Поршнева група
Для початку непогано б уявити, чого, в принципі, ми очікуємо від ідеального поршня. Який він цей стійкий олов'яний солдатик? Ну, звичайно ж, непохитний. Хоч би як ми його гнули, штовхали, м'яли, кидали зі спеки в холод, він завжди повинен залишатися однаковим. Одинаковим із великою точністю. Наш герой перебуває у щільному строю пов'язаних із нею деталей. Це кільця, поршневий палець, циліндр.
Якщо механічні навантаження будуть такими великими, що канавки деформуються і поршневі кільця втратить рухливість, тоді робота мотора буде порушена. Якщо поршневий палець виявиться затиснутим в отворах бобишок, швидше за все, поршень зруйнується. Якщо зазор від стін циліндра раптом стане великим, ми втратимо орієнтацію, а якщо маленьким - розмажемо поршень по стінах. А сили діють на нього чималі.
Максимальний тиск у камері згоряння у високофорсованих двигунів досягає величини 100 атмосфер. Зусилля, з яким поршень штовхають гази, вимірюється тоннами. Максимальна швидкість, з якою він переміщається у швидкохідному двигуні, досягає 120 км/год. При цьому 200 разів на секунду гальмується до повної зупинки. Уявіть собі, що ваш автомобіль зі швидкості 120 км/год зупинився на шляху 4 сантиметри. Це майже удар по скелі. Що ж є бампером, якщо він не повинен змінити форму більш ніж на 0,005 мм? Не забудьте, перед ударом ми його добряче підігріли газовим пальником. А ще все це повторюється 200 разів на секунду. Ось такі випробування випали на частку нашого підопічного.
Ідеальний поршень у таких жорстоких умовах має бути абсолютно жорстким, тобто не змінювати свою форму. Теплові навантаження не повинні його деформувати. Його вага має бути близька до нуля. Знос від контакту зсполученими деталями повинен бути відсутнім.
У першій частині статті ми визначили характеристики, пов'язані з тепловими процесами двигуна. Цілком зрозуміло, що немає в природі матеріалів, які відповідають усім цим вимогам. Перш ніж зупинитися на матеріалах, з яких виготовляють поршні, спробуємо зрозуміти чому такі вимоги пред'являються до поршнів.
Мабуть, одним із головних показників якості роботи поршневої групи є механічні втрати, які є неминучими під час руху. Для того, щоб долати сили тертя, що перешкоджають руху, частина механічної енергії, отриманої від робочого тіла, буде втрачена на нагрівання. Частка цих втрат, що припадає на поршневу групу у загальних механічних витратах двигуна, дуже висока. Вона часом перевищує 50% від загальних втрат двигуна.
Істотним моментом для розуміння важливості питання є той факт, що бажання багатьох тюнерів збільшити робочі обороти мотора і за рахунок газодинаміки (доробка перерізів каналів, форми камери згоряння, фаз газорозподілу) отримати велику потужність при високому крутному моменті в широкому діапазоні швидкості обертання впирається в механічні втрати.
Значна частина сил опору зростає лінійно зі швидкістю, отже, втрачена потужність зростає квадратної залежності. Якщо не вжито заходів щодо зниження механічних втрат, то всі старання можуть бути марними. Неминучий той момент, коли вся механічна енергія буде витрачена на себе коханого і колеса обертати буде нічим. Тому підхід до поршневої групи як до лінійного підшипника ковзання має першорядне значення конструкції поршня.
Звичайно, головний внесок у опір руху вносять поршневі кільця, які в силу їх функцій маютьбути щільно притиснуті до стінок циліндра. Однак роль поршня полягає в тому, щоб кільця весь час були правильно орієнтовані та була забезпечена їхня працездатність. Також цілком справедливе бажання конструктора не допустити сухого контакту тіла поршня з циліндра гільзою диктує жорсткі вимоги до його геометрії. Справа в тому, що, як і в будь-якому підшипнику ковзання, роль розділового шару тут грає масло, що перешкоджає контакту металевих поверхонь. А точніше, масляний клин, що утворюється в зазорі під час руху деталей. Високий тиск в масляному клині, здатне протидіяти силам, що притискають, може існувати тільки в зазорах, що обчислюються тисячними частками міліметра. Величина сили пропорційна площі, яку масляний клин тисне.
Тому так важливо під час роботи зберігати паралельність поверхні спідниці поршня стінкам циліндра з такою божевільною точністю. Цілком зрозуміло, що не допускається жодної шишкуватості, інакше виникнуть локальні контакти, які стануть генераторами тепла та призведуть до розвитку несприятливих процесів по всій поверхні.
Не забудемо ще й про поршневий пальець, якому необхідно створити умови коливається підшипника ковзання з його стабільними зазорами, що обчислюються тими ж крихітними величинами. У разі ідеального поршня, описаного нами раніше, казкового «незламного олов'яного солдатика», все більш-менш зрозуміло. Яким ми його отримаємо після механічної обробки, таким він і буде завжди за будь-яких умов його роботи. Тоді ми наперед з великою точністю можемо надати йому потрібних форм.
А як бути із реальними матеріалами? Які від механічних навантажень згинаються. Від температури розпухають. Від розношеності коробляться. Від неоднорідності матеріалу покриваються пагорбами ташишками. Немає іншого шляху, як при виготовленні надати йому таких форм, які врахують усі спотворення, що виникають при реальних навантаженнях під час роботи.
Саме тому поршень має таку складну форму. По висоті він бочкоподібний, тому що нерівномірне нагрівання викликає більше розширення там, де температура вища. У перерізі він овальний, тому що механічні навантаження змушують поршень «обвисати» на пальці, як аркуш паперу, що лежить на олівці. Причому в кожному перерізі і овальність, і бочкоподібність мають свою величину. Очевидний те що, що величини деформації залежить від товщини металу, утворює стінки поршня . Зрозуміло, що збільшення товщини підвищить опір навантаженням і полегшить життя конструктору. Проте зростання маси неминуче призведе до збільшення інерційних сил, які зіпсують життя всьому кривошипно-шатунному механізму. Тут, як і будь-якому іншому випадку, питання оптимізації вимагає від конструктора дозволу.
То як же, зрештою, перебуває вихід із скрутного становища? Чому все-таки автомобільні двигуни впевнено прогресують у бік їхньої високооборотності? Яким чином є способи вирішення цих протиріч? На зорі моторобудування просто виготовлявся поршень циліндричної форми і двигун запускали. Давали йому попрацювати, не доводячи мотору до руйнування, і розбирали.
Сліди контакту з гільзою усували механічною обробкою та повторювали експеримент, збільшуючи навантаження. Потім знову обробляли місця контакту та знову навантажували. Якщо виявлялися слабкі місця, які треба посилити, виготовляли новий поршень із скоригованими товщинами стінок. Повторювалося це багаторазово доти, доки двигун з повним навантаженням не починав працювати стабільно і поршень визнавався задовільним.
У сучасному світі з хорошою точністю можна розрахунковими методами проектувати геометрію новостворених поршнів. Наступні за розрахунками випробування приводять, як правило, до коригування, проте кількість експериментів незрівнянно зменшується. Тим не менш, підігнаний під умови роботи поршень не можна вважати абсолютно відповідним вимогам, що пред'являються. Адже величини деформацій, які компенсуються заздалегідь заданою формою, залежать і від теплового режиму, і від величини сил, що на нього діють.
Так як автомобільний багаторежимний двигун, що експлуатується в широкому діапазоні навантажень і температур, швидше за все, поршень буде хороший тільки для деякого діапазону умов роботи. Це одна з проблем автомобільних двигунів загалом. У серійному виробництві, як правило, на базі одного двигуна одночасно випускається ціла родина різних агрегатів, призначених для різних цілей. А випуск нових автомобілів, що вимагають нових двигунів, часто супроводжується модифікацією вже відпрацьованих конструкцій із метою задовольнити нові вимоги.
Відомі факти, коли низ мотора, що включає блок циліндрів і колінчастий вал з його підшипниками, практично без змін стояв на конвеєрі десятиліттями, переходячи з одного кузова до іншого. Навіть більше, застосовувався і для бензинових, і для дизельних двигунів одночасно. Поршневі групи, як залежні від призначення двигуна, майже завжди піддавалися модифікації. Саме тому в номенклатурі виробників поршнів така велика різноманітність їх форм. Саме тому, коли ми хочемо отримати від серійного двигуна більше потужності, чи то його тюнінговий варіант або, більше того, спортивний, необхідно усвідомлювати, що, швидше за все, серійний поршень не буде відповідати новимвимогам до нього. Або ми отримаємо додаткові втрати, яких можна було б уникнути, або з'їмо весь запас надійності. Напевно, і те, й інше одночасно.
Випадок застосування додаткового наддуву або окислювача, такого, як закис азоту, так само створює нові умови роботи поршневої групи. Істотним моментом у конструкції, як ми з'ясували, є матеріал, з якого виготовлений поршень. Властивості матеріалу визначають характеристики виробу та його конструкцію. Автомобільні поршні виготовляються переважно з алюмінієвих сплавів, рідше із чавуну.
Чавун, володіючи рядом таких приємних якостей, як низький коефіцієнт лінійного розширення, що дорівнює за величиною матеріалу гільзи циліндра, висока термостійкість, висока міцність, відмінні підшипникові властивості, в даний час практично не застосовується. Гальмом послужили дві обставини.
По-перше, низька теплопровідність і, як наслідок, погана детонаційна стійкість двигуна, що не дозволяє використовувати високі ступені стиснення. По-друге, велика питома вага є на заваді швидкохідності.
У дрібносерійному та штучному виробництві для надання кращих механічних характеристик заготівлі поршнів отримують методом ізотермічного штампування або рідкого штампування. Високі тиски у процесі формування поковок сприяють ущільненню матеріалу і, як наслідок, покращенню його властивостей. Однак така технологія повністю унеможливлює наявність будь-яких вставок. Ця обставина робить виготовлені за такою технологією поршні переважно однорежимними.
В основному такі поршні використовуються для сильно навантажених двигунів, що випускаються малими серіями. Спортивні, наприклад. Для спортивних моторів, які за призначенням ближчі до однорежимних, знайшлизастосування металу алюміній – мідь. Це АК-4-1, Mahle YG. Заготівлі їх також пресують. У порівнянні з силумінами вони мають найкращі фізико-механічні характеристики при робочих температурах, але відрізняються на 20% більшим коефіцієнтом лінійного розширення. Також до недоліків можна віднести відносно швидке старіння та руйнування від втомних напруг. Тим не менш, в авіаційних поршневих моторах, а також в автомобільних спортивних, які обмежені ресурсом і мають підвищені вимоги до ваги поршня, зустрічаються досить часто.
Декілька слів про знос. Правильно підібраний під вимоги двигуна поршень майже ніколи не контактує зі стінкою циліндра. Виняток становлять холодні пуски та робота під навантаженням непрогрітого мотора. Тому навіть після значного пробігу, що становить 200 000 км і більше, зміна розміру спідниці незначна і лежить в межах 0,01 - 0,03 мм, якщо двигун без колізій нормально зношувався. Гільза циліндра, особливо у верхній її частині, може бути зношена кільцями до 0,15 мм. Але це зовсім не означає, що поршень можна продовжувати використовувати і він у стані, близькому до нового.
Основний параметр, яким бракується поршень, - знос канавок кілець. Як правило, до цього терміну і форма, і розмір канавки, як мінімум, першого кільця за межами допуску. Істотною обставиною не тільки зношування, а й ефективності мотора є геометрія та стан поверхні циліндра. По-перше, спотворення циліндричності так само впливає, як і неправильна форма поршня в сенсі збереження зазорів у парі поршень - циліндр. Найбільш ймовірними причинами порушення форми є напруги в блоці від кріпильних елементів головки та КПП. Також важлива мікрогеометрія, тобто глибина та форма хонової сітки. Фірма Mahle,провідний виробник поршнів у Європі, вважає, що передчасне знос моторів, що пройшли капітальний ремонт, у 80% випадків є наслідком саме неправильного мікрорельєфу поверхні.
Насамкінець хочу сказати, що в цій статті я показав лише деякі аспекти функціонування поршневої групи. Я виходив із припущення, що читач не є професійним двигуністом, проте цікавиться роботою мотора та тюнінг – його стиль життя. Тому тут не порушено багато питань, які завжди стоять перед конструктором нового двигуна. Тут лише невелике узагальнення тих тем, які з ініціативи клієнтів тюнінгового підрозділу компанії «Діліжанс» та автоспортсменів обговорювалися у різні періоди нашої діяльності.