Всегда в такт: поршень
Без приводной способности поршня ход промышленной революции выглядел бы, наверное, иначе. Ведь даже изобретенная когда-то паровая машина преобразовывала созданную паром энергию в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня. Этот принцип сохранился в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) до сих пор: в современном двигателе поршень преобразует тепловую энергию, получаемую при сгорании топливной смеси, в механическую работу, необходимую для приведения автомобиля в движение.
В каждом транспортном средстве — будь то с приводом от бензинового, дизельного или даже роторно-поршневого двигателя — применяются поршни различных размеров и конструкций. Эти детали действуют за кулисами. Обычный водитель не знает и не должен знать, какой вид поршня приводит его автомобиль в движение. Зато изготовителям двигателей требуются индивидуально сконструированные поршни, точно соответствующие виду конструкции двигателя и цели его применения.
Этим объясняется многообразие разработок, связанных с поршневой техникой. При этом наряду с выбором материала и геометрией поршней важную роль играют также стратегии, позволяющие добиться минимального трения между поршнями, поршневыми кольцами и гильзами цилиндров в блоке цилиндров двигателя и тем самым обеспечить оптимальные показатели расхода топлива и выбросов.
С 1920 года история развития поршня тесно связана с KS Kolbenschmidt в Неккарзульме. Начав первым изготавливать поршни из легкого металла алюминия, Карл Шмидт сначала вынужден был, однако, устранить многие препятствия и предубеждения. Дорогу в будущее помог проложить успех на конкурсе поршней, проведенном в 1921 году рейхсминистерством транспорта.
С этого началась история успеха компании KS Kolbenschmidt, существующая по сей день. Многочисленные разработки и патенты, огромное количество типов поршней, а также сознательное отношение к качеству и расходам составляют с тех пор основу репутации компании как партнера-разработчика почти всех крупных производителей транспортных средств.
Начало изготовления поршней
Уже в 20-х годах прошлого века стали проясняться значительные преимущества легких компонентов двигателя. Прежде всего постоянное увеличение частоты вращения требовало уменьшения массы подвижных деталей двигателя. В поиске легкого сплава, наиболее подходящего для изготовления автомобильных поршней, рейхсминистерство транспорта объявило в 1921 году всегерманский конкурс. Участие в конкурсе принял также Карл Шмидт, представив на нем поршень из сплава алюминия с добавлением 15 процентов меди. Несмотря на то, что этот медно-алюминиевый поршень из Неккарзульма занял «лишь» второе место после медно-магниевого поршня, тем самым алюминий получил официальное признание в качестве материала для изготовления поршней.
Долгое время медно-алюминиевые сплавы являлись стандартным материалом, который, однако, вначале из-за высокого содержания железа был твердым и хрупким, что часто приводило к разрушению поршней. Позже железо стали постепенно заменять никелем и кобальтом, за счет чего улучшилась эластичность поршней.
Kolbenschmidt — так компанию вскоре стали называть в народе — добилась благодаря своему поршню из легкого металла больших успехов и завоевала многочисленных клиентов из немецкой и мировой автомобильной промышленности. В течение первых десяти лет на заводе в Неккарзульме выпускались только литые заготовки. Дальнейшая обработка выполнялась на других предприятиях. Но в 1934 году компания Kolbenschmidt начала собственную обработкупоршней: будь то плакированные днища поршней из чистого алюминия для защиты от тепловых нагрузок, отшлифованные до овальной формы поршни для достижения оптимальных ходовых качеств или поршни с U-образными вставками для повышения мощности двухтактных ДВС при длительной нагрузке — лаборатория поршней в Неккарзульме постоянно разрабатывала металлургические и конструктивные новшества. Объем производства очень быстро достиг миллионов штук: в 1937 году был отлит 12-миллионный поршень.
Но не только легковые автомобили оснащались поршнями: уже в 1923 году компания Kolbenschmidt изготовила для кёльнского производителя двигателей Deutz первый крупный поршень диаметром 280 миллиметров для дизельных двигателей так называемым «литьем в кокиль», а в 1940 году был выпущен первый крупный поршень диаметром более 500 миллиметров.
В 1927 году на смену медно-алюминиевому поршню пришел новый продукт из алюминиевого сплава с высоким содержанием кремния. С этого времени началось триумфальное шествие так называемого поршня «Alusil» в автомобильном мире, которое продолжается по сей день.
Поршень с 1945 года
Спустя годы вызванного войной застоя компания Kolbenschmidt в 1948 году снова обратила на себя внимание новой разработкой. Для обеспечения контролируемого теплового расширения юбки поршня при высоких рабочих температурах был создан и передан в крупносерийное производство поршень с терморегулирующей кольцевой вставкой. На верхнем конце юбки поршней этого типа конструкции с высоким объемом продаж во всем мире отливалось в основном зубчатое кольцо из листовой стали. Спустя два года, в 1950 году, для промышленности двигателей большой мощности был выпущен самый крупный в то время в мире алюминиевый поршень диаметром 573 миллиметра для четырехтактных дизельных двигателей.
В 1959 году появились первые поршни диаметром 400 миллиметров с упрочняющими вставками для колец Duleman, выпущенные компанией Kolbenschmidt для 12-цилиндровых двигателей. Они отливались так называемым методом Alfin и позволили впервые использовать поршни из легкого металла при работе на тяжелом топливе. До этого времени тяжелое топливо всегда вызывало высокий износ поршней и поршневых колец. Способность поршней выдерживать нагрузки улучшилась также за счет интенсивного охлаждения в области пояса поршневых колец.
Охлаждение поршней приобретало значимость и для двигателей легковых автомобилей. Ведь поршень — это та деталь в автомобиле, которая испытывает наибольшую нагрузку. Первые попытки разработать для дизельных двигателей поршни с охлаждающими каналами были предприняты в 1963 году с введением технологии спекания. Однако уже вскоре обозначились границы этой технологии, так как удаление залитых зерен песка или металла было связано с большими техническими затратами и никогда не обеспечивалось полностью. В 1965 году, с применением зерен соли, легко вымываемых после отливки, было найдено перспективное решение пока для крупных поршней. Новые горизонты открыли также терморегулируемый поршень с сегментной вставкой и, не в последнюю очередь, вращающийся поршень для роторно-поршневых двигателей, в области которых в то время велись интенсивные разработки.
В 1971 году была введена заимствованная у Reynolds технология нанесения на поршни покрытия из железа, которая до сих пор является значительным достижением в технологии производства поршней. Свои новаторские качества компания еще раз проявила, введя стандартный по сей день производственный процесс по изготовлению фасонного отверстия для поршневого пальца, при котором путем трудоемкой обработки получается отверстие сложной формы. Это новшество позволило оптимизировать способность бобышек поршней выдерживать нагрузки.
Для судовых двигателей, локомотивов и электростанций расширялось применение поршней, верхняя часть которых изготавливалась из стали, а нижняя — из серого чугуна.
В 80-х годах велись в основном разработки легких и износостойких поршней для легковых автомобилей, чрезвычайно низко устанавливаемых поршней и инновационных материалов. Так, был разработан поршень с состоящим из семи частей литейным стержнем, который стал прототипом нынешнего поршня из легкого сплава. В результате разработок появились также прессованный поршень с местным усилением волокном и технология твердого анодирования кольцевых канавок. Продукты компании Kolbenschmidt играют важную роль в улучшении окружающей среды.
Дальнейшее ужесточение законов о выбросах в 90-х годах дополнительно увеличило нагрузку на эту центральную деталь двигателя. С целью снижения уровня выбросов разработчикам автомобилей требовались поршни с как можно более узким жаровым поясом. Совместными усилиями они добились разработки новых усовершенствованных сплавов, устойчивых к действию высоких температур, и поршней с охлаждающим каналом переменного поперечного сечения. Подобные новшества распространились и на крупные поршни, которые благодаря запатентованной в 1991 году технологии щелевого охлаждения стали выдерживать повышенную тепловую нагрузку. В 1996 году появился также крупнейший до сих пор в мире поршень четырехтактного двигателя. Этот поршень диаметром 640 миллиметров используется в приводах контейнеровозов.
Будь то передовые разработки материалов или обширное производственное ноу-хау — инновационное мышление компании Kolbenschmidt позволяет ей, несмотря на жесткую конкуренцию, уже на протяжении десятилетий укреплять свои ведущие позиции в мире.
1921 Конкурс поршней, проведенный рейхсминистерством транспорта
1934 Начало собственной обработки поршней
1935 Открытие завода по производству поршней в Гамбурге
1923 Первый крупный поршень из алюминия
1935 Разработка метода изготовления кованых поршней
1950 Создание самого крупного в то время алюминиевого поршня
1964 Разработка вращающегося поршня для роторно-поршневых двигателей
1969 Создание поршня с охлаждающими каналами
1985 Начало серийного производства составных поршней
1997 Самый малый поршень для дизельного двигателя автомобиля «Smart»
2005 Начало производства стальных поршней для грузовых автомобилей
2007 Разработка покрытия юбки для снижения трения