Конструкция и производство поршней

Конструкция и производство поршней

После всего сказанного логичным будет переход к поршням, поршневым кольцам и поршневому пальцу. Прежде всего вы должны решить, будете ли вы сохранять стандартный поршень. Если вы выполняете серию спортивных модификаций, скорее всего, стандартные литые поршни с пазами будут работать нормально. При выполнении более серьезных модификаций необходимо использовать литые поршни без пазов, а для участия вгонках вам понадобятся кованые поршни без пазов.

В большинстве заводских двигателей используются литые поршни, так как их достаточно просто изготовить, придав необходимую форму. Некоторые двигатели с высокими техническими характеристиками оснащены высококачественными коваными или литыми поршнями в качестве заводского оборудования. Посмотрев на внутреннюю часть поршня, вы сможете определить способ изготовления (литой или кованый). Литые поршни имеют достаточно замысловатую форму под днищем, вокруг выступа под поршневой палец, а кованые поршни внутри будут гладкими.

Литые поршни, стандартные или заэвтектические, обладают достаточно низкой плотностью материала. Например, стандартный литой поршень изготовлен из алюминиевого сплава с низким содержанием кремния (7–8%), а заэвтектический литой поршень будет изготовлен из сплава алюминия, где содержание кремния будет примерно в два раза выше (15–20%), следовательно, он сможет выдерживать более высокую температуру и давление. Более высокое содержание кремния делает поршень прочнее, что увеличивает износостойкость и устойчивость кистиранию, а также сокращает степень расширения поршня при увеличении температуры. Поэтому заэвтектические поршни могут выдерживать меньшие зазоры между поршнем и головкой блока цилиндров. К тому же, так как поршень можно отлить с замысловатой структурой стоек под головкой, он может быть достаточно прочным и намного легче, чем кованый поршень. Именно по этим причинам литые заэвтектические поршни устанавливаются в качестве заводского оборудования на атмосферные двигатели с высокими техническими характеристиками. Однако они не станут оптимальным вариантом для двигателей с наддувом, так как добавление кремния делает их более хрупкими и, следовательно, склонными кповреждению под воздействием детонации.

Кованые поршни обладают более высокой плотностью и, следовательно, имеют более высокий предел прочности на растяжение. Они могут выдерживать более высокие давление и тепловые нагрузки, чем литые поршни, а более высокая плотность улучшает их теплопроводность до такой степени, что обычно температура поршня снижается до 38°С. Из-за всех этих преимуществ кованые поршни обычно являются оптимальным вариантом для высокомощных двигателей с наддувом.

Слабым местом многих заводских поршней являются сливные масляные пазы в канавке маслосъемного кольца.

Наиболее уязвимым местом во многих поршнях, устанавливающихся на заводские атмосферные двигатели, являются пазы для слива масла за маслосъемным кольцом. Они обычно расположены от одного прилива до второго по обеим сторонам поршня. Пазы ослабляют поршень взначительной мере, позволяя юбке поршня отсоединяться от верхней части. В стандартных заводских двигателях это может стать серьезной проблемой, поэтому можете представить, с чем столкнетесь, если поршни с пазами не заменить при добавлении наддува. Поршни, подходящие для использования в двигателях с высокими техническими характеристиками (литые либо кованые), не оснащены пазами для контроля расширения или слива масла. Вместо этого небольшие сливные отверстия просверливаются в канавке маслосъемного кольца. А дополнительный зазор поршня и специальная конструкция призваны бороться с расширением.

Поршни для гоночных автомобилей могут быть оснащены полной или неполной опорной поверхностью юбки поршня, а некоторые могут являться промежуточным вариантом. В таком случае юбка поршня будет удлиняться до выступа под поршневой палец, а затем сужаться до опорных поверхностей после этой точки. Конструкции с неполной опорной частью намного легче, однако срок их службы может быть очень коротким (около 400–500 км при движении с высокой частотой вращения двигателя). Также в зависимости от таких параметров, как длина шатуна, ход коленвала, диаметр и зазор поршня, герметичность поршневых колец и регулировка, смазки могут быть не настолько эффективными, как впоршнях с полной опорной частью юбки поршня. Кроме того, я обнаружил, что иногда приходится использовать более тяжелый поршневой палец, чтобы снизить смещение поршня, а в таком случае преимущество в весе поршней с неполной опорной частью юбки поршня будет сокращаться. Следовательно, я предпочитаю использовать поршни с полной опорной частью юбки. При использовании с коническим поршневым пальцем срок службы поршня можно увеличить от трех до шести раз по сравнению с поршнями с неполной опорной частью юбки.

Рабочий зазор поршня

Часто мы считаем, что поршни имеют круглую форму, но на самом деле юбка поршня имеет скорее овальную форму, к тому же поршень имеет коническую форму, если смотреть снизу вверх. Эти особенности конструкции помогают предотвратить заклинивание поршня. Во время работы температура верхней части поршня практически в два раза выше по сравнению с температурой нижней части юбки поршня, поэтому она больше расширяется. Из-за того, что вокруг приливов поршневого пальца больше металла, температура здесь будет выше, удлиняя поршень по оси поршневого пальца. Юбка поршня овальной формы компенсирует это. Диаметр большей части поршней на 0,1–0,3 мм меньше по оси поршневого пальца, чем на опорной поверхности. Будьте внимательны: измеряйте зазор поршня только на опорной поверхности и либо в нижней части юбки поршня, либо вверху около поршневого пальца (уточните у производителя).

Поршни с высоким расположением поршневых колец и узкими перемычками между поршневыми канавками подходят только для маломощных двигателей с наддувом.

Если случайно уронить поршень, можно повредить юбку, что приведет со временем к заклиниванию поршня вследствие деформации юбки. Ни вкоем случае не впрессовывайте поршневой палец при помощи молотка и выколотки, так как это приведет к деформации юбки поршня. Если у вас возникли трудности при извлечении поршневого пальца, нагрейте поршень, опустив его в кипящую воду или масло, затем осторожно выпрессуйте поршневой палец, зафиксировав шатун в тисках, чтобы не подвергать поршень нагрузкам.

Чтобы обеспечить более эффективную смазку и возможность большего расширения поршня, в двигателях с высокими техническими характеристиками зазор между цилиндром и поршнями меньше, чем у заводских автомобилей. Лучше всего проконсультироваться с производителем поршней по этому вопросу, но обычно я предпочитаю использовать значения около 0,05 мм (как минимум). Желательно использовать зазор 0,07 мм в двигателях, использующихся в условиях городского движения, с литыми поршнями, если диаметр гильзы цилиндров составляет 80–100 мм. В двигателях легковых автомобилей, использующихся в условиях городского движения, при использовании кованых поршней зазор будет составлять примерно 0,03–0,04 мм на 1 мм диаметра цилиндра, в то время как в гоночных двигателях это значение будет от 0,4 до 0,5 мм на 1 мм диаметра цилиндра. Однако некоторые кованые поршни, например поршни компании JE, работают с зазором 0,07 мм, как и в литых поршнях. Максимально допустимое различие между цилиндрами не должно превышать 0,01 мм. Если вариации больше, попробуйте поменять поршни местами в цилиндрах. Как только вы определите исходное положение каждого поршня, пронумеруйте юбки поршня при помощи маркера. Не наносите установочные метки на днище поршня, так как его, возможно, придется обрабатывать на станке позже, чтобы добиться необходимого значения выступания поршня.

Зазор между клапаном и поршнем

Хотя в большей части двигателей клапаны расположены под углом по отношению к головке блока цилиндров, необходимо все-таки подумать об обеспечении соответствующего зазора между клапаном и поршнем. Вертикальный зазор должен составлять не менее 1,5 мм, хотя для двигателей со штанговыми толкателями в приводе клапанов, которые во время участия в гонках более склонны к неполному закрытию клапанов, япредпочитаю использовать зазор 2 мм для впускных клапанов и 0,25 мм для выпускных клапанов. Диаметр среза из соображений безопасности должен быть больше диаметра головки клапана на 3мм, но в гоночных автомобилях, где на клапанах и поршнях нет скоплений нагара, это значение можно сократить до 1,3 мм.

Существует два основных способа проверки безопасного рабочего зазора клапана, но оба метода подразумевают большой объем работ. Обе техники также требуют, чтобы двигатель был собран практически полностью. Необходимо установить распредвал и точно выставить фазы газораспределения, головку блока цилиндров и прокладку также необходимо установить.

Для первого метода используйте кусок ваяльной глины, прикрепленный в верхней части поршня. После того как вы выровняете глину, нанесите на клапаны в цилиндре, который проверяется, тонкий слой WD-40: это поможет избежать прилипания глины к клапанам позже, при выполнении проверки зазора клапанов. Установите головку блока цилиндров и прокладку, затяните элементы крепления и отрегулируйте клапанные зазоры. Теперь очень осторожно проверните двигатель на два полных оборота, чтобы полностью открыть и закрыть впускной и выпускной клапаны. Снимите головку блока цилиндров и измерьте толщину глины на обоих срезах под головки клапанов. Затем срежьте глину при помощи острого мокрого ножа, чтобы проверить зазор около головки клапана.

Второй метод даст точные результаты, только если срезы клапана расположены непосредственно под клапаном, так как вы не сможете проверить зазор между краем головки клапана и краем среза. В этом случае необходимо установить более слабые проверочные пружины вместо обычных клапанных пружин. Прежде всего затяните элементы крепления головки блока цилиндров и прокладки и отрегулируйте клапанные зазоры. Затем установите индикатор часового типа на впускной клапан и проверните двигатель, пока клапан полностью не откроется. Обнулите индикатор часового типа и нажмите на открытый клапан до упора. Показания индикатора и будут составлять зазор. Выполните те же действия, чтобы проверить зазор выпускного клапана.

Когда поршни находятся в верхней мертвой точке, вы можете измерить положение днища поршня. В этом турбированном двигателе с низким давлением выступание поршней над поверхностью блока цлииндров выполнено таким образом, что они находятся очень близко к зоне завихрения. Это сделано в целях оптимизации горения при движении на крейсерской скорости, снижения расхода топлива и улучшения реакции дроссельной заслонки.

Зазор между поршнем и головкой блока цилиндров

Чтобы уравновесить давление сжатия и давление горения, днище каждого поршня должно подниматься в одну и ту же точку в каждом цилиндре (это так называемое выступание поршня над поверхностью блока цилиндров). В двигателях для уличных гонок значение выступания поршня должно быть минимальным, чтобы оптимизировать удаление газов из камеры сгорания. Прочный двигатель со стальными шатунами может работать при минимальном значении зазора 1 мм между днищем поршня и зоной завихрения головки блока цилиндров. Поэтому, если прокладка головки блока цилиндров имеет толщину 0,8 мм в сжатом состоянии, мы можем использовать минимальный зазор из расчета: 1 – 0,8 = 0,2 мм. Это означает, что поршни будут изготовлены таким образом, чтобы выступать над поверхностью блока цилиндров на 0,2 мм в верхней мертвой точке.

Алюминиевые шатуны более склонны к деформации при высокой частоте вращения, к тому же алюминий имеет более высокий коэффициент расширения, чем сталь, поэтому зазор между поршнем и головкой блока цилиндров должен составлять по крайней мере 1,8 мм. В двигателях со стальными шатунами, которые склонны к упругой деформации блока цилиндров и биению коленвала, зазор должен составлять 1,5 мм.

Форма днища поршня влияет на процесс горения

Как я уже говорил ранее в данной книге, верхняя часть поршня является частью камеры сгорания, а компрессионные выступы в верхней части поршней, использующихся в двигателях с высокой степенью сжатия, могут влиять как положительно, так и отрицательно на полное сгорание топлива в двигателе. Они могут замедлять распространение пламени горения после зажигания и предотвращать эффективное удаление газов из цилиндра во время такта выпуска. На такте впуска купол может ограничивать чрезвычайно важный первоначальный поток топливовоздушной смеси, а затем мешать окончательной гомогенизации топливовоздушной смеси перед зажиганием.

Чтобы улучшить интенсивность потока воздуха в цилиндры при незначительной высоте подъема клапанов, карман впускного клапана необходимо подрезать, чтобы уменьшить глубину посадки клапана в срез на днище поршня (рис. 19.5). Когда первоначальный поток перемещается по нижней части канала и по короткому радиусу по направлению к зоне завихрения головки блока цилиндров, эта модификация улучшит наполняемость цилиндра. Многие любители тюнинга боятся удалять металл с купола поршня, так как это может привести к незначительному снижению степени сжатия. Однако преимущества, которые мы получим, увеличив интенсивность потока и качество горения, будут превосходить незначительные потери мощности при снижении степени сжатия.

Рис. 19.5. Модификации днища поршня, которые помогают улучшить интенсивность потока впускного заряда и качество процесса горения.

После зажигания мы хотим, чтобы пламя распространялось плавно по куполу поршня и обратно к зоне завихрения. Любые острые края на компрессионных выступах будут прерывать распространение пламени горения по мере его перемещения вдоль поршня, оставляя карманы топливовоздушной смеси, которые либо не сгорают, либо воспламеняются частично. Закругление и шлифовка верхней и боковой частей купола помогают избавиться от этой проблемы.

Не рекомендуется менять форму среза в днище поршня под клапан, так как это не принесет ощутимых улучшений. Острые края кармана выпускного клапана действительно в некоторой степени препятствуют распространению пламени горения, но поток выхлопных газов и их удаление из цилиндров будут значительно лучше, если выпускной клапан заходит в срез на днище поршня.

После того как двигатель поработал в течение некоторого времени, внимательно изучите цвет купола днища поршня, что является поразительно точным методом определения качества горения. Учтите, что горение начинается до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, ипродолжается после того, как поршень пройдет верхнюю мертвую точку. Если в это время произойдет что-то, что заставит пламя затухнуть, цвет поршня укажет место, где пламя остановилось.

Во всех двигателях вы найдете участок с небольшим количеством нагара как и на поршне, так и на головке блока цилиндров. Это зона завихрения, где горение не происходит, так как плоские поверхности головки блока цилиндров и поршня будут расположены очень близко. Во всех остальных участках на куполе поршня небольшое количество нагара указывает на то, что купол, скорее всего, располагается слишком близко к камере сгорания, таким образом замедляя распространение пламени горения, когда поршень находится около верхней мертвой точки.

Решением этой проблемы может стать обработка купола на станке, пока скопления нагара не станут более равномерными по количеству и цвету. Так как пламя распространяется от свечи зажигания к краям камеры сгорания, вам придется учитывать направление распространения пламени горения, когда решите обточить купол. Обычно не нужно обрабатывать всю неокрашенную поверхность, так как чаще всего нас интересует неокрашенный участок непосредственно в начале по отношению к направлению распространения пламени, в котором купол подходит слишком близко к стенкам камеры сгорания, создавая карман несгоревшего топлива. Участок наименьшей активности пламени обычно расположен вверхней части купола поршня, около среза под впускной клапан. Если вы можете модифицировать купол, чтобы цвет на этом участке стал более равномерным, вы на правильном пути к улучшению качества горения.

Двигатели, в которых собираются установить нагнетатель или турбокомпрессор, могут потребовать более низкой степени сжатия во избежание детонации. Чтобы добиться этого, необходимо использовать поршни с вогнутой камерой сгорания, чтобы лучше контролировать процесс горения. Некоторые считают целесообразным использовать поршни с плоской камерой сгорания, у которых расстояние от днища поршня до оси поршневого пальца несколько меньше, чем у обычных поршней, однако в случае с двигателями для уличных гонок это не очень хорошая идея. Если вы использовали поршни с плоской камерой сгорания при выступании поршня примерно 3,8 мм, чтобы снизить степень сжатия до 7:1, верхняя часть поршня будет находиться настолько далеко от зоны завихрения головки блока цилиндров, что качество процесса горения значительно снизится (особенно при движении на крейсерской скорости). Поршень с вогнутой камерой сгорания оснащен плоской полосой по окружности, которая практически соприкасается с головкой блока цилиндров, обеспечивая достаточное завихрение для создания качественного процесса горения.

Конструкция, зазор и крепление поршневого пальца

Как уже упоминалось ранее, я предпочитаю использовать длинный поршневой палец с конической поверхностью, чтобы уменьшить его вес. Однако, если перестараться, мы получим очень легкий поршневой палец, который будет допускать чрезмерное смещение поршня. В результате верхняя часть поршня растрескается на участке, где бобышки соединяются с днищем поршня. Необходимо выполнить фаску краев поршневых пальцев, чтобы облегчить установку в проволочные стопорные кольца, а длина поршневого пальца должна быть такой, чтобы при установке фиксаторов осевой люфт пальца составил 0–0,025мм; значение выше 0,13 мм недопустимо в гоночных двигателях.

Крепление поршневого пальца может обеспечиваться различными способами в заводских двигателях, при этом чаще всего используется либо прессовая посадка с натягом в шатун, либо крепление посредством плоских поршневых колец. При последнем способе крепления необходимо использовать герметик Loctite. Убедитесь, что канавки стопорных колец абсолютно чистые и не повреждены, чтобы обеспечить их надежную установку. Прессовая посадка с натягом подходит для гоночных двигателей, но необходимо быть предельно осторожным, чтобы при сборке или разборке не повредить поршень.

Так как частота вращения двигателя в гоночных автомобилях сейчас достигает 8000 об/мин, многие конструкторы двигателей испытывают проблемы при использовании стопорных колец (плоских или проволочных). При высокой частоте вращения двигателя или в случае возникновения детонации они могут закрываться под воздействием различных сил, что приведет к выпадению поршня в гильзу цилиндра. Чтобы справиться сэтой проблемой, необходимо использовать другие способы крепления поршневого пальца. Некоторые начали использовать прессовую посадку снатягом, но лично я предпочитаю использовать стопорные кольца Spirolox. Ни в коем случае не используйте повторно старые стопорные кольца или фиксаторы Spirolox.

Посадка поршневого пальца в поршень более тесно связана с размерами поршня, чем многие считают. Дополнительный зазор, который получает поршень после расточки кулачков, будет сведен к нулю, если поршень не сможет должным образом «растягиваться», так как поршневой палец будет посажен слишком плотно. Зазор поршневого пальца (зазор между пальцем и поршнем или между пальцем и шатуном) в гоночных двигателях с высокими техническими характеристиками должен быть больше, чтобы компенсировать воздействие сил, которые в заводском двигателе не действуют. При высокой частоте вращения двигателя в случае биения коленвала деформация шатунов может подвергнуть поршневой палец значительной нагрузке, и, если поршневой палец посажен слишком туго, мы будем наблюдать истирание поршня о стенки цилиндра или заклинивание.

Для большинства двигателей я устанавливаю зазор между поршневым пальцем и шатуном в пределах 0,02–0,04 мм, а зазор между поршневым пальцем и поршнем будет несколько меньше – от 0,01 до 0,02 мм. Таким образом, вы устраните возможность заедания между шатуном ипоршневым пальцем или между поршневым пальцем и поршнем, которое может привести к повреждению поршня. В любом случае не важно, насколько свободно будет посажен поршневой палец, так как несоответствующая установка шатуна может стать причиной серьезного повреждения поршня, поэтому предварительно проверьте шатуны, чтобы убедиться, что они не деформированы, не скручены и не смещены.