Обновление поршней и колец

Базовая конструкция поршня и колец практически такая же, как и при изобретении первого двигателя внутреннего сгорания. Поршень по-прежнему представляет собой круглую металлическую пластинку, которая скользит вверх и вниз в цилиндре. И кольца по-прежнему используются для герметизации компрессии, минимизации выбросов продуктов сгорания и контроля масла.

Несмотря на сходство с более ранними аналогами, проектирование поршня стало очень сложным процессом, где даже форма тщательно прорисовывается в программе компьютерного моделирования, известной как анализ конечных элементов (FEA). Поршни в наши дни тоже не совсем круглые. Многие из них специально разработаны так, чтобы иметь эллиптическую форму в холодном состоянии и расширяться до круглой формы, когда двигатели прогреваются до рабочей температуры. Однако сила, вызванная процессом сгорания, оказывает большую часть начального давления на область головки поршня по мере расширения фронта пламени.

Что касается поршневых колец, сохраняется тенденция к уменьшению толщины стальных колец с современными поверхностными покрытиями. Торцевые покрытия поршневых колец, хотя и не напрямую из-за прямого впрыска и принудительной индукции, продолжают развиваться, чтобы соответствовать высоким требованиям этих двигателей. Обычно в любом новом двигателе, представленном сегодня на рынке, для всех колец используются сталь, а также какой-либо тип покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD).

Хотя материалы и конструкции поршней с течением времени развивались, чтобы компенсировать более высокое давление и тепловое расширение, выбор поршня, оптимизированного для условий камеры сгорания, может быть сложной задачей, поскольку необходимо учитывать очень много переменных. Производители двигателей должны учитывать тип материала, производственный процесс (кованый, литой или заготовочный), пакет колец, включая покрытия, стоимость и так далее. Кованые поршни обладают высочайшей прочностью и долговечностью, но они не могут быть лучшим выбором для каждого применения, даже если они доступны. Конструкции заготовок обеспечивают гибкость в плане дизайна и большую гибкость в выборе размеров, но их производство также дороже из-за объема механической обработки, необходимой для вырезания алюминиевой заглушки в пригодную к использованию деталь. Литые поршни производятся в больших количествах, но они не так прочны, как изготовленные из заготовок или поковок. В конечном итоге производители двигателей должны определить наилучшую комбинацию для клиента.

Турбирование двигателей меньшего размера — это тенденция, которой следуют в наши дни OEM-производители, которая позволяет меньшим, более экономичным двигателям иметь мощность, аналогичную мощности их собратьев с большим объемом, но это также увеличивает нагрузку и температуру, которые приходится выдерживать поршням и кольцам. Для двигателей меньшей мощности с высокой мощностью требуется поршень, изготовленный из материала, способного выдерживать более высокие температуры и давления сгорания. Вчерашние литые поршни просто не подходят для сегодняшних бензиновых двигателей с прямым впрыском (GDI) или турбонаддувом (TGDI).

В большинстве двигателей GDI используются кулачки с системой изменения фаз газораспределения (VVT). Хотя VVT может предоставить много возможностей для настройки производительности двигателя, такая установка требует более глубоких вырезов клапанов на вершинах поршней, чтобы обеспечить достаточный зазор для клапанов при движении кулачка вперед и назад. Фазеры кулачков в большинстве двигателей с VVT могут поворачивать кулачки на угол до 40 градусов, а некоторые могут смещать синхронизацию кулачков на целых 60 градусов. Это приводит к большому вращению кулачка, поэтому, если поршни не имеют подходящего зазора для разгрузок клапанов, ценные металлические детали могут столкнуться, если клапаны будут оставаться открытыми слишком долго.

Поршни двигателей GDI по конструкции очень похожи на двигатели с впрыском в порты, за исключением области короны. Большинство поршней в двигателях GDI имеют углубление в головке, которое направляет топливо к свече зажигания после впрыска. Эта лужа относительно богатой топливной смеси направлена ​​на свечу зажигания, чтобы инициировать горение. После того, как свеча зажигания воспламеняет запас топлива, остальная часть топлива в камере может сгореть для получения более эффективной смеси.

Для большинства высокопроизводительных двигателей лучше всего подходят кованые поршни, поскольку они изготовлены из самых прочных сплавов, таких как 4032 и 2618. Когда дело доходит до прочности на разрыв, эти два сплава не сильно отличаются друг от друга. 4032 имеет номинальное давление около 55 000 фунтов на квадратный дюйм, а 2618 — около 65 000 фунтов на квадратный дюйм. Поршень 4032 немного легче, чем поршень, изготовленный из 2618. Поршни, изготовленные из сплавов 4032, содержат около 10-12 процентов кремния и популярны для таких применений, как закись азота или двигатели с наддувом с небольшим наддувом. Содержание кремния придает алюминию меньшую скорость расширения по сравнению со сплавом 2618, и его можно эксплуатировать с более плотным зазором между поршнем и стенкой цилиндра для большей долговечности. Поршни, изготовленные из стали 4032, также имеют дополнительную особенность: они не создают слишком много шума, пока двигатель достигает рабочей температуры.