Заэвтектический поршень — это поршень двигателя внутреннего сгорания , отлитый с использованием заэвтектического алюминиевого сплава с содержанием кремния, превышающим эвтектическую точку 12 весовых процентов кремния. [1] Большинство литейных сплавов алюминия и кремния являются доэвтектическими, то есть содержание кремния ниже эвтектической точки, и содержат относительно мелкие элементарные кристаллы кремния, образованные в результате эвтектической реакции во время затвердевания. В дополнение к мелким кристаллам кремния заэвтектические сплавы также содержат крупные первичные кристаллы кремния, которые образуются до эвтектической реакции. В результате он содержит гораздо более высокую фазовую долю кремния. Следовательно, заэвтектический алюминий имеет более низкий коэффициент теплового расширения , что позволяет конструкторам двигателей указывать гораздо более жесткие допуски. Содержание кремния в этих сплавах обычно составляет 16-19 весовых процентов, и выше этого содержания механические свойства и литейные свойства существенно ухудшаются. Для получения равномерно распределенных первичных частиц кремния по всему материалу поршня требуются специальные формы, методы литья и охлаждения.
Большинство автомобильных двигателей используют алюминиевые поршни, которые движутся в железном цилиндре . Средняя температура головки поршня в бензиновом двигателе при нормальной работе обычно составляет около 300 °C (570 °F), а охлаждающая жидкость, которая проходит через блок двигателя , обычно регулируется на уровне около 90 °C (190 °F). Алюминий расширяется больше, чем железо в этом диапазоне температур, поэтому для того, чтобы поршень правильно вошел в цилиндр 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 сформировать Агентство по охране окружающей среды (EPA), которое начало разрабатывать и применять правила, которые требовали от автопроизводителей вносить изменения, которые заставляли бы их двигатели работать чище. К концу 1980-х годов загрязнение автомобильных выхлопных газов заметно улучшилось. Более строгие правила вынудили автопроизводителей принять использование электронного впрыска топлива и гиперевтектических поршней. Что касается поршней, было обнаружено, что когда двигатель был холодным во время запуска, небольшое количество топлива оставалось между поршневыми кольцами. [ необходима цитата ] По мере того, как двигатель прогревался, поршень расширялся и выталкивал это небольшое количество топлива, что увеличивало количество несгоревших углеводородов в выхлопных газах.
Добавление кремния в сплав поршней позволило значительно снизить расширение поршня. Это позволило инженерам задать уменьшенный зазор между поршнем и гильзой цилиндра. Сам кремний расширяется меньше, чем алюминий. Еще одним преимуществом добавления кремния является то, что поршень становится тверже и менее подвержен задирам, которые могут возникнуть, когда мягкий алюминиевый поршень вращается на холодных оборотах в относительно сухом цилиндре при запуске или при аномально высоких рабочих температурах.
Самый большой недостаток добавления кремния в поршни заключается в том, что поршень становится более хрупким, поскольку увеличивается соотношение кремния и алюминия. Это делает поршень более подверженным растрескиванию, если в двигателе происходит преждевременное зажигание или детонация.
Когда автолюбители хотят увеличить мощность двигателя, они могут добавить какой-либо тип принудительной индукции . Сжимая больше воздуха и топлива в каждом цикле впуска, можно значительно увеличить мощность двигателя. Это также увеличивает тепло и давление в цилиндре.
Нормальная температура выхлопа бензинового двигателя составляет около 650 °C (1200 °F). Это также приблизительно 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 цилиндра приведет к самовоспламенению воздушно-топливной смеси на такте сжатия до возникновения искры. Это один из типов стука двигателя , который вызывает внезапную ударную волну и скачок давления, что может привести к выходу поршня из строя из-за усталости поверхности, вызванной ударом. Которая разъедает поверхность поршня.
Сплав поршня "4032" содержит около 11% кремния. 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 гиперэвтектический "смог" (низкая компрессия) поршень. Эти поршни могут выдерживать легкую детонацию с меньшими повреждениями, чем стандартные поршни. 4032 и гиперэвтектические сплавы имеют низкий коэффициент теплового расширения. Это обеспечивает более плотную посадку поршня в отверстие цилиндра при температуре сборки.
Поршневой сплав "2618" содержит менее 2% кремния и может быть описан как гипо (недо) эвтектический. Этот сплав способен выдерживать наибольшую детонацию и злоупотребления, при этом получая 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 применении, 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 отверстием цилиндра при температурах сборки. Это приводит к состоянию, известному как "поршневой удар", когда поршень качается в цилиндре, и это вызывает слышимый стук, который продолжается до тех пор, пока двигатель не прогреется до рабочих температур.
При отливке поршня сплав нагревается до расплавления. Затем его заливают в форму для создания базовой формы. После того, как сплав остывает и затвердевает, его извлекают из формы, а черновую отливку подвергают механической обработке до окончательной формы. Для применений, требующих более прочных поршней, используется процесс ковки .
В процессе ковки черновая отливка помещается в штамп, пока она еще горячая и полутвердая. Гидравлический пресс используется для того, чтобы подвергнуть черновую заготовку огромному давлению. Это устраняет любую возможную пористость, а также сжимает зерна сплава вместе плотнее, чем это можно достичь при простом литье. Конечный результат — гораздо более прочный материал.
Поршни для вторичного рынка, изготовленные из наиболее распространенных сплавов 4032 и 2618, обычно изготавливаются методом ковки. [ необходима цитата ]
По сравнению с коваными поршнями из сплавов 4032 и 2618, гиперэвтектические поршни обладают меньшей прочностью. Поэтому для высокопроизводительных применений с использованием наддува, закиси азота и/или высоких оборотов предпочтительны кованые поршни (изготовленные из любого сплава). Однако гиперэвтектические поршни испытывают меньшее тепловое расширение, чем кованые поршни. По этой причине гиперэвтектические поршни могут работать с более узким зазором между поршнем и цилиндром, чем кованые поршни. Это делает гиперэвтектические поршни лучшим выбором для стандартных двигателей, где долговечность важнее максимальной производительности. Некоторые автомобили используют кованые поршни с завода. Dodge Viper использовали кованые поршни с 1992-1999 модельных годов, затем перешли на гиперэвтектические. Последнее поколение Viper (2013-2017) использовало кованые поршни. Все Honda S2000 используют кованые поршни.