Что интересного в поршнях? Сколько существуют поршневые двигатели, а это, если считать с двигателя Гюйгенса, три с лишним столетия, ровно столько же времени существуют и поршни. Современные поршни, как правило изготовлены из алюминия и чаще всего методом литья. В спортивных и гоночных моторах и на некоторых особо ответственных дизелях используют кованные поршни (они прочнее и долговечнее литых). На очень многих дизельных двигателях среднего и большого объема применяют поршни с нирезистными вставками. И вот еще составные поршни. Рискнем предположить, что не все наши читатели знают, что это такое.
Составной поршень — это поршень, собранный из двух или более отдельных деталей, которые затем соединяются в целое изделие. Это главное отличие от более распространенного цельного (литого или кованого) поршня, который изготавливается как одна целиковая деталь (палец и поршневые кольца не в счет). Т.е. в стандартной коробке,
вместо привычного поршня с пальцем, находится вот такой «конструктор».
Составной поршень состоит из: Огневой части, которая принимает на себя высокое давление и температуру газов в камере сгорания и юбки поршня, которая «направляет» поршень в цилиндре.
Эти детали изготавливаются раздельно, из разных материалов (сталь и алюминий), и соединяются между собой посредством поршневого пальца.
Зачем это нужно? С помощью составного поршня решается целый ряд технических задач. Дело в том, что в современных дизельных двигателях большого объема, как механические, так и температурные нагрузки на поршень велики на столько, что традиционные поршни из относительно легкоплавких и не слишком прочных алюминиевых сплавов не справляются. Вот и появились альтернативные конструкции: цельностальные и составные поршни.
Цельностальные поршни лучше алюминиевых сопротивляются механическим и термическим нагрузкам и это их главные достоинства, однако, наряду с достоинствами они имеют и ряд недостатков. Пожалуй, главные недостатки это высокое трение и большой вес. Дело в том, что сталь, сама по себе, отнюдь не является антифрикционным материалом и для того что бы стальной поршень нормально работал в паре с чугунной гильзой на юбку поршня необходимо наносить антифрикционные покрытия, которые при неблагоприятных условиях таких, как даже небольшой, и непродолжительный перегрев могут очень быстро стереться, что сделает стальной поршень непригодным к дальнейшей работе. Ну, а чем плох большой вес поршня, наверное, очевидно.
Так вот, составной поршень, обладая всеми достоинствами стального, лишен его недостатков. Благодаря алюминиевой юбке, составной поршень в плане трения ничем не отличается от традиционного алюминиевого и вес его тоже существенно меньше, чем если бы такой поршень целиком изготовили из стали.
Чем еще хороши составные поршни? Тепловое расширение. Если взять «традиционный» алюминиевый поршень и измерить его диаметр А («по ушам») и диаметр В (возле донышка), то мы обнаружим, что диаметр А минимум на 0,50 мм, а то и на 1 мм больше диаметра В (см фото ниже).
Зачем так делают? Коэффициент линейного расширения алюминиевого сплава при нагреве превышает аналогичный параметр чугуна приблизительно в 2 раза. Понятно, что в процессе работы двигателя, донышко поршня нагревается существенно сильнее, чем юбка, а значит, и расширяется «верхушка» поршня больше, чем юбка (см рисунок ниже).
Потому и «холодный» зазор между цилиндром и жаровым поясом поршня должен быть больше, чем между цилиндром и юбкой. Иначе, при нагреве поршень в чугунном блоке (или алюминиевом блоке с чугунными гильзами) банально заклинит. А так, при нагреве геометрия +- выравнивается. Однако, сразу после запуска холодного двигателя, и до полного прогрева поршня, зазор между жаровым поясом поршня и цилиндром не оптимален (слишком велик). Поршневые кольца, в первые мгновения после запуска, не компенсируют этот недостаток т.к. и им требуется некоторое время для прогрева. Так вот, в эти секунды может происходить прорыв газов из камеры сгорания в картер двигателя, что по понятным причинам совсем не здорово, а главное увеличенный зазор способствует нагарообразованию на жаровом поясе поршня (особенно это касается дизельных двигателей), что прямо сокращает ресурс агрегата.
Составные же поршни не имеют этого недостатка. Т.к. коэффициент расширения стали близок к аналогичному параметру чугуна, а «верхушка» составного поршня изготавливается именно из стали, нет необходимости делать увеличенный зазор между жаровым поясом поршня и цилиндром. Зазор можно сделать минимальным т.к. при прогреве двигателя он практически не изменится.
Вот, пожалуй, и все, что можно сказать о достоинствах составных поршней. Однако, наряду с достоинствами, у всяких изделий, обычно бывают и недостатки. Есть они у составных поршней? Обязательно! Несмотря на алюминиевую юбку, общий вес составного поршня все же больше, чем у аналогичного алюминиевого. Технология изготовления составного поршня сложнее, чем обычного, а как следствие, выше цена. И наконец процесс монтажа составного поршня сложнее чем цельного.
Тем не менее, достоинства составных поршней превалируют над недостатками. Составные поршни безусловно являются инновационным решением и еще одним шагом в развитии двигателей внутреннего сгорания.