پیستون چیست؟ انواع پیستون و نحوه عملکرد
یک موتور از پمپ سوخت، شاتون، میل لنگ و سیستم سوخت تشکیل شده است. پیستون به عنوان قلب موتور پیستونی شناخته می شود. بدون پیستون، موتور رفت و برگشتی نمی تواند مخلوط هوا و سوخت را فشرده کند. بنابراین نگهداری و سرویس پیستون برای عملکرد صحیح موتور بسیار مهم است. پیستون ها بیشتر در موتورهای بنزینی و موتورهای دیزلی استفاده می شوند. این مقاله ام کو پارت فروشگاه لوازم یدکی کیا به این سوال پیستون چیست پاسخ داده و کارکرد، انواع و برخی از جنبه های دیگر پیستون را توضیح داده ایم.
پیستون ماشین چیست؟
پیستون یک دیسک مکانیکی رفت و برگشتی است که در داخل محفظه تراکم موتور به سمت جلو و عقب حرکت می کند. حرکت خود را از طریق یک شاتون به میل لنگ منتقل می کند.
عملکرد یک موتور احتراق داخلی به عملکرد پیستون بستگی دارد.
این قسمت از موتور آی سی دارای قسمت متحرک فلزی با رینگ پیستون می باشد. یک پین پیستون برای اتصال شاتون به پیستون استفاده می شود. این شاتون بیشتر از طریق پین های میل لنگ به میل لنگ متصل می شود.
با انقباض یا انبساط مایع یا گاز در محفظه تراکم، دیسک پیستون شروع به حرکت در محفظه می کند. در طی فرآیند احتراق مخلوط هوا و سوخت، انرژی شیمیایی تولید می شود.
همانطور که مخلوط هوا و سوخت احتراق منبسط می شود، انرژی تولید شده نیروی رانش تولید می کند. این رانش پیستون را به جلو و عقب حرکت می دهد. این حرکت خود را به میل لنگ منتقل می کند که باعث حرکت بیشتر خودرو می شود.
پیستون شما باید قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری بالایی داشته باشد، اما وزن آن باید تا جایی که می توانید کم باشد. سبک وزن به کاهش اینرسی تولید شده به دلیل جرم رفت و برگشتی آن کمک می کند.
پیستون از چه ساخته شده است؟
برای افزایش کارایی، اجزای موتور برای طول عمر و وزن سبک باید مقاوم باشند.
در نتیجه، پیستون ها معمولاً از آلیاژ آلومینیوم ساخته می شوند، اما رینگ های پیستون (معمولاً از بالا به پایین شامل یک رینگ فشرده سازی، یک رینگ برف پاک کن و یک رینگ روغن) از چدن یا فولاد ساخته می شوند.
رینگ روغن هنگامی که پیستون در حال حرکت است، روغن را از دیواره سیلندر پاک می کند، اما با گذشت زمان، آن و سایر رینگ ها ممکن است فرسوده شوند، و اجازه می دهد روغن از میل لنگ به داخل محفظه احتراق حرکت کند.
مصرف بیش از حد روغن و دود سفید از لوله اگزوز نشان دهنده سایش رینگ پیستون است.
موتورهای احتراق داخلی می توانند با یک سیلندر – و بنابراین یک پیستون (موتور سیکلت و ماشین چمن زنی بنزینی) یا تا 12 سیلندر کار کنند، اما اکثر خودروها دارای چهار یا شش سیلندر هستند.
موتورهای شعاعی، که معمولاً در هواپیماهای ملخ دار استفاده می شوند، دارای تعداد فرد سیلندر و پیستون برای عملکرد نرم تر هستند.
پیستون ها همچنین در موتورهای احتراق خارجی، که در غیر این صورت به عنوان موتورهای بخار شناخته می شوند، وجود دارند، جایی که آب در دیگ گرم می‌شود و بخار حاصل برای به حرکت درآوردن یک جفت پیستون (معمولاً) در سیلندرهای خارجی استفاده می شود که سپس چرخ ها را به حرکت در می آورند. موتورهای دوار سیلندر یا پیستون ندارند.
اجزای پیستون چیست؟
پیستون به عنوان قسمت متحرک محفظه احتراق وظیفه دارد این انرژی آزاد شده را به کار مکانیکی تبدیل کند. ساختار اصلی پیستون یک استوانه توخالی است که از یک طرف بسته شده و دارای قسمت‌هایی از تاج پیستون با کمربند حلقه، باس پین و دامن است.
اجزای اصلی یک پیستون و عملکرد آنها:
- رینگ های پیستون
- دامن پیستونی
- پین پیستون
- سر پیستون / تاج
- شاتون
- بلبرینگ پیستون
1. رینگ پیستون
رینگ پیستون فشرده سازی گاز را بین پیستون و دیواره سیلندر حفظ می کنند. سیلندر را آب بندی کرده تا گاز احتراق تولید شده در زمان احتراق به دهانه بین پیستون و سیلندر نشت نکند.
معمولا 3 نوع رینگ در یک موتور ماشین معمولی وجود دارد:
- رینگ فشرده سازی: این رینگ جانبی بالایی و نزدیکترین به محفظه احتراق است. به آن حلقه گاز یا فشار نیز می گویند. حلقه از نشت گازهای حاصل از احتراق جلوگیری می کند. رینگ های فشاری همچنین به انتقال گرما از پیستون به دیواره های سیلندر کمک می کنند.
- رینگ برف پاک کن: این نوع با صورت مخروطی است که در شیار رینگ بین رینگ فشرده سازی و رینگ روغن قرار دارد. حلقه برف پاک کن برای آب بندی بیشتر محفظه احتراق و پاک کردن دیواره سیلندر از روغن اضافی استفاده می شود. گازهای احتراق که از کنار حلقه تراکم عبور می کنند توسط حلقه برف پاک کن متوقف می شوند.
- رینگ روغن: این نوع در نزدیکترین شیار رینگ به میل لنگ قرار دارد. رینگ روغن برای پاک کردن روغن اضافی از دیواره سیلندر در حین حرکت پیستون استفاده می شود. روغن اضافی از طریق دهانه های حلقه به مخزن روغن در بلوک موتور بازگردانده می شود.
2. دامن پیستونی
دامن پیستون به مواد استوانه ای اطلاق می شود که بر روی بخش گرد پیستون نصب شده است. این قطعه به دلیل مقاومت عالی در برابر سایش و خاصیت خود روانکاری معمولاً از چدن ساخته می شود. دامن شامل شیارهایی برای نصب رینگ روغن پیستون و رینگ های فشاری است. دامن های پیستونی در طرح های مختلف برای پاسخگویی به کاربردهای خاص موجود هستند.
دو نوع اصلی دامن پیستونی وجود دارد:
- دامن کامل: به دامن جامد نیز معروف است. دامن کامل لوله ای شکل است. معمولاً در موتورهای اتومبیل های بزرگ استفاده می شود.
- دامن دمپایی: نوع دامن پیستونی برای پیستون موتورسیکلت ها و برخی خودروها استفاده می شود. قسمتی از دامن بریده می شود به طوری که فقط سطوح پشت و جلو روی دیواره سیلندر باقی می ماند. این به کاهش وزن و به حداقل رساندن سطح تماس بین دیواره سیلندر و پیستون کمک می کند.
3. پین پیستون
پین پیستون به عنوان پین مچی یا پین Gudgeon نیز شناخته می شود که برای اتصال پیستون به شاتون استفاده می شود و یاتاقانی را برای میله اتصال فراهم می کند تا در حین حرکت پیستون روی آن بچرخد.
در طراحی‌های اولیه موتور، از جمله موتورهایی که توسط بخار به حرکت در می‌آیند، و بسیاری از موتورهای ثابت یا دریایی بسیار بزرگ، پین گوجون در یک متقاطع کشویی قرار دارد که از طریق یک میله به پیستون متصل می‌شود.
پین گوجون معمولاً یک میله توخالی کوتاه آهنگری است که از آلیاژ فولادی با استحکام و سختی بالا ساخته شده است که ممکن است از نظر فیزیکی از میله اتصال و پیستون یا ضربدر جدا شود.
طراحی پین پیستون، به ویژه در موتورهای کوچک و دور بالا، چالش برانگیز است. پین پیستون باید تحت برخی از بالاترین دماهایی که در موتور وجود دارد کار کند و محل قرارگیری آن باعث می شود تا روانکاری در حالی که کوچک و سبک باقی می ماند دشوار باشد تا در قطر پیستون قرار بگیرد و جرم پیستون را بی دلیل افزایش ندهد.
الزامات برای سبکی و فشردگی نیاز به میله ای با قطر کم دارد که در معرض بارهای برشی و خمشی بالا باشد و دارای بالاترین بار فشاری نسبت به هر یاتاقان در کل موتور باشد.
برای غلبه بر این مشکلات، موادی که پین پیستون از آن ساخته شده و روشی که در آن ساخته شده است، از پیچیده ترین اجزای مکانیکی موجود در موتورهای احتراق داخلی است.
انواع پین
- پین ثابت: پین از طریق یک پیچ به باس های پیستون متصل می شود. سپس میله پیستون روی پین می چرخد.
- نیمه شناور: پین در وسط به شاتون متصل می شود و انتهای پین آزادانه در یاتاقان پیستون و در باس ها حرکت می کند.
- تمام شناور: در این نوع پین، پین به پین یا شاتون پیستون متصل نمی شود. درعوض، توسط شاخه ها، گیره ها یا حلقه های گیره متصل به باس های پیستون محکم می شود. سپس پین می تواند در باس ها و همچنین میله نوسان کند.
4. سر پیستون / تاج
به تاج یا گنبد پیستونی نیز معروف است، سر پیستون بالای آن است. قسمتی است که با گازهای حاصل از احتراق در تماس است. این باعث گرم شدن آن تا دمای بسیار بالا می شود. برای جلوگیری از ذوب، قطعات سر پیستون از آلیاژهای خاص از جمله آلیاژهای فولادی ساخته می شوند.
سر پیستون معمولا با کانال و حفره ها ساخته می شود. این به ایجاد چرخشی کمک می کند که احتراق را بهبود می بخشد. انواع مختلف سر پیستون در موتورهای مختلف استفاده می شود. دلایل تفاوت ها متفاوت است. طراحی ترجیحی سر پیستون به عوامل زیادی مانند عملکرد مورد انتظار و نوع موتور بستگی دارد.
5. شاتون
شاتون که میله اتصال نیز نامیده می شود، بخشی از موتور پیستونی است که پیستون را به میل لنگ متصل می کند. همراه با میل لنگ، میله اتصال حرکت رفت و برگشتی پیستون را به چرخش میل لنگ تبدیل می کند.
6. بلبرینگ پیستون
بلبرینگ ها قطعات پیستونی هستند که در نقاطی که چرخش محوری رخ می دهد قرار دارند. اینها معمولاً قطعات فلزی نیم دایره ای هستند که در سوراخ های این نقاط قرار می گیرند. بلبرینگ های پیستون شامل فنجان هایی در انتهای بزرگی است که میله به میل لنگ متصل است. در انتهای کوچک محل اتصال میله به پیستون نیز بلبرینگ هایی وجود دارد.
بلبرینگ های پیستونی معمولاً از فلزات کامپوزیت مانند مس سرب، آلومینیوم سیلیکون و غیره ساخته می شوند و اغلب برای بهبود سختی و تحمل بار ناشی از حرکت پیستون و شاتون پوشش داده می شوند.
انواع پیستون
سه نوع پیستون وجود دارد که هر کدام به دلیل شکل خود نامگذاری شده اند: رویه صاف، گنبدی و دیش.
1. پیستون های تخت
به همان سادگی که به نظر می رسد، یک پیستون سطح صاف دارای یک صفحه صاف است. پیستون های سطح تخت دارای کمترین فضای سطحی هستند. این آنها را قادر می سازد تا بیشترین نیرو را ایجاد کنند. این نوع پیستون برای ایجاد احتراق کارآمد ایده آل است.
پیستون های سطح تخت یکنواخت ترین توزیع شعله را ایجاد می کنند. مشکلی که با این کار همراه است این است که می تواند فشرده سازی بیش از حد برای محفظه های احتراق کوچکتر ایجاد کند.
2. دیش پیستون
پیستون دیش کمترین مشکل را برای مهندسان ایجاد می کند. این بیشتر به خاطر جایی است که از آنها استفاده می شود تا هر ملکی که خودشان در اختیار دارند.
شکل آنها درست شبیه یک صفحه است که لبه های بیرونی آن کمی به هم می خورد. به طور معمول، پیستون های ظرف در برنامه های تقویت شده ای استفاده می شوند که به میل بادامک بالابر یا نسبت تراکم بالا نیاز ندارند.
3. پیستون های گنبدی
در مفهوم مخالف پیستون های ظرف، این حباب ها در وسط مانند بالای یک استادیوم هستند. این کار برای افزایش سطح موجود در بالای پیستون انجام می شود. سطح بیشتر به معنای فشرده سازی کمتر است.
در حالی که فشردگی بیشتر به معنای تولید نیروی بیشتر است، محدودیت بالایی برای هر محفظه احتراق وجود دارد. کاهش نرخ تراکم به این روش اساساً از پاره شدن موتور جلوگیری می کند. این تنها یک ابزار برای محدود کردن مقدار نیروی تولید شده به چیزی است که موتور قادر است با خیال راحت از عهده آن برآید.
پیستون چگونه کار میکند؟
یک پیستون به روش زیر عمل می کند:
برای کورس مکش، پیستون از TDC به BDC حرکت می کند. در طی این حرکت، در داخل محفظه احتراق خلاء ایجاد می کند. خلاء با رسیدن به BDC ایجاد می شود که دریچه مکش را باز می کند. با باز شدن دریچه مکش، مخلوط هوا و سوخت از کاربراتور به محفظه احتراق وارد می شود.
پس از مکش، پیستون حرکت فشاری را انجام می دهد. برای این ضربه، از BDC به TDC حرکت می کند. در طی این حرکت، حجم محفظه احتراق را کاهش می دهد.
با کاهش حجم محفظه احتراق، فشرده سازی مخلوط هوا و سوخت اتفاق می افتد. با رسیدن پیستون به TDC، مخلوط هوا و سوخت به طور کامل فشرده می شود.
شمع زمانی که مخلوط به طور کامل با توجه به شرایط فشرده شود، مخلوط را مشتعل می کند. در اثر اشتعال مخلوط هوا و سوخت، انرژی گرمایی در داخل محفظه احتراق تولید می شود.
همانطور که سوخت هوای احتراق از یک شیر انبساط عبور می کند، منبسط شده و پیستون را مجبور می کند از TDC به BDC حرکت کند.
هنگامی که پیستون با مخلوط هوا و سوخت منبسط شده نیرو می گیرد، رفت و برگشت می کند و میله اتصال را بیشتر به حالت رفت و برگشتی می رساند.
شاتون همراه با میل لنگ، حرکت رفت و برگشتی را به حرکت چرخشی تبدیل کرده و به میل لنگ می رساند. میل لنگ بیشتر حرکت چرخشی را به چرخ فلایویل می رساند که چرخ های خودرو را می چرخاند.
در نهایت، پیستون حرکت اگزوز را انجام می دهد. برای این ضربه، پیستون دوباره از BDC به TDC حرکت می کند و گازهای خروجی اگزوز را از محفظه احتراق خارج می کند. پس از آخرین ضربه، کل چرخه تکرار می شود.
عملکرد پیستون
- وظیفه اصلی پیستون فشرده کردن تنها هوا یا مخلوط هوا و سوخت در داخل سیلندر و دریافت نیرو توسط مخلوط احتراق شده است.
- رانش تولید شده توسط مخلوط هوا و سوخت احتراق در سیلندر را دریافت می کند و آن را به شاتون می رساند.
- دارای حرکت رفت و برگشتی در داخل محفظه احتراق است. مکش، فشرده سازی، انبساط، و ضربه های اگزوز را انجام می دهد. پس از اتمام این ضربات، میل لنگ را می چرخاند که چرخ خودرو را بیشتر می چرخاند.
ویژگی پیستون
- پیستون موتور باید قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری بالایی داشته باشد.
- این قابلیت تحمل نیروی انفجاری، فشار بالا و دمای مخلوط هوا و سوخت احتراق در محفظه تراکم را دارد.
- باید قابلیت تحمل اثرات نوسان بار را داشته باشد.
- باید سبک باشه پیستون سبک وزن به کاهش اینرسی تولید شده به دلیل جرم رفت و برگشتی آن کمک می کند.
- پیستون موتور شما باید بدون صدا کار کند و سبک وزن است.
- باید از نظر مکانیکی قوی باشد.
مزایای پیستون:
مزایای اصلی پیستون ها عبارتند از:
- سادگی مکانیکی
- انعطاف پذیری و قابلیت اطمینان
- نسبت قدرت به وزن
- قابلیت چند سوختی
- دمای پایین عملکرد توربین
- لرزش و سر و صدای کمتر
- نگهداری کمتر
- راه اندازی آسان پیستون
- بسیار مناسب برای بازیابی حرارت هدر رفته
- درجه بالایی از قدرت مانور دادن
- هزینه تولید کمتر
- انتشار کم NOx
- این فرآیند احتراق HCCI را ارائه می دهد
- از نظر درونی متعادل است
- مدولار بودن
معایب پیستون
معایب اصلی پیستون ها عبارتند از:
- مصرف سوخت ضعیف
- پایداری عرضه سوخت
- راندمان بار بخشی ضعیف
- سرعت احتراق بالا
- دنده های کاهشی مورد نیاز است
