Из какого металла делают поршни

Из каких металлов изготавливаются поршни двигателя?

Все современные поршни двигателя изготовлены из алюминиевого сплава. Сплав ведет себя несколько иначе при использовании в зависимости от того, как изготовлен поршень, поэтому важно понимание процесса производства. До 1970-х годов тема литых и кованых поршней часто обсуждалась; с тех пор, достижения в области технологий сделали дебаты практически ненужными для повседневного водителя.

Материал Поршня Эволюция

В оригинальных двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней использовалась сталь. Алюминиевый сплав вступил во владение очень рано. Самые ранние алюминиевые поршни подвергались значительному расширению и сжатию из-за нагрева, и конструкция была разработана таким образом, чтобы стальные кольца – так называемые распорки – были отлиты в стенах, чтобы уменьшить проблему. Этот тип поршня был распространен до 1960-х годов, когда введение кремния в сплав сделало амортизацию избыточной. Большинство современных поршней изготавливаются с содержанием силикона около 25 процентов. Ранний алюминиево-силиконовый сплав был известен своей хрупкостью; случайное падение с высоты скамейки обычно приводило к появлению трещины, которая в лучшем случае была дорогой, а в худшем – невозможной для ремонта. Добавление никеля в сплав снижает хрупкость, но увеличивает отношение массы к массе.

Поршень Дизайн

Поршни имеют девять частей и секций. Вершина поршня должным образом называется венцом; ниже этого находятся кольцевые канавки, в которые установлены поршневые кольца. Поднятые области между кольцевыми канавками называются землями. Ниже кольца в сборе находится отверстие для поршневого пальца. Поршневой палец, называемый в промышленности «наручным пальцем», проходит через это отверстие и проходит через шатун. Вокруг поршневого пальца расположены выступы, которые поддерживают его концы. Нижняя часть поршня называется юбкой.

Литые поршни

Литой поршень отлит из расплавленного алюминиевого сплава, который втягивается вакуумом в стальные штампы; только минимальная обработка необходима, чтобы закончить полученный поршень. Процесс называется «гравитационное литье под давлением». Форма и толщина стенок полностью контролируются, но процесс стоит дорого.

Кованые поршни

Кованый поршень изготавливают вначале, помещая слиток из нагретого алюминиевого сплава в охватывающую форму; После этого в пресс-форму вынуждают поршня-самца штамповать металл в поршневую заготовку. Затем заготовка подвергается многим операциям обработки; Одна установка для ковки обычно производит заготовку, которая может быть обработана для поршней различных размеров, подходящих для самых разных автомобилей.

Сравнения

Литье было оригинальным методом изготовления поршней; ковка появилась позже как альтернатива. Процесс ковки сжимает молекулы сплава в венце, делая металл более плотным и, следовательно, способным противостоять экстремальным температурам. Это существенное преимущество, потому что заводная головка подвергается большему количеству тепла, чем любая другая часть двигателя, кроме свечи зажигания.

Практическое применение

Литые поршни выполнены в матрицах сложной формы, которые определяют их форму как внутри, так и снаружи; это позволяет получить равномерную и постоянную толщину стенки, которая сводит массу поршня к минимуму. Процесс установки штампов является дорогостоящим, поэтому литые поршни, как правило, изготавливаются только для нескольких применений и соответствуют огромным производственным требованиям. Кованые поршни после штамповки имеют сравнительно грубую внутреннюю форму, определяемую только плунжером, который вбивают в слиток, а затем втягивают. Это обычно означает, что требуется значительный поворот и ручная обработка. С помощью этого метода достигаются более жесткие допуски. По этим причинам рабочие поршни почти всегда кованые, а поршни OEM-спецификации отлиты.

Конструкционные материалы для поршней ДВС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ПОРШЕНЬ / PISTON / АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ / ALUMINUM ALLOYS / КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ / COMPOSITE MATERIALS / МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES / УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИТЫ / CARBON COMPOSITES

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Макаров А.Р., Смирнов С.В., Осокин С.В., Пятов И.С., Врублевская Ю.И.

В статье приводится обзор современных конструкционных материалов для производства поршней ДВС, включая композиционные материалы . Проведено сравнение механических и теплофизических свойств этих материалов. Сообщается об опыте производства в России поршней из углерод-углеродного композита .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Engineering materials for pistons of internal combustion engines

This article provides an overview of modern construction materials for production of pistons for internal combustion engines including composites. A comparison of mechanical and thermal properties of these materials is presented. It is reported on the experience of production of pistons made from carbon composite in Russia.

Текст научной работы на тему «Конструкционные материалы для поршней ДВС»

Конструкционные материалы для поршней ДВС

к.т.н. проф. Макаров А.Р., к.т.н. доц. Смирнов C.B., Осокин C.B.

Университет машиностроения (495) 223-05-23, atd@mami.ru Пятов И.С., Врублевская Ю.И., к.т.н. Финкельберг Л. А.

ООО «РЕАМ- РТИ», ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»

Аннотация. В статье приводится обзор современных конструкционных материалов для производства поршней ДВС, включая композиционные материалы.

Проведено сравнение механических и теплофизических свойств этих материалов.

Сообщается об опыте производства в России поршней из углерод-углеродного

Ключевые слова: поршень, алюминиевые сплавы, композиционные материалы, механические и теплофизические свойства, углерод-углеродные композиты.

Улучшение мощностных, экономических и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в условиях увеличивающегося спроса в автомобильной и авиационной промышленности является одной из самых актуальных задач.

Эта задача решается как за счет совершенствования рабочего процесса двигателя, так и оптимизацией основных узлов и деталей.

Возможность совершенствования рабочего процесса поршневого двигателя путем повышения давлений газа и тепловых нагрузок на детали в немалой степени связана с конструкцией поршня, применяемых при его производстве технологий и материалов.

Именно поэтому при создании двигателя особое внимание уделяется конструкции поршня, от работы которого зависят основные показатели двигателя.

Поршень должен обладать достаточными прочностными характеристиками, обеспечивающими необходимую надежность и долговечность в условиях воздействия высоких динамических, механических и тепловых нагрузок. При этом он должен обладать малой массой, высокой износостойкостью контактных поверхностей, низкими потерями на трение при минимальных монтажных зазорах в цилиндре, оптимальной теплопроводностью и малым коэффициентом теплового расширения.

Особое место отводится отработке конструкции поршня с использованием новейших расчетных методов оптимизации, что позволят выбирать наилучший вариант материала, вида упрочнения и геометрической конфигурации для конкретного типа двигателя, обеспечивающий выполнение норм экологии и высокую топливную экономичность.

Для производства поршней в отечественной и мировой практике используются алюминиевые сплавы, чугуны и стали, в последние два десятилетия за рубежом ведутся разработки поршней из композитов.

Основные размеры поршня определяются на основе свойств материалов, статических данных о соотношении конструктивных элементов поршня, проведения расчетов его напряженно-деформированного состояния, проверенных экспериментальными исследованиями. При этом особое внимание уделяется определению высоты головки и самого поршня, толщины днища и высоте жарового пояса. От этих параметров конструкции поршня зависят его масса, расположение центра тяжести и, следовательно, условии перекладки в цилиндре, шум и вибрации, температура в зоне канавки первого поршневого кольца, являющаяся причиной снижения её твердости и износостойкости и интенсивного коксования масла, приводящее к залеганию кольца в канавке.

Высота жарового пояса определяет также «мертвый» объем камеры сгорания двигателя и выбросы с отработавшими газами несгоревших углеводородов [2].

Для компенсации теплового расширения направляющей части поршня раньше в поршнях бензиновых двигателей широко использовались горизонтальные и вертикальные разрезы на юбке. Однако форсирование двигателей заставило конструкторов для обеспечения тре-

буемой долговечности отказаться от такого решения проблемы. До последнего времени уменьшение теплового расширения направляющей части поршня достигалось применением стальных терморегулирующих вставок, но стремление уменьшить массу поршня привело к снижению выпуска таких поршней. В настоящее время основным способом компенсации и учета значительного расширения направляющей части поршня является оптимизация её геометрической формы — овально-бочкобразного профиля [3]. Особенно остро эта проблема встает при проектировании поршней бензиновых двигателей, работающих в цилиндре с минимальными зазорами в условиях, когда тепловое расширение юбки превышает тепловое расширение цилиндра и монтажный зазор между ними, то есть при возникновении упругих деформаций юбки [4]. Ещё больше эта проблема усугубляется в настоящее время при использовании «жестких» коротких поршней с уменьшенной поверхностью трения. Ошибка в выборе профиля при этом может привести к задирам цилиндро-поршневой группы.

Широкое распространение получили поршни из сплавов алюминия, легированных кремнием, с содержанием последнего 11 — 13 % (эвтектические сплавы) и 17 — 23 % (заэвтек-тические сплавы). Основными достоинствами алюминиевых сплавов перед другими металлами являются: малая плотность материала, высокая теплопроводность и удовлетворительные трибологические характеристики. При этом очевидные недостатки поршней, изготовленных из освоенных промышленностью алюминиевых сплавов, такие как: значительное снижение прочностных характеристик при высоких температурах, высокий коэффициент теплового расширения и низкая износостойкость, преодолеваются за счет конструкционных и технологических мероприятий. К ним относятся:

• разработка специальных сплавов с добавлением компонентов, улучшающих прочностные характеристики при высоких температурах и уменьшающих тепловое расширение;

• использование специальных технологий изготовления заготовок поршней: литьё под давлением, изотермическая и «жидкая» штамповка для эвтектических сплавов и изотермическая штамповка (ковка) для заэвтектических сплавов, в том числе гранулированных.

Необходимо отметить, что возможности традиционных поршневых сплавов уже не удовлетворяют производителей ДВС, сконцентрировавших свои усилия на повышении износостойкости, термической и механической прочности, снижении потерь на трении, снижении массы поршня [2].

Так, для уменьшения износа канавки первого компрессионного кольца используются специальные вставки из чугуна и других материалов, уменьшающих износ в паре трения: поршень — компрессионное кольцо.

Большое внимание уделяется использованию различных покрытий. Направляющую часть поршня покрывают тонким, в несколько мкм, слоем свинца, олова или цинка для предохранения поверхности поршня от задира в условиях ухудшения смазки на отдельных режимах работы. Широко используются покрытия графитом со специальным наполнителем, обеспечивающим прочное сцепление со стенкой направляющей части. Такое покрытие существенно увеличивает износостойкость поршня.

Для упрочнения верхней канавки под компрессионное кольцо всё чаще вместо вставок используют износостойкое покрытие. Обычно такое покрытие делается по огневой поверхности днища поршня, охватывает жаровой пояс и первую канавку по всему периметру. Покрытие имеет толщину 40 — 120 мкм, образуется в результате твердого анодирования, т.е. термохимического преобразования верхнего слоя алюминиевого сплава в твердую керамику (окись алюминия А1203). В бензиновых двигателях с наддувом данное покрытие защищает поршень от разрушения при появлении детонационного сгорания.

Проводимые мероприятия позволили разработать надёжные конструкции поршней из алюминиевых сплавов, обеспечивающие экологические нормы и удовлетворительную экономичность двигателя.

Однако вышеперечисленные недостатки алюминиевых сплавов, несмотря на все проводимые конструктивные мероприятия, ограничивают дальнейшее улучшение основных параметров двигателя.

Концентрация усилий производителей двигателей на повышение термической и механической прочности поршней и за счёт этого достижение снижения их массы, уменьшения поверхностей трения и, следовательно, механических потерь привело к разработке композиционных материалов, в которых матрица — алюминиевый сплав — упрочняется оксидными керамическими волокнами А1203, или А1203+Б02, или нитевидными кристаллами карбида кремния Б1С. Армирование керамическими волокнами улучшает механические характеристики: прочность, предел текучести базового алюминиевого сплава, особенно при повышенных температурах, снижает коэффициент линейного температурного расширения, повышает износостойкость.

Характеристики материалов [5] представлены в таблице 1.

Характеристики материалов поршня

Параметр Композит АК12/22% АЬОз Силумин АК12

Плотность, г/см3 2.711 2.721

Электропроводность, МСм/м 11.5-11.8 18.0-19.0

Теплопроводность. Вт/м К 90.5 150.5

Коэффициент теплового расширения, х 10″б/К 18.51 21.86

Модуль Юнга, ГПа 90-94 73-75

Прочность на разрыв. МПа 330-345 310-320

Твердость, НВ 175-190 120-130

Предел текучести, [Н/м2]х 108 2.89 2.25

Удельная теплоемкость, Дж/кгК 1010 960

Коэффициент Пуассона, [-] 0.22 0.28

Наиболее нагруженной частью поршня является его головка. Требование обеспечения долговечности поршня при совместном действии механических нагрузок от сил давления газов и термических нагрузок, обусловленных высоким уровнем температур, привело к разработке составных поршней, у которых головка выполнена из стали, а юбка поршня — из алюминиевого сплава (поршни дизельных двигателей ELKO, Cummins). Однако лучшим техническим решением этой проблемы является конструкция поршня, армированного в головке керамическими волокнами [5] (рисунки 1, 2, 3).

Рисунок 1. Чертежи вставок

Рисунок 2. Поршни с различными вариантами вставок

Рисунок 3. Конструкция поршня, армированного в головке керамическими волокнами

Исследования [5] показали, что использование составных поршней (за счет уменьшения боковых зазоров алюминиевой юбки) позволяет снизить уровень шума, выброс токсичных веществ, увеличить среднюю температуру рабочего процесса, что позволяет повысить эффективность турбонаддува.

Физико-механические свойства композиционных материалов определяются свойствами алюминиевого сплава и применяемых керамических частиц, размерами и процентным содержанием частиц в композиционном материале. В результате варьирования матричным сплавом, типом упрочнителя, размерами и количеством частиц, вводимых в матричный сплав, возможно изменять свойства композиционного материала в достаточно широких пределах. При этом представляется возможным добиваться получения комплексных свойств композиционного материала, приближенных к необходимым, для поршней ДВС различного исполнения (с искровым зажиганием и дизельных) с различным уровнем форсирования надежности и ресурса. Причем физико-механические свойства композиционных материалов могут быть как изотропными, так и анизотропными за счёт изменения направления ориентации армирующих волокон.

Примером конструкции составного поршня с анизотропными свойствами может служить поршень [6], представленный на рисунке 4.

Рисунок 4. Условное сечение поршня (слева); схема конструкции армирующего элемента (справа): 1 — камера сгорания, 2 — канавка под компрессионное кольцо, 3 -композиционная головка, состоящая из композиционного материала, 4 — юбка поршня

Недостатком данных технических решений в применении к деталям, работающим в условия термоциклического нагружения, является различие в коэффициентах линейного температурного расширения материалов поршня и зон, армированных керамическими волокнами с малой теплопроводностью (Л1203 или AI2O3+SO2). Установлено, что в связи с разницей в коэффициентах линейного температурного расширения материала, армированного керамическими волокнами, и базового алюминиевого сплава в результате термоциклического режима нагружения поршня на границе раздела композиционного материала и базового алюминиевого сплава возникают касательные напряжения, превышающие пределы текучести как базового сплава, так и композиционного материала при рабочих температурах поршня. Это приводит к возникновению трещин на границе раздела материалов и разрушению поршня. В данных исследованиях это имело место при объёмном содержании керамических волокон более 10%. Такое ограничение по количеству вводимого в поршневой сплав упрочнителя накладывает соответствующие ограничения на свойства получаемого композиционного материла.

Перейдем к рассмотрению поршней, выполненных полностью из композитного материала.

Всё более широкое применение в автомобилестроении находят литые композиционные материалы системы Al — Si/SiC [7], отличающиеся повышенной износостойкостью, высоким сопротивлением к зарождению трещин, более низким коэффициентом теплового расширения, улучшением прочностных показателей, теплостойкостью. Сдерживает распространение данных материалов усложнение технологии и соответствующее удорожание производства. Авторами статьи [7] разработана технология с использованием метода композиционного литья in — situ (армирование матричного сплава выделившимися спонтанно в процессе кристаллизации фазами) и для снижения себестоимости используется замешивание в расплав (in —

vitro) недорогих и недефицитных армирующих добавок.

Например, получены литые композиционные материалы на основе сплава АК12 при замешивании в алюминиевый расплав неметаллических частиц с существенным уменьшением температурного коэффициента линейного расширения (у сплава АК25 — 22-10 1/0С, композиционного материала на основе АК25 — 16-10-6 1/0С). Существенно повышается и износостойкость разработанных сплавов. На рисунке 5 представлены результаты исследования.

0.7 0,6 0-S 0.1 о.з +0.! -о.14~ о

I-1 — АЛ25+3-5%Сы- Fe-Si+CuА12;

— А Л 25+3 -5%С u- Fe- S i+Cu- Fc-Mn — S i; | | — AJI25+3-5%CuA!>

Рисунок 5. Зависимость износостойкости исходного алюминиевого сплава и

композитов на его основе от нагрузки в условиях трения со смазкой, скорость

скольжения 2 м/с

Авторы делают вывод, что применение дешевых армирующих элементов взамен дорогостоящих керамических и борных волокон, частиц карбида кремния позволит существенно снизить стоимость композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов, сделать их более доступными для массового производства [7].

В 80-е годы начались исследования возможности использования углерод-углеродного материалов для поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [8, 9]. Данный класс материалов был разработан в начале 1960-х годов для авиакосмической техники. Уникальные свойства этого класса материалов, к уже перечисленным общим достоинствам всех композитных материалов, дополняются в зависимости от поставленных задач отличными фрикционными или антифрикционными свойствами, что позволяет осуществить подбор композиции и технологии.

Прочность на растяжение углерод-углеродных композитов зависит от состава и структуры матрицы, а также технологии. Но даже у многих графитовых материалов «малая» прочность на растяжение при комнатной температуре компенсируется тем, что в отличие от алюминиевого сплава, прочность которого с возрастанием температуры значительно снижается, прочность у углерод-углеродных материалов возрастает, и при температуре на режиме полной нагрузки предел прочности выше, чем у алюминиевого сплава [9] (рисунок 6).

Специальные углерод-углеродные композиции превосходят алюминиевые сплавы во всем температурном диапазоне [8] (рисунок 7).

Предел прочности, МПа ЮО

ЯО 200 150 Ю0 ю о

Рисунок 6. Предел прочности на разрыв алюминиевого сплава и графита

Рисунок 7. Предел прочности на разрыв

алюминиевого сплава Р332.1 Т5 и углерод-углеродного композита АСС-4

В статье [9] приводятся результаты испытаний с поршнями из углерод-углеродного материала, которые показали хорошие результаты прежде всего по составу отработавших газов: снижение углеводородов (СН) на 20%, окиси углерода (СО) на 30% и оксидов азота (NOx) на 3%, а также снижение масла на угар на 44% и улучшение экономичности на 3%. Результаты показывают перспективность использования данного материала для ДВС.

Максимальные возможности от использования углерод-углеродного материала можно будет достичь только при комплексном проектировании всех деталей цилиндропоршневой группы, колец и гильзы цилиндра. Установка поршня в гильзу, изготовленных из одного материала, позволит обеспечить минимальные монтажные зазоры, уменьшить количество поршневых колец и, возможно, полностью отказаться от их использования, а с учетом отличных антифрикционных качеств данного материала это позволит существенно снизить уровень шума и механические потери.

Оптимизация конструкции поршня и поршневого пальца на основе расчетно-экспериментальных исследований позволит уменьшить массу, что также будет способствовать улучшению показателей двигателя, а повышение общего уровня температур увеличит индикаторные показатели и, следовательно, эффективные показатели двигателя.

Разработка методов влияния на свойства материалов в зависимости от его состава, строение компонентов и технологии изготовления позволит создавать конструкции, максимально учитывающие особенности работы поршня в двигателе. Например, изменение теплопроводности поршня позволит изменять температуры днища поршня. Для двигателей с самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия [10, 11] требуется увеличение максимальных температур днища поршня для улучшения смесеобразования, а в бензиновых двигателях для обеспечения бездетонационной работы необходимо ограничивать максимальные температуры.

Производство углеродных поршней освоено в Германии (компания SCHUNK) и в США (компания SGL) для специальных ДВС и ДВС спортивного назначения.

В основе технологий изготовления углеродных поршней лежит прессование углеродного порошкового сырья со специальными ингредиентами и высокотемпературная карбонизация. В основе матричной структуры материала лежит получение мезофазной системы углерод-углеродной композиции.

На настоящий момент препятствием массового применения углеродных композитов в ДВС является высокая стоимость.

Сравнительные данные по физико-механическим показателям углеродных материалов (фирма «SCHUNK») и керамикоподобных композиций разработанных

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Модель SCHUNK FU 4270 SCHUNK FU 2451 Поршень ООО «РЕАМ-РТИ»

Плотность, г/см3 1,8 1,9 1,0-1,3

Предельная прочность, МПа

— на растяжение — — 40-54

— на сжатие 150 250 250-300

— на изгиб 80-100 100-120 80-118

В нашей стране ведутся работы по созданию новой технологии конструкционных материалов. Так, например, фирма ООО «РЕАМ-РТИ» освоила новый способ получения конструкционного материала с керамикоподобными свойствами. Данный материал представляет собой твердую композицию, который содержит углеродные наполнители, прошедшие специальную термическую обработку. По своей природе он напоминает органическую керамику. Данный материал обладает высокими прочностными характеристиками, твердостью, высо-

кими значениями износостойкости, термостойкостью и может быть пригоден для изготовления поршней для ДВС.

Некоторые сравнительные физико-механические характеристики керамикоподобного материала ООО «РЕАМ-РТИ» с материалами фирмы «БСНЦЫК» (производитель углеродных поршней) приведены в таблице 2.

На рисунке 8 показан образец поршня из углеродного материала Карбул, выполненный по заказу ФГУП «ЦИАМ» для авиационного ДВС (по технологии ООО «РЕАМ-РТИ»), механическая обработка проведена в Московском государственном машиностроительном университете (МАМИу ООО «НИИ «Автотехнология-МАМИ»

Рисунок 8. Поршень из углеродного материала Карбул (технология ООО «РЕАМ-РТИ»)

Дальнейшие работы в этом направлении представляются весьма перспективными, так как производители углеродных поршней по результатам испытаний и эксплуатации бензиновых и дизельных двигателей приводят следующие аргументы в пользу углеродных конструкций [8, 12-15]:

• значительное сокращение выбросов с отработавшими газами: НС> 40%, СО> 50%, КОх> 12%;

• снижение расхода топлива: на 3 — 8%;

• сокращение потребления масла на угар: на 40 — 55%;

• низкая плотность: 1.5 — 2.2 г/см3 (снижение веса поршня на 10 — 20%., уменьшение момента инерции на 30 — 40%);

• низкий коэффициент теплового расширения: 5 — 8-10 1/К, а следовательно, обеспечение минимального зазора в сопряжении юбка поршня — цилиндр при высоких тепловых нагрузках;

• уменьшение прорыва картерных газов;

• увеличение степени сжатия примерно на 10%;

• увеличение механической прочности при повышении температуры: 2 — 5% при 400 °С;

о 90 — 110 МПа: для малофорсированных двигателей: малой мощности двухтактные и четырехтактные двигатели, газонокосилки, бензопилы, мотоциклы, скутеры и др.,

о 110 — 130 МПа: для средненагруженных двигателей: четырехтактные двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигателей, легковые автомобили, мотоциклы, лодочные моторы, стационарные двигатели, о 130 — 160 МПа: для высоконагруженных двигателей: четырехтактные двигате-

ли с искровым зажиганием и дизельные двигатели с турбонагнетателем и прямым впрыском топлива;

• постоянная твердость HRB = 90 — 125 во всем диапазоне температур;

• высокое сопротивление изнашиванию на всех активно трущихся поверхностях;

• постоянно обеспечивается сохранение трибосвойств: коэффициент трения при смазке от 0.01 до 0.03, коэффициент трения при ограниченной смазке от 0.04 до 0.07; не подвергается схватыванию, задирам;

• хорошая адгезия смазочного масла на поверхности;

• высокая стабильность размеров;

• возможность изменять теплопроводность в широких пределах от 35 до 120 Вт /м-К;

• обеспечивает идеальные условия для поршней с «изоляционным эффектом», особенно в дизельных двигателях и в двигателях с самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия;

• высокая коррозионная стойкость: нет отложений за счет агрессивных или электролитических процессов при остановках двигателя

1. Материалы для карбюраторных двигателей: справочное пособие / A.B. Лакедемонский [и др.]; под ред. A.B. Лакедемонского. — М.: Машиностроение, 1969. — 223 с.

2. Поршень двигателя внутреннего сгорания [Текст]: пат. 2116487 РФ: МПК F02F3/00. / Бураков Ю.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Акционерное общество закрытого типа «ТЕТРА». — № 97105205/06; заявл. 04.04.1997; опубл. 27.07.1998.

3. Профилирование юбок поршней / Б.Я. Гинцбург [и др.]. М.: Машиностроение, 1973. 89 с.

4. Костров A.B. Особенности конструкции поршня бензиновых ДВС / A.B. Костров, А.Р. Макаров, C.B. Смирнов // Автомобильная промышленность. 1987. №4. с. 8-10.

5. Slawinski Z., Jankowska D., Jankowski A., Nykiel J., Sieminska B. Novel alloy for modern IC engine piston application // World Journal of Engineering. — Supplement 2009. — pp. 963-964

6. Поршень двигателя внутреннего сгорания [Текст]: пат. 2015388 РФ: МПК F02F3/26. / Карнаухов Б.Г. [и др.]; заявитель Научно-исследовательский институт автотракторных материалов Научно-производственного объединения «Автопромматериалы»; патентообладатель Хаюров Сергей Сергеевич. — № 4950332/06; заявл. 27.06.1991; опубл. 30.06.1994.

7. Литые композиционные материалы на основе алюминиевого сплава для автомобилестроения / Е.В. Миронова [и др.] // Вестник ХГАДТУ. — 2006. № 33. с.20-22.

8. Gorton M.P. Carbon-carbon piston development [Электронный ресурс] // NASA. — 1994. -Режим доступа: http://hdl.handle.net/2060/19940031440

9. Heuer J.L. Development and testing of carbon pistons [Электронный ресурс] // ACS Fuels. -1991. — 36 (3) — pp.1088 — 1093. — Режим доступа: https://web.anl.gov/PCS/acsfuel/preprint%20archive/Files/Volumes/Vol36-3.pdf

Ю.Камалгдинов, В.Г. Влияние температуры огневой поверхности цилиндра на процесс сгорания и показатели рабочего цикла HCCI — двигателя / В.Г. Камалгдинов, В.А. Марков // Грузовик. — 2010. № 12. с. 38-47.

11. Двигатель, работающий с самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия (HCCI — процесс) / A.B. Костюков [и др.] // Автомобильная промышленность. — 2012. № 6. с. 11-12.

12.Bäumel F. Werkstoffgerechte Auslegung und Festigkeitsnachweis für Verbrennungsmotorkolben aus Mesophasenkohlenstoff, 2001.

13.Afify E. M., Roberts W. L. Durability, performance, and emission of diesel engines using carbon fiber piston and liner [Электронный ресурс] // NASA. — 1999. — Режим доступа: http://hdl.handle.net/2060/19990080052

14.Liberatore A.J. Spark-Ignited Heavy Fuel, Part Deux [Электронный ресурс] // EAA Experimenter. — December 2009. — Режим доступа: http://hdl.handle.net/2060/19990080052

15. Schmidt J., Moergenthaler K.D., Brehler K.-P., Arndt J. High-strength graphites for carbon piston applications // Carbon. — 1998. — 36 (7) — pp. 1079-1084.

Поршень двигателя: конструктивные элементы, признаки и причины их износа

Поршень двигателя внутреннего сгорания представляет собой деталь цилиндрической формы, которая двигается внутри цилиндра и отвечает за преобразование энергии газов в энергию поступательного движения.

Стандартный поршень ДВС состоит из 3 основных элементов: днища, уплотняющей и направляющей частей.

Днище (или головка) служит для восприятия тепловой нагрузки и газовых сил, образующихся вследствие сгорания топливно-воздушной смеси.

Уплотняющая часть, состоящая из нескольких поршневых колец, отводит тепло от поршня к цилиндру и препятствует прорыву газов.

Направляющая часть (юбка) поддерживает положение поршня и передает боковое усилие на стенки цилиндра.

Далее каждая из этих частей будет рассмотрена более подробно.

Днище поршня

Днище поршня может иметь разную форму, что зависит от типа двигателя, особенностей смесеобразования и газообмена в цилиндре, расположения форсунок, свечей и клапанов.

Детали с выпуклым днищем обладают повышенной прочностью, однако они работают в камере сгорания линзовидной формы, что увеличивает теплоотдачу и механические потери.

Поршни с выпуклым днищем

Поршни с вогнутым днищем используются в дизельных моторах и бензиновых двигателях с высокой степенью сжатия. Они образуют компактную форму камеры сгорания, однако более склонны к образованию нагара.

Наиболее простыми и распространенными являются поршни с плоскими днищами. Ими оснащаются многие бензиновые двигатели, а также дизельные ДВС вихрекамерного и предкамерного типа.

Днище поршня принимает на себя основную термическую нагрузку, поэтому толщина поршня в этой части больше, чем в других. Чем днище толще, тем больше масса детали, но меньше ее нагрев.

Стандартная толщина днища поршня в обычных двигателях – 7-9 мм, в турбомоторах – 11 мм, в дизельных ДВС – 10-16 мм.

В целях увеличения прочности, снижения вероятности перегрева и прогорания некоторые виды поршней в области днища и канавки первого компрессионного кольца подвергаются твердому анодированию. В ходе этой операции верхний тонкий слой алюминия преобразуется в керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

Уплотняющую часть поршня составляют поршневые кольца: в современных двигателях используется, как правило, три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов из камеры сгорания в картер двигателя. По форме они могут быть трапециевидными, коническими или бочкообразными. Некоторые виды таких колец имеют вырез. Наибольшие нагрузки воспринимает первое компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса данной детали, ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Поршневые кольца

Маслосъемные кольца предназначены для удаления излишков масла и предупреждения их попадания в камеру сгорания. Для этих целей служат сквозные отверстия, расположенные по периметру кольца. Через них масло, удаленное со стенок цилиндра, поступает внутрь поршня, а затем попадает в поддон картера двигателя.

Некоторые виды маслосъемных колец оснащены пружинным расширителем.

Диаметр уплотняющей части поршня меньше, чем направляющей. Это связано с повышенным нагревом детали в районе колец. Жаровый пояс имеет еще меньший диаметр, что позволяет избежать задиров и заклинивания колец в канавках после термического расширения поршня.

Для уплотнения поршня наибольшее значение имеет материал и качество колец. Чугунные маслосъемные кольца намного надежнее и проще в установке, чем составные. При перегреве их упругость не снижается, поэтому не возникает таких проблем как выброс масла, пропуск газов в картер и пр.

Направляющая часть

Направляющую (тронковую) часть поршня называют юбкой. С внутренней стороны она имеет бобышки (приливы), в которых располагается отверстие под поршневой палец. Для фиксации пальца предусмотрены специальные канавки.

Юбка поршня

Нижняя кромка юбки снабжена буртиком для последующей механической обработки и подгонки поршня. Буртик растачивается с внутренней стороны в том случае, если поршень слишком тяжелый. В местах расположения отверстий под поршневой палец с наружной части юбки вырезаются специальные углубления. Эти зоны не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые «холодильники».

Чтобы поршень свободно перемещался в цилиндре, между юбкой и стенками гильзы предусмотрен зазор, величина которого зависит от линейного расширения металла пары «поршень-цилиндр» при нормальной работе ДВС.

Перегрев грозит чрезмерным расширением поршня, образованием на нем задиров и заклиниванием. Однако решать проблему выставлением большого зазора не рекомендуется – это не только снижает уплотняющие свойства поршня, но и грозит выходом двигателя из строя.

Поверхности юбки воспринимают силы бокового давления, в процессе движения поршня испытывают повышенное трение и нагрев. Именно поэтому многие автопроизводители еще на этапе производства поршней наносят на юбки антифрикционное покрытие (АФП), что позволяет не только защитить детали от усиленного износа, но и облегчить приработку на новом двигателе.

Существуют АФП, которые можно наносить не только в заводских условиях, но и в обычных мастерских, гаражах и прочих помещениях, не оборудованных специальными приспособлениями.

Набор для нанесения антифрикционного покрытия на детали ДВС

Одним из таких материалов является антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.

Аэрозольная упаковка делает процесс нанесения этого состава простым и удобным. Полимеризация АФП возможна как при комнатной температуре, так и при нагреве.

Опыт использования покрытия показал, что оно эффективно снижает трение, предотвращает скачкообразное движение и задиры, сохраняет работоспособность двигателя даже в режиме масляного голодания.

Материал устойчив к длительному воздействию моторного масла и при правильной предварительной подготовке поверхностей не теряет своих свойств на протяжении долгого времени.

MODENGY Для деталей ДВС доступно в наборе со Специальным очистителем-активатором MODENGY, который не только очищает и обезжиривает, но и гарантирует отличную адгезию покрытия.

Причины износа поршня

Поршень, как и любой другой рабочий элемент двигателя, подвержен механическим повреждениям и износу.

Ежедневная эксплуатация автомобиля способствует выработке ресурса деталей, на что указывает:

Повышенный расход масла
Синий дым из выхлопной трубы
Нагар на свечах зажигания
Нестабильная работа ДВС на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
Увеличение расхода топлива в 2 и более раз
Снижение мощности двигателя и т.д.

Все это свидетельствует о некорректной работе двигателя, в частности, поршневой группы. Далее отметим, какие проблемы для нее наиболее актуальны.

Задиры и нагар на днище поршня

Появляются вследствие перегрева поршня из-за нарушения процесса сгорания, деформации и/или засорения масляной форсунки, несоответствия размера детали рекомендованным, неисправности системы охлаждения, уменьшения зазора в верхней части рабочей поверхности.

Нагар на днище поршня

Следы от ударов на днище поршня

Свидетельствуют о слишком большом выступе поршня, неверной посадке клапана, слишком малом зазоре в клапанном приводе, отложениях масляного нагара на днище поршня, неподходящем уплотнении ГБЦ, некорректно выставленным фазам газораспределения.

Наплавления и расплавление металла на поверхностях

Указывают на неравномерный впрыск топлива, позднее зажигание, недостаточное сжатие смеси, неверный момент начала впрыска и его количество, неисправность впрыскивающих форсунок.

Трещины на днище поршня и в полости камеры сгорания

Говорят о недостаточной компрессии в цилиндрах, плохом охлаждении поршня, некорректном впрыске смеси. Трещины могут появиться при установке поршней в неподходящей к ним по форме полости камеры сгорания.

Трещина на днище поршня

Повреждения поршневые колец

Возникают вследствие неправильной установки поршней, избытке топлива в камере сгорания, вибрации самих поршневых колец, сильном осевом износе кольцевой канавки.

Радиальный износ поршня

Наблюдается из-за избыточного количества топлива в камере сгорания. Такая проблема является следствием сбоев в процессе приготовления смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давлении сжатия. Осевой износ возникает в результате загрязнения поршня во время приработки ДВС.

Износ юбки поршня

Повреждения на юбке могут возникать по нескольким причинам. Ассиметричное пятно контакта на боковой поверхности тронка обычно вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, неправильно просверленными отверстиями цилиндра, большим люфтом шатунного подшипника, наклонно просверленными отверстиями в головках шатунов.

Задиры образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом запуске двигателя.

Задиры на юбке поршня

Поверхности трения юбки поршней истираются также из-за попадания топлива в масло, неисправного пускового устройства холодного двигателя, недостаточного сжатия, перебоев в зажигании и работе ДВС на переобогащенной воздушно-топливной смеси.

Кавитация гильз

Кавитация – основная причина выхода гильз из строя. Это явление вызвано недостатком охлаждения, слишком низкой или высокой температурой, применением неподходящей охлаждающей жидкости, неправильной и/или неточной посадки гильз цилиндров, использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Масляный нагар на днище цилиндра

Такие отложения возникают вследствие избыточного содержания масла в камере сгорания. Это вызвано, в свою очередь, неисправностью деталей, прорывом газов с проникновением масла во всасывающий тракт, недостаточным отделением масляного тумана от картерных газов.

Поршень двигателя: конструкция, функции, причины износа и способы его предотвращения

В процессе работы поршни испытывают экстремально высокие давления, нагрузки и температуры. Выдержать такие условия им помогают особо прочные конструкционные материалы и специальные антифрикционные покрытия.

Поршень двигателя – один из основных составных элементов цилиндро-поршневой группы. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, а затем передает его на шатун.

Экстремальные условия эксплуатации поршней – высокие давления, инерционные нагрузки и температуры – требуют использования для их изготовления материалов с особыми параметрами:

Высокой механической прочностью
Хорошей теплопроводностью
Малой плотностью
Незначительным коэффициентом линейного расширения
Антифрикционными свойствами
Коррозионной устойчивостью

Такими свойствами обладают специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся легкостью и термостойкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.

Поршни могут быть литыми или коваными. Первые производятся путем литья под давлением, вторые – методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (около 15 %). Это значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения материала в диапазоне рабочих температур.