Поршень двигателя
Поршень двигателя служит для преобразования энергии сжатой воздушно-топливной смеси в энергию поступательного движения. Далее эта энергия при помощи шатунов и коленчатого вала преобразуется в крутящий момент.
Поршни современных двигателей работают в очень тяжелых условиях: высокие газовые и инерционные нагрузки, носящие близкий к ударному характер. Высокие температурные нагрузки, большие переменные скорости движения при наличии несовершенной смазки, и как следствие всего этого, большие силы трения и значительный износ поршня и цилиндра. Производители поршней постоянно совершенствуют надежность и долговечность своей продукции – добавляя новые конструкционные элементы и экспериментируя с материалами. В связи с этим конструкция поршней современных двигателей имеете очень сложную форму для того что бы, эта важнейшая деталь выполняла свои функции максимально надежно.
В настоящее время поршни автомобильных двигателей изготавливают из высокотехнологичных алюминиевых сплавов, в редких случаях их чугуна и еще реже из сплавов на магниевой основе и из стали.
Конструкция поршня и термины:
1) диаметр камеры сгорания в поршне
2) днище поршня
3) камера сгорания (полость камеры сгорания)
4) кромка днища
5) жаровой пояс
6) канавка компрессионного поршневого кольца
7) перемычка между кольцами
8) дно канавки поршневого кольца
9) смещенная перемычка между кольцами
10) торцы канавки
11) канавка маслосъемного поршневого кольца
12) отверстие для обратного стока масла
13) бобышка поршня
14) предохранительное расстояние между канавками
15) канавка для стопорного кольца
16) расстояние между внутренними торцами бобышек поршня17) посадочный поясок
18) нижняя кромка юбки поршня
19) диаметр поршня, измеренный под углом 90° к оси отверстия для поршневого пальца
20) отверстие для поршневого пальца
21) глубина полости камеры сгорания
22) направляющий пояс
23) пояс поршневых колец
24) высота головки поршня
25) полная высота поршня
26) канал масляного охлаждения
27) упрочняющая вставка для кольца
28) втулка поршневого пальца
29) место для измерения диаметра поршня
30) выступ днища поршня
Типы поршней:
Поршень для дизельного двигателя с масляным каналом для охлаждения днища поршня и упрочняющей вставкой для поршневого кольца
Составной поршень-кованная стальная верхняя часть и алюминиевая юбка поршня
Поршень для бензинового двигателя с упрочняющей вставкой для поршневого кольца
Поршни со специальным напылением на юбку:
-Специальное покрытие Lofri®, Nanofri® или графитовое покрытие.
Благодаря графитовому покрытию сокращается трение между юбкой поршня и гильзой. Покрытие Lofri® применяются также для снижения уровня шума. Покрытие Nanofri® является усовершенствованным видом покрытия Lofri® и отличается содержанием наночастиц, за счет которых повышаются износостойкость и срок службы покрытия.
-Специальное покрытие юбки поршня из железа Ferrocoat® обеспечивает надежную работу поршня на алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров Alusil®
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.
Кольцо, расположенное в нижней части поршня, называется собирающим (масляным). Оно используется для удаления излишков масла со стенок цилиндра при движении. Масло возвращается через зазоры в кольце и поршне в блок цилиндров (в двухтактных двигателях это кольцо не используется, так как масло подается вместе с топливом и его сгорание является преднамеренным).
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.
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.
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. Растрескивание поршневых колец также может быть следствием:
- 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.
Пояснения к тарельчатым, купольным и плоским поршням
| Характеристики
Поршни для автомобилей изготавливаются с плоской, куполообразной или тарельчатой конструкцией, но такое разнообразие конструкции днища не означает, что у производителей двигателей всегда будет выбор.
«Конструкция днища поршня определяется исключительно двумя вещами: вашими требованиями к карману клапана и вашими требованиями к сжатию», — объясняет Ник Д’Агостино из Wiseco. В наши дни дизайн короны привлекает больше внимания производителей двигателей, потому что этот элемент поршня фактически является конструктивным полом камеры сгорания. Следовательно, он способствует всей динамике, связанной с обеспечением успешного сгорания; включая качество потока воздуха на входе (завихрение, переворот и т. д.), ход пламени и распределение топлива с непосредственным впрыском (DI) и дизельными двигателями.
«Именно здесь все и происходит», — подчеркивает Д’Агостино, определяя головку поршня как «все, что видит пламя».
Благодаря усовершенствованию гоночного топлива, конструкции головки блока цилиндров и сложному управлению впрыском топлива степень сжатия неуклонно росла как в заводских, так и в гоночных двигателях (где позволяют правила). В двигателях старшего поколения более высокая степень сжатия требовала больших куполов поршня для заполнения головок с большими камерами.
Однако теперь производители двигателей склоняются к небольшим камерам сгорания с поршнями с плоским верхом или, по крайней мере, к поршням с ограниченными куполами, чтобы достичь более высокого CR.
«Плоский верх — идеальный сценарий», — говорит Д’Агостино. «Это будет ваш лучший ожог — самый эффективный с точки зрения эффективности сгорания. Когда нам нужно отклониться от этого, мы стараемся сделать это как можно более тонко».
Идеальная камера сгорания всегда будет предметом споров, но все согласны с тем, что центрально расположенная свеча зажигания наиболее эффективна. Такое расположение сводит к минимуму расстояние, необходимое для прохождения пламени ко всем точкам камеры, обеспечивает лучшую переднюю поверхность пламени и обычно требует меньшего опережения воспламенения для достижения полного сгорания.
Заглушку с центральным креплением легче выполнить в полусферической камере для 2-клапанной головки цилиндров или с пятиклапанной камерой в 4-клапанной головке.
Более сложные задачи, особенно для разработчиков поршней, связаны с расположением клиновых и раскосных клапанов, которые популярны в дорожных и гоночных двигателях V8. Имея это в виду, куполообразные поршни часто представляют собой самые сложные задачи для разработчиков поршней.
«Когда вы переходите на рабочий ход, фронт пламени будет сдерживаться большим куполом», — говорит Д’Агостино. «Один из шагов Wiseco с поршнем купола — скруглить его и сделать его как можно более низким и широким. Низкие, широкие, широкие купола определенно более популярны, чем высокие остроконечные купола».
Камеры сгорания VS поршневая конструкция
Такие проблемы не ограничиваются обычными головками Chevy с большими блоками и открытыми камерами сгорания объемом более 100 куб.см. Некоторые сообразительные гонщики берут бывшие в употреблении головки цилиндров NASCAR с высокой пропускной способностью и небольшими камерами сгорания с высокой скоростью горения, которые были разработаны для работы только с необходимыми поршнями с плоским верхом 12: 1, и превращают их в Comp Eliminator с высокой степенью сжатия или стрит.
— настройки гонки.
«Это происходит постоянно, и нам это нравится», — улыбается Д’Агостино. «Возьмите головку Yates или SB2.2, которая вышла из бывшей службы Кубка, где они использовали поршень с плоской вершиной и очень маленькой камерой, например, 37 или 40 куб. См. Теперь этот парень хочет 16: 1. Самая большая проблема, с которой вы сталкиваетесь. in — это требование к клапанному карману. Вы создаете 12-кубовый отрицательный клапанный карман. Теперь вам нужно попытаться установить купол в местах, где просто нет недвижимости».
«Вы пытаетесь преодолеть глубину клапанного кармана, но при соотношении 16:1 вам нужен большой здоровый распределительный вал, для которого требуются глубокие клапанные карманы. В этот момент это становится битвой за недвижимость, поскольку мы уравновешиваем положительное и отрицательное, чтобы добраться до номер, который имеет смысл для всех», — добавляет Д’Агостино.
Уравновешивание положительных и отрицательных объемов является критическим фактором при проектировании днищ поршней для двигателей с высокой степенью сжатия, оснащенных агрессивными распределительными валами.
«Что касается требований к распределительному валу и клапанным карманам, размеры и глубина клапанных карманов, конечно, создают негатив. Одна из вещей, о которых мы много говорим, — это эффективный объем», — объясняет Д’Агостино. «Люди говорят, что у них есть объем короны или объем тарелки. Мы рассматриваем его как общий полезный объем, потому что клапанные карманы также создают отрицательный объем. эффективный объем. У них может быть положительный купол объемом 4 куб. см, но у них есть отрицательный карман клапана 10 куб. См. Это все еще отрицательный эффективный объем 6 куб. См, хотя он имеет форму поршня купола ».
Добавьте закись азота в эти головы с маленькими камерами, и в спешке они могут стать уродливыми.
«Мы увидим некоторых людей, которые используют закись азота или что-то подобное в этих камерах меньшего размера, и они постоянно сжигают поршни, потому что погрешность настройки очень мала.
Чем больше сжатия вы вкладываете в эту камеру , тем быстрее все сгорит», — говорит Д’Агостино.
Даже для головок с большими камерами понимание динамики управления искрой и движения пламени имеет решающее значение для поршней, объем купола которых приближается к 50 см3.
«Одна из вещей, на которую мы обращаем внимание при использовании купольных поршней, — это высота купола. Мы подойдем к точке убывающей отдачи, когда я смогу перевести вас с 14:1 на 15:1, но я собираюсь создать такую гору для этого пламени и топлива, что оно того не стоит», — говорит Д’Агостино. «Больше случаев, чем нет, нам придется связаться с клиентом и сказать, хорошо, это лучший дизайн с соотношением сторон 14:1, чем 15:1».
Как только будет достигнута правильная глубина кармана клапана, инженеры по поршням могут использовать уникальные конструктивные элементы для улучшения потока воздуха в цилиндр.
«Что касается раскрытия клапанов в кармане, мы можем открыть диаметральный зазор в кармане, чтобы дать некоторую передышку.
Если мы после сильного сжатия, то пространство вокруг клапана становится очень важным», — говорит Д. «Агостино. «Нам нужно воплотить это и сохранить малый радиус и малый диаметральный зазор. Как и при сборке штока, я должен оставаться с плоским верхом. Но я хочу использовать как можно больший клапан. чтобы обеспечить узкий зазор кармана и минимальную глубину кармана клапана, чтобы я мог максимизировать компрессию».
Размещение верхнего кольца
Глубина кармана клапана может влиять на другие элементы конструкции поршня, даже на размещение канавки верхнего кольца. Один из самых эффективных приемов с поршнями — размещение верхнего компрессионного кольца ближе к днищу поршня. При правильном проектировании производители двигателей добились повышения степени сжатия на полпункта, что очень полезно в высококонкурентных безнаддувных двигателях, таких как Stock Eliminator.
«Размещение верхнего кольца полностью зависит от требований к карману клапана», — говорит Д’Агостино.
«Представьте себе две линии, одна из которых представляет собой плоскость клапана, а другая представляет собой канавку для верхнего кольца. В конечном итоге эти две линии встретятся, если обе продолжат движение. Некоторые гонщики просят разместить канавку для верхнего компрессионного кольца только на расстоянии от 0,100 до 0,120 дюйма. вниз с днища поршня, не опасаясь проблем с надежностью.
«Он у вас высокий, но у вас очень узкое кольцо по радиальной ширине», — добавляет Д’Агостино. «Когда вы сужаете эту канавку, вы оттягиваете ее от кармана клапана и создаете там толщину материала. Это один из приемов, которые ребята используют для получения компрессии».
Еще одна хитрость с поршнем на высоконагруженных двигателях — имитировать профиль головки клапана на стороне сгорания. Некоторые впускные клапаны имеют довольно глубокие тарелки, обработанные на головке клапана, чтобы уменьшить вес клапана, но этот трюк также открывает камеру сгорания и снижает CR.
«Мы можем поместить центральную точку клапана и с помощью инспекционного оборудования определить особенности тюльпана», — говорит Д’Агостино. «Затем мы помещаем это в карман клапана, чтобы мы могли вернуть пару кубических сантиметров».
Закалка
Тема закалки может возникнуть при обсуждении конструкции днища поршня. Это не так важно для двигателей с форсированным двигателем, где производители двигателей довольствуются закалкой от 0,080 до 0,100 дюймов, но двигатели без наддува продолжают использовать все возможные пути увеличения мощности и стремятся к закалке от 0,030 до 0,035 дюймов.
«Кажется, если это принудительная индукция, погасить все, но выходит из окна. Опять же, я думаю, что вы могли бы поговорить с большим количеством разных мозгов машин и получить там несколько разных теорий. Это самая эффективная возможность и лучшее создание мощности возможность? Не всегда», — говорит Д’Агостино.
«С добавлением мощности, даже в уличном автомобиле с турбонаддувом, речь идет больше о выживании, чем о силовых ситуациях, таких как Engine Masters, где мы постоянно работаем над максимальной VE.
«В приложениях, где у вас ограничена компрессия и вы должны управлять плоским верхом, где я вижу, что это наиболее эксплуатируется», — добавляет Д’Агостино. «Когда вы попадаете в ситуацию с куполом, все становится тестовой посадкой и камерными формами. Вы смотрите на радиус на задней части купола. Это очистка камеры поршневым камнем? Это ударит? Ты собираешься перерезать клапан? Теперь вы углубляетесь в построение двигателя, потому что это позволяет сделать каждую часть конкретной».0003
Толщина прокладки может изменить уравнение при проектировании поршня для зазора клапана и гашения.
«Если это маленькая камера, малый блок, я ограничен в своих возможностях. А потом он хочет запустить прокладку головки блока цилиндров диаметром 0,035 дюйма.
Теперь мне нужно дать вам больше клапанного кармана, потому что вы произойдет столкновение», — объясняет Д’Агостино. «Хорошо, у вас также закалка 0,035 дюйма, а поршень находится на нулевой палубе. О, вы собираетесь вставить алюминиевый стержень, который имеет тенденцию растягиваться при температуре, проходящей через свои циклы. уронить поршень в отверстие 0,010 дюйма. Пошла связка компрессии».
Особенности прямого впрыска
Конструкция днища поршня может стать более сложной при работе с двигателями с прямым впрыском, но те производители поршней, которые уже работают со спортивными компактными и дизельными двигателями, имеют преимущество на раннем этапе. Многие из этих проектов предусматривают увеличение степени сжатия заводских двигателей, но Д’Агостино предупреждает, что штатная топливная система может не поддерживать такой шаг. Однако приоритеты конструктора поршней по-прежнему будут начинаться с очистки клапанов, затем с учетом требований к топливу, прежде чем решать вопросы повышения степени сжатия.
Тарельчатые поршни
Тарельчатые поршни представляют наименьшие проблемы для инженеров, потому что они в основном используются в двигателях с наддувом, которые часто не требуют распределительных валов с большой подъемной силой или высокой степени сжатия. Но есть наука о проектировании короны, и одним из первых вариантов является форма углубления. Одна мысль состоит в том, что это должно быть точное зеркальное отображение камеры сгорания, которая называется перевернутым куполом. Другой вариант — симметричная тарелка с постоянным профилем или, возможно, традиционная D-образная тарелка с закругленным краем.
«Удачи вам в достижении общего согласия по этому поводу», — шутит Д’Агостино. «В качестве примера двигателя, который должен был быть склонен к детонации, скажем, газовый насос Chevy LS с турбонаддувом, и он собирался увидеть некоторые дорожные условия, я бы выбрал сферическую тарелку на этом вместо тарелки.
зеркальное отображение или перевернутый купол, чтобы предложить более мягкую функцию тарелки и больший поток, чтобы помочь в более эффективном горении. Я не хочу, чтобы фронт пламени, я не хочу, чтобы топливо имело возможность лужи. грани на нем и сделать переход очень постепенным».
Когда дело доходит до конструкции днища поршня, требования различных областей применения будут диктовать выбор, поскольку инженеры учитывают подъем кулачка и степень сжатия, а также другие факторы, включая топливо и зажигание. Кроме того, они по-прежнему должны обеспечивать долговечность при снижении веса, когда это возможно.
«Мы постараемся максимально приблизить его к дизайну с плоским верхом», — резюмирует Д’Агостино.
В двигателях старшего поколения для более высокой степени сжатия требовались выступающие купола поршней для заполнения головок с большими камерами. Однако теперь производители двигателей склоняются к небольшим камерам сгорания с поршнями с плоским верхом.
Один из наших шагов с купольным поршнем — сделать его радиусным и сделать его как можно более низким и широким. Низкие, широкие, широкие купола определенно более популярны, чем высокие остроконечные купола. Одна из идей состоит в том, что купол поршня должен быть точным зеркальным отражением камеры сгорания, что называется перевернутым куполом. Этого можно добиться, просканировав камеру сгорания используемой головки блока цилиндров. Подталкивание кольца ближе к куполу поршня — еще один способ, с помощью которого гонщики увеличивают компрессию. Производители оригинального оборудования тратят сотни часов на проектирование площади камеры сгорания в двигателе с непосредственным впрыском топлива. Как вы можете видеть на этих поршнях LT1, область вокруг камеры регулируется для увеличения или уменьшения сжатия. Тарельчатые поршни представляют наименьшие проблемы для инженеров, потому что они в основном используются в приложениях с форсированным двигателем, которые часто не требуют распределительных валов с большим подъемом или высокие степени сжатия.
Источник
Wiseco
440.951.6600
Wiseco.com
Трендовые страницы
2024 Volkswagen ID7 Первый вид: Big EV Sedan. Budge, гибридная экономия топлива идет вверх
Вы AFEELA’n It? Над электромобилем Sony и Honda работают
Безумная коллекция редких мопаров направляется на аукцион!
Электрический грузовик Ram 1500 борется с Ford, Chevy и Tesla с третьим рядом и дикими характеристиками Новый Honda Accord 2023 года: цены практически не изменились, гибридная экономия топлива растет
Над электромобилем Sony и Honda работают
Безумная коллекция редких мопаров направляется на аукцион!
Электрический грузовик Ram 1500 борется с Ford, Chevy, Tesla с третьим рядом и дикими функциями
JE Pistons On Piston Design Basics
| Практическое руководство.
Двигатель и трансмиссия
Шон Кроуфорд, Стивен Голья и Алан Стивенсон из JE Pistons. Разбор основ конструкции поршней
Если внутреннее сгорание — это война, то поршни в буквальном смысле находятся на передовой. Преобразование энергии возвратно-поступательного движения во вращающую силу означает, что четырехтактный процесс пытается как вытолкнуть поршни из блока цилиндров, так и выдуть их через масляный поддон в жесткой последовательности. При 6000 об/мин эта рукопашная сбавляется 100 раз каждую секунду. Кроме того, достижения в технологии головок цилиндров и клапанов позволяют современным двигателям вращать больше оборотов в минуту и создавать большее давление в цилиндрах, чем когда-либо. В довершение ко всему, принудительная индукция и закись азота часто усиливают избиение, а бензонасос с каждым днем становится все хуже. Учитывая эти грозные обстоятельства, просто удивительно, что поршень выходит из строя в наши дни так редко. Именно такие компании, как JE Pistons, несут прямую ответственность за этот впечатляющий подвиг.
Хотя прозвище «слизняки» предполагает, что поршни — это не что иное, как архаичные куски кованого алюминия, технология, использованная при их разработке, поразительна. Чтобы узнать, что нужно для разработки и производства высококачественных гоночных поршней для вторичного рынка, мы воспользовались коллективными знаниями Шона Кроуфорда, Стивена Голиа и Алана Стивенсона из JE Pistons. Как мы выяснили, конструкция поршня — это гораздо больше, чем просто придание алюминиевому слитку цилиндрической формы и завершение дела. Некоторые элементы конструкции поршня, на которых обычно зацикливаются хот-роддеры, незначительны, в то время как факторы, о которых большинство людей даже не подозревают, могут быть разницей между героем и взрывом. Чтобы убедиться, что вы выбрали правильные поршни для вашего следующего двигателя, продолжайте читать.
Технология Race-Bred
От Top Fuel и Sprint Cup до World of Outlaws и Pro Stock компания JE всегда участвовала в гонках высокого класса.
Естественно, такое масштабное участие увеличило широту знаний компании, что приносит прямую пользу среднему хот-родисту. «Когда дело доходит до профессиональных гонок, особенно на высших уровнях, вы не можете обойтись без плохой конструкции, производительности или качества. Ожидания настолько высоки, что большинство производителей поршней не могут предоставить нашим профессиональным клиентам приемлемый продукт». — говорит Кроуфорд. Каждый этап производства JE, от проектирования до окончательной проверки, строго контролируется для обеспечения точности, согласованности и качества.
Развитие компании
Компания JE Pistons была зарегистрирована в 1947 году, и, хотя компания с годами выросла, ее основной задачей остается производство высококачественных поршней на заказ для гоночного рынка. «Для того, чтобы наши продукты оставались на вершине, нам приходилось постоянно улучшать наши процессы проектирования, производства и контроля в течение последних 62 лет», — объясняет Кроуфорд.
«Мы начали с производства как литых, так и кованых поршней, но с тех пор перешли на кованые и цельные узлы исключительно из-за требований современных гоночных двигателей. Чтобы гарантировать, что мы предлагаем поршни самого высокого качества на рынке, наше производство также Десятилетия назад JE использовала все ручные станки для резки поршней, но сегодня мы используем более 55 современных станков с ЧПУ».
Кроуфорд говорит, что помимо помощи компании в улучшении контроля качества многие новые поршневые инновации, разработанные для профессиональных гонок, перекочевали в стандартные детали JE. «Самым последним примером этого является наша поршневая линейка SRP Professional. Мы интегрировали такие функции, как новая легкая кованая конструкция, усовершенствованный пакет колец с низким коэффициентом трения, более короткие поршневые пальцы, уникальный профиль юбки и сверхплоские кольцевые канавки. наш тестовый двигатель Chevy 383, новая конструкция привела к снижению веса на 63 грамма на цилиндр и увеличению мощности на 13 л.
с.!»
Сплавы для поршней
Двумя наиболее распространенными сплавами, используемыми в поршнях, являются алюминий 2618 и 4032. JE производит поршни из обоих сплавов, и Кроуфорд говорит, что плюсы и минусы каждого из них определяют области применения. «Основные различия между ними заключаются в составе материала, а также в термических и усталостных характеристиках. Высокопроизводительный поршневой сплав JE 4032 имеет содержание кремния примерно 12 процентов, а 2618 — менее 0,2 процента», — говорит Голя. Это означает, что сплав 2618 расширяется примерно на 15 процентов больше, чем сплав 4032, при воздействии повышенных температур. Некоторые люди предпочитают сплав 4032 для своих транспортных средств, так как они требуют меньшего холодного зазора и снижают шум при запуске. Механически оба очень похожи, 2618 имеет более высокую прочность при всех температурах. «При выборе подходящего материала для поршня мы учитываем не только прочность при комнатной температуре, но и прочность при рабочих температурах.
Именно здесь 2618 превосходит 4032, поскольку он значительно прочнее при температурах 500 градусов по Фаренгейту и выше. двигатели работают выше этого температурного диапазона, 2618 имеет явное преимущество в прочности для этих применений. Следовательно, 2618 широко используется в Формуле 1, NASCAR и ALMS, а 4032 — нет. преимущества обоих сплавов».
Юбки
Юбки поршня обеспечивают стабильность внутри отверстия, но также создают трение. При проектировании поршня задача заключается в достижении баланса между максимальной стабильностью и минимальным трением. По сути, юбки поршня позволяют поршню выполнять свои первичные и вторичные движения. Основное движение поршня происходит, когда он проходит от ВМТ к НМТ и снова возвращается к ВМТ. Его вторичное движение является результатом качания поршня в канале ствола. Эффект раскачивания обусловлен фрикционным и вязкостным сопротивлением, расположением центра тяжести поршня, постоянно меняющейся боковой нагрузкой и изменениями температуры.
Ключом к контролю износа юбки, уменьшению паразитных потерь и улучшению кольцевого уплотнения является прогнозирование вторичного движения. Потери на трение, связанные с юбкой поршня, существенно зависят от ее ширины и длины, а значит, от площади контакта юбки с отверстием цилиндра. По мере уменьшения площади контакта вязкость будет снижаться, как и сила трения. Однако по мере уменьшения площади подшипника и вязкости уменьшается и толщина масляной пленки. Если толщина пленки приближается к сумме высот неровностей на двух поверхностях, это приведет к граничной смазке и увеличению трения. Следовательно, площадь контакта и доступ масла к этой области необходимо оптимизировать. Есть два способа уменьшить площадь контакта: уменьшить длину юбки и изменить форму поверхности юбки. Первый уменьшит трение, но увеличит эффекты вторичного движения, влияющие на кольцевое уплотнение. Второй более успешен, так как пятно контакта и вторичное движение могут быть уменьшены. В JE мы постоянно разрабатываем новые формы юбок, ориентируясь на эти факторы.
— Алан Стивенсон
Межкольцевой зазор
Производители двигателей уже довольно давно спорят о втором кольцевом зазоре. JE говорит, что для большинства приложений лучше использовать больший зазор на втором кольце, чем на верхнем. «Многие тесты доказали, что больший зазор во втором кольце увеличивает уплотняющую способность верхнего кольца. Увеличенный зазор во втором кольце помогает сбросить давление в цилиндре, которое проходит через верхнее кольцо», — объясняет Стивенсон. «Без этого сброса давление может приподнять верхнее кольцо и повредить уплотнение кольца. В некоторых ситуациях верхнее кольцо уплотняется достаточно хорошо, чтобы устранить необходимость в большем зазоре второго кольца. Это типично для двигателей без наддува, которые не испытывают высоких нагрузок. давление в цилиндре. Соответствие диаметра отверстия кольца, толщина и натяжение также играют роль в уравнении, но для большинства мощных двигателей предпочтительнее больший зазор второго кольца ».
Oil Control
Преимущество увеличения длины шатуна спорно, но практика, тем не менее, сохраняется. В то время как моторы с длинным стержнем вдавливают штифт в пакет катка, JE говорит, что это не так вредно для контроля масла, как утверждают некоторые люди. «При использовании опоры масляной рампы не должно быть проблем с поддержанием контроля подачи масла, когда отверстие штифта пересекает канавку масляного кольца», — говорит Кроуфорд. «На самом деле, дополнительные отверстия могут способствовать правильному сливу масла. Некоторые конструкции поршней позволяют отверстию под палец пересекать посадочную площадку третьего кольца, что может вызвать проблемы с управлением подачей масла, поскольку масло подается над маслосъемным кольцом. По этой причине все Наши поршни спроектированы таким образом, что отверстие для пальца находится ниже кромки третьего кольца, чтобы предотвратить эту проблему».
Штифты
Некоторые люди склонны упускать из виду роль штифтов в общем уравнении поршня.
Однако, поскольку они выдерживают такие большие нагрузки, они являются важным звеном во вращающемся узле. Пальцевой палец воспринимает нагрузку, которую каждый поршень оказывает на соответствующую коренную шейку коленчатого вала, нагрузку, которая включает силы инерции, а также влияние давления сгорания.
Штифт нагружается как штоком, так и поршнем сложной комбинацией различных по величине и направлению сил, являющихся результатом приложенной и реактивной нагрузок. Нагрузка на штифт способствует изгибу вдоль его оси, а также овализации, а их сочетание может привести к фрикционному заеданию и скручиванию.
Жизненно важное значение имеет жесткость штифта. Это не только влияет на его способность функционировать как журнал; это также влияет на жесткость всего узла поршня и пальца. Повышенная жесткость штифта может фактически привести к более стабильной платформе кольца, что приведет к улучшению контроля масла и уменьшению прорыва газов.
Полностью плавающий штифт может вращаться вокруг своей главной оси и скользить вдоль этой оси. Стандартные штифты часто имеют натяг на маленьком конце. Посадка с натягом означает, что малый конец должен нагреваться каждый раз, когда необходимо снять штифт, что не очень практично для гоночного двигателя, который часто ремонтируется. При посадке с натягом материал штифта, на который возлагаются несущие и изгибающие нагрузки, подвержен большему усталостному воздействию, поскольку циклически нагружаются и разгружаются одни и те же волокна. И наоборот, с плавающим штифтом циклы усталости более равномерно распределяются по волокнам внешней поверхности штифта. Кроме того, если штифту позволить вращаться, его скорость относительно отдельных поверхностей подшипника будет ниже. Вращение также приводит к перемещению масла внутри отверстий под пальцы, что снижает вероятность образования сухих пятен. — Алан Стивенсон
Газовые порты
Газовые порты представляют собой небольшие отверстия, через которые давление цилиндра поступает в верхнюю кольцевую канавку.
Их цель состоит в том, чтобы позволить давлению из-за верхнего кольца увеличить эффект уплотнения. Без газовых портов верхнее кольцо герметизируется в основном за счет давления, действующего на его верхнюю поверхность. Газовые порты обычно необходимы в двигателях с высоким давлением в цилиндрах или в сочетании с очень узкими верхними кольцами. JE предлагает два типа газовых портов: вертикальные и боковые. Вертикальные газовые порты наиболее популярны в дрэг-рейсинге, где требуется максимальное давление за верхним кольцом. Боковые газовые порты обеспечивают немного меньшее давление на кольцо и более желательны в приложениях на выносливость. Оба типа газовых портов значительно сокращают срок службы кольца и не рекомендуются для использования на улице. В дополнение к газовым портам JE также предлагает «газораспределительные канавки». Это небольшая канавка, которая пересекает всю верхнюю половину канавки верхнего кольца и помогает равномерно распределять давление по окружности верхнего кольца.
— Стивен Гойла
Компрессионная высота
При изменении конструктивных параметров двигателя, таких как ход коленчатого вала, длина штока и высота блока цилиндров, необходимо учитывать компрессионную высоту поршней. Определяемая как расстояние от центральной линии поршневого пальца до верхней части днища поршня, слишком короткая высота сжатия может поставить под угрозу долговечность в результате сильного давления в цилиндре. Однако, согласно JE, достижения в области современных сплавов и технологий ковки означают, что «толстые» поршни не всегда необходимы.
«При более короткой высоте сжатия, используемой во многих современных двигателях с высокими эксплуатационными характеристиками, конструкция поршня не должна страдать, если над поршневым пальцем имеется достаточно места для обеспечения надлежащей толщины деки и зазора штока. У нас есть стандартные поршни с высота сжатия 1000 дюймов, которая оказалась очень надежной», — объясняет Кроуфорд.
«Иногда мы сталкиваемся с ситуацией, когда не хватает места для удовлетворения наших требований. Это чаще всего встречается в двигателях с наддувом, которые требуют очень большой тарелки и малой высоты сжатия. В таких ситуациях необходимо найти способ увеличить компрессионную высоту».
Поршни Power-Adder
Некоторые считают, что пока поршень выкован, он может выдержать все, что вы в него бросите. Хотя кованые пули намного прочнее своих литых собратьев, у них все же есть свои ограничения. Поэтому JE рекомендует использовать специальные поршни с закисью азота или воздуходувки, если вы планируете использовать большие усилители мощности на своем комбинированном двигателе. «Основное различие между двигателем без наддува и двигателем с закисью азота или воздуходувкой заключается в давлении в цилиндре и рабочих температурах, поэтому важно спроектировать поршень для такого типа применения», — говорит Голья. «Более высокое давление требует поршней с более толстыми головками и большей структурной жесткостью.
Кроме того, поршневые пальцы должны быть большего диаметра, а кольца требуют большего натяжения, что делает их более толстыми и долговечными. Мы решили производить большинство наших гоночных поршней из 2618, но также предлагаются поршни из сплава 4032, совместимые с умеренным принудительным впуском и использованием закиси азота».
Конструктивные факторы
Две наиболее популярные конструкции поршня для двигателей внутреннего сгорания: полностью круглые или кованые с боковым рельефом (FSR). Каждая конструкция может предложить уникальные преимущества в зависимости от желаемой стоимости, области применения, мощности и частоты вращения двигателя. Полный раунд имеет единственную центральную полость с непрерывной круглой полосой, соединяющей юбки. FSR имеет несколько внешних полостей в дополнение к центральной полости. Как правило, круглый поршень проще всего изготовить, он более доступен по цене и обеспечивает большую степень надежности. Поршень FSR предназначен в основном для конкретных применений, требующих высокого уровня производительности и имеющих более сложные пустоты.
Его можно сделать легче и жестче, и он имеет меньшую площадь юбки, чем полный круглый. Это выгодно для инерционной реакции и снижения трения.
Качество материала одинаково важно для конструкции поршня. Все запасы материалов JE физически и химически сертифицированы, и их можно отследить до производителя. Перед производством мы проверяем физические свойства и целостность размеров в нашей инспекционной лаборатории на месте. — Алан Стивенсон
Объем камеры
Тенденцией во многих высококачественных гоночных двигателях является использование небольших камер сгорания и тарельчатого поршня для достижения относительно высокая статическая степень сжатия. По сравнению с более традиционной установкой, в которой используются камеры большего размера и поршень с плоской или выпуклой поверхностью, эта схема дает дивиденды по эффективности, поскольку головка поршня функционирует как часть камеры сгорания, а свеча зажигания расположена более центрально в камере.
«Комбинация камеры меньшего размера и тарелки большего размера более эффективна с точки зрения термической эффективности и снижает количество несгоревшего топлива», — объясняет Кроуфорд. «Более короткие пути пламени создают более высокие температуры сгорания и повышают эффективность использования топлива, что способствует увеличению выходной мощности и снижению выбросов».
Покрытия
Покрытия поршней применяются, когда поверхность алюминия не справляется с окружающей средой. Тепловое барьерное покрытие коронки JE помогает поддерживать твердость поверхности и сопротивляться поверхностной эрозии и точечной коррозии из-за детонации. Это покрытие может продлить срок службы поршня при высоких температурах. Хотя покрытие днища полезно для поршня, изготовитель двигателя должен учитывать влияние покрытия на всю систему. Поскольку через поршень и кольца рассеивается меньше тепла, оно отражается в другом месте камеры сгорания. Это дополнительное тепло может оказывать влияние на другие компоненты двигателя.
По этой причине многие производители предпочитают покрывать камеры головки блока цилиндров, поверхности клапанов и выпускные каналы. Покрытия юбки помогают уменьшить задиры при холодном пуске, поверхностное трение и износ. В некоторых случаях покрытие юбки также можно использовать для безопасного уменьшения зазора между поршнем и стенкой цилиндра. Самым популярным покрытием юбки JE является фирменная юбка Tuff. Это покрытие имеет толщину до 0,0005 дюйма на поверхность и разработано для обеспечения повышенной износостойкости по сравнению с другими покрытиями на рынке. — Стивен Гойла
Тарелки
Когда речь идет о тарельчатых поршнях, терминология может сбить с толку. Хотя и тарельчатые, и купольные поршни снижают степень статического сжатия, между ними есть важное различие. «Основное различие между ними заключается в их форме: выпуклый поршень имеет простую круглую тарелку, а перевернутые купола имеют особую форму, соответствующую камере головки блока цилиндров.
Многие люди называют перевернутые купола D-образными тарелками», — объясняет Голя. «Вопреки некоторой имеющейся информации, форма тарелки очень мало влияет на снятие кожуха клапана и поток воздуха. Распределение тепла больше связано с толщиной свода под тарелкой, чем с формой самой тарелки. Конструкция и контур нижней части поршня играют большую роль в том, как головка распределяет тепло.Общеизвестно, что перевернутые купола обеспечивают большую эффективность сгорания, чем полностью круглые тарелки, потому что они лучше направляют воздушно-топливную смесь в камеру, хотя этот эффект значительно сведен к минимуму с принудительной индукцией. Конические и сферические тарелки продемонстрировали некоторый прирост мощности, но не по всем направлениям с каждой конструкцией камеры сгорания. К сожалению, их тонкие центральные секции и толстые внешние секции удерживают дополнительный вес в головке поршня».
Трендовые страницы
2024 Volkswagen ID7 Первый вид: большой седан EV освещен для CES 2023
All-NEAD 2023 Honda Accord: цены Barely Budge, гибридная экономия топлива поднимается вверх
1103.
