Для чего нужен поршень

Содержание

• Что же представляет из себя этот симпатичный горшок
• Как выглядит поршень. Конструкция
  • Рабочее днище
  • Уплотнительный сектор
  • Направляющая юбка, бобышки
• Что скажут металурги
  • Чугунный вариант
  • Алюминиевый вариант
• Содержание
• Устройство поршня [ править | править код ]
  • Днище [ править | править код ]
  • Уплотняющая часть [ править | править код ]
  • Направляющая часть [ править | править код ]
• Материалы [ править | править код ]
  • Чугун [ править | править код ]
  • Алюминиевый сплав [ править | править код ]
  • Составные поршни — головка из жаропрочной стали [ править | править код ]
• Ресурс поршня [ править | править код ]
• Определение
• Назначение
• Конструкция
• Днище
• Уплотняющая часть
• Направляющая часть (юбка)
• Материалы
• Чугун
• Алюминий
• Нагрев
• Технология производства
• Применение
  • Рекомендуем посмотреть:

Думаю, любой автомобилист, скорее всего знает как выглядит поршень. Но на этом, как правило, познания о главной детали двигателя и заканчиваются. Поэтому восполним пробел и поговорим о назначении поршня, его конструктивных особенностях и материалах для изготовления.

Что же представляет из себя этот симпатичный горшок

Как выглядит поршень? Сложная деталь. Это подтверждает такой факт – очень мало автомобилестроителей сами изготавливают поршни, поручая это специализированным производителям.

А еще – это главное звено в процессе превращения химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую.

Поршень, я бы сказал, это красивая деталь цилиндрической формы, она выполняет умопомрачительные возвратно-поступательные движения в цилиндре, принимает на себя высокие температуры и изменения давления газа, превращая все это в механическую работу.

То есть, вот какою работу выполняет поршень:

• принимает на себя давление газов из камеры сгорания и передает это давление на коленчатый вал двигателя;
• обеспечивает жесткий процесс микровзрывов в цилиндре, при этом герметично изолируя надпоршневую полость от подпоршневого пространства, предохраняя от попадания газов в кратер, а смазочного масла в камеру сгорания.

Как выглядит поршень. Конструкция

Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG

головка поршня;

палец;

стопорное кольцо;

бобышки;

головка шатуна;

юбка; вставка стальная;

трапециевидноекомпрессионное кольцо;

коническое с подрезом компрессионное кольцо;

маслосъемное кольцо с пружинным расширителем

Поршень состоит из днища, уплотняющей части с поршневыми кольцами для создания компрессии и удаления масла, и направляющей части (юбки).

В средней части поршня (зона юбки) находятся бобышки с отверстиями для пальца и стопорных колец.

Рабочее днище

Знаете как выглядит поршень и как называется эта часть? Эта часть детали служит для приема усилия от давления газов в камере сгорания и называется рабочее днище. Ее форма зависит от геометрии этой камеры и размещения клапанов.

В случае, когда днище вогнутое, форма камеры сгорания напоминает сферическую. Это увеличивает ее поверхность, но ведет к возрастанию образования нагара, а прочность вогнутого днища ниже, чем плоского.

Выпуклое днище делает камеру сгорания щелевидной формы, что приводит к ухудшению процесса завихрения смеси и охлаждения самого днища, хотя нагарообразование снижается.

Кроме того, такая форма днища уменьшает массу поршня при достаточной прочности.

Плоское днище по своим показателям промежуточный вариант между двумя предыдущими и чаще используется в карбюраторных двигателях.

В дизельных моторах разнообразие форм днищ еще больше, они изменяются в зависимости от степени сжатия, метода образования смеси, расположения форсунок и многих других факторов.

Уплотнительный сектор

Головка поршня герметизирует подвижное соединение поршня с цилиндром за счёт поршневых колец, которые установлены в специальных канавках. В верхних канавках вставлены компрессионные кольца, а в нижней – маслосъёмное кольцо. В канавке для маслосъёмного кольца есть сквозные отверстия, через них происходит отвод излишков масла во внутреннюю полость поршня.

Направляющая юбка, бобышки

Участок поршня, расположенный ниже маслосъемного кольца, называют юбкой поршня, а еще тронковой или направляющей частью.

Ее функция – удержание поршня в нужном направлении и восприятие боковых нагрузок.

С внутренней стороны на юбке есть приливы – бобышки, в них просверлены отверстия для поршневого пальца. А для его фиксации в отверстиях проточены канавки, для запирания пальца стопорными кольцами.

Что скажут металурги

Так как деталь работает в невыносимых условиях, то к металлам, для его изготовления, предъявляются достаточно жесткие требования:

• для уменьшения инерционных нагрузок у материала должен бить малый удельный вес при достаточной прочности;
• малый коэффициент температурного расширения;
• сохранение физических свойств (прочность) при повышенных температурах;
• значительная теплопроводность и теплоёмкость;
• минимальный коэффициент трения в паре с материалом стенки цилиндра;
• значительная сопротивляемость износу;
• отсутствие усталостного разрушения материала под воздействием нагрузок;
• низкая цена, общедоступность и легкость механической и других видов обработки в процессе производства.

Понятно, что металла, полностью соответствующего перечисленным требованиям, просто не существует. Поэтому для массовых автомобильных двигателей поршни изготавливаются в основном из двух материалов – чугуна и сплавов алюминия, а если быть точным, то из силуминовых сплавов, содержащих алюминий и кремний.

Чугунный вариант

У чугуна много плюсов, он твёрд, хорошо переносит повышенные температуры, отличается оптимальной сопротивляемостью к износу, имеет низкий коэффициент трения (пара чугун – чугун). И коэффициент температурного расширения у него ниже чем у алюминиевого поршня.

Но есть и недостатки: низкая теплопроводность, из-за чего температура днища у чугунного поршня больше чем у алюминиевого аналога.

Но основной недостаток чугуна ‒ значительная плотность, а значит вес. Для увеличения мощности и эффективности двигателя конструкторы обычно повышают обороты, но тяжелые чугунные поршни не позволяют это делать по причине высоких инерционных нагрузок.

Поэтому для современных автомобильных двигателей, как бензиновых, так и дизельных, отливают алюминиевые поршни.

Алюминиевый вариант

Алюминий имеет значительно меньший вес нежели чугун, но так как он мягче, толщину стенок поршня приходится увеличивать, в результате вес поршня становится легче всего лишь на 30 – 40 процентов по отношению к чугунному.

Коме того у алюминия повышенный температурный коэффициент расширения, поэтому в тело детали приходится вплавлять термостабилизирующие пластины из стали, и делать увеличенные зазоры.

У алюминия довольно малый коэффициент трения (пара: алюминий – чугун), что хорошо для работы алюминиевых поршней в двигателях с чугунным блоком цилиндров или чугунными гильзами.

На современных двигателях немецких марок – Ауди, Фольксваген, Мерседес нет чугунных гильз. Алюминиевые цилиндры там обработаны специальным способом, так что поверхность стенок получается очень твёрдая и имеет сопротивление износу даже выше чем при установке чугунных гильз.

А чтобы уменьшить трение в паре алюминий – алюминий, проводится железнение поверхности юбки. Таким образом отказ от чугунных гильз намного снижает вес блока цилиндров.

В кремнеалюминиевые сплавы, из которых делают поршни основной массы автомобильных двигателей, для улучшения показателей добавляют медь, никель и другие металлы.

Поршни серийных автомобилей производятся методом литья, а на форсированных двигателях применяют изделия, изготовленные методом горячей штамповки. Это улучшает структуру материала ‒ увеличивается прочность и устойчивость к износу. Правда, в штампованный вариант невозможно вмонтировать стальные терморегулирующие пластины.

Вот пожалуй и всё. Вами получен необходимый минимум знаний, как выглядит поршень, его конструкции и условиях работы.

Осталось поделится этой информацией с друзьями в соц.сетях, пригласить их на рюмочку чая и в домашней, непринужденной обстановке пригласить их пополнить ряды читателей нашего блога.

А еще вам будет интересно знать про Шатун и Коленчатый вал. Дерзайте, жмите на ссылку!

По́ршень — основная деталь насосов, компрессоров и поршневых двигателей внутреннего сгорания, служащая для преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения (в компрессорах — наоборот). Для дальнейшего преобразования энергии в крутящий момент служат остальные детали КШМ — шатуны и коленчатый вал. Первый поршневой ДВС создан французским инженером Ленуаром в 1861 году [1] , до этого поршни применялись в паровых машинах и насосах.

Читайте также:  Отзывы о резине кама евро 519 шип

Содержание

Устройство поршня [ править | править код ]

Поршень тронкового двигателя или компрессора имеет три части, выполняющие свои функции [2] :

• днище (воспринимает газовые силы и тепловую нагрузку);
• уплотняющая часть (препятствует прорыву газов, передаёт большую часть тепла от поршня цилиндру);
• направляющая часть (тронк) — передаёт боковую силу на стенку цилиндра, поддерживает положение поршня.

Головкой поршня называют днище заодно с уплотняющей частью. Для передачи усилия от поршня может использоваться шток в крейцкопфных двигателях, либо шатун, соединяемый с поршнем посредством пальца [3] . Другие варианты соединения (СПГГ, шайбовые и двигателях Баландина) используют редко. Кроме тронка или крейцкопфа, боковые усилия может воспринимать сам шток.

В крейцкопфных двигателях могут применяться двусторонние поршни. Такой поршень имеет два днища, и тепловой режим его более напряжённый [4] . Но в случае использования подпоршневого пространства как продувочного насоса тепловая напряжённость не возрастает. Теплонапряжённость растёт в 2-тактных двигателях, особенно при использования поршня как золотника выпуска [5] .

Поршневой палец, при его наличии (тронковые поршни), всегда стальной, ограничен в перемещении в бобышках стопорными кольцами, либо пластиковыми упорами (Mercedes), либо его положение определено запрессовкой в шатуне (ранние модели ВАЗ). Чаще всего применяют пустотелый плавающий палец со стопорными кольцами, наружный диаметр которого цементован или хромирован [6] .

Днище [ править | править код ]

Его форма зависит от типа двигателя, смесеобразования, расположения свечей, форсунок, клапанов, метода организации газообмена в цилиндре [7] . Вогнутое днище поршня образует компактную форму камеры сгорания (дизеля, бензиновые с высокой степенью сжатия и хорошей топливной экономичностью), однако при этом есть склонность к образованию нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, однако камера сгорания приобретает линзовидную форму, что увеличивает теплоотдачу. Однако в искровых ДВС увеличение теплоотдачи может позволить увеличить допустимую степень сжатия [8] , что частично компенсирует потери. Плоское днище — промежуточное по форме, и самое простое в изготовлении — популярно в бензиновых ДВС и вихрекамерных/предкамерных дизелях. В устаревших двухтактных ДВС днище имело выступ-дефлектор для отклонения горючей смеси при продувке и уменьшения её выброса [9] . В дизелях с объёмным смесеобразованием форма днища обеспечивает подачу топлива в объём воздуха, с плёночным — большая часть топлива подаётся на стенку поршня (распространение в последние годы системы впрыска Common rail решило спор о смесеобразовании в автомобильных дизелях в пользу объёмного).

Жаровым поясом называют расстояние от канавки верхнего кольца до днища поршня. При увеличении его высоты облегчаются работа верхнего кольца, однако растёт масса поршня и увеличиваются выбросы углеводородов [10] . Уменьшение высоты жарового пояса ниже допустимого влечёт прогар поршня и/или разрушение области верхнего кольца. Поршни дизелей при равных диаметрах имеют большую высоту жарового пояса, тяжелее и прочнее бензинового по причине больших давлений сжатия и сгорания, и теплоотдачи с днища.

Уплотняющая часть поршня имеет важнейшее значение для работы поршневых ДВС, их состояние определяют по компрессии и угару масла, зависящих от состояния поршневой группы. В автомобильных ДВС угар масла не должен превышать 1—3 % от расхода топлива. В современных бензиновых моторах этот процент ещё меньше, в устаревших моделях дизелей — 5 % и выше [11] . Разброс величины компрессии по цилиндрам обычно не должен превышать 0,5 кгс/см 2 у бензиновых ДВС и 1 кгс/см 2 у дизельных. При превышении угара масла двигатель выходит за пределы разрешённых выбросов, наблюдаются отказы свечей, осмоление форсунок, залегание колец, и потому он должен быть снят с эксплуатации [12] .

Уплотняющая часть [ править | править код ]

Поршень имеет установленные в канавках компрессионные и маслосъёмные кольца. Типичное количество колец на автомобильных моторах — 3, ранее применялись конструкции с 4—6 кольцами [13] . На тихоходных двигателях колец больше для уменьшения пропуска масла и газов, улучшения охлаждения поршня. Уменьшение числа и высоты колец снижает потери на трение, а сохранение уплотнения достигается надёжным их прилеганием и износостойкостью. Канавки маслосъёмных колец имеют радиальные отверстия для возврата масла в поддон. По мере износа колец зазор их стыках и канавках растёт, увеличивается угар масла. В силуминовых поршнях могут заливать вставку из жаростойкого чугуна (нирезиста) под верхнее кольцо, что увеличивает ресурс канавки и кольца. Такая вставка является и термокомпенсирующей, уменьшая тепловое расширение [14] (см. верхнее фото).

Диаметр уплотняющей части меньше, чем в районе юбки, так как нагрев этой части поршня выше. Чтобы избежать задира с последующим заклиниванием колец в своих канавках, жаровый пояс имеет ещё меньший диаметр. Уплотняющая часть имеет в сечении круглый диаметр, а не овальный, как юбка. Жаровый пояс часто имеет неглубокие проточки, увеличивающие теплоотдачу в поршень до кольца. Тем самым, высота пояса может быть уменьшена [15] .

Решающее значение для уплотнения поршня имеет качество колец: хорошее прилегание к зеркалу без просветов [16] , чистота обработки по наружному диаметру и высоте, зазор в замке, и покрытие колец износостойкими материалами [17] . Чугунные маслосъёмные кольца надёжнее составных, потому что вероятность ошибок при их установке меньше [18] . В автомобильных ДВС до 80 % тепла отводится от поршня через кольца [19] , поэтому при плохом прилегании колец отвод тепла идёт через юбку поршня, а при росте её температуры неизбежен задир. Из-за этого на обкатке двигателя ограничивают его мощность. Непритёртые кольца перегреваются и сами и потому «садятся» — упругость их уменьшается, вслед за этим быстро растёт пропуск газов в картер, выброс масла, и т. д. При перегреве возможно смыкание стыков, ведущее к поломке колец, и даже обрыву поршня по канавке кольца [20] . Теплоотдача от поршня достигает расчётной, когда сотрутся следы хона в цилиндре, и притрутся кольца.

Направляющая часть [ править | править код ]

В тронковых двигателях направляющей частью поршня является юбка (тронк). Бобышки юбки передают большие нагрузки от газовых и инерционных сил, поэтому соединены массивными литыми рёбрами с днищем поршня (в штампованых поршнях вместо рёбер имеется массивное соединение с днищем). В районе бобышек формируют литьём или фрезеруют снаружи прямоугольные углубления, называемые условно «холодильниками». На деле, эти так называемые «холодильники» снижают массу благодаря укорочению поршневого пальца и передаче газовых сил ближе к оси шатуна, что разгружает днище поршня. Чтобы сократить тепловой зазор без риска задира, юбку поршня изготовляют овальной: зазор в плоскости качания шатуна минимальный, а по оси поршневого пальца больше на 0,5—1,5 мм. Обычно кольца располагают в головке поршня, но второе маслосъёмное кольцо может быть расположено ниже оси пальца, в юбке [21] . В зависимости от способа фиксации поршневого пальца, на поршне могут быть выполнены канавки под стопорные кольца.

Большинство поршней имеют смещение оси поршневого пальца, чтобы уравнять боковые давления на юбку на сжатии и рабочем ходе поршня. Поэтому поршень монтируется не произвольно, а по метке (обычно надписью на холодильнике либо стрелкой на днище в сторону свободного конца коленвала) [22] .

Материалы [ править | править код ]

Требования к материалу поршней:

• высокая механическая прочность;
• малая плотность;
• теплостойкость, в том числе термоциклическая;
• хорошая теплопроводность (важнее в искровых ДВС);
• малый коэффициент линейного расширения (оптимально — совпадающий с таковым у гильзы);
• высокая коррозионная стойкость (для дизелей — стойкость к серосодержащим газам);
• хорошие антифрикционные свойства, обеспечивающие ресурс;
• для поршней в жидкостных насосах — коррозионная/химическая стойкость;
• умеренная цена.

Читайте также:  Двигатель троит что это значит

Не существует материала, оптимального по всем этим требованиям. Для изготовления автомобильных поршней применяются серый чугун и алюминиевые сплавы типа Al-Si. В мощных дизелях с большим ресурсом, многотопливных (включая работающие на растительных маслах) применяют составные поршни — днище и уплотняющая часть из жаропрочной стали, тронк из чугуна или силумина. Существуют автомобильные поршни с покрытием керамикой, поршни из жаропрочных сплавов (двигатели Стирлинга).

Чугун [ править | править код ]

Алюминиевый сплав [ править | править код ]

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют силуминовые [23] поршни с содержанием кремния 13 % и более, то есть заэвтектоидные сплавы типа АК-4, АК-18, АК-6 [24] . Ранее применялись сплавы АЛ1, АК2, имеющие меньшее содержание кремния. Контрафактные поршни часто изготовлялись из обычного алюминия [25] Ресурс поршней с недостаточным количеством кремния резко снижен, из-за повышенного коэффициента теплового расширения происходит задир ещё на обкатке. Чем выше содержание кремния, тем больше ресурс поршня, но пластичность сплава меньше [26] . Силуминовые поршни для облегчения приработки обычно электролитически покрывают оловом [27] . Поршень может быть получен отливкой либо штамповкой, оба варианта имеют свои плюсы и минусы.

Литые поршни часто изготовляют из доэвтектоидных сплавов, упрощающих литьё, а тепловое расширение юбки ограничено в этом случае вставкой. При штамповке поршня закладка термовставок невозможна, потому ограничить их тепловое расширение можно лишь достаточным содержанием кремния. Следовательно, штампованые (называемые иногда коваными) поршни из высококремнистого сплава должны быть более износостойки, чем литые.

Достоинства силумина

• малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
• высокая теплопроводность (в 3—4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что увеличивает коэффициент наполнения и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях [28] ;

Недостатки

• больший коэффициент линейного расширения, чем у чугуна;
• меньшая твёрдость и износостойкость поршневых канавок;
• значительное снижение прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50—55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и силуминовыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями:

• придание юбке поршня в овально-бочкообразной или овально-конусной формы;
• изоляция тронковой (направляющей) части поршня кольцом от наиболее нагретой его части (головки) в составных поршнях;
• косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок (тихоходные ДВС) [29] ;
• Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью (тихоходные ДВС) [30] ;
• компенсационные вставки из инвара, уменьшающие тепловое расширение;
• повышение содержания кремния в материале поршня [31] (минусом является резкое снижение ресурса отливочных форм).

Составные поршни — головка из жаропрочной стали [ править | править код ]

Применяются обычно в дизелях среднего или крупного размера, а также во всех дизелях, работающих на растительных маслах в качестве топлива. Юбка обычно из серого чугуна, либо алюминиевого сплава. Преимущества — уменьшение теплоотдачи в поршень, то есть повышение индикаторного КПД, максимальный ресурс, возможность использования различных топлив [32] . Недостатки — более высокая цена, вес, применение только в дизельном цикле, более дорогие поршневые кольца, стойкие к особо высоким температурам, большие осевые размеры поршня, необходимость увеличения противовесов, удлинение гильзы с ростом габаритов двигателя и его массы [33] . В крупноразмерных двигателях, таких как тепловозные и главные судовые, работающие на полной мощности с высоким давлением наддува по двухтактному циклу, невозможно добиться нужного ресурса (30 000 часов и более) с чугунными или силуминовыми поршнями. Головка из жаропрочной стали (типа 20Х3МВФ или подобной) [34] обеспечивает ресурс колец и их канавок, направляющая же должна быть выполнена из антифрикционного материала — чугуна или силумина [35] .

Ресурс поршня [ править | править код ]

Две основные проблемы, решаемые в поршневых ДВС: износ и прогар поршня. Износные явления проявляются как увеличение зазора между юбкой и цилиндром, износ верхней поршневой канавки, задир юбки [36] . Наблюдается также появление трещин и разрушение перегородок между кольцами, их причины обычно те же, что и у прогара.

Для устранения первой организуют принудительное (обычно масляное) охлаждение поршня [37] , повышают твёрдость увеличением доли кремния, используют надёжные воздухоочистители для уменьшения абразивного износа [38] , изменяют параметры цикла двигателя для снижения температуры поршня в центре и районе верхнего кольца (напр., увеличивают коэффициент избытка воздуха или увеличивают перекрытие клапанов в наддувных дизелях), применяют вставки под верхнее кольцо, качественные поршневые кольца для хорошего прилегания сразу после обкатки, ускоряют заводскую обкатку применением специальных масел [39] , повышают качество моторных масел для устранения закоксовывания колец и надёжной отдачи тепла от днища [40] , иногда — используют покрытия для поршня или композитные материалы. В японской практике были варианты пластмассовых поршней с покрытием керамикой. Для продления ресурса применяют антифрикционное покрытие направляющей и даже жаровой поверхности поршня [41] . Ускоренный или аварийный износ контрафактных поршней вызывается нарушением размеров и/или качества поковки/отливки, её материала. Погиб шатуна, перекос гильзы или её посадочного гнезда ведёт к быстрому задиру поршня [42] . В двухтактных ДВС причиной заклинивания может быть нехватка масла в топливе.

Прогар поршня может вызываться конструктивными или эксплуатационными причинами. В первом случае превышена расчётная допустимая температура днища [43] , и все двигатели этой модели будут быстро выходить из строя (возможна другая причина — контрафактные поршни [44] : они не могут выдержать нагрузок). Для устранения опасности прогара в этих случаях применяют снижение механических напряжений и температуры поршня [45] (увеличение оребрения, охлаждение, снижение теплоотдачи в поршень изменением параметров цикла) [46] . Для снижения температуры сгорания может применяться даже подача воды в цилиндр [47] .

Эксплуатационными причинами прогара могут быть: нарушение угла опережения впрыска/зажигания [48] , отказ (заклинивание) форсунки, детонация (бензиновые) [49] , чрезмерная форсировка, общий перегрев из-за отказа термостата, потери тосола, зажатых клапанов, бензина с низким октановым числом [50] , вызывающим детонацию, длительное калильное зажигание. Это приводит к превышению температуры днища и возможному его прогару. При детонационном сгорании, кроме того, может возникать выкрашивание поверхности, ведущее к дальнейшему её развитию, прогару поршня или вылому перегородок между кольцами, поломке колец. Следовательно, необходимо соблюдать инструкцию — применять нужное топливо, правильно выставлять угол опережения зажигания/впрыска, немедленно прекращать работу неисправного дизеля со стучащей форсункой, или перегретого мотора. Высококачественные форсунки и другие дозирующие элементы топливной аппаратуры продлевают ресурс поршней.

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.

Читайте также:  Реле мигания стоп сигнала

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.

Поршневые 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.

Маслосъемное кольцо 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 температурного расширения. 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, антифрикционные свойства, сопротивляемость коррозии и низкие коэффициент линейного расширения и плотность. Для производства поршней используют сплавы алюминия и чугун.

Чугун

Отличается большой прочностью, износостойкостью и невысоким коэффициентом линейного расширения. 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 антифрикционным материалом, в качестве которого используют графит и дисульфид молибдена.

Нагрев

Как было упомянуто, в процессе работы двигателя поршни 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.

Источник: kalina-2.ru