Поршни | Алюминий или сталь
Поршни | Алюминий или сталь
Поршни Алюминий или сталь
Конструкторы рассчитывают на снижение снаряженной массы двигателей и дальнейшее увеличение параметров агрегата. Каковы пределы прочности поршней, которые, кстати, являются одной из самых нагруженных деталей двигателя?
Неустанная гонка за увеличением давления впрыска топлива или давления наддува увеличивает давление над поршнем и увеличивает термические и механические нагрузки на поршни. Ведь у дизелей с непосредственным впрыском топлива камера сгорания полностью находится в поршне.
бортовые мини погрузчики Bawoo
Давление и температура, воздействующие на него, определяют материал, из которого он сделан. Несколько десятилетий назад в тихоходных дизельных двигателях грузовых автомобилей поршни изготавливались из чугуна, а затем из стали.
По мере увеличения максимальных оборотов двигателя поршни изготавливались из алюминиевых сплавов. Преимуществами алюминиевых поршней являются: меньший вес, что важно при больших скоростях движения поршня в цилиндре, и лучшая теплопроводность по сравнению со стальными поршнями.
поршень аллюминевый или стальной
Однако каждый из этих материалов — сталь и алюминий — имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому объединение их в одном поршне казалось идеальным решением.
Отсюда 20 лет назад т.н. двухкомпонентный поршень Mahle Ferrotherm®, в котором стальное кованое дно соединено с алюминиевой направляющей. В результате днище характеризовалось высокой термостойкостью и хорошо переносило высокое поверхностное давление между втулкой и поршневым пальцем.
Эти поршни использовались многими производителями в качестве заводского оборудования для своих двигателей — Volvo, Scania, Detroit Diesel и Caterpillar. К сожалению, недостатком стали является ее более низкая теплопроводность по сравнению с алюминием. При этом важную роль играет охлаждение, особенно днища поршня.
Поэтому в стальных поршнях используется охлаждающий канал, для его охлаждения впрыскивается моторное масло или стальные пружинные пластины. Поршень Ferrotherm дополнительно имеет тепловой зазор между стальной и алюминиевой частями.
Кстати, отметим, что поршни Ferrotherm поставляются в ремкомплектах в разобранном виде. При сборке необходимо соблюдать правильную ориентацию: верхняя часть и направляющая поршня могут собираться только в одном направлении.
Или все таки сталь?
В течение нескольких лет конструкторы заново открывали преимущества стальных поршней, чему способствовали современные технологии производства. По словам специалистов Federal Mogul, при диаметре цилиндра до 120 мм рекомендуются поршни из алюминиевого сплава. Стальные поршни используются в цилиндрах диаметром 130 мм.
Однако тенденция использования стальных поршней постепенно усиливается и для цилиндров меньшего диаметра, особенно при давлениях, превышающих 210-220 бар.
Откуда возврат к стальным поршням?
Стальной поршень отличается большей механической прочностью, а также выдерживает более высокие температуры (свыше 400°С) и может быть меньшим (расстояние от оси пальца до днища поршня) по сравнению с алюминиевым поршнем.
По словам специалистов Mahle, поршни из алюминиевых сплавов выдерживают температуру в камере сгорания до «всего» 360°С и давление впрыска до 170 бар. С термической точки зрения, чем выше температура в камере сгорания, а значит и днище поршня, тем выше КПД процесса сгорания в дизельном цикле. При выборе стального поршня конструктор может использовать более высокие температуры днища поршня, чем в случае алюминиевого поршня. Ограничением, однако, является температура, при которой моторное масло закоксовывается и образуются отложения.
Еще одним преимуществом стальных поршней является более низкий коэффициент теплового расширения стали по сравнению с алюминием, что позволяет уменьшить зазор между поршнем и наконечником цилиндра. Это положительно сказывается на количестве загрязняющих веществ, выбрасываемых в выхлопные газы. И в настоящее время чистота выхлопных газов является приоритетом.
Стальной поршень не обязательно должен быть тяжелее алюминиевого поршня. Компания Kolbenschmidt успешно использует технологию производства цельных стальных поршней под названием Steelteks, чтобы получить мелкокристаллическую структуру материала, что обеспечивает высокую прочность с более тонкими стенками и, как следствие, снижение собственного веса.
Компания Mahle разработала четыре различных конструкции стальных поршней, самой популярной из которых является цельный стальной поршень Monotherm. Его эволюцией стал поршень MonoGuide, состоящий из двух частей, предназначенный для двигателей с алюминиевым корпусом.
Для давления до 200 бар рекомендуется использовать поршень MonoWeld®, изготовленный сваркой трением. Новинкой являются стальные поршни, состоящие из двух или даже трех частей. На этот раз комбинируется не сталь с алюминием, а сталь с разными свойствами — часто верхняя часть термообработана, а нижняя отлита.
Отдельные детали соединяются между собой сваркой трением – эта технология производства очень популярна и относительно недорога.
Трехкомпонентные резьбовые поршни MonoXcomp® производятся для двигателей большой мощности.
Или может алюминий?
Однако алюминиевые поршни все еще используются, не в последнюю очередь из-за более низких затрат на обработку. Выпускаемые сегодня поршни изготавливаются из алюминиевых и кремниевых сплавов. Как уверяет компания, ее алюминиевые поршни выдерживают максимальное давление порядка 200 бар и пробег автомобиля в миллион километров.
Долговечность алюминиевых поршней определяет устойчивость камеры сгорания к температуре и давлению. Существует риск образования усталостных трещин по краям и основанию камеры. Компания Federal-Mogul даже разработала процесс DuraBowl для очень быстрого повторного плавления и охлаждения краев камеры сгорания в уже готовом поршне. Образуется слой алюминия с очень мелкозернистым кремнием, размером до одной десятой от первоначального размера, что значительно улучшает усталостную долговечность отливки поршня.
Аналогичного эффекта добилась и компания Kolbenschmidt, разработав новый алюминиевый сплав с загадочным названием V4. Тогда алюминиевые поршни смогут выдержать недостижимую ранее температуру в 400°С. Еще одна идея Federal-Mogul — защитить камеру сгорания в днище поршня покрытием, содержащим наноалмазы в хромовом слое.
В алюминиевых поршнях большую роль играет охлаждение верхней части, т.н. короны. Производители используют разные способы охлаждения – обычно с помощью специальных галерей, питаемых моторным маслом, расположенных как можно ближе к поршневым кольцам. Имеются галереи с переменным сечением (Kolbenschmidt) или ступенчатым сечением, в которых масло нагнетается механически за счет возвратно-поступательного движения поршня.
Изготовление масляных галерей в процессе серийного производства достаточно затруднительно из-за обеспечения повторяемости размеров. Компания Federal Mogul разработала систему ультразвукового контроля 2D, которая позволяет контролировать качество исполнения галереи в течение 30 секунд, что позволяет снизить количество рекламаций.
За счет возвратно-поступательного движения поршень и кольца создают в двигателе значительные механические потери. В стальных и алюминиевых поршнях Federal Mogul используется покрытие EcoTough Diesel, которое снижает трение между юбкой поршня и цилиндром на 13 % по сравнению с обычными графитовыми покрытиями. На трение между уплотнительным кольцом и цилиндром приходится 25 % всех механических потерь двигателя, что составляет примерно 4 % расхода топлива. Поэтому производители используют различные методы обработки поверхности поршневых колец, в результате которых создается покрытие, устойчивое к истиранию и в то же время снижающее трение, например, покрытие DuroGlide® от Federal Mogul.
Для всех поршней используется очень точная подготовка отверстия под палец. Компания Federal-Mogul разработала процесс обработки с использованием очень точного электроэрозионного станка.
В отверстие пальца вставляется втулка из цветного сплава в качестве элемента, взаимодействующего с поршневым пальцем. В самых современных конструкциях штифт покрыт другим металлом, что улучшает взаимодействие между поршнем и штифтом.
Поршень стал довольно сложным изделием, как и весь двигатель, но дни сочтены.
Производители поршней, вероятно, задаются вопросом, что они будут производить, когда спрос на поршневые двигатели начнет снижаться.
