Из чего состоит поршень двигателя: конструктивные элементы, признаки и причины их износа — Шины для спецтехники, шины для погрузчика

Содержание

Поршневая группа: поршень

Поршневую группу образует поршень в сборе с комплектом уплотняющих колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Назначение поршневой группы состоит в том, чтобы:

1) воспринимать давления газов и через шатун передавать эти давления на коленчатый вал двигателя;

2) уплотнять надпоршневую полость цилиндра как от прорыва газов в картер, так и от излишнего проникновения в нее смазочного масла.

Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей.

Поршневая группа работает в сложных температурных условиях с циклическими резко изменяющимися нагрузками при ограниченной смазке и недостаточном теплоотводе вследствие трудностей охлаждения. Поэтому детали поршневой группы имеют наиболее высокую тепловую напряженность, что обязательно учитывается при выборе их конструкции и материала. Элементы поршневой группы обычно разрабатывают с учетом назначения и типа двигателей (стационарные, транспортные, форсированные, двухтактные двигатели, дизели и т. д.), но общее их устройство в двигателях тронкового типа остается сходным.

Поршни. Поршень состоит из двух основных частей: головки I и направляющей части II (рис. 1, а).

Рисунок 1

Направляющую (тронковую) часть обычно называют юбкой поршня. С внутренней стороны она имеет приливы — бобышки 8, в которых просверливают отверстие 9 для поршневого пальца. Для фиксации пальца в отверстиях 9 протачивают канавки 10, в которых размещают детали, запирающие палец. Нижнюю кромку юбки часто используют в качестве технологической базы при механической обработке поршня. С этой целью она снабжается иногда точно растачиваемым буртиком 6. С внутреннего торца 5 буртика снимают металл при подгонке поршня по весу в случаях, если вес поршня после обработки превышает норму, принятую для данного двигателя. В зоне выхода отверстий под поршневой палец на внешних стенках юбки 11 делают местные углубления 4, вследствие чего стенки этих зон не соприкасаются со стенками цилиндра и не трутся о них, образуя так называемые холодильники.

Юбка служит не только направляющей частью поршня, ее стенки воспринимают также силы бокового давления N6, что увеличивает силу их трения о стенки цилиндра и повышает нагрев поршня и цилиндра.

Для обеспечения свободного перемещения поршня в цилиндре прогретого и нагруженного двигателя между направляющей его частью (юбкой) и стенками цилиндра предусматривают зазор. Величина этого зазора определяется из условий линейного расширения материала поршня и цилиндра при нормальном тепловом состоянии двигателя. Перегрев поршня опасен, так как приводит к захватыванию и даже к аварийному заклиниванию его в цилиндре. Опыт свидетельствует, что излишне большие зазоры между поршнем и стенками цилиндра тоже не желательны, поскольку это ухудшает уплотняющие свойства поршневой группы и вызывает стуки поршня о стенки цилиндра. Работа автомобильного двигателя со стуками поршней не допускается.

Головка поршня имеет днище 1 и несет уплотняющие поршневые кольца, которые размещают на боковых ее стенках 11 в канавках 2, разделяемых друг от друга перемычками 12. Нижняя канавка снабжается дренажными отверстиями 3, через которые со стенок цилиндра отводят смазочное масло с тем, чтобы предотвратить его проникновение (подсос) в камеру сгорания. Диаметр дренажных отверстий составляет примерно 2,5—3 мм. При меньшем размере они быстро загрязняются и выходят из строя. Поршни изготовляют с несколькими рядами дренажных отверстий, располагая их под поршневыми кольцами, а также рядом с ними на специально проточенных поясках (лысках).

Днище головки поршня является одной из стенок камеры сгорания и воспринимает поэтому большие давления газов, омывается открытым пламенем и раскаленными до температуры 1500—2500°С газами. Для увеличения прочности днища и повышения общей жесткости головки ее боковые стенки 11 снабжают массивными ребрами 13, связывающими стенки и днище с бобышками 8. Ореб-ряют иногда и днище, но чаще всего оно выполняется гладким, с переменным сечением, постепенно утолщающимся к периферии, как показано на рис. 1, а. При таком сечении улучшается тепло-отвод от днища и уменьшается температура его нагрева.

Высокий нагрев днища вообще нежелателен, так как это ухудшает весовое наполнение цилиндров и приводит к снижению мощности двигателя из-за повышенного подогрева свежего заряда от соприкосновения с чрезмерно горячей поверхностью днища. В карбюраторных двигателях возможны при этом преждевременные вспышки и появление разрушительного детонационного сгорания.

Днища поршней в двигателях автомобильного, тракторного и мотоциклетного классов изготовляются плоскими, выпуклыми, вогнутыми и фигурными (см. рис. 1, а, г—к). Форма их выбирается с учетом типа двигателя, камеры сгорания, принятого смесеобразования и технологии изготовления поршней.

Самой простой и технологически целесообразной является плоская форма днища (см. рис. 1, а). Такая форма находит применение в различных двигателях и особенно широко используется в автомобильных и тракторных двигателях, в которых камера сгорания, или основной ее объем, располагается в головке цилиндра. Плоские днища имеют относительно малую поверхность соприкосновения с раскаленными газами, что положительно сказывается на их тепловой напряженности.

Сравнительно несложную геометрическую форму имеют также выпуклые и вогнутые днища (см. рис. 1, г, д). Выпуклая форма придает днищу большую жесткость и уменьшает возможное нагаро-образование (масло, проникающее в камеру сгорания, с выпуклого днища легко стекает, но выпуклое днище всегда бывает более горячим, чем плоское). Вогнутая форма днищ облегчает общую компоновку сферических камер сгорания, но создает благоприятные условия для повышенного нагарообразования. Масло, проникающее в камеру сгорания, накапливается здесь в наиболее горячей центральной зоне днища. Поэтому в четырехтактных двигателях выпуклые и особенно вогнутые днища находят ограниченное применение. Однако в двухтактных двигателях с контурно-щелевой, продувкой, где выпуклые и вогнутые формы днищ облегчают организацию продувки цилиндров, они широко используются. В двухтактных двигателях используются также и фигурные днища с козырьками-отражателями или дефлекторами (см. рис. 1, г), обеспечивающими заданное направление потоку горючей смеси при продувке цилиндров.

Фигурные днища с различного рода вытеснителями (см. рис. 1, ж) применяют и в четырехтактных карбюраторных двигателях. При необходимости днища с вытеснителями легко позволяют видоизменять или уменьшать камеру сгорания. С этой целью применяют иногда и выпуклые днища, как, например, в двигателе МЗМА-412. В последнее время для автомобильных карбюраторных двигателей стали применять фигурные днища, позволяющие полностью или частично размещать камеру сгорания в головке поршня (см. рис 1, з). Карбюраторные двигатели с камерой сгорания в поршне обладают хорошими показателями и являются перспективными.

Поршни автомобильных и тракторных дизелей в зависимости от принятого смесеобразования строят как с плоскими, так и с фигурными днищами. Часто днищу придают форму (см. рис. 1, и), соответствующую форме факелов топлива, распыли-ваемого через многодырчатую форсунку, расположенную в центре камеры сгорания. Широко распространены фигурные днища, форма которых предопределяется принятой для дизеля камерой сгорания с частичным или полным размещением ее в головке поршня. На рис. 1, к в качестве примера показана камера сгорания ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт, г. Ленинград), обеспечивающая работу двигателя с хорошими показателями.

Головка поршня по сравнению с юбкой в любом случае имеет более высокую рабочую температуру, а следовательно, и больше, чем юбка, увеличивается в размерах. Поэтому диаметр ее Dr всегда делают меньше диаметра юбки Dю. У поршней автомобильных двигателей эта разница составляет в среднем 0,5 мм. Боковым стенкам головки придают форму цилиндра или усеченного конуса с малым основанием у днища или же выполняют их ступенчатыми. Размеры при этом выбирают так, чтобы стенки головки в горячем состоянии на режиме максимальной мощности двигателя не соприкасались со стенками цилиндра. Тем не менее головку считают уплотняющей частью поршня, имея в виду, что стенки ее вместе с поршневыми кольцами, как будет показано ниже, образуют уплотняющий лабиринт. В некоторых конструкциях на стенках головки делают проточку 14, изменяющую направление теплового потока у верхнего поршневого кольца.

На днище поршня иногда делают технологическое центровочное отверстие 15, для размещения которого при отсутствии оребрения предусматривают специальный прилив. Если центровка днища не предусмотрена конструкцией, то поршень при обработке на станках крепят с использованием отверстий 9 в бобышках. Базовой поверхностью в обоих случаях является точно обработанный буртик 6 или просто поясок 18, растачиваемый непосредственно в стенках 7 юбки (см. рис. 1, б). Для этих же целей бобышки часто снабжаются приливами 16 и технологическими отверстиями 19 (см. рис. 1, в). При отсутствии буртика 6 подгонка поршней по весу осуществляется за счет снятия металла с торцов 17 приливов 16 на бобышках.

Поршневая группа совершает возвратно-поступательное движение, вследствие чего подвергается воздействию сил инерции. Опытами и расчетами установлено, что максимальная величина сил инерции на больших скоростных режимах работы составляет значительную долю от газовых сил.

Таким образом, на поршень действует комплекс различных силовых и тепловых нагрузок в условиях, неблагоприятных для смазки и охлаждения.3 н/м3), что приводит к переутяжелению изготовленных из него поршней. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, где силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газа на днище поршня. Чугун имеет еще и низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350÷400°С. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, поскольку это служит причиной возникновения детонации.

Указанные недостатки чугунных поршней в определенной мере присущи и стальным поршням. Однако стенки стальных поршней значительно тоньше стенок чугунных поршней, но сложность отливки удорожает их производство. Стальные поршни не получили распространения в автомобилестроении.

Потеряли практическую ценность и поршни из магниевых сплавов, основу которых составляет магнии, сплавленный с 5—10% алюминия. Такие сплавы отличаются малым удельным весом (1,8 г/см³, или 1,8-10^3 н/м3), но не обладают нужной прочностью.

Подавляющее большинство быстроходных карбюраторных двигателей и дизелей автомобильного типа снабжается поршнями, изготовленными из алюминиевых сплавов. Основу их составляет алюминий, сплавленный с медью (6—12%) или кремнием (до 23%). В зависимости от марки алюминиевые поршневые сплавы содержат в небольших (1,0—2,5%) количествах никель, железо, магний, а иногда до 0,5% титана. Особенно широко применяют теперь силумины — алюминиевые сплавы, содержащие примерно 13% кремния. Внедряются сплавы с 20 — 22% кремния.

Большим достоинством алюминиевых поршневых сплавов является то, что они примерно в 2,6 раза легче чугуна, обладают в 3—4 раза большей теплопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами. Благодаря этому вес изготовленных из этих сплавов гак называемых алюминиевых поршней, как минимум, на 30% бывает легче чугунных, хотя стенки их по соображениям прочности делаются толще последних. Нагрев днища алюминиевых поршней обычно не превышает 250°С, что способствует лучшему наполнению цилиндров и в карбюраторных двигателях позволяет несколько увеличивать степень сжатия при работе на данном сорте топлива. Поэтому мощностные и экономические показатели двигателей при переходе на алюминиевые поршни улучшаются. Появляется возможность форсирования двигателей с целью повышения их мощности путем увеличения числа оборотов коленчатого вала.

Недостатками алюминиевых поршневых сплавов являются: большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больший, чем у чугуна), значительное уменьшение механической прочности при нагреве (нагрев до температуры 300°С снижает их прочность на 50—55% против 10% у чугуна) и сравнительно малая износостойкость. Однако современные методы производства и конструкции алюминиевых поршней позволяют использовать алюминиевые сплавы для поршней любых быстроходных автомобильных двигателей.

Необходимое повышение механической прочности и износостойкости поршней из алюминиевых сплавов в зависимости от состава последних в определенной мере достигается путем одно- или многоступенчатой термической обработки. Например, в течение 12— 14 часов поршни выдерживают в нагревательной печи при температуре 175—200°С (близкой к рабочей). После завершения такого искусственного старения твердость поршней с 80 единиц по Бринеллю повышается до НВ 110—120 и резко увеличивается их долговечность.

Недопустимые для нормальной работы поршневой группы большие зазоры между стенками цилиндра и юбкой алюминиевого поршня, обусловливаемые высоким коэффициентом линейного расширения алюминиевых сплавов, устраняются применением рациональной конструкции для элементов поршня. Опыт показывает, что правильно спроектированные алюминиевые поршни могут работать с очень малыми зазорами, не вызывая стука даже в холодном состоянии. Достигается это с помощью компенсационных прорезей или вставок, которыми снабжают стенки юбки, приданием юбке овальной или овально-конусной формы, путем изолирования рабочей (направляющей) ее зоны от более горячей части поршня головки и принудительным охлаждением последней.

В практике автомобилестроения часто применяют сразу несколько дополняющих друг друга мероприятий. Основными из них являются:

1) разрез юбки по всей ее длине (рис. 2, а). Такой разрез, как правило, делают косым так, что верхний и нижний участки его перекрываются. Косой разрез не оставляет следа на стенках цилиндра и позволяет разрезанным стенкам юбки при их нагреве сходиться (сближаться) за счет уменьшения ширины прорези, обеспечивая тем самым свободное перемещение горячего поршня в цилиндре. Чтобы увеличить пружинящие свойства разрезанных стенок и уменьшить температуру их нагрева, юбка в этой зоне отделяется от головки широкой горизонтальной прорезью, которая обычно проходит по канавке нижнего поршневого кольца, как показано на рис. 2, а. Горизонтальная прорезь в данном случае является одновременно изолирующей, защищающей юбку от теплового потока, идущего со стороны более горячей головки, и дренажной, позволяющей отводить масло со стенок цилиндра.

Рисунок 2

Юбка с разрезом на всю ее длину выполняется цилиндрической а ширину прорези выбирают так, чтобы полностью исключалась возможность захватывания горячего поршня в цилиндре. Рассмотренный метод несколько снижает жесткость поршня и пригоден только для карбюраторных двигателей. Он используется в известном отечественном двигателе ЗИЛ-120, где тепловые зазоры между поршнем и цилиндром составляют 0,08—0,10 мм.

Поршни с полностью разрезанной юбкой устанавливаются в цилиндр так, чтобы разрезанная сторона юбки не нагружалась боковыми силами при рабочем ходе;

2) разрез юбки не на полную ее длину, а в виде Т- и П-образных прорезей (рис. 2, б, в). Такие прорези сочетаются с овальной формой юбки. Величина овала составляет 0,3—0,5 мм, причем большая ось его располагается перпендикулярно к оси поршневого пальца как показано на рис. 2. Вследствие этого юбка соприкасается со стенками цилиндра только в плоскости качания шатуна узкими полосками и при нагреве может свободно расширяться в обе стороны по оси поршневого пальца, увеличивая зону своего контакта с цилиндром.

В поршнях с Т- и П-образными разрезами изолирующие горизонтальные прорези между юбкой и головкой делают с обеих сторон бобышек, поэтому тепловой поток от головки направляется непосредственно на бобышки и не оказывает интенсивного влияния на нагрев стенок юбки в зоне их контакта с цилиндром. Эти виды прорезей придают юбке пружинящие свойства, облегчая этим деформацию ее стенок. Чтобы не допустить появление трещин на концах прорезей в связи с деформацией стенок, их засверливают, как показано на рис. 2.

Поршни с овальной, частично разрезанной юбкой обладают достаточной прочностью и обеспечивают удовлетворительную работу поршневой группы автомобильных двигателей с очень малыми тепловыми зазорами, составляющими в среднем 0,02—0,03 мм. Часто юбке таких поршней придают не только овальную, но и конусную форму, располагая большой диаметр усеченного конуса по нижней кромке юбки. Величина конусности составляет примерно 0,05 мм;

3) компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна (рис. 2, г, д, е). Вставки применяются различной конструкции, но чаще всего они представляют собой пластины инварные или стальные, связывающие стенки юбки с бобышками поршня. Чтобы уменьшить при этом температуру нагрева юбки, последняя с двух сторон бобышек отделяется от головки поперечными изолирующими прорезями.

Инварные вставки, содержащие около 35% никеля, имеют весьма низкий коэффициент линейного расширения (в 10—11 раз меньший, чем у алюминиевых поршневых сплавов). С их помощью зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра практически удается сохранять неизменным как в холодном, так и прогретом состоянии двигателя. Поршни с ииварными вставками обычно имеют развитые- холодильники и свободно расширяются только в направлениях оси поршневого пальца (см. рис. 2, д), не изменяя рассматриваемого зазора.

В настоящее время широко применяют более дешевые вставки из нелегированной стали, которые заливаются в бобышки так, что вместе с тонким слоем основного алюминиевого сплава поршня они образуют биметаллические пары (см. рис. 2, г). Вследствие разности коэффициентов линейного расширения стали и алюминиевого сплава при нагреве таких стенок они деформируются и придают юбке овальную форму, изгибаясь наружу в разные стороны по оси поршневого пальца, т. е. в сторону развитых холодильников. Такие поршни называются «автотермик». Они обладают хорошими эксплуатационными качествами, имеют повышенную прочность и жесткость, поэтому могут использоваться даже в дизелях.

Компенсационные вставки обеспечивают удовлетворительна ю работу поршневой группы с зазорами менее 0,02 мм. Иногда компенсационные вставки выполняются также в виде различных стальных колец, которые заливаются в верхнюю часть юбки, как показано на рис. 2, е.

Чтобы исключить ошибки при установке поршня в цилиндр, на одной из его бобышек отливают метку-надпись «назад», т. е. эта бобышка должна быть расположена со стороны маховика двигателя. Иногда для этой цели используется стрелка-указатель.

Цилиндрическая головка поршня с плоским днищем снабжена тремя канавками под поршневые кольца, причем в нижней канавке сделаны дренажные отверстия, а поперечные изолирующие прорези размещены под этой поршневой канавкой. Юбку поршня изготовляют с овальностью 0,36 мм и конусностью в пределах 0,013— 0,038 мм. По цилиндрам поршни подбираются с зазором 0,012— 0,024 мм.

Правильность подбора зазора проверяется ленточным щупом с размерами 0,05 X 13 мм, который устанавливают под углом 90° к оси поршневого пальца (при снятых поршневых кольцах).

Поршни дизелей работают с большей, чем в карбюраторных двигателях, механической и тепловой напряженностью, поэтому им придают форму, обеспечивающую возможно высокую прочность и жесткость. Они изготовляются сравнительно толстостенными литыми или штампованными (Штампованные или кованые поршни из легких сплавов бывают прочнее соответствующих литых и предпочтительно применяются в форсированных дизелях) со сплошной юбкой, т. е. с юбкой, не имеющей разрезов, прерывающих тепловые потоки и облегчающих деформацию стенок. Вследствие этого юбка всегда имеет повышенную температуру нагрева, что вынуждает устанавливать поршни в цилиндры с довольно большими зазорами. Для уменьшения этих зазоров юбку выполняют овальной или овально-конусной конструкции. В отдельных случаях днище и стенки головки поршня для уменьшения их нагрева дополнительно охлаждают струйкой масла, которое через форсунку, расположенную в головке шатуна, подастся на внутренние стенки головки.

Следовательно, поршни из легких сплавов с перазрезной (сплошной) юбкой, хотя и обладают повышенной прочностью и жесткостью, но обеспечивают удовлетворительную работу поршневой группы с зазорами, в 5—10 раз превышающими зазоры, которые в сопоставимых условиях допускаются для овально-конусных юбок с компенсационными прорезями и вставками.

Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г.

Newer news items:

Older news items:

Поршень — RacePortal.ru

Детали шатунно-поршневой группы

1-Первое компрессионное кольцо

2-Второе компрессионное кольцо

3-Маслосъёмное кольцо

3.1-Верхнее плоское кольцо

3.2-Расширитель

3.3-Нижнее плоское кольцо

4-Поршень

5-Поршневой палец

6-Стопорное кольцо поршневого пальца (2 шт)

7-Шатун

8-Болт крышки шатуна

9-Вкладыши подшипника шатуна

10-Крышка шатуна

11-Гайка крышки шатуна

Поршень

Во время работы двигателя на поршень оказываются значительные механические нагрузки, постоянно изменяющиеся как по направлению, так и по величине. Даже во время спокойного, равномерного движения автомобиля по обычной загородной дороге коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 3000 об/мин, следовательно, в течение одной минуты поршень должен разогнаться до высокой скорости, остановиться и опять разогнаться в противоположном направлении 6000 раз в минуту, или 100 раз в секунду. Если принять, что средний ход поршня современного короткоходного двигателя равен 80 мм, за одну минуту поршень пройдёт 480 метров, то есть средняя скорость движения поршня в цилиндре равна 28,8 км/час. Ещё выше эти нагрузки у высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей. Если принять, что скорость вращения двигателя спортивного автомобиля 6000 об/мин (на самом деле может быть значительно выше), в этом случае поршень изменит направление своего движения 200 раз в секунду, линейное расстояние, которое поршень пройдёт за час, будет равно 57,8 км, при этом максимальная скорость движения поршня будет равна 120 км/час. То есть в течение одной секунды, поршню необходимо 200 раз на расстоянии всего 40 мм разогнаться до 120 км/час и на таком же расстоянии снизить скорость с 120 км/час до 0. Двигатели многих спортивных автомобилей имеют максимальную скорость вращения коленчатого вала до 12000 об/мин, а двигатели болидов Формулы 1 раскручиваются до 19000 об/мин.

Можно представить какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень, даже если просто предположить что коленчатый вал двигателя вращается от постороннего источника энергии. Но на поршень также оказывается воздействие усилия сжимаемых газов на такте сжатия и особенно полезное воздействие расширяющихся газов на такте рабочего хода. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 80 – 100 атмосфер, давление в камере сгорания обычного автомобиля 55 – 60 атмосфер. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн. Так что можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипно-шатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки. Но беда не приходит одна, кроме значительных механических нагрузок, поршень также подвергается воздействию очень высоких температур.

Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров. Геометрия кривошипного механизма такова, что часть силы, прикладываемой к поршню, расходуется на прижатие поршня к стенкам цилиндра. И не смотря на качественную обработку поверхностей, как цилиндра, так и поршня, даже при наличии смазки, возникает достаточно большая сила трения. Как известно из школьного курса физики, при этом выделяется большое количество тепла. Но в основном тепло, воздействующее на поршень, появляется при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Температура сгоревших в цилиндре газов может достигать 2000º — 2500ºС. Под воздействием таких высоких температур разрушаются все конструкционные материалы, из которых изготавливаются детали современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней. Общее количество тепла, выделенное во время работы двигателя, зависит от количества сгоревшего в цилиндрах двигателя топлива за единицу времени. А этот показатель, в свою очередь зависит от объёма цилиндров и от скорости вращения двигателя. Двигатель превращает в полезную механическую работу только небольшую часть энергии сгоревшего топлива. Некоторая часть тепла выводится из двигателя с горячими отработавшими газами остальноё тепло необходимо рассеять в окружающем пространств.

Опять вспоминая школьный курс физики можно сказать, что если два тела имеют разную температуру, но тепло от более нагретого тела перемещается к менее нагретому телу, пока температура обоих тел не сравняется. В автомобиле самым холодным телом, способным абсорбировать большое количество тепла, является окружающий воздух, следовательно, необходимо найти способ отвода тепла от нагретых деталей двигателя к окружающему воздуху. Поскольку весь земной шар всё равно не согреешь, можно считать, что окружающая среда способна абсорбировать любое количество тепла. Самая горячая часть поршня это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами. Далее тепло распространяется от днища поршня в направлении юбки.

Тепло от поршня отводится тремя способами: Основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя. Часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя. Часть тепла отводится от поршня холодной топливовоздушной смесью поступающей в цилиндры двигателя.

1. Отвод тепла чрез поршневые кольца и юбку поршня. Ясно, что подвести охлаждающую жидкость, циркулирующую в системе охлаждения к поршню невозможно, поскольку поршень во время работы двигателя перемещается с большой скоростью. Но система охлаждения двигателя интенсивно охлаждает стенки цилиндров двигателя. Поэтому необходимо сконструировать поршень и поршневые кольца так, чтобы он излишнее тепло чрез поршневые кольца и юбку передавал стенкам цилиндра двигателя. Далее исправная система охлаждения двигателя выведет тепло их двигателя и передаст его окружающему автомобиль воздуху. Если это не сделать, то температура поршня превысит максимально допустимую, после чего начнётся разрушение поршня под воздействием механических нагрузок и даже его оплавление под воздействием высокой температуры. Без необходимого отвода тепла поршень, сделанный из алюминиевого сплава расплавится всего через несколько минут работы двигателя.

Отвод тепла от поршня

Поступление тепла к поршню от рабочих газов, находящихся в цилиндре двигателя

Охлаждение поршня поступающей топливовоздушной смесью
Отвод тепла поршневыми кольцами (50% — 70%)
Отвод тепла юбкой поршня (20% — 30%)
Отвод тепла через внутреннюю полость поршня (5% — 10%)
Отвод тепла через поршневой палец и шатун
Охлаждающая жидкость рубашки охлаждения

Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 50% — 60% отводится поршневыми кольцами, это накладывает очень высокие требования к конструкции и точности изготовления поршневых колец. Некоторая часть тепла отводится во внутренне пространство поршня и рассеивается во внутреннем пространстве картера или через поршневой палец передаётся на шатун и тоже рассеивается во внутреннем пространстве картера двигателя.

Отвод тепла от поршня через поршневые кольца
Отвод тепла поршневыми кольцами
Камера сгорания
Стенка цилиндра
Рубашка охлаждения
Поршень
Первое компрессионное кольцо
Второе компрессионное кольцо
Маслосъёмное кольцо

Поскольку самой горячей частью поршня является его днище, являющейся одной из стенок камеры сгорания, тепло перемещается от верхней части поршня к нижней. При этом из всего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 45% отводится первым компрессионным кольцом, по причине того, что это кольцо всего ближе расположено к самой горячей части поршня, 20% отводится вторым компрессионным кольцом и только 5% отводится маслосъёмным кольцом. Тепло, переданное поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра, отводится системой охлаждения двигателя. Поэтому исправность системы охлаждения оказывает больное воздействие на тепловой режим поршня. Увеличение температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения на 5º — 6ºС, увеличивает температуру поршня на 10ºС. При неисправности системы охлаждения первое что разрушается в двигателе это поршень. У поршня или прогорает днище или поршень заклинивается в цилиндре.

2. Отвод тепла при помощи масла системы смазки двигателя Поскольку многие внутренние детали картера двигателя смазываются распылением масла, масляный туман постоянно присутствует в картере двигателя. Соприкасаясь с горячими частями поршня или стенок цилиндра, масло забирает от них тепло и, осаждаясь в масляный поддон, переносит туда тепло. Обычно в таких системах при помощи масла от поршня отводилось не более 5% — 10% тепла. Но в последнее время в высоконагруженных двигателях, особенно в дизельных, масло системы смазки стало широко использоваться для охлаждения деталей, имеющих наибольшую тепловую нагрузку. Масло для охлаждения поршня может подаваться к поршню двумя способами. Первый способ – через специальный масляный канал, просверленный в стержне шатуна. В этом случае в шатуне имеется специальное отверстие, через которое масло разбрызгивается на внутреннюю стенку днища поршня. Второй способ – в нижней части картера устанавливаются масляные форсунки, которые под давлением распыляют масло во внутренней полости поршня, или впрыскивают его в специальный кольцевой охлаждающий канал, расположенный в головке поршня. Для отбора от поршня большего количества тепла масляный канал имеет волнообразную форму.

В этом случае при помощи масла может от поршня отводиться от 30 до 50% тепла. В результате при разбрызгивании масла на внутреннюю стенку днища поршня удаётся снизит температуру днища поршня на 15 – 20ºС, а при организованной циркуляции масла в поршне, температуру днища поршня можно снизить на 25 – 35ºС. Масло, охлаждающие поршни и другие детали сильно нагревается. При нагреве масло разжижается и теряет свои смазывающие свойства. По этой причине возникает угроза заклинивания коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.

В таком случае система смазки двигателя имеет специальный охладитель масла, теплообменник которого передаёт тепло от масла жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя. Далее это тепло при помощи радиатора системы охлаждения рассеивается в окружающем автомобиль воздухе.

Охлаждение поршня маслом

Масляная форсунка, установленная в нижней части гильзы цилиндра, разбрызгивает мало из системы смазки двигателя на внутреннюю сторону днища поршня. Масло отбирает тепло от днища поршня и стекает в масляный поддон двигателя, где происходит его охлаждение.

Поршень с масляным каналом

На этих рисунках показан поршень современного дизельного двигателя 2.0 TDI мощностью 103 кВт концерна VOLKSWAGEN. Масляная форсунка впрыскивает масло в охлаждающий канал поршня. По охлаждающему каналу масло проходит через головку поршня, охлаждая его, выходит из охлаждающего канала поршня с другой стороны и стекает в масляный поддон двигателя.

3. Охлаждение поршня холодной топливовоздушной смесью. Вообще поршень любого двигателя частично охлаждается топливовоздушной смесью. Причем чем богаче смесь, там больше она может забрать энергии от поршня. Но по причинам топливной экономичности и экологии современные двигатели часто работают на обеднённой смеси. Современные электронные системы управления двигателя для избежания детонационного сгорания на некоторых режимах работы двигателя немного переобогащают смесь, за счёт чего несколько снижается температура поршня.

Конструкция поршня

Днище поршня
Головка поршня
Юбка поршня
Выемка для противовесов коленчатого вала
Отверстие поршневого пальца
Канавка стопорного кольца
Бобышка поршня
Отверстие для отвода масла из канавки маслосъёмного кольца
Отверстие для отвода масла ниже маслосъёмного кольца
Канавка маслосъёмного кольца
Третья перегородка поршневых колец
Канавка второго компрессионного кольца
Вторая перегородка поршневых колец
Канавка первого компрессионного кольца
Верхняя перегородка (жаровой пояс)
Метки направления установки поршня
Метки группы диаметра поршня

Вид поршня современного форсированного двигателя

Поршеньфорсированного двигателя
Днище поршня
Выемки клапанов
Вытеснитель
Верхняя перегородка (жаровой пояс)
Канавка верхнего компрессионного кольца
Вторая перегородка
Третья перегородка
Канавка маслосъёмного кольца
Отверстие для отвода масла из канавки компрессионного кольца
Юбка поршня с антифрикционным покрытием
Бобышка отверстия поршневого пальца
Отверстие поршневого пальца
Проточка под стопорное кольцо поршневого пальца
Канавка аккумулирования газов

На первый взгляд в конструкции поршня нет ничего сложного, поршень очень похож просто на перевёрнутый стакан. Но, учитывая, что к поршню предъявляются очень высокие и часто противоречивые требования, поршень является одной из наиболее трудных в конструировании и изготовлении деталей двигателя. В зависимости от конструкции двигателя, формы его камеры сгорания, расположения клапанов днище, и другие части поршня, могут иметь различную форму.

Некоторые примеры различных типов поршней

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

Поршень двигателя с непосредственным впрыском топлива автомобиля VOLKSWAGEN с системой управления двигателя FSI FSI

Направление потока смеси

Очень своеобразную форму имеют поршни двигателей автомобиля VOLKSWAGEN с расположением цилиндров VR и W. У этих двигателей днище поршня в одной плоскости не перпендикулярно оси поршня. Но все остальные детали поршня ось поршневого пальца и канавки поршневых колец строго перпендикулярны оси поршня.

Порщень RV-образного двигателя

Ранее отмечалось, во время работы двигателя поршень совершает возвратно поступательные движения с большой средней скоростью и с очень высокими знакопеременными ускорениями, следовательно, для уменьшения сил инерции конструктор должен стремиться сделать поршень, как и все остальные детали, совершающие возвратно-поступательное движение, как можно легче. Способов это сделать всего два, это применение материалов и низким удельным весом, и уменьшения общего количества материала, то есть удаление излишнего материала. Но удаление излишнего материала снижает прочность конструкции, чем деталь массивней, тем легче обеспечить её жесткость и теплоёмкость. Крайне не желательно деформация формы поршня под воздействием механических и температурных нагрузок. Во время работы двигателя поршень контактирует с другими деталями, стенками цилиндра, поршневыми кольцами и поршневым пальцем. Для обеспечения эффективной работы двигателя необходимо обеспечит точные зазоры между всеми этими деталями. Но все эти детали изготавливаются из различных материалов и, соответственно, имеют различные коэффициенты температурного расширения.

Поршень конструируется так, что после прогрева двигателя до нормальной рабочей температуры все зазоры между движущимися деталями были минимальными и соответствовали расчётным. Вообще наружная форма и размеры поршня должны соответствовать форме цилиндра. При изготовлении стремятся придать отверстию цилиндра строгие геометрические формы. Но, например, неправильная затяжка болтов крепления головки блока цилиндров, может сильно исказить первоначальную форму отверстия цилиндра. Поэтому, при ремонте двигателя всегда строго соблюдайте рекомендованные моменты затяжки всех резьбовых соединений.

Наружная форма поршня конструируется так, чтобы после прогрева двигателя поршень приобрёл форму строго цилиндра, поэтому при изготовлении поршня в его форму умышленно вносятся некоторые искажения, которые устраняются по мере прогрева двигателя. На холодном двигателе зазор между поршнем и стенками цилиндра увеличен. При прогреве двигателя до нормальной рабочей температуры тепловые зазоры между стенками цилиндра и поршнем уменьшаются и начинают соответствовать норме. Вот почему так важно поддерживать необходимую рабочую температуру двигателя.

Поршень состоит из трёх основных частей:

Днище поршня
Головка поршня
Юбка поршня

Днище поршня предназначено для восприятия усилия давления газов. Головка поршня обеспечивает герметизацию подвижного соединения поршня и стенок цилиндров за счёт установленных на головку поршня поршневых колец. Для установки поршневых колец в головке поршня делаются специальные канавки. В верхние канавки современных поршней вставляются компрессионные кольца, а нижняя канавка предназначена для установки маслосъёмного кольца. В канавке маслосъёмного кольца делаются сквозные отверстия, через которые излишнее масло отводится во внутреннюю полость поршня.

Часть поршня, расположенная ниже нижнего кольца называется юбкой поршня. Юбка поршня, иногда её называют тронковая или направляющая часть поршня, предназначена для удержания поршня в правильном направлении и восприятия боковых нагрузок. То есть юбка является направляющим элементом поршня.

Очень важным параметром поршня является высота головки поршня относительно оси поршневого пальца (4). Иногда различные модификации двигателя имеют различную степень сжатия. В производстве легче всего изменить степень сжатия изменением высоты головки поршня.

При конструировании двигателя, для уменьшения сил инерции, конструкторы стремятся сделать поршень как можно легче. Но сделать все стенки поршня одинаковой толщины не удастся. Днище поршня, для восприятия больших нагрузок, всегда делается толще, чем стенки юбки. Но и юбка в различных местах имеет различную толщину. В местах бобышек под поршневой палец юбка имеет значительное утолщение, а, учитывая то, что различные части поршня имеют различную температуру, можно предположить, что при нагреве в разных местах поршень расширяется не одинаково. Поскольку во время рабаты двигателя головка поршня имеет более высокую температуру, следовательно, расширяется больше юбки поршня, головка поршня имеет несколько меньший диаметр по сравнению с юбкой поршня.

Поршень — диаметр головки

Под воздействием тепловых деформаций поршня, сложенных с боковыми усилиями, действующими на поршень в перпендикулярно оси поршневого пальца, цилиндрический поршень может приобрети овальную форму. Для устранения этого явления поршень изначально делается овальным, но в противоположном направлении, по мере прогрева двигателя поршень, под воздействием боковых сил, приобретает круглую форму. Малая ось овала совпадает с направлением оси поршневого вала, а большая ось овала совпадает с направлением действующих на поршень боковых сил.

Но кроме овальности наружная поверхность поршня имеет некоторую конусность. Поршни современного двигателя, кроме овальности, по высоте имеют бочкообразную форму. Поэтому, поршень, кажущийся на первый взгляд простым цилиндром, имеет довольно сложную форму.

Сложная форма поршня

На этом рисунке даны отклонения диаметра поршня от номинального размера. Зелёная линия показывает отклонения от номинального диаметра на различной высоте поршня со стороны торцов поршневого пальца, а розовая линия показывает отклонение номинального размера со стороны упорных поверхностей поршня. Ширина жёлтой зоны показывает овальность поршня на различной высоте.

Подбор точной наружной формы поршня очень трудная инженерная задача. В самом начале развития двигателестроения форма поршня подбиралась только опытным способом. Установив опытный поршнь в двигатель, двигатель нагружали различными нагрузками. После проведения необходимых испытаний поршень снимался и в местах, подвергшихся наибольшему износу, удалялась некоторая часть металла, и после этого проводился следующий цикл испытаний. Ели в результате излишне снятого металла поршень разрушался, толщину стенок или форму поршня изменяли и заново производили полный цикл испытаний. В результате продолжительных испытаний добивались наилучшей формы поршня для данного двигателя. По мере накопления опыта точная форма поршня стала определяться расчётным способом. Но даже сейчас, когда специальная компьютерная программа, может прочитать оптимальную форму поршня быстро, с высокой степью точности и с учётом всех, воздействующих на поршень температурных и механических факторов, проводится обязательное испытание поршней под различной нагрузкой. Другим способом терморегулирования поршня, то есть направленное изменение формы поршня под воздействием температуры является вплавление в алюминиевое тело стальных термостабилизирующих пластин. Термостбилизирующие пластины, при полном прогреве поршня, позволяют снизить радиальное расширение поршня приблизительно в два раза по сравнению с поршнем, полностью изготовленным из алюминиевого сплава.

Термостабилизирующие пластины

Термостбилизирующие пластины или кольца являются очень эффективным средством управления расширения поршня в необходимом направлении. Правда эти элементы имеют большое ограничение они могут быть вставлены только в литые поршни, но нет возможности установки этих элементов в современные кованные поршни. Как преднамеренные изменения формы поршня, так и вставка в поршень термостабилизирующих стальных пластин предназначены для обеспечения стабильного минимального теплового зазора между поршнем (юбкой поршня) и стеками цилиндра. Обычно тепловой зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра автомобильного двигателя лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм.

Боковые силы, приложенные к поршню

Во время работы двигателя шатун постоянно, кроме положения поршня в ВМТ и НМТ находится под некоторым углом к оси цилиндра, причем этот угол постоянно изменяется. Поэтому сила, приложенная к поршневому пальцу, раскладывается на две. Одна сила действует в направлении шатуна, а вторая сила действует в направлении перпендикулярном оси цилиндра. Эта сила прижимает поршень к стенке цилиндра. При движении поршня вверх на такте сжатия сжимаемый воздух оказывает сопротивление перемещению поршня. Часть это силы прижимает поршень к правой стенке цилиндра, если смотреть со стороны передней части двигателя. Во время рабочего хода расширяющиеся газы с большой силой давят на поршень. Часть этой силы расходуется на прижатие поршня к левой стенке цилиндра. Не стоит думать, что эти силы незначительны. Боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра приблизительно равна 10% — 12% процентов, от силы, действующей в направлении оси цилиндра. Ранее упоминалось, что во время работы двигателя на днище поршня среднего легкового автомобиля действует сила в несколько тонн, следовательно, сила, прижимающая поршень к боковой стенке может быть равна нескольким сотням килограмм. Поскольку сила, действующая на поршень во время рабочего хода в направлении оси цилиндра значительно выше, силы, действующей на поршень во время такта сжатия, поверхность, к которой прижимается поршень, во время такта рабочего хода, называется основной упорной поверхностью.

Из всего сказанного вытекает, что при прохождении поршнем ВМТ между тактами сжатия и рабочего хода происходит перемещение поршня от вспомогательной упорной поверхности к основной. Поскольку на поршень действуют большие силы, а все процессы в двигателе происходят очень быстро, перемещение поршня происходи в форме удара. Для уменьшения силы удара при перекладке поршня ось поршневого пальца (вернее ось отверстия в бобышках поршня под поршневой палец) смещена в сторону основной упорной поверхности.

Перекладывание поршня

При движении поршня вверх на такте сжатия, давление сжимаемого воздуха оказываемого на днище поршня преобразуется в силу, направленную перпендикулярно днищу поршня. Поскольку шатун находится под некоторым углом к оси поршня, возникает нормальная сила, прижимающая поршень к вспомогательной упорной поверхности (2). Сила, возникающая в результате воздействия давления, равна произведению давления, умноженного на площадь, на которую действует давление. Поскольку ось поршневого пальца смещена в сторону основной упорной поверхности (1), площадь правой половины поршня стала несколько больше площади левой половины. В результате чего сила, действующая на правую половину поршня, будет больше силы, действующей на левую половину поршня. Поэтому, когда поршень остановится в ВМТ, в результате разности этих сил, нижняя часть поршня переместится к основной упорной поверхности. А как только давление в камере сгорания начнёт увеличиваться, произойдёт полная перекладка поршня к основной упорной поверхности. Это позволяет произвести перекладку поршня без ударных нагрузок. При движении поршня в низ, при изменении угла шатуна к оси цилиндра и возрастания давления в цилиндре поршень оказывает давление на основную упорную поверхность (1).

Обычно смещение оси поршневого пальцы относительно оси поршня в автомобильных двигателях лежит в диапазоне 1,0 – 2,5 мм. Учитывая имеющиеся смещения оси поршневого пальца, поршень допускается устанавливать только в одном направлении. Неправильна установка поршня приведёт к появлению ударных звуков во время работы двигателя. Обычно на днище поршня имеется метка, указывающая правильное направление установки поршня. Перед ремонтом двигателя тщательно изучите руководство по ремонту.

Нормальный тепловой зазор между цилиндром и юбкой поршня лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм. Но для каждого двигателя имеется точное значение этого параметра, которое можно найти в технических нормативах. Уменьшенный зазор приведёт к задирам поршня или поршневых колец и даже заклиниванию поршня в цилиндре.

Измерение диаметра поршня

При увеличенном зазоре повышается шумность работы двигателя и износ поршня и поршневых колец.

Измерение диаметра юбки поршня при помощи микрометра.

Измерение диаметра поршня Диаметр юбки поршня необходимо проверять в направлении перпендикулярном оси пальца строго на установленной высоте относительно нижнего края юбки. Замерьте диаметр юбки поршня на установленной высоте и запишите результаты измерений.

Измерение диаметра цилиндра нутромером

При помощи нутромера замерьте диаметр цилиндра и запишите результаты измерений. Для определения зазора необходимо из второго полученного результата вычесть результат первого измерения. Измерение зазора при помощи плоского щупа Некоторые производители двигателей предлагают проводить измерение зазора между поршнем и цилиндром при помощи плоского щупа.

Измерение зазора между поршнем и стенками цилиндра

На этих двух рисунках показаны различные способы измерения зазора при помощи плоского щупа.

Измерение зазора при помощи щупа

Материалы, из которых изготовлен поршень

Поскольку к поршням, как к изделию, предъявляются очень высокие требования, такие же высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются поршни. Можно кратко перечислить требования к этим материалам:

Для снижения инерционных нагрузок материал должен иметь как можно меньший удельный вес, но при этом быть достаточно прочным.
Иметь низкий коэффициент температурного расширения.
Не изменять своих физических свойств (прочности) под воздействием высоких температур.
Иметь высокую теплопроводность и теплоёмкость.
Иметь низкий коэффициент трения в паре с материалом, из которого изготовлены стенки цилиндров.
Иметь высокую сопротивляемость износу.
Не изменять своих физических свойств под воздействие нагрузок, вызывающих усталостное разрушение материала.
Быть не дорогим, общедоступным и легко поддаваться механической и другим видам

Алюминий значительно легче чугуна, но поскольку он мягче чугуна, приходится увеличивать толщину стенок поршня, по этой причине вес поршневой группы алюминиевого поршня легче подобной группы с чугунным поршнем всего на 30 – 40%. Алюминий обладает высоким температурным коэффициентом расширения, для устранения влияния которого приходится вплавлять в тело поршня стальные термостабилизирующие пластины и увеличивать зазоры между поршнем и другими элементами в холодном состоянии. Алюминий обладает низким коэффициентом трения в паре алюминий – чугун. Что удовлетворяет, по этому показателю, применение алюминиевых поршней в большинстве двигателей имеющих чугунный блок цилиндров или чугунные гильзы, вплавленные или вставленные в алюминиевый блок цилиндров. Но существуют современные прогрессивные двигатели (в основном немецкие – Фольксваген, Ауди и Мерседес) с алюминиевым блоком цилиндров, не имеющих вплавленных чугунных гильз. У этих двигателей поверхность алюминиевых отверстий цилиндров обрабатываются несколькими различными способами. В результате поверхность стенок цилиндров становится очень твёрдой и приобретает возможность сопротивления износу, даже выше чем у чугунных гильз. Но в паре алюминий – алюминий коэффициент трения очень высокий. В этом случае для уменьшения сил трения проводится железнение опорных поверхностей юбки поршня. В процессе железнения на опорную поверхность юбки поршня гальваническим способом наносится тонкий слой стали.

Блок цилиндров без гильз

Поршень с железнением юбки

На этих рисунках показано плазменное напыление на рабочую поверхность цилиндров полностью алюминиевого блока цилиндров без применения вставных или вплавленных гильз цилиндров и соответствующий этой поверхности поршень с железнением опорной поверхности юбки поршня. Отсутствие чугунных гильз значительно уменьшает вес блока цилиндров.

Поршень с антифрикционным покрытием

Кроме антифрикционного покрытия на этом рисунке отчётливо видна стальная вставка, в которой проточена канавка для установки верхнего компрессионного кольца. Установка подобной вставки значительно увеличивает срок службы поршня.

Алюминиевые сплавы

Кремнеалюминиевые сплавы, из которых изготавливаются поршни большинства современных автомобильных двигателей, делятся на две группы – эвтектические (содержания кремния 11 – 13%) и заэвтектические (содержания кремния 25 – 26%). Для улучшения термической стойкости и механических свойств в эти сплавы добавляются никель, медь и другие металлы. В эвтектических сплавах свободный кремний отсутствует, поскольку он полностью растворён в алюминии, в заэвтектических сплавах кремний может присутствовать в виде кристаллов, часто видимых на срезе или расколе материала. Поршни массовых автомобилей изготавливаются методом литья в кокиль из эвтектических сплавов, поскольку эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами. Поршни дизельных двигателей тяжёлых грузовых автомобилей и других нагруженных двигателей изготавливаются из заэвтектических сплавов. Эти сплавы обладают большей прочностью, но имеют большую стоимость в производстве, поскольку изделия из этих сплавов трудней обрабатываются.

Литые и кованые

На высоконагруженных форсированных автомобильных двигателях применяются поршни, изготовленные не методом литья, а методом ковки (горячей штамповки). Ковка значительно улучшает структуру материала, поэтому кованые поршни обладают большей прочностью и большей устойчивостью к износу. Но вкованные поршни невозможно установить терморегулирующие стальные пластины.

Структура металла кованного поршня

Литые поршни не применяются, если обороты двигателя в рабочем режиме превышают 5000 об/мин. Кроме того, кованые поршни имеют лучшую теплопроводность, поэтому температура кованых поршней ниже температуры поршней, изготовленных методом литья.

Сравнение температуры литого и кованного поршня

Ремонтные размеры и селективная подборка

Как ранее отмечалось, диаметр поршня должен строго соответствовать диаметру цилиндра с обеспечением необходимого зазора между ними. Но в реальном производстве изготовленные детали всегда несколько отличаются друг от друга. Поэтому во многих отраслях машиностроения, и автомобилестроение в том числе, принята селективная подборка. После изготовления измеряются и по результатам измерений детали делятся на несколько классов или групп, с определённым диапазоном измеряемого размера. То есть каждому классу отверстия цилиндра (обычно класс цилиндра выбит в определённом месте на блоке цилиндров), подбирается поршень такого же класса. Например, на ВАЗе поршни подразделяются на пять классов (A, B, C, D и E), но в запасные части для ремонта двигателей поставляются поршни только трёх классов (А, С и Е). Считается, что этого вполне достаточно для выполнения качественного ремонта.

Группы поршня по диаметру

Таблица и рисунок даны только для примера, поскольку для разных моделей двигателей выпускаются поршни разных номинальных размеров. На рисунке и в таблице упоминаются поршни разного номинального диаметра. Кроме этого выпускаются поршни ремонтного размера, с увеличенным на 0,4 и 0,8 мм диаметром. Не путайте ремонтные размеры, с классами по селективной подборке. Классы селективной подборки отличаются друг от друга на сотые, а, иногда, на тысячные доли миллиметра. А номинальные ремонтные размеры отличаются на несколько десятых долей миллиметра.

Во время капитального ремонта двигателя с расточкой блока цилиндров под ремонтный размер отверстий цилиндров специалисты ремонтного предприятия точно подгоняют диаметр цилиндра под имеющиеся поршни при хонинговке. Если по причине износа или наличия задиров требуется отремонтировать отверстие одного цилиндра, придётся растачивать все цилиндры. Не допускается применения на одном двигатели поршни разных ремонтных размеров. Диаметр поршня измеряется при помощи микрометра, в направлении, перпендикулярном оси поршневого пальца, на строго установленном расстоянии от низа юбки поршня, указанном в руководстве по ремонту. Все измерения, как диаметра поршня, так и диаметра отверстия цилиндра необходимо проводить при нормальной комнатной температуре – 20º С. Различные производители имеют различные группы или классы поршней по диаметру. Поэтому перед ремонтом двигателя ознакомьтесь с Руководством по ремонту. Кроме селективного подбора поршней по диаметру, поршни также делятся на несколько групп по диаметру отверстия под поршневой палец. Обычно группа поршня определяется цветовой меткой на внутренней поверхности бобышки поршня. Палец поршня имеет соответствующую по цвету метку на торцевой поверхности пальцы.

Группа поршня по диаметру поршневого пальца

Каждой группе соответствует установленный диапазон отверстия под поршневой палец, обычно различие между группами не превышает нескольких тысячных миллиметра.

Группа поршня по весу

Некоторые производители, также делят поршни на несколько групп по весу. Иногда при ремонте двигателя вес поршней уравнивается за счёт снятия металла в установленном месте юбки поршня. Чем меньше различие в весе поршней, тем меньше вибрации двигателя. При замене поршней подбирайте поршни одной весовой группы или, если это указано в Руководстве по ремонту, при помощи удаления металла уравняйте вес поршней.

Данные о размерах поршня и направлении его установки обычно выбиты на днище поршня.

Метки на днище поршня

Маркировка поршня:

Стрелка для ориентирования поршня в цилиндре
Ремонтный размер
Класс поршня по диаметру
Группа отверстия поршневого пальца

И так, поршни одного двигателя делятся по следующим признакам: Класс поршня по диаметру (селективная подборка) Группа отверстия под поршневой палец (селективная подборка) Ремонтный размер Группа по весу поршня

Поршни современных двигателей / Ремонт двигателей

Не будет преувеличением сказать, что поршень — наиболее ответственная и специфичная деталь в современном двигателе. Он должен быть легким и прочным, способным выдерживать значительные механические нагрузки и тепловые удары, а кроме того, обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей, низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре.

Последнее требование особенно важно для хорошей герметичности, возможности избежать прорыва газов из камеры сгорания в картер и поступления масла в обратном направлении. Иными словами — для минимального расхода масла с одновременным отсутствием шума (стука) поршня о стенки.

И это только часть проблем, которые приходится решать при конструировании и производстве поршней для конкретных двигателей. В целом получается, что поршень как бы концентрирует технические новшества, заложенные в конструкцию мотора. Тут можно перефразировать известное выражение древних: «Покажи мне только поршень, и я скажу, что это за двигатель».

Словом, разработка и изготовление современных поршней — задача особая. На Западе их производством давно занимаются не изготовители автомобилей, а специализированные фирмы. У них накоплен необходимый опыт и создана соответствующая техническая база, без чего невозможно получить надежный результат. В мире существует несколько фирм такого рода, но наибольшую известность по праву получила немецкая марка «Мале» (Mahle).

Фирма Mahle существует с 1920 года. Название она получила по фамилии своих основателей — братьев Мале. Затем последовали десятилетия непрерывного совершенствования, развития и роста. Сегодня Mahle — это целая группа специализированных компаний, которая так и именуется — Mahle Group. Так, производством поршней, цилиндров и блоков цилиндров занимается концерн Mahle GmbH, привлекший дочерние и долевые фирмы США, Мексики, Бразилии, Испании, Франции и Южной Кореи. Туда же входят известные фирмы Mondial Piston (Испания) и Konig KG GmbH (Австрия). Помимо этого, в группу Mahle входят компании, производящие детали двигателей, включая поршневые пальцы, клапаны и др., а также фильтры (в том числе известная фирма Knecht).

Фирма Mahle приобрела свою мировую известность в основном успехами в разработке и производстве поршней для двигателей всех типов — от маленьких мотоциклетных до мощных, в десятки тысяч киловатт, судовых дизелей. Особенности конструкции и технологии изготовления поршней, выпускавшихся фирмой Mahle, — это этапы развития не только самой фирмы, но и всего мирового моторостроения. Они интересны для всех любителей техники, но особенно для тех, кто так или иначе связан с ремонтом автомобильных двигателей.

Известно, что поршни автомобильных двигателей изготавливаются из легких алюминиевых сплавов. Однако не все знают, что именно Mahle первой в Европе освоила серийное производство поршней из сплава алюминия с кремнием (1926 г.). При этом специальные поршневые сплавы «Mahle 124» с 11-13% кремния (1933 г.) и «Mahle 138» с 17-19% кремния (1937 г.) стали классическими для производителей поршней и сегодня применяются не менее широко.

В 1935 году Mahle впервые начала выпуск поршней со специальным профилем наружной поверхности: вместо цилиндрической формы поршень приобрел овальную и бочкообразную. Такая конфигурация оптимальна, поскольку в реальных условиях овальный и бочкообразный поршень, нагреваясь неравномерно (температура днища, омываемого горячими газами, существенно больше температуры юбки, охлаждаемой при контакте со стенками цилиндра), принимает форму, близкую к цилиндрической. В то же время небольшое заужение нижней части юбки создает гидродинамический эффект (своего рода подъемную силу) при движении поршня вниз — он как бы всплывает на масляной пленке. Найденные формы позволили уменьшить зазор в цилиндре без опасности заклинивания, снизить шум двигателя и повысить долговечность цилиндропоршневой группы. Они сохранились и у поршней самых современных двигателей. Правда, у них вдобавок появился еще и микрорельеф (микроканавки на наружной поверхности глубиной порядка 5 мкм), создающий дополнительную подъемную силу при движении в цилиндре.

С 1926 года Mahle для компенсации теплового расширения поршней использует биметаллический эффект: стальные терморегулирующие вставки внутри поршня при нагревании препятствуют температурному расширению, позволяя держать малый зазор между поршнем и цилиндром. Эту же задачу решают и пазы в верхней части юбки поршня (в канавке маслосъемного кольца или под ней), которые препятствуют распространению тепла от верхней части поршня, нагретой горячими газами, в юбку. Из-за этого температура стенок юбки уменьшается, что также препятствует тепловому расширению поршня. Описанная комбинированная конструкция — со вставками и пазами — получила название Autothermik и успешно применялась фирмой Mahle с 1930 года для поршней многих автомобильных двигателей.

Схема только с пазами (без стальных вставок) хотя и позволяет несколько уменьшить массу поршня, но заметно уступает схеме Autothermik по тепловому расширению. В настоящее время она применяется редко, в основном на двигателях малого рабочего объема.

С ростом мощности и соответственно нагрузок на поршень от пазов на юбке вообще пришлось отказаться, поскольку они ощутимо ослабляют деталь. Поэтому с 1955 года как на бензиновых, так и на дизельных двигателях широко используется конструкция со стальными вставками без пазов, получившая название Autothermatik. Кстати, поршни такого типа имеют все вазовские двигатели.

Дальнейшее развитие порш-ней — конструкция Duotherm, применяемая в основном на бензиновых двигателях с 1970 года. Здесь «управление» тепловым расширением юбки осуществляется как с помощью биметаллического эффекта, так и расширением верхней части поршня. Вследствие этого схема Duotherm по тепловому расширению лучше предыдущих схем, но несколько уступает по прочности схеме Autothermatik.

В последние годы поршни без стальных вставок и пазов (с «жесткой» юбкой) снова оказались в центре внимания. Автомобильные двигатели последнего поколения, многие из которых имеют алюминиевый блок цилиндров, потребовали облегчения поршней без ухудшения их тепловых, прочностных и других эксплуатационных характеристик. Это оказалось возможным, если перейти на материалы с повышенным содержанием кремния (включая сплав «Mahle 244» с 23-26% кремния). Одновременно были разработаны более эффективные методы получения заготовок поршней, в частности вместо литья под давлением — штамповкой (ковкой) и «жидкой» штамповкой. В результате поршни двигателей последних моделей имеют достаточно простую форму, низкую массу, высокую прочность и износостойкость, обеспечивая при этом минимальный шум двигателя.

Особо следует остановиться на конструкции поршней для дизельных двигателей. Как известно, дизель характеризуется очень высокой степенью сжатия (до 22-24 против 9-10 у бензинового двигателя) и соответственно большими силовыми и тепловыми нагрузками на детали, включая поршень. Его совершенствование опять-таки хорошо иллюстрируется цепочкой разработок фирмы Mahle.

Еще в 1931 году Mahle впервые применила чугунную вставку канавки для верхнего кольца, что позволило заметно увеличить ресурс дизельного двигателя. Эта конструкция с успехом применяется и по сей день, хотя с 1974 года (а особенно в последнее время) для упрочнения верхней канавки все чаще применяют износостойкие покрытия.

Обычно такое покрытие имеет толщину 40 — 120 мкм и делается по всему днищу поршня с «заходом» в канавку верхнего кольца, одновременно защищая края днища поршня от перегрева. Покрытие представляет собой так называемое твердое анодирование, то есть термохимическое преобразование верхнего слоя алюминиевого сплава в твердую керамику (окись алюминия Al2O3). Кстати, подобное покрытие, но меньшей толщины (обычно 10 — 15 мкм), используют и на поршнях высокофорсированных бензиновых двигателей с наддувом. Здесь помимо уменьшения износа верхней канавки ставится цель защиты днища поршня от разрушения детонацией.

В поршнях современных дизелей с наддувом нередко применяют так называемое внутреннее охлаждение, которое уменьшает температуру днища на 30-80°С. Оно состоит в подаче масла из системы смазки через форсунку во внутреннюю кольцевую полость поршня, расположенную около пояса поршневых колец. Очевидно, что изготовление поршня с подобным кольцевым отверстием требует специальной технологии.

Кроме этих особенностей, в последних конструкциях автомобильных дизелей с непосредственным впрыском топлива в цилиндр, отличающихся очень высокой нагрузкой на поршень, появилась и другая особенность. В бобышках поршня здесь устанавливают бронзовые втулки в отверстия для поршневого пальца, а сам палец делают волнистым с плавным уменьшением диаметра на 10-40 мкм вблизи краев отверстий поршня и шатуна. Такие решения обеспечивают долговечность соединения поршня с пальцем там, где традиционные конструкции и материалы уже не работают.

Среди достижений фирмы, касающихся дизелей, нельзя не отметить поршни с армированием керамическими волокнами типа Liquostatik, а также поршни типа Ferrotherm, состоящие из двух частей — уплотняющей и направляющей. На подходе и другие новинки.

Большинство поршней традиционно покрывается тонким (порядка 5 мкм) слоем свинца, олова или цинка. Покрытие препятствует задиру юбки на нерасчетных режимах, например при запуске и прогреве, когда условия смазки ухудшены. В последние годы на юбку поршней стали наносить покрытие типа Grafal, которое представляет собой графит со специальным наполнителем, обеспечивающим прочное сцепление со стенкой юбки. Покрытие имеет толщину 15-30 мкм и существенно влияет на износостойкость поршня.

Для V-образных двигателей с алюминиевыми блоками цилиндров и их поршней фирма разработала специальные технологии и материалы. Так, поршни имеют покрытие типа Ferrostan (1975 г.), представляющее собой слой железа толщиной 12-20 мкм, покрытый сверху тонким (1-2 мкм) слоем олова. Блок цилиндров отливают по специальной технологии Silumal из алюминиевого сплава «Mahle 147» (17% кремния, 4% меди) с осаждением повышенного количества кремния вблизи цилиндров. После обработки поверхность цилиндров травят соляной кислотой, при этом алюминий «уходит» с поверхности и там остается чистый кремний. Таким образом, пара материалов в двигателях с такими блоками цилиндров как бы обратна привычной: «железный» поршень работает в «алюминиевом» цилиндре. Этим достигается исключительная износостойкость пары (в комплекте с хромированными поршневыми кольцами), а также низкий уровень шума из-за очень малого зазора в цилиндре (порядка 0,01 мм). Такие блоки теперь применяют самые именитые фирмы (V8 — «Мерседес», «Ауди», «Порше»; V12 — «Мерседес» и БМВ).

Следует упомянуть также успехи Mahle в создании специальных износостойких покрытий цилиндров, в частности Chromal (1951) и Nikasil (1967). Chromal — это хромовое покрытие толщиной 0,06-0,08 мм, осаждаемое электрохимическим способом на алюминиевый цилиндр. Nikasil состоит из никеля с включением мелких (размером около 3 мкм) частиц карбида кремния; такое покрытие имеет наивысшую износостойкость. Это определило использование алюминиевых гильз цилиндров с покрытием Nikasil для двигателей гоночных автомобилей.

Здесь уместно заметить, что Mahle — основной производитель поршней и гильз цилиндров для автомобилей «Формулы 1» (F1). Подавляющее большинство команд, включая Феррари, Вильямс — Рено, Бенеттон-Рено, МакЛарен — Мерседес и другие, использует именно эти комплектующие. Поршень двигателя F1 должен оставаться работоспособным при частоте вращения до 17000 мин-1, поэтому он отличается предельно низкой массой и малой высотой, изготавливается «жидкой» штамповкой и имеет, как правило, внутреннее охлаждение, причем на последних модификациях используют только два поршневых кольца.

Сегодня фирма Mahle выпускает поршневые группы (комплекты «поршень — поршневые кольца — поршневой палец») для подавляющего большинства моделей и модификаций автомобилей европейского производства. Перечень марок впечатляет: «Мерседес», БМВ, «Фольксваген», «Ауди», «Опель», «Рено», «Пежо», «Ситроен», «Фиат» и многие другие. Эта продукция Mahle идет как для конвейерной сборки, так и в запасные части. Достаточно велика номенклатура поршней и для двигателей японских машин. Не забыты российские потребители: фирмой Mahle освоены и уже продаются на нашем рынке поршневые группы и кольца для двигателей ВАЗ и ГАЗ.

Несмотря на огромную массу выпускаемых деталей (в последние годы к ним прибавились поршневые кольца и подшипники коленчатых валов), фирма выполняет и индивидуальные заказы. Например, здесь могут изготовить поршни для новых двигателей в единичных количествах. Имея серьезную исследовательскую, конструкторскую и производственную базу, Mahle может спроектировать и сделать поршень для любого двигателя, удовлетворяющий всем необходимым требованиям, будь то низкий расход топлива и масла, малый выброс токсичных веществ с выхлопными газами, невысокий шум, максимально возможные мощность и долговечность двигателя. При этом будут выбраны оптимальные сочетания материала, конструкции, геометрии и покрытий поршня, необходимые для выполнения поставленных условий.

Интересно, что у фирмы можно заказать и любые поршни, которые когда-либо изготавливались фирмой Mahle: со времени ее основания сохраняются все формы для отливки.

О поршнях • CHIPTUNER.RU

О ПОРШНЯХ

Хочешь, не хочешь, а охлаждай.
Хочешь – дуй, хочешь – плюй, но студи.
Хочешь жить – охлаждай.

Одна из самых таинственных и, несомненно, значимых деталей автомобильного двигателя – его величество поршень. Действительно, он занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую, а затем в механическую. И в прямом, и в переносном смысле. И от того, насколько хорошо он справляется с возложенными на него обязанностями, в значительной степени зависят характеристики мотора. Его эффективность и, что более важно, надежность. Особенно когда мы говорим о спортивном применении или модификации автомобиля в тюнинговом ателье.

Вопрос о применении специальных поршней в случае повышения мощности всегда встает перед конструктором. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое привилегированное положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов.

Чаще всего они пользуются услугами фирм, которые специализируются в этой области. Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему столь много тайн, секретов и небылиц распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла. А так как это еще и технологически сложно, практически неисполнимо в условиях стандартного машиностроительного производства, то проблема подгонки, т. е. соответствия поршня требованиям модифицированного мотора, становится камнем преткновения для многих тюнинговых компаний и спортивных конюшен. Кроме того, штучное производство столь сложных изделий финансово обременительно. В этой ситуации часто интуитивные представления тюнера о том, что «улучшенный» двигатель должен иметь «улучшенные» поршни, приводит к тому, что сначала двигатель оснащается чем-то доступным, а потом такое решение находит свое наукообразное обоснование.

Так давайте попробуем разобраться, какие требования предъявляются к поршням и что от чего зависит. Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра. Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ. В‑третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие. В‑четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можно разделить на две большие группы. Первая – это тепловые процессы. Вторая, значительно более многообразная – механические. Обе группы взаимовлияющие, но в этот раз мы остановимся на тепловых.

Итак, топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Из курса общей физики известно, что если два тела передают друг другу тепло, то передача тепла будет происходить до тех пор, пока их температуры не уравняются. Следовательно, если мы не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это принципиально важный момент для понимания условий работы поршневой группы. А особенно важно, если мотор форсируется. Всегда, когда мы заставляем мотор увеличить мощность, пропорционально увеличивается количество тепла, генерируемое в камере сгорания в единицу времени. Конечно, расплавленные поршни мы видим чрезвычайно редко, однако в любых их проблемах всегда незримо присутствует температура. Примерно так же, как в любом дорожно-транспортном происшествии – скорость. Виноват, конечно, водитель, но.… Если бы автомобили не двигались, никто бы не пострадал. Дело в том, что с ростом температуры механические характеристики всех материалов ухудшаются. Поэтому нагрузка, которая при 100 градусах Цельсия вызывает упругую деформацию материала, при 300 градусах деформирует изделие, а при 450 разрушит его. Поэтому мы должны или принимать меры по предотвращению роста температуры поршня, или использовать материалы, способные выдержать рабочие нагрузки при высоких температурах. Чаще всего и то и другое. Однако в любом случае конструкция поршня должна быть такова, чтобы в нужных местах было необходимое количество металла, способное противостоять разрушению.

Еще раз повторим известный из курса общей физики факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается. Нам известно, что наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что, в конце концов, тепло будет передано окружающему автомобиль воздуху – самому холодному и в то же время при определенном допущении бесконечно теплоемкому. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, студит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Нам осталось найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути. Они совершенно разные по своему вкладу, однако все заслуживают упоминания, так как в зависимости от конструктивных особенностей двигателя имеют большее или меньшее значение.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это также 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, однако трудно его недооценить. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем и слабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно 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 в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выхода из строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя. Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности. И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, а следовательно, 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, во-первых, импульсный характер, во-вторых, отличается скоротечностью, в‑третьих, пропорционален последующему нагреву и, в‑четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Здесь следует упомянуть о стандартном приеме, который используется при настройке спортивных моторов. Дело в том, что теплоемкость смеси сильно зависит от ее состава. Чем больше топлива в ней содержится, тем больше тепла будет потрачено на его испарение. Очень часто, чтобы нормализовать работу мотора, нужно чуть-чуть, всего на 5 – 10 градусов, понизить внутреннюю температуру. Это достигается легким переобогащением смеси, чуть богаче, чем необходимо. На процесс горения это никак не сказывается, а температура падает. Исчезает калильное зажигание, отодвигается порог детонации. Всегда лучше чуть богаче, чем беднее. Моторы, работающие, например, на метаноле, значительно менее требовательны к системе охлаждения из-за втрое большей теплоты парообразования, чем у бензина.

Таким образом, в силу большей значимости следует уделить более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Совершенно понятно, что если этот путь мы по тем или иным причинам перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

Тут я хочу упомянуть такую, на первый взгляд, совершенно не относящуюся к процессу теплообмена характеристику, как компрессия. О компрессии знает каждый человек, хоть раз сталкивавшийся с покупкой подержанного автомобиля. Это наиболее популярный параметр, который хочет знать каждый владелец автомобиля, заботящийся о двигателе своей машины. Компрессия косвенно показывает степень неплотности поршневой группы. С точки зрения теплопередачи это очень важный параметр. Давайте представим себе, что кольцо не прилегает по всей своей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это почти то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Еще более страшная картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Именно поэтому всегда уделяется так много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки. И не ухудшение энергетики здесь главная причина. Ведь небольшое количество газов, прорывающихся в картер, несет в себе слишком малую энергию, чтобы повлиять на потерю давления в такте рабочего хода и, как следствие, на потерю момента двигателем.

Тем более, когда мы говорим о высокооборотном моторе. Гораздо больший вред даже небольшая неплотность наносит двигателю в смысле локальных тепловых перегрузок, потери жесткости и надежности. Вот еще почему не живут долго двигатели, восстановленные методом замены колец или перегильзовкой блока под старые, отжившие свой век «номинальные» поршни. Вот почему первым у спортивного мотора разрушается цилиндр, имеющий меньшую компрессию.

Тут, вероятно, необходимо коснуться вопроса, который всегда обсуждается при изготовлении специальных поршней для спортивных или тюнинговых приложений. Сколько колец будет у нового поршня? Два? Три? Какой толщины должны быть кольца? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс. И чем быстроходней мотор, тем жестче становятся рамки.

Скоротечность процессов диктует меньшие требования к уплотнению. Растущие со скоростью механические потери необходимо уменьшать, иначе все, что преобразовали в механическую мощность, не донесем до колес. Однако и количество тепла в единицу времени вырабатываем пропорционально больше, мостик для охлаждения требуется как можно шире. Вот и нужно одновременно чтобы кольца были и узкие, и широкие. И нужно их два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора. А результаты его работы – в сбалансированности двигателя.

В настоящее время инженерами, работающими в мощных производственных компаниях и научных центрах, накоплен огромный эмпирический материал и на его основе созданы расчетные методы, позволяющие с большой точностью предсказать поле температур и характеристики конкретного изделия. Большинству тюнинговых компаний и спортивных конюшен они недоступны. Автору, к сожалению, тоже. Эта статья намеренно не содержит конкретных значений многих величин, которые позволили бы некоторым читателям взяться за калькуляторы. Тепловые расчеты на пальцах – бесперспективное занятие. Ее задача – показать ту сторону процессов, происходящих в двигателе, которая всегда подразумевается, но никогда всерьез не рассматривается. Я хотел только проявить качественные связи и объяснить важность и необходимость в своей работе учитывать влияние его величества тепла.

Как мы выяснили, значение поршня для эффективности двигателя трудно переоценить. В силу особого положения поршневая группа также очень важный элемент в смысле надежности мотора. Поэтому наше дальнейшее рассмотрение механических аспектов конструкции поршней ДВС построим в таком же порядке. Каждое положение будем оценивать с точки зрения влияния на механические потери и на способность противостоять механическим нагрузкам.

Для начала неплохо бы представить, чего в принципе мы ожидаем от идеального поршня. Какой он, этот стойкий оловянный солдатик? Ну, конечно же, несгибаемый. Как бы мы его ни гнули, толкали, мяли, бросали из жара в холод, он всегда должен оставаться одинаковым. Одинаковым с большой точностью. Наш герой находится в плотном строю сопряженных с ним деталей. Это кольца, поршневой палец, цилиндр. Если механические нагрузки будут столь велики, что канавки деформируются и поршневые кольца потеряют подвижность, тогда работа мотора будет нарушена. Если поршневой палец окажется зажатым в отверстиях бобышек, скорее всего, поршень разрушится. Если зазор от стенок цилиндра вдруг станет большим, мы потеряем ориентацию, а если маленьким – размажем поршень по стенкам. А силы действуют на него немалые. Максимальное давление в камере сгорания у высокофорсированных моторов достигает величины 100 атмосфер. Усилие, с которым поршень толкают газы, измеряется тоннами. Максимальная скорость, с которой он перемещается в быстроходном моторе, достигает 120 км/час. При этом 200 раз в секунду тормозится до полной остановки.

Представьте себе, что ваш автомобиль со скорости 120 км/час остановился на пути в 4 сантиметра. Это почти удар о скалу. Что же представляет собой бампер, если он не должен изменить форму более чем на 0,005 мм? Не забудьте, перед ударом мы его изрядно подогрели газовой горелкой. А еще все это повторяется 200 раз в секунду. Такие вот испытания выпали на долю нашего подопечного.

Идеальный поршень в таких жестоких условиях должен быть абсолютно жестким, т. е. никак не менять свою форму. Тепловые нагрузки не должны его деформировать. Его вес должен быть близок к нулю. Износ от контакта с сопряженными деталями должен отсутствовать. В первой части статьи мы определили характеристики, связанные с тепловыми процессами в двигателе. Совершенно понятно, что нет в природе материалов. отвечающих веем этим требованиям. Прежде чем остановиться на материалах, из которых изготавливают поршни, попробуем понять, почему такие требования предъявляются к поршням. Пожалуй, одним из главных показателей качества работы поршневой группы являются механические потери, которые неизбежны во время движения. Для того чтобы преодолевать силы трения, препятствующие движению, часть механической энергии, полученной от рабочего тела, будет потеряна на нагрев. Доля этих потерь, приходящаяся на поршневую группу в общих механических затратах двигателя, весьма высока. Она порой превышает 50% от общих потерь в двигателе.

Существенным моментом для понимания важности вопроса является тот факт, что желание многих тюнеров увеличить рабочие обороты мотора и за счет газодинамики (доработка сечений каналов, формы камеры сгорания, фаз газораспределения) получить большую мощность при высоком вращающем моменте в широком диапазоне скорости вращения упирается в растущие механические потери. Значительная часть сил сопротивления растет линейно со скоростью, а следовательно, потерянная мощность растет в квадратной зависимости. Если не приняты меры по снижению механических потерь, то все старания могут быть напрасны. Неизбежен тот момент, когда вся механическая энергия будет потрачена на себя любимого и колеса вращать будет просто нечем. Поэтому подход к поршневой группе как к линейному подшипнику скольжения имеет первостепенное значение в конструкции поршня. Конечно, главный вклад в сопротивление движению вносят поршневые кольца, которые в силу их функций должны быть плотно прижаты к стенкам цилиндра. Однако роль поршня состоит в том, чтобы кольца все время были правильно ориентированы и была обеспечена их работоспособность. Также совершенно справедливое желание конструктора не допустить сухого контакта тела поршня с гильзой цилиндра диктует жесткие требования к его геометрии. Дело втом, что, как и и любом подшипнике скольжения, роль разделительного слоя здесь играет масло, препятствующее контакту металлических поверхностей. А точнее, масляный клин, образующийся в зазоре при движении деталей. Высокое давление в масляном клине, способное противодействовать прижимающим силам, может существовать только в зазорах, исчисляемых тысячными долями миллиметра. Величина силы пропорциональна площади, на которую масляный клин давит. Поэтому так важно во время работы сохранять параллельность поверхности юбки поршня стенкам цилиндра с такой сумасшедшей точностью. Совершенно понятно, что не допускается никакой шишковатости, иначе возникнут локальные контакты, которые станут генераторами тепла и приведут к развитию неблагоприятных процессов по всей поверхности. Не забудем еще и о поршневом пальце, которому необходимо создать условия качающегося подшипника скольжения с его стабильными зазорами, исчисляемыми тем же крохотными величинами.

В случае идеального поршня, описанного нами ранее, сказочного «несгибаемого оловянного солдатика», все более-менее понятно. Каким мы его получим после механической обработки, таким он и будет всегда, при любых условиях его работы. Тогда мы заранее с большой точностью можем придать ему нужные формы. А как быть с реальными материалами? Которые от механических нагрузок изгибаются. От температуры распухают. От разностенности коробятся. От неоднородности материала покрываются буграми и шишками. Нет другого пути, как при изготовлении придать ему такие формы, которые учтут все искажения, возникающие при реальных нагрузках во время работы. Именно поэтому поршень имеет такую сложную форму. По высоте он бочкообразный, потому что неравномерный нагрев вызывает большее расширение там, где температура выше. В сечении он овальный, так как механические нагрузки застаыяют поршень «обвисать» на пальце, как лист бумаги, лежащий на карандаше. Причем в каждом сечении и овальность, и бочкообразность имеют свою величину.

Очевиден тот факт, что величины деформации зависят от толщины металла, образующего стенки поршня. Понятно, что увеличение толщины повысит сопротивляемость нагрузкам и облегчит жизнь конструктору. Однако рост массы неизбежно приведет к увеличению инерционных сил, которые испортят жизнь всему кривошипно-шатунному механизму. Тут, как и в любом другом случае, вопрос оптимизации требует от конструктора разрешения.

Так как же, в конце концов, находится выход из трудного положения? Почему все-таки автомобильные двигатели уверенно прогрессируют в сторону их высокооборотности? Каким образом находятся способы разрешения этих противоречий? На заре моторостроения просто изготавливался поршень совершенно цилиндрической формы и двигатель запускали. Давали ему поработать, не доводя мотор до разрушения, и разбирали. Следы контакта с гильзой устраняли механической обработкой и повторяли эксперимент, увеличивая нагрузку. Затем снова обрабатывали места контакта и снова нагружали. Если выявлялись слабые места, которые надо усилить, изготавливали новый поршень со скорректированными толщинами стенок.

Повторялось это многократно до тех пор пока двигатель с полной нагрузкой не начинал работать стабильно и поршень признавался удовлетворительным. В современном мире с хорошей точностью можно расчетными методами проектировать геометрию вновь создаваемых поршней. Последующие за расчетами испытания приводят, как правило, к корректировке, однако количество экспериментов несравнимо уменьшается. Тем не менее, подогнанный под условия работы поршень нельзя считать абсолютно соответствующим предъявляемым требованиям. Ведь величины деформаций, которые компенсируются предварительно заданной формой, зависят и от теплового режима, и от величины сил, на него действующих. Так как автомобильный двигатель многорежимный, эксплуатируемый в широком диапазоне нагрузок и температур, скорее всего, поршень будет хорош только для некоторого диапазона условий работы. Это одна из проблем автомобильных двигателей в целом. В серийном производстве, как правило, на базе одного мотора одновременно выпускается целое семейство разных агрегатов, предназначенных для разных целей. А выпуск новых автомобилей, требующих новых двигателей, часто сопровождается модификацией уже отработанных конструкций с целью удовлетворить новым требованиям.

Известны факты, когда низ мотора, включающий блок цилиндров и коленчатый вал с его подшипниками, практически без изменений стоял на конвейере десятилетиями, переходя из одного кузова в другой. Даже более того, применялся и для бензиновых, и для дизельных моторов одновременно. Поршневые группы, как более зависимые от назначения двигателя, почти всегда подвергались модификации. Именно поэтому в номенклатуре производителей поршней такое большое разнообразие их форм. Именно поэтому, когда мы хотим получить от серийного двигателя больше мощности, будь то его тюнинговый вариант или, более того, спортивный, необходимо сознавать, что, скорее всего, серийный поршень не будет соответствовать новым предъявляемым к нему требованиям. Или мы получим дополнительные потери, которых можно было бы избежать, или съедим весь запас надежности. Наверное, и то и другое одновременно. Случай применения дополнительного наддува или окислителя, такого, как закись азота, точно так же создает новые условия работы поршневой группы.

Существенным моментом в конструкции, как мы выяснили, является материал, из которого поршень изготовлен. Свойства материала определяют характеристики изделия и его конструкцию. Автомобильные поршни изготавливаются преимущественно из алюминиевых сплавов, реже из чугуна. Чугун, обладая рядом таких приятных качеств, как низкий коэффициент линейного расширения, равный по величине материалу гильзы цилиндра, высокая термостойкость, высокая прочность, отличные подшипниковые свойства, в настоящее время практически не применяется.

Тормозом послужили два обстоятельства. Во-первых, низкая теплопроводность и, как следствие, плохая детонационная стойкость мотора, не позволяющая использовать высокие степени сжатия. Во-вторых, большой удельный вес является препятствием к быстроходности. Из алюминиевых сплавов для поршней в подавляющем большинстве используются силумины, то есть сплавы системы алюминий ‑кремний с различным содержанием кремния. Реже – ковкие сплавы системы алюминий – медь. Кремнийсодержащие сплавы в свою очередь делятся на две группы по содержанию в них кремния. Это – доэвтектические и заэвтектические. К первым относят сплавы с содержанием кремния до 12%, ко вторым – более 12%. У первых кремний в свободном виде, так называемый первичный кремний, отсутствует и весь он растворен в алюминии. Это АЛ-25, АЛ-30, АК12, Mahle 124. Вторая категория содержит кремний в свободном виде – в виде кристаллов, которые иногда видны невооруженным глазом на срезе или сломе образца. Известны АЛ-26, АК18, АК21, ВКЖЛС, Mahle 138, Mahle 224. Заэвтектические сплавы с содержанием 18% или 22% кремния применяются в основном для дизелей большого объема. Причина состоит в большей износостойкости и термопрочности, что важно для обеспечения ресурса седельных тягачей. В серийном производстве поршни из алюминиевых сплавов отливают.

Для снижения величины температурного расширения, а значит, и для получения многорежимных свойств используются стальные термокомпенсируюшие вставки внутри отливки. В мелкосерийном и штучном производстве для придания лучших механических характеристик заготовки поршней получают методом изотермической штамповки или жидкой штамповки. Высокие давления в процессе формирования поковок способствуют уплотнению материала и, как следствие, улучшению его свойств. Однако такая технология полностью исключает наличие любых вставок. Это обстоятельство делает изготовленные по такой технологии поршни в большей степени однорежимными. В основном такие поршни используются для сильно нагруженных моторов, выпускаемых малыми сериями. Спортивных, например. Для спортивных моторов, которые по назначению ближе к однорежимным, нашли применение сплавы алюминий – медь. Это АК‑4 – 1, Mahle YG. Заготовки из них также прессуют. В сравнении с силуминами они имеют лучшие физико-механические характеристики при рабочих температурах, но отличаются на 20% большим коэффициентом линейного расширения. Также к недостаткам можно отнести относительно быстрое старение и разрушение от усталостных напряжений. Тем не менее, в авиационных поршневых моторах, а также в автомобильных спортивных, которые ограничены по ресурсу и имеют повышенные требования к весу поршня, встречаются довольно часто.

Несколько слов об износе. Правильно подобранный под требования мотора поршень почти никогда не контактирует со стенкой цилиндра. Исключение составляют холодные пуски и работа под нагрузкой непрогретого мотора. Поэтому даже после значительного пробега, составляющего 200000 км и более, изменение размера юбки незначительно и лежит в пределах 0,01 – 0,03 мм, если двигатель без коллизий нормально изнашивался. Гильза же цилиндра, особенно в верхней ее части, может быть изношена кольцами до 0,15 мм. Но это совсем не означает, что поршень можно продолжать использовать и он в состоянии, близком к новому.

Основной параметр, по которому бракуется поршень, – износ канавок колец. Как правило, к этому сроку и форма, и размер канавки как минимум первого кольца за пределами допуска. Существенным обстоятельством не только износа, но и эффективности мотора является геометрия и состояние поверхности цилиндра. Во-первых, искажение цилиндричности точно так же влияет, как и неверная форма поршня в смысле сохранения зазоров в паре поршень – цилиндр. Наиболее вероятными причинами нарушения формы являются напряжения в блоке от крепежных элементов головки и КПП. Также важна микрогеометрия, г. е. глубина и форма хоновой сетки. Фирма Mahle, ведущий производитель поршней в Европе, считает, что преждевременный износ моторов, прошедших капитальный ремонт, в 80% случаев является следствием именно неправильного микрорельефа поверхности.

В заключение хочу сказать, что в данной статье я показал только некоторые аспекты функционирования поршневой группы. Я исходил из предположения, что читатель не является профессиональным двигателистом, однако интересуется работой мотора и тюнинг – его стиль жизни. Поэтому тут не затронуты многие вопросы, которые всегда стоят перед конструктором нового двигателя. Здесь только небольшое обобщение тех тем, которые по инициативе клиентов тюнингового подразделения компании «Дилижанс» и автоспортсменов обсуждались в различные периоды нашей деятельности.

Статья взята из журнала «Тюнинг» Санкт-Петербург.
Адрес: http://www.tuning-mag.ru/
e‑mail: [email protected] Текст: Александр Пахомов
С автором можно связаться по адресу: [email protected]

Из каких металлов изготавливаются поршни двигателя?

Все современные поршни двигателя изготовлены из алюминиевого сплава. Сплав ведет себя несколько иначе при использовании в зависимости от того, как изготовлен поршень, поэтому важно понимание процесса производства. До 1970-х годов тема литых и кованых поршней часто обсуждалась; с тех пор, достижения в области технологий сделали дебаты практически ненужными для повседневного водителя.

Материал Поршня Эволюция

В оригинальных двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней использовалась сталь. Алюминиевый сплав вступил во владение очень рано. Самые ранние алюминиевые поршни подвергались значительному расширению и сжатию из-за нагрева, и конструкция была разработана таким образом, чтобы стальные кольца – так называемые распорки – были отлиты в стенах, чтобы уменьшить проблему. Этот тип поршня был распространен до 1960-х годов, когда введение кремния в сплав сделало амортизацию избыточной. Большинство современных поршней изготавливаются с содержанием силикона около 25 процентов. Ранний алюминиево-силиконовый сплав был известен своей хрупкостью; случайное падение с высоты скамейки обычно приводило к появлению трещины, которая в лучшем случае была дорогой, а в худшем – невозможной для ремонта. Добавление никеля в сплав снижает хрупкость, но увеличивает отношение массы к массе.

Поршень Дизайн

Поршни имеют девять частей и секций. Вершина поршня должным образом называется венцом; ниже этого находятся кольцевые канавки, в которые установлены поршневые кольца. Поднятые области между кольцевыми канавками называются землями. Ниже кольца в сборе находится отверстие для поршневого пальца. Поршневой палец, называемый в промышленности «наручным пальцем», проходит через это отверстие и проходит через шатун. Вокруг поршневого пальца расположены выступы, которые поддерживают его концы. Нижняя часть поршня называется юбкой.

Литые поршни

Литой поршень отлит из расплавленного алюминиевого сплава, который втягивается вакуумом в стальные штампы; только минимальная обработка необходима, чтобы закончить полученный поршень. Процесс называется «гравитационное литье под давлением». Форма и толщина стенок полностью контролируются, но процесс стоит дорого.

Кованые поршни

Кованый поршень изготавливают вначале, помещая слиток из нагретого алюминиевого сплава в охватывающую форму; После этого в пресс-форму вынуждают поршня-самца штамповать металл в поршневую заготовку. Затем заготовка подвергается многим операциям обработки; Одна установка для ковки обычно производит заготовку, которая может быть обработана для поршней различных размеров, подходящих для самых разных автомобилей.

Сравнения

Литье было оригинальным методом изготовления поршней; ковка появилась позже как альтернатива. Процесс ковки сжимает молекулы сплава в венце, делая металл более плотным и, следовательно, способным противостоять экстремальным температурам. Это существенное преимущество, потому что заводная головка подвергается большему количеству тепла, чем любая другая часть двигателя, кроме свечи зажигания.

Практическое применение

Литые поршни выполнены в матрицах сложной формы, которые определяют их форму как внутри, так и снаружи; это позволяет получить равномерную и постоянную толщину стенки, которая сводит массу поршня к минимуму. Процесс установки штампов является дорогостоящим, поэтому литые поршни, как правило, изготавливаются только для нескольких применений и соответствуют огромным производственным требованиям. Кованые поршни после штамповки имеют сравнительно грубую внутреннюю форму, определяемую только плунжером, который вбивают в слиток, а затем втягивают. Это обычно означает, что требуется значительный поворот и ручная обработка. С помощью этого метода достигаются более жесткие допуски. По этим причинам рабочие поршни почти всегда кованые, а поршни OEM-спецификации отлиты.

Поршень двигателя. Устройство и назначение

Топливная смесь, сгорающая в цилиндре ДВС, выделяет тепловую энергию. Далее она превращается в механическое действие, заставляющее вращаться коленвал. Ключевой элемент этого процесса — поршень.

Эта деталь не настолько примитивна, как может показаться на первый взгляд. Было бы большой ошибкой рассматривать его как простой толкатель.

Функциональное назначение

Поршень размещается в цилиндре, где и происходят его возвратно-поступательные движения.

В ходе продвижения в сторону верхней мертвой точки (ВМТ) поршень сжимает горючую смесь. В бензиновом моторе она воспламеняется с помощью свечи зажигания в момент, близкий к максимальному давлению. В дизеле воспламенение происходит непосредственно из-за сильного сжатия.

Возросшее давление образующихся при сгорании газов толкает поршень в обратную сторону. Вместе с поршнем движется сочлененный с ним шатун, который и заставляет вращаться коленвал. Так энергия сжатых газов преобразуется во вращательный момент, передаваемый посредством трансмиссии на колеса автомобиля.

Требования к конструкции и материалам

Во время сгорания температура газов достигает 2 тысяч градусов. Так как горение носит взрывной характер, то поршень подвергается сильным ударным нагрузкам.

Чрезвычайная нагруженность и близкие к экстремальным условия работы предполагают особые требования к конструкции и используемым для его изготовления материалам.

При разработке поршней приходится учитывать несколько важных моментов:

необходимость обеспечить длительный срок работы, а значит, максимально снизить износ детали;
предотвратить прогар поршня в условиях функционирования в высокотемпературном режиме;
обеспечить максимальное уплотнение для исключения прорыва газов;
минимизировать потери, возникающие из-за трения;
обеспечить эффективное охлаждение.

Материал для поршней должен обладать рядом специфических свойств:

значительная прочность;
максимально возможная теплопроводность;
термостойкость и способность выдерживать резкие перепады температуры;
коэффициент теплового расширения должен иметь небольшую величину и быть максимально близким к соответствующему коэффициенту у цилиндра, чтобы обеспечить хорошее уплотнение;
антикоррозийная устойчивость;
антифрикционные свойства;
невысокая плотность, чтобы деталь не была слишком тяжелой.

Поскольку материал, идеально отвечающий всем этим требованиям, пока не создан, приходиться пользоваться компромиссными вариантами. Поршни для моторов изготавливают из серого чугуна и сплавов алюминия с кремнием (силумин). В составных поршнях для дизелей иногда делают головку из стали.

Чугун достаточно прочен и износоустойчив, хорошо переносит сильный нагрев, обладает антифрикционными свойствами и небольшим температурным расширением. Но из-за невысокой теплопроводности чугунный поршень способен нагреваться до 400°C. В бензиновом двигателе это неприемлемо, так как может вызвать калильное зажигание.

Поэтому в большинстве случаев поршни для автомобильных моторов изготавливают способом штамповки или литья из силумина, содержащего не менее 13% кремния. Чистый алюминий не годится, так как слишком сильно расширяется при нагревании, что приводит к повышенному трению и задирам. Такими могут быть подделки, на которые можно нарваться, приобретая запчасти в сомнительных местах. Чтобы этого не случилось, обращайтесь к надежным продавцам.

Поршень из алюминиевого сплава легкий и хорошо проводит тепло, благодаря чему нагрев его не превышает 250 °C. Это вполне годится для моторов, работающих на бензине. Антифрикционные свойства силумина также достаточно хорошие.

В то же время этот материал не лишен недостатков. С повышением температуры он становится менее прочным. А из-за значительного линейного расширения при нагреве приходится применять дополнительные меры, чтобы сохранить уплотнение по периметру головки и не снизить компрессию.

Устройство

Данная деталь имеет форму стакана и состоит из головки и направляющей части (юбки). В головке, в свою очередь, можно выделить днище и уплотняющую часть.

Днище

Является главной рабочей поверхностью поршня, именно оно воспринимает давление расширяющихся газов. Его поверхность определяется типом агрегата, размещением форсунок, свечей, клапанов и конкретным устройством ЦПГ. Для моторов, использующих бензин, она делается плоской либо вогнутой формы с дополнительными вырезами, позволяющими избежать повреждения клапанов. Выпуклое днище дает повышенную прочность, но увеличивает теплоотдачу, а потому применяется редко. Вогнутое позволяет организовать небольшую камеру сгорания и обеспечить высокую степень сжатия, что особенно актуально в дизельных агрегатах.

Уплотняющая часть

Это боковая сторона головки. В ней по окружности проделаны бороздки для поршневых колец.

Компрессионные кольца играют роль уплотнения, предотвращая утечку сжатых газов, а маслосъемные удаляют со стенки смазку, не давая ей попасть в камеру сгорания. Масло стекает под поршень сквозь отверстия в бороздке и далее возвращается в масляный картер.

Участок боковой стороны между краем днища и верхним кольцом называется огневым или жаровым поясом. Именно он испытывает максимальное термическое воздействие. Для исключения прогорания поршня этот пояс делается достаточно широким.

Направляющая часть

Не позволяет поршню перекоситься в ходе возвратно-поступательного движения.

С целью компенсации термического расширения юбка делается криволинейной или конусообразной. Сбоку обычно наносится антифрикционное покрытие.

Изнутри имеются бобышки — два наплыва с отверстиями под поршневой палец, на который надевается головка шатуна.

С боков в районе расположения бобышек делаются небольшие углубления, препятствующие термическим деформациям и возникновению задиров.

Охлаждение

Так как температурный режим работы поршня весьма напряженный, то вопрос его охлаждения очень важен.

Главный путь удаления тепла — поршневые кольца. Через них отводится не менее половины излишков тепловой энергии, которая передается стенке цилиндра и далее — рубашке охлаждения.

Другой важный канал теплоотвода — смазка. Используется масляный туман в цилиндре, поступление смазки через отверстие в шатуне, принудительное разбрызгивание масляной форсункой и иные способы. Посредством циркуляции масла может удаляться более одной трети тепла.

Кроме того, часть тепловой энергии уходит на нагрев свежей порции поступившей в цилиндр горючей смеси.

Поршневые кольца

Кольца поддерживают в цилиндрах нужную величину компрессии и отводят львиную долю тепла. А еще на них приходится около четверти всех потерь на трение в ДВС. Поэтому значение качества и состояния поршневых колец для стабильной работы двигателя трудно переоценить.

Обычно колец три — два компрессионных сверху и одно маслосъемное снизу. Но бывают варианты и с другим количеством колец — от двух до шести.

Канавка верхнего кольца в силуминовом поршне иногда делается со стальной вставкой, повышающей износоустойчивость.

Производят кольца из специальных марок чугуна. Такие кольца отличаются высокой прочностью, упругостью, износоустойчивостью, низким коэффициентом трения и сохраняют свои свойства на протяжении длительного времени. Дополнительную термостойкость поршневым кольцам придают добавки молибдена, вольфрама и некоторых других металлов.

Новые поршневые кольца нуждаются в притирке. Если вы заменили кольца, обязательно некоторое время обкатайте двигатель, избегая напряженных режимов работы. В противном случае не притертые кольца могут перегреться и потерять упругость, а в некоторых случаях даже сломаться. Итогом может стать нарушение уплотнения, потеря мощности, попадание смазки в камеру сгорания, перегрев и прогорание поршня.

Поршневая группа

Поршневая группа состоит из поршня в сборе, уплотнительных и маслосъемных колец, поршневого пальца. По конструктивным признакам различают поршни тронковые, для двигателей крейцкопфного типа и двустороннего действия.

Тронковые поршни соединяются с шатуном поршневым пальцем. Для обеспечения газонепроницаемости полостей цилиндра поршень снабжают уплотнительными кольцами, а для предотвращения попадания масла в камеру сгорания — маслосъемными кольцами. Материалом для поршней служит чугун марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и сталь. Поршни небольшого диаметра быстроходных двигателей можно изготовлять из алюминиевых сплавов (АЛ1, АЛ2, АК2, АК4). Такие поршни имеют малый вес и небольшие температурные напряжения в днище; недостатки поршней — незначительная износостойкость и большой коэффициент теплового линейного расширения.

Поршень (рис. 139) состоит из нижней направляющей части — тройка или юбки 1 и верхней части — головки поршня 3 с поршневыми кольцами 2. Конфигурация камеры сгорания двигателя, тип продувки, расположение в крышке клапанов и форсунки определяют форму днища поршня 4. Днище поршня может иметь вогнутую, двояковогнутую, выпуклую и другую формы. Некоторые формы днищ поршней показаны на рис. 140. При диаметре поршня более 400 мм головку поршня выполняют съемной. Разъемная конструкция позволяет уменьшить стоимость поршня, так как только головку изготовляют из дорогостоящего жаропрочного материала, и облегчает ремонт поршня. Головку крепят к тройку болтами или шпильками.

В некоторых конструкциях поршня внутреннюю поверхность днища для предохранения от нагарообразования и защиты головного подшипника от теплового излучения закрывают мембраной; для увеличения жесткости днище снизу подкрепляют ребрами, которые одновременно улучшают его охлаждение.

Поршневой палец 1 (рис. 141) размещен в приливах (бобышках) 2 и фиксируется от осевого смещения пружинными кольцами 3. Пальцы закрепляются стопорным болтом 6 либо свободно вращаются — пальцы плавающего типа. Пальцы плавающего типа более распространены у быстроходных двигателей. Бронзовые втулки 4, запрессованные в бобышки чугунного поршня, являются подшипниками для поршневого пальца плавающего типа. Пальцы изготовляют из малоуглеродистой стали 15 или 20 с последующей цементацией и шлифованием или из легированной стали 15ХМА, 12МХ2А, 18ХНМА, 20Х и др. с последующей закалкой. В некоторых конструкциях поршней с целью предотвращения соприкосновения пальца с зеркалом цилиндра ставят алюминиевые заглушки 5 грибовидной формы.

Поршневые кольца располагают в канавках, проточенных в теле поршня. Поршневые кольца делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные кольца 2 (см. рис. 139) обеспечивают плотность поршня в цилиндре, предотвращают прорыв газов в картер двигателя и способствуют отводу тепла от головки поршня через втулку цилиндра охлаждающей воде. Маслосъемные кольца 6 и 7 (см. рис. 139) служат для удаления излишнего масла с зеркала цилиндра, что уменьшает нагарообразование в цилиндре, и не допускают проникновения масла в камеру сгорания. Материалом для изготовления колец служит чугун СЧ24-44, реже сталь. Кольца изготовляют самопружинящими с разрезом-замком, обеспечивающим заводку кольца в канавку поршня и возможность теплового расширения кольца. Число уплотнительных колец шесть—три, маслосъемных три—одно. Уплотнительные кольца, как правило, прямоугольного сечения, рабочая поверхность кольца и поверхность зеркала цилиндра параллельны.

В отличие от уплотнительных (компрессионных) маслосъемные кольца имеют скос (рис. 142, а), с помощью которого масло удаляется из зеркала цилиндра и через специальные каналы 5 (см. рис. 139) в поршне стекает в картер. Необходимо особо быть внимательным при монтаже маслосъемных колец, не допуская установки кольца скосом вниз, так как тогда масло будет попадать в камеру сгорания. Зазоры между поршневыми кольцами и стенками канавки в радиальном направлении равны 0,5—1,0 мм, по высоте 0,15—0,066 мм.

Типы замков поршневых колец показаны на рис. 142, б. При установке колец на поршень необходимо стыки (замки) располагать в разных положениях по окружности во избежание утечки газов. Поршневые кольца поршней двухтактных двигателей для предохранения от проворачивания и попадания замка в район расположения окоп стопорят фиксаторами.

Поршень крейцкопфного двигателя соединяется с шатуном, штоком и крейцкопфом. В этом случае поршень крепят к штоку жестко специальным фланцевым соединением (рис. 143). Поршень крейцкопфного двигателя разгружен от боковых усилий и не имеет тронка.

На рис. 144 показан составной охлаждаемый поршень крейцкопфного двигателя, имеющего штампованную вставку из алюминиевого сплава АК6. Поршень состоит из трех основных частей: головки 1, отлитой из высокопрочного жаростойкого чугуна, корпуса 3 из перлитного чугуна и вставки 2. В поршнях новейшей конструкции пазы (канавки) под уплотнительные кольца хромируют или завальцовывают чугунными противоизносными кольцами. Общий вид поршня, крейцкопфа и шатуна с подшипником приведен на рис. 145.

Для достижения нормальных условий работы поршня необходимо обеспечить его охлаждение и прежде всего головки. Наиболее надежным средством снижения температуры головки является искусственное охлаждение. При диаметрах цилиндра в двухтактных двигателях свыше 250 мм, а в четырехтактных свыше 400 мм применяют масляное охлаждение поршня. Охлаждение водой используют редко, так как требуется тщательное герметизирующее устройство, предотвращающее попадание воды в масло картера. Наиболее распространена телескопическая и шарнирная системы подачи охлаждающей жидкости под давлением в закрытую полость поршня.

Штоки крейцкопфных двигателей выполняют стальными коваными, круглого сечения, часто пустотелыми. В верхней части они имеют фланцы для крепления с поршнем, а нижней пяткой или хвостовиком 4 (рис. 146) соединяются с поперечиной 7 и фиксируются гайкой 2. В состав крейцкопфа входят: стальной или чугунный ползун, опорные рабочие поверхности а и б которого покрыты тонким слоем антифрикционного сплава. Ползун, скользя по параллели картера, передает последней боковые усилия и таким образом разгружает поршень. Поверхность а передает боковые усилия при работе двигателя на передний ход, поверхность б, значительно меньшая по площади,— на задний ход. Ползун крепят болтами к стальной поперечине 3. Поперечина имеет цапфы 1, которые охватываются головным подшипником шатуна. В двигателях, длительное время работающих на задний ход (буксиры, ледоколы), ползуны выполняют двусторонними. По каналу 5 масло поступает на охлаждение поршня, а по каналу 6 — на смазку рабочих поверхностей ползуна.

На рис. 147 показана параллель крейцкопфного двигателя.

Поршень двигателя — x-engineer.org

Содержание

Обзор

Поршень является составной частью двигателя внутреннего сгорания. Основная функция поршня — преобразовывать давление, создаваемое горящей топливовоздушной смесью, в силу, действующую на коленчатый вал. Легковые автомобили имеют поршни из алюминиевого сплава, а грузовые автомобили также могут иметь поршни из стали и чугуна.

Поршень является частью кривошипно-шатунного механизма (также называемого кривошипно-шатунным механизмом ), который состоит из следующих компонентов:

поршень
поршневые кольца
шатун
коленчатый вал

Изображение: Привод коленчатого вала двигателя (кривошипно-шатунный механизм) Предоставлено: Rheinmetall

Поршень также выполняет второстепенные функции двигателя :

способствует рассеиванию тепла , образующемуся при сгорании
обеспечивает герметичность камеры сгорания , предотвращая утечки газа из нее и проникновение масла в камеру сгорания
направляет движение шатуна
обеспечивает непрерывную смену газов в камере сгорания
создает переменного объема в камере сгорания

Изображение: Kolbenschmidt поршни
Кредит: Kolbenschmidt

Детали

Форма поршня в основном зависит от типа двигателя внутреннего сгорания.Поршни бензиновых двигателей обычно легче и короче по сравнению с поршнями дизельных двигателей. Геометрия поршня имеет множество тонкостей из-за сложности его рабочей среды, но основными частями поршня являются:

поршень головка , также называемая верхняя часть или головка : верхняя часть поршня который вступает в контакт с давлением газа в камере сгорания
кольцевой ремень : верхняя средняя часть поршня, когда поршневые кольца расположены
выступ штифта : нижняя средняя часть поршня который содержит поршневой палец
юбка поршня : область под кольцевым ремнем

Изображение: оси поршневого пальца и юбки

Изображение: Основные детали поршня
Кредит: [3]

где:

верх поршня
верхняя площадка
кольцевой ремень
распорки
фиксатор штифта
выступ штифта
поршневой палец
поршневые кольца
юбка поршня

Поршень соединен с шатуном через поршневой палец (7).Штифт позволяет поршню вращаться вокруг оси штифта. Штифт удерживается в поршне с помощью фиксатора пальца (5).

После днища поршня доходит до кольцевого ремня (также называемого кольцевой зоной) (3). Большинство поршней имеют три кольцевые канавки, в которые устанавливаются поршневые кольца. Верхнее кольцо называется компрессионным кольцом , среднее на нем — скребковым кольцом , а нижнее — кольцом контроля масла . Компрессионное кольцо должно герметизировать камеру сгорания, чтобы предотвратить утечку внутренних газов в блок двигателя.Маслоуправляющее кольцо соскабливает масло со стенок цилиндра, когда поршень находится на рабочем или выпускном такте. Среднее кольцо выполняет комбинированную функцию обеспечения сжатия в цилиндре и удаления излишков масла со стенок цилиндра.

Юбка поршня (8) удерживает поршень в равновесии внутри цилиндра. Обычно он покрывается материалом с низким коэффициентом трения, чтобы уменьшить потери на трение. В отверстии для пальца или втулки (6) поршня находится поршневой палец (7), который соединяет поршень с шатуном.

Вернуться назад

Геометрические характеристики

Поршни должны правильно работать в широком диапазоне температур, от -30 ° C до 300-400 ° C. В то же время он должен быть достаточно легким, чтобы иметь низкую инерцию и обеспечивать высокие обороты двигателя. Ниже представлена пара геометрических характеристик поршня.

Овальность поршня

Из-за процесса сгорания температура внутри цилиндров двигателя достигает сотен градусов Цельсия.Поршень является одним из основных компонентов, который поглощает часть выделяемого тепла и отводит его в моторное масло. Поскольку ось поршневого пальца содержит больше материала, чем ось юбки, тепловое расширение вдоль оси пальца немного выше, чем тепловое расширение вдоль оси юбки. По этой причине поршень имеет овальную форму, диаметр по оси пальца на 0,3-0,8% меньше диаметра по оси юбки [6].

Изображение: Овальность поршня

Коническая форма поршня

Форма поршня не идеальна для цилиндра.При низкой температуре зазор между поршнем и цилиндром двигателя больше по сравнению с высокими температурами. Кроме того, зазор не является постоянным по длине поршня, он меньше вокруг верхней части поршня по сравнению с областью юбки поршня. Это необходимо для большего теплового расширения головки поршня, поскольку она содержит больший объем металла.

Изображение: Зазор поршня (коническая форма)

Изображение: Тепловое расширение поршня (если цилиндрическая форма)

Смещение поршневого пальца

Движение поршня внутри цилиндра имеет 3 градуса свободы, 1 первичный и 2 вторичных:

по вертикальной оси цилиндра, между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ) (основная, ось Y)
вокруг Ось пальца (вторичная, α — угол)
вдоль оси юбки (вторичная, ось x)

Первичное движение создает крутящий момент на коленчатом валу, это желательно с механической точки зрения.Вторичные движения происходят из-за комбинации нескольких факторов: двунаправленного движения шатуна и зазора между поршнем и цилиндром. Оба вторичных движения вызывают трение о стенки цилиндра, а также шум, вибрацию (удар поршня).

Изображение: Осевое усилие поршня и смещение пальца

Когда коленчатый вал вращается по часовой стрелке, левая сторона цилиндра называется осевой стороной (TS) , а противоположная сторона — противодействующей стороной (ATS). .Удары поршня могут происходить с любой стороны цилиндра. Удар поршня возбуждает блок двигателя и проявляется в виде поверхностных вибраций, которые в конечном итоге излучаются в виде шума вблизи двигателя [9]. Еще одно неудобство заключается в том, что при движении поршня через ВМТ и ВТК на коленчатый вал создается повышенная нагрузка, поскольку поршень совмещен с центром вращения коленчатого вала.

Смещение поршневого пальца — это несоосность между центром отверстия поршневого пальца и центром коленчатого вала.За счет этого в конструкции улучшаются шумовые характеристики двигателя из-за ударов поршня в ВМТ. Это основная проблема NVH (шумовая вибрация и резкость) для инженеров-технологов, которые хотят устранить тревожные шумы везде, где они могут. Вторая причина — повышение мощности двигателя за счет уменьшения внутреннего трения в TS и ATS.

Смещение пальца снижает механическое напряжение, возникающее в соединительной штанге, когда она достигает ВМТ или НМТ, поскольку шатун не должен хлопать поршнем в противоположном направлении в конце хода.Это смещение заставляет стержень перемещаться по дуге в ВМТ и НМТ.

Вернуться назад

Механическая нагрузка

Поршень является составной частью двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (ДВС) , который должен выдерживать наибольшие механические и термические нагрузки. Из-за поршня мощность ДВС ограничена. В случае очень высокой термической или механической нагрузки поршень выходит из строя в первую очередь (по сравнению с блоком цилиндров, клапанами, головкой блока цилиндров). Это связано с тем, что поршень должен быть компромиссом между массой и устойчивостью к механическим и термическим нагрузкам.

Циклическое нагружение поршня из-за [6]:

сила газа от давления в цилиндре
сила инерции от колебательного движения поршня и
поперечная сила от опоры силы газа наклонным шатуном, а сила инерции колеблющегося шатуна

определяет механическую нагрузку .

Вертикальные силы, действующие на поршень, состоят из: сил давления, , создаваемых расширяющимися газами, и сил инерции, , создаваемых собственной массой поршня [10].

\ [F_ {p} = F_ {gas} + F_ {ineria} \]
Силы инерции намного меньше сил давления и имеют наибольшую интенсивность, когда поршень меняет направление, в ВМТ и НМТ.
Изображение: Напряжение поршня по Мизесу и механическая деформация
Кредит: [7]
Изображение: Вертикальные силы поршня, функция угла поворота коленчатого вала
Кредиты: [7]
Вышеуказанные силы поршня рассчитываются с использованием передовых методов анализа методом конечных элементов для алюминиевого поршня, используемого в легковых автомобилях с дизельным двигателем [7].
Процесс сгорания имеет разные характеристики для дизельного и бензинового ДВС. В дизельном двигателе пиковое давление газа при сгорании может достигать 150 — 160 бар. В бензиновом двигателе максимальное давление ниже 100 бар. Из-за более высокого давления поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие механические нагрузки.
Чтобы работать без сбоев в таких суровых условиях, поршни дизельных двигателей конструируются более тяжелыми, прочными и имеют большую массу.Недостатком является более высокая инерция, более высокие динамические силы, поэтому максимальная частота вращения двигателя ниже. Одна из причин, по которой дизельные двигатели имеют более низкую максимальную скорость (около 4500 об / мин) по сравнению с бензиновыми двигателями (около 6500 об / мин), — это более тяжелые механические компоненты (поршни, шатуны, коленчатый вал и т. Д.).
Вернуться
Тепловая нагрузка
Головка поршня находится в прямом контакте с горючими газами внутри камеры сгорания, поэтому подвергается высоким термическим и механическим нагрузкам .В зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый) и типа впрыска топлива (прямой или непрямой) головка поршня может быть плоской или содержать чашу .
Тепловая нагрузка от температуры газа в процессе сгорания также является циклической нагрузкой на поршень. Он действует в основном во время такта расширения на поршне со стороны камеры сгорания. В других тактах, в зависимости от принципа работы, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже имеет охлаждающий эффект во время газообмена.Как правило, передача тепла от горячих дымовых газов к поршню происходит в основном за счет конвекции, и лишь небольшая часть является результатом излучения.
Изображение: Рабочие температуры поршня
Кредиты: [3]
Тепло, выделяемое во время сгорания, частично поглощается поршнем. Большая часть тепла передается через площадь кольца поршня (около 70%). Юбка поршня отводит 25% тепла, а остальное передается на поршневой палец, шатун и масло.Более высокая частота вращения двигателя означает более высокую температуру поршня . Это происходит потому, что накопленное тепло не успевает рассеяться между двумя последовательными циклами сгорания. В то же время более высокая нагрузка на двигатель означает более высокую температуру поршня, потому что при этом сгорает больше воздушно-топливной смеси, которая выделяет больше тепла.
Изображение: Распределение температуры в поршне бензинового двигателя
Кредит: [6]
Изображение: Распределение температуры в поршне дизельного двигателя с каналом охлаждения
Кредит: [6]
Изображение: Тепловая нагрузка поршня
Кредит: [7]
Что касается хода расширения, продолжительность действия тепловой нагрузки от сгорания очень мала.Следовательно, только очень небольшая часть составляющей массы поршня, вблизи поверхности на стороне сгорания, следует за циклическими колебаниями температуры. Таким образом, почти вся масса поршня достигает квазистатической температуры, которая, однако, может иметь значительные локальные изменения.
Вернуться назад
Охлаждение
По мере увеличения удельной мощности в современных двигателях внутреннего сгорания поршни подвергаются возрастающим тепловым нагрузкам. Поэтому эффективное охлаждение поршня требуется чаще, чтобы обеспечить безопасность эксплуатации.
Изображение: 2009 Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) Головка поршня и масляная форсунка
Кредит: GM
Температуру поршня можно снизить за счет циркуляции масла в средней части поршня. Это может быть достигнуто с помощью маслоструйных устройств, установленных на блоке цилиндров, которые впрыскивают моторное масло через отверстие, когда поршень находится близко к нижней мертвой точке (НМТ).
Компания Tenneco Powertrain разработала новый стальной поршень для дизельных двигателей с «герметичной на весь срок службы» охлаждающей камерой в головке, что позволяет поршням безопасно работать при температурах в головке более чем на 100 ° C выше, чем существующие ограничения.
Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
Кредит: Tenneco
Для формирования коронки EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается встроенный охлаждающий канал, который затем заполняется высокотемпературным маслом и инертным газом. Эта камера постоянно закрыта приварной заглушкой. Согласно Tenneco Powertrain, технология EnviroKool позволяет преодолеть температурные ограничения обычных открытых галерей, в которых в качестве теплоносителя используется смазочное масло.
Назад
Типы
Геометрия поршня ограничена из-за кубатуры ДВС. Поэтому основной способ повышения механического и термического сопротивления поршня — увеличение его массы. Это не рекомендуется, потому что поршень с большой массой имеет большую инерцию, которая преобразуется в высокие динамические силы, особенно при высоких оборотах двигателя. Сопротивление поршня можно улучшить за счет оптимизации геометрии, но всегда будет компромисс между массой, механическим и термическим сопротивлением.
На первый взгляд поршень кажется простым компонентом, но его геометрия довольно сложна:
Изображение: Техническое описание дизельного поршня
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Техническое описание бензинового поршня
Кредит: Kolbenschmidt
Условные обозначения:
диаметр чаши
днище поршня
камера сгорания (чаша)
кромка днища поршня
верхняя площадка поршня
канавка под компрессионное кольцо
посадочная площадка кольца
основание канавки
углубление под кольцо
стороны канавки
канавка маслосъемного кольца
отверстие возврата масла
выступ поршневого пальца
расстояние до канавки
канавка стопорного кольца
расстояние до ступицы поршня
расстояние до ступицы поршня
ступенчатая кромка
диаметр поршня 90 ° C снова проход поршневого пальца
отверстие поршневого пальца
глубина чаши
юбка
зона кольца
высота сжатия поршня
длина поршня
канал маслоохладителя
держатель кольца
втулка болта
измерительное окно диаметра
развала короны
Как видите, между дизельными и бензиновыми поршнями есть существенные различия.
Поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие давления и температуры, поэтому они больше, крупнее и тяжелее. Они могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов, стали или их комбинации. Поршень дизеля содержит часть камеры сгорания в головке поршня. Из-за формы поперечного сечения головки поршня поршень дизельного двигателя также называют поршнем с головкой омега.
Поршни бензиновых двигателей легче и предназначены для более высоких оборотов двигателя.Они изготавливаются из алюминиевых сплавов и обычно имеют плоскую головку. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (DI) имеют специальные головки, позволяющие направлять поток топлива качающимся движением.
Ниже вы можете увидеть несколько изображений дизельных и бензиновых (бензиновых) двигателей в высоком разрешении.
Изображение: LS9 6.2L V-8 SC поршень (алюминий, бензин / бензиновый двигатель с непрямым впрыском)
Кредит: GM
Изображение: Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) поршень (алюминиевый, бензиновый / бензиновый двигатель с прямым впрыском)
Кредит: GM
Изображение: Поршень дизельного двигателя автомобиля с кольцами (алюминий, дизель)
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Поршень из моностали (сталь, дизель) )
Кредит: Tenneco
Назад
Материалы
Большинство поршней для автомобильной промышленности изготавливаются из алюминиевых сплавов .Это потому, что алюминий легкий, обладает достаточной механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Есть тяжелые применения, коммерческие автомобили, в которых используются поршни из стали , которые более устойчивы к более высоким давлениям и температурам в камере сгорания.
Алюминиевые поршни изготавливаются из литых или кованых жаропрочных алюминиево-кремниевых сплавов. Есть три основных типа алюминиевых поршневых сплавов. Стандартный поршневой сплав представляет собой эвтектический сплав Al-12% Si, содержащий дополнительно ок.По 1% каждого из Cu, Ni и Mg [3].
Основными алюминиевыми сплавами для поршней являются [3]:
эвтектический сплав (AlSi12CuMgNi): литой или кованый
заэвтектический сплав (AlSi18CuMgNi): литой или кованый
специальный эвтектический сплав (AlSi12Cu4Ni2Mg только
, потому что
, только,,,,,,). алюминиевый сплав имеет более низкую прочность, чем чугун, поэтому необходимо использовать более толстые секции, поэтому не все преимущества легкого веса этого материала реализуются. Кроме того, из-за более высокого коэффициента теплового расширения алюминиевые поршни должны иметь больший рабочий зазор.С другой стороны, теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у железа. Это, вместе с большей толщиной используемых секций, позволяет алюминиевым поршням работать при температурах примерно на 200 ° C ниже, чем чугунные [8].
В некоторых случаях прочность и износостойкость поршней из алюминиевого сплава недостаточны для удовлетворения требований по нагрузке, поэтому используются черные материалы (например, чугун, сталь). Существует несколько методов использования черных металлов в производстве поршней:
в качестве местной арматуры, вставок из черных металлов (т.е.g., опоры колец)
в виде удлиненных частей композитных поршней (например, днища поршня, болтов)
поршней, полностью изготовленных из чугуна или кованой стали
Изображение: композитный поршень для тяжелого двигателя — поперечное сечение
Кредит: [8]
Изображение: Композитный поршень для дизельных судовых двигателей
Кредит: Warstila
В поршнях и поршнях используются два типа черных металлов компоненты [6]:
чугун :
аустенитный чугун для держателей колец
чугун с шаровидным графитом для поршней и юбок поршней
сталь
хромомолибденовый сплав (42CrMo4)
хромомолибден-никелевый сплав (34CrNiMo6)
молибден-ванадиевый сплав (38MnVS6)
Cas • Железные материалы обычно имеют содержание углерода> 2%.Поршни высоконагруженных дизельных двигателей и другие высоконагруженные компоненты двигателей и конструкции машин преимущественно изготавливаются из сферолитического чугуна M-S70. Этот материал используется, например, для изготовления цельных поршней и юбок поршней в композитных поршнях [6].
Сплавы железа, обозначенные как стали, обычно имеют содержание углерода менее 2%. При нагревании они полностью превращаются в ковкий (пригодный для ковки) аустенит. Поэтому сплавы железа отлично подходят для горячей штамповки, такой как прокатка или ковка.
Изображение: Стальной поршень против алюминиевого поршня
Кредит: Kolbenschmidt
По сравнению с алюминиевыми поршнями, стальные поршни обладают большей механической прочностью при гораздо меньшем размере. По этой причине они в основном предпочтительны для дизельных двигателей, которыми оснащаются грузовые автомобили.
Вернуться назад
Technologies
Существует несколько усовершенствованных поршневых технологий, каждая из которых имеет целью увеличить механическое и / или термическое сопротивление, снизить коэффициент трения или общую массу (сохраняя в то же время механические и термические свойства. ).
Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых на заводе Kolbenschmidt , каждый из которых отличается уникальными технологиями.
Изображение: Поршень дизеля с охлаждающим каналом, втулкой болта и держателем кольца
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Шарнирно-сочлененный поршень дизеля с кованной верхней стальной частью и алюминиевой юбкой
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Поршень бензинового двигателя в облегченной конструкции LiteKS® с держателем кольца
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Литые держатели колец из чугуна многократно увеличивают долговечность первой кольцевой канавки дизельных поршней.Kolbenschmidt является лидером в разработке соединения Alfin с держателем кольца
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Канавки под кольцо с твердым анодированием предотвращают износ и микросварку поршней для бензиновых двигателей
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Поршни KS Kolbenschmidt имеют специальное покрытие LofriKS®, NanofriKS® или графит на юбке поршня. Они уменьшают трение внутри двигателя и обеспечивают хорошие характеристики при аварийной работе. Покрытия LofriKS® также используются по акустическим причинам.Их использование сводит к минимуму шумы от хлопка поршня. NanofriKS® является дальнейшим развитием испытанного и испытанного покрытия LofriKS® и дополнительно содержит наночастицы оксида титана для повышения износостойкости и долговечности покрытия.
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Юбки поршней с железным покрытием (Ferrocoat ®) гарантируют надежную работу при использовании в алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil®).
Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Отверстия поршневого пальца специальной формы (Hi-SpeKS®) повышают динамическую нагрузочную способность станины поршневого пальца, тем самым увеличивая долговечность поршня
Кредит: Kolbenschmidt
Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых компанией Tenneco Powertrain (ранее Federal Mogul) , каждый из которых отличается уникальными технологиями.
Изображение: Поршень Elastothermic® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств)
Характеристики: Поршень с охлаждающим каналом
улучшает мощность и расход топлива бензиновых двигателей уменьшенных размеров
— Канал эластотермического охлаждения снижает температуру днища поршня на около 30 ° C.
— снижение температуры первой кольцевой канавки примерно на 50 ° C, что приводит к уменьшению отложений нагара и износа канавок и колец для длительного срока службы; низкий расход масла и удар на
; — снижение риска неконтролируемого возгорания, например, при низкой скорости предварительного нагрева. зажигание
Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)
Изображение: Алюминиевые поршни дизельного двигателя
Характеристики:
— оптимизированное расположение каналов для максимального охлаждения может привести к снижению температуры обода барабана до 10%
— усовершенствованный боковой заброс методы значительно улучшают конструктивную устойчивость (даже с тонкостенными конструкциями)
— реструктуризация камеры сгорания wl обод и дно чаши могут обеспечить увеличение усталостной долговечности до 100%
Поршень Monosteel® обеспечивает прочность и охлаждающую способность, чтобы удовлетворить самые жесткие требования к двигателям на рынках тяжелых и промышленных двигателей, включая новое поколение давлений срабатывания двигателя, необходимых для дорожных правил Euro VI и выше.
Прочная конструкция, состоящая из сварных с помощью инерционной сварки кованых стальных секций, образующих большие охлаждающие галереи, позволяет поршням Monosteel выдерживать возрастающие механические нагрузки. Эволюция Monosteel включает в себя последние разработки для промышленных двигателей с большим диаметром цилиндра, а также использование тонкостенных легких поковок и отливок для дизельных двигателей легковых автомобилей.
Основные характеристики продукта:
— большая закрытая структурная галерея с превосходным охлаждением обода чаши и кольцевой канавки, уменьшающим деформацию канавки и улучшающим контроль масла и газового уплотнения
— профилированное отверстие под палец без втулки
— юбка по всей длине для устойчивого поршня динамика, снижение риска кавитации гильзы и улучшение кольцевого уплотнения.
— процесс обеспечивает гибкость материала с возможностью выбора материала коронки для уменьшения коррозии или окисления и / или выбора материала юбки для повышения технологичности.
Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)
Изображение: Поршни с покрытием EcoTough® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких или тяжелых автомобилей)
Поршень с покрытием EcoTough® обеспечивает важные преимущества, которые помогают удовлетворить потребности клиентов в более эффективные конструкции двигателей, в том числе сниженный расход топлива и выбросы CO ₂. Он сочетает в себе низкий износ и низкое трение в одном применении и снижает расход топлива на 0,8% по сравнению с обычными покрытиями поршней.
Ключевые преимущества:
— совместим с существующей и улучшенной отделкой отверстий цилиндров и может быть беспрепятственно введен в серийное производство двигателей в качестве рабочих изменений
— состав обеспечивает большую толщину, чем поршни с обычными покрытиями, обеспечивая дополнительную защиту
— соответствует строгим экологическим стандартам ; не содержит токсичных растворителей.
— запатентованное усовершенствованное покрытие юбки поршня с твердыми смазочными материалами и армированием углеродными волокнами, специально разработанное для сложных бензиновых условий.
— Снижение трения в силовом цилиндре (поршень + кольца) на 10% по сравнению сстандартные покрытия, повышение экономии топлива до 0,4% / сокращение выбросов CO ₂ в европейских испытаниях ездового цикла
— снижение износа на 40% по сравнению со стандартными бензиновыми покрытиями, повышенная надежность современных бензиновых двигателей с наддувом DI
— EcoTough® — это запатентованное покрытие FM
Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)
Изображение: Поршень DuraBowl® (алюминиевый поршень для дизельных легких или тяжелых автомобилей)
Усиление поршня DuraBowl® Особенности частичного переплавления кромки чаши :
— чрезвычайное улучшение структуры алюминиевого материала, созданное локализованным переплавом с использованием технологии TIG.
— до 4 раз улучшенная долговечность в двигателях с высокой удельной мощностью по сравнению с поршнями без переплавки барабана.Допускает форму камеры сгорания, подвергающуюся высоким нагрузкам.
— Процесс FM DuraBowl® расширяет пределы алюминиевых поршней в самых сложных условиях за счет увеличения усталостной прочности (циклов) поршня
Авторы и права: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)
Изображение: Elastoval II сверхлегкие поршни (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств)
Технология бензиновых поршней Avanced Elastoval® II основана на:
— глубоких карманах под короной
— наклонных боковых панелях
— облегченной конструкции опоры пальца
— тонких стенках 2.5 мм
— оптимизированная площадь юбки и гибкость
— Высокоэффективный сплав FM S2N
Особенности и преимущества:
— снижение веса на 15% по сравнению с бензиновыми поршнями предыдущего поколения
— обеспечивает удельную мощность до 100 кВт / л
— оптимизировано характеристики шума и трения
Совместимость с опцией держателя кольца alfin для увеличения пикового давления в цилиндре и устойчивости к ударам
Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)
Вернуться
Часто задаваемые вопросы
Какие поршни используются для?
Поршни используются в двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия на шатун и коленчатый вал, создавая крутящий момент двигателя.Поршни преобразуют давление газа из камеры сгорания в механическую силу.
Что такое поршень и как он работает?
Поршень — это компонент двигателя внутреннего сгорания, сделанный из алюминия или стали, используемый для преобразования давления газа из камеры сгорания в механическую силу, передаваемую на шатун и коленчатый вал.
Из чего сделан поршень?
Поршень может быть изготовлен из цветных металлов, алюминия (Al) или черных металлов, например, чугун или сталь .
Какие бывают два типа поршневых колец?
Два типа поршневых колец: компрессионных колец и масляных колец.
Какие два основных типа поршневых двигателей?
Двумя основными типами поршневых двигателей являются: дизельные двигатели поршневые и бензиновые (бензиновые) поршневые двигатели . Функция материала, два основных типа поршня: алюминиевый поршень и стальной поршень .
Каков срок службы поршней?
Поршень должен служить в течение всего срока службы автомобиля, если условия эксплуатации являются номинальными (нормальная смазка, регулярное обслуживание двигателя, отсутствие чрезмерной нагрузки, отсутствие чрезмерной температуры). В нормальных условиях эксплуатации поршень должен прослужить не менее 300000 км до 500000 км и более.
Что вызывает отверстия в поршнях?
Обычно аномально высокие температуры вызывают плавление поршней, или детонация двигателя может вызвать трещины в поршнях.Неисправные форсунки могут подавать чрезмерное количество топлива в цилиндры, что может вызвать аномально высокую температуру сгорания и частичное оплавление поршней.
Как узнать, повреждены ли поршни?
Если поршень поврежден, наиболее вероятными симптомами являются: потеря мощности из-за потери сжатия, чрезмерный дым в выхлопе или необычный шум двигателя.
Можно ли починить сломанный поршень?
Сломанный поршень не подлежит ремонту, его необходимо заменить.Поршни имеют очень жесткие геометрические допуски, которые, скорее всего, не могут быть соблюдены после ремонта. Кроме того, их механические и термические свойства будут изменены после ремонта, что приведет к дальнейшим повреждениям. Сломанный поршень может вызвать серьезные повреждения блока цилиндров, шатуна, клапанов и т. Д. И требует немедленной замены.
Можно ли водить машину с неисправным поршнем?
Вы можете ездить с плохим поршнем, но это не рекомендуется. Повреждение поршня может привести к значительному выходу из строя блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, клапанов и т. Д.Если не заменить поврежденный поршень, это может привести к полному отказу двигателя.
Повредит ли мой двигатель удар поршня?
Удар поршня повредит двигатель, оставьте без присмотра. Удар поршня в течение длительного времени приведет к повреждению гильзы цилиндра и самого поршня.
Уходит ли поршень при нагревании?
Поршень частично уходит, когда двигатель прогрет. Удар поршня вызван чрезмерным износом гильзы цилиндра или самого поршня.Когда двигатель нагревается, поршень имеет тепловое расширение, и зазор между поршнем и цилиндром уменьшается, что приводит к уменьшению ударов поршня.
Могу ли я ехать с хлопком поршня?
Можно ездить с хлопком поршня, но долго водить не рекомендуется. Удар поршня вызовет износ самого поршня и гильзы цилиндра. Удар поршня также может вызвать трещины в поршне, что может привести к полному отказу двигателя, если его оставить без присмотра.
Что вызывает износ юбки поршня?
Износ юбки поршня вызван недостаточной смазкой гильзы цилиндра маслом.В нормальном рабочем состоянии система смазки разбрызгивает масло на цилиндры, чтобы избежать прямого контакта между юбкой поршня и цилиндром. При неисправности системы смазки или недостаточном уровне масла на стенках цилиндра будет недостаточно масла, и юбка поршня будет значительно изнашиваться.
По любым вопросам, наблюдениям и запросам по этой статье используйте форму комментариев ниже.
Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!
Вернуться
Ссылки
[1] Клаус Молленхауэр, Хельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer, 2010.
[2] Хироши Ямагата, Наука и технология материалов в автомобильных двигателях, Woodhead Publishing in Materials, Кембридж, Англия, 2005.
[3] The Aluminium Automotive Manual, European Aluminium Association, 2011.
[4] Heisler, Heinz , Технология транспортных средств и двигателей, Общество автомобильных инженеров, 1999.
[5] QinZhaoju et al., Моделирование термомеханической муфты поршня дизельного двигателя и многопрофильная оптимизация конструкции, Тематические исследования в области теплотехники, Том 15, ноябрь 2019 г.
[6] Испытания поршней и двигателей, Mahle GmbH, Штутгарт, 2012.
[7] Скотт Кеннингли и Роман Моргенштерн, Термическая и механическая нагрузка в области камеры сгорания легковых дизельных поршней из AlSiCuNiMg; Пересмотрено с акцентом на расширенный анализ методом конечных элементов и инструментальные методы тестирования двигателей, Federal Mogul Corporation, SAE Paper 2012-01-1330.
[8] T.K. Гарретт и др., Автомобиль, 13-е издание, Баттерворт-Хайнеманн, 2001.
[9] Н. Долатабади и др., Об идентификации событий удара поршня в двигателях внутреннего сгорания с использованием трибодинамического анализа, Механические системы и обработка сигналов, Том 58 –59, июнь 2015 г., страницы 308-324, Elsevier, 2014.
[10] Клаус Молленхауэр и Гельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010.
Поршневой двигатель
| SKYbrary Aviation Safety
Поршневой двигатель
Описание
Поршневой двигатель самолета, также обычно называемый поршневым двигателем или «реципиентом», представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который использует один или несколько поршневых поршней для преобразования давления во вращательное. движение. Поршневой двигатель самолета работает по тем же принципам, что и двигатели большинства автомобилей.Однако в двигатели, предназначенные для использования в авиации, были внесены модификации, такие как системы двойного зажигания для повышения избыточности и безопасности, а также воздушное охлаждение для снижения веса. Турбокомпрессоры и, реже, нагнетатели могут быть добавлены к поршневым двигателям для повышения производительности. Поршневые двигатели самолетов чаще всего работают на AVGAS, но дизельные двигатели становятся все более распространенными, особенно в легких самолетах.
Типы двигателей
Конструкция двигателей сильно изменилась за столетие, прошедшее с момента первого полета с двигателем.Большинство двигателей, устанавливаемых на самолеты нынешнего поколения, имеют горизонтально противоположную конфигурацию. Однако есть примеры практически всех следующих типов двигателей, которые все еще используются на серийных, экспериментальных и старинных самолетах.
Рядные двигатели
Самые ранние авиационные двигатели были рядными или «прямыми» и имели цилиндры, расположенные в линию, как и многие автомобильные двигатели. Основное преимущество этого типа двигателя заключается в том, что он узкий и позволяет самолету иметь узкую переднюю часть фюзеляжа.Однако воздушный поток вокруг этого типа двигателя недостаточен для обеспечения воздушного охлаждения, поэтому требуется жидкостное охлаждение, что снижает соотношение мощности к весу.
Роторные двигатели
Роторные поршневые двигатели были разработаны во время Первой мировой войны для военных самолетов. В этой конструкции весь двигатель вращается вместе с пропеллером, создавая дополнительный воздушный поток для охлаждения.
Двигатели V-образного типа
Двигатель V-образного типа в основном эквивалентен двум рядным двигателям, соединенным в V-образной конфигурации общим коленчатым валом.Самый известный пример V-образного двигателя — это Rolls Royce Merlin с наддувом, который использовался для двигателей Supermarine Spitfire и Avro Lancaster.
Радиальные двигатели
Радиально-поршневой двигатель состоит из одного или нескольких рядов цилиндров с нечетными номерами, расположенных по кругу вокруг центрального коленчатого вала. Из-за небольшого размера картера двигатель этого типа имел лучшее соотношение мощности и веса, чем большинство других конструкций того времени. Расположение цилиндров обеспечивает хороший поток охлаждающего воздуха и плавную работу.
Горизонтально расположенные двигатели
Горизонтально расположенные двигатели часто называют оппозитными или плоскими двигателями. У них есть два ряда цилиндров, расположенных в шахматном порядке на противоположных сторонах центрального картера. Конструкция проста, надежна и удобна в обслуживании.
Статьи по теме
Разработка 4-тактного оппозитно-поршневого двигателя с искровым зажиганием
Целью этого проекта была разработка недорогого 4-тактного бензинового двигателя OP путем соединения двух одноцилиндровых поршневых двигателей внутреннего сгорания с боковым расположением цилиндров. клапаны на блоке, сняв головки.Выбранный двигатель — модель EY15 фирмы Robin America. Соединение этих двух блоков цилиндров позволило создать двигатель с оппозитными поршнями (OPE) с двумя коленчатыми валами. В этом новом двигателе камера сгорания ограничена пространством внутри цилиндра между головками поршней и камерой между клапанами. Поршни движутся по оси цилиндра в противоположных направлениях, что характерно для двигателей с оппозитными поршнями. После сборки двигателя параметры, характерные для OPE, такие как частота вращения, крутящий момент, расход топлива и выбросы, были измерены на динамометре для измерения вихревых токов.На основании собранных данных были рассчитаны мощность, удельный расход и общий КПД, что позволило сделать вывод о том, что двигатель с оппозитно-поршневой конфигурацией дешевле и более мощный. Разработка двигателя с оппозитными поршнями в этом проекте показала, что возможно построить один двигатель из другого, уже используемого, что снизит затраты на производство и разработку. Кроме того, можно получить более высокую мощность при более высоком удельном расходе топлива и меньшей вибрации.
1 Введение
В начале разработки этой конструкции двигателя с противоположным поршнем было обнаружено, что есть основания для дальнейших исследований в этой области. Поршневые двигатели противоположного типа успешно использовались почти во всех гражданских и военных областях, где они установили рекорды низкого потребления и высокой удельной мощности, которые сохраняются и спустя много лет, несмотря на несомненный прогресс в этой области [1]. Однако возникли два основных препятствия: первое связано с ограничениями, налагаемыми на выбросы двигателей внутреннего сгорания (двухтактные двигатели с противоположными поршнями значительно превышают действующие законодательные ограничения, что в течение некоторого времени привело к незначительной заинтересованности в его разработке. [2]), а второй обусловлен текущим экономическим кризисом и временами жесткой экономии, навязанной международной ситуацией (создающей трудности в инвестировании в исследования двигателей этого типа).После анализа потенциала двигателей этого типа было решено преодолеть два основных препятствия. Было принято решение разработать двигатель внутреннего сгорания, четырехтактный, с искровым зажиганием, с противоположными поршнями. Поскольку были доступны ограниченные материальные ресурсы, было решено разработать одноцилиндровый двигатель с несколько устаревшей технологией, поскольку цели были: показать жизнеспособность двигателя, сделать возможным открытие возможных путей развития этого типа двигателей и попытаться найти ответ на вопрос «почему поршневые двигатели внутреннего сгорания с четырехтактным искровым зажиганием были вытеснены по характеристикам традиционными двигателями?».Желательно, чтобы разработка была сосредоточена на легком и компактном двигателе, который будет использоваться в некоторых авиационных приложениях для замены доминирующих на рынке оппозитных двигателей мощностью до 8 кВт (что подразумевает двухтактный двигатель). Однако выбросы привели к тому, что выбор пал на двигатель с 4-тактным циклом вместо 2-тактного, хотя это сделало бы его тяжелее и менее компактным, чем было бы желательно для авиационного применения. Тем не менее, во время Второй мировой войны большинство поршневых двигателей были 4-тактными [3], и с точки зрения удельной мощности они достигли значений, которые до сих пор трудно сопоставить.Этот выбор также обеспечивает совместимость с широко известными системами очистки газообразных стоков.
2 Предшественники
Противоположные поршневые двигатели, которые лежали в основе этого альтернативного четырехтактного альтернативного поршневого двигателя с искровым зажиганием и которые оказали наибольшее влияние на его разработку, были: Четырехтактный двигатель Gobron Brillié с искровым зажиганием (успешно используется в автомобилей в начале двадцатого века) и двухтактный двигатель Junkers Jumo 205 с воспламенением от сжатия (который, возможно, был самым успешным поршневым двигателем противоположного направления, использовавшимся в авиации до конца Второй мировой войны в гражданских и военных целях).Этот последний двигатель вдохновил в 30-х, 40-х и даже 50-х годах 20 века на разработку двигателей этого типа по обе стороны Атлантики от бывшего Советского Союза до Соединенных Штатов Америки почти для всех видов применения. В ходе исследования поршневых двигателей с противоположным расположением поршней было обнаружено, что с тех пор, как двухтактные дизельные двигатели с противоположным расположением поршней начали пользоваться успехом, четырехтактные поршневые двигатели с оппозитным зажиганием, которые в начале 20 века успешно применялись в производство автомобилей (в частности, французского автомобиля Gobron-Brillié) прекращено.Автомобиль этой марки стал первым автомобилем, преодолевшим мифическую отметку 100 миль в час [4]. Двигатель Gobron-Brillié представлял собой двухцилиндровый четырехпоршневой двигатель с одним коленчатым валом. Два поршня классическим образом соединялись с коленчатым валом шатуном, а два других находились наверху цилиндров. Два последних были соединены перемычкой, соединенной с коленчатым валом двумя очень длинными боковыми шатунами, передающими движение двух верхних поршневых штоков на коленчатый вал.Похоже, что этот двигатель был вдохновлен противоположным поршневым двигателем, приписываемым Wittig 1878 [2], одним из первых успешных противоположных поршневых двигателей и двигателем Robson 1890, работающим аналогичным образом. Между прочим, эти два первых двигателя с противоположными поршнями работали по 4-тактному циклу с впускным и выпускным отверстиями, расположенными в камере сгорания. Двигатель Junkers Jumo 205, разработанный в Германии в 1930-х годах, имел легкую, компактную конфигурацию с двумя кривошипами и работал с двухтактным воспламенением от сжатия.Этот двигатель оказал значительное влияние на гражданское и военное авиационное применение, так что он производился по лицензии несколькими производителями для гражданского применения. Это был единственный двухтактный дизельный двигатель, который регулярно использовался в авиации и производился в больших количествах [5]. Даже сегодня он продолжает считаться наиболее эффективным поршневым двигателем, используемым в авиации [1]. Следует отметить, что начиная с 1910 г. двигатели с конфигурацией с двумя коленчатыми валами стали более широко использоваться, поскольку они позволяли значительно более компактные рядные конструкции, чем конфигурации с одним коленчатым валом.Этот тип конфигурации затем использовался большинством производителей, что продемонстрировало семейство двигателей Junkers Jumo, Fairbanks Morse 38D, Rolls Royce K60, Leyland L60, Climax Coventry h40 и Харьков Морозов 6TD, в широком диапазоне. областей применения.
3 Краткое описание происхождения двигателя
После этого начального этапа исследований была рассмотрена гипотеза создания двигателя с противоположными поршнями и двумя коленчатыми валами. Тем не менее, было сочтено более подходящим выбрать 4-тактный двигатель с циклом Отто вместо 2-тактного дизельного двигателя, который мог бы работать от более чем одного топлива при минимально возможных затратах.Для этого была рассмотрена возможность сконструировать двигатель с противоположными поршнями из другого, уже существующего, что снизит таким образом стоимость производства [6]. Был выбран бензиновый или керосиновый двигатель с боковым расположением клапанов марки Robin America, модель EY15, или водяной насос, см. Рис. 1, даже если он имел несколько устаревшую конфигурацию.
Рисунок 1
Внешний вид и схематическое изображение двигателя [7].
4 Характеристики исходного двигателя
В исходной конфигурации Robin America, Inc.двигатель модели EY15, работает как обычный 4-тактный бензиновый двигатель Otto. Рабочее положение — вертикальное, с рабочим объемом 143 куб. См и максимальной мощностью 3,5 л.с. при 4000 об / мин, питание от карбюратора, с боковыми клапанами в блоке, смазкой разбрызгиванием и зажиганием от транзисторного магнето.
5 Разработка встречно-поршневого двигателя
Поршневой двигатель внутреннего сгорания, разработанный в ходе этой работы, на стыке двух блоков двигателя Robin EY15, работает в соответствии с 4-тактным циклом с искровым зажиганием.Он имеет рабочий объем 286 куб. См и развивает максимальную мощность 7,3 л.с. при 4000 об / мин. Была принята конфигурация с двойным коленчатым валом, аналогичная двигателю Junkers Jumo 205, но работающая в горизонтальном положении. Синхронизация распределения и передачи мощности обеспечивалась зубчатой передачей, состоящей из четырех зубчатых колес с правыми зубьями (модуль 1,5 мм, две центральные шестерни по 65 зубьев и два приводных вала с 56 зубьями). Двигатель работает на бензине и оснащен двумя оригинальными карбюраторами модели EY15, расположенными с обеих сторон двигателя.Система смазки разбрызгиванием и зажигание от магнето с промежуточным хранением также остались от оригинального двигателя. В центральной части цилиндра находится камера сгорания объемом 60 куб. случилось с двигателем Gobron Brillié). Первый шаг в конструкции двигателя с противоположным поршнем заключался в снятии головок двух Robin EY15, чтобы два блока можно было соединить вместе в области прокладки головки.Это соединение позволяет обоим поршням располагаться лицом к лицу и двигаться в противоположных направлениях. В этой конфигурации ось одного цилиндра выровнена с осью другого цилиндра, так что два цилиндра в сборе функционируют как один цилиндр, с одним блоком выпускного клапана перед впускным клапаном другого, в пространстве между два блока двигателя. Это позволило уменьшить пространство камеры сгорания, поскольку открытие впускного клапана и закрытие выпускного клапана происходит почти одновременно.Чтобы двигатель работал в этой конфигурации, необходимо решить некоторые проблемы. Во-первых, размещение свечи зажигания (одна из самых больших технических трудностей), во-вторых, пространство между двумя блоками вызывало некоторые вопросы (значение степени сжатия), в-третьих, как соединить два двигателя, чтобы оси цилиндров точно удерживались. выровнены с камерой сгорания, и, в-четвертых (возможно, самый сложный), как организовать их синхронизацию (чтобы поршни двигались в противоположных направлениях, в то время как система распределения позволяла одновременно открывать оба впускных клапана и, следовательно, одновременное движение оба выпускных клапана).Система синхронизации также должна гарантировать, что коленчатые валы сохраняют свое первоначальное направление вращения и поддерживают передачу мощности от двух коленчатых валов. Наконец, необходимо было снова поставить карбюраторы в вертикальное положение, с впускным каналом в горизонтальном положении и расположить так, чтобы управлять двумя карбюраторами одновременно с помощью одной и той же команды, отказавшись от исходного регулятора скорости. Свеча зажигания, первоначально установленная на головке двигателя, была установлена в одном из блоков двигателя в пространстве между седлом клапана и цилиндром, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2
Свеча зажигания в сборе, вид сбоку и сверху.
Поскольку пространство для размещения свечи зажигания было очень маленьким, была использована свеча зажигания меньшего диаметра, чтобы она могла помещаться между цилиндром и клапанами, не создавая помех другим компонентам двигателя. Чтобы гарантировать необходимое пространство для открытия клапанов (без ущерба для степени сжатия и обеспечения газообмена в центральной зоне цилиндра), алюминиевая прокладка, должным образом выпрямленная на параллельных поверхностях, с 5.Между двумя блоками двигателя разместили толщину 3 мм. Сохранились прокладки оригинальной головки, толщина которых составляла 1,5 мм. Эти прокладки сохраняли исходное положение, помещая между ними алюминиевую прокладку. Высота камеры сгорания составляла 8,3 мм. Чтобы обеспечить выравнивание цилиндров по общей оси двух блоков цилиндров, три направляющих были помещены в исходное отверстие болтов M8, которыми была затянута исходная головка (см. Рисунок 3). На основании блоков изготовлены две опоры из конструкционной стали и сварены МИГ.Когда блоки были выровнены, были использованы 6 стержней из нержавеющей стали (AISI 304L) диаметром 10 мм с резьбой M10 для обеспечения соединения двух мотоблоков, как показано на фотографии на рисунке 3.
Рисунок 3
Деталь алюминиевой проставки, прокладки головки двигателя и направляющих штуцеров.
Зубчатая передача, состоящая из 4 прямозубых шестерен с модулем 1,5 мм, использовалась для синхронизации двух коленчатых валов. Звездочки, используемые в обоих приводных валах, имеют 56 зубьев, а две промежуточные шестерни имеют 65 зубьев.Четырехзвездочная зубчатая передача позволяет поршню одного коленчатого вала двигаться в направлении, противоположном поршню другого, гарантируя, что распределение перемещается в нужное время как впускной, так и выпускной клапаны, и что оба коленчатых вала сохраняют направление вращения оригинальный двигатель. Для этой зубчатой передачи были выбраны зубчатые колеса с правыми зубьями, как в случае двигателя Junkers Jumo 205, чтобы обеспечить передачу мощности на карданный вал, не вызывая осевых нагрузок на коленчатые валы, размер которых не рассчитан для этого.Для крепления промежуточных валов использовалась стальная пластина, закрепленная на блоке восемью болтами М8, что также помогает удерживать блоки вместе. Затем эта стальная пластина была усилена L-образной заслонкой, на которую была вкручена прозрачная крышка из полиэтилентерефталата, чтобы уменьшить шум шестерен и предотвратить разбрызгивание смазки, используемой в шестернях. Следует отметить, что затем часть этой крышки была разрезана, чтобы позволить передавать мощность на приводной вал в верхнем правом углу, как показано на рисунке 4.Чтобы установить карбюраторы вертикально, был построен канал из нержавеющей стали с внутренним диаметром 20 мм (немного меньший диаметр, чем у впускного коллектора). Воздуховод имеет изгиб под углом 90 ° и горизонтальную трубку достаточной длины, чтобы установить карбюратор в вертикальное положение, не вызывая каких-либо неудобств и не подвергаясь воздействию потока горячего воздуха из системы охлаждения двигателя или выпускного коллектора. Карбюраторы располагались по обе стороны от двигателя. Чтобы управлять обоими карбюраторами одновременно и одной командой, было решено использовать систему, состоящую из стального троса, тяги, соединенной со стальным тросом, троса, шкива и ручки переключения передач велосипеда.
Рисунок 4
Окончательное расположение ВОМ поршневого двигателя с возвратно-поступательным движением для данной конструкции.
6 Экспериментальная установка
Экспериментальная установка состоит из испытательного стенда двигателя марки STEM-ISI Impianti, модель TD340, оборудованного вихретоковым тормозом Borghi and Saveri, модели FE 150 и аналоговым контроллером Borghi и Saveri. модель A03, STEM-ISI (1992), инфракрасный газоанализатор от Tecnotest, модель MULTIGAS 488, для бензиновых двигателей, выхлопная система, дополнительный вентилятор охлаждения и система учета расхода топлива (состоящая из калиброванного топливного бака, топливного бака , цифровые электронные весы с разрешением 0.01 г и цифровой таймер с разрешением 0,01 с). На рисунке 5 показан двигатель OP на динамометрическом испытательном стенде, установка и все оборудование.
Рисунок 5
Обзор динамометрического испытательного стенда и встречного поршневого двигателя.
7 Характерные параметры двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Обзор характеристических параметров поршневых двигателей внутреннего сгорания будет использован для поддержки представления и обсуждения экспериментальных результатов.Крутящий момент, мощность и общие характеристики — три наиболее важных характеристических параметра любого двигателя внутреннего сгорания. Эффективная тормозная мощность (в кВт) определяется уравнением (1).
(1) W˙b = B2πn6010−3
Где B — крутящий момент, а n — частота вращения двигателя в оборотах в минуту. Расход топлива или массовый расход топлива определяется уравнением (2)
(2) m˙f = mfΔt
Где: ṁ _f — масса топлива, а Δt — время интервал.Общий КПД определяется соотношением между эффективной тормозной мощностью и тепловой мощностью, подаваемой на двигатель, выраженной в уравнении (3). В свою очередь, тепловая мощность определяется произведением массового расхода топлива на меньшую теплотворную способность того же топлива.
(3) ηg = W˙bm˙fHV
Где: Ẇ _b — эффективная мощность тормоза, ṁ _f — массовый расход топлива, а HV — нижний теплота сгорания топлива.В данном случае в качестве топлива используется бензин. Для расчетов было принято значение 44000 кДж / кг для бензина с низкой теплотворной способностью [8].
В свою очередь, удельный расход топлива C _sf определяется уравнением (4). Этот параметр связывает расход топлива с эффективной тормозной мощностью и позволяет получить хороший срок сравнения между двигателями.
(4) Csf = m˙fW˙b
В технической литературе удельный расход топлива обычно выражается в г / кВтч.Соответственно, уравнение 4 было переформулировано, как представлено в уравнении (5).
(5) Csf = m˙fhW˙b
Где: ṁ _fh — массовый расход (г / ч).
Расход топлива (в час) или массовый расход топлива в г / ч определяется уравнением (6).
(6) m˙fh = mfΔt3600
Объемный КПД η _V , уравнение (7) [9], связывает количество воздуха, фактически вводимого в цилиндр за цикл, с теоретической заполняющей способностью цилиндра. в том же цикле.Это один из наиболее важных параметров при характеристике и моделировании четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.
(7) ηV = mamat = maρaiVd
Где: m _a — масса, которая фактически входит в цилиндр в каждом цикле, m _at , это масса, которая теоретически заполняет цилиндр, ρai , плотность воздуха (или смеси) в атмосферных условиях, и V _d , смещенный объем.Теоретически масса свежего заряда в каждом цикле должна быть равна произведению плотности воздуха (или смеси), оцененной в атмосферных условиях вне двигателя, на смещение, , т.е. ., на объем, вытесняемый поршнем. . Однако из-за сокращенного времени, доступного для впуска и потерь нагрузки из-за существующих ограничений потока, только меньшее количество от теоретического количества свежего заряда, поступающего в цилиндр при атмосферных условиях [10], в конечном итоге попадает в цилиндр.Значение объемного КПД зависит от нескольких переменных двигателя, таких как частота вращения двигателя, давление во впускном и выпускном коллекторах и геометрия системы [11]. В этом случае уравнение (8) представлено как отношение между фактически допустимым расходом в цилиндре и массовым расходом, который теоретически допустим для этой скорости вращения.
(8) ηV = ηRm˙aρaiVdη
Где: η _R представляет количество оборотов за цикл, а ṁ _a массовый расход, который фактически поступает в цилиндр.На практике значение объемного КПД получается из типа цикла, крутящего момента, отношения количества топлива к воздуху, плотности воздуха, вытесненного объема, общего КПД и более низкой теплотворной способности топлива, как показано в уравнении (9), которое является результатом комбинация уравнений (1) и (4), среди прочего.
(9) ηV = ηR60m˙fAFρaiVdη
Где: AF представляет соотношение топлива и воздуха с учетом значения 14,7. Соотношение топливо-воздух ( AF ), уравнение (10), связывает массу воздуха с массой топлива m _f .Эти отношения также могут быть представлены как отношения между массовыми расходами.
(10) AF = mamf = m˙am˙f
8 Представление результатов
Данные, относящиеся к частоте вращения двигателя (об / мин), крутящему моменту (Нм), массе израсходованного топлива (г) и времени расхода топлива ( s), собранные во время динамометрических испытаний при полной нагрузке двигателя, в сочетании с предыдущими уравнениями, позволяют представить результаты (Рисунок 6). Этот график является результатом наложения двух графиков, первый, где представлена мощность, а второй, где представлены мощность и удельное потребление.На обоих графиках по горизонтальной оси отложена скорость вращения двигателя (об / мин). Вертикальная ось слева соответствует тормозной мощности (кВт), правая ось — значениям тормозного момента (Н-м). В нижней части правой оси отображаются значения удельного расхода тормоза (г / кВтч). Оранжевые точки представляют собой результаты эффективной тормозной мощности, синие точки — данные крутящего момента, а удельное потребление отображается красным цветом внизу. Соответствующие строки являются результатом полиномиальной интерполяции второго порядка, выполненной в программе Excel.Кривые следуют ожидаемой тенденции, однако следует отметить, что снижение крутящего момента с 2400 об / мин до 2800 больше не проверяется на 3200 и 3600. Фактически, только при 4000 об / мин снова наблюдается снижение крутящего момента. Значения, полученные при 2800 об / мин, кажутся необычными даже для удельного расхода, который представляет собой значения выше, чем значения тестов на более близкой скорости.
Рисунок 6
Характеристики двигателя.
На графике рисунка 7 можно увидеть результаты глобальной эффективности и ее полиномиальную кривую тренда второго порядка, построенную в Excel.На этом графике показана потеря эффективности при 2800 об / мин, при этом наилучший общий выход будет выявлен в следующем тесте при 3200 об / мин.
Рисунок 7
Кривая общей производительности двигателя.
График на Рисунке 8 показывает результаты объемного КПД и его полиномиальную кривую тренда второго порядка, построенную в Excel. Можно заметить, что кривая тенденции показывает небольшое снижение от 1600 об / мин до значения 2800 об / мин, от которого кажется почти незаметное снижение. Если выбрать линейную линию тренда, разница будет практически незначительной.
Рисунок 8
Кривая объемного КПД как функция скорости вращения.
9 Выводы
Разработка встречного поршневого двигателя в результате соединения двух идентичных двигателей показала, что возможно построить один двигатель из существующего, тем самым снизив затраты на его производство и разработку. Кроме того, OPE обеспечивает более высокую мощность, лучшее удельное потребление и более высокую пропускную способность. Результаты разработки этого двигателя с противоположными поршнями также позволили идентифицировать области, в которых этот двигатель превзошел и где может быть широкий диапазон возможностей развития при исследовании этого типа двигателей, а именно в улучшении сгорания. условия.Среди различных возможностей — модернизация системы управления и питания двигателя с использованием электронного управления зажиганием, непосредственного впрыска топлива, наддува и строительства более компактной камеры сгорания, способствующей усилению турбулентного движения после воспламенения смеси. .
Настоящее исследование частично финансировалось Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) в рамках проекта UID / EMS / 00151/2013 C-MAST, со ссылкой на POCI-01-0145-FEDER-007718.
Ссылки
[1] Бройо Ф., Сантос А., Грегорио Дж. (30 июня — 2 июля 2010 г.). Вычислительный анализ продувки двухтактного дизельного двигателя с оппозитными поршнями. Процедуры всемирных инженерных конгрессов 2010 Том II, WCE 2010, (Лондон, Соединенное Королевство): 1448-1453. Ищите в Google Scholar
[2] Pirault J-P., Flint M. (2009). Противоположные поршневые двигатели: эволюция, использование и будущее применение, Warrendale: SAE International. Искать в Google Scholar
[3] Fernandes A.(2008). Compêndio de Motores Alternativos, Centro de Formação Militar e Técnica, Португалия: Força Aérea Portuguesa, Ministério da Defesa Nacional. Искать в Google Scholar
[4] The Autocar. Справочник Autocar, Справочник по автомобилю (9-е издание), Лондон: Илифф и сыновья. Ищите в Google Scholar
[5] Gonçalves R. (2014). 3D CFD-моделирование четырехтактного оппозитно-поршневого двигателя с холодным потоком (кандидатская диссертация). Ковильян: Universidade da Beira Interior. Искать в Google Scholar
[6] Alves, F.(2011), Rendimento volumétrico de ummotor de pistões opostos a quatro tempos (MSc. Диссертация). Ковильян: Университет внутренних дел Бейры. Искать в Google Scholar
[7] Service Manual EY15-3, EY20-3 Engines (2001), Robin America, Inc. Искать в Google Scholar
[8] Martins J., Motores de Combustão Interna (2005), Porto : Publindustria. Ищите в Google Scholar
[9] Хейвуд Дж., Основы внутреннего сгорания (1988), Нью-Йорк: McGraw-Hill International Editions. Искать в Google Scholar
[10] Pesic R., Давинич А., Петкович С., Таранович Д., Милорадович Д. (2013). Аспекты измерения объемного КПД поршневых двигателей. Тепловая наука 17-1, 35-48. Искать в Google Scholar
[11] Николау Г., Скаттолини Р., Сивьеро К. (1996). Моделирование объемного КПД двигателей с электронным управлением: параметрические, непараметрические и нейронные методы. Инженерная практика управления 4-10, 1405-1415. Искать в Google Scholar
Получено: 2018-03-13
Принято: 2018-07-09
Опубликовано в Интернете: 2018-11-03
© 2018 J.П. Грегорио и Ф. М. Бройо, опубликовано De Gruyter
Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 License.
Поршневой двигатель — Energy Education
Поршневой двигатель — это двигатель, который использует один или несколько поршней для преобразования давления во вращательное движение. Они используют возвратно-поступательное движение поршней (вверх и вниз) для передачи этой энергии. ^[1] Существует много разных типов, включая двигатель внутреннего сгорания, который используется в большинстве автомобилей, паровой двигатель, который является одним из типов двигателя внешнего сгорания, и двигатель Стирлинга.Роторный двигатель будет выполнять ту же задачу, что и поршневой двигатель, но совсем другим способом из-за его треугольного ротора.
Как это работает
Все типы имеют один или несколько поршней, которые следуют четырехтактному циклу, показанному на рисунке 1. Общие конфигурации блока цилиндров включают один ряд цилиндров (рядный), два ряда, сходящихся к одной точке (V-образный двигатель), двойной зигзаг (W-образный двигатель) и два горизонтальных ряда (оппозитный двигатель). ^[1] Все двигатели, упомянутые выше (внутреннего сгорания, паровые, Стирлинга), используют несколько разные процессы для завершения цикла, поэтому будет исследован общий случай (как показано на рисунке 2).
Впуск: Чтобы начать цикл, топливная смесь вводится внутрь цилиндра через впускной канал, расширяя поршень до нижней части цилиндра.
Сжатие: Затем поршень выталкивается вверх, сжимая топливную смесь и воспламеняя ее через свечу зажигания.
Зажигание: Зажигание толкает поршень вниз, обеспечивая полезную работу двигателя.
Выхлоп: Отработанные химические вещества выводятся через выхлопное отверстие, и цикл повторяется.
Поршневой двигатель
Рисунок 1: 4-тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа сделана), 4: выхлоп. ^[2]
Рис. 2: Коленчатый вал (красный) преобразует возвратно-поступательное движение поршней (серый), которые часто сочетаются с маховиком (черный). ^[3]
Четырехтактный цикл — это то, что дает двигателю энергию, но теперь он должен преобразовать эту энергию в энергию вращения для трансмиссии, приводного вала и колес.Это осуществляется коленчатым валом, который показан на рисунке 2. Коленчатый вал преобразует это движение вверх и вниз во вращательное движение, которое часто сочетается с маховиком для сохранения энергии прерывистого возвратно-поступательного движения в качестве энергии вращения.
Для дальнейшего чтения
Список литературы
Как форма поршня влияет на горение?
Когда мы говорим о двигателях, мы часто говорим о четырех или шести цилиндрах. Но что это на самом деле означает? Для тех, кто не знаком с основами двигателя, «цилиндр» — это пространство, в котором движется поршень, а поршни являются жизненно важными частями внутри большинства двигателей, приводимых в действие внутренним сгоранием.
Обычно бензин и воздух смешиваются вместе в камере сгорания над поршнем. Когда электрическая искра воспламеняет эту смесь, она создает крошечный взрыв, который заставляет поршень подниматься и опускаться. Это движение вращает коленчатый вал, который в конечном итоге отвечает за привод трансмиссии и колес.
Как и следовало ожидать, поршни подвергаются большему нагреву, давлению и движению, чем почти любая другая часть двигателя. Они должны быть долговечными. Поскольку двигатели постоянно развиваются, автопроизводители продолжают находить новые способы создания более совершенных поршней, включая изменение их размера и состава.
Поршень лежит в основе движения двигателя. Добавление поршней в двигатель или их увеличение увеличивает рабочий объем двигателя, а это означает, что двигатель вырабатывает больше мощности, потому что он сжигает больше бензина.
Но главное не только количество поршней в двигателе. Форма поршня имеет большое влияние на процесс внутреннего сгорания. В основном форма поршня имеет прямое отношение к тому, как регулируется тепло и воздушно-топливная смесь.
Давайте сначала поговорим о различных формах поршней.Поршни эллиптической или овальной формы при нагревании становятся более круглыми. Это позволяет улучшить уплотнение, когда цилиндр встречается с камерой сгорания для большей эффективности. Некоторые поршни имеют коническую или коническую форму, что позволяет поршню двигаться более свободно независимо от количества тепла. Другие имеют «бочкообразную» форму, которая более гладкая и создает меньше шума и резкости при движении [источник: Университет Виндзора].
Далее давайте узнаем больше о том, как верхняя часть поршня влияет на производительность, экономию топлива и срок службы двигателя.
Различия между типами поршней
Не все поршни созданы одинаково. Независимо от того, хотите ли вы установить на блок цилиндров поршни с плоским верхом, тарельчатые или куполообразные, все зависит в первую очередь от требований к карману клапана и требований к сжатию. Мы рассмотрим основы, чтобы помочь вам понять различия, чтобы вы могли принять осознанное решение о том, чем запастись для следующей пользовательской сборки или обновления.
Как работает поршень
Внутри каждого двигателя вы найдете цилиндр.Внутри этого цилиндра находятся ваши поршни. Количество имеющихся у вас поршней, а также их расположение зависит от типа вашего двигателя. Работа поршня во всем этом заключается в передаче силы от взрывающегося газа на коленчатый вал. Каждый поршень внутри цилиндра соединен стержнем, который позволяет ему перемещаться вверх и вниз. Воздух и топливо смешиваются и втягиваются в цилиндр. Цилиндр сжимает смесь, искра воспламеняет ее, и у вас есть сила. Получающиеся расширяющиеся газы от этого сгорания приводят в движение поршень двигателя вперед, чтобы двигаться так же, как нажатие на педаль велосипеда заставляет колесо двигаться.
Типы поршней
Существует три типа поршней, каждый из которых назван по форме: плоский верх, купол и тарелка.
Поршни с плоским верхом
Как бы просто это ни звучало, поршень с плоским верхом имеет плоский верх. Поршни с плоским верхом имеют наименьшую площадь поверхности; это позволяет им создавать максимальную силу. Этот тип поршня идеально подходит для создания эффективного сгорания. Поршни с плоским верхом обеспечивают наиболее равномерное распределение пламени. Сложность, связанная с этим, заключается в том, что это может создать слишком большую компрессию для меньших камер сгорания.
Поршни тарелки
Поршни тарелки представляют наименьшее количество проблем для инженеров. Это больше из-за того, где они используются, чем из-за собственности, которой они сами владеют. По форме они напоминают тарелку, внешние края которой слегка загнуты вверх. Обычно тарельчатые поршни используются в приложениях с наддувом, которые не требуют наличия распредвала с большим подъемом или высокой степени сжатия.
Купольные поршни
В отличие от тарелочных поршней, они пузырились посередине, как верхушка стадиона.Это сделано для увеличения доступной площади верхней части поршня. Большая площадь поверхности означает меньшее сжатие. Хотя большее сжатие означает создание большей силы, существует верхний предел того, с чем может справиться каждая камера сгорания. Такое снижение степени сжатия существенно предотвращает разрушение двигателя. Это всего лишь один из инструментов ограничения количества создаваемой силы до того, с чем двигатель способен безопасно работать.
Если вы только начинаете, это только начало.Вы не сможете понять всю головоломку, не сопоставив ее части друг с другом. Таким образом, хотя это объясняет, что делают поршни и как имеют значение различия в форме, это необходимо понимать в контексте всего двигателя, чтобы получить полную картину. Продолжайте учиться, и вы будете в пути.
Если вам нужна помощь в обновлении вашего движка или создании индивидуальной сборки движка, позвоните нам по телефону (805) 237-8808 или отправьте электронное письмо по адресу [email protected].
Что такое поршневое кольцо? — Функция, типы и применение
Что такое поршневое кольцо?
Поршневое кольцо — это металлическое разрезное кольцо, которое прикреплено к внешнему диаметру поршня в двигателе внутреннего сгорания или паровом двигателе.
Поддерживает сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.
Улучшение теплопередачи от поршня к стенке цилиндра. И поддержание надлежащего количества масла между поршнем и стенкой цилиндра. Кроме того, регулирование расхода моторного масла путем соскабливания масла со стенок цилиндра обратно в поддон.
Поршни оснащены металлическими кольцами, которые выполняют множество функций. Эти кольца обозначаются как поршневые кольца.

Материал, используемый для поршневого кольца
Поршневые кольца обычно изготавливаются из чугуна. Чугун сохраняет целостность своей первоначальной формы под действием тепла, нагрузки и других динамических сил.
Также чугун содержит пластинчатый графит, который сам действует как смазка, помогая скольжению между кольцами и гильзой.На поршневые кольца нанесены сплавы и покрытия, и они будут варьироваться в зависимости от типа кольца, поскольку функции этих колец отличаются друг от друга.
Наиболее распространенными формами легированного чугуна являются хром, молибден, ванадий, титан, никель и медь. Материал поршневого кольца остается более твердым, чем гильза цилиндра, что обеспечивает максимальный срок службы.
Функция поршневого кольца
Функция газового уплотнения
Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра.Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.
Это означает, что камера сгорания должна быть максимально газонепроницаемой. Таким образом, давление, создаваемое горящими газами сгорания, быстро передает поршень в цилиндр. Заставляет коленчатый вал вращаться, тем самым обеспечивая мощность.
Не только важно для такта сгорания / расширения, но газонепроницаемость также очень важна для тактов впуска, сжатия и выпуска.Эту общую функцию можно назвать только «газовым уплотнением».
Функция теплопередачи
Поршневые кольца передают тепло от днища поршня к цилиндру. Когда происходит газовое зажигание, температура внутри поршня достигает примерно 300 C. Если тепло собирается внутри поршня, двигатель может быть поврежден. По этой причине необходимо высвободить накопление тепла. Поршневые кольца помогают отвести это тепло.
Эта функция теплопередачи очень важна для поддержания приемлемой температуры и стабильности поршней и поршневых колец, чтобы не снижалась герметичность.
Функция контроля масла
Поршневые кольца обычно образуют необходимую минимальную масляную пленку для предотвращения задиров. Поскольку зажигание газа повторяется много раз, поршень поднимается и опускается внутри двигателя со скоростью несколько тысяч раз в минуту. Небольшое количество масла заливается на поршни, поэтому они двигаются плавно, с небольшим трением между металлом и металлом. Поршневые кольца регулируют количество масла.
Таким образом, расход масла находится на приемлемом уровне, а вредные выбросы уменьшаются.старше гильзы цилиндра, чтобы обеспечить максимальный срок службы.
Типы поршневых колец
Поршневые кольца, обычно используемые в небольших двигателях, включают три типа поршневых колец, как указано в сильфоне:
Поршневое кольцо сжатия,
Грязесъемное поршневое кольцо
Масляное поршневое кольцо
Компрессия Кольцо
Компрессионное кольцо — это верхнее или ближайшее кольцо для сжигания газов. Он подвержен наибольшему количеству химической коррозии и максимальной рабочей температуре.Однако это может варьироваться в зависимости от конструкции двигателя.
Компрессионное кольцо передает 70% тепла камеры сгорания от поршня к стенке цилиндра. В большинстве двигателей используются компрессионные кольца с конической или цилиндрической поверхностью.
Компрессионное кольцо с конической поверхностью
Компрессионное кольцо с конической гранью, которое представляет собой поршневое кольцо с углом конуса около 1 ° на подвижной поверхности. Этот конус обеспечивает легкие салфетки для предотвращения попадания излишков масла в камеру сгорания.
Компрессионное кольцо с торцевой поверхностью
Компрессионное кольцо с торцевой поверхностью представляет собой поршневое кольцо с изогнутой поверхностью, вращающейся для обеспечения непрерывной смазки поршневого кольца и стенки цилиндра. Он также обеспечивает эффект пика для оптимизации распределения масла во время всего хода поршня.
Кроме того, изогнутая подвижная поверхность снизила вероятность разрыва масляной пленки из-за избыточного давления или чрезмерного наклона поршня на кромке кольца во время работы.
Грязесъемное кольцо
Грязесъемное кольцо, иногда называемое скребковым кольцом, кольцом Напье или резервным компрессионным кольцом, является следующим кольцом на поршне после головки цилиндра. Грязесъемное кольцо обеспечивает равномерную толщину масляной пленки для смазки рабочей поверхности компрессионного кольца.
Большинство грязесъемных колец имеют поверхность с углом сужения, которая направлена вниз для обеспечения чистящего действия при движении поршня к коленчатому валу.
Угол конуса обеспечивает контакт, по которому излишки масла направляются к масляному кольцу на стенке цилиндра и возвращаются в масляный резервуар.Грязесъемное кольцо находится ближе всего к неправильно нарезанному уголку компрессионного кольца, что приводит к чрезмерному расходу масла. Это происходит из-за того, что грязесъемное кольцо вытирает излишки масла в сторону камеры сгорания.
Масляное кольцо
Масляное кольцо состоит из двух тонких направляющих или рабочей поверхности. Вырезанные отверстия или прорези в радиальном центре кольца позволяют избыточному маслу стекать обратно в резервуар. Обладая всеми этими характеристиками, маслосъемные кольца обычно представляют собой одно целое.
В некоторых масляных кольцах используется пружинный расширитель для приложения дополнительного радиального давления к поршневому кольцу.Это увеличивает давление, прикладываемое к устройству (количество силы и размер подвижной поверхности) на стенку цилиндра.
Масляное кольцо имеет самое высокое собственное давление из трех колец на поршне. Маслёнка из дерева, состоящая из двух направляющих и удлинителя. Масляные кольца расположены на каждой стороне расширителя. Расширитель обычно имеет несколько прорезей или окон для возврата масла в канавку поршневого кольца.
Масляное кольцо использует встроенное давление поршневого кольца, внешнее давление и высокое единичное давление.И это обеспечивается небольшой беговой поверхностью тонкой шины.
Как работают поршневые кольца?
Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.
Самая верхняя канавка поршня состоит из компрессионного кольца, основная функция которого заключается в герметизации любых утечек внутри камеры сгорания во время процесса сгорания.При воспламенении топливовоздушной смеси. К головке поршня прикладывается давление от продуктов сгорания, заставляя поршень двигаться по направлению к коленчатому валу.
Сжатые газы проходят через зазор между стенкой цилиндра и поршнем в канавку поршневого кольца. В процессе сгорания сила газов под высоким давлением прижимает поршневое кольцо к стенке гильзы цилиндра, что помогает ему образовывать эффективное уплотнение. Это давление, толкающее поршневое кольцо, пропорционально давлению газов сгорания.
Следующий набор колец в поршне, который находится под компрессионным кольцом и над масляными кольцами, называется грязесъемными кольцами.
Они имеют конструкцию с конической поверхностью и используются для дополнительного уплотнения камеры сгорания. Как следует из названия, они помогают очистить стенку футеровки от излишков масла и загрязнений. Если какой-либо из дымовых газов мог пройти через компрессионное кольцо. Эти газы будут заблокированы стеклоочистителем в хорошем состоянии.
Последний набор колец представляет собой масляные кольца, которые расположены в нижних канавках поршня, ближайших к картеру.Основная функция масляного кольца — соскребать излишки масла со стенок гильзы цилиндра во время движения поршня.
Большая часть протертого масла направляется в картер обратно в масляный поддон. Эти масляные кольца поставляются с пружиной, установленной сзади в 4-тактном двигателе, чтобы обеспечить дополнительный толчок для очистки гильзы.

Часто задаваемые вопросы.
Что такое поршневое кольцо?
Поршневое кольцо представляет собой металлическое разрезное кольцо, которое прикрепляется к внешнему диаметру поршня в двигателе внутреннего сгорания или паровом двигателе.
Для чего нужны поршневые кольца?
Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.
Какие бывают типы поршневых колец?
Поршневые кольца, обычно используемые в небольших двигателях, включают компрессионные кольца, грязесъемные и масляные кольца. Компрессионное кольцо — это поршневое кольцо, расположенное в кольцевой канавке, ближайшей к головке поршня.Компрессионное кольцо изолирует камеру сгорания от утечек во время процесса сгорания.
Читайте также
СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ
.

Изображение: Распределение температуры в поршне бензинового двигателя Кредит: [6]	Изображение: Распределение температуры в поршне дизельного двигателя с каналом охлаждения Кредит: [6]
Изображение: Тепловая нагрузка поршня Кредит: [7]

Изображение: LS9 6.2L V-8 SC поршень (алюминий, бензин / бензиновый двигатель с непрямым впрыском) Кредит: GM	Изображение: Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) поршень (алюминиевый, бензиновый / бензиновый двигатель с прямым впрыском) Кредит: GM
Изображение: Поршень дизельного двигателя автомобиля с кольцами (алюминий, дизель) Кредит: Kolbenschmidt	Изображение: Поршень из моностали (сталь, дизель) ) Кредит: Tenneco

Изображение: Поршень дизеля с охлаждающим каналом, втулкой болта и держателем кольца Кредит: Kolbenschmidt	Изображение: Шарнирно-сочлененный поршень дизеля с кованной верхней стальной частью и алюминиевой юбкой Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Поршень бензинового двигателя в облегченной конструкции LiteKS® с держателем кольца Кредит: Kolbenschmidt	Изображение: Литые держатели колец из чугуна многократно увеличивают долговечность первой кольцевой канавки дизельных поршней.Kolbenschmidt является лидером в разработке соединения Alfin с держателем кольца Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Канавки под кольцо с твердым анодированием предотвращают износ и микросварку поршней для бензиновых двигателей Кредит: Kolbenschmidt	Изображение: Поршни KS Kolbenschmidt имеют специальное покрытие LofriKS®, NanofriKS® или графит на юбке поршня. Они уменьшают трение внутри двигателя и обеспечивают хорошие характеристики при аварийной работе. Покрытия LofriKS® также используются по акустическим причинам.Их использование сводит к минимуму шумы от хлопка поршня. NanofriKS® является дальнейшим развитием испытанного и испытанного покрытия LofriKS® и дополнительно содержит наночастицы оксида титана для повышения износостойкости и долговечности покрытия. Кредит: Kolbenschmidt
Изображение: Юбки поршней с железным покрытием (Ferrocoat ®) гарантируют надежную работу при использовании в алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil®). Кредит: Kolbenschmidt	Изображение: Отверстия поршневого пальца специальной формы (Hi-SpeKS®) повышают динамическую нагрузочную способность станины поршневого пальца, тем самым увеличивая долговечность поршня Кредит: Kolbenschmidt