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 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.
Поршень является одним из элементов кривошипно-шатунного механизма, на котором основан принцип работы многих двигателей внутреннего сгорания. В приведенной статье рассмотрена конструкция и особенности данных деталей.
Определение
Поршень — это деталь, выполняющая в цилиндре возвратно-поступательные движения и обеспечивающая преобразование в механическую работу изменения давления газа.
Назначение
С участием этих деталей реализуется термодинамический процесс работы мотора. Так как поршень — это один из элементов кривошипно-шатунного механизма, он воспринимает давление, производимое газами, и передает усилие на шатун. К тому же он обеспечивает герметизацию камеры сгорания и отвод от нее тепла.
Конструкция
Поршень — это трехсоставная деталь, то есть его конструкция включает три компонента, выполняющих различные функции, и две части: головку, в которую объединяют днище и уплотняющую часть, и направляющую часть, представленную юбкой.
Днище
Может иметь различную форму в зависимости от многих факторов. Например, конфигурация днища поршней двигателя внутреннего сгорания определяется расположением прочих конструктивных элементов, таких как форсунки, свечи, клапаны, формой камеры сгорания, особенностями протекающих в ней процессов, общей конструкцией двигателя и т. д. В любом случае она определяет особенности функционирования.
Выделяют два основных типа конфигурации днища поршней: выпуклая и вогнутая. Первый обеспечивает большую прочность, но ухудшает конфигурацию камеры сгорания. При вогнутой форме днища камера сгорания, наоборот, имеет оптимальную форму, однако более интенсивно откладывается нагар. Реже (в двухтактных двигателях) встречаются поршни с днищем, представленным выступом отражателя. Это нужно при продувке для направленного перемещения продуктов сгорания. Детали бензиновых двигателей обычно имеют днище плоской или почти плоской формы. Иногда в них присутствуют канавки для полного открытия клапанов. У моторов с непосредственным впрыском поршни характеризуются более сложной конфигурацией. У дизельных двигателей они отличаются наличием камеры сгорания в днище, обеспечивающей хорошее завихрение и улучшающей смесеобразование.
Большинство поршней односторонние, хотя встречаются и двусторонние варианты, которые имеют два днища.
Расстояние между канавкой первого компрессионного кольца и днищем носит название огневого пояса поршня. Очень важно значение его высоты, которое различно для деталей из разных материалов. В любом случае выход высоты огненного кольца за рамки минимально допустимого значения может повлечь прогар поршня и деформацию посадочного места верхнего компрессионного кольца.
Уплотняющая часть
Здесь находятся маслосъемные и компрессионные кольца. У деталей первого типа каналы имеют сквозные отверстия для поступления внутрь поршня удаленного с поверхности цилиндра масла, откуда оно попадает в поддон картера. Некоторые из них имеют ободок из коррозионностойкого чугуна с канавкой для верхнего компрессионного кольца.
Состоящие из чугуна, служат для создания плотного прилегания поршня к цилиндру. Поэтому они являются источником наибольшего трения в моторе, потери от которого составляют 25% от общего количества механических потерь в моторе. Количество и расположение колец определяются типом и назначением двигателя. Наиболее часто используют 2 компрессионных и 1 маслосъемное кольцо.
Компрессионные кольца выполняют задачу предотвращения поступления газов в картер из камеры сгорания. Наибольшие нагрузки приходятся на первое из них, поэтому в некоторых двигателях его канавку укрепляют стальной вставкой. Компрессионные кольца могут быть трапециевидной, конической, бочкообразной формы. Некоторые из них имеют вырез.
Служит для удаления лишнего масла с цилиндра и препятствует его попаданию в камеру сгорания. Для этого в нем есть отверстия. Некоторые варианты имеют пружинный расширитель.
Направляющая часть (юбка)
Имеет бочкообразную (криволинейную) либо конусообразную форму для компенсации На ней находятся два прилива для поршневого пальца. На этих участках юбка имеет наибольшую массу. К тому же там наблюдаются наибольшие температурные деформации при нагреве. Для их снижения используют различные меры. В нижней части юбки может находиться маслосъемное кольцо.
Для передачи усилия от поршня или к нему применяют чаще всего кривошип либо шток. Поршневой палец служит для соединения данной детали с ними. Он состоит из стали, имеет трубчатую форму и может быть установлен несколькими способами. Чаще всего используют плавающий палец, который может проворачиваться в процессе работы. Для предотвращения смещения его фиксируют стопорными кольцами. Жесткое закрепление применяют значительно реже. Шток в некоторых случаях выполняет функцию направляющего устройства, заменяя юбку поршня.
Материалы
Поршень двигателя может состоять из различных материалов. В любом случае они должны обладать такими качествами, как высокая прочность, хорошая теплопроводность, сопротивляемость коррозии и низкие коэффициент линейного расширения и плотность. Для производства поршней используют сплавы алюминия и чугун.
Чугун
Отличается большой прочностью, износостойкостью и невысоким Последнее свойство обеспечивает возможность работы таких поршней с малыми зазорами, благодаря чему достигается хорошее уплотнение цилиндра. Однако вследствие значительного удельного веса чугунные детали используют лишь в тех двигателях, где возвратно движущиеся массы имеют силы инерции, составляющие не более шестой части сил давления на днище поршня газов. Кроме того, из-за низкой теплопроводности разогрев днища чугунных деталей в процессе работы двигателя достигает 350-450 °
С, что особо нежелательно для карбюраторных вариантов, так как приводит к калильному зажиганию.
Алюминий
Данный материал используют для поршней наиболее часто. Это объясняется небольшим удельным весом (алюминиевые детали легче чугунных на 30%), высокой теплопроводностью (в 3-4 раза больше, чем у чугуна), обеспечивающей разогрев днища не более чем до 250 °С, что
предоставляет возможность
увелич
ения
степен
и
сжатия и
обеспечивает
лучше
е
наполнени
е
цилиндро
в, и
высокими
антифрикционны
ми
свойствами. При этом алюминий имеет больший в 2 раза, чем у чугуна,
коэффициент линейного расширения
, что вынуждает делать большие
промежутки
со стенками цилиндров,
то есть
размеры поршней
из алюминия меньше, чем из чугун
а,
для одинаковых цилиндров
.
К тому же такие детали
и
меют
меньшую прочность, особенно в нагретом состоянии (при 300 °С она снижается на 50-55%, тогда как у чугун
ных
— на 10%).
Для снижения степени трения стенки поршней покрывают в качестве которого используют графит и дисульфид молибдена.
Нагрев
Как было упомянуто, в процессе работы могут разогреваться до 250-450 °С. Поэтому необходимо принимать меры, направленные как на снижение нагрева, так и на компенсацию вызываемого им температурного расширения деталей.
Для охлаждения поршней используют масло, которое различными способами подают внутрь них: создают масляный туман в цилиндре, разбрызгивают его через отверстие в шатуне либо форсункой, впрыскивают в кольцевой канал, обеспечивают циркуляцию по трубчатому змеевику в днище поршня.
Для компенсации температурных деформаций на участках приливов юбки с двух сторон обтачивают металл на 0,5-1,5 мм в глубину в виде П- или Т-образных прорезей . Такая мера улучшает ее смазывание и предотвращает появлени е от температурных деформаций задиров, поэтому данны е углубления называют холодильниками. Их используют в сочетании с конусо- или бочкообразной формой юбки. Это компенсирует ее линейное расширение за счет того, что при нагреве юбка принимает цилиндрическую форму. Кроме того, используют компенсационные вставки , чтобы диаметр поршня испытывал ограниченное теплово е расширени е в плоскости качания шатуна. Также можно изолировать направляющую часть от головки, испытывающей наибольший нагрев. Наконец, стенкам юбки придают пружинящие свойства путем нанесения косого разреза по всей ее длине.
Технология производства
По способу изготовления поршни подразделяют на литые и кованые (штампованные).
Детали первого типа
применяют
на большинств
е
автомобилей, а замена поршней на кованые используется при тюнинге. Кованые варианты отличаются повышенной прочностью и долговечностью, а также меньшей массой. Поэтому установка поршней такого типа повышает надежность и производительность двигателя.
Это особо важно для моторов, работающих в условиях повышенных нагрузок, в то время как для повседневной эксплуатации достаточно литых деталей.
Применение
Поршень — это многофункциональная деталь. Поэтому его используют не только в двигателях. Например, существует поршень суппорта тормозной системы, так как она функционирует аналогичным образом . Также кривошипно-шатунный механизм применяют на некоторых моделях компрессоров, насосов и прочем оборудовании.
Поршень занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива в тепловую и механическую. Поговорим про поршни двигателя внутреннего сгорания, что это такое и основное назначение в работе.
ЧТО ТАКОЕ ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ?
Поршень двигателя - это деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот - возвратно-поступательного движения в изменение давления. Изначально поршни для автомобильных двигателей внутреннего сгорания 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 и таким образом облегчить двигатель
Поршень выполняет ряд важных функций:
- обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
- отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
- обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания
Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях – при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы – термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами – литьем или штамповкой.
Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней
Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:
- высокую механическую прочность;
- хорошую теплопроводность;
- малую плотность;
- незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства;
- хорошую коррозионную устойчивость.
Требуемым параметрам соответствуют специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть:
- литыми;
- коваными.
В первом варианте их изготовляют путем литья под давлением. Кованые изготовляются методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (в среднем, порядка 15 %), что значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения поршня в диапазоне рабочих температур.
Конструкция поршня
Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:
- Головка поршня ДВС
- Поршневой палец
- Кольцо стопорное
- Бобышка
- Шатун
- Стальная вставка
- Компрессионное кольцо первое
- Компрессионное кольцо второе
- Маслосъемное кольцо
Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.
Днище
Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций – плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.
Поршневые кольца
Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.
Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения. Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.
Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).
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.
Отвод излишков тепла от поршня
Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:
- системой охлаждения от стенок цилиндра;
- внутренней полостью поршня, далее - поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
- частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.
С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:
Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца
Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца – предотвращают попадания газов в картер.
Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.
Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.
Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда – пружинным расширителем.
Поршневой палец
Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.
Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.
Юбка
Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.
Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.
Обязательный процесс работы поршневого устройства – это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:
- разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
- движением масла по змеевику в поршневой головке;
- подачей масла в область колец через кольцевой канал;
- масляным туманом
Уплотняющая часть
Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня – маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.
В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.
Поршень двигателя представляет собой деталь, имеющую цилиндрическую форму и совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Он принадлежит к числу наиболее характерных для двигателя деталей, поскольку реализация термодинамического процесса, происходящего в ДВС, происходит именно при его помощи. Поршень:
- воспринимая давление газов, передает возникающее усилие на ;
- герметизирует камеру сгорания;
- отводит от неё излишек тепла.
На фотографии выше продемонстрированы четыре такта работы поршня двигателя.
Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней
Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:
- высокую механическую прочность;
- хорошую теплопроводность;
- малую плотность;
- незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства;
- хорошую коррозионную устойчивость.
Поршни могут быть:
- литыми;
- коваными.
Конструктивные особенности поршня определяются его предназначением
Основными условиями, определяющими конструкцию поршня, являются тип двигателя и форма камеры сгорания, особенности процесса сгорания, проходящего в ней. Конструктивно поршень представляет собой цельный элемент, состоящий из:
- головки (днища);
- уплотняющей части;
- юбки (направляющей части).
Отличается ли поршень бензинового двигателя от дизельного? Поверхности головок поршней двигателей бензинового и дизельного конструктивно отличаются. В бензиновом двигателе поверхность головки - плоская или близкая к ней. Иногда в ней выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Для поршней двигателей, оборудованных системой непосредственного впрыска топлива (СНВТ), свойственна более сложная форма. Головка поршня в дизельном двигателе значительно отличается от бензинового, - благодаря выполнению в ней камеры сгорания заданной формы, обеспечивается лучшее завихрение и смесеобразование.
На фотографии схема поршня двигателя.
Поршневые кольца: виды и состав
Уплотняющая часть поршня включает в себя поршневые кольца, обеспечивающие плотность соединения поршня с цилиндром. Техническое состояние двигателя определяется его уплотняющей способностью. Зависимости от типа и предназначения двигателя выбирается число колец и их расположение. Наиболее распространенной схемой является схема из двух компрессионных и одного маслосъемного колец.
Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:
- высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
- высокую износостойкость в условиях интенсивного трения;
- хорошие антифрикционные свойства;
- способность быстрого и эффективного прирабатывания к поверхности цилиндра.
Основным предназначением компрессионного кольца является препятствование попаданию в картер двигателя газов из камеры сгорания. Особенно большие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо. Поэтому при изготовлении колец для поршней некоторых форсированных бензиновых и всех дизельных двигателей устанавливают вставку из стали, которая повышает прочность колец и позволяет обеспечить максимальную степень сжатия. По форме компрессионные кольца могут быть:
- трапециевидные;
- тбочкообразные;
- тконические.
На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.
Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной , что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической. Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена. Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.
Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:
- минимальной деформации при работе;
- высокой прочности при переменной нагрузке и износостойкости;
- хорошей сопротивляемости ударной нагрузке;
- малой массы.
- закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
- закреплены в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня;
- свободно вращающимися в бобышках поршня и в головке шатуна.
Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.
Отвод излишков тепла от поршня
Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:
- системой охлаждения от стенок цилиндра;
- внутренней полостью поршня, далее - поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
- частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.
- разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
- масляного тумана в полости цилиндра;
- впрыскивания масла в зону колец, в специальный канал;
- циркуляции масла в головке поршня по трубчатому змеевику.
Видео про четырёхтактный двигатель - принцип работы: