Что киборги-археологи будущего подумают обо мне, когда откопают на руинах моего гаража поршень? Решат ли, что это религиозный артефакт? Или сочтут неведомым музыкальным инструментом? Или подумают, что это секс-игрушка?
Если разобраться, то истина как всегда где-то посередине.
Двигатели с поршнями
Двигатели с поршнями появились ещё задолго до появления ДВС. В классическом паровозном двигателе каждый поршень (их обычно там пара) имеет форму простого диска, установленного на концах шатуна. Шатун проходит через уплотнитель, позволяя двигателю работать в двойном режиме: пар впускается поочерёдно то с одной, то с другой стороны поршня, толкая его в ту или другую сторону, давая два рабочих хода в каждом цилиндре на каждый оборот.
Для того, чтобы выдерживать большие поперечные нагрузки на шатун (возникающие из-за того, что он работает под углом к поршню и к нижней шейке), за каждым цилиндром устанавливались два подшипника скольжения, по которым ходит ползун (нечто вроде отдельной юбки поршня). Такие ползуны, также называемые крейцкопфами, до сих пор используются в больших и высоконагруженных дизельных моторах на тяжёлых контейнерных судах. Несмотря на то, что эти ползуны довольно тяжёлые, они не создают особых помех в работе двухтактных дизельных судовых моторах, поскольку те развивают пиковую мощность на скорости вращения 80 оборотов в минуту.
А вот где отдельный ползун действительно был ненужной нагрузкой, так это в высокооборотистых двигателях внутреннего сгорания, начавших появляться в последние десятилетия 19 века. В результате был разработан так называемый магистральный поршень, сочетавший в себе функцию уплотнения цилиндра и перераспределения поперечных нагрузок шатуна на поршень. Думаю, становится понятнее, к чему клоню: тонкие дисковые поршни поперечные нагрузки вообще толком не держали, и их по сути соединили с ползунами, присоединив к дисковому поршню юбку. При условии, что а) поршень с юбкой хорошо смазывались и б) не были достаточно горячими для снижения вязкости масла, всё это работало вполне надёжно, выдерживая нагрузки и перераспределяя их на стенки цилиндра.
Консервы и пепельницы
В старых автомобилях поршни выглядели как большие консервные банки - высокие цилиндры с кольцами возле плоского днища. Верх этих поршней (днище и компрессионные кольца) выполняет по сути те же функции, что и дисковый поршень паровой машины, а длинная юбка (обычно куда более длинная, чем диаметр цилиндра) работает ползуном, скользя по стенкам цилиндра и перераспределяя боковые нагрузки на шатун.
Поршень с шатуном соединяет поршневой палец - полый металлический цилиндр, зажатый стопорными кольцами между отверстий в юбке поршня, называемых бобышками поршневого пальца.
Поршни с высокой юбкой стояли во множестве старых моторов. Однако, в новых моторах чаще применяются поршни небольшой высоты - вплоть до экстремально коротких. Этим решаются сразу две проблемы. Во-первых, чем поршень тяжелее, тем сильнее вибрирует двигатель. А во-вторых, если пытаться его облегчить путём уменьшения толщины стенок, то он служит очень недолго.
Поршень мотоцикла
В мотоциклетном двигателе поршень передаёт на стенки цилиндра довольно большие усилия - на заднюю на такте рабочего хода и на переднюю на такте сжатия. Получается, что поршень в основном касается стенок цилиндра только двумя небольшими дугами юбки, поэтому остальную часть юбки конструкторы убрали, а дуги соединили прямыми перемычками. Снизу такой поршень выглядит как коробка со скруглёнными короткими сторонами.
Поршень мотоцикла
Такая конструкция упрочнила трущие по стенкам цилиндра части поршня и серьёзно снизила его вес. Также это позволило сделать поршневой палец короче, а его бобышки (втулки в стенках поршня) наоборот усилить более толстыми стенками. Такой поршень по-английски называется "slipper piston" - скользящий поршень.
В мотоциклетных двигателях короткие поршни применяются довольно давно - с конца 20-х годов прошлого века. Когда спецы английской авиационной компании Bristol Aeroplane Company устали от того, что некачественные литые поршни в радиальном авиадвигателе Jupiter трескаются, они перешли на кованые (штампованные) поршни. Однако, литьё позволяет легко делать рёбра сложной формы, а вот в штампованных поршнях либо остаются сплошные переходы, либо их приходится фрезеровать, чтобы убрать лишний вес. Да и то, выбрать металл между днищем поршня и верхней частью бобышек поршневого пальца не так-то просто.
А почему не оставить поршень полнотелым?
Во-первых, из-за веса. А во-вторых, тепловое расширение днища поршня будет передаваться и на бобышки, которые будут сжимать калёный стальной палец, он начнёт в них подклинивать, и дело может кончиться растрескиванием материала поршня. В-третьих, прямая передача тепла от днища поршня к бобышкам, пальцу и в итоге - верхней шейке коленвала приведёт к быстрой деградации масла и недостатку смазки этого нагруженного и критически важного узла.
Один из вариантов решения этой проблемы, использованный, например, Kawasaki в модели 750 H2-R - это попросту сконструировать фрезерную установку, способную добраться до лишнего металла под днищем поршня и снять его слой за слоем.
В упомянутой Bristol Aeroplane Company к этому вопросу подошли с позиций веса поршней. Когда бобышки встроены в юбку поршня, палец получается совсем немного короче диаметра поршня. А вот в поршнях с коробчатой юбкой бобышки расположены значительно ближе друг к другу, а отсюда и более короткий палец, и намного более лёгкий поршень. В этом варианте бобышки поршневого пальца от избыточного тепла изолируют путём увеличения расстояния между ними и днищем поршня - попросту делают их ниже. В 60-х годах такими поршнями Yamaha оснащала свои двухтактные модели.
В современных двигателях благодаря жидкостному охлаждению и совершенной системе смазки трение поршня о стенки цилиндра под воздействием боковых сил от шатуна - не слишком большая проблема, но так было не всегда. В 20-х годах участники Isle of Man TT, запуская с толкача свои мотоциклы, знали, что поначалу надо ехать аккуратно и медленно, пока масло не прогреется до рабочей температуры и не покроет стенки цилиндров - иначе задиров не избежать. Выпускались даже особые стартовые смазчики, срабатывавшие при запуске двигателя и наносящие слой специальной смазки на заднюю, самую высоконагруженную стенку цилиндра в надежде предотвратить задиры и тем более прихват. И это четырёхтактные моторы, представляете?
Поршень мотоцикла. Длина шатуна, размер мотора и боковые нагрузки
В 20-х годах, пытаясь уменьшить общий диаметр многопоршневых радиальных авиационных двигателей, их делали с максимально короткими шатунами, в результате чего возрастали боковые нагрузки на поршни. К тому же эти моторы имели воздушное охлаждение, и сочетание горячих цилиндров, горячих поршней и сильных боковых нагрузок приводило к частым задирам и прихватам. Эти поршни, даже несмотря на смазку, синели от перегрева в результате трения, и тем не менее, когда аналогичную конструкцию (короткие шатуны) использовали в V8 Oldsmobile 455 (тоже для компактности, чтобы он влезал между элементами передней подвески), он работал отлично - всё благодаря жидкостному охлаждению.
К концу Второй Мировой в авиационных двигателях широко использовались масляные струи, направленные на поршни снизу, обеспечивающие одновременно смазку и охлаждение. Уважаемый конструктор Том Сифтон либо знал об этом, либо изобрёл масляные джеты независимо, и его конструкция решила проблемы с деформацией поршней в гоночных флэтхедах Harley Davidson, которые он готовил для легендарного Джо Леонарда. В наши дни практически в любом мотоциклетном двигателе, будь то туристический, эндуро или спортбайк, поршни имеют ту или иную систему охлаждения, и часто это именно масляные струи.
Так всё-таки, вопрос века: кованые или литые поршни?
А ответ не так однозначен. Пока мотоциклетные двигатели имели воздушное охлаждение, их поршни сохраняли архаичную конструкцию с длинной полнотелой юбкой. Зачем? А для охлаждения: чем юбка более длинная, тем больше площадь соприкосновения её с цилиндром, и тем лучше от поршня отводится тепло. В таких двигателях это основной способ охлаждения поршней, а небольшое количество масла, разбрызгиваемого коленвалом, лишь дополняет его.
С улучшением охлаждения поршней мотоцикла и появлением современных присадок в масла, снижающих окисление и превращение в лаковые отложения, кольца на поршне переместились выше к горячему днищу. Более оборотистые двигатели потребовали более тонких и лёгких компрессионных колец, малая инерция которых предотвращает их перемещение в канавках, когда поршень притормаживает, приближаясь к верхней мёртвой точке. Следом за кольцами облегчения потребовал палец - чем выше крутится двигатель, тем сильнее влияет каждый лишний грамм веса поршня - от вибрации, и до потерь энергии на шатунных шейках из-за инерции. В некоторых современных поршнях палец находится так высоко, что для его снятия нужно сначала снять маслосъёмное кольцо.
Конструкция поршня мотоцикла и экология
Казалось бы, какая нам разница, насколько высоко находятся кольца на поршне? Старый воздушный Ducati и сегодня отлично работает, а его верхнее компрессионное кольцо находится в 16мм от днища поршня.
Увы, но нынешние двигатели находятся в тесных рамках эконорм, регламентирующих, в частности, количество несгоревших углеводородов в выхлопе. При этом в зазорах между компрессионным кольцом и канавкой, между двумя компрессионными кольцами и между жаровым поясом и стенками цилиндра может оставаться довольно много несгоревшей смеси, попавшей туда на такте сжатия через замок верхнего кольца. Там она сжимается из-за повышения давления в камере сгорания, но не сгорает, и высвобождается, когда поршень идёт вниз и давление падает. Затем на такте выпуска эта спрятавшаяся несгоревшая смесь выходит в выхлоп и портит цифры на газоанализаторе, не говоря уж об экологии. Чем выше находятся кольца и чем ближе они друг к другу, тем меньше свободного пространства в поршне может занять несгорающая смесь, которая, кстати, могла бы вместо порчи воздуха добавить немного тяги мотору.
Благодаря современным материалам и покрытиям, улучшенному охлаждению и большому количеству масла на стенках цилиндров, не попадающего в камеру сгорания из-за высокоэффективного маслосъёмного кольца современной конструкции, даже узкие и короткие сегментарные юбки поршней справляются с нагрузками. Есть, впрочем, и обратная сторона: короткие поршни сильнее проворачивает в цилиндре, и это ухудшает компрессию. Поэтому верхние кольца делают не с острой кромкой, а бочкообразного сечения. Такое кольцо не только лучше уплотняет независимо от угла наклона, но и меньше нуждается в обкатке, а точнее, обкатывается значительно быстрее.
И всё же, литьё или штамповка?
У каждой технологии есть плюсы и минусы. Штамповка обладает высокой усталостной прочностью, а литьё (которым оснащается большинство двухтактников) - лучше держит нагрев. При этом штамповка довольно пластична, это и хорошо, и плохо. Литые поршни часто растрескиваются в районе перемычки между канавками колец, а кованые в этой же области способны просто деформироваться, из-за чего кольца подклинивают. Современные высоконагруженные четырёхтактные моторы чаще оснащены коваными поршнями, но например ультра-крутильный GP-шный воздушник Honda из 60-х оснастили литыми поршнями - очевидно, вопрос с перегревом поршней в нём стоял острее, чем усталостная прочность.
Сегодня, когда длинные поршни - "банки" превратились в невысокие и плоские "пепельницы", вес поршней снизился, что позволило сделать легче и шатуны. Снижение подвижной массы уменьшило вибрации, а это позволило уменьшить щёки коленвала и коренные подшипники. Были разработаны превосходные материалы для изготовления поршней, и всё, что нужно - это сделать их цену доступной массовому потребителю. Впрочем, в наше время любое улучшение достаточно быстро поступает в тираж, становясь доступным, потому что следом возникает потребность в следующем улучшении, и в следующем, и в следующем…
Поршень мотоцикла в будущем
Рано или поздно миром безраздельно завладеет Цифра и её основы - Электричество и Кремний. Когда-нибудь кто-нибудь создаст СуперБатарею - дешёвую, быстро заряжающуюся и энергоёмкую, и нам останется лишь с сожалением проводить в историю поршни со всеми их недостатками. Что ж, некоторые из них вполне годятся в качестве элемента интерьерного декора - будем надеяться, что пепельницы к тому времени уже никому не будут нужны.
