Для начала неплохо бы представить, чего в принципе мы ожидаем от идеального поршня.Ну, конечно же, несгибаемый. Как бы мы его ни гнули, толкали, мяли,бросали из жара в холод, он всегда должен оставаться одинаковым.Одинаковым с большой точностью. Наш герой находится в плотном строюсопряженных с ним деталей. Это кольца, поршневой палец, цилиндр. Еслимеханические нагрузки будут столь велики, что канавки деформируются ипоршневые кольца потеряют подвижность, тогда работа мотора будетнарушена. Если поршневой палец окажется зажатым в отверстиях бобышек,скорее всего, поршень разрушится. Если зазор от стенок цилиндра вдругстанет большим, мы потеряем ориентацию, а если маленьким – размажемпоршень по стенкам. А силы действуют на него немалые. Максимальноедавление в камере сгорания у высокофорсированных моторов достигаетвеличины 100 атмосфер. Усилие, с которым поршень толкают газы,измеряется тоннами. Максимальная скорость, с которой он перемещается вбыстроходном моторе, достигает 120 км/час. При этом 200 раз в секундутормозится до полной остановки. Представьте себе, что ваш автомобиль соскорости 120 км/час остановился на пути в 4 сантиметра. Это почти ударо скалу. Что же представляет собой бампер, если он не должен изменитьформу более чем на 0,005 мм? Не забудьте, перед ударом мы его изрядноподогрели газовой горелкой. А еще все это повторяется 200 раз всекунду. Такие вот испытания выпали на долю нашего подопечного.

Идеальный поршень в таких жестоких условиях должен быть абсолютножестким, т. е. никак не менять свою форму. Тепловые нагрузки не должныего деформировать. Его вес должен быть близок к нулю. Износ от контактас сопряженными деталями должен отсутствовать. В первой части статьи впредыдущем номере мы определили характеристики, связанные с тепловымипроцессами в двигателе. Совершенно понятно, что нет в природематериалов, отвечающих всем этим требованиям. Прежде чем остановитьсяна материалах, из которых изготавливают поршни , попробуем понять,почему такие требования предъявляются к поршням. Пожалуй, одним изглавных показателей качества работы поршневой группы являютсямеханические потери, которые неизбежны во время движения. Для тогочтобы преодолевать силы трения, препятствующие движению, частьмеханической энергии, полученной от рабочего тела, будет потеряна нанагрев. Доля этих потерь, приходящаяся на поршневую группу в общихмеханических затратах двигателя, весьма высока. Она порой превышает 50%от общих потерь в двигателе.

Существенным моментом для понимания важности вопроса является тот факт,что желание многих тюнеров увеличить рабочие обороты мотора и за счетгазодинамики (доработка сечений каналов, формы камеры сгорания, фазгазораспределения) получить большую мощность при высоком вращающеммоменте в широком диапазоне скорости вращения упирается в растущиемеханические потери. Значительная часть сил сопротивления растетлинейно со скоростью, а следовательно, потерянная мощность растет вквадратной зависимости. Если не приняты меры по снижению механическихпотерь, то все старания могут быть напрасны. Неизбежен тот момент,когда вся механическая энергия будет потрачена на себя любимого иколеса вращать будет просто нечем. Поэтому подход к поршневой группекак к линейному подшипнику скольжения имеет первостепенное значение вконструкции поршня. Конечно, главный вклад в сопротивление движениювносят поршневые кольца, которые в силу их функций должны быть плотноприжаты к стенкам цилиндра. Однако роль поршня состоит в том, чтобыкольца все время были правильно ориентированы и была обеспечена ихработоспособность.

Также совершенно справедливое желание конструктора не допустить сухогоконтакта тела поршня с гильзой цилиндра диктует жесткие требования кего геометрии. Дело в том, что, как и в любом подшипнике скольжения,роль разделительного слоя здесь играет масло, препятствующее контактуметаллических поверхностей. А точнее, масляный клин, образующийся взазоре при движении деталей. Высокое давление в масляном клине,способное противодействовать прижимающим силам, может существоватьтолько в зазорах, исчисляемых тысячными долями миллиметра. Величинасилы пропорциональна площади, на которую масляный клин давит. Поэтомутак важно во время работы сохранять параллельность поверхности юбкипоршня стенкам цилиндра с такой сумасшедшей точностью. Совершеннопонятно, что не допускается никакой шишковатости, иначе возникнутлокальные контакты, которые станут генераторами тепла и приведут кразвитию неблагоприятных процессов по всей поверхности. Не забудем ещеи о поршневом пальце, которому необходимо создать условия качающегосяподшипника скольжения с его стабильными зазорами, исчисляемыми теми жекрохотными величинами.

В случае идеального поршня, описанного нами ранее, сказочного«несгибаемого оловянного солдатика», все более-менее понятно. Каким мыего получим после механической обработки, таким он и будет всегда, прилюбых условиях его работы. Тогда мы заранее с большой точностью можемпридать ему нужные формы. А как быть с реальными материалами? Которыеот механических нагрузок изгибаются. От температуры распухают. Отразностенности коробятся. От неоднородности материала покрываютсябуграми и шишками. Нет другого пути, как при изготовлении придать емутакие формы, которые учтут все искажения, возникающие при реальныхнагрузках во время работы. Именно поэтому поршень имеет такую сложнуюформу. По высоте он бочкообразный, потому что неравномерный нагреввызывает большее расширение там, где температура выше. В сечении оновальный, так как механические нагрузки заставляют поршень «обвисать»на пальце, как лист бумаги, лежащий на карандаше. Причем в каждомсечении и овальность, и бочкообразность имеют свою величину. Очевидентот факт, что величины деформации зависят от толщины металла,образующего стенки поршня . Понятно, что увеличение толщины повыситсопротивляемость нагрузкам и облегчит жизнь конструктору. Однако ростмассы неизбежно приведет к увеличению инерционных сил, которые испортятжизнь всему кривошипно-шатунному механизму. Тут, как и в любом другомслучае, вопрос оптимизации требует от конструктора разрешения.

Так как же, в конце концов, находится выход из трудного положения?Почему все-таки автомобильные двигатели уверенно прогрессируют всторону их высокооборотности? Каким образом находятся способыразрешения этих противоречий? На заре моторостроения простоизготавливался поршень совершенно цилиндрической формы и двигательзапускали. Давали ему поработать, не доводя мотор до разрушения, иразбирали. Следы контакта с гильзой устраняли механической обработкой иповторяли эксперимент, увеличивая нагрузку. Затем снова обрабатывалиместа контакта и снова нагружали. Если выявлялись слабые места, которыенадо усилить, изготавливали новый поршень со скорректированнымитолщинами стенок. Повторялось это многократно до тех пор, покадвигатель с полной нагрузкой не начинал работать стабильно и поршеньпризнавался удовлетворительным.

В современном мире с хорошей точностью можно расчетнымиметодами проектировать геометрию вновь создаваемых поршней. Последующиеза расчетами испытания приводят, как правило, к корректировке, однакоколичество экспериментов несравнимо уменьшается. Тем не менее,подогнанный под условия работы поршень нельзя считать абсолютносоответствующим предъявляемым требованиям. Ведь величины деформаций,которые компенсируются предварительно заданной формой, зависят и оттеплового режима, и от величины сил, на него действующих.

Так как автомобильный двигатель многорежимный, эксплуатируемый вшироком диапазоне нагрузок и температур, скорее всего, поршень будетхорош только для некоторого диапазона условий работы. Это одна изпроблем автомобильных двигателей в целом. В серийном производстве, какправило, на базе одного мотора одновременно выпускается целое семействоразных агрегатов, предназначенных для разных целей. А выпуск новыхавтомобилей, требующих новых двигателей, часто сопровождаетсямодификацией уже отработанных конструкций с целью удовлетворить новымтребованиям. Известны факты, когда низ мотора, включающий блокцилиндров и коленчатый вал с его подшипниками, практически безизменений стоял на конвейере десятилетиями, переходя из одного кузова вдругой. Даже более того, применялся и для бензиновых, и для дизельныхмоторов одновременно. Поршневые группы, как более зависимые отназначения двигателя, почти всегда подвергались модификации. Именнопоэтому в номенклатуре производителей поршней такое большоеразнообразие их форм.

Именно поэтому, когда мы хотим получить от серийного двигателя большемощности, будь то его тюнинговый вариант или, более того, спортивный,необходимо сознавать, что, скорее всего, серийный поршень не будетсоответствовать новым предъявляемым к нему требованиям. Или мы получимдополнительные потери, которых можно было бы избежать, или съедим весьзапас надежности. Наверное, и то и другое одновременно. Случайприменения дополнительного наддува или окислителя, такого, как закисьазота, точно так же создает новые условия работы поршневой группы.

Существенным моментом в конструкции, как мы выяснили, являетсяматериал, из которого поршень изготовлен. Свойства материала определяютхарактеристики изделия и его конструкцию. Автомобильные поршниизготавливаются преимущественно из алюминиевых сплавов, реже из чугуна.Чугун, обладая рядом таких приятных качеств, как низкий коэффициентлинейного расширения, равный по величине материалу гильзы цилиндра,высокая термостойкость, высокая прочность, отличные подшипниковыесвойства, в настоящее время практически не применяется. Тормозомпослужили два обстоятельства. Во-первых, низкая теплопроводность и, какследствие, плохая детонационная стойкость мотора, не позволяющаяиспользовать высокие степени сжатия. Во-вторых, большой удельный весявляется препятствием к быстроходности.

Из алюминиевых сплавов для поршней в подавляющем большинствеиспользуются силумины, то есть сплавы системы алюминий – кремний сразличным содержанием кремния. Реже – ковкие сплавы системы алюминий –медь. Кремнийсодержащие сплавы в свою очередь делятся на две группы посодержанию в них кремния. Это – доэвтектические и заэвтектические. Кпервым относят сплавы с содержанием кремния до 12%, ко вторым – более12%. У первых кремний в свободном виде, так называемый первичныйкремний, отсутствует и весь он растворен в алюминии. Это АЛ-25, АЛ-30,АК12, Mahle 124. Вторая категория содержит кремний в свободном виде – ввиде кристаллов, которые иногда видны невооруженным глазом на срезе илисломе образца. Известны АЛ-26, АК18, АК21, ВКЖЛС, Mahle 138, Mahle 224.Заэвтектические сплавы с содержанием 18% или 22% кремния применяются восновном для дизелей большого объема. Причина состоит в большейизносостойкости и термопрочности, что важно для обеспечения ресурсаседельных тягачей. В серийном производстве поршни из алюминиевыхсплавов отливают. Для снижения величины температурного расширения, азначит, и для получения многорежимных свойств используются стальныетермокомпенсирующие вставки внутри отливки.

В мелкосерийном и штучном производстве для придания лучших механическиххарактеристик заготовки поршней получают методом изотермическойштамповки или жидкой штамповки. Высокие давления в процессеформирования поковок способствуют уплотнению материала и, какследствие, улучшению его свойств. Однако такая технология полностьюисключает наличие любых вставок. Это обстоятельство делаетизготовленные по такой технологии поршни в большей степениоднорежимными. В основном такие поршни используются для сильнонагруженных моторов, выпускаемых малыми сериями. Спортивных, например.

Для спортивных моторов, которые по назначению ближе к однорежимным,нашли применение сплавы алюминий – медь. Это АК-4-1, Mahle YG.Заготовки из них также прессуют. В сравнении с силуминами они имеютлучшие физико-механические характеристики при рабочих температурах, ноотличаются на 20% большим коэффициентом линейного расширения. Также кнедостаткам можно отнести относительно быстрое старение и разрушение отусталостных напряжений. Тем не менее, в авиационных поршневых моторах,а также в автомобильных спортивных, которые ограничены по ресурсу иимеют повышенные требования к весу поршня , встречаются довольно часто.

Несколько слов об износе. Правильно подобранный под требования моторапоршень почти никогда не контактирует со стенкой цилиндра. Исключениесоставляют холодные пуски и работа под нагрузкой непрогретого мотора.Поэтому даже после значительного пробега, составляющего 200000 км иболее, изменение размера юбки незначительно и лежит в пределах 0,01 –0,03 мм, если двигатель без коллизий нормально изнашивался. Гильза жецилиндра, особенно в верхней ее части, может быть изношена кольцами до0,15 мм. Но это совсем не означает, что поршень можно продолжатьиспользовать и он в состоянии, близком к новому. Основной параметр, покоторому бракуется поршень, – износ канавок колец. Как правило, к этомусроку и форма, и размер канавки как минимум первого кольца за пределамидопуска.

Существенным обстоятельством не только износа, но и эффективностимотора является геометрия и состояние поверхности цилиндра. Во-первых,искажение цилиндричности точно так же влияет, как и неверная формапоршня в смысле сохранения зазоров в паре поршень – цилиндр. Наиболеевероятными причинами нарушения формы являются напряжения в блоке открепежных элементов головки и КПП. Также важна микрогеометрия, т. е.глубина и форма хоновой сетки. Фирма Mahle, ведущий производительпоршней в Европе, считает, что преждевременный износ моторов, прошедшихкапитальный ремонт, в 80% случаев является следствием именнонеправильного микрорельефа поверхности.

В заключение хочу сказать, что в данной статье я показал тольконекоторые аспекты функционирования поршневой группы. Я исходил изпредположения, что читатель не является профессиональным двигателистом,однако интересуется работой мотора и тюнинг – его стиль жизни. Поэтомутут не затронуты многие вопросы, которые всегда стоят передконструктором нового двигателя. Здесь только небольшое обобщение техтем, которые по инициативе клиентов тюнингового подразделения компании«Дилижанс» и автоспортсменов обсуждались в различные периоды нашейдеятельности.