Двигатель любой современной машины характеризуется высокой сложностью конструкции и большим числом составных элементов. Несмотря на такую высокую сложность, основывается на базовых понятиях, которые актуальны для машины любого класса и года выпуска. В этой статье мы рассмотрим один из ключевых элементов - поршень двигателя внутреннего сгорания - и расскажем о том, для чего он нужен и из чего состоит.
Строение
Поршень 4-тактного двигателя имеет достаточно сложное строение и, таким образом, целиком устройство включает в себя несколько составных частей. Это позволяет придавать машине оптимальные технические характеристики, а также делать 4-тактный двигатель более устойчивым к нагрузкам, а значит, долговечным.
Основная часть, из которой состоит поршень четырехтактного ДВС, - это его днище. Днище по своему диаметру чуть меньше, чем диаметр цилиндра, что объясняется наличием компрессионных и маслосъемных колец. Днище поршня любого диаметра может иметь разную форму и описание. Так, оно может иметь вогнутую форму, а само углубление может обладать различной конфигурацией.
Основное назначение днища в устройстве поршня в конструкции - это взаимодействие с топливными парами, которые при сгорании толкают поршень и заставляют его быть в движении на протяжении всего периода работы. Форма днища в поршне 4-тактного мотора диктуется большим количеством факторов. Обычно это зависит от количества свечей, мощности, диаметра самого поршня и многих других нюансов.
Помимо днища, в поршне, сколько бы миллиметров он ни насчитывал в диаметре, обязательно присутствует уплотнительная часть, которая включает в себя такие устройства, как компрессионные и маслосъемные кольца. Компрессионные кольца вкладываются в специальные выточенные желобки, которые по своему диаметру чуть отличаются от диаметра головки поршня. Их задача - не позволять смешиваться отработанной и свежей смеси, а также сохранять давление во время горения топлива.
В чем же заключается назначение компрессионных колец? Компрессионные 4-тактного двигателя необходимы для того, чтобы эффективность работы мотора была максимальной, и вся энергия сгоревшего топлива была направлена на то, чтобы поршень перемещался. По этой причине к материалам, из которых изготавливаются такие кольца в четырехтактном двигателе, предъявляются серьезные и строгие требования.
Помимо компрессионных, поршень 4-тактного двигателя в обязательном порядке оборудуется такими конструкциями, как кольца маслосъемные, которые обладают чуть большим диаметром, чем сам поршень. Они необходимы для того, чтобы смазка, которая постоянно циркулирует в моторе для предотвращения трения и перегрева, оставалась на трущихся поверхностях в нужном количестве и не накапливалась в камере сгорания. Благодаря этому, удается избежать масляного нагара, а расход смазки резко сокращается.
Как это работает?
Ход поршня четырехтактного двигателя представляет собой цикл, в течение которого коленчатый вал двигателя совершает один полный оборот. За это время топливная смесь, которая поставляется карбюратором или инжектором, полностью сгорает и выводится в , где проходит через глушитель и рассеивается в окружающую среду.
Ход поршня характеризуется исключительно движением вверх и вниз. Такое положение дел касается и четырехтактных, и всех остальных разновидностей моторов. Как уже было сказано, поступательное движение обуславливается исключительно процессами горения, которые протекают при высокой температуре.
Когда ход поршня производится в вертикальном направлении, коленчатый вал, с которым он соединяется, совершает вращательное движение. По этой причине конструкторами и инженерами был введен кривошип, который позволяет приводить вал в движение и заставлять его вращать колеса все время, пока четырехтактный двигатель запущен.
Обычно кривошип связан с головкой поршня шарнирно: ход поршня достаточно свободен для того, чтобы кривошип смещался на острый угол относительно оси симметрии и был в движении беспрестанно. Шатун представляет собой небольшой металлический стержень, который на двух концах оборудован вставками под шарнир. С одной стороны шатун движется относительно поршня, который движется вверх и вниз.
С противоположного конца шатун подвижно закрепляется к коленчатому валу. Между шатуном и валом располагаются так называемые вкладыши, устройство которых позволяет переносить высокие температуры и не истираться даже при пиковых нагрузках. Когда настает пора ремонта, вкладыши меняются на новые, и таких циклов обслуживания до замены коленчатого вала может быть несколько.
Материал изготовления
Поршень 4-тактного двигателя, а вернее, материал, из которого он изготовлен, должен отвечать большому числу требований. К примеру, материал должен быть устойчивым к серьезным перегрузкам по температуре, ведь горение топлива вызывает сильнейший перегрев, к которому не готово большинство существующих материалов.
Кроме того, такие материалы должны обладать невысокой плотностью. Это нужно для максимального облегчения поршня с целью снижения нагрузки на детали и суммарного расхода топлива.
Какие же материалы отвечают подобным требованиям и широко применяются на четырехтактных двигателях внутреннего сгорания? Самым распространенным таким материалом является чугун. Будучи относительно недорогим, он отлично справляется со всеми своими задачами и выдерживает высокие температуры. Как показывает практика, ресурс такой детали достаточно высок, а надежность отвечает всем предъявляемым требованиям, поэтому поршень из чугуна можно найти на большинстве автомобилей.
Тем не менее прогресс не стоит на месте, и на смену чугуну пришел алюминий, а вернее, его специальная разновидность. Преимущество такого материала в том, что он ощутимо легче, однако по прочности ничуть не уступает привычному чугуну. По этой причине на спортивные машины в четырехтактные моторы ставят именно алюминиевые поршни. Такое решение позволило повысить мощность, увеличить ресурс и снизить расход топлива. Стоит отметить, что на обычные гражданские машины поршни из алюминия устанавливаются также нередко, что говорит об их очевидных преимуществах.
Резюме
Поршень двигателя - это важная деталь, без которой нормальная работа мотора оказалась бы невозможной. В связи с этим мировые автопроизводители стараются приблизить существующие решения к совершенству. Это позволяет добиться лучших характеристик при более высоком ресурсе, что говорит о том, что прогресс не стоит на месте.
Поршень занимает центральное место в процессе преобразования энергии топлива в тепловую и механическую. Поговорим про поршни двигателя, что это такое и как они работают.
Что это такое?
Поршень - деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра двигателя. Нужен для изменения давления газа в механическую работу, или наоборот - возвратно-поступательного движения в изменение давления. Т.е. он передаёт на шатун усилие, возникающее от давления газов и обеспечивает протекание всех тактов рабочего цикла. Он имеет вид перевёрнутого стакана и состоит из днища, головки, направляющей части (юбки).В бензиновых моторах применяются поршни с плоским днищем из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. Хотя на некоторых современных авто делают специальные выемки под клапаны. Это нужно, чтобы при обрыве ремня ГРМ поршни и клапана не встретились и не повлекли серьёзный ремонт. Днище поршня дизеля делают с выемкой, которая зависит от степени смесеобразования и расположения клапанов, форсунок. При такой форме днища лучше перемешивается воздух с поступающим в цилиндр топливом.
Поршень подвержен действию высоких температур и давлений. Он движется с высокой скоростью внутри цилиндра. Поэтому изначально для автомобильных двигателей их отливали из чугуна. С развитием технологий стали использовать алюминий, т.к. он давал следующие преимущества: рост оборотов и мощности, меньшие нагрузки на детали, лучшую теплоотдачу.
С тех пор мощность моторов выросла многократно. Температура и давление в цилиндрах современных автомобильных двигателей (особенно дизельных моторов) стали такими, что алюминий подошёл к пределу своей прочности . Поэтому в последние годы подобные моторы оснащаются стальными поршнями, которые уверенно выдерживают возросшие нагрузки. Они легче алюминиевых за счет более тонких стенок и меньшей компрессионной высоты, т.е. расстояния от днища до оси алюминиевого пальца. А еще стальные поршни не литые, а сборные.
Помимо прочего, уменьшение вертикальных габаритов поршня при неизменном блоке цилиндров дает возможность удлинить шатуны. Это позволит снизить боковые нагрузки в паре "поршень-цилиндр, что положительно скажется на расходе топлива и ресурсе двигателя. Или, не меняя шатунов и коленвала, можно укоротить блок цилиндров. Таким образом облегчим мотор.
Какие требования?
- Поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен быть устойчивым к высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
- Он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износа.
- Испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.
- Совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.
Основное назначение
Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя . Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель. То, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.Еще раз повторим известный факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым.
Наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что тепло будет передано окружающему воздуху – самому холодному. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, остудит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Остается найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути.
Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток , – это поршневые кольца . Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.
Второй путь менее очевиден. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло.
Имея доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит и отдает в поддон картера значительную часть тепла от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло функцией теплоносителя, мы должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести.
Третий путь. Часть тепла отбирает на нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит импульсный характер; отличается скоротечностью и высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.
В силу большей значимости следует уделить пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Понятно, что если этот путь мы перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.
Вспомним такую характеристику, как компрессия . Представим, что кольцо не прилегает по всей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это то же самое, как если бы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.
Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается возможности охлаждаться. Как результат – прогар и выкрашивание части, прилегающей к месту утечки.
Сколько колец нужно для поршня? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. При уменьшении их количества и высоты ухудшаются условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.
Поршень является одним из самых значимых элементов при преобразовании химической энергии топлива в тепловую, а затем - в механическую, как в прямом, так и в переносном смысле. Моторные характеристики во многом зависят от того, насколько хорошо поршень выполняет свои задачи. Это определяет эффективность и, что ещё важнее, надёжность мотора. Особое значение данный параметр принимает, когда идёт речь о модификациях автомобилей в салонах тюнинга, или о спортивном применении. Конструкторы всегда сталкиваются с проблемой использования специальных поршней , когда повышается мощность. Поршень можно считать одной из самых сложных моторных деталей из-за множества выполняемых функций и достаточно противоречивых свойств. Это в высшей степени подтверждает тот факт, что очень мало автостроителей изготавливают поршни для своих моторов, используя лишь свои силы.
В большинстве случаев они прибегают к услугам специализирующихся на этом деле фирм. О поршнях ходит огромное количество тайн и догадок, которые создаёт разнообразие размеров и форм этой детали. В соответствующем разделе нашего сайта вы сможете найти статью . Изготовить поршень в стандартных условиях машиностроения в тюнинговых компаниях технически сложно, практически невозможно, поэтому большинство компаний этим делом отказывается заниматься. К тому же, производство таких сложных деталей поштучно может быть обременительно с точки зрения финансов. Интуитивно тюнеры понимают, что улучшенные двигатели должны иметь улучшенные поршни.
Устройство поршней
Давайте рассмотрим подробнее, какие к поршням обычно предъявляются требования, и как вообще они устроены.
- Поршень, во-первых, перемещается в цилиндре, что позволяет совершать механическую работу путём расширения продуктов горения топлива, то есть, сжатых газов
Из этого можно сделать вывод, что он должен сопротивляться давлению газов, обладать термостойкостью и уплотнять канал цилиндра.
- Во-вторых, поршень должен соответствовать требованиям пары трения, чтобы механические потери и износ стали минимальными.
- В-третьих, он должен выдерживать реакцию шатуна и механическое воздействие со стороны камеры сгорания.
- В-четвёртых, поршень должен минимально нагружать инерционными силами криво-шатунный механизм, совершая с высокой скоростью возвратно-подступательные движения.
Получается, что все проблемы, связанные с этой значимой частью двигателя, разделить можно на две категории:
- Это механические процессы
- Тепловые процессы, причём первая намного обширнее второй. Категории имеют достаточно тесную взаимосвязь. Давайте более подробно рассмотрим первую.
Как известно, топливо сгорает в непоршневом пространстве, и при этом выделяет очень большое количество тепла при каждом цикле работы двигателя. Температура уже сгоревших газов в среднем равна 2000 градусов. Часть энергии перейдёт движущимся частям мотора, а остальная станет нагревать двигатель. Энергия, которая останется в итоге, улетит в трубу вместе с обработанными газами. По законам физики два тела могут передавать друг другу тепло до того момента, пока их температуры полностью не сравняются. Соответственно, если поршень периодически не охлаждать, спустя некоторое время он просто-напросто расплавится. Это очень значимый момент для понимания принципов работы всей поршневой группы.
Особенно это важно тогда, когда мотор форсируется. При увеличении мощности мотора автоматически увеличивается количество генерируемого в камере сгорания тепла за одну временную единицу. Конечно, мы видим очень даже нечасто поршни в расплавленном, однако в любой их проблеме обязательно есть упоминается температура, точно также как скорость присутствует в любом ДТП. Конечно, вина здесь лежит на водителе, однако никто бы не пострадал, если бы автомобиль стоял на месте. Дело в том, что высокие температуры ухудшают характеристики всех материалов. Нагрузка в 100 градусов вызовет упругую деформацию, в 300 градусов - деформирует изделие полностью, а в 450 градусов деформирует её. По этой причине нужно либо применять материалы, которые могут выдержать серьёзные нагрузки от высоких температур, либо принимать меры, предотвращающие рост температуры поршня. Обычно делается и то, и другое. Тем не менее, конструкция поршня должна быть такой, чтобы в необходимых местах было определённое количество металла, который способен противостоять разрушению.
Курс общей физики подтверждает тот факт, что тепловой поток направлен к менее нагретым телам от более нагретых. Таким образом, у нас есть возможность увидеть, как температуры распределяются по поршню во время его работы, и определить значимые конструктивные моменты, которые влияют на его температуру, другими словами, понять, каким образом происходит охлаждение. Мы знаем, что больше всех деталей нагревается рабочее тело, то есть, газы в камере сгорания. Совершенно ясно, что в конце концов тепло окажется передано воздуху, который окружает автомобиль - самому холодному, но при определённых обстоятельствах бесконечно теплоёмкому. Омывая корпус двигателя и радиатор, воздух студит блок цилиндров, охлаждающую жидкость и корпус головки. Нам остаётся только найти мостик, по которому поршень отдаёт своё тепло в антифриз и блок . Для этого существую четыре пути. По своему вкладу они абсолютно разные, однако нужно упомянуть о каждом из них, так как они имеют меньшее или большее значение в зависимости от конструкции двигателя.
Первый путь
Это поршневые кольца, он обеспечивает наибольший поток. Так как первое кольцо расположено ближе к днищу, именно оно играет главную роль. Эта самый короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Одновременно кольца прижаты к стенкам цилиндра и к поршневым канавкам. Они обеспечивают более половины всего теплового потока.
Второй путь
Не так очевиден, однако недооценить его трудно. Второй жидкостью для охлаждения двигателя является масло. Несмотря на свою слабую циркуляцию и относительно небольшой объём, масляный туман имеет доступ к самым нагретым частям мотора. Он от самых горячих точек уносит с собой значительную часть тепла, и отдаёт его в поддон картера. В данном разделе нашего сайта вы сможете найти статью про . При применении масляных форсунок, которые направляют струю на внутреннюю поверхность днища поршня, в теплообмене доля масла нередко достигает 30 - 40 процентов. Разумеется, что если мы нагружаем масло больше степени функции теплоносителя, его необходимо будет остудить. Перегретое масло не только потеряет свои свойства, но так же ещё может привести к неисправности подшипников. И чем выше будет температура масло, тем меньше оно сможет перенести через себя тепла.
Третий путь
Через большие бобышки в палец, потом в шатун, и уже затем в масло. Этот способ не так интересен, ведь на пути имеются значительные тепловые сопротивления в виде стальных деталей и зазоров, которые обладают невысоким коэффициентом сопротивления и значительной протяжённостью.
Четвёртый путь
Не связан с охлаждающей жидкостью или маслом. Часть тепла забирает поступившая в цилиндр после такта впуска свежая топливовоздушная смесь. Количество тепла, которое заберёт эта смесь, зависит от степени открытия дросселя и режима работы. Следует отметить, что тепло, которое образуется при сгорании, также пропорционально заряду. Можно сказать, что данный путь охлаждения отличается скоротечностью, обладает импульсным характером, высокоэффективен, пропорционален последующему нагреванию, благодаря тому факту, что тепло отбирается с той же стороны, с которой нагревается поршень.
Также следует рассказать про стандартный приём, который применяется при настройке моторов спортивного типа. Дело в том, что теплоёмкость смеси в значительной степени определяется её составом. Нередко для нормализации работы мотора нужно совсем немного, на 5 - 10 градусов, снизить внутреннюю температуру. Достигается это при помощи лёгкого забогащения смеси. Причём, данный факт никаким образом не влияет на процесс горения, а температура понижается. Порог детонации отодвигается, калильное зажигание исчезает. В данном случае будет лучше немного богаче, чем немного беднее. Моторы, которые работают на метаноле намного меньше предъявляют требований к системе охлаждения из-за теплоты преобразования, которая в 3 раза больше, чем у бензина.
Следует уделить пристальное внимание процессу передачи тепла по поршневым кольцам по причине его большей значимости. Совершенно ясно, что если перекрыть этот путь по каким либо причинам, длительных форсированных режимов двигатель уже не выдержит. Температура станет очень высокой, поршень начнёт плавиться, а двигатель разрушится. Теперь давайте вспомним о такой характеристики, как процессия, которая, казалось бы, никак не влияет на теплообмен. Если человек сталкивался с подержанным автомобилем, он должен чётко представлять себе, что это такое. Это очень значимый параметр, о котором желает знать любой автовладелец, который заботится о состоянии двигателя своего автомобиля. Компрессия косвенно указывает на степень плотности поршневой группы. Это очень важный параметр, если рассматривать его с точки зрения теплопередачи.
Давайте представим ситуацию, что кольцо к стенке цилиндра не прилегает по всей своей длине. В этом случае сгоревшие газы создадут барьер, который будет мешать передаче тепла через кольцо в стенку цилиндра, начиная от поршня, когда будут прорываться в щель. Это равносильно тому, что вы закроете часть радиатора автомобиля, чтобы у него не было возможности охладиться воздухом.
Если у кольца нет тесного контакта с канавкой, мы будем наблюдать ещё более страшную картину. В тех местах, где у газов есть возможность протекать через канавку мимо кольца, участок поршня просто лишается возможности охлаждаться, попадая в своеобразный тепловой мешок. В результате получаем выкрашивание и прогар части огневого пояса, которая прилегает к месту утечки. Именно по этой причине так много внимания уделяется износу канавки и геометрии цилиндра кольца. И главная причина вовсе не ухудшение энергетики. Ведь небольшое количество газов, которые прорываются в картер, не несёт в себе достаточной энергии, чтобы оказать влияние на потерю давления в такте рабочего хода и, соответственно, на потерю двигателем момента. Тем более, если речь идёт о высокооборотном моторе. Намного больше вреда двигателю наносит небольшая плотность в смысле потери надёжности и жёсткости и локальных тепловых перегрузок. Именно по этой причине очень быстро ломаются восстановленные методом перегильзовки блока или замены колец поршни, которые уже вышли из строя. Именно поэтому в первую очередь у спортивных моторов разрушается цилиндр, который имеет меньшую компрессию.
Здесь, видимо, следует коснуться вопроса, обязательно обсуждаемого при изготовлении специальных поршней для тюнинговых или спортивных приложений. Сколько именно у нового поршня будет колец? Какой толщины будут эти кольца? С точки зрения механики лучше, когда колец немного. Чем уже они будут, тем меньше будет потерь в поршневой группе. Однако при уменьшении толщины и высоты колец, будут ухудшаться условия охлаждения поршня, и увеличиваться тепловое сопротивление. Поэтому при выборе конструкции всегда приходится идти на компромисс. Жёсткость рамок увеличивается с быстроходностью мотора. В данном разделе нашего сайта вы сможете найти статью про . Скоротечность процессов снижает требования к уплотнению. Механические потери растут вместе со скоростью, и их нужно уменьшать, иначе всё, что преобразовалось ранее в механическую мощность, просто не достигнет колёс. Между тем, количество вырабатываемого тепла становится больше, поэтому охлаждающий мостик должен быть расширен. Из этого получаем, что кольца должны быть как узкими, так и широкими. Для быстроходности их нужно два, а для эффективности охлаждения поршня - три. Найти оптимальное решение этой задачи должен конструктор. Результаты его работы покажет сбалансированность двигателя.
На сегодняшний день инженеры, которые работают в крупных научных центрах и производственных компаниях, имеют огромный эмпирический материал, на основе которого создают расчётные методы, позволяющие предсказать поле характеристик и температур конкретного изделия с очень большой точностью. Это доступно очень и очень немногим тюнинговым компаниям. В этой статье специально не упоминаются многие значения конкретных величин, которые бы побудили бы некоторых читателей взять в руки калькуляторы. Делать же тепловые расчёты на пальцах совсем не перспективное и абсолютно никому не нужное занятие. Эта статья раскрывает ту сторону происходящих в двигателе процессов, которая очень редко рассматривается, но всегда подразумевается. Я лишь хотел раскрыть необходимость и важность влияния тепла на общую эффективность работы двигателя. Что касается механической части этого вопроса, то о нём мы подробно поговорим в следующий раз.
Рис. Поршень дизельного двигателя (а) грузового автомобиля и формы поршней разных двигателей (б)
:
1 - канавка нижнего маслосъемного кольца;
2 - проточка под стопорное кольцо поршневого пальца;
3 - внутренняя поверхность бобышки;
4 - отверстие для смазки поршневого пальца;
5 - канавка верхнего маслосъемного кольца;
6 - канавки компрессионных колец;
7 - головка поршня;
8 - камера сгорания в поршне;
9 - днище поршня;
10 - отверстия для отвода масла;
11 - юбка
Поршень имеет довольно сложную конструкцию, потому что он подвергается очень большим и непостоянным по величине нагрузкам.
Наружная поверхность направляющей части носит название юбки
. Во время рабочего хода на поршень воздействует высокое давление расширяющихся при высокой температуре газов. С другой стороны, при работе двигателя, особенно на высоких оборотах, поршень подвергается большим знакопеременным инерционным нагрузкам. При нахождении поршня в ВМТ и НМТ его ускорение равно нулю, а затем поршень резко ускоряется и движется с большой скоростью, причем направление движения меняется сотни раз в секунду. Для уменьшения инерционных нагрузок необходимо максимально уменьшать массу поршня. В то же время он должен иметь высокую прочность, чтобы противостоять высокому давлению и нагреву при соприкосновении с горячими газами с последующим охлаждением при подаче в цилиндр холодного свежего заряда. В настоящее время поршни бензиновых и дизельных автомобильных двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. При производстве поршня в отливку в процессе изготовления часто закладывают стальные вставки, которые повышают его жесткость и препятствуют температурному расширению. Иногда стальную вставку располагают в канавке под верхнее компрессионное (наиболее нагруженное) поршневое кольцо .
При нагревании поршень расширяется. Для компенсации температурного расширения поршня при нагревании ему придают специальную форму. Юбка поршня в поперечной плоскости имеет форму овала, а не окружности. В продольной плоскости юбка поршня выглядит как усеченный конус. Части поршня с большой температурой или с большим объемом металла расширяются сильнее (например, часть юбки, где расположены бобышки), и при достижении рабочей температуры в двигателе поршень принимает форму цилиндра.
За время своего существования поршни претерпели значительные изменения конструкции. Если сравнить поршень двигателя современного автомобиля с его предшественником, можно заметить, что поршни стали значительно короче. Большая часть юбки обрезается с каждой стороны, и остаются только две небольшие секции для того, чтобы предотвратить перекос поршня в цилиндре. Благодаря совершенству конструкции силы, воздействующие на поршень, сбалансированы таким образом, чтобы свести к минимуму тенденцию к повороту. Расстояние от днища поршня до верхней канавки под поршневое кольцо уменьшают с целью снижения возможности образования нагара в этой части. За счет уменьшения размеров сечений в конструкции поршня удалось значительно снизить его массу. Для уменьшения потерь на трение и повышения долговечности деталей КШМ на боковую поверхность поршня наносят слой антифрикционного материала, содержащего дисульфид молибдена или графит.
Днище поршня может быть плоским, выпуклым, вогнутым, иметь канавки, для того чтобы при полном открытии клапанов они не касались поршня. У дизельного двигателя камера сгорания может быть выполнена в поршне.
Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют особую форму, необходимую для обеспечения процесса сгорания топлива.
Поршневые кольца изготавливаются из специально модифицированного чугуна. В двигателях современных автомобилей используют несколько типов колец. Верхние компрессионные кольца служат для того, чтобы предотвратить прорыв газов в картер двигателя, а нижнее маслосъемное - контролирует количество масла на стенках цилиндра (стенки смазываются маслом, поступающим из картера в виде масляного тумана). Масло необходимо для предотвращения износа ЦПГ , но его излишки нежелательны. Поэтому следует подавать его больше, чем нужно, а излишки удалять с помощью маслосъемного кольца, работающего как скребок. Один из способов получения более компактных и легких поршней - выполнение колец более узкими и мелкими с компактным размещением их в верхней части головки поршня. При этом предъявляются повышенные требования к материалу, из которого они изготовлены, и к точности их изготовления.
В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ - поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень - первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.
Поршень двигателя цилиндрической формы. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения, из-за чего поршень выполняет две функции.
- При поступательном движении поршень уменьшает объем камеры сгорания, сжимая топливную смесь, что необходимо для процесса сгорания (в дизельных моторах воспламенение смеси и вовсе происходит от ее сильного сжатия).
- После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.
КОНСТРУКЦИЯ
Устройство детали включает в себя три составляющие:
- Днище.
- Уплотняющая часть.
- Юбка.
Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.
ДНИЩЕ
Днище - основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.
Главный параметр днища - форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.
В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.
В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.
Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых - устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.
УПЛОТНЯЮЩАЯ ЧАСТЬ
Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня - канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения.
Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.
Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 - 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами - двумя компрессионными и одним маслосъемным.
В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.
Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.
ЮБКА
Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.
Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.
Для фиксации поршневого пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.
ТИПЫ ПОРШНЕЙ
В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.
Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.
В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под поршневой палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.
Достоинство составных поршней - возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.
МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.
Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).
Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.
Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:
- возможность использования только в дизельных двигателях;
- больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
- необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
- более высокая цена;
Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.
ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО