Determinarea experimentală a pistonului
2.1 Funcţiile pistonului
Pistonul este reperul mecanismului motor, care îndeplineşte urmãtoarele funcţii:
- transmite bielei,prin intermediul bolţului, forţa de presiune a gazelor;
- transmite cilindrului reacţiunea normalã, produsã de bielã;
- etanşeazã, împreunã cu segmenţii, camera de ardere;
- evacueazã o parte din cãldura degajatã în procesul de ardere;
- contribuie la dirijarea gazelor în cilindru;
- are rolul de a asigura distribuţia amestecului gazos, în cazul motorului în doi timpi;
- în cazul motorului cu aprindere prin compresie, poate influenţa favorabil randamentul arderii prin participarea sa la procesul de formare a amestecului;
- conţine, parţial sau integral, camera de ardere;
- împreunã cu segmenţii şi peretele cilindrului controleazã grosimea filmului de ulei şi deci consumul de ulei.
2.2 Dimensiunile principale ale pistonului
 Fig.2.1. Pãrţile componente ale pistonului: camera de ardere (1); capul (2); bosajele pentru bolţ (3); fusta (4); inserţiile din oţel sau fontã (5); bolţul (6); siguranţele bolţului (7); segmenţii (8). |
 Fig.2.2. Elementele dimensionale ale mecanismului motor |
Din punct de vedere constructiv, ansamblul piston, are urmtãtoarele elemente funcţionale (fig.2.1)
Pistonul, segmenţii, bolţul, biela, cilindrul şi arborele cotit formeazã mecanismul motor(fig.2.2.)
Principalele repere dimensionale ale acestui ansamblu sunt prezentate în figura 8.2. unde:
Principalele repere dimensionale ale acestui ansamblu sunt prezentate în figura 8.2. unde:
D- diametrul cilindrului;
Hk - distanţa de la axa bolţului la partea superioarã a capului pistonului;
L - lungimea bielei;
R - raza manivelei;
S - cursa pistonului (S=2R);
Hz - distanţa de la axa arborelui cotit la suprafaţa frontalã a blocului cilindrilor;
H - înãlţimea pistonului;
Hko -înãlţimea de compresie;
Hs - înãlţimea fustei pistonului;
Hso - distanţa de la axa bolţului la marginea inferioarã a canalului segmentului de ungere;
Hsu - distanţa de la marginea inferioarã a fustei pistonului la axa bolţului;
DB - diametrul exterior al bolţului;
A - distanţa dintre bosajele alezajelor pentru bolţ;
B - lãţimea piciorului bielui;
SB - distanţa de la fundul pistonului la muchia superioarã a canalului segmentului de foc;
RG - raza exterioarã a contragreutãţii;
AZ -distanţa dintre axele cilindrilor.
 a) b) Fig.2.3. Elementele dimensionale ale capului pistonului: piston pentru motor cu aprindere prin scânteie; piston pentru motor cu aprindere prin compresie |
Parametrii dimensionali ai capului pistonului depind (fig.8.3.) de caracteristicile constructiv-funcţionale ale motorului, pe care urmeazã sã-l echipeze.
HRB - distanţa de la generatoarea alezajului pentru bolţ la marginea inferioarã a canalului segmentului de ungere;
HRF - înãlţimea zonei "port-segmenţi";
HFS - înãlţimea de protecţie a segmentului de foc;
HN - distanţa de la generatoarea alezajului pentru bolţ la fundul pistonului;
SB - grosimea capului pistonului;
HM - înãlţimea camerei de ardere din capul pistonului.
Pentru dimensionarea pistonului se pot folosi informaţiile rezultate în urma prelucrãrilor statistice (tabelul 8.1).
Modul în care se repartizeazã masa pe diferitele elemente componente ale pistonului este prezentat în tabelul 8.2. şi figura 8.4.
O evaluare a masei, în funcţie de diametrul pistonului se poate realiza pornind de la diagramele din figura 8.4.
Tabelul 2.1.
| Caracteristica dimensionalã a | Motor cu aprindere prin | Motor cu aprindere prin compresie | |
| pistonului | scânteie | injecţie directã | injecţie indirectã |
| HK/D DB/D A/D HKO/D HS/D H/D HFS/D SB/D | 0,350…0,450 0,235…0,270 0,270…0,340 0,200…0,285 0,430…0,520 0,640…0,800 0,060…0,120 0,080…0,100 | 0,49…0,53 0,29…0,35 0,26…0,37 0,30…0,34 0,52…0,57 0,82…0,90 0,10…0,18 0,15…0,20 | 0,63…0,75 0,35…0,40 0,33…0,37 0,34…0,37 0,63…0,81 0,98…1,16 0,15…0,22 0,14…0,17 |
Tabel 2.2
| Zona | Parte din masa grupei piston [%] | Parte numai din masa pistonului [%] | |
| 1. Fundul pistonului 2. Zona port-segmenţi 3. Bosajele bolţului 4. Fusta pistonului 5. Bolţul 6. Inserţii 7. Siguranţele bolţului 8. Segmenţii | 14 17 22 17 21 2 - 7 | 19 24 30 24 29 3 - 10 |  |
2.3 Principii de bazã ale proiectãrii pistonului
CAPUL PISTONULUI
Partea pistonului, care vine în contact cu gazele fierbinţi sub presiune, în timpul funcţionãrii motorului, este capul acestuia. Profilul lui depinde de tipul motorului, de dispunerea supapelor şi de arhitectura camerei de ardere.
 a) |
 b) |  c) |
 d) |  e) |
 f) |  g) |
 h) |  i) |
Fig.2.5 Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin compresie:
a) -injecţie indirectã;
b,c,d,e) -injecţie directã - formarea în volum a amestecului;
f,g,h) -injecţie directã - distribuţia mixtã a amestecului;
i) - injecţie directã - distribuţia pelicularã a combustibilului.
Armarea marginii superioare a camerei de ardere înlãturã neajunsurile pentru o duratã limitatã de funcţionare. Dupã parcursulri de 300.000…400.000 [km] se constatã apariţia de fisuri în inserţie şi desprinderea de bucãţi din aceasta. Materialul austenitic are o dilatare mai redusã ca a aliajului de aluminiu, dar se încãlzeşte mult mai puternic. Datoritã deformaţiilor remanente, dupã o funcţionare îndelungatã, apare un volum gol între inserţie şi fundul pistonului.
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasãrii unui canal de rãcire într-o poziţie eficientã, precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutãţii pistonului.
Realizarea pistonului, sau numai a camerei de ardere, (fig.2.8) din materiale ceramice (nitruri de siliciu, oxizi de zirconiu ş.a.) este o realitate. Cercetãrile intreprinse de Cummins Engine Company şi Taradcom, Ford, AVL, Perkins, VW, Porsche, Isuzu, Kyocera, Mazda, Toyota, Renault ş.a. au condus la rezultate deosebit de interesante, astfel încât motorul adiabatic a devenit o realitate.
ZONA PORT-SEGMENŢI
Durabilitatea, siguranţa în funcţionare şi economicitatea unui motor sunt influenţate de performanţele ansamblului piston-segmenţi.
Necesitatea de reducere a volumului constructiv al motorului şi creşterea puterii, prin majorarea turaţiei, au impus pistoanele mai scurte şi mai uşoare (fig.8.9). Aceestea sunt capabile sã asigure:
- jocuri mici între piston şi cilindru;
- diminuarea cantitãţii de gaze scãpate în carter;
- ungerea satisfãcãtoare a suprafeţelor în mişcare relativã şi un consum redus de ulei;
- rezistenţe ridicate la solicitãrile mecanice şi termice.
La reducerea înãlţimii constructive a pistonului, trebuie avut în vedere faptul cã temperatura în zona canalului segmentului nu poate depãşi 480 K, când se folosesc uleiuri normale, şi 510 K când se utilizeazã uleiuri înalt aditivate.
Lungimea zonei port-segmenţi este determinatã de numãrul segmenţilor necesari pentru a asigura o bunã etanşare a camerei de ardere şi un consum redus de ulei. Opinia specialiştilor este aceea cã exigenţele funcţionale pot fi asigurate de trei segmenţi (doi de compresie şi unul de ungere).
Pentru a împiedica orientarea fluxului de cãldurã, de la capul pistonului cãtre primul segment, canalul segmentului de foc se plaseazã sub nivelul fundului pistonului.. În acelaşi scop, se racordeazã larg, la interior, regiunea port-segment cu fundul pistonului.
FUNDUL PISTONULUI
Fundul pistonului este solicitat mecanic şi termic de gazele aflate sub presiune şi la temperaturã ridicatã.
Pentru a controla temperatura în zona canalului primului segment de compresie pistoanele, supuse unei solicitãri termice înalte, sunt concepute cu o cavitate de rãcire, prin care circulã ulei. Aceasta, în general, nu contribuie la diminuarea tensiunilor termice, deoarece în vecinãtatea ei se mãreşte gradientul de temperaturã. De aceea, este necesar sã se optimizeze forma şi poziţia sa.
Evaluarea tensiunilor termice a arãtat cã:
- Odatã cu creşterea grosimii fundului pistonului, tensiunile termice se majoreazã. De aceea, fundul trebuie sã se dimensioneze din condiţia de a rezista forţelor datorate presiunii gazelor.
- În cavitatea de rãcire pot apare tensiuni înalte de margine, dacã grosimea peretelui dintre aceasta şi camera de ardere este prea micã. Valoarea de referinţã este, în acest caz, aproximativ 7% din diametrul pistonului.
În cazul în care cavitatea camerei de ardere este foarte adâncã, marginea superioarã a acesteia poate fi supusã la solicitãri critice. Datoritã scurgerii accelerate a gazului, transferul de cãldurã, în aceastã zonã, este mare, dar evacuarea sa este stânjenitã, îndeosebi la unghiuri mici de deschidere a cavitãţii. Astfel se majoreazã temperatura muchiei superioare a camerei de ardere, fapt ce determinã o solicitare supraelasticã a acesteia. La rãcire, prin modificarea sarcinii sau oprirea motorului, apar tensiuni de întindere. Dacã acest proces se repetã de multe ori, aşa cum se întâmplã al motoarele de autovehicule, pot sã aparã fisuri termice de obosealã.
Într-o mãsurã limitatã, marginea camerei de ardere poate fi descãrcatã prin optimizare constructivã (rotunjirea muchiilor şi a buzunarelor supapelor). Din partea materialului, o importantã influenţã o exercitã dilatãrile termice. Cercetãrile comparative au atestat avantajele aliajului entectic faţã de cel hiperentectic şi superioaritatea celui presat faţã de cel turnat.
Pentru a elimina dezavantajele menţionate s-au aplicat, pe capul pistonului, cu ajutorul jetului de plasmã, straturi metalice sau metaloceramice. În acest caz au apãrut douã probleme:
- depunerea stratului este dificilã în zona muchiilor;
- aderenţa este insuficientã pentru anumite sorturi de materiale ceramice.
BOSAJELE ALEZAJELOR PENTRU BOLŢ
Datoritã înãlţimii mici de compresie şi cavitãţii camerei de ardere pistoanele motoarelor de autovehicule au spaţiul interior redus. Astfel, distanţa dintre bolţ şi fundul pistonului, denumitã şi lungime de dilatare, este prea micã pentru a permite execuţia unui bosaj elastic, care sã se sprijine prin nervuri, deoarece razele de racordare devin prea mici, iar concentratorii de tensiuni mari. De aceea, pistoanele motoarelor pentru autovehicule se executã cu bosaje cu sprijin masiv. Sprijinul masiv asigurã o rigiditate înaltã şi evitã deformarea sub acţionarea forţelor de presiune a gazelor.
Pentru diminuarea deformaţiilor pistonului, se cautã soluţii care sã permitã realizarea unei distanţe cât mai mici între bosaje. La bolţ se poate obţine o îmbunãtãţire prin mãrirea diametrului sãu exterior.
FUSTA PISTONULUI
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu