Заэвтектический поршень

Заэвтектический поршень представляет собой двигателя внутреннего сгорания, поршень отлитый с использованием заэвтектического алюминиевого сплава с содержанием кремния, превышающим эвтектическую точку, составляющую 12 массовых процентов кремния. Большинство алюминиево-кремниевых литейных сплавов являются доэвтектическими, то есть содержание кремния ниже эвтектической точки, и содержат относительно мелкие кристаллы элементарного кремния, образующиеся в результате эвтектической реакции во время затвердевания. Помимо мелких кристаллов кремния, заэвтектические сплавы содержат также крупные кристаллы первичного кремния, образующиеся до эвтектической реакции. В результате он содержит гораздо более высокую фазовую долю кремния. Следовательно, заэвтектический алюминий имеет более низкий коэффициент теплового расширения , что позволяет разработчикам двигателей устанавливать гораздо более жесткие допуски. Содержание кремния в этих сплавах обычно составляет 16-19 весовых процентов, и при превышении этого содержания механические свойства и литейные качества существенно ухудшаются. Для получения равномерно распределенных частиц первичного кремния по материалу поршня необходимы специальные формы, методы литья и охлаждения.

Преимущества

В большинстве автомобильных двигателей используются алюминиевые поршни, которые движутся в железном цилиндре . Средняя температура днища поршня бензинового двигателя при нормальной работе обычно составляет около 300 °C (570 °F), а охлаждающая жидкость, проходящая через блок двигателя, обычно регулируется на уровне примерно 90 °C (190 °F). В этом диапазоне температур алюминий расширяется больше, чем железо , поэтому для того, чтобы поршень правильно прилегал к цилиндру при нормальной рабочей температуре, поршень должен иметь свободную посадку в холодном состоянии.

В 1970 году растущая обеспокоенность по поводу загрязнения выхлопными газами заставила правительство США создать Агентство по охране окружающей среды (EPA), которое начало писать и обеспечивать соблюдение правил, требующих от производителей автомобилей внесения изменений, которые сделали их двигатели более чистыми. К концу 1980-х годов загрязнение автомобильных выхлопов заметно улучшилось. Более строгие правила вынудили производителей автомобилей перейти на использование впрыска топлива с электронным управлением и заэвтектических поршней. Что касается поршней, было обнаружено, что когда двигатель был холодным во время запуска, небольшое количество топлива задерживалось между поршневыми кольцами. По мере прогрева двигателя поршень расширялся и выбрасывал небольшое количество топлива, что увеличивало количество несгоревших углеводородов в выхлопных газах.

Добавление кремния в сплав поршней позволило значительно уменьшить расширение поршня. Это позволило инженерам уменьшить зазор между поршнем и гильзой цилиндра. Сам кремний расширяется меньше, чем алюминий. Еще одним преимуществом добавления кремния является то, что поршень становится более твердым и менее восприимчивым к истиранию, которое может произойти, когда поршень из мягкого алюминия подвергается холодному раскручиванию в относительно сухом цилиндре при запуске или во время аномально высоких рабочих температур.

Самый большой недостаток добавления кремния в поршни заключается в том, что поршень становится более хрупким по мере увеличения соотношения кремния и алюминия. Это делает поршень более восприимчивым к растрескиванию, если в двигателе наблюдается преждевременное зажигание или детонация.

Сплавы для замены производительности

Когда автолюбители хотят увеличить мощность двигателя, они могут добавить принудительную индукцию . Сжимая больше воздуха и топлива при каждом цикле впуска, можно значительно увеличить мощность двигателя. Это также увеличивает нагрев и давление в цилиндре.

Нормальная температура выхлопа бензинового двигателя составляет примерно 650 °C (1200 °F). Это также примерно температура плавления большинства алюминиевых сплавов, и только постоянный приток окружающего воздуха предотвращает деформацию и выход поршня из строя. Принудительная индукция увеличивает рабочие температуры в режиме «под наддувом», и если избыточное тепло добавляется быстрее, чем двигатель может его отдать, повышенная температура в цилиндре приведет к самовоспламенению воздушно-топливной смеси на такте сжатия до возникновения искры. . Это один из типов детонации двигателя , который вызывает внезапную ударную волну и скачок давления, что может привести к выходу из строя поршня из-за усталости поверхности, вызванной ударом. Который разъедает поверхность поршня.

Поршневой сплав «4032» имеет содержание кремния примерно 11%. Это означает, что он расширяется меньше, чем поршень без кремния, но поскольку кремний полностью легирован на молекулярном уровне (эвтектика), сплав менее хрупкий и более гибкий, чем стандартный заэвтектический поршень «смога» (низкое сжатие). Эти поршни могут пережить легкую детонацию с меньшими повреждениями, чем стандартные поршни. 4032 и заэвтектические сплавы имеют низкий коэффициент теплового расширения. Это обеспечивает более плотную посадку поршня в отверстие цилиндра при температуре сборки.

Поршневой сплав с эксплуатационными характеристиками «2618» содержит менее 2% кремния и может быть описан как гипо (не)эвтектический. Этот сплав способен выдерживать наибольшую детонацию и неправильное обращение, получая при этом наименьшее количество повреждений. Поршни, изготовленные из этого сплава, также обычно делаются толще и тяжелее из-за их наиболее распространенного применения в коммерческих дизельных двигателях . Как из-за более высоких, чем обычно, температур, которые эти поршни испытывают при обычном использовании, так и из-за более высокого коэффициента теплового расширения из-за низкого содержания кремния, вызывающего большее тепловое расширение. Эти поршни требуют большего зазора между поршнем и цилиндром при температурах сборки. Это приводит к состоянию, известному как «удар поршня», когда поршень качается в цилиндре и вызывает слышимый постукивающий шум, который продолжается до тех пор, пока двигатель не прогреется до рабочей температуры.

Кованые и литые

Когда поршень отливается , сплав нагревается до расплавления. Затем его заливают в форму, чтобы создать базовую форму. После того, как сплав остынет и затвердеет, его вынимают из формы и грубой отливке обрабатывают окончательную форму. Для применений, требующих более прочных поршней, ковки используется процесс .

В процессе ковки черновую отливку помещают в штамп, пока она еще горячая и полутвердая. Гидравлический . пресс используется для того, чтобы поместить грубую заготовку под огромное давление Это устраняет любую возможную пористость, а также сжимает зерна сплава плотнее, чем можно достичь с помощью простого литья. В результате получается гораздо более прочный материал.

Поршни для вторичного рынка, изготовленные из наиболее распространенных сплавов 4032 и 2618, обычно кованые.

По сравнению с коваными поршнями из сплавов 4032 и 2618 заэвтектические поршни имеют меньшую прочность. Поэтому в высокопроизводительных приложениях, использующих наддув, закись азота и/или высокие обороты, предпочтительны кованые поршни (изготовленные из любого сплава). Однако заэвтектические поршни испытывают меньшее тепловое расширение, чем кованые поршни. По этой причине заэвтектические поршни могут обеспечивать более плотный зазор между поршнем и цилиндром, чем кованые поршни. Это делает заэвтектические поршни лучшим выбором для стандартных двигателей, где долговечность важнее максимальной производительности. В некоторых автомобилях используются заводские кованые поршни. В Dodge Vipers использовались кованые поршни моделей 1992-1999 годов, затем перешли на заэвтектические. В последнем поколении Вайперов (2013-2017 гг.) использовались кованые поршни. На всех Honda S2000 используются кованые поршни.

См. также

• Y-сплав
• Хидуминиум