1Авг

Поршень из чего состоит: конструктивные элементы, признаки и причины их износа

Содержание

конструкция, функции, причины износа и способы его предотвращения

В процессе работы поршни испытывают экстремально высокие давления, нагрузки и температуры. Выдержать такие условия им помогают особо прочные конструкционные материалы и специальные антифрикционные покрытия.

Поршень двигателя – один из основных составных элементов цилиндро-поршневой группы. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, а затем передает его на шатун.

Экстремальные условия эксплуатации поршней – высокие давления, инерционные нагрузки и температуры – требуют использования для их изготовления материалов с особыми параметрами:

  • Высокой механической прочностью
  • Хорошей теплопроводностью
  • Малой плотностью
  • Незначительным коэффициентом линейного расширения
  • Антифрикционными свойствами
  • Коррозионной устойчивостью

Такими свойствами обладают специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся легкостью и термостойкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.

Поршни могут быть литыми или коваными. Первые производятся путем литья под давлением, вторые – методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (около 15 %). Это значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения материала в диапазоне рабочих температур.


Устройство поршня

Стандартный поршень автомобильного двигателя состоит из трех основных частей: днища, поршневых колец и направляющей (юбки).

Рассмотрим каждый компонент подробнее.


Днище поршня

Форма днища зависит от типа двигателя, особенностей камеры сгорания и многих других факторов. Поршень может иметь плоское, вогнутое или выпуклое днище.

Детали с плоским днищем наиболее просты в производстве, используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Поршни с вогнутым днищем свойственны для дизельных двигателей. Они обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако способствуют большему образованию отложений при сгорании топлива.

Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет самую большую, по сравнению с другими деталями, толщину: 7-9 мм в обычных бензиновых двигателях, 11 мм – в турбомоторах, 10-16 мм – в дизельных двигателях.

Существуют также автомобили, в которых установлены поршни с толщиной днища меньше стандартной – например, в некоторых моделях Honda она составляет всего 5,5-6 мм.

Днища некоторых поршней в целях увеличения прочности, снижения вероятности перегрева и прогорания подвергаются твердому анодированию: на верхний слой алюминия накладывается керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

К уплотняющей части поршня относятся поршневые кольца, установленные в специальных канавках. В большинстве современных двигателей используется три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Маслосъемные кольца, как следует из названия, предназначены для удаления излишков масла со стенок цилиндра и предотвращения их попадания в камеру сгорания. Для этих целей служат сквозные отверстия, расположенные по периметру кольца.

Сквозь них масло поступает внутрь поршня, а затем отводится в поддон картера двигателя.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов из камеры сгорания в картер. По форме они могут быть трапециевидными, коническими или бочкообразными. Некоторые виды колец оснащены пружинным расширителем.

Наибольшие нагрузки воспринимает первое (верхнее) компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса данной детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Диаметр уплотняющей части поршня меньше диаметра его направляющей части. Это связано с неодинаковым нагревом этих зон – в районе колец он больше. Минимальный диаметр жарового пояса позволяет избежать задиров и заклинивания колец в канавках.

Качество колец имеет огромное значение для уплотнения поршня. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше ошибок.


Направляющая часть

Направляющая (тронковую) часть поршня называют юбкой. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец.

Нижняя кромка юбки предназначена для расточки и подгонки поршня. На ней имеется специальный буртик, с внутренней стороны которого в процессе механической обработки снимается часть металла.

В местах отверстий под поршневой палец с наружной части юбки вырезаются специальные углубления, вследствие чего стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые "холодильники".

Стенки юбки предназначены для восприятия бокового давления. Естественно, что трение поршня о стенки цилиндра и нагрев обеих деталей при этом увеличивается.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, между юбкой и стенками гильзы предусмотрен зазор. Его величина зависит от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. При слишком маленьком зазоре возникает перегрев, грозящий образованием задиров на поверхностях и заклиниванием поршня в цилиндре. Большой зазор также не рекомендован, так как поршень при этом не выполняет своих уплотняющих свойств.

Многие автопроизводители еще на этапе производства поршней наносят на юбки специальные антифрикционные покрытия. Это позволяет защитить их поверхности от преждевременного износа и облегчить приработку.

В последнее время большую популярность не только в промышленности, но и в частном использовании приобрело антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС. Оно предназначено не только для поршней, но и для других деталей двигателя: коренных подшипников коленчатого вала, втулок пальцев, распредвалов, дроссельной заслонки.

Данное покрытие эффективно снижает износ и трение, предотвращает скачкообразное движение сопряженных поверхностей, появление на них задиров и заклинивание поршня в цилиндре.

Средство устойчиво к длительному воздействию моторного масла, сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия MODENGY Для деталей ДВС возможна как при комнатной температуре (за 12 часов), так и при нагреве до +200 °С (за 20 минут).

Удобная аэрозольная упаковка с тщательно настроенными параметрами распыления упрощает процесс нанесения состава.

Перед использованием покрытия производитель рекомендует провести предварительную подготовку деталей Специальным очистителем-активатором MODENGY. Это гарантирует отличную адгезию материала и его долговременную работу.

MODENGY Для деталей ДВС и Специальный очиститель-активатор MODENGY доступны в одном наборе. Поэтапное использование этих средств не требует особых навыков и дополнительного оборудования.

Причины износа поршней

При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы двигателя, подвержены износу и возникновению неисправностей.

О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:

  • Повышенный расход моторного масла и топлива
  • Выделение из выхлопной трубы синего дыма
  • Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
  • Снижение мощности двигателя и т.д.
  • Нагар на свечах зажигания

При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.

Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.

Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.

К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.

Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.

Радиальный износ поршней возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступов поршней.

Осевой износ происходит в результате загрязнения поршней продуктами износа, образующимися во время приработки двигателя.

Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры, расположенные под углом, образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т.д.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением некачественной охлаждающей жидкости, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.

Возникновение вышеописанных проблем, особенно в комплексе, требует серьезного внимания и безотлагательных действий. Промедление в таких случаях грозит дорогостоящим ремонтом или полной заменой двигателя.


Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы

Поршень – ключевая деталь КШМ цилиндрической формы, которая предназначена для трансформации топливной энергии в механическую работу автомобильного двигателя.

Поршень выполняет ряд важных функций:

  • обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
  • отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
  • обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания

Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях – при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы – термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами – литьем или штамповкой.

Конструкция поршня

Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:

© Volkswagen AG

  1. Головка поршня ДВС
  2. Поршневой палец
  3. Кольцо стопорное
  4. Бобышка
  5. Шатун
  6. Юбка
  7. Стальная вставка
  8. Компрессионное кольцо первое
  9. Компрессионное кольцо второе
  10. Маслосъемное кольцо

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.

Днище

Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций – плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Поршневые кольца

Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения.  Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца

Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца –  предотвращают попадания газов в картер.

Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.

Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.

Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда – пружинным расширителем.

Поршневой палец

Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.

Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.

Юбка

Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.

Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.

Обязательный процесс работы поршневого устройства – это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:

  • разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
  • движением масла по змеевику в поршневой головке;
  • подачей масла в область колец через кольцевой канал;
  • масляным туманом

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня – маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.

В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.

Поршень – из чего состоит, как работает, почему прогорает

Прогар поршня – довольно распространенное явление, особенно на современных высокофорсированных дизельных моторах. Случаи прогара поршня случаются и на бензиновых двигателях. Однако такую неисправность почти всегда можно предупредить.

Прогоревший поршень – это всегда следствие неправильной работы одной или нескольких систем двигателя. Если двигатель исправен и работает как надо – поршни в нем не прогорают.

Читайте также: Двигатель внутреннего сгорания может быть экологически чистым: инженеры

Строение

Несмотря на довольно простой вид, поршни имеют сложное строение и очень точные размеры. Самое сложное строение в современных поршнях дизельных моторов, ведь они содержат в себе и камеру сгорания, и масляную галерею для охлаждения.

Мы не будем глубоко разбирать строение поршня, отметим лишь, что каждый поршень имеет днище – часть, которая непосредственно контактирует с рабочими газами, и юбку – которая по сути является направляющим элементом, трущуюся о стенки цилиндра.

Поршневые кольца устанавливаются ближе к верхней части поршня, то есть ближе к днищу. Именно в районе поршневых колец чаще всего прогорают поршни, ведь эта часть имеет наибольшие тепловые нагрузки.

Как работает

Условия работы поршня очень непростые из-за высоких температур, значительных нагрузок, а также больших скоростей передвижения. Более того, поршни является одним из основных элементов, которые ограничивают производительность двигателя – ведь их нужно постоянно разгонять и останавливать в цилиндрах. Следовательно, их вес стремятся сделать как наименьшей.

Одной из задач поршня является принятие на днище огромной температуры и отдача ее через юбку на стенки цилиндра. В подавляющем большинстве высоконагруженных двигателей существует дополнительная система охлаждения поршней моторным маслом. С помощью форсунок оно подается снизу и охлаждает поршень.

Почему прогорает

Прогоревший поршень – всегда следствие неисправности какой-то из систем. Чаще всего причину стоит искать в системе подачи смазки для охлаждения днища поршня. Но бывают и другие. Наиболее распространенная, особенно у дизельных и высокофорсированных бензиновых турбодвигателей – попадание масла во впускной тракт (например, из-за неисправного турбонагнетателя или из-за системы вентиляции картера). В таком случае температура горения горючего значительно возрастает и это может привести к прогару поршня.

Также к прогару может привести тюнинг, который связан с повышением давления турбонагнетателя. Нередко приводят к прогару поршня и проблемы со смесью и зажиганием. Даже горючее неподходящего качества может нанести вред поршням.

Перегрев двигателя почти всегда приводит к проблемам с поршнями. Чаще всего из-за перегрева они сильно расширяются и прикипают к стенкам цилиндра. На поршнях возникают задиры, а поршневые кольца теряют упругость и подвижность.

Что делать, чтобы не прогорел

Во-первых, нужно вовремя и правильно обслуживать двигатель. Не стоит сводить плановые ТО к одной лишь замене масла. При каждом ТО специалист должен осмотреть двигатель, ведь очень часто опытный мастер способен найти и устранить небольшую проблему еще до того, пока она приведет к серьезным последствиям. Если вам показалось, что в работе двигателя произошли какие-то изменения, – не медлите, обращайтесь к специалистам.

Во-вторых, если хотите, чтобы ресурс двигателя не пострадал, не стоит увлекаться тюнингом, целью которого является увеличение мощности. Даже лучшие тюнговые центры не имеют такого опыта, как инженеры на заводе-изготовителе. В огромных конструкторских бюро, которые занимаются разработкой двигателей, работают лучшие инженеры мира. Вряд ли специалисты по тюнингу смогут показать лучшие результаты при условии сохранения ресурса двигателя.

В-третьих, используйте только качественные горюче-смазочные материалы. Не стоит экспериментировать с моторным маслом, заливая малоизвестные бренды и тем более подделку. Также не стоит заправляться на заправках сомнительного качества.

Резюме Авто24:

Прогар поршня – очень серьезная неисправность, устранение которой стоит дорого. Но хорошая новость в том, что поршня не прогорают врасплох, о наступлении такой поломки двигатель обычно предупреждает изменениями в работе. Хороший специалист, в подавляющем большинстве случаев, сможет распознать такую неисправность на ранних стадиях. Поэтому даже для прохождения обычного ТО стоит обращаться только в проверенный автосервис.

конструкция, отличия и применяемость на двигатели Ваз.. Статьи компании «АвтоКлюч-63»

 

   Поршневая группа двигателя включает в себя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец.

Общая конструкция поршневой группы сложилась еще в период появления первых двигателей внутреннего сгорания. С тех пор ни один из элементов поршневой группы не утратил своего функционального назначения.

Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.

Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуются.

Требования, которым должна соответствовать эта деталь:
  • температура в камере сгорания может достигать более 2000°С а температура поршня, без риска потери прочности материала, не должна превышать 350°С
  • после сгорания бензино-воздушной смеси, давление в камере сгорания может достигать 80 атмосфер.

 При таком давлении, оказываемое на днище усилие, будет составлять свыше 4-х тонн. Толщина стенок и днища поршня должна обеспечивать возможность выдерживать значительные нагрузки. Но любое увеличение массы изделия приводит к увеличению динамических нагрузок на элементы двигателя, что в свою очередь, ведет к усилению конструкции и росту массы двигателя;

  • зазор между поршнем и поверхностью цилиндра должен обеспечивать эффективную смазку и возможность перемещения с минимальными потерями на трение. Но в тоже время зазор должен учитывать тепловое расширение и исключить возможность заклинивания.
  • изготовление должно быть достаточно дешевым и отвечать условиям массового производства.

Очертания поршня за более сто пятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.

   

В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение:

1)   Днище поршня – поверхность, обращенная к камере сгорания. Днище, своим профилем, определяет нижнюю поверхность камеры сгорания.

Форма днища зависит от формы камеры сгорания, расположения клапанов, от особенности подачи топливо-воздушной смеси в камеру сгорания и объема самой камеры.

Днища разных моделей применяемых на двигателях ВАЗ приведены на рисунке:

Поршни ВАЗ 21213 и ВАЗ 21230 отличаются нанесенной маркировкой. Маркировка наносится на поверхность рядом с отверстием под поршневой палец. На поршне ВАЗ 21213 нанесены цифры -"213", на модели ВАЗ 2123 - "23".

На модели ВАЗ 21080, ВАЗ 21083, ВАЗ 21100 нанесена соответствующая маркировка - "08","083", "10". Поршень 2108 имеет диаметр 76 мм , модели 21083 и 2110 - 82 мм.

Поршни ВАЗ 2112 и ВАЗ 21124, имеют соответствующую маркировку - "12"и "24" и отличаются глубиной выборки под клапана. Модели 21126 и 11194 отличаются диаметром.

2)   Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители. Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.

3)  «Жаровым поясом» (огневым) называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.

4)  Уплотняющий участок - это участок канавок, расположенных на боковой цилиндрической поверхности поршня. Канавки предназначены для установки поршневых колец. Поршневые кольца обеспечивают подвижное уплотнение. На всех моделях для двигателей ВАЗ, выполнены две канавки под компрессионные кольца и одна канавка под маслосъемное кольцо.

В канавке под маслосъемное кольцо есть отверстия, через которые отводится излишек масла во внутреннюю полость поршня. Уплотняющий участок выполняет еще одну очень важную функцию - через установленные поршневые кольца, осуществляется отвод значительной части тепла от поршня к цилиндру.

Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведет к его прогоранию.

По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок.

Для обеспечения работоспособности, торцевой зазор первого компрессионного кольца в канавке должен составлять 0,045-0,070 мм. Для второго компрессионного кольца зазор - 0,035-0,060 мм, для маслосъемного – 0,025-,0050 мм. Между внутренней поверхностью кольца и канавки должен быть радиальный зазор - 0,2-0,3 мм.

5)  Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.

Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня.

6)  «Юбкой», называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности.

Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока. Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий.

На поверхность юбки (или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.

Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия созданные на основе графита и дисульфида молибдена.

Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015 мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.

    Одним из факторов определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения.

   Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ а возможно и заклинивание.

Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.

   В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ.

На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова.

  В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании. У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции , основанных на новых научных разработках.

  В процессе работы, различные участки поршня нагреваются не равномерно, следовательно, и тепловое расширение будет больше там, где выше температура и больше объем металла. В связи с этим, на уровне днища размер выполняют меньшим, чем диаметр в средней части. Таким образом, в продольном сечении профиль будет коническим. Нижняя часть юбки тоже может иметь меньший диаметр. Это позволяет, при движении вниз, в пространстве между юбкой и цилиндром, создавать масляный клин, который улучшает центрирование в цилиндре.

   Для компенсации тепловых деформаций, в поперечном сечении поршень выполнен виде овала. Это связано с тем, что в районе бобышек под поршневой палец сосредоточен значительный объем металла.

При нагреве, в плоскости поршневого пальца, расширение будет осуществляться в большей степени. Овальность и бочкообразность детали в холодном состоянии, позволяет иметь поршень, приближающийся к цилиндрической форме, при работающем двигателе.

Такая форма изделия создает сложности при контроле его диаметра. Фактический диаметр можно определить, только замеряя его в плоскости перпендикулярной оси отверстия под поршневой палец на определенном расстоянии от днища. При этом, для разных моделей это расстояние будет отличаться.

   Тепловые нагрузки порождают еще одну проблему. Поршни изготавливают из алюминиевого кремнесодержащего сплава, а для блока цилиндров используют чугун. У этих материалов разная теплопроводность и разный коэффициент теплового расширения.

   Это приводит к тому, что в начале работы двигателя, поршень нагревается и увеличивается в диаметре быстрее, чем увеличивается внутренний диаметр цилиндра. При и без того малых зазорах, это может приводить к повышенному износу цилиндров, а в худшем случае, к заклиниванию поршня.

  Для решения этой проблемы, во время отливки поршня, в тело заготовки внедряют специальные стальные или чугунные элементы, которые сдерживают резкое изменение диаметра. Для уменьшения теплового расширения и отвода тепла, на некоторых типах двигателя, используются системы подачи масла во внутреннюю полость поршня.

  Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и верхней головки шатуна. Во время работы двигателя, на поршневой палец воздействуют значительные переменные силы. Палец и отверстия под палец должны сопрягаться с минимальным зазором, обеспечивающим смазку.

  На двигателях ВАЗ используется два типа шарнирного соединения «поршень-палец-шатун». На поршнях моделей 2101, 21011, 2105, 2108, 21083 – палец устанавливается в верхней головке шатуна по плотной посадке, исключающей его вращение. Отверстие в поршне под поршневой палец выполнено с зазором, обеспечивая свободное вращение.

  В дальнейшем от этой схемы отказались и перешли на схему с «плавающим» пальцем. На поршнях моделей 21213, 2110, 2112, 21124, 21126, 11194, 21128 – палец устанавливается с минимальным зазором и в головке шатуна, и в отверстиях поршня. Для исключения осевого смещения пальца, в поршне, в отверстиях под поршневой палец устанавливаются стопорные кольца. Во время работы, у пальца есть возможность проворачиваться, обеспечивая равномерный износ поверхностей.

  Для обеспечения надежной смазки пальцев, в бобышках предусмотрены специальные отверстия.

По результатам фактического замера отверстия под поршневой палец, поршням присваивается одна из трех категорий(1-я, 2-я, 3-я). Разница в размерах для категорий составляет - 0,004мм. Номер категории клеймится на днище.

Для обеспечения необходимого зазора, поршневые пальцы, по наружному диаметру подразделяются на три класса. Отличие в размерах составляет - 0,004 мм. Маркировка класса производится краской по торцу пальца: синий цвет - первый класс, зеленый - второй, красный - третий класс. При сборке, поршню первой категории должен подбираться палец первого класса и т.д.

  Особенностью работы шатунного механизма, является то, что до достижения верхней мертвой точки, поршень прижат к одной стороне цилиндра, а после прохождения ВМТ – к другой стороне цилиндра. При приближении к верхней мертвой точке, на поршень действует максимальная нагрузка, следовательно растет сила давления на палец. Возрастающие силы трения препятствуют повороту поршня на пальце. При таких условиях поворот может происходит скачкообразно, со стуком о стенку цилиндра.

 

  Для того, чтобы снизить динамические нагрузки и шум, применяют поршни со смещенным отверстием под поршневой палец. Ось отверстия смещена в горизонтальной плоскости от оси поршня. В работающем двигателе это приводит к возникновению момента силы, который облегчает преодоление сил трения.

Такое конструктивное решение позволяет добиться плавности, при смене точек контакта поршня с цилиндром. На такие изделия обязательно наносится метка для правильной ориентации при его установке. Однако, чем больше будет износ цилиндров и юбки, тем в большей степени будет проявляться стук в цилиндре.

  Существуют поршни, в которых применяется не только горизонтальное смещение оси пальца, но и вертикальное. Такое смещение ведет к уменьшению компрессионной высоты. Поршни, с дополнительным смещением оси отверстия под палец вверх, применяются для тюнинговой доработки двигателя. В качестве основной характеристики для таких поршней используется величина смещения, указывающая на сколько смещен центр отверстия под палец, по сравнению со стандартным изделием.

  На рынке продаж, поршень представлен значительным количеством отечественных и иностранных производителей. Независимо от производителя, они должны соответствовать требованиям, рассчитанным для конкретной модели двигателя. Поршни, входящие в комплект, не должны отличаться по массе более чем на ±2,5 грамм. Это позволит снизить вибрации работающего двигателя. Для розничной сети, в комплекты подбираются поршни одной весовой группы. В случае необходимости можно осуществить подгонку поршня по массе.

  Зазор между цилиндром и поверхностью поршня должен соответствовать величине установленной для данной модели двигателя. Поршни номинального размера по своему диаметру относят к одному из пяти классов. Различие между классами составляет 0,01 мм.

  Классы маркируются на днище буквами - (А, В, С, D, Е). В качестве запасных частей поставляются поршни классов - А, С, Е. Этих размеров достаточно, чтобы осуществить подбор деталей для любого блока цилиндров и обеспечить необходимый зазор.

  Поршни ВАЗ 11194 и ВАЗ 21126 имеют только три класса (A, B, C) с размерным шагом - 0,01 мм.

  Кроме номинальных размеров, изготавливаются поршни 2-х ремонтных размеров, с увеличенным наружным диаметром на 0,4 и 0,8 мм. Для распознавания, на днищах ремонтных изделий ставится маркировка: символ "треугольник" соответствует первому ремонтному размеру(с увеличением наружного диаметра на 0,4 мм), символ "квадрат" - увеличение диаметра на 0,8 мм. До 1986 г. ремонтные размеры отличались от современных. Так для двигателя 2101 существовало три ремонтных размера: на 0,2 мм., 0,4 мм., 0,6 мм; для двигателя 21011 два размера: 0,4 мм. и 0,7 мм.

 

Применяемость моделей поршней на различных двигателях Ваз:

  В качестве материала для изготовления поршней применяются сплавы алюминия. Использование кремния в составе сплава, позволило снизить коэффициент теплового расширения и увеличить износостойкость. Сплавы, где содержание кремния может достигать 13%, называют – эвтектическими. Сплавы с более высоким содержанием кремния относят к заэвтектическим сплавам. Повышение процента содержания кремния улучшает теплопроводные характеристики, однако приводит к тому, что при охлаждении в сплаве происходит выделение кремния в виде зерен размером 0.5-1.0 мм. Это приводит к ухудшению литейных и механических свойств. Для улучшения физико-механических свойств, в сплавы вводят легирующие добавки меди, марганца, никеля, хрома.

 

Существует два основных способа получения заготовки поршня.

Отливка в кокиль – специальную форму, является более распространенным способом. Другой способ - горячая штамповка (ковка). После этапов механической обработки, изделие подвергают термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для снятия остаточных напряжений в металле.

  Структура кованого металла позволяет повысить прочностные характеристики изделия. Но есть существенные недостатки кованых изделий классической конструкции( с высокой юбкой)– они получаются более тяжелыми. Кроме того, в кованных деталях, невозможно использовать термокомпенсирующие кольца или пластины. Увеличенный объем металла ведет к увеличенной тепловой деформации и необходимости увеличивать зазор между поршнем и цилиндром. И как следствие – повышенный шум, износ цилиндров, расход масла. Применение кованых поршней оправдано в тех случаях, когда большую часть времени двигатель автомобиля эксплуатируется на предельных режимах.

  В современном конструировании поршней, наблюдаются следующие тенденции: уменьшение веса, использования «тонких» поршневых колец, уменьшение компрессионной высоты, использование коротких поршневых пальцев, применение защитных покрытий. Все это, нашло свое применение, в конструкции Т-образных поршней. Наименование конструкции обусловлено схожестью профиля детали с буквой «Т». На этих изделиях, юбка уменьшена и по высоте и по площади направляющей части. В качестве материала для изготовления таких поршней используется заэвтектический сплав, с большим содержанием кремния. Поршни Т-образной конструкции практически всегда изготавливаются горячей штамповкой.

  Принятие разработчиками решения о применении той или иной конструкции поршня всегда предшествует расчет и глубокий анализ поведения всех узлов шатунно-поршневой группы. Детали современных двигателей рассчитаны на пределе возможностей конструкции и материалов. В таких расчетах предпочтение отдается конструкциям с минимальной стоимостью обеспечивающих утвержденный ресурс и не более. Поэтому любое отклонение от штатных режимов работы двигателя ведет к сокращению ресурса тех или иных деталей и узлов.

Как устроен поршень двигателя

Восприятие давления газов, герметизация камеры сгорания, отвод тепла и передача усилий на шатун - это основные функции поршня. Термодинамический процесс происходит именно с помощью поршня двигателя.

Высокое давление, всплески температуры и иные нагрузки - это условия, в которых приходится работать поршню. По этой причине был выбран материал, из которого производят поршень - чаще из алюминиевого сплава, редко из стали. Производят их через штамповку или литьем под давлением.

Схема поршня двигателя

Конструкция поршня включает в себя "головку" и "юбку", но считается он цельным элементом. Для определенной модели автомобиля поршень будет выглядеть по разному в зависимости  от того какой тип двигателя, форма камеры сгорания и само сгорание. Поршни для бензинового и дизельного двигателя различны. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую головку. В ней могут быть быть канавки для открытия клапанов на 100%. Поршни двигателей с простым впрыском топлива немного сложнее. В дизельном двигателе все наоборот, там выполняется непростая камера сгорания, которая создает значительное завихрение и улучшает улучшают условия для смешивания смесей.

У поршня ниже головки проходят определенные и специальные канавки для поршневых колец. Юбка похожа на конус или на простую бочку. При нагреве такая конструкция может пригодиться, потому что может компенсировать температурное расширение. В условиях, когда достигнута нужная температура поршень становится похож на цилиндр. Дисульфид молибдена, графит находится на поршень, чтобы снизить потери на трении. В юбке поршня есть приспособления для крепления поршневого пальца.

 Охлаждается поршень по разному:

 - масляный туман в цилиндре;

 - разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;

 - разбрызгивание масла специальной форсункой;

 - впрыскивание масла в определенный кольцевой канал в зоне колец;

 - циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.

 Поршневые кольца соединены со стенками цилиндра. Они сделаны из модифицированного чугуна. Кольца трутся в поршне и являются самыми главными источниками трения. Потери на трение в кольцах доходит до 30% всех потерь в двигателе, обусловленных механикой.

 Число и расположение колец зависит от того, какой двигатель. Самая часто встречающая схема – 2 компрессионных и 1 маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца имеют разные формы - похожи на трапецию, бочку или конус.

 Маслосъемное кольцо справляется с излишками масла с поверхности цилиндра и не дает маслу попасть в камеру сгорания. У кольца много дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

 Соединение поршня с шатуном происходит с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Как установить поршневой палец? Есть несколько способов. Для начала самы известный способ, это со способностью переворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время действия. Чтобы не смещаться его фиксируют стопорными кольцами. Намного редко используется жесткое закрепление концов пальца в поршне или в поршневой головке шатуна.

 Из чего состоит поршневая группа? Из поршня, поршневых колец и пальцев.

 В каталоге запчастей для автомобиля на нашем сайте можно найти все основные элементы двигателя для любого автомобиля ваз или иномарку. На сайте можно посмотреть цены в интернет каталоге, и сделать заказ на поршни двигателя.

Поршень двигателя (назначение, устройство, принцип работы)

В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ — поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень — первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.

Поршень двигателя имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и выполняет две функции.

  1. При поступательном движении поршень уменьшает объем камеры сгорания, сжимая топливную смесь, что необходимо для процесса сгорания (в дизельных моторах воспламенение смеси и вовсе происходит от ее сильного сжатия).
  2. После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.

Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?

Устройство детали включает в себя три составляющие:

  1. Днище.
  2. Уплотняющая часть.
  3. Юбка.

Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.

Днище

Днище — основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.

Главный параметр днища — форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.

В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.

В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности  проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.

В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.

Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых — устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня — канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать  причиной их разрушения.

Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.

Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 — 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным.

В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.

Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.

Вас также заинтересует:

Юбка

Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.

Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.

Для фиксации пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.

Типы поршней

В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.

Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.

В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.

Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.

Материалы изготовления

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

  • возможность использования только в дизельных двигателях;
  • больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
  • необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
  • более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

Видео: Принцип работы поршня двигателя. Устройство

Поршень двигателя: строение, принцип работы, неисправности

Поршень двигателя – это деталь цилиндрической формы, которая служит для преобразования энергии сжатой воздушно-топливной смести в энергию поступательного движения. Далее эта энергия при помощи шатунов и коленчатого вала преобразуется в крутящий момент.


Конструкция поршня

Стандартный поршень двигателя состоит из 3 основных частей:

  • Днища: служит для восприятия тепловой нагрузки и газовых сил

  • Уплотняющей части: передает большую часть тепла от поршня к цилиндру и препятствует прорыву газов

  • Направляющей части: поддерживает положение поршня и передает боковую силу на стенку цилиндра

Рассмотрим подробнее каждую из этих частей.

Днище

Форма днища зависит от многих факторов: типа двигателя и смесеобразования, расположения форсунок, свечей и клапанов, метода организации газообмена в цилиндре.

Поршни с выпуклым днищем обладают повышенной прочностью, но камера сгорания при этом имеет линзовидную форму, а теплоотдача выше. В двигателях искрового типа увеличение теплоотдачи позволяет повысить допустимую степень сжатия, что способствует некоторой компенсации механических потерь.

Поршни с вогнутым днищем, напротив, образуют компактную форму камеры сгорания. Они используются в дизельных двигателях, а также в бензиновых агрегатах с высокой степенью сжатия и низким потреблением топлива. Такие детали более склонны к образованию нагара.

Поршни с плоским днищем проще в производстве. Они используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет большую толщину. Чем оно толще, тем больше масса самого поршня, но меньше нагрев. Стандартная толщина днища составляет 7-9 мм, в турбомоторах – 11 мм, а в дизельных двигателях – 10-16 мм. Существуют также поршни, толщина днища которых меньше стандартной – 5,5-6 мм. Такие применяются, к примеру, в некоторых моделях автомобилей Honda.

Для увеличения прочности, а также снижения вероятности перегрева и прогорания на некоторых видах поршней днище и первая канавка, предназначенная для компрессионного кольца, подвергаются твердому анодированию. То есть верхний тонкий слой алюминия преобразуется в керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

В уплотняющую часть входят маслосъемные и компрессионные кольца. Маслосъемные имеют сквозные отверстия по периметру, сквозь которые внутрь поршня поступает масло, удаленное с поверхности цилиндра. Некоторые из них снабжены специальным ободком, выполненным из стойкого к коррозии чугуна, со специальной канавкой для верхнего компрессионного кольца.

В современных двигателях используется всего три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов в картер двигателя из камеры сгорания. По форме они могут быть трапециевидными, коническими и бочкообразными. Некоторые виды таких колец имеют вырез. Наибольшие нагрузки воспринимает первое компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Маслосъемные кольца предназначены для удаления излишков масла из цилиндра. Они также препятствуют попаданию смазки в камеру сгорания, для чего служат сквозные отверстия. Некоторые виды таких колец оснащаются пружинным расширителем.

Диаметр уплотняющая часть меньше, чем диаметр юбки. Это связано с тем, что нагрев в данной части поршня выше. Жаровый пояс имеет еще меньший диаметр, что позволяет избежать задиров на кольцах и их заклинивания в канавках. В отличие от юбки, уплотняющая часть в сечении круглая, а не овальная. Таким образом высоту пояса можно уменьшить.

Наибольшее значение для уплотнения поршня играет качество колец. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше всего ошибок. К тому же до 80 % тепла от поршня отводится именно через кольца. Именно поэтому при неплотном прилегании данных элементов потери приходятся на юбку, что влечет за собой появление задиров. Чтобы минимизировать этот процесс, в процессе обкатки двигателя ограничивают его мощность.

При перегреве еще неприработанных колец снижается их упругость, вследствие чего возникает ряд проблем: выброс масла, пропуск газов в картер и т.д. Также при перегреве возможно смыкание стыков, которое ведет к поломке колец, а в некоторых случаях и к обрыву самого поршня.

Направляющая часть

Направляющая (тронковая) часть называется юбкой поршня. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец. Для фиксации последнего предусмотрены канавки, где размещаются детали, служащие для запирания пальца.

Нижняя кромка юбки предназначена для последующей механической обработки поршня. Для подобных целей она снабжается специальным буртиком. Если вес обработанного поршня больше, чем допускает двигатель, его подгоняют, снимая часть металла с внутренней стороны буртика. В тех местах, где находятся отверстия под поршневой палец, с наружной части юбки вырезают специальные углубления. В результате стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые "холодильники".


Стенки юбки поршня также предназначены для восприятия силы бокового давления, что увеличивает трение о стенки цилиндра и усиливает нагрев обеих деталей.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, когда двигатель уже прогрет и работает под нагрузкой, между юбкой и стенками цилиндра предусмотрен зазор. Его величина устанавливается в зависимости от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. Если зазор меньше, чем необходимо, при перегреве на поверхностях поршня образуются задиры, детали могут заклинивать в цилиндре. При большом зазоре ухудшаются уплотняющие свойства поршня, детали начинают стучать. Эксплуатировать такой двигатель не допускается.


Принцип работы поршня

Главная задача поршня – восприятие давления газов в цилиндре и передача энергии давления через поршневой палец на шатун. Далее она преобразуется коленчатым валом в крутящий момент двигателя. Подобную задачу невозможно реализовать без надежного уплотнения поршня, который движется в цилиндре. В противном случае произойдет прорыв газов в картер и попадание моторного масла в камеру сгорания из него. Для решения этой проблемы в поршне предусмотрены канавки, в которых установлены компрессионные и маслосъемные кольца. Для отвода масла в поршне находятся специальные отверстия.

В процессе работы днище поршня напрямую контактирует с горячими газами и нагревается. Избыток тепла от днища к стенкам цилиндра отводят поршневые кольца и охлаждающая жидкость. В тяжелонагруженных агрегатах предусмотрено дополнительное масляное охлаждение: масло через форсунки подается на днище и во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Чтобы уплотнение полостей поршня было надежным, его вертикальная ось должна совпадать с осью цилиндра. Перекосы недопустимы, так как они вызывают «болтание» поршня в цилиндре, снижают уплотняющие и теплопередающие свойства колец, а также увеличивают шумность работы двигателя. Для исключения подобных проблем служит юбка поршня. Она должна обеспечивать минимальный зазор как на холодном, так и прогретом агрегате.

Коэффициент расширения стенок цилиндра и самого поршня разные. Это обусловлено как разными конструкционными материалами, так и разницей в температуре нагрева. Чтобы нагретый поршень не заклинивало вследствие температурного расширения, существует два решения.

Первое – эллиптическая форма юбки поршня в поперечном сечении, где большая ось перпендикулярная оси пальца, а в продольном – конуса, который сужается к днищу поршня. Благодаря такой форме обеспечивается соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, что предотвращает заклинивание. Второе решение – заливка стальных пластин в юбку поршня некоторых моделей. При нагреве расширение металла происходит медленнее, что ограничивает расширение всей юбки.

В качестве конструкционного материала для производства поршней используется алюминий. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях работы, которые характерны современным двигателям, нужно обеспечить малую массу движущихся деталей. Поэтому, если использовать более тяжелые металлы, то потребуются и более мощные компоненты: шатун, коленвал и блок с толстыми стенками. Все это сделает увеличит размер и вес силового агрегата.

В конструкции поршня могут быть реализованы и другие инженерные решения. Например, обратный конус, расположенный в нижней части юбки. Он служит для уменьшения шума из-за перекладки элемента в мертвой точке. Для улучшения смазывания юбки используется микропрофиль на рабочей поверхности, который представляет собой маленькие канавки с шагом 0,2-0,5 мм, а для снижения трения применяется антифрикционное покрытие.



В России покрытие для поршней выпускает компания "Моденжи". MODENGY Для деталей ДВС наносится на юбки поршней и другие детали двигателя: коренные подшипники коленчатого вала, втулки пальцев, распредвалов, дроссельную заслонку.

Покрытие способствует снижению трения и износа, предотвращает появление задиров на поверхностях и заклинивание поршня в цилиндре. Материал стоек к длительному воздействию моторного масла и в течение некоторого времени сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия возможна как при комнатной температуре, так и при нагреве. Удобная аэрозольная упаковка упрощает процесс нанесения благодаря тщательно настроенным параметрам сопла распылительной головки.


Причины износа поршня

Поршень, как и любой другой рабочий элемент двигателя подвержен износу и поломке. В случае с двигателем увеличение износа происходит при ежедневной эксплуатации, но до некоторого момента это незаметно и ДВС работает стабильно. 

При выработке ресурса деталей происходит резкое увеличение износа и начинаются всевозможные проблемы:

  • Повышается расход масла

  • Синий дым из выхлопной трубы

  • Нагар на свечах

  • Нестабильная работа ДВС на холостых оборотах, о чем свидетельствует вибрация рычага КПП

  • Увеличение расхода топлива в 2 и более раз

  • Снижение мощности двигателя и т.д.

Все это свидетельствует о некорректной работе двигателя, в том числе и поршневой группы. Например, задиры на головке поршня возникают вследствие перегрева из-за нарушения процесса сгорания, деформации и/или засорения масляной форсунки, установки поршней неправильного размера и параметров, неисправностей в системе охлаждения, уменьшения зазора в верхней части рабочей поверхности.

Следы от ударов на днище поршня свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неверной посадке клапана, слишком малом зазоре в клапанном приводе, отложениях масляного нагара на головке поршня, неподходящем уплотнении ГБЦ, некорректно выставленным фазам газораспределения, чрезмерной подгонке торцевой поверхности ГБЦ.

Наплавления металла на поверхностях указывают на неравномерный впрыск топлива, позднее зажигание, недостаточное сжатие смеси, неверный момент начала впрыска, неисправность впрыскивающих форсунок.

Трещины в полости камеры сгорания и днище говорят о недостаточной компрессии в цилиндрах, плохом охлаждении поршня, некорректном моменте начала впрыска, неисправности или непригодности впрыскивающей форсунки. Подобные следы можно обнаружить, если установлены поршни с неподходящей формой полости камеры сгорания или на автомобилях, мощность двигателей которых была повышена искусственно (например, методом чип-тюнинга).

Поршневые кольца повреждаются вследствие неправильной установки поршней, избытка топлива в камере сгорания, при вибрации самих поршневых колец, сильном осевом износе кольцевой канавки и деталей.

Радиальный износ поршня возникает при избыточном количестве топлива в камере сгорания. Это происходит из-за сбоев в процессе приготовления смеси, при нарушении процесса сгорания, недостаточном давлении сжатия, неправильном размере выступа поршня. Осевой износ возникает в результате загрязнения из-за недостаточной фильтрации. Его также вызывают продукты износа, образующиеся во время приработки двигателя и загрязнения, которые не были полностью удалены при ремонте силового агрегата.

Повреждения юбки поршней может возникать по нескольким причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, неправильно просверленными отверстиями цилиндра или неправильно установленными отдельными цилиндрами, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры под углом 45° образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Кроме этого поверхности юбок поршней истираются из-за разбавления масла топливом, неисправного пускового устройства двигателя, недостаточного сжатия смеси, перебоев в зажигании и работе двигателя на переобогащенной воздушно-топливной смеси.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация. Она вызывается недостатком охлаждения, слишком низкой или высокой температурой, малым начальным давлением в системе охлаждения, применением неподходящей охлаждающей жидкости, неправильной и/или неточной посадки гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Обнаруженные блестящие места в верхней части цилиндра говорят об отложении масляного нагара на днище цилиндров. Они возникают вследствие избыточного содержания масла в камере сгорания, прорыва газов с проникновением масла во всасывающий тракт, частой езды на короткие дистанции или на холостом ходу, недостаточного отделения масляного тумана от картерных газов.


Иногда вышеописанные проблемы возникают комплексно.

Заключение

Так как поршень является одной из важнейших частей двигателя, в случае возникновения каких-либо неполадок нужно незамедлительно провести диагностику. Промедление грозит либо дорогостоящим ремонтом, либо полной заменой двигателя. Срок службы силового агрегата значительно продлевают качественные смазочные материалы и топливо.

Что такое поршень и для чего он нужен

Поршень лежит в основе поршневого двигателя. Он состоит из движущейся круглой металлической части с поршневыми кольцами для обеспечения герметичного уплотнения после установки в цилиндр двигателя. Поршень прикреплен через поршневой / поршневой палец к шатуну, который, в свою очередь, соединен с коленчатым валом.

В четырехтактных (бензиновых и дизельных) двигателях автомобилей процесс впуска, сжатия, сгорания и выпуска происходит над поршнем в головке блока цилиндров, что заставляет поршень двигаться вверх и вниз (или внутрь и наружу в плоском двигателе. ) внутри цилиндра, что приводит к проворачиванию коленчатого вала.

Из чего сделан поршень?

Компоненты двигателя должны быть износостойкими для долговечности и легкими для повышения эффективности.

В результате поршни обычно изготавливаются из алюминиевого сплава, но поршневые кольца (обычно состоящие сверху вниз, компрессионное кольцо, грязесъемное кольцо и масляное кольцо) изготавливаются из чугуна или стали.

Масляное кольцо вытирает масло со стенок цилиндра при движении поршня, но со временем оно и другие кольца могут изнашиваться, позволяя маслу из картера попасть в камеру сгорания.

Чрезмерный расход масла и белый дым из выхлопных труб указывают на износ поршневых колец.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать с одним цилиндром и, следовательно, с одним поршнем (мотоциклы и бензиновые газонокосилки) или с 12 двигателями, но у большинства автомобилей их четыре или шесть.

Радиальные двигатели, обычно используемые в винтовых самолетах, имеют нечетное количество цилиндров и поршней для более плавной работы.

Поршни также используются в двигателях внешнего сгорания, также известных как паровые двигатели, где вода нагревается в котле, а образующийся пар используется для приведения в движение пары поршней (обычно) во внешних цилиндрах, которые затем приводят в движение колеса.Роторные двигатели не имеют цилиндров или поршней.

Описание деталей и функций поршня

Детали поршня, в отличие от конструкции и материала, не различаются для разных поршней. Они остаются такими же, с различиями только в размерах.

В этой статье исследуются компоненты автомобильного поршневого узла с подробным описанием функций каждого из них.

Чтобы упростить идентификацию каждой детали, мы добавили изображения в описания.

Компоненты поршня простираются от части, граничащей с камерой сгорания, до конца, который соединяется с коленчатым валом.Вместе эти детали составляют поршневой узел.

Это компоненты, на которых мы сосредоточимся. Прежде чем продолжить, вот схема, показывающая все детали поршня.

Источник: http://www.pinterest.com

Теперь перейдем к подробному описанию каждого компонента.

1. Поршневое кольцо

Источник: http://www.japbikespares.com

Определение поршневого кольца

Кольца поршневые представляют собой части разрезных колец, которые устанавливаются на углублении поршня. Там Обычно это 3 поршневых кольца в типичном автомобильном двигателе.Количество варьируется, а поршневой может даже одно кольцо. Области или поверхности между этими кольцами называется землей поршневого кольца. Канавки для установки колец предназначены для поддержания положения поршневого кольца и вы можете услышать что-то вроде конической конструкции.

Разъемная конструкция поршневого кольца имеет несколько преимуществ. Он обеспечивает пружинное действие, которое помогает кольцам поддерживать правильный зазор поршневых колец. Разъем также упрощает установку поршневого кольца. Чтобы обеспечить постоянство пружины при нагревании, нагрузке, давлении и других условиях, производители предпочитают в качестве материала поршневых колец чугун или куски стали.

Функция поршневого кольца

Основная функция поршневых колец - предотвращение сгорания. камеры и регулируют расход смазочного масла. Кольца также служат для проведения тепло от цилиндра скучно. Как уже упоминалось раньше поршни большинства автомобильных двигателей имели три кольца; две верхние компрессионные кольца и нижнее маслосъемное кольцо. Для наглядности поясняются различные кольца. ниже.

  • Компрессионное кольцо - это верхнее боковое кольцо и ближайшее к камере сгорания.Его еще называют газовым или напорным кольцом. Кольцо предотвращает утечку продуктов сгорания. Компрессионные кольца также помогают передавать тепло от поршня к стенкам цилиндра.
  • Скребок / Грязесъемник кольцо - находится между компрессионным и маслосъемным кольцами. Оно имеет коническую поверхность и выполняет функцию обоих колец: уплотняет камеру сгорания и вытирает масло со стенок поршневого цилиндра.
  • Масло управление кольцо - поршневое маслосъемное кольцо является нижним кольцом на поршне.Он состоит из двух тонких поверхностей с отверстиями по периметру. Прорези позволяют маслу стекать обратно в поддон. Как следует из названия, функция поршневого маслосъемного кольца заключается в удалении излишков масла со стенок цилиндра. Это происходит, когда поршень движется вперед и назад.

2. Юбка поршня

Определение юбки поршня

Юбка поршня относится к цилиндрическому материалу, установленному на круглой части поршня. Деталь обычно изготавливается из чугуна из-за его превосходной износостойкости и самосмазывающихся свойств.Юбка содержит канавки для крепления поршневого маслосъемного кольца, а также компрессионных колец. Юбки поршней бывают разных стилей, чтобы соответствовать конкретным приложениям.

Функция юбки поршня

Юбка направляет поршень при его движении вверх и вниз по цилиндру. Его конструкция помогает поршню преодолевать боковые силы, создаваемые изменяющимся углом шатуна. Если юбка изношена, получение надлежащего поршня печать для эффективного горение окажется затруднительным.

Поршень также может неконтролируемо раскачиваться в цилиндре и вызывать удары поршня.Когда это Случается, вы можете услышать пресловутый звук хлопка поршня, особенно при холодном пуске. Поршневой удар будет часто уходят после прогрева двигателя. Это потому, что в результате в результате расширения закрывается зазор между поршнем и цилиндром.

Если шум не прекращается, цилиндр может потребоваться подтянуть, среди прочего меры. В противном случае проблема не представляет особой опасности, и вы можете ведите машину, если шум появляется только при запуске двигателя.

Есть два основных типа юбки поршней:

Также известна как однотонная юбка.Пышная юбка имеет трубчатую форму. Он обычно используется в двигателях больших автомобилей.

Тип юбки поршня используется на поршнях мотоциклов и некоторых автомобилей. У него вырезана часть юбки, чтобы оставить только поверхности на задней и передней стороне стенки цилиндра. Это помогает снизить вес и минимизировать площадь контакта между стенкой цилиндра и поршнем.

3. Поршневой палец

Источник: http://www.ebay.com

Определение поршневого пальца

Поршневой палец, также известный как поршневой палец или поршневой палец, является полым или сплошным. вал в секции юбки.Шток поршня поворачивается на этом пальце, удерживаемом во втулке поршневого кольца. Для прочности на разрыв поршневые пальцы обычно изготавливается из легированной стали и обрабатывается под поршневой подшипник. Отверстия в шатуне доставляют масло к запястью штифт, помогающий уменьшить трение.

Поршневые пальцы в сборе и способы монтажа различаются. Их можно разделить на 3 конструкции: свободно вращаться как в поршне, так и в шатуне, закреплены на шатуне и жестко закреплены на бобышках поршня.

Функция поршневого пальца

Поршневой палец образует соединение или точку поворота поршней и шатун.Они обеспечивают опору подшипников и помогают поршням функционировать. должным образом. Другими словами, штифт облегчает движение вперед и назад поршень.

Как мы видели, поршневые пальцы устанавливаются на поршневой узел тремя способами. Это приводит к появлению следующих типов штифтов.

  • Стационарный / фиксированный штифт - штифт крепится к бобышкам поршня с помощью винта. Шток поршня затем поворачивается на штифте.
  • Semi плавающий - штифт прикреплен к шатуну посередине, а концы штифта свободно перемещаются внутри подшипника поршня и на бобышках.
  • Полный плавающий - в этом типе пальца палец не прикреплен к пальцу или шатуну поршня. Вместо этого он фиксируется заглушками, зажимами или стопорным кольцом, прикрепленным к бобышкам поршня. В этом случае штифт может колебаться как на выступах, так и на стержне.

4. Головка поршня / корона

Источник: http://www.agkits.com

Определение головки поршня

Также известна как головка поршня или купол, головка поршня - его верхняя поверхность. Это та часть, которая соприкасается с горение газы.В результате нагревается до чрезвычайно высоких температур. Для предотвращения плавления детали головки поршня изготавливаются из специальных сплавов, в том числе из стали. сплав.

Головка поршня обычно имеет каналы и полости. Это помогает создать завихрение, улучшающее сгорание. В разных двигателях используются разные типы головок поршней. Причины различий бывают разные. Предпочтительная конструкция головки поршня зависит от многих факторов, таких как ожидаемая производительность и тип двигателя.

Функции головки поршня

Корона, как ее еще называют, образует поверхность, которая принимает давления, температуры и другие напряжения расширяющихся газов.Среди цели, которым он служит:

  • Создание завихрения для равномерного сгорания и регулирования детонации
  • Действует как тепловой барьер между камерой сгорания и нижними частями поршня
  • Сдерживает давление, возникающее в результате детонации в цилиндре

5. Шатун

Источник: http://carparts4sale.com

Определение шатуна

Часто укороченный для шатуна или стержня шатун является одним из самые важные детали поршня.Он связывает поршень с коленчатым валом двигателя и перемещает поршень входит и выходит из камеры сгорания. Шатуны должны иметь много механических нагрузок и должен быть достаточно прочным. По этой причине детали в основном кованые, хотя часто применяется и литье.

Производители автомобильных поршней часто предпочитают сталь для изготовления этих штоков. Легированная сталь также является популярным материалом для шатунов, особенно для высокопроизводительных двигателей. Для более мягких двигателей может быть предпочтителен алюминий из-за его легкости.Штоки небольших двигателей, таких как скутеры, могут быть даже сделаны из железа.

Функция шатуна

шатун вращает коленчатый вал, производя движение, которое позволяет автомобилю двигаться. В некоторых двигателях шток поршня имеет отверстие или расточку для подачи смазочного масла. к стенкам цилиндра и булавке на запястье. Производители изготавливают шатуны в различных конструкции. Версии включают соединение с трещиной, фрезерованное соединение, прямое и угловое соединение. разделительный стержень, а также конструкция с параллельным и коническим стержнем.

шатун разделен на несколько частей. Их:

  • Малый конец - это меньший конец стержня. Он состоит из проушины штока и втулки поршня. Малый конец соединяется с поршнем через поршневой палец.
  • Большой конец - большой конец - это часть, противоположная малому концу шатуна. Он соединяется с коленчатым валом и имеет прорезь для установки.
  • Соединительный стержень балка - это участок между малой и большой частями стержня.Обычно это двойная Т-образная конструкция, балка может содержать или не содержать масляное отверстие для подачи смазки к цилиндру.

6. Болт шатуна

Источник: http://www.ebay.com

Определение болта шатуна

Также в списке деталей поршня - шатунный болт. Эти болты прижимают шток к коленчатый вал. Нижним концом болта шатуна являются крышки шатуна и подшипники, удерживаемые в место гайкой. Штифт на гайке предотвращает соскальзывание сборки отменено.

Шатунные болты обычно изготавливаются из стали. В приложениях, где снижение веса является важной характеристикой, уход за алюминиевыми болтами является обычным делом. Стержень также может быть сделан из никеля. Никелевые болты шатуна более прочные и в основном используются в сверхмощных шатунах.

Функция болта шатуна

Как мы видели, болты крепления шатуна к коленвалу. Они помогают шатун, чтобы выдерживать напряжение, вызванное вращающимся коленчатым валом. В их В противном случае шток может сломаться, что повлияет на работу других деталей двигателя.Штоки направляют каждый поршень ход, обеспечивающий плавную работу двигателя.

Шатун болты выполнены с возможностью немного гнуться под действием движений поршня и коленчатого вала. Что защищает крышки штанг от разрушения из-за чрезмерного напряжения, вызванного движущийся коленчатый вал и поршень.

Болты шатуна бывают разных конструкций. Они могут быть шестиугольными, круглыми, плоскими или рельефными. Некоторые приходят с резьбой, другие без резьбы. Болты с резьбой - лучшие детали из-за их более прочного сцепления.

7. Подшипники поршневые

Источник: http://www.mfgsupply.com

Подшипники представляют собой поршневые детали, расположенные в точках, где происходит поворот. Обычно они полукруглые металлические детали, которые входят в отверстия этих точек. Поршневые подшипники включают Корпуса обнаружены на большом конце, где шток соединяется с коленчатым валом. Есть также подшипники на малом конце, где шток соединяется с поршнем.

Поршневые подшипники

обычно изготавливаются из композитных металлов, таких как свинец, медь, силиконовый алюминий и другие.Подшипники часто имеют покрытие для повышения твердости и способности выдерживать нагрузку от движений поршня и шатуна.

Вопросы по деталям поршня

1. Есть ли у поршней двигателя возвратные пружины?

Нет, это не так. В этих поршнях не требуется возвратная пружина поршня. Однако вы найдете пружины в сборках барабанных тормозов. Здесь они помогают убрать тормозные колодки, когда вы отпускаете педаль тормоза.

2. Что такое поршень лайнер?

Это своего рода гильза, устанавливаемая на стенках цилиндра двигателя.Обычно гильза изготавливается из более качественного материала, чем материал внутреннего диаметра цилиндра. обеспечивает износостойкую поверхность. Владельцы автомобилей устанавливают его, чтобы защитить цилиндр или отремонтировать при восстановлении двигатель.

Поскольку гильза является заменяемой, ее использование увеличивает срок службы двигателя. Гильза поршня также называется гильзой поршня и не является частью поршневого узла. Вы также найдете его под названием гильза цилиндра или втулка.

3 . Что детали поршня можно заменить?

Большинство компонентов поршневого узла можно заменить.В их число входят поршневые кольца, поршневые подшипники, болты поршневых штоков и некоторые другие детали. Эти можно приобрести отдельно или в виде поршневого комплекта.

Поршневые кольца быстро изнашиваются. Это одна из наиболее часто заменяемых деталей поршня. При повреждении эти кольца вызывают различные проблемы с поршнем и двигателем. Это может привести к дополнительным расходам. Учитывая, что цена поршневых колец составляет всего несколько сотен долларов, замена этих деталей может избавить вас от дорогостоящего ремонта.

4. Сколько стоит замена поршня запчасти ?

Сумма может превышать 1000 или даже 2000 долларов.Цена комплекта поршня или отдельных компонентов может быть низкой, но не итак, сумма, которую вы платите механику за выполнение работы. Замена всего скрытого внутри блока двигателя предполагает несколько часов работы, что почему это стоит дорого.

Добавьте это к тому, что обычно бывает поршневой настроен на изменение, и сумма может быть довольно высокой. Вы можете выбрать, конечно, замену поршня или детали поршня самостоятельно. Однако вы потребуются правильные инструменты, в том числе следующие:

Кольцо поршневое компрессор для установки кольца, микрометр к поршню измерение и щуп набор манометров для измерения зазора поршня и поршневого кольца.Также может понадобиться поршневое кольцо. файлер, чтобы отточить кольца до правильные спецификации. Также нужно понимать, как заменить поршень. правильно. (у нас есть целая статья, посвященная процессу установки поршня). На рынке автомобильных поршней представлено множество типов поршней.

Чтобы найти подходящий для своего двигателя, просмотрите сайты производителей. Обычно они предоставляют каталог автомобильных поршней. Они содержат бесценную информацию о конкретном поршне, который вы, возможно, ищете.Это включает в себя таблицу размеров поршня для зазора между поршнем и цилиндром, диаграмму глубины поршня и многое другое. У вас также будет возможность определить цену среди продавцов.

Заключение

Осмотрев детали поршня, теперь вы знаете, как каждый Внешний вид компонента и его расположение на поршневом узле. У нас есть больше статей о автомобильных поршнях, а вы можете просматривать их. Статьи охватывают несколько тем, в том числе измерение поршней при восстановлении двигателя. И если ищем подходящий поршень для двигателя вашего автомобиля, у нас есть полная статья о типах поршней.

Поршни двигателя внутреннего сгорания - x-engineer.org

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 коленчатого вала (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. 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: поршни Kolbenschmidt
    Кредит: Kolbenschmidt

    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 корона : это 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: Главные детали поршня
    Кредит: [3]

    где:

    1. верхняя часть поршня
    2. верхняя площадка
    3. кольцевой ремень
    4. распорки
    5. стопорный зажим пальца
    6. выступ штифта
    7. pis штифт
    8. поршневые кольца
    9. 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 - скребковое кольцо , а нижнее кольцо - маслоуправляющее кольцо . 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 или втулки (6) поршня находится поршневой палец (7), который соединяет поршень с шатуном.

    Геометрические характеристики поршня

    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 свободы, 1 первичный и 2 вторичных:

    • вдоль вертикальной оси цилиндра, между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ) (первичная, 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 упорной стороной (TS) , а противоположная сторона известна как противодействующая упорная сторона (ATS). .Удары поршня могут происходить с обеих сторон 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.

    Механические нагрузки на поршень

    Поршень является составной частью двигателя внутреннего сгорания (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
    Кредиты: [7]

    Изображение: Вертикальные силы поршня в зависимости от 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.).

    Тепловые нагрузки на поршень

    Головка поршня находится в прямом контакте с горящими газами внутри камеры сгорания, поэтому она подвергается высоким тепловым 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 действия, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже оказывает 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 при сгорании, 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.

    Охлаждение поршня

    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 с помощью 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, который она спроектировала 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 действующих ограничений.

    Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
    Кредит: Tenneco

    Для формирования коронки EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается цельный 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.

    Типы поршней

    Геометрия поршня ограничена из-за кубатуры ДВС. Поэтому основной способ увеличения 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:

    1. Диаметр чаши
    2. днище поршня
    3. камера сгорания (чаша)
    4. кромка днища поршня
    5. верхняя площадка поршня
    6. канавка компрессионного кольца
    7. посадочная площадка кольца
    8. основание канавки
    9. углубление под кольцо
    10. стороны канавки
    11. канавка маслосъемного кольца
    12. отверстие возврата масла
    13. выступ поршневого пальца
    14. расстояние до канавки
    15. канавка для стопорного кольца
    16. расстояние до ступицы поршня
    17. расстояние до ступицы поршня
    18. ступенчатая кромка
    19. Диаметр поршня 90 ° C относительно отверстия 90 под поршневой палец 058
    20. отверстие поршневого пальца
    21. глубина стакана
    22. юбка
    23. зона кольца
    24. высота сжатия поршня
    25. длина поршня
    26. канал маслоохладителя
    27. держатель кольца
    28. втулка болта
    29. окно измерения диаметра
    30. развал 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, 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

    Материалы поршней

    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 производятся 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 cast2Mg) 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 местного армирования, вставки из черных металлов (т.е.g., опоры колец)
    • в виде удлиненных частей композитных поршней (например, днища поршня, болтов)
    • поршни, полностью изготовленные из чугуна или кованой стали

    Изображение: композитный поршень для тяжелого двигателя - поперечное сечение
    Кредит: [8]

    Изображение: Поршень композитной конструкции для судовых дизельных 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)
      • Хром-молибден-никелевый сплав (34CrNiMo6)
      • Молибден-ванадиевый сплав (38MnVS6)

    Чугун 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.

    Поршневые технологии

    Существует несколько передовых 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