Píst spalovacího motoru: konstrukce, princip činnosti

Píst je jedním z klíčových prvků spalovacího motoru. Dodává se mu tepelná energie, která vzniká při spalování paliva, a ta ji přeměňuje na mechanický proces – roztáčí klikový hřídel. Píst je neustále vystaven vysoké teplotě a tlaku.

Pokud jeden nebo více systémů motoru nepracuje správně, může dojít ke spálení korunky pístu. Jedná se o běžnou „nemoc“ moderních dieselových motorů se zvýšeným výkonem a točivým momentem. U benzinových motorů dochází k vyhoření méně často. Další možné poruchy mohou zahrnovat oděrky, praskliny a opotřebované drážky.

Pojďme zjistit, jak píst vypadá, jak funguje a proč se opotřebovává.

Jak funguje píst ve spalovacím motoru?

Bloky spalovacích motorů mají válce, z nichž každý má píst. Proto se konvenční spalovací motory také nazývají pístové motory.

Připomeňme si krátce, jak funguje motor v autě. Při spalování směsi paliva a vzduchu se uvolňují plyny. Vyvíjejí tlak na píst a způsobují jeho pohyb vpřed. Další v řetězci jsou ojnice a klikový hřídel. Tyto prvky transformují translační pohyb na rotační pohyb a přenášejí jej na kola prostřednictvím převodovky.

Co dává pohyb pístu ve válci:

1. Píst se zvedne, hořlavá směs se stlačí. Díky tomu se zvyšuje teplota (až na 1800–2000 ℃) a zvyšuje se tlak. Pohyb pístu vzhůru tedy vytváří podmínky pro spalování benzínu.
2. Píst klesá a plyny expandují. V této fázi vzniká síla, která se následně přeměňuje na mechanickou energii.

Další funkcí pístu je utěsnění spalovací komory a zajištění její těsnosti. Pro normální provoz je důležité, aby se tam nedostaly oleje a plyny. Píst má téměř tvar válce, díky čemuž jej těsně uzavírá a odděluje dutinu od chladicích a mazacích systémů motoru.

Pístové zařízení

Píst vypadá docela jednoduše. Jedná se ale o kompozitní konstrukci s přesnými rozměry. Písty moderních dieselových motorů jsou složitější než benzinové jednotky, protože uvnitř takového motoru je nejen spalovací komora, ale také systém chlazení oleje.

Hlavními součástmi pístu jsou tělo, které obsahuje vodicí část a dno, a těsnění.

Podívejme se na každý detail zvlášť.

1. Spodní je konec, horní část pístu. Proto se mu někdy říká hlava. Dno nese velkou zátěž: teplotu a tlak plynu. V souladu s tím je zde kov tlustší než spodní část těla. Tvar dna může být různý: u benzínových motorů je konvexní, u dieselových a maloobjemových benzínových motorů je konkávní. Také hlava pístu může být plochá, s drážkami nebo s vybráními pro ventily.
2. Boční část se nazývá vodítko nebo sukně. Posouvá se po stěnách válce, díky čemuž píst udržuje správnou polohu vzhledem k dutině, ve které se pohybuje. Vzhledem k účelu boční části je vyrobena ze stabilních kovů s nízkým koeficientem tření. Na vnitřní straně jsou nálitky – zesílení s otvory pro pístní čep.
3. Těsnicí část v pístu se skládá ze speciálních drážek, ve kterých jsou instalovány škrabky oleje a kompresní kroužky. Bez něj by se olej z klikové skříně dostal do spalovací komory a plyny – naopak. Další funkcí pístních kroužků je odvádět přebytečné teplo ze dna na stěny válcové dutiny. Tímto způsobem je samotný píst chlazen.

Jak fungují pístní kroužky, je jasné už z jejich názvu. Škrabky oleje odstraňují přebytečné mazivo ze stěn válce, které tam končí v důsledku pohybu pístu směrem dolů. Kompresní ventily jsou potřebné pro udržení provozního tlaku a zabránění vstupu plynů ze spalovací komory do klikové skříně.

Musíte také pochopit, co je skupina pístů. Tak se nazývá samotný píst, kroužky, čep a části, které jej zajišťují. Existuje také koncept skupiny válec-píst. Používá se, když je skupina pístů uvažována společně s válcem.

Z čeho jsou vyrobeny písty pro spalovací motory?

Jelikož píst pracuje v agresivním prostředí, kovy, ze kterých je vyroben, musí být pevné, ale lehké a dobře vedou teplo. Z možností, které splňují tyto požadavky, jsou nejčastěji používané:

1. Hliník. Jedná se o lehký kov s nízkou hustotou. Hliník má vysokou tepelnou vodivost, a proto se používá k odlévání dna pístu, které odvádí teplo ke stěnám válce. Díky vysokému stupni komprese má hliník dobrou odolnost proti opotřebení.
2. Ocel. Díly vyrobené z tohoto materiálu jsou velmi odolné, mají vysoký koeficient tření, a proto snadno odolávají zvýšeným teplotám a tlakům ve spalovacím prostoru paliva. Instalují se do posílených a sportovních motorů.
3. Litina. Tento kov je ještě odolnější a odolnější proti opotřebení než ocel. Má nízký koeficient lineární roztažnosti, takže litinový píst dokáže velmi dobře utěsnit válec. Ale měrná hmotnost kovu je tak vysoká, že se používají pouze v nízkootáčkových motorech. Nyní se například používají u lodních dieselových motorů.
4. Keramika. Tento materiál se používá k utěsnění hliníkového dna. Keramická vlákna minimalizují riziko praskání dutin ráfku. Zpočátku se tato technologie používala pouze pro vozy Formule 1, ale později se začaly vyrábět písty s keramickým povlakem i pro běžné vozy.

Požadavky na materiál jsou rozsáhlé a samotný kov je nemůže uspokojit. Proto jsou ve výrobě kombinovány. Například pro výkonné naftové motory se vyrábí kompozitní písty: kufr (vodicí část ve tvaru sudu) je vyroben z litiny nebo siluminu a spodní a těsnící část jsou vyrobeny ze žáruvzdorné oceli.

Proč se píst opotřebovává a co to znamená?

I když své auto pravidelně udržujete, písty motoru se opotřebovávají. To je přirozený proces, zejména pro skupinu, která je co nejblíže spalovací komoře. Opotřebení je způsobeno především dvěma faktory:

1. Proces tření mezi pístem a stěnami válce způsobuje opotřebení povrchu pláště. V důsledku toho se díl zmenší, než je nutné.
2. V důsledku vystavení vysoké teplotě dochází k tepelnému roztahování kovu. To může vést k deformaci a poškození pístu.

Existují také vnější faktory, které urychlují proces opotřebení pístu. Jmenujme některé z nich:

• v mazacím systému je málo oleje, je nekvalitní;
• motorista naplní auto benzínem obsahujícím nečistoty;
• něco v motoru není správně nakonfigurováno (například zapalování nebo systém přívodu paliva);
• motor se přehřívá v důsledku poruchy chladicího systému nebo nízké hladiny nemrznoucí směsi;
• nekompatibilita pístů a motoru nebo jeho jednotlivých součástí.

Dalším důvodem zrychleného opotřebení pístu je detonace, kdy palivo začne hořet v komoře ve vlnách, což je doprovázeno prudkým zvýšením teploty a tlaku v dutině válce.

Životnost pístu

Životnost závisí na různých faktorech: nastavení spalovacího motoru, výrobní materiál, četnost údržby, kompatibilita s motorem. Ukazatele průměrné životnosti pístu:

• pro automobily vyrobené v tuzemsku – do 300 000 km;
• pro zahraniční automobily – do 500 000 km.

Nejčastěji dochází k problémům s písty spalovacího motoru v důsledku přehřívání motoru. Proto musíte sledovat stav teplovodivé pasty a chlazení chladiče nebo jeho ventilátoru.

Příznaky kritického opotřebení pístu

Následující příznaky indikují poruchu skupiny pístů:

1. Motor běží nerovnoměrně, dochází k nadměrnému hluku a vibracím.
2. Na zapalovacích svíčkách se hromadí nadměrný uhlík.
3. Sníží se výkon motoru.
4. Výfuk zčerná. To ukazuje na nedokonalé spalování paliva ve válcích.
5. Zvyšuje se spotřeba oleje.
6. Ve skříni vzduchového filtru motoru jsou stopy motorového oleje.

Co dalšího ovlivňuje spotřebu motorového oleje, čtěte zde.

Pokud máte výše uvedené příznaky, doporučujeme vám kontaktovat odborníka za účelem diagnostiky a opravy.

Část klikového mechanismu, která přijímá tlak směsi stlačeného vzduchu a paliva s následným přenosem síly na ojnici, se nazývá píst. Jedná se o jeden z nejdůležitějších prvků realizace termodynamického procesu v motoru s postupnou přeměnou energie stlačeného plynu na energii translačního pohybu a následně pomocí ojnic a klikového hřídele na točivý moment.

Návrh dílu

dole (hlava)

Navrženo pro absorbování energie stlačeného plynu a tepelné zátěže. Volba tvaru dna je určena různými faktory, včetně typu motoru a tvorby směsi. Je důležité zvážit umístění vstřikovačů, ventilů a zapalovacích svíček a vzít v úvahu způsob organizace výměny plynu ve válci. Díl může mít 3 možnosti provedení:

• Konvexní – má zvýšenou pevnost, ale zvyšuje se přenos tepla. U zážehových spalovacích motorů umožňuje tento faktor zvýšit přípustný kompresní poměr: což umožňuje kompenzovat část mechanických ztrát. V této variantě má spalovací komora tvar čočky.

• Konkávní – umožňuje vytvoření kompaktní spalovací komory používané u dieselových a benzínových motorů s vysokým kompresním poměrem a palivovou účinností. V takových motorech se častěji tvoří karbonové usazeniny.

• Plochý – používá se u vznětových motorů s vířivou a předkomorovou komorou. Výroba takových pístů je jednodušší a levnější.

Dno nese hlavní tepelné zatížení, takže má značnou tloušťku, což vede ke zvýšení hmotnosti pístu, ale snižuje zahřívání. Spodní tloušťka:

• ve standardní verzi – 7-9 mm;
• u přeplňovaných motorů – 11 mm;
• u dieselových motorů – od 10 do 16 mm.

Byla vyvinuta technologie tvrdého eloxování, která snižuje riziko přehřátí a vyhoření a také zvyšuje pevnost dna. Aby toho bylo dosaženo, horní tenká vrstva hliníku na spodní a první drážce je přeměněna na keramický povlak. Tloušťka takového keramického povlaku se pohybuje od 8 do 12 mikronů.

Těsnící část

Zabraňuje průniku plynu a přenáší většinu tepla z pístu do válce. Skládá se ze tří kroužků: škrabky oleje a dvou kompresních kroužků.

Úkolem stíracího kroužku oleje je odstranit přebytečný olej z válce. Po obvodu dílu jsou průchozí otvory, kterými se olej odstraněný z povrchu válce dostává do pístu a zabraňuje pronikání maziva do spalovací komory. Další funkcí dílu je odstranění přebytečného oleje z válce. Konstrukce některých stíracích kroužků oleje umožňuje instalaci pružinového expandéru. Některé díly mají ráfek z korozivzdorné litiny se speciální drážkou pro horní kompresní kroužek.

Jednou z funkcí kompresního kroužku je zabránit vnikání výfukových plynů do spalovací komory do klikové skříně motoru. Mohou být vyrobeny v lichoběžníkovém, kuželovém a sudovém tvaru. Některé jsou vyrobeny s výřezem. Největší zatížení nese první kompresní kroužek. Životnost dílu se zvyšuje zesílením prstencové drážky ocelovou vložkou.

Průměr obruby je větší než průměr těsnící části. Toto rozhodnutí je způsobeno vyšším ohřevem v této části pístu. Aby se zabránilo poškrábání kroužků a zablokování kroužků v drážkách, je průměr plamenného pásu ještě menší. Rozdíl oproti sukni je ve tvaru dílu (sukně je oválná, kroužek je kulatý), aby se snížila výška pasu.

Kvalita kroužků má pro těsnění pístu prvořadý význam. Litinové stírací kroužky na olej jsou obzvláště spolehlivé, zejména ve srovnání s kompozitními. Při instalaci takových kroužků je také výrazně méně chyb.

Bodování nastává, když kroužky nedoléhají těsně, protože ke ztrátám dochází v sukni. Právě s tím souvisí omezení výkonu motoru v době záběhu, což umožňuje proces minimalizovat. Elasticita neleštěných kroužků se při přehřátí snižuje, což způsobuje řadu problémů, včetně rozlití oleje, úniku plynu do klikové skříně a dalších. Přehřátí může způsobit uzavření spojů, což má za následek prasknutí kroužku. V některých případech nelze vyloučit prasknutí pístu.

Vodicí část

Plášť pístu je vodicí (kmenovou) částí, přenáší boční sílu na stěnu válce a drží píst v poloze. Otvor pro pístní čep je umístěn v nálicích umístěných na vnitřní straně vodící části. Čep je upevněn pomocí drážek, ve kterých jsou umístěny díly sloužící k aretaci čepu.

Spodní okraj obruby je opatřen speciální přírubou pro následné mechanické opracování pístu. Část kovu na vnitřní straně příruby je odstraněna v případech, kdy je hmotnost pístu větší, než umožňuje motor. Na vnější části pláště je vyříznuto speciální vybrání, kde jsou vytvořeny otvory pro pístní čep. To nám umožňuje vytvořit jakousi „chladničku“, protože stěny těchto zón neinteragují se stěnami válce.

Volný pohyb pístu ve válci při zahřátém motoru a provozu pod zatížením zajišťuje mezera mezi pláštěm a stěnami válce. Velikost mezery se určuje v závislosti na lineární roztažnosti kovu pístu a válce při běžném provozu spalovacího motoru. Na povrchu pístu dochází k rýhování v důsledku přehřátí a mezery menší než požadovaná velikost. To může způsobit zaseknutí dílů ve válci. Mezera větší než požadovaná velikost zhoršuje těsnicí vlastnosti pístu. V takových případech začnou díly klepat. V takových případech není další provoz motoru povolen.

Princip činnosti

Funkcí pístu je přenášet tlak získaný ze stlačených plynů přes pístní čep na ojnici. Tato energie je poté klikovým hřídelem přeměněna na točivý moment motoru. Úkol je nemožný bez spolehlivého těsnění pro píst pohybující se ve válci. Pokud je těsnění poškozeno, mohou do klikové skříně pronikat plyny. Motorový olej se může dostat do spalovací komory. Problém řeší drážky v pístu, v nichž jsou instalovány kompresní a olejové stírací kroužky.

Dno pístu se zahřívá stykem s horkými plyny. Pro odvod přebytečného tepla do stěn válce jsou k dispozici pístní kroužky a používá se chladicí kapalina. Přídavné chlazení oleje se používá u motorů pracujících při velkém zatížení. Olej je přiváděn tryskami na dně a do vnitřní prstencové dutiny pístu.

Spolehlivé utěsnění pístu je možné pouze tehdy, pokud se jeho svislá osa shoduje s osou válce. Nesouosost způsobí „kolébání“ pístu ve válci. Sníží se vlastnosti těsnění a přenosu tepla kroužků a zvýší se hluk motoru. Plášť pístu s minimální vůlí na studeném a teplém motoru eliminuje výskyt takových problémů.

Stěny válce a píst mají různé koeficienty roztažnosti v důsledku různých konstrukčních materiálů a rozdílů teplot ohřevu. Aby se zabránilo vzpříčení zahřátého pístu při tepelné roztažnosti, používá se eliptický tvar pláště pístu v příčném řezu nebo odlévání ocelových plátů. V prvním případě musí být v příčném řezu hlavní osa kolmá na osu čepu, v podélném řezu se kužel zužuje směrem ke spodní části pístu.

Tento tvar zajišťuje, že vyhřívaný plášť pístu lícuje se stěnou válce a zabraňuje zadření. Když jsou ocelové desky nality do pláště pístu, roztažení pláště omezuje pomalejší ohřev kovu desek.

Potřeba snížit hmotnost pohyblivých částí moderních motorů ovlivnila volbu hliníku pro výrobu pístů. Nižší hmotnost pístu umožňuje snížení hmotnosti ostatních komponentů a velikosti a hmotnosti celého motoru.

Existují písty s jinými technickými řešeními:

• s reverzním kuželem umístěným ve spodní části lemu pro snížení hluku v důsledku přemístění prvku do úvratě;
• použití mikroprofilu na pracovní ploše pro zlepšení mazání obruby (mikroprofil jsou drážky s roztečí 0,2 až 0,5 mm);
• použití antifrikčního povlaku pro snížení tření.