Dugattyú - a szivattyúk , kompresszorok és dugattyús belső égésű motorok fő része , amely arra szolgál, hogy a sűrített gáz energiáját transzlációs mozgás energiájává alakítsa (kompresszorokban - fordítva). Az energia további nyomatékká alakításához a KShM többi alkatrészét használják - hajtórudakat és főtengelyt. Az első dugattyús belső égésű motort Lenoir francia mérnök alkotta meg 1861-ben [1] , előtte dugattyúkat használtak gőzgépekben és szivattyúkban.
A törzsmotor vagy a kompresszor dugattyúja három részből áll, amelyek ellátják funkcióikat [2] :
A dugattyúfejet a tömítőrésszel együtt aljának nevezik. A dugattyúról való erőátvitelre keresztfejű motorokban rúd, vagy dugattyúcsap segítségével a dugattyúhoz csatlakoztatott hajtórudat [3] lehet használni . Más csatlakozási lehetőségeket ( SPGG , alátétek ) ritkán használnak. A törzs vagy a keresztfej mellett a szár oldalirányú erőket is érzékelhet.
A keresztfejű motorok kétvégű dugattyúkat használhatnak. Egy ilyen dugattyúnak két feneke van, és a termikus rezsimje intenzívebb [4] . De ha a dugattyú alatti teret öblítőszivattyúként használják , a hőfeszültség nem növekszik. A kétütemű motoroknál megnő a hőfeszültség, különösen, ha kipufogódobként dugattyút használnak [5] .
Dugattyúcsap , ha van (törzsdugattyúk), mindig acél , mozgását a kiemelkedésekben rögzítőgyűrűk vagy műanyag ütközők korlátozzák (Mercedes), vagy helyzetét a hajtórúdba nyomva határozzák meg (korai VAZ modellek). Leggyakrabban rögzítőgyűrűs üreges úszócsapot használnak, amelynek külső átmérője cementezett vagy krómozott [6] .
Alakja függ a motor típusától, a keverékképződéstől, a gyújtógyertyák , injektorok , szelepek elhelyezkedésétől , a hengerben a gázcsere megszervezésének módjától [7] . A homorú dugattyúkorona kompakt égéstér formát hoz létre (dízel, benzin nagy sűrítési aránnyal és jó üzemanyag-hatékonysággal), de hajlamos a lerakódások kialakulására. Konvex aljánál a dugattyú szilárdsága nő, de az égéstér lencsés alakot kap, ami növeli a hőátadást. Spark ICE -kben azonban a hőátadás növelése lehetővé teheti a megengedett kompressziós arány [8] növelését , ami részben kompenzálja a veszteségeket. A lapos fenekű – közepes formájú, és a legkönnyebben gyártható – népszerű a benzines ICE-kben és az örvénylő/előkamrás dízelekben. Az elavult kétütemű belsőégésű motoroknál az alján egy kiálló terelő volt, amely az éghető keveréket az öblítés során eltéríti, és csökkenti a kibocsátását [9] . A térfogati keverékképzésű dízelmotoroknál a fenék alakja biztosítja az üzemanyag-ellátást a légtérfogathoz, fóliával - az üzemanyag nagy része a dugattyúfalhoz kerül (a Common rail befecskendező rendszer elmúlt évekbeli elterjedése megoldódott az autóipari dízelmotorok keverékképzéséről szóló vita a volumetrikus javára ).
A hőzóna a felső gyűrű hornya és a dugattyú alja közötti távolság. Magasságának növelésével a felső gyűrű munkája könnyebbé válik, de nő a dugattyú tömege és nő a szénhidrogén-kibocsátás [10] . A földterület magasságának a megengedett szint alá csökkentése a dugattyú kiégését és/vagy a felső gyűrűterület tönkremenetelét eredményezi. Az azonos átmérőjű dízeldugattyúk nagy földterülettel rendelkeznek, nehezebbek és erősebbek, mint a benzindugattyúk a nagy kompressziós és égési nyomásnak, valamint az alsó hőátadásnak köszönhetően.
A dugattyú tömítő része a dugattyús belső égésű motorok működéséhez elengedhetetlen, állapotukat a kompresszió és az olajkiégés határozza meg, a dugattyúcsoport állapotától függően. Az autók belső égésű motorjaiban az olajhulladék nem haladhatja meg az üzemanyag-fogyasztás 1-3%-át. A modern benzinmotorokban ez az arány még kevesebb, az elavult dízelmotorokban 5% vagy több [11] . A sűrítési érték szórása a hengerekben általában nem haladhatja meg a 0,5 kgf / cm 2 -t benzines belső égésű motoroknál és 1 kgf / cm 2 -t a dízelmotoroknál. Az olajkiégés túllépése esetén a motor túllépi a megengedett károsanyag-kibocsátási határokat, gyertyahibák, befecskendező szelepek beragadása, gyűrűtapadása figyelhető meg, ezért le kell szerelni [12] .
A dugattyúban kompressziós és olajkaparó gyűrűk vannak beépítve a hornyokba. Az autómotorokon a tipikus gyűrűk száma 3, korábban 4-6 gyűrűs kiviteleket használtak [13] . Az alacsony fordulatszámú motorokon több gyűrű található az olaj és a gázok áthaladásának csökkentésére, valamint a dugattyús hűtés javítására. A gyűrűk számának és magasságának csökkentése csökkenti a súrlódási veszteségeket, a tömítés megőrzését pedig megbízható illeszkedésük és kopásállóságuk biztosítja. Az olajkaparó gyűrű hornyainak radiális nyílásai vannak az olaj visszajuttatására az olajteknőbe. Ahogy a gyűrűk kopnak, növekszik a hézag az illesztéseiknél és a hornyoknál, és nő az olajkiégés. Szilumin dugattyúkban a felső gyűrű alá hőálló öntöttvasból (ni-resist) készült betét önthető, ami megnöveli a horony és a gyűrű élettartamát. Egy ilyen betét termikusan is kompenzál, csökkenti a hőtágulást [14] (lásd a felső képet).
A tömítőrész átmérője kisebb, mint a szoknya területén, mivel a dugattyú ezen részének melegítése magasabb. Annak elkerülése érdekében, hogy a gyűrűk beszoruljanak a hornyokba, a talajtakaró még kisebb átmérőjű. A tömítőrész keresztmetszete kerek, és nem ovális, mint egy szoknya. A forró zónában gyakran vannak sekély hornyok, amelyek növelik a hőátadást a dugattyúhoz egészen a gyűrűig. Így az öv magassága csökkenthető [15] .
A dugattyú tömítése szempontjából döntő jelentőségű a gyűrűk minősége: a tükörre való jó illeszkedés rés nélkül [16] , a külső átmérőben és magasságban a megmunkálás tisztasága, a zár rés, a gyűrűk kopásos bevonata. ellenálló anyagok [17] . Az öntöttvas olajkaparó gyűrűk megbízhatóbbak, mint a kompozitok, mert kisebb a beszerelésük során bekövetkező hibák valószínűsége [18] . Az autóipari belső égésű motorokban a hő akár 80%-a a gyűrűkön keresztül távozik a dugattyúból [19] , ezért ha a gyűrűk nem illeszkednek jól, a hő a dugattyúszoknyán keresztül távozik, hőmérsékletének emelkedése esetén pedig kopás lép fel. elkerülhetetlen. Emiatt a motor teljesítménye korlátozott a motor bejáratásakor. A nem átlapolt gyűrűk túlmelegednek, és ezért „leülnek” - csökken a rugalmasságuk, amit a gázok forgattyúházba való bejutásának gyors növekedése, az olajkibocsátás stb. és a dugattyú egyenletes törése a horonygyűrűk mentén [20] . A hőátadás a dugattyúról akkor éri el a számított értéket, amikor a hengerben lévő csiszolónyomok eltűnnek és a gyűrűk dörzsölődnek.
A törzsmotoroknál a szoknya (törzs) a dugattyú vezető része. A szoknya kiemelkedései nagy gáz- és tehetetlenségi erőket adnak át, ezért öntött bordákkal csatlakoznak a dugattyúfejhez (bélyegzett dugattyúkban a bélyegzéssel nem elérhető bordák helyett masszív kapcsolat van az aljával). A kiemelkedések területén kívülről öntéssel vagy marással négyszögletes mélyedéseket alakítanak ki, amelyeket feltételesen "hűtőszekrényeknek" neveznek. Valójában ezek az úgynevezett "hűtők" csökkentik a súlyt azáltal, hogy lerövidítik a dugattyúcsapot, és közelebb helyezik a gázerőket a hajtórúd tengelyéhez, ami tehermentesíti a dugattyúkoronát. A hőrés karcolás veszélye nélkül történő csökkentése érdekében a dugattyúszoknyát a szimmetriatengelyre merőleges síkban oválisra alakítják (a hajtórúd lengéssíkjában a rés minimális, a dugattyúcsap tengelye mentén pedig 0,5-1,5 mm-rel nagyobb), és a tengely szimmetriáján áthaladó síkban - hordó alakú. A gyűrűk általában a dugattyúfejben helyezkednek el, de az utolsó olajkaparó gyűrű a csap tengelye alatt, a szoknyában is elhelyezhető [21] . A dugattyúcsap rögzítésének módjától függően a dugattyún hornyok készíthetők a rögzítőgyűrűk számára.
A legtöbb dugattyúnak van egy dugattyúcsap-eltolása, amely kiegyenlíti az oldalsó szoknya nyomását a dugattyú kompressziójára és löketére (ha nagyobb a nyomás). Ezért a dugattyút nem önkényesen, hanem a jelzésnek megfelelően szerelik fel (általában egy felirat a hűtőn, vagy egy nyíl az alján a főtengely szabad vége felé) [22] [23] .
Dugattyú anyagkövetelmény:
Nincs olyan anyag, amely mindezen követelményeknek megfelelne. Az autóipari dugattyúk gyártásához jelenleg szürkeöntvényt és Al-Si típusú alumíniumötvözeteket használnak. A nagy erőforrású, nagy teljesítményű dízelmotorokban (beleértve a növényi olajokkal működőket is) kompozit dugattyúkat használnak - az alsó és a tömítő rész hőálló acélból, a csomagtartó öntöttvasból vagy sziluminból készül. Léteznek kerámiával bevont autódugattyúk, hőálló ötvözetből készült dugattyúk ( Stirling-motorok ), kerámiával bevont műanyagdugattyúkkal végeztek kísérleteket stb.
A modern autómotorok túlnyomó többsége szilumin [24] dugattyúkkal rendelkezik, amelyek szilíciumtartalma legalább 13%, vagyis hipereutektoid ötvözetek, például AK-4, AK-18, AK-6 [25] . Korábban használt AL1, AK2 ötvözetek, alacsonyabb szilíciumtartalommal. A hamisított dugattyúk gyakran közönséges alumíniumból készültek [26] .Az elégtelen mennyiségű szilíciumot tartalmazó dugattyúk erőforrása erősen lecsökken, és a megnövekedett hőtágulási együttható miatt már betöréskor is kopás lép fel. Minél nagyobb a szilíciumtartalom, annál hosszabb a dugattyú erőforrása , de az ötvözet rugalmassága kisebb [27] . A szilumin dugattyúkat általában elektrolitikusan ónnal vonják be, hogy megkönnyítsék a bejáratást [28] . A dugattyút öntéssel vagy bélyegzéssel lehet beszerezni, mindkét lehetőségnek megvannak a maga előnyei és hátrányai.
Az öntött dugattyúk gyakran hipoeutektoid ötvözetből készülnek, ami egyszerűsíti az öntést, és a szoknya hőtágulását ebben az esetben egy betét korlátozza. Dugattyúk sajtolásánál hőtörések beiktatása nem lehetséges, ezért hőtágulásukat csak megfelelő szilíciumtartalom korlátozhatja. Ezért a magas szilíciumtartalmú hipereutektoid ötvözetből készült kovácsolt (néha kovácsolt) dugattyúknak kopásállóbbaknak kell lenniük, mint az öntötteknek.
A szilumin előnyeiA hengerfalak és a szilumin dugattyúk közötti hézagokat, amelyek a motor normál működéséhez elfogadhatatlanok, tervezési intézkedésekkel küszöböljük ki:
Általában közepes vagy nagy méretű dízelmotorokban, valamint minden növényi olajjal üzemelő dízelmotorban használják üzemanyagként. A szoknya általában szürkeöntvényből vagy alumíniumötvözetből készül. Az előnyök a dugattyúhoz való hőátadás csökkenése, vagyis az indikátor hatékonyságának növekedése, a maximális erőforrás, a különféle tüzelőanyagok felhasználásának lehetősége [32] . Hátrányok - magasabb ár, súly, csak dízelciklusban történő alkalmazás, drágább dugattyúgyűrűk, amelyek különösen magas hőmérsékletnek ellenállnak, a dugattyú nagy axiális méretei, az ellensúlyok növelésének szükségessége, a hüvely megnyúlása a motor méreteinek és tömegének növekedésével [ 33] . A nagy motorokban, például dízelmozdonyokban és fő tengeri hajtóművekben, amelyek teljes teljesítménnyel, nagy töltőnyomás mellett, kétütemű ciklusban működnek, lehetetlen elérni a kívánt erőforrást (30 000 óra vagy több) tiszta öntöttvas vagy szilumin dugattyúkkal. A hőálló acélból készült fej (20Kh3MVF vagy hasonló típus) [34] biztosítja a gyűrűk és hornyok élettartamát, míg a vezetőnek súrlódásgátló anyagból - öntöttvasból vagy sziluminból kell készülnie [35] . Ezek az alkatrészek össze vannak csavarozva, a dugattyú csatlakoztatásának feladatát megkönnyíti, hogy a közepes és kis sebességű dízelmotoroknál a gázerők sokszorosa a tehetetlenségieknél, ezért az ilyen csavarok keresztmetszete nem nagyon nagy legyen (a fő erő a kompresszió, nem a szakadás). Az összetett dugattyúval rendelkező, kisméretű autóipari dízelmotorok gyakran egy dugattyúcsapon keresztül kötnek össze egy alumínium vezetőt és egy tömítő acél dugattyúrészt.
A dugattyús belsőégésű motoroknál a két fő probléma a dugattyú kopása és kiégése. A kopási jelenségek a szoknya és a henger közötti rés növekedésében, a felső dugattyúhorony kopásában, a szoknya kopásában nyilvánulnak meg [36] . A repedések megjelenése és a gyűrűk közötti válaszfalak megsemmisülése, amelyek szintén megfigyelhetők, általában ugyanazokkal az okokkal járnak, mint a kiégésnél.
A dugattyú első, kényszerű (általában olajos) hűtésének kiküszöbölésére szervezik [37] , a szilícium arányának növelésével növelik a keménységet, megbízható légszűrőket alkalmaznak a kopás csökkentésére [38] , a motorciklus paramétereit változtatják, hogy csökkentsék. a dugattyú hőmérséklete a felső gyűrű közepén és területén (például növelje a felesleges levegő arányát vagy növelje a szelepek átfedését kompresszoros dízelmotorokban), használjon betéteket a felső gyűrűhöz, kiváló minőségű dugattyúgyűrűket bejáratás után azonnal jó illeszkedés, speciális olajok segítségével gyorsítsa fel a gyári betörést [39] , javítsa a motorolajok minőségét a gyűrűkokszosodás kiküszöbölésére és megbízható visszalökési hőt az aljáról [40] , esetenként dugattyúbevonatot vagy kompozit anyagokat használnak. A japán gyakorlatban kerámia bevonatú műanyag dugattyúkra volt lehetőség. Az élettartam meghosszabbítása érdekében súrlódásgátló bevonatot alkalmaznak a vezetőn, sőt a dugattyú forró felületén is [41] . A hamis dugattyúk felgyorsult vagy vészkopását a kovácsolás/öntvény, anyaga méreteinek és/vagy minőségének megsértése okozza. A hajtórúd elpusztult, a karmantyú vagy annak üléke elferdülése gyors dugattyúkopáshoz vezet [42] . A kétütemű belső égésű motoroknál az elakadás oka lehet az üzemanyag hiánya.
A dugattyú kiégését szerkezeti vagy működési okok okozhatják. Az első esetben a számított megengedett alsó hőmérséklet [43] túllépik , és ennek a modellnek az összes motorja gyorsan meghibásodik (egy másik ok is lehetséges - hamisított dugattyúk [44] : nem bírják a terhelést). A kiégés kockázatának kiküszöbölésére ezekben az esetekben a mechanikai igénybevétel és a dugattyúhőmérséklet csökkentését alkalmazzák [45] (fokozott bordás, hűtés, csökkentett hőátadás a dugattyúnak a ciklusparaméterek megváltoztatásával) [46] . Az égési hőmérséklet csökkentésére akár a henger vízellátását is fel lehet használni [47] .
A kiégés működési okai lehetnek: a befecskendezési/gyújtási szög megsértése [48] , a fúvóka meghibásodása (elakadása), detonáció (benzin) [49] , túlzott erőltetés, általános túlmelegedés a termosztát meghibásodása miatt, fagyálló elvesztése, elakadt szelepek, alacsony oktánszámú benzin [50] , detonációt okozva , hosszan tartó izzás gyulladás. Ez a fenék hőmérsékletének növekedéséhez és lehetséges kiégéséhez vezet. A detonációs égés során emellett a felület feltöredezése is előfordulhat, ami továbbfejlődéséhez, a dugattyú kiégéséhez vagy a gyűrűk közötti válaszfalak töréséhez, a gyűrűk töréséhez vezethet. Ezért be kell tartani az utasításokat - használja a megfelelő üzemanyagot, helyesen állítsa be a gyújtást / befecskendezési időzítést, azonnal állítsa le a kopogó fúvókával rendelkező hibás dízelmotor vagy a túlmelegedett motor működését. A kiváló minőségű fúvókák és az üzemanyag-berendezések egyéb adagolóelemei meghosszabbítják a dugattyúk élettartamát.