Piston – Encyklopedie časopisu Behind the Wheel
Obr. Píst dieselového motoru (a) nákladního automobilu a tvary pístů různých motorů (b): 1 — drážka spodního stíracího kroužku oleje;
2 — drážka pro pojistný kroužek pístního čepu;
3 — vnitřní povrch nálitku;
4 — otvor pro mazání pístního čepu;
5 — drážka horního stíracího kroužku oleje;
6 — drážky pro kompresní kroužky;
7 — hlava pístu;
8 — spalovací komora v pístu;
9 — dno pístu;
10 — otvory pro vypouštění oleje;
11 – sukně
Píst má poměrně složitou konstrukci, protože je vystaven velmi velkému a proměnlivému zatížení.
Vnější povrch vodící části se nazývá sukně. Během pracovního zdvihu je píst vystaven vysokému tlaku plynů expandujících při vysokých teplotách. Na druhou stranu, když motor běží, zejména ve vysokých otáčkách, je píst vystaven velkému střídavému setrvačnému zatížení. Když je píst v TDC a BDC, jeho zrychlení je nulové a poté píst prudce zrychluje a pohybuje se vysokou rychlostí, přičemž směr pohybu se mění stovkykrát za sekundu. Pro snížení setrvačných zatížení je nutné co nejvíce snížit hmotnost pístu. Zároveň musí mít vysokou pevnost, aby odolal vysokému tlaku a teplu při kontaktu s horkými plyny, po kterém následuje ochlazení, když je do válce přiváděna studená čerstvá náplň. V současné době se písty pro benzínové a naftové motory automobilů vyrábí z hliníkových slitin. Při výrobě pístu se často během výrobního procesu do odlitku přidávají ocelové vložky, které zvyšují jeho tuhost a zabraňují tepelné roztažnosti. Někdy je do drážky pod horním kompresním (nejvíce zatíženým) pístním kroužkem umístěna ocelová vložka.
Při zahřátí se píst roztahuje. Aby se kompenzovala tepelná roztažnost pístu při zahřívání, má speciální tvar. Plášť pístu má v příčné rovině tvar oválu, nikoli kruhu. V podélné rovině vypadá plášť pístu jako komolý kužel. Části pístu s vysokou teplotou nebo s velkým objemem kovu se více roztahují (například část obruby, kde jsou umístěny nálitky) a při dosažení provozní teploty v motoru získá píst tvar válce.
Písty prošly za dobu své existence výraznými konstrukčními změnami. Pokud porovnáte píst moderního automobilového motoru s jeho předchůdcem, všimnete si, že písty se výrazně zkrátily. Většina lemu je odříznuta na každé straně a ponechávají pouze dvě malé části, aby se zabránilo naklánění pístu ve válci. Díky dokonalé konstrukci jsou síly působící na píst vyváženy tak, aby se minimalizovala tendence k otáčení. Vzdálenost ode dna pístu k horní drážce pro pístní kroužek je zmenšena, aby se snížila možnost tvorby karbonových usazenin v této části. Zmenšením velikosti sekcí v konstrukci pístu bylo možné výrazně snížit jeho hmotnost. Pro snížení třecích ztrát a zvýšení životnosti dílů klikového mechanismu je na boční povrch pístu nanesena vrstva antifrikčního materiálu obsahujícího disulfid molybdeničitý nebo grafit.
Dno pístu může být ploché, konvexní, konkávní, má drážky, aby se při plně otevřeném ventilu nedotýkaly pístu. U dieselového motoru může být spalovací komora umístěna v pístu.
Písty motorů s přímým vstřikováním paliva mají speciální tvar nezbytný pro zajištění procesu spalování paliva.
Pístní kroužky jsou vyrobeny ze speciálně upravené litiny. V moderních motorech automobilů se používá několik typů kroužků. Horní kompresní kroužky slouží k zamezení průniku plynů do klikové skříně motoru a spodní stírací kroužky oleje řídí množství oleje na stěnách válců (stěny jsou mazány olejem vycházejícím z klikové skříně ve formě olejové mlhy). Olej je nezbytný, aby se zabránilo opotřebení skupiny válec-píst, ale jeho přebytek je nežádoucí. Proto je nutné dodat více, než je nutné, a přebytek odstranit pomocí kroužku na stírání oleje, který funguje jako škrabka. Jedním ze způsobů, jak učinit písty kompaktnějšími a lehčími, je zužovat a zmenšovat kroužky a kompaktně je umístit do horní části hlavy pístu. Zároveň jsou kladeny zvýšené nároky na materiál, ze kterého jsou vyrobeny, a na přesnost jejich výroby.
Píst spalovacího motoru je válcová část, která se pohybuje uvnitř válce a je zodpovědná za přeměnu energie plynů na energii translačního pohybu.
Standardní píst spalovacího motoru se skládá ze 3 hlavních prvků: dna, těsnění a vodicích částí.
Dno (nebo hlava) slouží k absorbování tepelného zatížení a plynových sil vznikajících v důsledku spalování směsi paliva a vzduchu.
Těsnicí část sestávající z několika pístních kroužků odvádí teplo z pístu do válce a zabraňuje průniku plynu.
Vodicí část (pláště) podporuje polohu pístu a přenáší boční sílu na stěny válce.
Každá z těchto částí bude podrobněji popsána níže.
Dno pístu
Koruna pístu může mít různé tvary v závislosti na typu motoru, charakteristice tvorby směsi a výměny plynů ve válci, umístění vstřikovačů, zapalovacích svíček a ventilů.
Konvexní spodní části mají zvýšenou pevnost, ale pracují v čočkovité spalovací komoře, což zvyšuje přenos tepla a mechanické ztráty.
Konkávní písty se používají u dieselových motorů a benzínových motorů s vysokou kompresí. Vytvářejí kompaktní tvar spalovací komory, ale jsou náchylnější k usazování uhlíku.
Nejjednodušší a nejběžnější jsou písty s plochým dnem. Jsou instalovány v mnoha zážehových motorech, ale i vznětových motorech typu s vířivou komorou a předkomorovou komorou.
Hlavní tepelné zatížení nese koruna pístu, takže tloušťka pístu v této části je větší než v ostatních. Čím silnější je dno, tím větší je hmotnost dílu, ale tím méně se zahřívá.
Standardní tloušťka dna pístu u konvenčních motorů je 7-9 mm, u turbomotorů – 11 mm, u dieselových motorů – 10-16 mm.
Pro zvýšení pevnosti a snížení rizika přehřátí a vyhoření jsou některé typy pístů v oblasti dna a drážky prvního kompresního kroužku tvrdě eloxovány. Během této operace se vrchní tenká vrstva hliníku přemění na keramický povlak o tloušťce 8-12 mikronů.
Těsnící část
Těsnicí část pístu je tvořena pístními kroužky: u moderních motorů se zpravidla používají tři kroužky – jedna škrabka oleje a dva kompresní kroužky.
Kompresní kroužky zabraňují vnikání výfukových plynů ze spalovacího prostoru do klikové skříně motoru. Ve tvaru mohou být lichoběžníkové, kuželovité nebo soudkovité. Některé typy těchto prstenů mají výřez. První svěrný kroužek snáší největší zatížení, proto je pro zvýšení životnosti tohoto dílu jeho drážka vyztužena ocelovou vložkou.
Kroužky na stírání oleje jsou navrženy tak, aby odstranily přebytečný olej a zabránily jeho vniknutí do spalovací komory. K těmto účelům slouží průchozí otvory umístěné po obvodu prstence. Přes ně se olej odstraněný ze stěn válců dostává do pístu a poté končí v olejové vaně motoru.
Některé typy stíracích kroužků oleje jsou vybaveny roztahovačem pružin.
Průměr těsnící části pístu je menší než vedení. To je způsobeno zvýšeným zahříváním části v oblasti kroužků. Plamenný pás má ještě menší průměr, což pomáhá předcházet rýhování a zaseknutí kroužků v drážkách po tepelné roztažnosti pístu.
Pro těsnění pístu je nejdůležitější materiál a kvalita kroužků. Litinové stírací kroužky na olej jsou mnohem spolehlivější a snadněji se instalují než kompozitní. Při přehřátí se jejich elasticita nesnižuje, takže problémy jako rozlití oleje, únik plynu do klikové skříně apod. nevznikají.
Vodicí část
Vodící (kmenová) část pístu se nazývá plášť. Na vnitřní straně má výstupky (očka), ve kterých je umístěn otvor pro pístní čep. K upevnění prstu jsou speciální drážky.
Spodní okraj obruby je opatřen přírubou pro následné mechanické opracování a dosednutí pístu. Pokud je píst příliš těžký, je příruba vyvrtána zevnitř. V místech otvorů pro pístní čep jsou na vnější části obruby vyříznuta speciální vybrání. Tyto zóny neinteragují se stěnami láhve a tvoří takzvané „chladničky“.
Aby se píst mohl volně pohybovat ve válci, je mezi pláštěm a stěnami objímky vytvořena mezera, jejíž velikost závisí na lineární roztažnosti kovu dvojice píst-válec při normálním provozu spalovacího motoru.
Přehřátí může způsobit nadměrnou expanzi pístu, poškrábání a zadření. Nedoporučuje se však řešit problém nastavením velké mezery – to nejen snižuje těsnící vlastnosti pístu, ale také hrozí selhání motoru.
Povrchy lemu absorbují boční tlakové síly a dochází ke zvýšenému tření a zahřívání během pohybu pístu. To je důvod, proč mnoho výrobců automobilů aplikuje anti-frikční povlak (AFP) na pláště pístů ve fázi výroby pístu, který nejen chrání díly před zvýšeným opotřebením, ale také usnadňuje záběh nového motoru.
Existují AFP látky, které lze aplikovat nejen v továrních podmínkách, ale také v běžných dílnách, garážích a dalších prostorách, které nejsou vybaveny speciálními zařízeními.
Jedním z takových materiálů je antifrikční tuhý mazací povlak MODENGY pro díly spalovacích motorů.
Aerosolové balení činí proces aplikace této kompozice jednoduchým a pohodlným. Polymerace AFP je možná jak při pokojové teplotě, tak při zahřátí.
Zkušenosti s povlakem ukázaly, že účinně snižuje tření, zabraňuje trhanému pohybu a odírání a udržuje výkon motoru i v podmínkách nedostatku oleje.
Materiál je odolný vůči dlouhodobému působení motorového oleje a při správné předběžné přípravě povrchů neztrácí své vlastnosti po dlouhou dobu.
Díly MODENGY For ICE jsou k dispozici v sadě se speciálním čističem-aktivátorem MODENGY, který nejen čistí a odmašťuje, ale také zaručuje vynikající přilnavost nátěru.
Příčiny opotřebení pístu
Píst, jako každý jiný pracovní prvek motoru, podléhá mechanickému poškození a opotřebení.
Každodenní používání vozidla přispívá k vyčerpání dílů, jak naznačuje:
- Zvýšená spotřeba oleje
- Modrý kouř z výfukového potrubí
- Uhlíkové usazeniny na zapalovacích svíčkách
- Nestabilní chod spalovacího motoru při volnoběžných otáčkách (vibrace řadicí páky)
- Zvýšená spotřeba paliva 2 nebo vícekrát
- Snížený výkon motoru atd.
To vše naznačuje nesprávnou činnost motoru, zejména skupiny pístů. Dále si všimneme, které problémy jsou pro ni nejpalčivější.
Drhnutí a karbonové usazeniny na dně pístu
Objevují se v důsledku přehřátí pístu v důsledku poruchy spalovacího procesu, deformace a/nebo ucpání olejové trysky, nedodržení doporučené velikosti dílu, porucha chladicího systému nebo zmenšení mezery v horní část pracovní plochy.
Stopy po nárazu na koruně pístu
Označuje příliš velký výstupek pístu, nesprávné usazení ventilu, příliš malou vůli v pohonu ventilu, usazeniny oleje na koruně pístu, nevhodné těsnění hlavy válců a nesprávně nastavené časování ventilů.
Depozice a tavení kovů na površích
Označuje nerovnoměrné vstřikování paliva, pozdní zážeh, nedostatečné stlačení směsi, nesprávný čas a množství začátku vstřiku a vadné vstřikovací trysky.
Praskliny na koruně pístu a v dutině spalovací komory
Hovoří o nedostatečné kompresi ve válcích, špatném chlazení pístů, nesprávném vstřikování směsi. Trhliny se mohou objevit, když jsou písty instalovány v dutině spalovací komory, která není tvarována tak, aby se na ně vešla.
Poškození pístních kroužků
Vznikají v důsledku nesprávné montáže pístů, přebytku paliva ve spalovací komoře, vibrací samotných pístních kroužků a silného axiálního opotřebení prstencové drážky.
Opotřebení radiálního pístu
Je pozorováno kvůli nadměrnému množství paliva ve spalovací komoře. Tento problém je důsledkem poruch v procesu přípravy směsi, narušení spalovacího procesu a nedostatečného kompresního tlaku. K axiálnímu opotřebení dochází v důsledku znečištění pístu při záběhu spalovacího motoru.
Opotřebení pístové sukně
K poškození sukně může dojít z několika důvodů. Asymetrická kontaktní plocha na straně kufru je obvykle způsobena zkroucením a/nebo deformací ojnice, nesprávně vyvrtanými otvory ve válci, velkou vůlí ložisek ojnice a šikmými otvory v hlavách ojnic.
Odírání vzniká v důsledku příliš těsného uložení pístů, chyb při montáži ojnice lisováním za tepla a nedostatečného mazání při prvním nastartování motoru.
Třecí plochy plášťů pístů se také opotřebovávají v důsledku vniknutí paliva do oleje, vadného spouštěcího zařízení studeného motoru, nedostatečné komprese, vynechávání zapalování a provozu spalovacího motoru na příliš obohacenou směs vzduchu a paliva.
Kavitace rukávů
Kavitace je hlavní příčinou selhání vložky. Tento jev je způsoben nedostatečným chlazením, příliš nízkými nebo vysokými teplotami, použitím nevhodné chladicí kapaliny, nesprávným a/nebo nepřesným uložením vložek válců a použitím nevhodných O-kroužků.
Usazeniny oleje na dně válce
Takové usazeniny vznikají v důsledku nadměrného obsahu oleje ve spalovací komoře. To je zase způsobeno špatnou funkcí dílů, průnikem plynu s průnikem oleje do sacího traktu a nedostatečným oddělením olejové mlhy od plynů klikové skříně.