Funcția pistonului este de a acționa ca un dop mobil în cilindru, formând partea inferioară a camerei de ardere. Există o etanșare etanșă la gaz între piston și peretele cilindrului - astfel încât singura modalitate de extindere a gazelor de ardere fierbinți este forțând pistonul în jos. Este același principiu în spatele unei mingi de tun, dar în loc să zboare în nava de pirați a cuiva, pistonul este împins înapoi în cilindru de arborele cotit rotitor și ciclul se repetă.

Peste 60% din fricțiunea din interiorul motorului provine din mișcarea ansamblului pistonului, deci acesta este un domeniu major de concentrare pentru îmbunătățirea eficienței motoarelor. Pistonul este încă în curs de dezvoltare și cercetare continuă, așa cum vom vedea în detaliu în scurt timp.

Forțe uriașe sunt generate în timpul schimbării direcției unui piston în mișcarea sa în sus și în jos. Un ansamblu cu piston mai ușor are un impuls mai mic, exercitând astfel mai puțină forță și permițând motoare cu turații mai mari. Aceasta înseamnă că există o apăsare constantă pentru a reduce greutatea bielei și a pistonului.

motor

Pistonul este conectat la arborele cotit printr-un bielă, adesea scurtat la gen sau conrod . Aceste părți împreună sunt cunoscute sub numele de ansamblu piston . Ambele capete ale bielei sunt libere să pivoteze: partea bielei care se conectează la piston se numește sfârșit mic, iar capătul care se atașează în jurul arborelui cotit se numește sfârșit mare . Marele sfârșit va avea inserții de rulmenți care minimizează fricțiunea și menține un joc exact de ulei cu jambonul tijei de pe arborele cotit. Biela este împărțită în două - cu o capac de tija fiind folosit pentru a prinde în jurul lagărului capătului mare și a arborelui cotit.

Componentele ansamblului pistonului

Piston

Puterea unui motor provine din forța care împinge partea superioară a pistonului. Această forță este determinată ca aria pistonului înmulțită cu presiunea gazului. Pistoanele mai mari și presiunea mai mare a gazului vor oferi mai multă putere. În ansamblu, dimensiunea pistonului este limitată de designul motorului, însă pistonul are un rol vital în menținerea presiunii ridicate a gazului prin crearea unei etanșări etanșe la gaz cu peretele cilindrului.

Suprafața superioară a pistonului se numește coroană (de asemenea cap sau dom ). Există diverse forme de coroană în motoarele de producție, dar în mod obișnuit coroana va fi plată, cupolată sau decupată.

[Diverse forme ale coroanei]

Aproape toate pistoanele moderne includ degajări ale supapelor care asigură un joc în jurul supapelor din partea superioară a cursei pistonului.

Coroana, fiind zona direct în contact cu gazele de ardere fierbinți, devine extrem de fierbinte. Această zonă se extinde cel mai mult și astfel va exista o ușoară conicitate spre interior din partea de jos a pistonului pentru a permite o distanță mai mare în jurul acestui teren superior între coroană și inelul superior al pistonului.

În timp ce dorim o etanșare etanșă la gaz, avem nevoie și de piston pentru a rula lin de-a lungul cilindrului cu o frecare minimă, astfel încât pistonul are nevoie de ceva degajare . Un piston tipic va avea o distanță de 0,1 mm (0,004 ”) între el și peretele cilindrului - care este în jur de lățimea unui fir de păr uman. Pentru a menține acest joc, pistonul trebuie prelucrat cu precizie, iar aliajul din care este fabricat va fi specificat cu precizie pentru a ține cont de expansiunea termică.

Micul decalaj dintre piston și peretele cilindrului este acoperit de inele de piston, care se încadrează în canelurile pistonului într-o zonă cunoscută sub numele de curea cu piston . Se numesc spațiile dintre aceste caneluri terenuri inelare .

Pistonul este atașat la biela printr-un tub gol scurt numit a ac de încheietura mâinii, sau ac de gudgeon . Acest știft de încheietură poartă toată forța de ardere.

Pistonul nu este supus doar forțelor verticale în timpul arderii, ci și forțelor laterale cauzate de unghiul în continuă schimbare a bielei. Datorită acestor forțe laterale, pistonul are nevoie de suprafețe netede pentru a alerga pe peretele cilindrului și pentru a menține pistonul ghidat vertical în poziție verticală. Suprafețele laterale ale unui piston sunt cunoscute sub numele de fusta cu piston .

[Fustă plină vs fustă papuci]

Există două tipuri de fuste. Cel mai de bază este un fusta plina sau fustă solidă, care este pistonul clasic în formă tubulară. Acest design este încă folosit pe camioane și motoare comerciale mari, dar a fost mult timp înlocuit pe mașini și motociclete cu un design mai ușor cunoscut sub numele de piston papuc .

Pistonul papuc are o parte a fustei tăiată, lăsând doar suprafețele care poartă pe partea din față și din spate a peretelui cilindrului. Această îndepărtare minimizează greutatea și reduce zona de contact dintre piston și peretele cilindrului, reducând astfel frecarea.

Motoarele moderne de producție reduc și mai mult fricțiunea dintre piston și peretele cilindrului prin utilizarea acoperiri cu piston cu frecare redusă, similar cu teflonul într-o tigaie antiaderentă. Aceste acoperiri sunt de obicei serigrafiate pe un plasture pe fustele pistonului - cum ar fi acoperirea pe bază de grafit ilustrată pe un motor Ford Fiesta Ecoboost.

Pe măsură ce pistonul este împins în jos pe cursa de ardere, acesta va exercita o forță laterală în direcția opusă bielei unghiulare. Direcția cilindrului asupra căruia acționează această forță este cunoscută ca partea de tracțiune, iar atât pistonul, cât și peretele cilindrului vor suferi o uzură mai mare în această zonă.

[Diagrama impulsului]

Pistonul se încălzește incredibil și trebuie să disipeze această căldură în mod eficient. Căldura unui piston merge în trei locuri: Ca căldură radiantă în camera de ardere, în pereții cilindrului prin inelele pistonului și în jos pe biela. În plus, multe motoare răcesc pistonul folosind ulei pulverizat pe partea inferioară.

Inele de piston

Inelele pistonului se potrivesc în jurul pistonului, punând în mișcare jocul mic între piston și peretele cilindrului. Există de obicei trei inele de piston pe un piston și îndeplinesc funcții diferite.

Inele de compresie

Primele două inele sunt numite inele de compresie (de asemenea cunoscut ca si inele de presiune sau inele de gaz ) și rolul lor principal este de a preveni trecerea gazelor prin micul joc între piston și peretele cilindrului. Această trecere a gazului pe lângă piston și în carter este cunoscută sub numele de suflat și ar trebui să fie minimizate pentru a menține compresia.

Inelele de compresie sunt realizate de obicei din fontă solidă și exercită o presiune exterioară pe peretele cilindrului. Această presiune externă provine din elasticitatea naturală a inelelor, dar este suplimentată la cursa de ardere prin presiunea gazului din spatele inelelor, care le împinge mai strâns pe peretele cilindrului.

[Presiunea gazului în spatele inelelor de compresie]

Este important să rețineți că inelele de compresie nu exercită presiune laterală asupra pistonului și nu acționează ca ghiduri pentru acesta. Șanțul din piston va fi mai adânc decât lățimea inelului pistonului, permițând inelului să ruleze pe o peliculă de ulei.

Inelele de compresie acționează, de asemenea, pentru a transfera căldura de la piston la peretele cilindrului, unde este disipată în lichidul de răcire care curge prin jachetele de apă.

Aceste inele sunt rupte cu un mic spațiu care le permite să fie instalate și îndepărtate peste piston. Lățimea acestuia golul inelului pistonului vor fi specificate de producător și pot fi măsurate prin plasarea inelului în interiorul cilindrului și măsurarea decalajului cu un instrument de măsurare. Lacunele sunt mult exagerate în această ilustrație, în realitate vor fi foarte subțiri - 0,2 mm sau mai puțin.

Inele de control al uleiului

Inelul inferior al unui piston este un inel de control al uleiului . Uleiul este pulverizat în mod constant pe pereții cilindrului, fie din găurile bielelor, fie prin jeturile instalate în carter. Pentru o frecare minimă, avem nevoie de o peliculă subțire de ulei și funcția inelului de control al uleiului este de a îndepărta excesul de ulei și de a lăsa o peliculă de ulei ideală pentru inelele de compresie și fusta pistonului pentru a aluneca.

Cu siguranță nu ne dorim ulei în camera de ardere: prezența uleiului poate provoca o combustie slabă, emisii mari, acumulare excesivă de carbon pe supape și piston și fum albastru - toate vești proaste pentru un motor cu funcționare lină.

Inelul de control al uleiului va fi de obicei format din două inele subțiri de răzuire cromate, cu un distanțier între ele, pentru a permite îndepărtarea uleiului. Este proiectat să alunece peste ulei pe cursa ascendentă și să-l răzuiască pe cursa descendentă. Acest lucru este cunoscut ca un design segmentat. Șanțul de control al uleiului va avea găuri găurite în el pentru a permite excesului de ulei să se scurgă ușor înapoi în carter.

Instalarea inelelor de piston noi

Zona peretelui cilindrului deasupra inelului de compresie superior nu este măturată de inele și, prin urmare, suferă o uzură mai mică. Acest lucru poate cauza creșterea unei creste pe durata de viață a motorului. Dacă inele noi sunt instalate pe un cilindru care nu a fost refăcut, atunci poate fi necesar un inel cu crestătura îndepărtată, cunoscut sub numele de dodger de creastă, pentru a se asigura că noul inel nu intră în contact cu această creastă de material.

[Diagrama compensărilor inelului]

Când sunt instalate inele noi, golurile ar trebui să fie decalate și niciodată direct aliniate între ele pentru a preveni o cale directă pentru evacuarea gazelor.

Știft pentru încheietura mâinii

Pistonul este atașat la biela printr-un tub gol din oțel călit, cunoscut sub numele de ac de încheietura mâinii sau ac de gudgeon . Acest știft trece prin capătul mic al bielei și îi permite să pivoteze pe piston.

Există două metode de fixare a știftului încheieturii mâinii. A semi-plutitoare aranjamentul are știftul fixat în bielă, în timp ce este liber să se rotească în găurile pistonului. A complet plutitoare știftul pentru încheietura mâinii va fi liber să se rotească atât în ​​capătul mic, cât și în piston și va fi fixat în poziție folosind cercuri sau butoane din teflon la capetele știftului. Pentru un știft de fluture complet plutitor, vor exista bucșe înlocuibile în interiorul orificiului mic de capăt.

Știftul încheieturii mâinii poate fi ușor decalat lateral, mai degrabă decât exact centrat pe piston. Acest lucru este cunoscut sub numele de știft de încheietură offset și este folosit pentru a reduce mișcarea laterală a pistonului din interiorul cilindrului. Mișcarea excesivă laterală este cunoscută sub numele de palme de piston datorită zgomotului de lovire pe care îl produce.

Bielă

bielă transportă forța de la piston la arborele cotit, este supus constant forțelor de întindere, zdrobire și îndoire, deoarece acționează ca intermediar în această relație push-pull. Biela trebuie să fie puternic din punct de vedere structural și nu este o coincidență faptul că ia forma unui fascicul în miniatură din oțel, similar cu frații săi mai mari care susțin zgârie-nori și poduri. Profilul I-fascicul oferă o rezistență structurală maximă la costul minim de greutate și, la fel ca pistonul, vrem să menținem greutatea bielei cât mai scăzută posibil.

Rezistența necesară a tijei de legătură înseamnă că este realizată din oțel forjat sau oțel praf. Motoarele exotice pot avea tije din titan. Fonta nu este folosită datorită greutății sale.

Partea superioară a bielei care este fixată de piston se numește capăt mic . Nu va avea întotdeauna rulmenți. De la capătul mic, tija rulează într-un profil în formă de grindă I până la big-end care este împărțit în două părți pentru a-i permite să se potrivească în jurul jambierului arborelui cotit. Partea inferioară a tijei se numește capac de tija și va fi fixat de știfturi sau de șuruburi pe tija însăși.

Lanseta este acum fabricată în mod obișnuit ca o singură bucată, iar apoi capacul tijei este trasat și rupt. Acest lucru lasă un finisaj inegal pe suprafața de împerechere, dar oferă o rezistență mai mare. Este esențial ca capacele tijei să nu fie amestecate cu alte biele - ele aparțin împreună ca set.

Capătul mare va avea inserții de rulmenți în două jumătăți, aceste inserții de rulmenți vor fi realizate din același material ca cele pentru jurnalele principale. Rulmenții capătului mare sunt lubrifiați de uleiul primit sub presiune prin pasajele arborelui cotit.

Multe biele vor avea o gaură forată prin ele de la capătul mare în sus, prin arbore, până la o gaură de ieșire undeva pe lungimea lor. Acest pasaj permite uleiului să treacă biela de la capătul mare și să fie pulverizat pe zona de împingere a peretelui cilindrului, unde frecarea este maximă.

Defecte

Cascada cu piston

Uzura în peretele cilindrului sau în fusta pistonului poate duce la distanțe prea mari între piston și peretele cilindrului. Acest lucru permite deplasarea excesivă a pistonului. Când pistonul își schimbă direcția în partea superioară și inferioară a cursei sale, acest lucru îl poate determina să bată pe peretele cilindrului, provocând un zgomot cunoscut sub numele de palma pistonului .

Palma pistonului va fi în general mai gravă atunci când motorul este rece, înainte ca pistonul să aibă timp să se încălzească și să se extindă. Poate fi vindecat prin prelucrarea cilindrului și cu ajutorul unui piston supradimensionat.

Modificări și upgrade-uri

Pistoane și tije învechite

Instalarea unui set de tije și pistoane de performanță mai ușoare, mai ușoare, va crea un motor mai puternic. Acest lucru poate fi esențial pentru supraalimentarea sau supraalimentarea unui motor. Trecerea de la tije forjate la titan sau oțel pudrat (sinterizat) va avea ca rezultat un motor mai puternic.

Acoperiri cu piston

După cum sa discutat mai sus, motoarele proiectate recent au adesea o acoperire cu frecare redusă aplicată din fabrică la pistoane. Dar aceste acoperiri sunt disponibile și în piața de schimb pentru a reduce frecarea și a crește (sau a reduce) transferul de căldură.

  • Acoperirile sunt aplicate pe fustă pentru a reduce frecarea dintre aceasta și peretele cilindrului.
  • Acoperirile ceramice pot fi aplicate pe coroană și sunt proiectate pentru a reflecta căldura înapoi în camera de ardere și pentru a reduce cantitatea transferată în piston.
  • Partea inferioară a pistonului poate avea un strat antiderapant cunoscut sub numele de acoperire vărsată cu ulei care respinge uleiul, reducând astfel greutatea ansamblului și permițând o răcire mai eficientă a uleiului.