Skupina pístů automobilu: co to je, vlastnosti zařízení

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.

Během posledního desetiletí vynálezci v různých zemích přišli s řadou nejexotičtějších konstrukcí spalovacích motorů, z nichž některé byly dokonce implementovány do kovu. Ale masový průmysl pokračuje ve výrobě klasicky vyhlížejících motorů. Jsou problémem konstrukční chyby nováčků nebo jejich nedostatek financí?

Nedávná zpráva, že miliardář Bill Gates a investiční společnost Khosla Ventures se rozhodli investovat miliony do společnosti EcoMotors, která navrhuje motory s protiběžnými písty, nás přinutila podívat se na zámořský vývoj blíže. Takové motory mají dlouhou historii, ale nerozšířily se, alespoň v automobilové dopravě. EcoMotors dal zdánlivě známému pokrmu novou chuť.

EcoMotors dal svému motoru se dvěma protilehlými válci, z nichž každý má dva protilehlé písty, jednoduchý název: OPOC, což je zkratka pro Opposed Piston Opposed Cylinder. V zásadě může podle tohoto schématu fungovat jak benzínový motor (nebo spalovací motor spotřebovávající alkohol), tak naftový motor, ale prozatím se společnost zaměřila na druhou možnost.

První motor OPOC, vznětový model EM100 (číslo udává průměr válce v milimetrech), poprvé ukázala americká společnost veřejnosti na jaře roku 2010. Agregát podle EcoMotors váží 134 kg, jeho rozměry jsou 58 (délka) x 105 (šířka) x 47 (výška) cm, vyvine výkon 325 koní a produkuje točivý moment 900 Nm.

Motor OPOC je dvoudobý motor, takže na jednu otáčku klikového hřídele dokončí protilehlé písty každého válce pracovní zdvih. Jak se pohybují směrem ke svým mrtvým bodům, otevírají okna ve stěnách válce. Jeden z pístů navíc ovládá sání, druhý – výfuk. Na obrázku níže jsou snadno rozpoznatelné podle barev – modré a červené. Okna jsou v tomto případě umístěna tak, že výfuk se otevírá o něco dříve než sání a také se dříve zavírá. To je důležité pro dobrou výměnu plynu.

Klíčové komponenty OPOC, pohled shora a zepředu. Všimněte si asymetrického uspořádání sacího a výfukového potrubí vzhledem ke klikové hřídeli.

Odstraněním hlav válců, ventilů a jejich hnacího mechanismu se motor zjednodušil, odlehčil, snížily se třecí ztráty a dokonce i spotřeba oleje (podle firmy dvakrát více než u klasického naftového motoru). Ale jistě se takovými přednostmi mohou pochlubit i jiné dvoudobé motory s opačnými písty?

Vrcholem nového produktu je, že všechny písty v něm jsou spojeny s jediným centrálním klikovým hřídelem, zatímco dříve podobné konstrukce vyžadovaly dva klikové hřídele na okrajích motoru. V souladu s tím byly znatelně větší a těžší a není divu, že se používaly hlavně na dieselových lokomotivách a lodích. OPOC, jehož provozní schéma je uvedeno na videu níže, je zaměřeno na mnohem širší škálu strojů.

Jako každý dvoutaktní motor vyžaduje OPOC externí zařízení, které při otevření oken profoukne vzduch skrz válce. V tomto případě se konstruktéři rozhodli tuto zodpovědnost přiřadit turbodmychadlu. Ale evidentně to nepomůže při startování motoru a samotné válce se nemohou „nadechnout“ a „vydechnout“.

Řešení bylo opět nalezeno ve staré myšlence, kterou testovala řada společností, ale nikdo ji nikdy nedotáhl do konce. Inženýři nainstalovali elektromotor na hřídel klasické turbíny. Při startování a dokud spalovací motor nezrychlí, získává tento motor energii z baterií a poskytuje OPOC „dýchání“. Pak se motor vypne a přeplňování turbodmychadlem se změní na to nejobyčejnější. Navíc při vysokých otáčkách, kdy je proud výfukových plynů vysoký, se elektromotor v turbíně může proměnit v generátor, který napájí akumulátory vozu.

Elektrické přeplňování turbodmychadlem je jedním z nejkontroverznějších prvků nového produktu. K jeho roztočení je potřeba slušné množství energie, což vede k potřebě prostorných a výkonných baterií, a proto zvyšuje náklady na design.

Nový design se podle jeho tvůrců vyznačuje velmi dobrým vyplachováním válců, a proto umožňuje získat největší přínos ze samotného dvoudobého cyklu, teoreticky umožňuje dvojnásobný výkon motoru na litr ve srovnání se čtyřdobým cyklem. I když v praxi takového ukazatele dosud nebylo dosaženo. Systém OPOC má řadu dalších zajímavých funkcí.

S novou konfigurací musí každý píst ujet poloviční vzdálenost při jednom zdvihu, aby bylo dosaženo daného pracovního objemu. To znamená nižší otáčky při pevných otáčkách a následně nižší ztráty třením. Za všechny tyto vlastnosti vděčí motor OPOC především Petru Hofbauerovi. Zakladatel, předseda představenstva a technický ředitel společnosti EcoMotors předtím řadu let vedl vývoj pokročilých motorů ve Volkswagenu. Vyvinul například offsetový řadový motor VR6 s malým (15 stupňů) úhlem sklonu válců. A přestože společnost EcoMotors byla založena v roce 2008, sám Hofbauer začal o OPOC přemýšlet o několik let dříve.

Nápad Petera Hofbauera, ač sám o sobě svěží, má kořeny v letech. Výchozím bodem pro jeho výzkum byl letecký vznětový motor Junkers JUMO 205 s protilehlými písty (nahoře) vytvořený Hugo Junkersem a zážehové „boxerové“ motory Ferdinanda Porsche (dole), včetně motoru vozu, který se po válce světově proslavil pod názvem „Beetle“. Ve skutečnosti Hofbauer tyto dva návrhy zkřížil.

Společnost uvádí, že dieselová verze OPOC je lehčí než běžný turbodiesel stejného výkonu, obsahuje o 50 % méně dílů, zabírá dvakrát až čtyřikrát méně místa pod kapotou a může být (za určitých podmínek) hospodárnější. Poslední údaj vzbuzuje mezi odborníky největší pochybnosti, nicméně i když je nárůst spotřeby přehnaný, EcoMotors má důvod k optimistickým prohlášením. První prototyp motoru OPOC podle společnosti strávil přes 500 hodin na stojanu dynamometru. Dá se konstatovat, že schéma funguje. S vlastnostmi to není tak jednoznačné. Model EM100, který inženýři aktuálně testují, produkuje deklarované parametry pro výkon a točivý moment pouze s nastavením, které nezohledňuje toxicitu výfuku. Společnost nabízí tuto verzi OPOC pro vojenskou techniku, u které je poměr zpětného rázu k hmotnosti důležitější než cokoli jiného.

Pro běžnou přepravu nabízí EcoMotors naladění stejných motorů trochu jinak: na 300 koní. a 746 Nm. Zlepšení spotřeby paliva ve srovnání s konvenčními diesely je v tomto případě slibováno „pouze“, ale i tak to vypadá na obrovský krok vpřed, protože firmy obvykle bojují o každé procento. Další úspory jsou možné spojením dvojice takových motorů do čtyřválcové jednotky. To, co bylo dříve samostatným motorem, se přemění na modul. EcoMotors mezi ně hodlá instalovat elektronicky řízenou spojku. Při nízké zátěži prý bude fungovat pouze jeden modul, při vysoké zátěži se připojí druhý. A jelikož je OPOC dobře vyvážený, všechny působící síly se zde vzájemně kompenzují a motor má minimum vibrací, tak aktivace „spící“ poloviny proběhne kdykoliv hladce.

Tato myšlenka je podobná známé deaktivaci válců u velkých motorů. Ale tam se „volnoběžné“ písty stále pohybují nahoru a dolů, ale zde se polovina motoru úplně zastaví a druhá polovina pokračuje v práci v ziskovém režimu. Navíc v takovém binárním schématu inženýři navrhují mírně snížit maximální výkon každého modulu – na 240 „koní“ (celá jednotka vyvine 480). Z hlediska poměru výkonu a hmotnosti půjde stále o velmi slušný motor a údajně bude možné dosáhnout maximální spotřeby paliva (stejných 45 %) a splnění nejpřísnějších norem toxicity výfukových plynů, ujišťují vývojáři.

OPOC je prozatím hrubý systém a jeho designéři většinou slibují. Jsou ale optimisté a začali sortiment rozšiřovat. Na výkresech je již patrný dvouválcový motor EM65, o něco menší velikostí a hmotností než EM100. Mimochodem, chtějí to předělat na benzín. Oblasti použití EM65 jsou zcela zřejmé: lehká nákladní a osobní auta, včetně hybridů. Jistou, nikoli však stoprocentní zárukou úspěchu exotického spalovacího motoru je pověst jeho šéfkonstruktéra: Petr věnoval Volkswagenu 20 let svého života. A je mimochodem překvapivé, že jeho současná tvorba odráží projekty Porsche, které stálo u zrodu slavné německé značky?