Стальной поршень против алюминиевого. Кто победит?

Поршень - наиболее ответственная и специфичная деталь в современном двигателе. Он должен быть легким и прочным, способным выдерживать значительные механические и тепловые нагрузки, а кроме того, обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей, низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре.

Удельная мощность современных дизельных двигателей составляет 100 кВт / л. и будет продолжать возрастать, а значит будет расти и максимальное давление в цилиндрах, что также увеличивает нагрузку на поршни.

Поршни работают в «адских» условиях, поскольку во время работы подвергаются высоким термическим и механическим нагрузкам. Обычно срок службы поршня дизеля определяется краем камеры сгорания, на который приходится особенно высокое пиковое давление и температура. В зависимости от материала эта область может разогреваться до температуры от 400 °C до 500 °C.

Алюминий хорошо обрабатывается, замечательно отводит тепло, но имеет ограничения по теплостойкости. Уже при температуре 300 °C его свойства значительно ухудшаются.

Алюминиевые поршни обычно изготавливается из силуминовых сплавов. Для снижения их температуры тепло, возникающее при сгорании топлива, достаточно быстро распределяется и рассеивается в основном через охлаждающее масло и охлаждающую жидкость. Форма и расположение охлаждающего канала, его уровень заполнения и расход масла являются решающими параметрами для оптимального охлаждения.

Благодаря новым каналам охлаждения температура поршня может быть снижена примерно на 35 °C. Другие меры, как, например, армирование волокнами алюминиевого поршня, повышают его прочность при хорошей теплопроводности без снижения прочности. Но имеется предел, который сложно преодолеть.

Поскольку стальной поршень значительно прочнее, чем в алюминиевый, то и расстояние между кольцами, а также общая высота уплотняющей части у него меньше. А поскольку стальные поршни имеют меньшую высоту, то и вес двигателя может быть уменьшен на десятки килограммов.

Первоначально стальные поршни были разработаны для того, чтобы можно было поднять предельное пиковое давление в цилиндрах выше 200 бар для высоконагруженных дизельных двигателей без ущерба для ресурса поршневой группы. У современных коммерческих автомобилей пиковое давление в цилиндрах двигателя достигает 240 бар и тенденция к его повышению сохраняется

Повышенная прочность материала позволяет у стальных поршней иметь значительно меньшую высоту уплотняющей части и поршня в целом [CH]

Испытания на стенде для определения силы трения показали, что стальной поршень может обеспечить экономию топлива от трех до пяти процентов и сокращение выбросов CO₂ на три процента. Кроме того, стальные поршни имеют тенденцию расширяться и сжиматься при нагреве со скоростью, очень близкой к скорости чугунного блока, в котором они работают, поэтому характеристики кольцевого уплотнения и выбросов также улучшаются.

Благодаря прочности стали поршень может обеспечить более высокую выходную мощность при повышенных пиковых давлениях в цилиндрах, а выбросы могут быть уменьшены. Все эти преимущества реализованы для двигателей с малой и средней удельной мощностью.

Ситуация несколько иная для двигателей с большей удельной мощностью. В этих случаях стальные поршни не являются идеальным решением.

У сталей тоже есть температурный предел, хотя он значительно выше, чем у алюминия. Сталь образует заметный слой окалины при температуре выше 550 °C, который в целом ослабляет материал - трещины в слое могут привести к трещинам в основе. Также возможно даже разрушение материала.

Кроме того, более низкая теплопроводность стали может привести к проблемам с охлаждением поршня. В отличие от алюминия, у стального поршня тепло хуже отводится от днища. Это может привести к высокой температуре поверхности в охлаждающем канале. Если эти температуры превышают пороговое значение около 350 °C, охлаждающее масло будет быстро стареть и сгорать, в результате чего образуется изолирующий масляный нагар.

Частично проблемы по улучшению охлаждения можно решить изменением формы камеры сгорания в поршне либо применив две форсунки для охлаждающего масла.

Но все-таки для высоких удельных мощностей необходимо будет найти совершенно новые решения, которые не допустят крекинга смазывающих жидкостей.