Все, что вы когда-либо хотели знать о поршнях – Функция – Автомобиль и водитель

Алюминиевые слизи внутри вашего двигателя живут в огненном аду. При полностью открытой дроссельной заслонке и частоте вращения 6000 об/мин поршень бензинового двигателя подвергается воздействию почти 10 тонн силы каждые 0,02 секунды, поскольку повторяющиеся взрывы нагревают металл до температуры более 600 градусов по Фаренгейту.

В наши дни этот цилиндрический Аид стал горячее и интенсивнее, чем когда-либо, и, скорее всего, ситуация с поршнями будет только ухудшаться. Пока автопроизводители гонятся за более высокой эффективностью, производители поршней готовятся к будущему, в котором самые мощные безнаддувные бензиновые двигатели будут производить 175 лошадиных сил на литр по сравнению со 130 сегодняшними. С турбонаддувом и увеличением мощности условия становятся еще более жесткими. За последнее десятилетие рабочая температура поршней выросла на 120 градусов, а пиковое давление в цилиндрах увеличилось с 1500 фунтов на квадратный дюйм до 2200 фунтов на квадратный дюйм.

Поршень рассказывает историю двигателя, в котором он находится. Корона может показать диаметр цилиндра, количество клапанов и то, впрыскивается ли топливо непосредственно в цилиндр. Тем не менее, конструкция и технология поршней также могут многое сказать о более широких тенденциях и проблемах, стоящих перед автомобильной промышленностью. Сформулируйте максиму: как едет автомобиль, так и двигатель; и как работает двигатель, так и поршень. В стремлении к повышению топливной экономичности и снижению выбросов автопроизводители требуют более легких поршней с меньшим коэффициентом трения, способных выдерживать более тяжелые условия эксплуатации. Именно эти три проблемы — долговечность, трение и масса — занимают рабочие дни поставщиков поршней.

Во многих отношениях развитие бензиновых двигателей идет по пути, проложенному дизелями 15 лет назад. Чтобы компенсировать 50-процентное увеличение пикового давления в цилиндре, некоторые алюминиевые поршни теперь имеют железную или стальную вставку для поддержки верхнего кольца. Самым горячим бензиновым двигателям скоро потребуется охлаждающая галерея или закрытый канал на нижней стороне головки, который более эффективно отводит тепло, чем сегодняшний метод простого распыления масла на нижнюю часть поршня. Распылители выбрасывают масло в небольшое отверстие в нижней части поршня, которое питает галерею. Однако, казалось бы, простую технологию нелегко изготовить. Создание полого канала означает отливку поршня из двух частей и соединение их трением или лазерной сваркой.

На поршни приходится не менее 60 процентов трения двигателя, и улучшения здесь напрямую влияют на расход топлива. Уменьшающие трение накладки из смолы с графитовой пропиткой, нанесенные трафаретной печатью на юбку, теперь практически универсальны. Поставщик поршней Federal-Mogul экспериментирует с конической поверхностью смазочного кольца, которая позволяет уменьшить натяжение кольца без увеличения расхода масла. Трение нижнего кольца может раскрыть мощность до 0,15 лошадиных сил на цилиндр.

Автопроизводители также жаждут новых покрытий, снижающих трение между деталями, которые трутся или вращаются друг против друга. Твердое и скользкое алмазоподобное покрытие, или DLC, перспективно для гильз цилиндров, поршневых колец и пальцев, где оно может устранить необходимость в подшипниках между пальцем и шатуном. Но он дорогой и имеет мало применений в современных автомобилях.

«[Производители] часто обсуждают DLC, но попадут ли они в серийные автомобили или нет, это вопросительный знак», – говорит Йоахим Вагенбласт, старший директор по разработке продукции в Mahle, немецком поставщике автозапчастей.

Все более сложное компьютерное моделирование и более точные методы производства также позволяют создавать более сложные формы. В дополнение к чашам, куполам и выемкам клапана, необходимым для создания зазора и достижения определенной степени сжатия, асимметричные юбки имеют меньшую и более жесткую область на упорной стороне поршня, чтобы уменьшить трение и концентрацию напряжений. Переверните поршень, и вы увидите конические стенки толщиной чуть более 0,1 дюйма. Более тонкие стенки требуют более жесткого контроля допусков, которые уже измеряются в микронах или тысячных долях миллиметра.

Более тонкие стены также требуют лучшего понимания теплового расширения объекта, которому иногда приходится нагреваться от минусовой температуры до нескольких сотен градусов за считанные секунды. Металл в вашем двигателе расширяется неравномерно при нагревании, поэтому оптимизация допусков требует опыта проектирования и возможностей точной обработки для создания небольших эксцентриситетов в деталях.