Введение
Поршень из высокосилицистого сплава – это поршень двигателя внутреннего сгорания, отлитый из гиперевтектического алюминиевого сплава с содержанием кремния, превышающим эвтектическую точку в 12 мас.%. Большинство алюминиево-кремниевых сплавов являются гипоэвтектическими (содержание кремния ниже эвтектической точки) и содержат относительно мелкие кристаллы элементарного кремния, образующиеся в результате эвтектической реакции при затвердевании. Помимо мелких кристаллов кремния, гиперевтектические сплавы также содержат крупные первичные кристаллы кремния, которые формируются до эвтектической реакции, что приводит к значительно более высокой фазовой доле кремния. Следовательно, гиперевтектический алюминий обладает более низким коэффициентом теплового расширения, что позволяет конструкторам двигателей задавать более жесткие зазоры. Содержание кремния в этих сплавах обычно составляет 16–19 мас.%, а при превышении этого значения механические свойства и литейные характеристики существенно ухудшаются. Для получения равномерно распределенных частиц первичного кремния по всему объему материала поршня необходимы специальные формы для литья, технологии литья и охлаждения.
A hypereutectic piston is an internal combustion engine piston cast using a hypereutectic aluminum alloy with silicon content greater than the eutectic point of 12 weight percent silicon. Most aluminum silicon casting alloys are hypoeutectic (Si content lower than the eutectic point) and contain relatively fine elemental silicon crystals formed through the eutectic reaction during solidification. In addition to fine silicon crystals, hypereutectic alloys also contain large primary silicon crystals that form before the eutectic reaction, and as a result contain a much higher phase fraction of silicon. Consequently hypereutectic aluminum has a lower coefficient of thermal expansion, which allows engine designers to specify much tighter clearances. The silicon content of these alloys is typically 16 19 weight percent, and above this content the mechanical properties and castability degrade substantially. Special moulds, casting, and cooling techniques are required to obtain uniformly dispersed primary silicon particles throughout the piston material.
Преимущества
В большинстве автомобильных двигателей используются алюминиевые поршни, которые двигаются в железном цилиндре. Средняя температура головки поршня в бензиновом двигателе во время нормальной работы обычно составляет около , а охлаждающая жидкость, циркулирующая в блоке двигателя, обычно регулируется примерно на . Алюминий расширяется больше, чем железо в этом температурном диапазоне, поэтому для обеспечения правильной посадки поршня в цилиндре при нормальной рабочей температуре, поршень должен иметь небольшой зазор в холодном состоянии. В 1970 году, в связи с растущей обеспокоенностью загрязнением выхлопных газов, правительство США создало Агентство по охране окружающей среды (EPA), которое начало разрабатывать и обеспечивать соблюдение правил, требующих от автопроизводителей внесения изменений, направленных на снижение выбросов. К концу 1980-х годов загрязнение выхлопными газами автомобилей заметно уменьшилось, но более строгие нормы заставили производителей автомобилей перейти на использование электронно-управляемого впрыска топлива и гиперевтектических поршней. Было обнаружено, что при холодном пуске двигателя небольшое количество топлива задерживается между поршневыми кольцами. По мере прогрева двигателя поршень расширяется и вытесняет это топливо, что увеличивает количество несгоревших углеводородов в выхлопных газах. Добавление кремния в сплав поршня значительно снижает его расширение. Это позволило инженерам уменьшить зазор между поршнем и стенкой цилиндра. Кремний расширяется меньше, чем алюминий. Другим преимуществом добавления кремния является повышение твердости поршня и его устойчивости к задирам, которые могут возникать при работе мягкого алюминиевого поршня на холостых оборотах в относительно сухом цилиндре при запуске или при аномально высоких рабочих температурах. Основным недостатком добавления кремния в поршни является увеличение их хрупкости с ростом соотношения кремния к алюминию. Это делает поршень более подверженным растрескиванию при предзажигании или детонации в двигателе.
Заместительные сплавы с высокой производительностью
Когда автолюбители хотят увеличить мощность двигателя, они могут использовать один из видов наддува. Сжимая больше воздуха и топлива в каждом цикле впуска, можно значительно повысить мощность двигателя. Это также увеличивает температуру и давление в цилиндре. Нормальная температура выхлопных газов бензинового двигателя составляет примерно температуру плавления большинства алюминиевых сплавов, и только постоянный приток окружающего воздуха предотвращает деформацию и разрушение поршня. Наддув повышает рабочую температуру при увеличении давления, и если избыточное тепло поступает быстрее, чем двигатель может его отвести, повышенная температура в цилиндрах приведет к самовоспламенению топливно-воздушной смеси на такте сжатия до момента зажигания от свечи. Это один из видов детонации, вызывающий резкую ударную волну и скачок давления, что может привести к разрушению поршня из-за усталости поверхности, вызванной ударными нагрузками, которая разрушает поверхность поршня. Сплав поршня "4032" содержит примерно 11% кремния. Это означает, что он расширяется меньше, чем поршень без кремния, но поскольку кремний полностью легирован на молекулярном уровне (является эвтектическим), сплав менее хрупок и более гибкий, чем стандартный гиперевтектический поршень, используемый в двигателях с низкой степенью сжатия ("смог"). Эти поршни могут выдерживать легкую детонацию с меньшими повреждениями, чем стандартные поршни. Сплавы 4032 и гиперевтектические сплавы имеют низкий коэффициент теплового расширения, что позволяет обеспечить более плотную посадку поршня в цилиндр при температуре сборки. Сплав поршня "2618" содержит менее 2% кремния и может быть описан как гипоэвтектический. Этот сплав способен выдерживать наибольшую детонацию и нагрузки, получая при этом наименьшие повреждения. Поршни из этого сплава обычно делают более толстыми и тяжелыми из-за их широкого применения в коммерческих дизельных двигателях. Как из-за более высоких, чем обычно, температур, которым подвергаются эти поршни при их обычном использовании, так и из-за более высокого коэффициента теплового расширения, вызванного низким содержанием кремния и, как следствие, большим тепловым расширением, эти поршни требуют большего зазора между поршнем и цилиндром при температуре сборки. Это приводит к явлению, известному как "стук поршня", когда поршень качается в цилиндре, вызывая слышимый стук, который продолжается до тех пор, пока двигатель не прогреется до рабочей температуры, расширяя поршень и уменьшая зазор между поршнем и стенкой цилиндра.
Кованые или отливные
Когда отливают поршень, сплав нагревают до жидкого состояния, а затем заливают в форму для создания заготовки. После того как сплав остывает и затвердевает, его извлекают из формы, а грубая отливка обрабатывается до окончательных размеров. Для применений, требующих более прочных поршней, используется процесс ковки. При ковке заготовка помещается в штамп, пока она еще горячая и полутвердая. Гидравлический пресс создает огромное давление на заготовку. Это устраняет возможную пористость и сжимает зерна сплава плотнее, чем это возможно при простом литье. В результате получается значительно более прочный материал. Кованые поршни, изготовленные из наиболее распространенных сплавов 4032 и 2618, обычно используются в тюнинге. По сравнению с коваными поршнями из сплавов 4032 и 2618, гиперевтектические поршни обладают меньшей прочностью. Поэтому для высокопроизводительных двигателей с наддувом, закисью азота и/или высокими оборотами предпочтительны кованые поршни (изготовленные из любого из этих сплавов). Однако гиперевтектические поршни имеют меньшее тепловое расширение, чем кованые. Благодаря этому гиперевтектические поршни могут иметь меньший зазор между поршнем и цилиндром, чем кованые. Это делает гиперевтектические поршни лучшим выбором для серийных двигателей, где долговечность важнее максимальной производительности. Некоторые автомобили с завода комплектуются коваными поршнями. Dodge Viper использовал кованые поршни с 1992 по 1999 год выпуска, затем перешел на гиперевтектические. В последнем поколении Viper (2013–2017) вновь использовались кованые поршни. Все Honda S2000 оснащаются коваными поршнями.