Поршни для форсированного двигателя
Можно смело утверждать, сегмент рынка поршней для форсированных двигателей переживает настоящий бум, и в первую очередь благодаря все более широкому распространению спортивных моделей автомобилей. Однако их популярность не в последнюю очередь обусловлена увеличивающейся популярностью предназначенных для вторичного рынка блоков и головок блока. Производители предлагают поршни с улучшенными характеристиками как для новых спортивных автомобилей, так и для установки в двигатели практически всех существующих марок и моделей. Такие поршни имеют меньший вес, больший запас прочности, долговечности и обеспечивают значительно более высокую компрессию благодаря качеству уплотнения колец.
На заре автомобилестроения производство поршней был далеко не самым высокотехнологичным процессом. Однако теперь, с появлением метода анализа конечных элементов и других методов компьютерного моделирования поршни стали настоящим произведением искусства, способным удовлетворить требования самого взыскательного потребителя.
Проектирование при помощью компьютера, усовершенствованные технологии бесцентровой обработки и другие методики позволяют сократить время на разработку и изготовление одного поршня до рекордных сроков. Список поршней с улучшенными характеристиками практически всех производителей пополняется невероятными темпами – до ста наименований в полгода. Невероятные цифры!.
Еще одна причина популярности поршней с улучшенными характеристиками – распространение коленчатых валов с длинным ходом. Разработчики автомобильных двигателей поняли, что увеличить мощность двигателя можно не только благодаря увеличению рабочего объема, но и другими путями. И в частности, увеличив длину хода поршня. Однако в этом случае возникает необходимость в кардинальном изменении практически всех компонентов моторной группы – шатунов, колец и в первую очередь поршней. Причем увеличенная мощность требует от поршней дополнительного запаса прочности.
Наиболее распространен среди поршней для форсированных – как с длинным ходом вала так и высокооборотистых – двигателей тип с укороченной юбкой и сниженным благодаря этому весу. Выигрыш в массе достигается также благодаря более короткому пальцу. В свою очередь из-за своей меньшей длины палец не так подвержен сгибанию, а это – дополнительная жесткость всей конструкции поршня.
Производители стремяться улучшить характеристики поршня еще на молекулярном уровне, для чего оптимизируется строение кристаллической решетки. Это позволяет т более точно предугадать тепловое расширение металла и, соответственно, уменьшить зазор между поршнем и стенками цилиндра. Сниженный зазор обеспечивает большую устойчивость поршня и меньший его износ при холодном старте.
Поршни с увеличенной длиной юбки имеют большую контактную поверхность , износу подвержена большая площадь, в результате чего изнашивается поршень равномернее и медленнее. Однако такие поршни не подходят для высокооборотистых двигателей и двигателей с увеличенным ходом вала.
Совершенствование поршня
Существует огромное разнообразие типов материалов и способов изготовления поршней, от чугуна до титана и от отливки до поковки высочайшего качества. Многие производители разделяют свои поршни на две серии: "street" и "professional". Более низкая серия “street” может изготавливаться путем литься, литья из заэвтектоидных сплавов или же поковки.
Для ординарных легковых автомобилей литых поршней обычно более чем достаточно, однако если речь заходит о форсированных высокомощных двигателях, двигателях тяжелых грузовиков и/или турбированных – улучшение характеристик поршня становится обьективной необходимостью. Эксперты сходятся во мнении, в улучшенных поршнях нуждается любой двигатель, имеющий мощность свыше 400 л.с., скорость вращения вала выше 6500 об/мин, или турбонаддув.
Технология поковки поршней была разработана еще в середине 50-х и успешно удовлетворяла требованиям двигателей так называемых “muscle car”. Сегодня такие поршни безоговорочно доминируют во всех сферах автоспорта, преобладают в авиационных, судовых и мотоциклетных двигателях.
Ординарный литой поршень изготавливается путем заливки расплавленного алюминия в форму. После застывания заготовка обрабатывается до конечных размеров. Часто после этого поршни закаливаются по процессу "T5", включающей нагрев поршня и выдержка в нагретом состоянии. Другое название процессы – термическое старение. Процесс позволяет ликвидировать внутренние напряжения в металле.
Поршни из заэвтектоидных сплавов появились около 10 лет назад. Представляют собой они те же литые поршни, но с несколько улучшенными характеристиками. Подобные поршни содержат ощутимо более высокое содержание кремния по сравнению со стандартным сплавом (16,5-18% против 8,5-10,5%). Кремний увеличивает прочность канавок поршневых колец, бобышек и повышает износостойкость. Заэвтектоидный сплав несколько легче стандартного (около 2%), а увеличенная прочность металла позволяет сделать поршень более тонкостенным и снизить его вес на 10%.
Заэвтектоидные сплавы лучше стандартных переносят тепловую энергию. А коэффициент термического расширения их в среднем на 15% ниже. Благодаря этому на эти самые 15% можно уменьшить зазор между поршнем и стенками цилиндров, что означает снижение напряжение колец и повышение устойчивости поршня и степени сжатия.
Как показывает практика, установка заэвтектодных поршней в двигатель устаревшей, но все еще выпускающейся модели моет увеличить ее мощность до 30%. Некоторые гонщики устанавливают эти поршни вместо кованых из-за значительно более низкой стоимости.
Один из американских производителей рекомендует устанавливать заэвтектоидные поршни на двигатели с удельной мощностью 1,5-2,0 л.с. на каждый кубический дюйм объема двигателя (0,7-0,8 л.с. на см2). Если удельная мощность двигателя превышает это значение – рекомендуется установка кованых поршней. По мнению того же производителя в условиях ровной работы (отсутствия детонаций) и четко отрегулированного момента зажигания (не преждевременного) заэвтектоидные поршни в состоянии работать в двигателе мощностью до 1000 л.с.
Кованые поршни
Кованые поршни изготавливаются из одного из двух сплавов: SAE 4032 или же SAE 2618. Сплав 4032 используется в автомобилях многих спортивных классов без турбонаддува. Содержит больше кремния (11-13,5%) по сравнению со сплавом 2618 (менее 0,25%), что снижает коэффициент теплового расширения, повышает смазываемость и устойчивость к задирам. Для сравнения, сплав 2618 имеет значительно более высокий коэффициент теплового расширения и низкую сопротивляемость задиранию. Однако прочность его выше на 10-15%, из-за чего именно на нем останавливают выбор многие спортивные команды экстремального толка.
В процессе поковки над каждым поршнем производится гораздо большее количество операций, чем над литым, что и обуславливает высокую стоимость. Расплавленному металлу придается форма бруска. Возможна также протяжка. После этого брусок режется на куски длиной 7-9 см, которые впоследствие нагреваются и отправляются в поковочные формы, где им придается приблизительное очертание поршня. Поковка повышает плотность металла и как следствие его прочность. Улучшаются термические характеристики: кованый поршень быстрее нагревается и быстрее остывает.
Покрытие поршней
Первые образцы антифрикционных и теплоотражающих покрытий были разработаны уже достаточно давно. Однако лишь совсем недавно поршни с покрытиями разного рода сумели завоевать сердца производителей. Теперь же практически каждый уважающий себя производитель поршней предлагает поршни с антифрикционным молибденовым, графитовым или тефлоновым покрытием юбки. Тем не менее вокруг покрытия поршней до сих пор ведутся яростные дебаты. Противники утверждают, покрытие лишь увеличивает стоимость поршня, при это м оно совершенно бесполезно, если поршень устанавливается с правильным зазором. Защитники же видят в покрытиях великолепную защиту от задирания, неизбежного при перегреве двигателя и некоторых других обстоятельствах.
Покрытие юбки поршня увеличивает его диаметр в среднем на 0,025 мм. Из-за этого увеличения диаметра часто возникают вопросы – как повлияет уменьшившийся зазор на работу поршня. Один из ведущих производителей поршней считает, что снижение зазора не настолько значительно, чтобы обращать на это внимание. И при установке поршня необходимо ориентироваться имено на указанный на упаковке диаметр поршня, а не на его реальный диаметр с покрытием.
Другой тип защитного покрытия – термоотражающее покрытие головки поршня. Основная идея такого покрытия состоит в отражении тепловой энергии обратно в камеру сгорания, что должно предупреждать перегрев поршня. Особо эффективно подобное покрытие показало себя в турбированных и просто форсированных двигателях. Термоотражающий барьер имеет и слабые стороны: он мешает отводу тепловой энергии через поршень, что может привести к локальному перегреву в камере сгорания. Именно поэтому производители не рекомендуют устанавливать поршни с теплоотражающим покрытием в атмосферные двигатели, а также двигатели, работающие с повышенной нагрузкой длительное время.
Форма поршня
Для механической обработки поршней большинство производителей пользуется так называемым CNC-инструмент и алмазные абразивы. Многие полностью шлифуют верхнюю часть поршня. Глубина свода, углубления для тарелок клапанов, контролируется сверхточным оборудованием. Широкое распространение головок блока для вторичного автомобильного рынка приводит к увеличению ассортимента поршней. Различное положение и угол наклона клапанов делает невозможной установку стандартного поршня.
Весьма распространенное заблуждение относительно кованых поршней с термоотражающим покрытием: покрытие наносится потому, что кованые поршни имеют больший коэффициент термического расширения. То же самое касается убежденности, что зазор между стенками цилиндров и юбкой кованого поршня должен быть больше, чем у литых заэвтектоидных поршней. Данные утверждения абсолютно беспочвенны, коэффициент расширения поршня зависит исключительно от свойств сплава, а не от технологии изготовления. В действительности же коэффициент теплового расширения кованых поршней не сильно отличается от коэффициента поршней литых.
Форма сечения юбки поршня представляет собой эллипс, а не правильную окружность. Это обусловлено неравномерным расширением ее, в направлении пальца поршень увеличиваетсяна 0,5-0,9 мм больше, чем в направлении, перпендикулярном оси пальца.
Кроме этого верхняя часть поршня обычно горячее юбки на 170°С. Поэтому поршень может иметь незначительное схождение в районе головки.
Расположение и конструкция (закрытые или с прорезями) поршневых канавок существенно сказывается на процессах теплообмена в поршне. Маслообменные прорези в канавке выполняют роль барьера, препятствующего свободному переходу тепловой энергии от головки поршня его юбке. Благодаря этому конус юбки и тепловой зазор таких поршней меньше чем у поршней с закрытыми канавками. Стремление снизить локальный перегрев головки поршня и камеры сгорания обуславливает установку поршней с закрытыми канавками в двигателях, предназначенных для длительной работы с высокими нагрузками (тягачи и проч.).
Установка
Один из наиболее обсуждаемых вопросов – правильность регулировки степени сжатия. С одной стороны: чем выше компрессия – тем болше мощность. Но: если компрессия превышает определенный предел, зависящий от октанового числа – неизбежным следствием будет детонация, разрушающая поршень, ломающая кольца и приводящая к прорывам прокладки головки блока.
Большинство атмосферных двигателей имеют степень сжатия 9 или 10:1, и настроены под бензин А-93. Двигатели с алюминиевыми головками блока и коваными поршнями имеют меньшую рабочую температуру и несколько более высокую степень сжатия.
Реальная компрессия зависит от настройки компонентов ГРМ и того, насколько эффективно вентилируются камеры сгорания.
Производители рекомендуют не превышать степень сжатия 8:1 или 8,5:1 в двигателях с турбонаддувом. Компрессия в двигателе с коваными поршнями и алюминиевой головкой блока и здесь может быть выше, но не намного.
Двигатели, работающие на высокооктановом топливе или этаноле имеют статистическую степень сжатия 13,5:1-14:1.
Кольца
Во многих поршнях с улучшенными характеристиками используются кольца со сниженным сопротивлением: первое компрессионное кольцо толщиной 1,2 мм, второе – 1,5 мм и маслосъемное – 3,0 мм. Более тонкие и легкие кольца позволяют снизить силу трения и, соответственно, сберечь несколько драгоценных лошадиных сил. Сомневающиеся говорят о сомнительной долговечности подобных колец и явно не улучшающейся теплопроводности. Производители утверждают, если цилиндр имеет минимальную деформацию и требуемый уровень шероховатости, проблем с долговечностью и охлаждением возникать не должно.
Существуют также поршни с двумя кольцами, верхним компрессионным и нижним маслосъемным, однако они устанавливаются исключительно в гоночные двигатели. Отсутствие одного из колец существенно снижает силу трения, но ухудшает теплопроводность и способность к снятию масла. Именно поэтому подобные поршни нельзя устанавливать в двигателях обычных легковых автомобилей и двигателей, работающих с повышенными нагрузками.
Многие производители поршней акцентируют внимание на необходимости высококачественной обработки канавок поршневых колец. Чем качественнее обработана поверхность, считают они, тем лучше происходит передача тепла и тем плотнее кольца герметизируют камеру сгорания.
Некоторые поршни имеют так называемые “аккумулирующие” канавки, нарезанные между канавкой первого и второго кольца. Эта канавка улавливает прорывающиеся газы и предотвращает вибрацию компрессионного кольца и дальнейший прорыв газов.
Последние слово конструкторов в области моторной группы – открытый разрыв второго кольца. Разорванное кольцо свободно пропускает прорвавшиеся под компрессионное кольцо газы и препятствует приподнятию его в канавке. Разрыв второго кольца рекомендуется делать на 0,05 мм больше разрыва первого кольца
Ответить с цитированием
