Pístní skupina motoru zahrnuje: píst, pístní kroužky a pístní čep.
Píst je nejdůležitějším prvkem každého spalovacího motoru.
Právě tato část nese hlavní zátěž přeměny energie expandujících plynů na energii otáčení klikového hřídele. Vlastnosti, které musí píst mít, se obtížně kombinují a technicky je obtížné realizovat.
Požadavky, které musí tato část splňovat:
- Teplota ve spalovací komoře může dosáhnout více než 2000 °C a teplota pístu by bez rizika ztráty pevnosti materiálu neměla překročit 350 °C.
- Po spálení směsi benzínu a vzduchu může tlak ve spalovací komoře dosáhnout 80 atmosfér. Při takovém tlaku bude síla působící na dno přesahovat 4 tuny. Tloušťka stěn a dna pístu musí zajistit schopnost odolat značnému zatížení. Jakékoli zvýšení hmotnosti výrobku však vede ke zvýšení dynamického zatížení prvků motoru, což následně vede k zesílení konstrukce a zvýšení hmotnosti motoru.
- Vůle mezi pístem a povrchem válce musí zajistit účinné mazání a schopnost pohybu s minimálními ztrátami třením. Zároveň však musí vůle zohledňovat tepelnou roztažnost a vylučovat možnost zaseknutí.
- Výroba musí být dostatečně levná, aby splňovala podmínky hromadné výroby.
Obrys pístu se za více než sto padesátiletou historii spalovacího motoru změnil jen málo.
Pístové zařízení
V konstrukci pístu lze rozlišit několik zón, z nichž každá má svůj vlastní funkční účel.
Písty vozů VAZ 21213 a VAZ 21230 se liší v použitém označení. Označení se nanáší na povrch vedle otvoru pro pístní čep. Na pístu VAZ 21213 jsou nanesena čísla – “213”, na modelu VAZ 2123 – “23”.
Na modelech VAZ 21080, VAZ 21083, VAZ 21100 je použito odpovídající označení – “08”, “083”, “10”. Píst 2108 má průměr 76 mm, modely 21083 a 2110 – 82 mm.
Písty VAZ 2112 a VAZ 21124 mají odpovídající označení – “12” a “24” a liší se hloubkou vybrání pro ventily. Modely 21126 a 11194 se liší průměrem.
Pokud prohlubně na dně zvětšují objem spalovací komory, pak se k jeho zmenšení používají vytlačovací prvky. Vytlačovací prvek je objem kovu, který se nachází nad rovinou dna.
„Tepelná zóna“ (zóna ohně) je vzdálenost od dna k drážce prvního pístního kroužku. Čím blíže jsou pístní kroužky ke dnu, tím vyššímu tepelnému zatížení jsou vystaveny a tím více se zkracuje jejich životnost.
Těsnicí část je část drážek umístěných na bočním válcovém povrchu pístu. Drážky jsou určeny k instalaci pístních kroužků. Pístní kroužky zajišťují pohyblivé těsnění. U všech modelů motorů VAZ jsou dvě drážky vytvořeny pro kompresní kroužky a jedna drážka pro stírací kroužek oleje.
V drážce pro stírací kroužek oleje jsou otvory, kterými je přebytečný olej odváděn do vnitřní dutiny pístu. Těsnicí část plní další velmi důležitou funkci – prostřednictvím instalovaných pístních kroužků je značná část tepla odváděna z pístu do válce.
Pokud konstrukce výrobku nezajišťuje efektivní odvod tepla zespodu, povede to k jeho vyhoření.
Podle výpočtů se až 60–70 % uvolněného tepla přenáší přes kompresní kroužky. To však vyžaduje těsné uložení pístních kroužků k válci a k povrchům drážek.
Pro zajištění správné funkce by měla být koncová mezera prvního kompresního kroužku v drážce 0,045-0,070 mm. U druhého kompresního kroužku je mezera 0,035-0,060 mm, u stíracího kroužku oleje 0,025-0,050 mm. Mezi vnitřním povrchem kroužku a drážkou by měla být radiální mezera 0,2-0,3 mm.
Hlava pístu je tvořena dnem a těsnicí částí.
Vzdálenost od osy pístního čepu ke dnu se nazývá kompresní výška pístu.
Spodní část pístu se nazývá „plášť“. V této oblasti jsou výstupky s otvory – místo, kde je instalován pístní čep. Vnější povrch pláště slouží jako nosná a vodicí plocha.
Plášť zajišťuje souosost polohy součásti s osou blokového válce. Boční plocha pláště se navíc podílí na přenosu příčných sil na válec.
Na povrch pláště (nebo na celý výrobek) lze nanést ochranné povlaky pro zlepšení záběhu a snížení tření.
Cínování umožňuje vyhladit nedokonalosti profilu a zabránit usazování hliníku na povrchu válce. Lze použít povlaky na bázi grafitu a disulfidu molybdeničitého.
Další metodou ke snížení ztrát třením je použití speciálních profilových drážek na plášti. Hloubka drážek je 0,01-0,015 mm. Při pohybu drážky nejen zadržují olej, ale také vytvářejí hydrodynamickou sílu, která zabraňuje kontaktu se stěnami válce.
Jedním z faktorů určujících geometrii pístu je potřeba snížit třecí síly.
To vyžaduje určitou tloušťku olejové vrstvy v mezeře mezi pístem a stěnami válce. Malá mezera navíc povede ke zvýšení třecích sil a v důsledku toho ke zvýšení ohřevu součástí a jejich urychlenému opotřebení a případně k zaseknutí.
Příliš velká mezera zvýší hluk motoru, povede ke zvýšenému dynamickému zatížení spojovací části a přispěje k jejich urychlenému opotřebení. Proto se velikost mezery volí v souladu s doporučeními pro konkrétní typ motoru.
V historii aplikace pístových konstrukcí pro motory VAZ lze vidět fáze vlivu několika evropských designových škol.
První modely motorů VAZ používají „italský“ design. Písty se vyznačují velkou kompresní výškou a širokou opěrnou plochou pláště. Povrch výrobku je pokryt vrstvou cínu.
Německé firmy se podílejí na vývoji následných konstrukcí. Písty mají sníženou kompresní výšku. Na plášti je použit mikroprofil – speciální profil drážky pro udržení maziva v zóně tření. Písty modelů VAZ 21126 a VAZ 11194 mají profil ve tvaru T a jsou určeny pro instalaci „tenkých“ pístních kroužků. Externím porovnáním modelů 2101 až 21126 lze tedy získat představu o obecných trendech ve zlepšování konstrukce na základě nových vědeckých poznatků.
Pokud jde o domácí automobily (VAZ, Priora atd.), musíte vážně zvážit společnost STK a její produkty. Není náhoda, že se Samara Trading Company (zkráceně „STK“) stala jedním z nejoblíbenějších výrobců pístních skupin. Jde o výrobu, protože je svého druhu jedinečná.
Nejsložitějším a zároveň nejdůležitějším technologickým procesem při výrobě pístních systémů je odlévání. Homogenita a pevnost materiálů, tepelná odolnost a tvrdost – to vše hraje klíčovou roli. Stačí se koeficient odchýlit o 1 % a píst se zasekne ve válci, ojnice se může snadno ohnout a dokonce i zaseknout, což naruší integritu a provozuschopnost celé pohonné jednotky.
Poloautomatická zařízení a speciální high-tech stroje umožňují společnosti STK odlévat písty na nejvyšší úrovni. Tato technologie nemá obdoby, po mnoho desetiletí a díky pečlivé práci inženýrů továrna vytváří pístní kroužky a písty nejvyšší kvality. Navzdory automatizaci všech procesů je výrobní postup každého pístu řízen lidmi. Každý výrobek prochází celou řadou testů.
Stačí navštívit jakoukoli čerpací stanici a zeptat se mechanika: „Který píst je ideální pro domácí auto?“, a uslyšíte odpověď: „STK“. Celá pointa je v tom, že každý mechanik chce práci udělat tak, aby se k němu klient nevrátil a nemusel porušovat záruční povinnosti.
Navzdory vedení společnosti STK existují i další dobré analogy, například Kostroma-motordetal. Ve srovnání s čínskými a evropskými písty se Kostroma v domácích automobilech dobře osvědčila, ale samotná konstrukce tohoto pístu není schopna řidiče ochránit před nejzlověstnější poruchou – kolizí pístu a ventilů.
Nezávitové písty STK, které obsahují speciální drážky, neovlivňují negativně ventily hlavy válců. Proto v případě hydraulického rázu, i když se rozbije rozvodový řetěz, kdy písty „vyletí“ nahoru a ventily dolů, je jejich kolize nemožná, pokud jsou v motoru nainstalovány písty STK. To vše díky speciálním drážkám vyfrézovaným v hlavě každého pístu – inovaci inženýrů společnosti Samara.
Pokud je vaše auto používáno již delší dobu, jeho komprese vás vůbec netěší a dokonale chápete, že je čas vyměnit píst, pamatujte: optimální skupiny pístů pro motor budou od Samara Trading Company (STK).
Více podrobností o pístech STK si můžete přečíst zde a zde.
Válec a píst jsou některé z hlavních součástí každého spalovacího motoru. Spodní rovina hlavy válce, dno pístu a stěna válce tvoří uzavřenou dutinu, kde dochází ke spalování směsi paliva a vzduchu. Píst, který je umístěn ve válci, přeměňuje energii vzniklých plynů na translační pohyb, čímž uvádí do pohybu klikový hřídel.
Válec a píst jsou zaběhnuty během provozu vozidla, což zajišťuje účinnost a nejlepší provozní podmínky motoru.
V tomto článku se podrobně podíváme na dvojici válec-píst: konstrukci, funkce, provozní podmínky a také problémy, které mohou nastat při provozu CPG.
Co je to válec a píst?
Moderní motory mohou mít od 2 do 16 válců, které jsou spojeny do bloku válců. Výkon spalovacího motoru závisí na počtu válců.
Vnitřní část válce je jeho pracovní povrch a nazývá se objímka a vnější část, která je integrální s tělem bloku, se nazývá plášť. Chladicí kapalina cirkuluje kanály pláště.
Uvnitř válce vykonává píst vratný pohyb. Přenáší energii tlaku plynu na ojnici klikového hřídele, utěsňuje spalovací prostor a odvádí z něj teplo. Píst se skládá ze dna (hlavy), těsnících kroužků a vodící části (pláště).
Písty pro benzínové motory mají ploché dno. Během provozu produkují méně tepla a snadněji se vyrábějí. Mohou mít speciální drážky, které pomáhají ventilům plně otevřít. U vznětových motorů mají písty ve spodní části speciální vybrání daného tvaru. Slouží k tomu, aby se vzduch vstupující do válce lépe mísil s palivem.
Těsné spojení mezi pístem a válcem zajišťují pístní kroužky. Jejich umístění a množství závisí na typu a účelu motoru. Nejběžnějším provedením je jeden stírací kroužek oleje a dva kompresní kroužky.
Kompresní kroužky zabraňují vstupu plynů ze spalovacího prostoru do klikové skříně motoru a přenášejí teplo z hlavy pístu na stěny válců. Ve tvaru mohou být kónické, soudkovité nebo lichoběžníkové.
Horní kompresní kroužek se opotřebovává rychleji než ostatní, takže jeho vnější povrch je vystaven nástřiku molybdenem nebo poréznímu chromování. Díky této přípravě se první kroužek stává odolnějším proti opotřebení a lépe zadržuje motorový olej. Ostatní těsnicí kroužky jsou pocínovány, aby se zlepšilo uchycení k válcům.
Olejový stírací kroužek slouží k odstranění přebytečného oleje ze stěn válce, čímž zabraňuje jeho vniknutí do spalovací komory. Prostřednictvím speciálních otvorů ve stěnách pístu vstupuje olej do pístu a poté je nasměrován do klikové skříně.
Vodicí část (pláště) pístu může být kuželového nebo soudkovitého tvaru. Tato konstrukce umožňuje kompenzaci expanze při vystavení vysokým teplotám. Na plášti je otvor se dvěma nálitky, kde je připevněn trubkový pístní čep spojující píst s ojnicí.
Pístní čep lze nainstalovat následovně:
- Volná vůle u nálitků pístu a hlavy ojnice (plovoucí čepy)
- Rotace v nálitcích pístu a fixace v hlavě ojnice
- Rotace v hlavě ojnice a fixace v nálitcích pístu
Ojnice spojuje píst s klikovým hřídelem. Jeho horní hlava se pohybuje vratně a spodní se otáčí spolu s ojničním čepem klikového hřídele a vykonává složitý kmitavý pohyb. Během provozu je ojnice vystavena natahování, ohýbání a stlačení, takže je pevná a odolná a pro snížení setrvačných sil lehká.
Z čeho jsou vyrobeny válce a písty?
Materiály používané při výrobě dílů CPG musí mít vysokou mechanickou pevnost, dobrou tepelnou vodivost, nízkou hustotu, nízký koeficient lineární roztažnosti, kluzné a antikorozní vlastnosti.
Válce jsou vyrobeny z litiny nebo oceli s různými přísadami. To je nezbytné, aby díly vydržely vysoké zatížení. Bloky válců se dnes vyrábí nejčastěji z hliníku a vnitřní části válců jsou ocelové, což snižuje hmotnost konstrukce.
Písty uvnitř válce se pohybují vysokou rychlostí a jsou vystaveny vysokým tlakům a teplotám. Zpočátku se k výrobě těchto dílů používala litina, ale s rozvojem technologie se hlavním materiálem pro písty stal hliník. To umožnilo menší zatížení pístů, lepší přenos tepla a zvýšení výkonu motoru.
Moderní vozidla, zvláště ta s dieselovými motory, používají písty z kompozitní oceli. Váží méně než hliníkové a díky nižší kompresní výšce umožňují použití delších ojnic, čímž snižují boční zatížení dvojice válec-píst.
K výrobě pístních kroužků se používá vysokopevnostní šedá litina s přídavkem chrómu, molybdenu, niklu nebo wolframu. Tyto materiály zlepšují záběh prvků a zajišťují jejich vysokou odolnost proti opotřebení a žáru.
Někteří výrobci automobilových komponentů potahují boční plochy pístů speciálními materiály na bázi grafitu nebo sirníku molybdeničitého, aby se snížily ztráty třením. Postupem času se však tovární nátěr zhoršuje a vyžaduje obnovu.
Jedním z nejúčinnějších prostředků pro obnovu antifrikční vrstvy nebo nanášení materiálu na nové písty je povlak pístů MODENGY pro díly spalovacích motorů. Složení na bázi vysoce čištěného sirníku molybdeničitého a grafitu má praktické aerosolové balení s optimálními parametry rozprašování.
Materiál se nanáší rovnoměrně na pláště pístů, nevyžaduje vysoké teploty pro polymeraci a na povrchu vytváří suchý mazací film, který snižuje opotřebení a zabraňuje odírání po dlouhou dobu.
Pro přípravu povrchů před aplikací nátěru se doporučuje ošetřit je speciálním čističem-aktivátorem MODENGY. Odstraňuje veškeré nečistoty z dílů a zajišťuje silnou přilnavost nátěru k podkladu.
Chlazení skupiny válec-píst
Když motor běží, vzniká obrovské množství tepla. Například teplota spalin může dosáhnout +2000 °C. To je důvod, proč skupina válec-píst vyžaduje účinné chlazení.
V moderních motorech může být chladicí systém kapalinový nebo vzduchový. V prvním případě jsou válce spalovacího motoru z vnější strany pokryty velkým množstvím speciálních žeber, které jsou chlazeny uměle vytvořeným nebo protiproudým prouděním vzduchu.
Kapalinové chlazení zahrnuje chlazení válců pomocí chladicí kapaliny, která cirkuluje uvnitř bloku vně válců. Zahřátá tělesa odevzdávají část tepla chladicí kapalině, která pak vstupuje do chladiče, ochlazuje se a vrací se do válců.
Systém mazání válců
Pokud uvnitř válce není žádné mazivo, píst se zadře, což nakonec povede k poruše motoru. Pro udržení motorového oleje na vnitřních plochách válců se na ně pomocí honování nanáší mikrosíťka.
Díky tomu je na stěnách vždy určité množství oleje, které snižuje tření mezi pístem a válcem a také pomáhá odvádět přebytečné teplo uvnitř CPG.
Poruchy během provozu
I když bylo vozidlo provozováno správně a všechny kapaliny byly vyměněny včas, mohou se časem objevit problémy se skupinou válec-píst. Jejich hlavním důvodem jsou obtížné provozní podmínky CPG.
Vysoké zatížení a teploty vedou k:
- Deformace dosedacích ploch pro rukáv
- Destrukce, depozice, koksování prstenců
- Poškrábání na pláštích pístu v důsledku zúžení vůle mezi pístem a válcem
- Vzhled děr, prasklin, třísek na pracovních plochách válců
- Tavení nebo vyhoření dna pístu
- Různé deformace na těle pístu
K těmto a dalším poruchám CPG nevyhnutelně dochází při přehřátí spalovacího motoru, které může být způsobeno poruchou termostatu, čerpadla, nebo odtlakováním chladicí soustavy, poruchami chodu ventilátoru chlazení chladiče, samotného chladiče nebo jeho čidla.
Problémy při provozu skupiny válec-píst lze identifikovat zvýšením spotřeby oleje, zhoršením startování motoru, snížením výkonu, výskytem klepání a hluku během provozu motoru. Takové momenty by neměly být ignorovány, protože poruchy v CPG nevyhnutelně povedou k drahým opravám.
Demontáž CPG, stejně jako kontrola jiných systémů vozidla, jako je vzduchový filtr, umožňuje přesně určit stav pístů a válců. Navíc se při diagnostice měří komprese ve válcích, odebírají se vzorky oleje z klikové skříně atd.
Zdroj CPG závisí na typu motoru, jeho provozním režimu, servisní údržbě a dalších parametrech. V průměru pro domácí automobily je to asi 200 tisíc km, pro zahraniční vozy – až 500 tisíc km. Existují takzvané „motory na milion mil“, jejichž životnost může přesáhnout 1 milion kilometrů.
Oprava skupiny válec-píst motoru zahrnuje výměnu kompresních a olejových stíracích kroužků, renovaci a vyvrtání válců, montáž nových ojnic a pístů.
Opotřebení válců se zjišťuje pomocí speciálního zařízení – měřiče vrtání. Třísky a praskliny na stěnách jsou svařeny nebo utěsněny epoxidovými pastami.
Nové písty jsou sladěny s vložkami válců hmotností a průměrem a pístní čepy jsou sladěny s pouzdry horní hlavy ojnice a písty. Ojnice jsou předem zkontrolovány na poškození a v případě potřeby obnoveny nebo vyměněny.
