Асимметрия поршней

Асимметричные поршни для форсированных двигателей

Поршни традиционной конструкции уже не выдерживают повышенной нагрузки, возникающей вследствие роста давления наддува или увеличения хода поршня. 

Поэтому компания JE Pistons попробовала «заново изобрести велосипед» – иными словами, спроектировать поршень с нуля.

У новой конструкции площадь юбки на нагруженной стороне поршня заметно больше, что позволяет заметно снизить трение на противоположной стороне, где юбка меньше. Результат – прочный и легкий поршень, который, к тому же, значительно снижает потери на трение в двигателе. Эти поршни можно будет устанавливать в серийные моторы при их ремонте.

Что же именно асимметрично?

Новые кованые поршни имеют юбку из двух частей разного размера, поэтому и называются асимметричными. Иначе их еще называют Т-образными, поскольку со стороны отверстий под поршневой палец юбка как таковая отсутствует. На фото хорошо видно, насколько различаются части юбки поршня.

Фото 1. Такой поршень еще можно назвать Т-образным, поскольку со стороны отверстий под поршневой палец юбка, как таковая, отсутствует. Подобная конструкция рассчитана под укороченный палец, что позволило снизить массу. Кроме того, компания JE Pistons внедрила чистовую обработку поршней: зачищаются все заусенцы и притупляются фаски по краям днища поршня и цековок под клапаны.

Minor thrust side – ненагруженная сторона поршня 

Major thrust side – нагруженная сторона поршня

Почему асимметричные поршни лучше?

ФАКТ: юбка поршня из двух разновеликих частей испытывает на себе меньшее воздействие механической нагрузки. Во время такта сгорания/расширения нагрузка, действующая на одну сторону юбки, может быть раз в десять выше, чем на противоположную. Диапазон нагрузок на юбку меняется в зависимости от хода поршня, длины шатуна и максимального давления в цилиндре.

Асимметричные поршни являются единственными в своем роде, предназначенными специально для восприятия различной механической нагрузки, испытываемой обеими сторонами поршня. В целом поршень получается прочнее и легче, чем предыдущие модификации.

Почему об асимметричных поршнях не было известно ранее?

Сегодня поршни асимметричной конструкции можно найти во многих профессиональных гоночных двигателях Формулы 1, ALMS, NASCAR и других. Большинство технических нюансов подобных двигателей засекречено и не доводится до сведения широкой общественности. Тем не менее, многие автопроизводители обратили внимание на удачные примеры применения подобных поршней в гоночных сериях и с недавних пор начали применять асимметричные поршни в «гражданских» двигателях.

Будут ли надежно работать масляные форсунки в моем двигателе?

Да. Конструкторы в процессе разработки нового поршня создали компьютерную 3D-модель всех возможных серийных вариантов масляных форсунок. Это позволило обеспечить нужный зазор между нижним краем юбки поршня и носиком форсунки. Кроме того, внутренняя поверхность поковки поршня выполнена таким образом, чтобы масло попадало именно на те участки поршня, которые нуждаются в лучшем охлаждении.

Как работали над проектом?

Асимметричный поршень – результат долгого и кропотливого проектирования. Конструкторы разработали первый вариант поршня в программе SolidWorks, затем он был доработан с помощью метода конечных элементов. После изготовления опытных образцов алюминиевых поршней они были испытаны в мощных двигателях с турбонаддувом.

В конечном результате удалось создать надежные и легкие асимметричные поршни. На сегодняшний день они успешно функционируют в двигателях разной мощности и назначения: от 250 л. с. (с турбонаддувом) для повседневного использования до моторов дрегстеров в 2000 л. с.!

Фото 2. Компьютерная 3D-модель позволила обеспечить нужный зазор между нижним краем юбки поршня и носиком масляной форсунки. Кроме того, форма внутренней поверхности поршня обеспечивает оптимальное охлаждение струей масла.

Инновационные особенности асимметричных поршней

Поскольку поршни спроектированы «с чистого листа», конструкторы компании JE предусмотрели в них ряд инновационных особенностей:

• Переменная толщина днища поршня: точно так же, как и в юбке поршня, механические и тепловые нагрузки на каждую область днища различаются. Наибольшие напряжения сосредоточены вблизи центра днища поршня. В этом месте днище толще, а в зонах, испытывающих меньшие нагрузки, соответственно, меньше и толщина материала. Это один из способов облегчить конструкцию.

• Укороченный палец: все асимметричные поршни JE Pistons спроектированы под палец длиной 57,15 мм, в отличие от прежних, под палец длиной 63,5 мм. Это также позволило снизить массу, в большинстве случаев примерно на 10 г для каждого цилиндра.

• Чистовая финишная обработка днища поршня: по многочисленным пожеланиям мотористов компания JE Pistons внедрила специальную финишную обработку поршней. При этом зачищаются все заусенцы и притупляются все фаски по краям днища поршня и цековок под клапаны. За счет этого уменьшается вероятность возникновения калильного зажигания.

Сфера применения поршней новой конструкции неуклонно расширяется, но уже можно утверждать, что компания предоставляет самый широкий выбор поршней для 4-х цилиндровых гоночных двигателей на сегодняшний день. Дальнейшее будущее инновации определит спрос.

Роберт Тиг, владелец гоночной команды, эксплуатирующей двигатели Honda серии B, причем в последние три года – с поршнями новой конструкции, теперь уверенный их сторонник. 

Роберт говорит: «Эти поршни полностью устранили все проблемы, с которыми мы сталкивались ранее. Раньше после 5-6 заездов двигатель терял мощность, и приходилось разбирать и ремонтировать его. Теперь мы делаем по 20-30 заездов, а когда разбираем двигатель – поршни, как новенькие». 

Затем он добавляет: «При давлении наддува в 4 атм. двигатель развивает мощность до 1300 л.с. – это потрясающе!»

Брайан Фитцпатрик использует новые асимметричные поршни в своем победоносном двигателе Toyota 2JZ образца 1990 года, развивающем целых 2 000 л.с.! 

«Конечно, – говорит Фицпатрик, – некоторые детали двигателя не выдерживают такой мощности, но новые поршни не ломались ни разу. Поршни хорошо работают в комбинации с двойными турбокомпрессорами».