ピストンについて知りたかったすべて -#8211; 機能 – 車とドライバー

エンジン内のアルミニウムの塊は灼熱の地獄の中で生きています。 フルスロットルおよび 6000 rpm では、繰り返される爆発により金属が華氏 600 度以上に加熱されるため、ガソリン エンジンのピストンには 0.02 秒ごとにほぼ 10 トンの力がかかります。

最近では、その円筒形のハデスはかつてないほど熱く、より激しくなっており、ピストンにとってはさらに悪化する可能性が高くなります。 自動車メーカーがより高い効率を追求する中、ピストンメーカーは、最も強力な自然吸気ガソリンエンジンが現在の 130 馬力/リットルから 175 馬力を生産する未来に備えています。 ターボ過給と出力の増加により、さらに厳しい条件が発生します。 過去 10 年間で、ピストンの動作温度は 120 度上昇し、シリンダーのピーク圧力は 1500 psi から 2200 psi まで上昇しました。

ピストンは、それが搭載されているエンジンについての物語を語ります。 リューズを見ると、ボア、バルブの数、燃料がシリンダーに直接噴射されているかどうかがわかります。 しかし、ピストンの設計と技術は、自動車業界が直面する幅広い傾向や課題について多くを語ることもできます。 格言を言います。自動車が進化すると、エンジンも進化します。 そしてエンジンが動くとピストンも動きます。 燃費の向上と排出ガスの削減を追求する中で、自動車メーカーは、より厳しい運転条件に耐えられる耐久性を備えた、より軽量で低摩擦のピストンを求めています。 ピストンのサプライヤーの労働時間を費やすのは、耐久性、摩擦、質量という 3 つの懸念事項です。

多くの点で、ガソリン エンジンの開発は 15 年前にディーゼルが敷いた道をたどっています。 シリンダーのピーク圧力の 50% の増加を補うために、一部のアルミニウム ピストンにはトップ リングをサポートする鉄または鋼のインサートが取り付けられています。 最も高温のガソリン エンジンには、間もなく、ピストンの下面にオイルをスプレーするだけの今日の方法よりも効率的に熱を除去できる冷却ギャラリー、つまりクラウンの下面に密閉されたチャネルが必要になるでしょう。 スクイターはピストンの底にある小さな開口部にオイルを噴射し、ギャラリーにオイルを供給します。 一見シンプルな技術ですが、製造するのは簡単ではありません。 中空の通路を作成するには、ピストンを 2 つの部品として鋳造し、それらを摩擦溶接またはレーザー溶接で接合することを意味します。

ピストンはエンジンの摩擦の少なくとも 60% を占めており、ここの改善は燃料消費量に直接影響します。 スカートにスクリーン印刷された、摩擦を軽減するグラファイト含浸樹脂パッチは、現在ではほぼ普遍的に使用されています。 ピストンのサプライヤーであるフェデラル・モーグル社は、オイル消費量を増やさずにリングの張力を下げることができるオイル リングのテーパー面を実験中です。 リングの摩擦が低いと、シリンダーあたり最大 0.15 馬力のロックを解除できます。

自動車メーカーはまた、互いに擦れたり回転したりする部品間の摩擦を軽減する新しい仕上げを求めています。 硬くて滑りやすいダイヤモンド状コーティング (DLC) は、シリンダー ライナー、ピストン リング、リスト ピンに有望であり、ピンとコネクティング ロッド間のベアリングの必要性を排除できます。 しかし、それは高価であり、今日の自動車にはほとんど適用されていません。

ドイツの自動車部品サプライヤー、マーレ社の製品開発担当シニアディレクター、ヨアヒム・ワーゲンブラスト氏は「（メーカーは）DLCについて頻繁に議論しているが、量産車に採用されるかどうかは疑問符だ」と語る。

ますます高度化するコンピューターモデリングとより精密な製造方法により、より複雑な形状も可能になります。 クリアランスを確保し、特定の圧縮比を達成するために必要なボウル、ドーム、バルブのくぼみに加えて、非対称スカートはピストンのスラスト側のより小さく硬い領域を特徴とし、摩擦と応力集中を軽減します。 ピストンをひっくり返すと、厚さがわずか 0.1 インチしかないテーパー状の壁が見えます。 壁を薄くすると、すでにミクロン、つまり 1000 分の 1 ミリメートル単位で測定されている公差をより厳密に管理する必要があります。

また、壁が薄くなるにつれて、場合によっては氷点下から数秒で数百度まで温まらなければならない物体の熱膨張をより深く理解することが求められます。 エンジン内の金属は加熱しても均一に膨張しないため、公差を最適化するには、部品にわずかな偏心を生み出すための設計経験と精密な機械加工能力が必要です。

「私たちが作るものは、意図的に真っ直ぐだったり丸かったりするものはありません」と、フェデラル・モーグル社のエンジニアリングおよびテクノロジー担当ディレクターのケリ・ウェストブルック氏は言います。 「私たちは常に何らかの補償を積み上げています。」

ディーゼル エンジンのピストンは、シリンダーのピーク圧力が 3600 psi に向かって上昇するにつれて、独自の進化を遂げています。 マーレ社とフェデラル・モーグル社は、鋳造アルミニウムから鍛造鋼製ピストンへの移行を予測している。 スチールはアルミニウムよりも密度が高く、強度が 3 倍あるため、重量を増加させることなく、より高い圧力と温度に対するピストンの耐久性が向上します。

スチールは、リストピンの中心からクラウンの上部までの距離として定義されるピストンの圧縮高さを短縮することにより、形状の顕著な変化を可能にします。 この領域はピストンの重量の 80% を占めるため、一般に短いほど軽いことを意味します。 重要なのは、圧縮高さを低くするとピストンが縮むだけではありません。 また、デッキの高さが低くなるため、エンジンブロックをより短く、より軽量にすることも可能になります。

マーレは、ル・マンで 4 回優勝したアウディ R18 TDI やマツダの LMP2 SKYACTIV-D エンジンなど、最先端のターボディーゼル アプリケーション向けのスチール ピストンを製造しています。 同社は今年後半に、軽量量産ディーゼルエンジンであるルノー1.5リットル4気筒用の最初の鋼製ピストンの出荷を開始する予定だ。

内燃エンジンの永続的な関連性は、そのコンポーネントの継続的な進化によるものです。 ピストンはセクシーではありません。 これらは、リチウムイオン電池ほど現代的ではなく、デュアルクラッチトランスミッションほど複雑ではなく、トルクベクタリングディファレンシャルほど興味深いものでもありません。 しかし、自動車の進歩が 1 世紀以上続いた後も、往復ピストンは私たちを動かす動力のほとんどを生み出し続けています。

アプリケーション: フェラーリ 458 イタリア (表示)、458 スパイダー

エンジン型式：DOHC V型8気筒

排気量: 274 立方インチ、4497 cc

特定出力: 125.0 hp/l

最高エンジン回転数: 9000 rpm

ボア: 3.70インチ

重量: 2.1ポンド

アプリケーション: フォード フィエスタ (図示)、フォーカス

エンジンタイプ：ターボチャージャー付きDOHC直列3気筒

排気量: 61 立方インチ、999 cc

特定出力: 123.1 hp/l

最高エンジン回転数: 6500 rpm

ボア: 2.83インチ

重量: 1.5ポンド

アプリケーション: ラムヘビーデューティ (図示)

エンジンタイプ：ターボチャージャー付きプッシュロッドディーゼル直列6気筒

排気量: 408 cu in、6690 cc

特定出力: 55.3 hp/l

最高エンジン回転数: 3200 rpm

ボア: 4.21インチ

重量: 8.9ポンド

アプリケーション: フォード F-150、マスタング (図示)

エンジン型式：DOHC V型8気筒

排気量: 302 立方インチ、4951 cc

特定出力: 最大 84.8 hp/l

最高エンジン回転数: 7000 rpm

ボア: 3.63インチ

重量: 2.4ポンド

アプリケーション: ダッジダート。 フィアット 500 アバルト (表示)、500L、500 ターボ

エンジンタイプ：ターボチャージャー付きSOHC直列4気筒

排気量: 83 cu in、1368 cc

特定出力: 最大 117.0 hp/l

最高エンジン回転数: 6500 rpm

ボア: 2.83インチ

重量: 1.5ポンド

用途: 大型トラック (International Prostar を示す)

エンジンタイプ: ターボチャージャー付きSOHCディーゼル直列6気筒

排気量: 912 立方インチ、14,948 cc

特定の出力: 最大 40.1 hp/l

最高エンジン回転数: 2000 rpm

ボア: 5.39インチ

重量: 26.4ポンド

アプリケーション: ダッジ バイパー (図示)

エンジンタイプ: プッシュロッド V-10

排気量: 512 立方インチ、8382 cc

特定出力: 76.4 hp/l

最高エンジン回転数: 6400 rpm

ボア: 4.06インチ

重量: 2.8ポンド

アプリケーション: フォード エクスペディション、エクスプローラー スポーツ、F-150 (表示)、トーラス SHO、トランジット。 リンカーン MKS、MKT、ナビゲーター

エンジンタイプ: ツインターボチャージド DOHC V-6

排気量: 213 立方インチ、3496 cc

特定出力: 最大 105.8 hp/l

最高エンジン回転数: 6500 rpm

ボア: 3.64インチ

重量: 2.6ポンド

アプリケーション: サイオン tC (図示)。 トヨタ カムリ、RAV4

エンジン形式：DOHC直列4気筒

排気量: 152 立方インチ、2494 cc

特定出力: 最大 72.2 hp/l

最高エンジン回転数: 6500 rpm

ボア: 3.54インチ

重量: 2.5ポンド

アプリケーション: MS441 CM マグナム チェーンソー (図示)、MS441 C-MQ マグナム チェーンソー

エンジンタイプ: 2ストローク単気筒

排気量: 4 立方インチ、71 cc

特定出力: 79.7 hp/l

最高エンジン回転数: 13,500 rpm

ボア: 1.97インチ

重量: 0.4ポンド

アプリケーション: ダッジ チャレンジャー SRT ヘルキャット

エンジンタイプ: スーパーチャージャープッシュロッド V-8

排気量: 376 立方インチ、6166 cc

特定出力: 114.7 hp/l

最高エンジン回転数: 6200 rpm

ボア: 4.09インチ

重量: 3.0ポンド

ピストンの仕事量が増加するにつれて、コンロッドへの要求も増加します。 燃焼圧力が高くなると、ピストンとクランクを接続するスティックにかかる応力が大きくなります。 エキゾチックなチタン片のまれな例外を除いて、コネクティングロッドは通常、粉末鋼から作られ、金型内で圧縮および加熱されるか、高性能用途向けに鋼素材から鍛造されます。 主要な技術的変化は、粉末金属コンロッドと鍛造コンロッドの両方のビッグエンド キャップにひび割れが発生したことです。 以前は、ロッドとクランクピンのエンドキャップは別個の部品として製造されていました。 キャップにひびの入ったロッドが単一のボックスレンチ状の部品として金型から取り出されます。 クランクピンの端はエッチングされ、プレスで 2 つに折られます。 結果として生じる不規則な表面により、位置合わせが改善されます。 より安全なキャップとロッドの接続が得られます。 より細く、より軽量なコンロッドアセンブリが可能になります。

非金属ピストン: セラミックと複合材料は、アルミニウムと比較して、熱膨張が低く、軽量で、強度と剛性が高いという魅力があります。 1980年代、メルセデス・ベンツはドイツ政府の助成金を利用して、カーボン複合ピストンを備えた190Eエンジンを開発し、15,000マイルを問題なく走行できました。 テクノロジーは健全ですが、製造が制限要因でした。 1990 年の NASA の調査では、カーボンカーボンビレットから 1 つのピストンを機械加工するのに 2000 ドルかかることが判明しました。 代替案は、時間のかかる手作業によるレイアッププロセスでした。

ヴァンケル ローター: わかりました、わかりました、これが往復ピストンではないことはわかっていますが、鋳鉄製の三角形のローターは燃焼エネルギーをトルクに変換するため、ヴァンケル エンジンのピストンの類似物です。 新型マツダ RX の登場が目前にない中、ロータリー復活への唯一の希望はアウディのようです。アウディは、2010 年型アウディ A1 e-tron プラグイン ハイブリッド コンセプトでヴァンケル型レンジエクステンダーを搭載して私たちをからかってきました。

楕円形ピストン: 2 ストローク モーターサイクル エンジンが標準だった時代に、ホンダは 1979 年のワールド モーターサイクル グランプリに 4 ストローク エンジンを持ち込みました。これは歴史上最も奇妙なエンジンの 1 つとして知られています。 ホンダの NR500 GP バイクは、V 角 100 度の V-4 エンジン、それぞれ 8 個のバルブを備えた楕円形シリンダー、およびピストンごとに 2 本のコネクティング ロッドを搭載していました。 楕円形のピストンをシールするのは難しいことが判明したが（本田宗一郎の本来の仕事はトヨタにピストンリングを供給することであった）、しかしそれはチームの懸念の中で最も軽微なものの一つであった。 バイクは世界 GP レースで定期的にリタイアし、時には予選落ちすることもありました。 3 年以内に、ホンダは伝統的な 2 ストローク レース エンジンに戻りました。

対向ピストン エンジン: EcoMotors のディーゼル燃焼 2 ストローク対向ピストン対向シリンダ (OPOC) エンジンは、従来の圧縮着火エンジンと比較して効率が 15% も向上すると主張しています。 燃焼室を 2 つのピストンの間に配置することで、同社は重大な熱損失と摩擦の原因となるシリンダー ヘッドとバルブトレインを排除しました。 素晴らしいフィッシュキャブレターと一緒に棚に並べられない限り、部品点数の少ないOPOCエンジンはより安価で軽量になるはずです。

エリック・ティングウォールは、機械工学とジャーナリズムの学位を取得しており、カー アンド ドライバーで働くという夢を持ってこの組み合わせを追求しました。 夢を実現しながら、彼は車の部品を半分に切り、時速80マイルで静止したダミーカーに乗り込み、最もホットなパフォーマンスカーでバージニア・インターナショナル・レースウェイを周回し、風変わりで手を振り、膨らませて腕を振り回すチューブ人間の背後にある物理学を説明した。 。

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