Stempel - hoveddelen af pumper , kompressorer og frem- og tilbagegående forbrændingsmotorer , som tjener til at omdanne energien af komprimeret gas til energien af translationel bevægelse (i kompressorer - omvendt). Til yderligere omdannelse af energi til moment anvendes resten af KShM delene - plejlstænger og en krumtapaksel. Den første frem- og tilbagegående forbrændingsmotor blev skabt af den franske ingeniør Lenoir i 1861 [1] , før det blev stempler brugt i dampmaskiner og pumper.
Stemplet på en stammemotor eller kompressor har tre dele, der udfører deres funktioner [2] :
Stempelhovedet kaldes bunden sammen med tætningsdelen. For at overføre kraft fra stemplet kan der bruges en stang i krydshovedmotorer eller en plejlstang forbundet til stemplet ved hjælp af en stempelstift [3] . Andre tilslutningsmuligheder ( SPGG , skiver ) bruges sjældent. Ud over stammen eller krydshovedet kan stilken også opfatte sidekræfter.
Crosshead- motorer kan bruge dobbelte stempler. Et sådant stempel har to bunde, og dets termiske regime er mere intenst [4] . Men i tilfælde af at bruge understempelrummet som en skyllepumpe , øges den termiske spænding ikke. Termisk stress øges i 2-taktsmotorer, især når et stempel bruges som udstødningsspole [5] .
Stempelstift , hvis tilgængelig (stammestempler), altid stål , begrænset i bevægelse i fremspringene ved at holde ringe eller plastikstop (Mercedes), eller dens position bestemmes ved at trykke ind i plejlstangen (tidlige VAZ-modeller). Oftest anvendes en hul flydestift med holderinge, hvis udvendige diameter er cementeret eller forkromet [6] .
Dens form afhænger af typen af motor, blandingsdannelse, placering af tændrør , injektorer , ventiler , metode til at organisere gasudveksling i cylinderen [7] . Den konkave stempelkrone skaber en kompakt forbrændingskammerform (diesel, benzin med højt kompressionsforhold og god brændstofeffektivitet), men der er en tendens til at danne aflejringer. Med en konveks bund øges stemplets styrke, men forbrændingskammeret får en linseformet form, hvilket øger varmeoverførslen. Men i spark ICEs kan en stigning i varmeoverførslen gøre det muligt at øge det tilladte kompressionsforhold [8] , hvilket delvist kompenserer for tabene. Flad bund - mellemform og den nemmeste at fremstille - er populær i benzin-ICE'er og hvirvel-/forkammerdiesel. I forældede totakts forbrændingsmotorer havde bunden en fremspringsdeflektor til at afbøje den brændbare blanding under udrensning og reducere dens emission [9] . I dieselmotorer med volumetrisk blandingsdannelse sikrer bundens form tilførsel af brændstof til luftvolumenet, med film - det meste af brændstoffet tilføres stempelvæggen (spredningen af Common rail- indsprøjtningssystemet i de senere år er løst striden om blandingsdannelse i dieselmotorer til biler til fordel for volumetrisk ).
Varmezonen er afstanden fra rillen i den øvre ring til bunden af stemplet. Med en stigning i dens højde lettes arbejdet med den øvre ring, men stemplets masse øges, og kulbrinteemissionerne stiger [10] . Reduktion af højden af landområdet under det tilladte niveau resulterer i udbrænding af stemplet og/eller ødelæggelse af det øvre ringområde. Dieselstempler med samme diametre har et højt landareal, er tungere og stærkere end benzinstempler på grund af høje kompressions- og forbrændingstryk og varmeoverførsel fra bunden.
Tætningsdelen af stemplet er afgørende for driften af stempelforbrændingsmotorer, deres tilstand bestemmes af kompression og olieudbrænding, afhængigt af stempelgruppens tilstand. I bilforbrændingsmotorer bør oliespild ikke overstige 1-3 % af brændstofforbruget. I moderne benzinmotorer er denne procentdel endnu mindre, i forældede dieselmodeller er den 5 % eller mere [11] . Spredningen af kompressionsværdien i cylindrene bør normalt ikke overstige 0,5 kgf / cm 2 for benzinforbrændingsmotorer og 1 kgf / cm 2 for dieselmotorer. Hvis olieudbrændingen overskrides, overskrider motoren grænserne for tilladte emissioner, stearinlysfejl, indsprøjtningsudbrænding og ringklæbning observeres, og derfor skal den tages ud af drift [12] .
Stemplet har kompressions- og olieskraberinge installeret i rillerne. Det typiske antal ringe på bilmotorer er 3; tidligere blev der brugt design med 4-6 ringe [13] . På lavhastighedsmotorer er der flere ringe for at reducere passagen af olie og gasser, forbedre stempelkølingen. Reduktion af antallet og højden af ringene reducerer friktionstab, og bevarelsen af tætningen opnås ved deres pålidelige pasform og slidstyrke. Olieskraberens riller har radiale huller til at returnere olien til bundkarret. Efterhånden som ringene slides, øges mellemrummet ved deres samlinger og riller, og olieudbrændingen øges. I siluminstempler kan en indsats af varmebestandigt støbejern (ni-resist) hældes under den øverste ring, hvilket øger rillens og ringens levetid. En sådan indsats er også termisk kompenserende, hvilket reducerer termisk udvidelse [14] (se øverste billede).
Diameteren af tætningsdelen er mindre end i området af skørtet, da opvarmningen af denne del af stemplet er højere. For at undgå skrammer med efterfølgende fastklemning af ringene i deres riller, har landdækket en endnu mindre diameter. Tætningsdelen har en rund diameter i tværsnit og ikke oval, som et skørt. Den varme zone har ofte lavvandede riller, der øger varmeoverførslen til stemplet op til ringen. Således kan bæltets højde reduceres [15] .
Ringenes kvalitet er af afgørende betydning for tætningen af stemplet: god pasform til spejlet uden huller [16] , renhed af bearbejdningen i yderdiameter og højde, spalte i låsen og belægning af ringene med slid- resistente materialer [17] . Olieskraberinge i støbejern er mere pålidelige end sammensatte, fordi sandsynligheden for fejl under installationen er mindre [18] . I bilforbrændingsmotorer fjernes op til 80 % af varmen fra stemplet gennem ringene [19] , derfor, hvis ringene ikke passer godt, fjernes varmen gennem stempelskørtet, og når dets temperatur stiger, opstår der slid. uundgåelige. På grund af dette er motoreffekten begrænset under motorens indbrud. Ikke-lappede ringe overophedes sig selv og "sætter sig derfor ned" - deres elasticitet falder, efterfulgt af en hurtig stigning i passagen af gasser ind i krumtaphuset, olieudløsning osv. Ved overophedning kan samlinger lukke, hvilket fører til brud på ringene, og jævn brud på stemplet langs rilleringene [20] . Varmeoverførslen fra stemplet når den beregnede værdi, når sporene af honen i cylinderen slettes, og ringene gnides.
I bagagerumsmotorer er skørtet (trunken) den styrende del af stemplet. Skørtets nasser overfører store belastninger fra gas- og inertikræfter, derfor er de forbundet med støbte ribber til stempelhovedet (i stemplede stempler, i stedet for ribber, der ikke kan opnås ved stempling, er der en massiv forbindelse til bunden). I området for knasterne dannes rektangulære fordybninger ved støbning eller fræsning udefra, betinget kaldet "køleskabe". Faktisk reducerer disse såkaldte "kølere" vægten ved at forkorte stempelstiften og overføre gaskræfter tættere på plejlstangens akse, hvilket aflaster stempelkronen. For at reducere det termiske mellemrum uden risiko for ridser er stempelskørtet i et plan vinkelret på symmetriaksen lavet ovalt (gabet i plejlstangens vippeplan er minimal, og langs stempelstiftens akse er det 0,5-1,5 mm større), og i planet, der passerer gennem aksesymmetrien - tøndeformet. Normalt er ringene placeret i stempelhovedet, men den sidste olieskraberring kan være placeret under stiftens akse, i skørtet [21] . Afhængig af metoden til fastgørelse af stempelstiften kan der laves riller til holderinge på stemplet.
De fleste stempler har en stempelstift forskudt for at udligne sideskørttrykket ved kompression og slag (når trykket er højere) af stemplet. Derfor er stemplet ikke monteret vilkårligt, men efter mærket (normalt en inskription på køleskabet eller en pil i bunden mod den frie ende af krumtapakslen) [22] [23] .
Krav til stempelmateriale:
Der er ikke noget materiale, der er optimalt til alle disse krav. Til fremstilling af automotive stempler anvendes i øjeblikket gråt støbejern og aluminiumslegeringer af Al-Si-typen. I kraftige dieselmotorer med en lang ressource, multibrændstof (inklusive dem, der kører på vegetabilske olier), bruges sammensatte stempler - bunden og tætningsdelen er lavet af varmebestandigt stål, bagagerummet er lavet af støbejern eller silumin. Der er automobilstempler belagt med keramik, stempler lavet af varmebestandige legeringer ( Stirling-motorer ), eksperimenter er lavet med plaststempler belagt med keramik osv.
Langt de fleste moderne automobilmotorer har silumin [24] stempler med et siliciumindhold på 13% eller mere, det vil sige hypereutektoide legeringer såsom AK-4, AK-18, AK-6 [25] . Tidligere anvendte legeringer AL1, AK2, med et lavere siliciumindhold. Forfalskede stempler blev ofte lavet af almindeligt aluminium [26] Ressourcen af stempler med utilstrækkelig mængde af silicium er kraftigt reduceret, og på grund af den øgede termiske udvidelseskoefficient opstår der slid selv under indbrud. Jo højere siliciumindhold, jo længere er stempelressourcen , men duktiliteten af legeringen er mindre [27] . Siluminstempler er normalt elektrolytisk belagt med tin for at lette indkøring [28] . Stemplet kan fås ved støbning eller stempling, begge muligheder har deres fordele og ulemper.
Støbte stempler er ofte lavet af hypoeutektoide legeringer, som forenkler støbningen, og den termiske udvidelse af skørtet begrænses i dette tilfælde af en indsats. Ved stempling af et stempel er det ikke muligt at indsætte termiske brud, derfor kan deres termiske udvidelse kun begrænses af et tilstrækkeligt siliciumindhold. Derfor bør smedede (nogle gange omtalt som smedede) stempler fremstillet af en hypereutektoid legering med højt silicium være mere slidstærke end støbte.
Fordele ved siluminMellemrummene mellem cylindervæggene og siluminstemplerne, der er uacceptable for normal motordrift, elimineres ved designforanstaltninger:
De bruges normalt i dieselmotorer af mellem eller stor størrelse, samt i alle dieselmotorer, der kører på vegetabilske olier som brændstof. Skørtet er normalt lavet af gråt støbejern eller aluminiumslegering. Fordelene er et fald i varmeoverførsel til stemplet, det vil sige en stigning i indikatoreffektiviteten, maksimal ressource, muligheden for at bruge forskellige brændstoffer [32] . Ulemper - højere pris, vægt, anvendelse kun i dieselcyklussen, dyrere stempelringe, der er modstandsdygtige over for særligt høje temperaturer, store aksiale dimensioner af stemplet, behovet for at øge kontravægte, forlængelse af muffen med en stigning i motordimensioner og vægt [ 33] . I store motorer, såsom diesellokomotiver og hovedskibsmotorer, der arbejder med fuld kraft med højt ladetryk på en totaktscyklus, er det umuligt at opnå den ønskede ressource (30.000 timer eller mere) med rene støbejerns- eller siluminstempler. Hovedet lavet af varmebestandigt stål (type 20Kh3MVF eller lignende) [34] sørger for levetiden af ringene og deres riller, mens føringen skal være lavet af antifriktionsmateriale - støbejern eller silumin [35] . Disse dele er boltet sammen, opgaven med at forbinde stemplet lettes af det faktum, at gaskræfterne for mellem- og lavhastighedsdieselmotorer er mange gange større end de inertielle, og derfor kan tværsnittet af sådanne bolte ikke være meget stor (hovedkraften er kompression, ikke brud). Dieselmotorer af lille størrelse med et sammensat stempel forbinder ofte en aluminiumsføring og en tætningsstålstempeldel gennem en stempelstift.
De to hovedproblemer, der løses i frem- og tilbagegående forbrændingsmotorer, er slid og udbrænding af stemplet. Slidfænomener kommer til udtryk som en forøgelse af afstanden mellem skørtet og cylinderen, slid på den øvre stempelrille, slid på skørtet [36] . Udseendet af revner og ødelæggelsen af skillevægge mellem ringene, som også observeres, har normalt de samme årsager som ved udbrændthed.
For at eliminere den første, tvungne (normalt olie) afkøling af stemplet er organiseret [37] , hårdhed øges ved at øge andelen af silicium, pålidelige luftrensere bruges til at reducere slibende slid [38] , motorcyklusparametre ændres for at reducere temperaturen på stemplet i midten og området af den øvre ring (forøg for eksempel overskydende luftforhold eller øg ventiloverlapningen i superladede dieselmotorer), brug indsatser til den øvre ring, højkvalitets stempelringe til en god pasform umiddelbart efter indkøring, fremskynd fabriksindbrud ved brug af specielle olier [39] , forbedre kvaliteten af motorolier for at eliminere ringkoksdannelse og pålidelig rekylvarme fra bunden [40] , nogle gange bruges stempelbelægninger eller kompositmaterialer. I japansk praksis var der muligheder for keramisk belagte plaststempler. For at forlænge levetiden anvendes en antifriktionsbelægning på styret og endda på stemplets varme overflade [41] . Accelereret eller nødslid af forfalskede stempler er forårsaget af en overtrædelse af dimensionerne og / eller kvaliteten af smedningen / støbningen, dets materiale. Plejlstangen døde, skævheden af muffen eller dens sæde fører til hurtig stempelafslidning [42] . I to-takts forbrændingsmotorer kan årsagen til jamming være mangel på olie i brændstoffet.
Stempeludbrænding kan være forårsaget af strukturelle eller driftsmæssige årsager. I det første tilfælde overskrides den beregnede tilladte bundtemperatur [43] , og alle motorer af denne model vil hurtigt svigte (en anden årsag er mulig - forfalskede stempler [44] : de kan ikke modstå belastningerne). For at eliminere risikoen for udbrænding i disse tilfælde anvendes en reduktion i mekanisk belastning og stempeltemperatur [45] (øget finning, køling, reduceret varmeoverførsel til stemplet ved at ændre cyklusparametrene) [46] . For at reducere forbrændingstemperaturen kan selv tilførsel af vand til cylinderen anvendes [47] .
De operationelle årsager til udbrændthed kan være: krænkelse af indsprøjtnings-/tændingsfremføringsvinklen [48] , svigt (blokering) af dysen, detonation (benzin) [49] , overdreven forcering, generel overophedning på grund af termostatfejl, tab af frostvæske, fastklemte ventiler, benzin med lavt oktantal [50] , der forårsager detonation , langvarig glødantændelse. Dette fører til en stigning i bundens temperatur og dens mulige udbrænding. Under detonationsforbrænding kan der desuden forekomme afslag af overfladen, hvilket fører til dens videre udvikling, udbrænding af stemplet eller brud på skillevæggene mellem ringene, brud på ringene. Derfor er det nødvendigt at følge instruktionerne - brug det rigtige brændstof, indstil tændings-/indsprøjtningstidspunktet korrekt, stop straks driften af en defekt dieselmotor med en bankende dyse eller en overophedet motor. Dyser af høj kvalitet og andre måleelementer i brændstofudstyr forlænger stemplernes levetid.