Заэвтектический поршень
– поршень двигателя внутреннего сгорания, отлитый с использованием заэвтектического сплава. Заэвтектические поршни делают из сплавов алюминия, который содержит гораздо больше кремния, чем может быть растворено в алюминии при рабочей температуре. Заэвтектический алюминий обладает меньшим коэффициентом теплового расширения, что позволяет разработчикам двигателей устанавливать гораздо меньшие допуски.
Состав материалов
Самым распространенным материалом для автомобильных поршней является алюминий благодаря своему малому весу, дешевизне и приемлемой прочности. Хотя другие элементы присутствуют в меньших долях, легирующим элементом для алюминия в поршнях является кремний. Точка, при достижении которой кремний целиком и полностью растворяется в алюминии при рабочих температурах, равна примерно 12 %. Изменение уровня кремния в большую или меньшую сторону приведет к появлению двух отдельных фаз в твердой кристаллической структуре металла, и это встречается довольно часто. Если доля кремния в алюминиевом сплаве будет сильно превышать отметку в 12 %, свойства алюминия серьезно изменятся, что принесет пользу поршням двигателей внутреннего сгорания. Однако доля кремния в 25 % приведет к серьезному уменьшению прочности металла, поэтому чаще всего заэвтектический поршень содержит 16-19 % кремния. Чтобы получить равномерное распределение частиц кремния по всему материалу поршня, требуются специальные методы формовки, литья и охлаждения.
Заэвтектические поршни гораздо прочнее, чем более распространенные литые алюминиевые поршни, и используются во многих высокоэффективных отраслях. Они – не так прочны, как кованые поршни, но за счет литья они стоят гораздо дешевле.
Заэвтектические поршни — преимущества
Большинство автомобильных двигателей используют алюминиевые поршни, чтобы двигать железный цилиндр. Средняя температура головки поршня в бензиновом двигателе во время работы равна примерно 300 °С (570 °F), а охладитель, который проходит сквозь блок цилиндров, часто опускает температуру до 90 °С (190 °F). В этом температурном диапазоне алюминий расширяется сильнее железа, поэтому для работы поршня при нормальной температуре ему придется терять присадку при охлаждении.
В 1970-е годы растущая тревога относительно загрязнения окружающей среды выхлопами автомобилей вынудила американское правительство создать Агентство по охране окружающей среды, которое начало создавать и обеспечивать выполнение законов, требующих от производителей автомобилей изменений, направленных на создание более чистых двигателей. К концу 1980-х годов значительно выросло загрязнение выхлопами автомобилей, но более строгие законы вынудили производителей начать использовать управляемый электроникой впрыск топлива и заэвтектические поршни. Что касается поршней, было выяснено, что, если двигатель был холодным при запуске, небольшое количество топлива остается между поршневыми кольцами. При нагревании двигателя поршень расширяется и испаряет это топливо, которое становится частью несгоревших углеводородов в выбросах.
Расширение поршня серьезно уменьшается за счет добавления кремния в сплав для поршня. Это позволяет инженерам определять гораздо меньшие зазоры между поршнем и гильзой цилиндра. Кремний расширяется гораздо слабее алюминия, но также он играет роль изолятора, чтобы предотвратить чрезмерное потребление тепла алюминием во время работы. Еще один «плюс» в добавлении элемента в том, что поршень становится прочнее и менее восприимчивым к царапинам, которые могут появиться, когда холодный мягкий алюминиевый поршень наращивает обороты в относительно сухом цилиндре при запуске или работе при слишком высоких температурах.
Самым главным недостатком добавления кремния в поршни является то, что поршень становится более хрупким, когда растет соотношение содержания кремния к алюминию. Это делает поршень более восприимчивым к поломке в случае преждевременного воспламенения или детонации двигателя.
Характеристики замещающих сплавов
Если автолюбители хотят увеличить мощность двигателя, они могут добавить определенный тип наддува. При нагнетании большего объема воздуха и топлива во время хода всасывания мощность двигателя может сильно увеличиться. Также вырастет количество тепла и давление в цилиндре.
Нормальная температура выхлопов бензинового двигателя – около 650 °С (1 200 °F). Как правило, эта температура близка к точке плавления большинства алюминиевых сплавов, и только постоянный приток окружающего воздуха предотвращает деформацию и отказ поршня. Наддув увеличивает рабочую температуру при повышении давления в двигателе, и если дополнительное тепло будет подано быстрее, чем двигатель сможет его выпустить, температура, выросшая в цилиндре, может привести к самовоспламенению топливно-воздушной смеси во время хода сжатия перед зажиганием свечи. Это – один из видов стука в двигателе, вызываемого мгновенной ударной волной и скачком давления, что может привести к сбоям в работе поршня из-за причиненной ударной волной контактной усталости, разрушающей поверхность поршня.
Сплав марки «4032»
Сплав для поршня марки «4032» содержит примерно 11 % кремния. Это значит, что хоть он и не расширяется так, как поршень без кремния, но за счет того, что кремний на молекулярном уровне сплавлен с металлом, сплав является менее хрупким и более гибким, чем заводской заэвтектический поршень низкого давления. Эти поршни могут выдержать небольшую детонацию с меньшим ущербом в сравнении с заводскими поршнями. Сплав «4032» и заэвтектические поршни имеют низкий коэффициент теплового расширения, что позволяет плотнее присоединить поршень к цилиндру при температуре на выходе из конвейера.
Сплав для поршня марки «2618»
Сплав для поршня марки «2618» содержит меньше 2 % кремния, и его можно описать, как доэвтетический. Этот сплав способен выдержать большую часть детонаций и при этом – эксплуатироваться с минимальным ущербом. Сделанные из этого сплава поршни, как правило, более толстые и тяжелые, так как их чаще всего используют в промышленных дизельных двигателях. Эти поршни нуждаются в больших зазорах между цилиндрами не только из-за более высоких рабочих температур (в сравнении с поршнями для рядовых потребителей), но и из-за большего коэффициента теплового расширения за счет меньшего содержания кремния, что приводит к большему тепловому увеличению деталей. Это ведет к состоянию, известному как «стук поршня», когда поршень раскачивается в цилиндре, создавая слышимый шум, продолжающийся до тех пор, пока двигатель не нагревается до рабочей температуры, расширяя поршень и уменьшая зазор между ним и стенкой цилиндра.
Сравнение кованых и литых поршней
Если поршень отливают, сплав нагревается до жидкого состояния, после чего – переливается в литейную форму для создания основной формы. После охлаждения и затвердевания сплав извлекается из формы, и необработанная заготовка обрабатывается на станке. Для отраслей, нуждающихся в более прочных поршнях, используется ковка.
Во время ковки горячая и наполовину застывшая необработанная заготовка размещается на комплекте штампа. Для того, чтобы разместить заготовку под невероятным давлением, используется гидравлический пресс. Это позволяет удалить любую пористость, а также – соединить все частицы сплава прочнее, чем при обычном литье.
Заэвтектические поршни могут быть выкованы, но чаще всего их производят методом литья, так как дополнительные расходы на ковку не оправдывают себя в случае, если литые поршни обеспечивают достаточную для промышленных нужд прочность.
На рынке запчастей поршни чаще всего делаются из сплавов марок «4032» и «2618», производимых путем литья.
