cruce, tulpina poate percepe și forțe laterale.
Motoarele cu cruce poate folosi pistoane cu două capete. Un astfel de piston are două funduri, iar regimul său termic este mai intens [4] . Dar în cazul utilizării spațiului de sub piston ca pompă de captare, stresul termic nu crește. Tensiunea termică crește la motoarele în 2 timpi, mai ales când se folosește un piston ca bobină de evacuare [5] .
Bolt de piston , dacă este disponibil (pistoane de portbagaj), întotdeauna din oțel , limitat în mișcare în boturi prin inele de reținere sau opritoare din plastic (Mercedes), sau poziția acestuia este determinată prin apăsarea în biela (modelele VAZ timpurii). Cel mai adesea, se folosește un știft plutitor tubular cu inele de reținere, al cărui diametru exterior este cimentat sau cromat [6] .
Forma acestuia depinde de tipul de motor, formarea amestecului, amplasarea bujiilor , injectoarelor , supapelor , modul de organizare a schimbului de gaze în cilindru [7] . Coroana concavă a pistonului creează o formă compactă a camerei de ardere (diesel, benzină cu raport de compresie ridicat și eficiență bună a combustibilului), dar există tendința de a forma depuneri. Cu fundul convex, rezistența pistonului crește, dar camera de ardere capătă o formă lenticulară, ceea ce crește transferul de căldură. Cu toate acestea, în ICE-urile cu scânteie , o creștere a transferului de căldură poate face posibilă creșterea raportului de compresie admisibil [8] , care compensează parțial pierderile. Fundul plat - de formă intermediară și cel mai ușor de fabricat - este popular în ICE-urile pe benzină și motoarele cu turbion / pre-camera. La motoarele învechite cu ardere internă în doi timpi, partea inferioară avea un deflector-proeminență pentru a devia amestecul combustibil în timpul purjării și a reduce emisia acestuia [9] . La motoarele diesel cu formare de amestec volumetric, forma fundului asigură alimentarea cu combustibil a volumului de aer, cu peliculă - cea mai mare parte a combustibilului este furnizată pe peretele pistonului (răspândirea sistemului de injecție Common rail în ultimii ani s-a rezolvat disputa cu privire la formarea amestecului în motoarele diesel de automobile în favoarea volumetrice ).
Zona de căldură este distanța de la canelura inelului superior până la partea inferioară a pistonului. Odată cu creșterea înălțimii sale, munca inelului superior este facilitată, dar masa pistonului crește și emisiile de hidrocarburi cresc [10] . Reducerea înălțimii suprafeței de teren sub nivelul permis duce la arderea pistonului și/sau distrugerea zonei inelului superior. Pistoanele diesel cu diametre egale au o suprafață mare de teren, sunt mai grele și mai puternice decât pistoanele pe benzină datorită presiunilor ridicate de compresie și ardere și transferului de căldură din partea inferioară.
Partea de etanșare a pistonului este esențială pentru funcționarea motoarelor cu ardere internă cu piston, starea acestora este determinată de compresie și arderea uleiului, în funcție de starea grupului de piston. La motoarele cu ardere internă a automobilelor, deșeurile de ulei nu trebuie să depășească 1-3% din consumul de combustibil. La motoarele moderne pe benzină, acest procent este și mai mic, la modelele diesel învechite este de 5% sau mai mult [11] . Dispersia valorii de compresie în cilindri nu trebuie să depășească, de obicei, 0,5 kgf / cm 2 pentru motoarele cu combustie internă pe benzină și 1 kgf / cm 2 pentru cele diesel. Dacă se depășește consumul de ulei, motorul depășește limitele emisiilor permise, se observă defecțiuni ale lumânărilor, gumarea injectorului și lipirea inelelor și, prin urmare, trebuie scos din funcțiune [12] .
Pistonul are inele de compresie și racletoare de ulei instalate în caneluri. Numărul tipic de inele pe motoarele de mașini este de 3; anterior, se utilizau modele cu 4-6 inele [13] . La motoarele cu turație mică, există mai multe inele pentru a reduce trecerea uleiului și a gazelor, pentru a îmbunătăți răcirea pistonului. Reducerea numărului și înălțimii inelelor reduce pierderile prin frecare, iar păstrarea etanșării se realizează prin potrivirea lor fiabilă și rezistența la uzură. Canelurile inelului răzuitorului de ulei au găuri radiale pentru a returna uleiul în carter. Pe măsură ce inelele se uzează, decalajul dintre îmbinările și canelurile lor crește, iar consumul de ulei crește. În pistoanele de silumin, sub inelul superior poate fi turnată o inserție din fontă termorezistentă (ni-rezist), ceea ce crește durata de viață a canelurii și a inelului. O astfel de inserție este și compensatoare termic, reducând dilatarea termică [14] (vezi fotografia de sus).
Diametrul părții de etanșare este mai mic decât în zona fustei, deoarece încălzirea acestei părți a pistonului este mai mare. Pentru a evita zgârieturile cu blocarea ulterioară a inelelor în canelurile lor, acoperirea terenului are un diametru și mai mic. Partea de etanșare are un diametru rotund în secțiune transversală și nu ovală, ca o fustă. Zona fierbinte are adesea caneluri puțin adânci care măresc transferul de căldură către piston până la inel. Astfel, înălțimea centurii poate fi redusă [15] .
Calitatea inelelor este de o importanță decisivă pentru etanșarea pistonului: potrivire bună la oglindă fără goluri [16] , curățarea prelucrării în diametrul și înălțimea exteriorului, gol în blocare și acoperirea inelelor cu uzură. materiale rezistente [17] . Inelele raclete de ulei din fontă sunt mai fiabile decât cele compozite, deoarece probabilitatea de erori în timpul instalării lor este mai mică [18] . La motoarele cu ardere internă de automobile, până la 80% din căldură este îndepărtată din piston prin inele [19] , prin urmare, dacă inelele nu se potrivesc bine, căldura este îndepărtată prin mantaua pistonului, iar atunci când temperatura acestuia crește, se zgârie. inevitabil. Din acest motiv, puterea motorului este limitată în timpul rodajului motorului. Inelele nelipite se supraîncălzesc și, prin urmare, „se așează” - elasticitatea lor scade, urmată de o creștere rapidă a trecerii gazelor în carter, eliberarea uleiului etc. Când sunt supraîncălzite, îmbinările se pot închide, ceea ce duce la ruperea inelelor, și chiar ruperea pistonului de-a lungul inelelor cu caneluri [20] . Transferul de căldură de la piston atinge valoarea calculată atunci când urmele șlefuirii din cilindru sunt șterse și inelele sunt frecate.
La motoarele cu portbagaj, fusta (portbagajul) este partea de ghidare a pistonului. Boturile fustei transmit sarcini mari de la gaz și forțele inerțiale, prin urmare sunt conectate prin nervuri turnate la capul pistonului (în pistoanele ștanțate, în loc de nervuri care nu pot fi obținute prin ștanțare, există o legătură masivă la fund). În zona șefurilor, adânciturile dreptunghiulare sunt formate prin turnare sau frezare din exterior, numite condiționat „frigidere”. De fapt, aceste așa-numite „răcitoare” reduc greutatea prin scurtarea bolțului pistonului și transferarea forțelor de gaz mai aproape de axa bielei, ceea ce descarcă coroana pistonului. Pentru a reduce decalajul termic fără riscul de zgarietură, mantaua pistonului într-un plan perpendicular pe axa de simetrie este făcută ovală (decalajul în planul de balansare al bielei este minim, iar de-a lungul axei bolțului pistonului este 0,5-1,5 mm mai mare), iar în planul care trece prin simetria axei - în formă de butoi. De obicei, inelele sunt amplasate în capul pistonului, dar ultimul inel de raclere a uleiului poate fi situat sub axa bolțului, în manșon [21] . În funcție de metoda de fixare a bolțului pistonului, pe piston pot fi făcute caneluri pentru inele de reținere.
Majoritatea pistoanelor au un știft de piston decalat pentru a egaliza presiunile pe manta laterală la compresie și cursa (atunci când presiunea este mai mare) a pistonului. Prin urmare, pistonul nu este montat în mod arbitrar, ci după marcaj (de obicei o inscripție pe frigider sau o săgeată pe partea de jos spre capătul liber al arborelui cotit) [22] [23] .
Cerințe privind materialul pistonului:
Nu există material care să fie optim pentru toate aceste cerințe. Pentru fabricarea pistoanelor de automobile se utilizează în prezent fontă gri și aliaje de aluminiu de tip Al-Si. În motoarele diesel puternice cu o resursă lungă, multi-combustibil (inclusiv cele care funcționează cu uleiuri vegetale), se folosesc pistoane compozite - partea inferioară și partea de etanșare sunt din oțel rezistent la căldură, portbagajul este din fontă sau silumin. Există pistoane de automobile acoperite cu ceramică, pistoane din aliaje rezistente la căldură ( motoare Stirling ), s-au făcut experimente cu pistoane din plastic acoperite cu ceramică etc.
Marea majoritate a motoarelor de automobile moderne au pistoane de silumin [24] cu un conținut de siliciu de 13% sau mai mult, adică aliaje hipereutectoide precum AK-4, AK-18, AK-6 [25] . Aliajele utilizate anterior AL1, AK2, având un conținut mai mic de siliciu. Pistonurile contrafăcute erau adesea fabricate din aluminiu obișnuit [26] Resursa pistoanelor cu cantitate insuficientă de siliciu este redusă drastic și, datorită coeficientului crescut de dilatare termică, zgârieturile apar chiar și în timpul spargerii. Cu cât conținutul de siliciu este mai mare, cu atât resursele pistonului sunt mai lungi , dar ductilitatea aliajului este mai mică [27] . Pistoanele de silumin sunt de obicei acoperite electrolitic cu staniu pentru a facilita rodarea [28] . Pistonul poate fi obținut prin turnare sau ștanțare, ambele opțiuni au avantajele și dezavantajele lor.
Pistoanele turnate sunt adesea realizate din aliaje hipoeutectoide, care simplifică turnarea, iar dilatarea termică a mantalei este limitată în acest caz de o inserție. La ștanțarea unui piston, nu este posibilă introducerea rupturii termice; prin urmare, dilatarea termică a acestora poate fi limitată doar de un conținut suficient de siliciu. Prin urmare, pistoanele forjate (uneori denumite forjate) realizate dintr-un aliaj hipereutectoid cu conținut ridicat de siliciu ar trebui să fie mai rezistente la uzură decât cele turnate.
Avantajele siluminuluiGolurile dintre pereții cilindrului și pistoanele de silumin care sunt inacceptabile pentru funcționarea normală a motorului sunt eliminate prin măsuri de proiectare:
Ele sunt utilizate de obicei la motoarele diesel de dimensiuni medii sau mari, precum și la toate motoarele diesel care funcționează cu uleiuri vegetale drept combustibil. Fusta este de obicei din fontă gri sau aliaj de aluminiu. Avantajele sunt o scădere a transferului de căldură către piston, adică o creștere a eficienței indicatorului, resurse maxime, posibilitatea utilizării diverșilor combustibili [32] . Dezavantaje - preț mai mare, greutate, aplicare doar în ciclul diesel, segmente de piston mai scumpe rezistente la temperaturi deosebit de ridicate, dimensiuni axiale mari ale pistonului, necesitatea creșterii contragreutăților, alungirea manșonului cu creșterea dimensiunilor și greutății motorului [ 33] . La motoarele mari, cum ar fi locomotivele diesel și motoarele maritime principale, care funcționează la putere maximă cu presiune mare de supraalimentare pe un ciclu în doi timpi, este imposibil să se obțină resursa dorită (30.000 de ore sau mai mult) cu pistoane din fontă pură sau din silumin. Capul din oțel termorezistent (tip 20Kh3MVF sau similar) [34] asigură durata de viață a inelelor și canelurilor acestora, în timp ce ghidajul trebuie să fie din material antifricțiune - fontă sau silumin [35] . Aceste piese sunt prinse împreună, sarcina de a conecta pistonul este facilitată de faptul că, pentru motoarele diesel cu viteză medie și joasă, forțele de gaz sunt de multe ori mai mari decât cele inerțiale și, prin urmare, secțiunea transversală a unor astfel de șuruburi poate să nu să fie foarte mare (forța principală este compresia, nu ruptura). Motoarele diesel de dimensiuni mici, de calitate auto, având un piston compus, conectează adesea un ghidaj de aluminiu și o porțiune de piston de oțel de etanșare printr-un bolț de piston.
Cele două probleme principale rezolvate la motoarele cu combustie internă alternativă sunt uzura și arderea pistonului. Fenomenele de uzură se manifestă prin creșterea decalajului dintre manșon și cilindru, uzura canelurii superioare a pistonului, zgârieturi ale mantalei [36] . Apariția fisurilor și distrugerea pereților despărțitori dintre inele, care se observă, de asemenea, au de obicei aceleași cauze ca și în burnout.
Pentru a elimina prima răcire forțată (de obicei cu ulei) a pistonului este organizată [37] , duritatea este crescută prin creșterea proporției de siliciu, se folosesc filtre de aer fiabile pentru a reduce uzura abrazivă [38] , parametrii ciclului motorului sunt modificați pentru a reduce temperatura pistonului din centrul și zona inelului superior (de exemplu, creșterea raportului de aer în exces sau creșterea suprapunerii supapelor la motoarele diesel supraalimentate), utilizați inserții pentru inelul superior, segmente de piston de înaltă calitate pentru o potrivire bună imediat după rulare, grăbirea pătrunderii din fabrică folosind uleiuri speciale [39] , îmbunătățirea calității uleiurilor de motor pentru a elimina cocsificarea inelului și căldura de recul fiabilă din partea inferioară [40] , uneori se folosesc acoperiri pentru piston sau materiale compozite. În practica japoneză, existau opțiuni pentru pistoanele din plastic acoperite cu ceramică. Pentru a prelungi durata de viață, pe ghidaj și chiar pe suprafața fierbinte a pistonului se folosește un strat anti-fricțiune [41] . Uzura accelerată sau de urgență a pistoanelor contrafăcute este cauzată de o încălcare a dimensiunilor și/sau a calității forjarii/turnării, a materialului acestuia. Biela a murit, înclinarea manșonului sau a locașului său duce la uzura rapidă a pistonului [42] . La motoarele cu ardere internă în doi timpi, cauza blocării poate fi lipsa uleiului în combustibil.
Arsurarea pistonului poate fi cauzată din motive structurale sau operaționale. În primul caz, temperatura inferioară admisibilă calculată [43] este depășită și toate motoarele acestui model vor eșua rapid (un alt motiv este posibil - pistoanele contrafăcute [44] : nu pot rezista la sarcini). Pentru a elimina riscul de ardere în aceste cazuri, se folosește o reducere a tensiunii mecanice și a temperaturii pistonului [45] (creștere a aripioarelor, răcire, transfer de căldură redus către piston prin modificarea parametrilor ciclului) [46] . Pentru a reduce temperatura de ardere se poate folosi chiar și alimentarea cu apă a cilindrului [47] .
Cauzele operaționale ale arderii pot fi: încălcarea unghiului de avans de injecție/aprindere [48] , defectarea (blocarea) duzei, detonarea (benzină) [49] , forțarea excesivă, supraîncălzirea generală din cauza defectării termostatului, pierderea antigelului, supape blocate, benzină cu cifră octanică scăzută [50] , provocând detonări , aprindere strălucitoare prelungită. Acest lucru duce la o creștere a temperaturii fundului și la posibila ardere a acestuia. În timpul arderii prin detonare, în plus, poate apărea ciobirea suprafeței, ceea ce duce la dezvoltarea ulterioară a acesteia, arderea pistonului sau ruperea pereților despărțitori dintre inele, ruperea inelelor. Prin urmare, este necesar să urmați instrucțiunile - utilizați combustibilul potrivit, setați corect momentul aprinderii / injecției, opriți imediat funcționarea unui motor diesel defect cu o duză de detonare sau un motor supraîncălzit. Duzele de înaltă calitate și alte elemente de dozare ale echipamentelor de combustibil prelungesc durata de viață a pistoanelor.