Техніка Доля сучасного поршня - Paddock GP
23 липня 2020, Пол-Еміль Віль
Жодна частина двигуна не використовується більше, ніж його поршні. У міру стиснення поршня тиск повітряно-паливної суміші, обмеженої вище, зростає приблизно до 15 бар. Потім суміш запалює іскра. Протягом наступних 45 градусів обертання колінчастого вала суміш згорає, досягаючи максимального тиску, можливо, 90 бар. Температура газу підвищується на 2500 ° С. Температура плавлення чистого алюмінію трохи нижче 650 ° C, а сплав для більшої міцності знижує його до 500 градусів.
Як метал може вижити? По-перше, поршні піддаються горінню лише одну десяту часу роботи двигуна, або 60-80 градусів із 720-х років чотиритактного циклу. По-друге, поверхня поршня захищена тонким «прикордонним шаром» застою газу, який чіпляється за нього, забезпечуючи ефективну ізоляцію. Крім того, алюміній проводить тепло втричі швидше, ніж залізо або сталь, при цьому він становить трохи більше третини своєї ваги. Це означає, що тепло, що поглинається коронкою поршня, швидко віддається на більш холодну частину поршня. Оскільки алюміній легкий, більшу його кількість можна використовувати для відведення тепла згоряння.
Коротко про поршні:
- Запорукою швидкого та ефективного згоряння є плоска, плоска камера згоряння з принаймні однією виїмкою у формі головки клапанів.
- Щоб мінімізувати тертя підшипників, поршні повинні бути якомога легшими. Кування поєднує легкість з поліпшеною стійкістю до перевтоми.
- Щоб тиск газу міг утримувати поршневі кільця завжди внизу їх пазів, кільця легше, стаючи все тоншими.
Зі збільшенням продуктивності двигуна, при більших отворах і коротших ходах, вага поршня повинна зменшуватися, щоб зменшити вібрацію та навантаження на підшипники та механічні деталі. Традиційні поршні проводять своє тепло до стінки циліндра охолоджувача через товсті головки поршня, але таку вагу неможливо досягти при високих обертах. Як результат, сучасні легкі, тонкі, короткозамкнуті поршні також охолоджуються струменями моторного масла.
Раніше люди говорили про обмежувальну швидкість поршня (зазвичай дається від 20 до 25 м/с), але те, що насправді обмежує оберти, - це надзвичайна напруга прискорення поршня. У той час як поршні двигуна Формули-1 епохи V-10 досягали максимального прискорення до 10000 Г. Поршні в двигуні 600-кубового спортивного автомобіля, здатного досягати 15000 об/хв, зазнавали 7000 Г. Більше прискорення високе, тим більше зусилля шатуна на поршневий штифт і тим більше тріщин може утворитися в матеріалі.
Оскільки вони найближчі до тепла, верхні поршневі кільця повинні бути покриті або заповнені металом з високою температурою плавлення, таким як хром (1850 ° C) або молібден (2600 ° C). Це затримує знос, обмежуючи точкове зварювання та подальше витягування металевих частинок на поверхню. Верхні кільця, як правило, мають циліндричну грань, щоб забезпечити ущільнення навіть при певному нахилі поршня. Другі так звані ущільнювальні або компресійні кільця (рідко використовуються в гоночних двигунах), як правило, мають конічну поверхню. Масляне скребкове кільце складається з двох дуже тонких і гнучких рейок, що справляють високий питомий тиск, притиснуті назовні еластичним розширювачем. Тривалий контроль над мастилом необхідний для тривалого терміну служби вихлопних каталізаторів.
Хоча деякі важкі дизельні двигуни мають сталеві поршні, ті, що використовуються в двигунах із іскровим запалюванням, відливають або кують з двох основних типів алюмінієвих сплавів: або алюмінієво-кремнієвого сплаву з низьким розширенням, і зносостійкого, високоміцного гарячого сплаву сплав алюміній-мідь-нікель-магній.
Поршні еволюціонували від ковшоподібної форми з високим куполом з 1960-х років до сучасних плосковерхіх пропорцій "попільнички", при цьому кожна деталь їх нижньої частини отримала помітне освітлення завдяки дослідженням міцності матеріалів. Шматочки, сформовані таким чином, наближеними до вимог природи, мають захоплюючу красу. Вони також не можуть мати інших форм та функцій.