3.1 Pít-tơng/ Chốt Pít-tơng/ Khun hãm chốt Pít-tơng
3.1.1.4 Cài đặt vận hành
Một nỗ lực để giữ cho quá trình lắp đặt ở chân (váy) pít-tơng càng nhỏ càng tốt để đạt được sự vận hành trơn tru đồng đều trong mọi tình huống vận hành. Khi làm việc với các piston hợp kim nhẹ, mục tiêu này chỉ có thể đạt được với những nỗ lực kỹ thuật đặc biệt. Điều này là do hệ số giãn nở nhiệt cao đối với các hợp kim nhẹ. Trong quá khứ, các dải thép thường được đúc tại chỗ để tác động đến sự giãn nở khi phản ứng với nhiệt ("điều chỉnh pít-tơng").
Bảng 3.4 cung cấp một cái nhìn tổng quan về thời thời gian hoạt động ở váy và vùng cháy cho các thiết kế piston khác nhau.
Lượng hoạt động ở chốt pít-tơng, bên trong vấu lồi chốt pít-tơng, rất quan trọng để piston chạy trơn tru và ít mài mòn tại các điểm này. Khi xác định giá trị nhỏ nhất hoạt động (Bảng 3.5), trong trường hợp động cơ xăng, cần phải xác định xem có sử dụng kẹp chốt pít-tơng hay khơng hoặc liệu nó có được cố định trong lỗ khoét đầu nhỏ bằng cách siết lại hay không. Kẹp cổ tay nổi là thiết kế tiêu chuẩn và là loại ver sion có thể chịu tải cao nhất trong các loại chốt pít-tơng. Thanh truyền "vừa vặn", theo tuyên bố của một số nhà chế tạo động cơ là tiết kiệm hơn, chỉ được sử dụng trong động cơ xăng. Thiết kế thanh truyền vừa vặn co lại không phù hợp với động cơ diesel hiện đại và động cơ xăng tăng áp.
Thiết kế pít- tơng
Quy định Pít-tơng Các giải điều chỉnh
𝐻𝑦𝑑𝑟𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑘𝑅 𝐻𝑦𝑑𝑟𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑘𝑅 Tất cả các loại Trọng
lượng nhẹ và hiện đại Nguyên tắc
hoạt động Xăng Xăng và Diesel (2 kỳ) Xăng
Diesel Xăng (4 kỳ) Ví dụ cài đặt(Phạm vi kích thước danh nghĩa) 0.3 đến 0.5 0.6 đến 1.3 0.7 đến 1.3 0.3 đến 0.5 Phần trên của váy 0.6 đến 1.2 1.8 đến 2.2 1.4 đến 4.0* 1.8 đến 2.4 1.7 đến 2.2 * chỉ dành cho thiết kế vịng một và góc hiệu suất tối đa (cuối hoặc gần đầu váy)
Bảng 3.4 Kích thước lắp đặt thơng thường cho pít-tơng hợp kim nhẹ trong động cơ (như ‰ của đường kính danh nghĩa lắp vào lốc máy đúc màu xám).
Thay đổi chốt ắc pít-tơng Lắp nóng chốt ắc pít-tơng
(Ghim cố định)
0.002 đến 0.005 0.006 đến 0.012
Hình 3.5 Vịng chốt ắc pí-tơng tối thiểu cho trong động cơ xăng (mm) (khơng dành cho động cơ đua).
3.1.1.5 Khối pít-tơng
Piston và các phụ kiện của nó (chốt hãm, trục, khuyên hãm) hình thành, cùng với phần chuyển động qua lại của thanh truyền, các khối lượng chuyển động qua lại. Tùy
thuộc vào thiết kế động cơ, xảy ra quán tính khối lượng tự do và mơmen tự do; trong một số trường hợp, những điều này khơng cịn có thể được đền bù hoặc có thể chỉ được đền bù nếu có nỗ lực đáng kể. Do hiện tượng này, trên hết trong trường hợp động cơ tốc độ cao, nhu cầu đạt được khối lượng pít-tơng thấp nhất có thể xuất hiện. Pít-tơng và chốt pít-tơng chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các khối lượng chuyển động qua lại. Do đó, việc tối ưu hóa trọng lượng phải bắt đầu từ đây.
Khoảng 80% trọng lượng pít-tơng nằm giữa tâm của chốt pít-tơng và bề mặt trên của đầu. 20% còn lại nằm giữa tâm của chiếc chốt pít-tơng và đi váy. Trong số các kích thước chính đã thảo luận trước đây, việc xác định chiều cao nén có ý nghĩa quyết định; với việc xác định chiều cao nén, khoảng 80% trọng lượng pít-tơng được xác định trước.
Khi làm việc với động cơ xăng phun trực tiếp, đầu piston được sử dụng để làm lệch dịng và được định hình Hình 3.6 Piston đối với động cơ xăng phun trực tiếp. theo đó; xem Hình 3.6. Các piston đều cao hơn và nặng hơn. Trọng tâm dịch chuyển lên trên.
Hình 3.6 Pít tơng cho động cơ xăng phun trực tiếp
Khối lượng GN của piston có thể được so sánh tốt nhất khi người ta tham chiếu
chúng với thể tích so sánh 𝑉 ~ 𝐷3 (khơng có Xéc-măng và chốt pít-tơng). Tuy nhiên,
cần lưu ý ở đây rằng độ dài của chiều cao nén ln được đưa vào bất kỳ phân tích nào
về động cơ. Các chỉ số khối lượng 𝐺𝑁 / 𝐷3 (khơng có vịng và chốt pít-tơng) cho các
thiết kế pít-tơng đã được kiểm chứng được thể hiện trong bảng 3.7.
Vật liệu Nguyên tắc hoạt động 𝐺
𝑁 / 𝐷3( 𝑔 𝑐𝑚3)
Hợp kim nhôm Động cơ xăng 4 kỳ 0.40 đến 0.55
Động cơ xăng 2 kỳ 0.5 đến 0.7
Động cơ diesel 4 kỳ 0.80 đến 1.10*
*Ống nạp hỗn hợp
3.1.1.6 Nhiệt độ hoạt động
Một yếu tố quan trọng liên quan đến độ tin cậy vận hành, an toàn và tuổi thọ sử dụng là nhiệt độ thành phần cho cả pít-tơng và xi lanh. Đầu Pít-tơng, tiếp xúc với khí cháy nóng, hấp thụ lượng nhiệt khác nhau, tùy thuộc vào tình huống hoạt động (tốc độ động cơ, mơ-men xoắn). Các thể tích nhiệt này, nơi các pít-tơng khơng được làm mát bằng dầu, được tỏa ra thành xi lanh Hình 3. Hình 7-8 Sự phân bố nhiệt độ tại piston đối với động cơ xăng. (Xem phần màu sắc.) 8 Sự phân bố nhiệt độ tại pít-tơng đối với động cơ xăng. (Xem phần màu.) Hình 3.3 Sự phân bố nhiệt độ tại pít-tơng có kênh làm mát cho động cơ diesel. (Xem phần màu sắc.) Chủ yếu qua xéc-măng đầu tiên và ở một mức độ thấp hơn là qua váy pít-tơng. Ngược lại, khi q trình làm mát pít-tơng bị ảnh hưởng, một phần chính của nhiệt lượng được truyền sang dầu động cơ. Do các mặt cắt của vật liệu được xác định bởi kỹ thuật, xuất hiện các dòng nhiệt dẫn đến các trường nhiệt độ đặc trưng. Hình 3.8 và 3.9 cho thấy sự phân bố nhiệt độ điển hình tại các pít-tơng của động cơ xăng và diesel.
Hình 3.8 Sự phân bố nhiệt độ tại piston đối với động cơ xăng. (Xem phần màu)
Hình 3.9 Sự phân bố nhiệt độ tại piston có kênh làm mát cho động cơ diesel. (Phần màu sắc)
Một mặt, tải nhiệt quá mạnh làm giảm độ bền của vật liệu chế tạo pít-tơng. Các điểm quan trọng trong vấn đề này là đỉnh của trục và mép của rãnh trong động cơ diesel, phun xăng trực tiếp, và vùng chuyển tiếp giữa điểm kết nối trục và đầu pít-tơng trong động cơ xăng.
Mặt khác, nhiệt độ ở rãnh xắc măng đầu tiên có ý nghĩa liên quan đến q trình cacbon hóa dầu. Bất cứ khi nào vượt quá giá trị giới hạn nhất định, các vịng pít-tơng có xu hướng bị dính lại và kết quả là bị hạn chế hoạt động của chúng. Ngoài nhiệt độ tối đa, sự phụ thuộc của nhiệt độ pít-tơng vào hoạt động của động cơ các điều kiện (chẳng hạn như tốc độ động cơ, áp suất trung bình, góc đánh lửa và thể tích phun vào) là quan trọng. Hình 3.10 cho thấy các giá trị điển hình đối với động cơ xăng và diesel dùng trên ô tơ du lịch, ở khu vực xung quanh rãnh vịng pít-tơng thứ nhất, tùy thuộc vào điều kiện vận hành.
Điều kiện động cơ Thay đổi điều kiện trong
động cơ
Thay đổi nhiệt độ piston ở rãnh 1
Nước làm mát Nhiệt độ nước 10 ℃ 4 - 8 ℃
50 % chất chống đông 5 - 10 ℃
Nhiệt độ dầu bôi trơn
(Không làm mát piston) 10℃ 1 - 3 ℃
Làm mát piston bằng dầu
động cơ Vòi phun ở đầu to thanh truyền -8 - 15 ℃ trên một mặt
Vịi phun bình thường
(vịi phun tĩnh) -10 – 30 ℃ Rãnh làm mát -25 – 50 ℃ Nhiệt độ dầu làm mát 10 ℃ 4 – 8 ℃ (cũng ở rìa phần lõm) Áp suất trung bình (n = hằng số) 0,1 Mpa 5- 10℃ (15 đến 20℃ ở rìa của hốc) Tốc độ động cơ (𝜌𝑒= hằng số) 1001 vòng / phút 2 - 4 ℃
Điểm đánh lửa, bắt đầu
phun 1 độ trục khuỷu 1,5 - 3,5 ℃
Tỷ lệ nhiên liệu trên
khơng khí lamda lamda ≈ 0,8 - 1,0 Ảnh hưởng nhỏ
3.1.1.7. Làm mát Piston Phun làm mát
Một phiên bản thường được tìm thấy là một vịi phun nằm ở phía dưới cuối xi lanh, qua đó dầu động cơ được phun vào các đường viền bên trong của piston. Hiệu quả làm mát phụ thuộc vào khối lượng dầu làm mát và diện tích bề mặt có sẵn để truyền nhiệt. Bằng cách này, có thể đạt được mức giảm nhiệt độ lên tới 30 °C ở rãnh và vấu lồi đầu tiên. Một phiên bản đơn giản hơn là một lỗ khoan thông qua đầu to thanh truyền, được cung cấp dầu từ hệ thống bơi trơn lót bạc đầu to thanh truyền. Ngoài một hiệu ứng làm mát, một phần của dòng dầu đáp ứng các bề mặt chạy xy lanh cung cấp bơi trơn tốt hơn,do đó mang lại sự an toàn hơn chống lại ma sát nhiên liệu.
Piston với khoang dầu làm mát
Một lựa chọn phức tạp hơn nhưng hiệu quả hơn để làm mát piston là cung cấp các khoang dầu ở những khu vực ở đầu piston và các rãnh vòng chịu sự khắc nghiệt bởi nhiệt độ và tải. Một rãnh làm mát hình khun được cung cấp với dầu, thơng qua lỗ cấp dầu, bằng vòi phun; sau khi đảm nhận nhiệt (ΔT lên đến khoảng 40 ° C) dầu đi qua một lỗ xả ở phía đối diện của piston và trở về tổng dầu. Khối lượng cụ thể được đề xuất để làm mát dầu đến khoảng 5 kg / kWh. Một rãnh làm mát đúc trực tiếp vào l xéc măng ("xec măng tản nhiệt") cung cấp giải pháp hiệu quả liên quan đến làm mát rãnh.
Hình 3.11 cho thấy phạm vi ứng dụng điển hình cho thiết kế piston khác nhau.
Nguyên tắc
hoạt động Chịu tải
Xe xăng Khơng có piston làm
mát Piston có phun làm mát
Piston được rèn với bơm phun làm mát
Thấp ≈ 40 kW/1 Trung bình ≈ 65 kW/1 Cao ≥ 60 kW/1
Xe du lịch
bằng dầu Phun làm mát Piston với kênh làm mát Vòng đệm làm mát
Thấp ≤35 kW/1 Trung bình 35 đến 45
kW/1 Cao > 45 kW/1
Hình 3.11 Khảo sát các biến thể làm mát
3.1.1.8 Thiết kế piston
Sự phát triển của piston đang diễn ra đã tạo ra một số lượng lớn thiết kế, quan trọng nhất trong số đó, đã chứng minh bản thân chúng trong thực tế, được trình bày ở đây. Ngoài ra các hướng phát triển mới đang được theo đuổi, ví dụ, piston cho động cơ có
cấu hình cực thấp, piston làm bằng vật liệu tổng hợp với gia cố cục bộ các yếu tố, hoặc piston có chiều cao nén thay đổi, cho phép tỷ lệ nén biến đổi.
Động cơ xăng hiện đại sử dụng thiết kế nhẹ với thân piston hình bầu dục đối xứng hoặc bất đối xứng (cam mặt đất piston) và, nếu được chỉ định, độ dày thành khác nhau cho phía tiếp xúc và phía đối diện. Những thiết kế piston này được phân biệt bởi trọng lượng tối ưu hóa và tính linh hoạt đặc biệt ở khu vực trung tâm và vùng thân dưới. Chính vì những lý do được đề cập ở đây mà piston điều chỉnh đang trở thành ngày càng ít phổ biến. Các thiết kế cũ hơn cũng được thảo luận ngắn gọn vì lợi ích của sự trọn vẹn.
Piston có chèn dải để điều chỉnh nhiệt Mở rộng, để lắp đặt trong gang xám Khối động cơ
Mục tiêu chính trong việc điều chỉnh thiết kế piston và cho nhiều phát minh trong lĩnh vực này đã và đang nỗ lực để giảm sự khác biệt tương đối lớn trong các hệ số mở rộng nhiệt giữa các khối động cơ đúc màu xám và piston nhôm. Các giải pháp đã biết bao gồm từ dải hợp kim Inva piston đến Hydrothermik® hoặc hydrothermatik® Pistons.
Thủy nhiệt® Piston
Hydrothermik® pistons, Hình 3.12, là những thiết kế với dạng thân mặt nghiêng hình thành phù hợp với các khía cạnh thủy động lực học. Chúng được lắp đặt trong động cơ xăng cho xe khách. Các piston được cắm ở quá trình chuyển đổi từ đỉnh piston đến thân , ở cấp độ của rãnh thứ ba. Những piston này được đặc trưng bởi vận hành đặc biệt trơn tru và phục vụ lâu dài. Các dải đúc tại chỗ giữa thân và các vấu lồi lót bạc, làm bằng thép không gỉ, trong kết hợp với kim loại nhẹ bao quanh chúng, tạo thành các yếu tố điều chỉnh làm giảm nhiệt mở rộng thân theo hướng mà quan trọng đối với hướng dẫn trong xi lanh.
Hydrothermatik® Pistons
Hydrothermatik® piston, Hình 3.13, hoạt động trên cùng một ngun tắc quy định mở rộng như hydrothermik® piston. Trong piston Hydrothermatik®, sự chuyển đổi từ khu vực đầu đến thân khơng có rãnh; thập tự giá chuyển tiếp các phần được kích thước để một mặt, dịng nhiệt từ đầu piston đến váy vẫn tương đối không bị cản trở trong khi mặt khác, ảnh hưởng của các dải thép, vì sự kết nối của thân với phần đầu cứng nhắc, không bị ảnh hưởng theo bất kỳ cách thiết yếu nào.Do đó, thiết kế piston này tham gia vào cường độ cao của piston không cẩu thả với những ưu điểm của thiết kế sử dụng dải quy định. Piston hydrothermatik® cũng phù hợp để sử dụng trên động cơ diesel hút khí tự nhiên.
Hình 3.13 Hydrothermatik® piston.
Hình 3.14 Asymdukt® piston.
Để kéo dài tuổi thọ và giảm hao mòn, các piston được sử dụng trong động cơ diesel được trang bị một tàu sân bay vịng (chèn rãnh) làm bằng gang austenitic.
Asymdukt® Piston
Asymdukt®, Hình 3.14, là một piston hiện đại thiết kế được phân biệt bởi trọng lượng rất thấp, hỗ trợ tối ưu hóa và phần váy hình bầu dục giống như hộp. Nó hồn tồn phù hợp để sử dụng trong động cơ xăng hiện đại cho xe chở khách. Nó phù hợp cho cả động cơ nhôm khối và cho các khối động cơ đúc màu xám. Với sự linh hoạt thiết kế thân , sự khác biệt trong sự giãn nở nhiệt giữa khối đúc màu xám và piston nhơm có thể được bù đắp trong phạm vi đàn hồi. Các piston có thể được đúc hoặc rèn. Phiên bản được rèn được sử dụng trên hết trong các động cơ thể thao hiệu suất cao hoặc trên xe tải nặng , động cơ xăng có tubo tăng áp .
Piston cho xe đua
Đây luôn là những thiết kế đặc biệt, Hình 3.15. Chiều cao nén (KH trong hình minh họa) rất ngắn, và tồn bộ piston được tối ưu hóa tuyệt vời cho trọng lượng. Chỉ có piston được tôi luyện được sử dụng ở đây. Tối ưu hóa trọng lượng và làm mát piston là tiêu chí quyết định cho thiết kế của những pít-tơng này. Trong cơng suất cụ thể của động cơ Công thức 1 hơn 200 kW /1 và tốc độ động cơ vượt quá 18000 vòng / phút là phổ biến. Tuổi thọ của piston là phù hợp với điều kiện hoạt động khắc nghiệt.
Hình 3.16 Piston và xy lanh cho động cơ hai kỳ
Piston cho động cơ hai chu kỳ
Trong piston hai chu kỳ, Hình 3.16, tải nhiệt là đặc biệt cao vì tiếp xúc thường xuyên hơn với nhiệt; có một sự kiện đánh lửa cho mỗi vịng quay của trục khuỷu. Ngồi ra, nó phải đóng hoặc mở đầu vào và đầu ra các rãnh trong xi lanh trong quá trình đi lên và nét viền xuống. Điều này có nghĩa là nó phải kiểm sốt trao đổi khí. Kết quả là nhiệt độ nghiêm trọng và tải cơ khí.
Piston hai chu kỳ được trang bị một hoặc hai vòng piston và, liên quan đến thiết kế bên ngồi của chúng, có thể khác nhau từ piston "cửa sổ" mở sang phiên bản có một chiếc thân đầy đủ. Điều này phụ thuộc vào thiết kế của các rãnh dòng chảy ( dài hoặc ngắn). Trong trường hợp này, piston thường được sản xuất từ MAHLE 138 hợp kim Al- Si siêu phát điện.
Rãnh xéc măng của Piston
Trong trường hợp rãnh xéc măng , Hình 3.17, được giới thiệu sản xuất hàng loạt sớm nhất là vào năm 1931, vòng trên cùng và, trong một số trường hợp, rãnh vòng thứ hai nằm trong một cái gọi là khe chứa xéc măng hoặc rãnh được nối vĩnh viễn với vật liệu piston bằng liên kết kim loại.
Vật liệu mang vịng được làm bằng chất khơng từ tính gang với hệ số giãn nở nhiệt tương tự như vật liệu được sử dụng cho chính piston. Vật liệu này đặc biệt có khả năng chống ma sát và mài mòn tác động. Rãnh bị đe dọa nghiêm trọng nhất và vòng piston ở