Τα πιστόνια ή αλλιώς έμβολα είναι από τα μηχανικά μέρη ενός κινητήρα τα οποία η χρησιμότητα τους είναι σημαντική, καθώς δίνουν κίνηση σε έναν κινητήρα (μοτέρ), είτε είναι παπιού είτε μηχανής μεγάλου κυβισμού. Για παράδειγμα αν η καρδιά είναι το σημαντικότερο όργανο για τον ανθρώπινο οργανισμό, το ίδιο ισχύει για τα έμβολα στους κινητήρες εσωτερικής καύσης.
Δεν είναι τυχαίο ότι ονομάζονται και "εμβολοφόροι". Όπως η καρδιά δίνει κίνηση στο αίμα και το αίμα δίνει ζωή, έτσι και το έμβολο δίνει κίνηση σε όλα τα μηχανικά μέρη του κινητήρα και τελικά κινεί τη μοτοσυκλέτα. Χωρίς έμβολο, απλά δεν θα υπήρχε κίνηση.
Η λέξη έμβολο, επίσης γνωστή ως "πιστόνι", είναι άμεσα συνδεδεμένη με οτιδήποτε αφορά τους κινητήρες μοτοσυκλετών. Είναι μια λέξη τόσο διαδεδομένη που η έννοια της θεωρείται αυτονόητη. Είναι όμως.? Αλήθεια, πόσα πιστεύετε ότι γνωρίζετε για τα περιβόητα πιστόνια.? Πως είναι σχεδιασμένα και τι κάνουν ακριβώς σε έναν κινητήρα.? Αν προσπαθούσαμε να ορίσουμε επακριβώς τα έμβολα μοτοσυκλετών ή γενικότερα τις μηχανές εσωτερικής καύσης (Μ.Ε.Κ) εξηγώντας ακριβώς τη χρησιμότητα και την λειτουργία τους, καταλήγουμε στο εξής " Έμβολο είναι ένα εξάρτημα ακριβείας, το οποίο έχει σαν αποστολή να παραλάβει την πίεση από την εκτόνωση των αερίων του καιγόμενου καυσίμου και να τη μετατρέψει σε ωφέλιμο έργο. Έργο το οποίο εμείς αντιλαμβανόμαστε ως δύναμη που τελικά κινεί τον τροχό.
Το έμβολο είναι άρα το γενεσιουργό εξάρτημα της κίνησης, η καρδιά του κινητήρα, για αυτό και το μεγαλύτερο μέρος των μηχανών εσωτερικής καύσης (Μ.Ε.Κ) είναι "εμβολοφόροι", "φέρουν"δηλαδή έμβολα και μάλιστα "παλινδρομούντα" φανερώνει ακριβώς τη λειτουργία τους: καθώς αέρια της καύσης εκτονώνονται (εκρήγνυνται, άρα αυξάνει απότομα ο όγκος τους), έχουν σαν μοναδική τους διέξοδο να σπρώξουν το έμβολο προς τα κάτω. Αυτή η κίνηση εμβόλου "προς τα κάτω" μεταφέρεται τελικά στον τροχό και κινεί την μοτοσυκλέτα. Η αδράνεια του στροφαλοφόρου αναλαμβάνει να το επιστρέψει στη αρχική του θέση, όπου τα αέρια θα το ξανασπρώξουν στον επόμενο κύκλο κοκ.(παλινδρόμηση).
Το έμβολο δέχεται μεγάλη πίεση, την οποία πρέπει ταυτόχρονα να διατηρήσει, δηλαδή να μην παρουσιάσει διαρροές. Από αυτό το σημείο γίνονται φανερές οι δύο βασικές απαιτήσεις ενός κατασκευαστή εμβόλου: να είναι ανθεκτικά και να εφάπτονται με ακρίβεια με τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Την απόλυτη στεγανοποίηση του θαλάμου καύσης αναλαμβάνουν τα ελατήρια, αλλά και πάλι η διάμετρος του εμβόλου πρέπει να βρίσκεται μέσα σε κάποια όρια (ανοχή) ώστε αφενός να κάνουν τα ελατήρια τη δουλειά τους, αφετέρου το έμβολο να είναι ελεύθερο να κινείται μόνο στον κατακόρυφο άξονα και όχι στον κάθετο, με άλλα λόγια να μην παρουσιάζει "τζόγους" οι οποίοι οδηγούν σε φθορά.
Όλα αυτά πρέπει να τα επιτυγχάνει, τη στιγμή που ο ρυθμός παλινδρόμησης μπορεί να φτάνει και στις.. 20.000 ταλαντώσεις το λεπτό στην καλύτερη περίπτωση ( 1 ταλάντωση = 1 στροφή του στροφαλοφόρου), κάτι το οποίο αποκαλύπτει άλλη μια απαίτηση: χαμηλό βάρος. Το έμβολο έχει μεγαλύτερη μάζα στον κινητήρα από όλα τα εξαρτήματα που παλινδρομούν.
Ελαφρύ, ανθεκτικό και κατεργασμένο με ακρίβεια πρέπει, επομένως, να είναι ένα έμβολο. Απαιτήσεις οι οποίες ξεκινούν ήδη από την επιλογή του υλικού. Σήμερα τα έμβολα μοτοσυκλετών είναι αποκλειστικά αλουμινένια, διαφορές κυρίως στη σύσταση του κράματος("μίγμα" αλουμινίου με άλλα στοιχεία που του δίνουν συγκεκριμένες ιδιότητες), αλλά και στον τρόπο κατασκευής.
Πως φτιάχνεται ένα έμβολο κοινώς πιστόνι.?
Τα έμβολα κατασκευάζονται κυρίως με τρεις διαφορετικούς τρόπους, οι οποίοι έχουν το δικό τους μερίδιο στις τελικές ιδιότητες. Με κατευθείαν κατεργασία σε ατόφιο μέταλλο, με χύτευση και με σφυρηλασία. Τα σφυρήλατα πιστόνια - έμβολα που κατεργάζονται κατευθείαν από μπάρες μετάλλου (billet) έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να αλλάξουν εύκολα τη σχεδίαση τους κατά την διάρκεια της παραγωγής, ενώ σε γενικές γραμμές, επειδή η πυκνότητα του υλικού τους είναι ομοιόμορφη, δεν υποφέρουν από εσωτερικές τάσεις που μειώνουν την ανοχή. Μόνο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου το ότι είναι εξαιρετικά χρονοβόρα, αφού η ποσότητα του μετάλλου που χρειάζεται να αφαιρεθεί για να γίνει η μπάρα μετάλλου τελικά έμβολο είναι μεγάλη. Σαν αποτέλεσμα, ο ρυθμός παραγωγής είναι μικρός και το κόστος αυξάνεται κατακόρυφα. Για αυτό η συγκεκριμένη μέθοδος δεν χρησιμοποιείται από μεγάλους κατασκευαστές που χρειάζονται μεγάλη παραγωγή, αλλά από βελτιωτές και κατασκευαστές αγωνιστικών εξαρτημάτων, για τους οποίους η ευελιξία στην παραγωγή είναι σημαντικότερη από το μέγεθος της.
Η πιο συνηθισμένη μέθοδος κατασκευής εμβόλων είναι η χύτευση. Το μέταλλο χύνεται σε υγρή κατάσταση σε καλούπια, με διαστάσεις ελαφρά μεγαλύτερες από τις τελικές. Οι ακριβείς τελικές διαστάσεις επι κατεργασία. Αυτός ο τρόπος είναι διαδεδομένος στους μεγάλους κατασκευαστές, γιατί είναι οικονομικός και παράγει γρήγορα μεγάλες ποσότητες. Μειονέκτημα του το ότι το υλικό δεν είναι αρκετά πυκνό, ενώ παρουσιάζονται και εσωτερικές τάσεις λόγω αναμοιόμορφης ψύξης του μετάλλου, ακόμη και μετά την ανόπτηση (θερμική κατεργασία απαλοιφής των εσωτερικών τάσεων). Αυτά έχουν ως επακόλουθο να μειώνεται η αντοχή, οι διαστάσεις μεγαλώνουν και μαζί με αυτές το βάρος. Χυτά έμβολα χρησιμοποιούνται ευρέως σε μοτοσυκλέτες μέσων απαιτήσεων. Η πιο εξελιγμένη μέθοδος είναι η σφυρηλασία. Εδώ το μέταλλο θερμαίνεται σε θερμοκρασία κοντά σε σημείο τήξης και στη συνέχεια πρεσάρεται απότομα και με πολύ μεγάλη δύναμη (από σφύρα) ανάμεσα σε καλούπια που του δίνουν το τελικό σχήμα . Επειδή με αυτόν τον τρόπο το μέταλλο συμπιέζεται αποκτά μεγάλη συνοχή και αυξάνεται η αντοχή του. Στην συνέχεια ακολουθεί ανάπτηση που εξαφανίζει τις εσωτερικές τάσεις και η τελική μηχανουργική κατεργασία δίνει στο έμβολο τις οριστικές διαστάσεις. Τέτοια έμβολα έχουν μεγάλη αντοχή σε σχέση με το βάρος τους, για αυτό και χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε κινητήρες υψηλών απαιτήσεων.
Από το χαρτί στην πράξη.!
Οι διαστάσεις ενός εμβόλου και η γενικότερη σχεδίαση τους είναι πολύ σημαντικά. Τα έμβολα τελικά κατεργάζονται από εργαλειομηχανές CNC (Computer Numerical Controlled) σύμφωνα με το πρόγραμμα στο οποίο έχει δοθεί το τελικό σχήμα με τις ακριβείς διαστάσεις. Για να οριστούν όμως αυτές με ακρίβεια, απαιτείται ολόκληρη μελέτη. Στη μελέτη αυτή πρέπει να ληφθούν υπόψη οι συνθήκες στις οποίες λειτουργεί το έμβολο, οι απαιτήσεις που πρέπει να καλύπτονται (π.ψ διάρκεια ζωής σε ώρες λειτουργίας, απαιτούμενη σχέση συμπίεσης) και να βρεθεί η ελαφρύτερη σχεδίαση που θα ανταποκρίνεται σε όλα τα παραπάνω, κάτι όχι ιδιαίτερα εύκολο.
Η σχεδίαση ενός εμβόλου εξαρτάται από τη ροή των αερίων, τη σχέση συμπίεσης, τις ανομοιόμορφες θερμοκρασίες, τη διαδρομή των βαλβίδων και τον χρονισμό τους. Ένα μέσο έμβολο λειτουργεί σε θερμοκρασία 380°C και υπό πίεση που φτάνει τα 2.600 psi ( για σύγκριση, η πίεση που βάζουμε στα λάστιχα του τροχού είναι 25 - 35 psi). Οι ταχύτητες ξεκινούν από το μηδέν και φτάνουν στα 35 m/sec (=126km/h). Αν σας φαίνονται μικρές, φανταστείτε ότι επιταχύνει σε αυτές και ξανασταματά μέσα σε μια διαδρομή.. 45 χιλιοστών του μέτρου (μια μέση διαδρομή για ένα τετρακύλινδρο 600) και στις 14.000 rpm αυτό γίνεται.. 28.000 φορές μέσα σε ένα λεπτό. Κάτω από αυτές τις συνθήκες ένα έμβολο πρέπει όχι μόνον να αντέχει, αλλά και να μη φθείρεται. Κάτι που μπορεί να ακούγεται περίεργο είναι ότι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος ένα έμβολο δεν είναι κυλινδρικό. Μοιάζει περισσότερο με κώνο ή μάλλον με κωνικό βαρέλι. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό είναι ότι το έμβολο πρέπει να είναι απόλυτα κυλινδρικό σε θερμοκρασίες λειτουργίας και όχι σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Ένα μέσο έμβολο έχει το μεγαλύτερο ποσοστό μάζας του στο πάνω μέρος (κορώνα), όπου και αναπτύσσονται οι μεγαλύτερες θερμοκρασίες, αφού εκεί έρχεται σε επαφή με τη φλόγα από τα καιγόμενα αέρια. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το άνω τμήμα να διαστέλλεται πολύ περισσότερο από το κάτω, μιας και η διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα δύο αυτά σημεία μπορεί να φτάνει και στους 250 βαθμούς. Φτιάχνοντας το έμβολο κωνικό όταν είναι κρύο, αυτή η ανομοιόμορφη διαστολή το φέρνει σε σχήμα απόλυτα κυλινδρικό σε θερμοκρασία λειτουργίας. Στα σύγχρονα έμβολα, υπάρχει συνήθως κεραμική επικάλυψη στην κορώνα για να αυξάνεται η αντοχή στην κρούση από την έκρηξη των καυσαερίων. Επικάλυψη υπάρχει συχνά και στην "ποδιά " για την μείωση των τριβών. Αυτό γίνεται με Teflon, βοηθά στην περίοδο του στρωσίματος και στην συνέχεια χάνεται.
Ιδιαίτερη μέριμνα χρειάζεται και η σχεδίαση του πίρου σύνδεσης του εμβόλου με την μπιέλα. Όλα τα φορτία που αναλαμβάνει το έμβολο μεταφέρονται στην μπιέλα μέσω του πίρου. Ο πίρος κάμπτεται και αυτήν την κάμψη αναλαμβάνει να μετριάσει κατά ένα ποσοστό η έδρασή του στο έμβολο. Κάτι το οποίο σημαίνει ότι αν ο ο πείρος καμφθεί υπερβολικά, καταπονεί το έμβολο, το οποίο μπορεί να σπάσει στα δύο σημεία στα οποία στηρίζεται ο πίρος. Για αυτόν τον λόγο ο πίρος πρέπει να κάμπτεται μέσα σε ελεγχόμενα όρια. Το γεγονός ότι πρέπει να είναι και ελαφρύς αποκλείει την περίπτωση ενός συμπαγούς πίρου, ο οποίος θα είχε την μέγιστη αντοχή. Η πιο συνηθισμένη διαμόρφωση είναι αυτή του κοίλου πίρου ( σωληνοειδές), ενώ υπάρχει περίπτωση κ εσωτερική διαμόρφωση να είναι κωνική , με την μικρή διάμετρο, μια διαμόρφωση που αυξάνει κάθετα την ακαμψία του πίρου.
Ελατήρια Πιστονιού - Εμβόλου
Τα ελατήρια έχουν πολλαπλό ρόλο σε ένα κινητήρα εσωτερικής καύσης. Σφραγίζουν τον θάλαμο καύσης τα καυσαέρια να περάσουν στα κάρτερ ή το λάδι στον θάλαμο καύσης. Ταυτόχρονα σκουπίζουν τα τοιχώματα του κυλίνδρου από το λάδι ώστε να μην καεί, ενώ λειτουργούν και σαν αγωγός θερμότητας από το έμβολο στον κύλινδρο, κάτι οποίο το καταφέρνουν σε ποσοστό μεγαλύτερο του 80%. Ως εκ τούτου, υπάρχουν δύο είδη ελατηρίων: συμπίεσης και λαδιού. Τα ελατήρια συμπίεσης είναι αυτά που αναλαμβάνουν το σφράγισμα του κυλίνδρου, ενώ τα ελατήρια λαδιού "ξύνουν" το λάδι από τα τοιχώματα του και δεν το αφήνουν να περάσει προς το θάλαμο καύσης , για αυτό και της συμπίεσης βρίσκονται πάνω από αυτά του λαδιού.
Ένας συνηθισμένος τετράχρονος κινητήρας έχει δύο ελατήρια συμπίεσης και ένα λαδιού σε κάθε έμβολο, ωστόσο αυτή η διάταξη μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τον κινητήρα. Έτσι, οι δίχρονοι κινητήρες δεν έχουν καθόλου ελατήριο λαδιού. Το ίδιο μπορεί να συμβαίνει και σε τετράχρονους αγωνιστικούς κινητήρες για μείωση των τριβών π.χ στο Honda RC30 που έχει μόνον ένα ελατήριο συμπίεσης σε κάθε έμβολο.
