Поршень – виды, устройство, и основные проблемы при работе — Словарь автомеханика

Поршень является одной из деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя и представляет собой целостный элемент условно разделяемый на головку и юбку. Он является основой процесса преобразования энергии горения топлива в тепловую, а далее в механическую. От качества работы данной детали напрямую зависит производительность двигателя, а также его надежность и долговечность.

Предназначение и виды поршней

В моторе поршень двигателя выполняет ряд функций, в частности, это:

1. трансформация давления газов в усилие, передаваемое на шатун;
2. обеспечение герметичности камеры сгорания;
3. теплоотвод.

Поршень работает в экстремальных условиях под стабильно высокими механическими нагрузками. Поэтому для современных двигателей их изготавливают из специальных алюминиевых сплавов, отличающихся легкостью и прочностью при достаточных показателях термостойкости. Несколько менее распространены стальные поршни. Ранее они в основном производились из чугуна. Обязательно присутствующая на каждом изделии маркировка поршней расскажет, из чего оно изготовлено. Изготавливаются данные детали двумя методами – литьем и штамповкой. Кованые поршни, распространенные в тюнинге, изготовлены именно методом штамповки, а не выкованы вручную.

Конструкция поршня

Устройство поршня не является сложным. Это цельная деталь, которую для удобства определения принято условно разделять на юбку и головку. Конкретная форма и конструктивные особенности поршня определяются типом и моделью двигателя. В распространенных видах бензиновых ДВС можно увидеть только поршни с плоскими или крайне приближенными к такой форме головками. Часто они имеют канавки, предназначенные для максимального полного открывания клапанов. В моторах с непосредственным впрыском топлива поршни выполняются в несколько более сложной форме. Поршень дизельного двигателя имеет головку со специфической конфигурацией для обеспечения оптимального завихрения с целью качественного смесеобразования.

Схема поршня двигателя.

Под головкой на поршне размещаются канавки, в которые устанавливаются поршневые кольца. Юбки у различных поршней тоже разные: с формой, подобной конусу или бочке. Такая конфигурация позволяет компенсировать расширение поршня, существующее при его нагревании в работе. Следует отметить что, поршень приобретает полностью рабочий объем только после разогрева двигателя до нормальной температуры.

Чтобы максимально снизить эффект от постоянного бокового трения поршня о цилиндр на его боковую поверхность наносится специальный антифрикционный материал, тип которого также зависит от вида двигателя. Также в юбке поршня есть специальные отверстия с приливами, предназначенные для монтажа поршневого пальца.

Работа поршня предполагает его интенсивное нагревание. Он охлаждается, причем в разных моторах различными способами. Вот наиболее распространенные среди них:

• с помощью подачи масляного тумана в цилиндр;
• через разбрызгивание масла сквозь шатун или специальную форсунку;
• через впрыскивание масла по кольцевому каналу;
• с помощью постоянной циркуляции масла по змеевику, расположенному непосредственно в головке поршня.

Вплотную соприкасается со стенками цилиндра не сам поршень, а его кольца. Для обеспечения наивысшей износостойкости они производятся из особого сорта чугуна. Количество и точное расположение этих колец зависит от вида мотора. Чаще всего на поршень приходится пара компрессионных колец и еще одно маслосъемное.

Компрессионные колца предназначены не давать газам из камеры сгорания прорываться в картер. На первое кольцо приходится самая серьезная нагрузка, поэтому во всех дизельных и мощных бензиновых моторах в канавке первого кольца дополнительно присутствует стальная вставка, что позволяет повысить прочность конструкции. Существует множество видов компрессионных колец, которые уникальны практически у каждого самостоятельного производителя.

Маслосъемные кольца — для удаления лишнего масла из цилиндра и недопущения его проникновения в камеру сгорания. Такие кольца выполняются с большим количеством дренажных отверстий, а также с пружинными расширителями, хоть и не во всех моделях двигателей.

Устройство поршня

С шатуном поршень двигателя соединяется через поршневой палец, стальную деталь трубчатой формы. Самым распространенным способом крепления пальца является плавающий, благодаря которому деталь может прокручиваться в процессе работы. Специальные стопорные кольца не дают пальцу смещаться в стороны. Жесткий зацеп пальцев на данный момент практически не распространен из-за очевидной большей уязвимости таких конструкций.

Поломки поршня и сопутствующих деталей

В процессе интенсивной или просто продолжительной эксплуатации поршень может выйти из строя по причине присутствия в цилиндре постороннего тела, на которое поршень постоянно наталкивается во время движения. Таким предметом может стать частица шатуна, коленвала или чего-то другого, отлетевшего от детали. Поверхности такого излома имеют серый цвет, они не характеризуются истиранием, трещинами и прочими визуальными признаками. Поршень распадается быстро и внезапно.

Излом, вызванный усталостью металла, характеризуется образованием в проблемном месте растровых линий. Это позволяет заблаговременно определить наличие поломки и заменить поршень. Помимо старения причиной такого излома может стать детонационное воспламенение, усиленные сотрясения поршня из-за сталкивания его головки с головкой цилиндра или чрезмерного зазора юбки. В любом случае на детали образуются трещины, свидетельствующие о ее скором выходе из строя.

После износа колец, повреждения головки поршня наиболее часто встречаемы.

Помимо износа и старения металла, связанные с поршнями поломки могут случаться по целому ряду разнообразных причин, среди которых:

• нарушение режима сгорания, например из-за задержки зажигания;
• неправильная организация пуска холодного двигателя;
• заполнение цилиндра маслом или водой при выключенном моторе, что называется гидравлическим ударом;
• необоснованное повышение мощности в результате перенастройки электроники;
• использование неподходящих деталей;
• другие причины.

Чаще всего ремонт осуществляется методом замены – поршня, колец или всей поршневой группы.

Связанные термины

Поршень

Поршень — деталь поршневой группы двигателя, находящаяся внутри цилиндра. При помощи шатуна поршень соединен с коленчатым валом. Конструкция спроектирована таким образом, что поршень во время работы двигателя постоянно совершает возвратно-поступательное движение, преобразуя энергию расширяющихся при сгорании газов во вращение коленчатого вала.  

Устройство поршня

Поршень состоит из трех частей, хотя и выполняется из единой заготовки: днища, уплотняющей части и юбки. К коленчатому валу поршень присоединяется при помощи шатуна. Поршень надевается на шатун и закрепляется поршневым пальцем, продетым сквозь деталь. Форма днища поршня двигателя внутреннего сгорания никогда не бывает плоской. В зависимости от конструкции днище может иметь сложную конфигурацию. Сверху над днищем могут быть расположены свечи, форсунки и клапаны.

Расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца называется огневым поясом поршня

Чаще всего в днище поршня можно видеть углубления, предназначенные для того, чтобы двигающиеся над ними клапана не соприкасались с поверхностью поршня. Углубления, как правило, имеют большую глубину с одного края, так как расположенные над ними клапаны установлены под углом. В целом, как правило, общую форму днища делают вогнутой. Это обусловлено тем, что поршень, поднимаясь вверх, является одновременно дном камеры сгорания, а для оптимального распространения пламени вогнутое днище подходит как нельзя лучше. У этой формы есть и свои недостатки — в нижней части впадины быстрее отлагается нагар.

Расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца называется огневым поясом поршня. Поскольку поршень работает в условии экстремально высоких температур, огневой пояс имеет строго просчитанную высоту, которая зависит еще и от материала, из которого выполнен поршень. Снижение высоты ниже определенного предела может привести к преждевременному прогоранию поршня.

В прошлом поршень выполнялся из стали целиком, но в современных двигателях нередко применяются облегченные поршни из алюминиевых сплавов

Поршень — высокоточная деталь, так как одна из его задач — служить основой для компрессионных колец, уплотняющих камеру сгорания в момент сжатия. Со временем поршень изнашивается и обгорает, что приводит к снижению уплотнения — раскаленные газы начинают просачиваться между телом поршня и кольцом, и попадают в картер, а из картера в камеру сгорания просачивается масло.

Из этого следует, что повышенный расход масла может служить признаком износа поршней. Кроме того, об этом можно судить по появлению дыма в потоке выхлопных газов — дым образуется в результате сгорания попадающего в пространство над поршнем масла.

Сочетание днища и уплотняющей части (служащей основой для колец) называется головкой поршня. В прошлом поршень выполнялся из стали целиком, но в современных двигателях нередко применяются облегченные поршни из алюминиевых сплавов. Алюминий уступает стали в прочности, поэтому для создания основы для верхнего компрессионного кольца его снабжают ободком из обладающего высокими антикорозионными и прочностными свойствами чугуна. В чугунном ободке, вплавленном в тело поршня, нарезают канавку, в которое и вставляется верхнее компрессионное кольцо. Этот вид чугуна называется нирезистом.

В нижней части головки расположены каналы для маслосъемных колец. Их нарезают на станке и снабжают сквозными отверстиями, через которое снятое с зеркала цилиндра масло по внутренней стенке поршня стекает в поддон картера блока цилиндров.

Юбка или направляющая часть поршня снабжена двумя приливами, или бобышками, в которых проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Поскольку в месте расположения бобышек поршень имеет наибольшую толщину, в нем чаще всего возникают деформации под воздействием температуры. Для того, чтобы избежать риска деформации, часть метала с бобышек срезают на фрезеровочном станке. Служащие для охлаждения и повышающие интенсивность смазывания поршня углубления именуются на техническом сленге «холодильниками».

Материалы для производства поршней

К материалам, применяемым для изготовления поршней, предъявляются высокие требования. Прежде всего, материал должен обладать высокой механической прочностью при малой плотности и низком коэффициенте линейного расширения, высокой теплопроводностью и корозионной стойкостью, хорошими антифрикционными свойствами. Исходяиз этого, поршни делают либо из серого чугуна, либо из алюминиевого сплава, нередко с вкраплением чугуна.

Чугунные поршни отличаются прочностью и износостойкостью, работают с малыми зазорами. Недостаток чугуна — большой вес. Поэтому чугунные поршни применяются, как правило, в низкооборотистых, хорошо сбалансированных двигателях. У чугуна низкая теплопроводность, поэтому сильно нагревается днище. Это недостаток, так как высокая температура внутри камеры сгорания до зажигания может приводить к некорректному сгоранию топлива, которое называется калильным зажиганием. Особенно остро эта проблема стояла в прежние годы, когда преобладающим устройством впрыска был карбюратор.

Гораздо чаще в современных двигателях применяются поршни из алюминиевого сплава. В числе их достоинств малый вес, высокая теплопроводность (благодаря чему температура днища редко поднимается выше 250 °C). Именно благодаря этому фактору инженерам удалось в свое время найти способ существенно поднять степень сжатия в бензиновых двигателях. Основной недостаток алюминия — большой коэффициент линейного расширения, что заставляет делать большие зазоры, снижая способность поршня к уплотнению. Кроме того, механическая прочность алюминия при нагреве резко (до 50%) падает, чего с чугуном не происходит.  Тем не менее, недостатки не оказались фатальными, так как инженерам удалось придумать способы нивелировать отрицательные свойства материала. Например, чтобы уменьшить потери при сжатии, юбке поршня придают овально-конусную форму. Чтобы не допусать деформации от перегрева, юбку изолируют от головки при помощи материала с низкой теплопроводностью и тп.  

Интересные факты о поршне

Самые «крепкие» поршни — кованые, то есть сделаные из заготовок, полученных методом литья, а впоследствии подвергнутых ковке. Ковка — механическая обработка нагретого до ковочной температуры металла. Для каждого металла существует своя ковочная температура; у алюминия она не высока — всего лишь в районе 500 градусов.

Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы.

• 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. Стальная вставка
7. Компрессионное кольцо первое
8. Компрессионное кольцо второе
9. 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.

Не буду растягивать вступление, кратко расскажу, о чем будет этот большой пост. И так речь идет о типах поршней, четырех тактные бензиновые, дизельные и двух тактные, Основная задача всех рассмотренных типов поршней , это контролировать тепловое расширение и противостоять определенной нагрузке, ниже разберемся как это решается.

Поршни для четырехтактных бензиновых двигателей

В современных бензиновых двигателях используют поршни с симметричной или асимметричной юбкой
с различной толщиной днища и юбки поршня.

Поршни управляемого расширения

Поршни с кольцевой вставкой, которая управляет тепловым расширением.
Вставки выполнены из серого чугуна. Главная цель этого кольца уменьшить тепловое расширение алюминиевого сплава поршня, так как чугун имеет относительно небольшое расширение и малую теплопроводность, вставка тем самым сдерживает металл сохраняя форму. Производство таких поршней более затратное, соответственно и выше цена готового продукта. Основной недостаток, это невозможность изготовления кованного поршня, так необходимого для турбированых двигателей, большая масса поршня. Такой тип поршней больше уходит в далекое прошлое.

Авто термические поршни

Авто термические поршни, имеют разделение(пропил) между кольцевым поясом и юбкой в канавке маслосъемного кольца, юбка держится в районе бобышек. Это позволяет снизить теплопередачу от кольцевого пояса поршня к его юбке, тем самым достигается более стабильная форма юбки. Стальная вставка в районе бобышек, контролирует тепловое расширение и увеличивает прочность. Такие поршни не способны выдерживать огромные нагрузки из-за «пропила», в работе отличаются низким шумом и относятся к более современным типам.

Поршни Autothermatik

Действуют по такому же принципу, как и авто
термические поршни, но не имеют пропила в маслосъемной канавке. Так же имеют стальные пластины в районе бобышек. Более прочные из-за целостности кольцевого пояса и юбки, лучше выдерживают боковые нагрузки по сравнению с первым вариантом. Применяются как в бензиновых, так и частично в дизельных двигателях.

Чем- то похожи на авто термические, но вместо пропила в юбке имеют стальную вставку по всему диаметру. Таким образом ограничивая температурный переход от кольцевого пояса к юбке и контролирую форму по всей окружности.

Этот тип поршней имеет большой холодильник и узкую часто овальную форму юбки. Поршень спроектирован так что при тепловом расширении он меняет свою форму из овальной в правильную круглую.

В дополнение к такому типу поршней еще есть вариант со скошенной юбкой к вершине поршня. имеет более широкую часть юбки снизу сужаясь к кольцевому поясу.

У поршней для двигателей с очень высокой выходной мощностью (больше, чем 100 кВт/л) может быть выполнен охлаждающий канал.

Самый большой потенциал для того, чтобы уменьшить поршневую массу в четырехтактных бензиновых двигателях несут в себе поршни EVOTEC®, в котором прежде всего стоит отметить трапециевидные поддержки бобышек, что позволяет расположить палец особенно глубоко, близко к днищу, сократив всю длину и массу поршня. В посте Масса поршня мы уже говорили о достоинстве такого расположения пальца. Такое расположение стенок юбки позволяет очень хорошо усилить верхнюю часть бобышек имея небольшую толщину перегородок и облегчить нижнюю выполнив поршень асимметричной формы. Юбка достаточно узкая и на краях имеет прочные перегородки, переходящие к бобышкам, это тоже является большим плюсом. Такая компоновка поршня очень хорошо препятствует боковым нагрузкам, мала вероятность деформации юбки, при этом толщина юбки намного меньше чем в обычном поршне, что тоже сокращает общий вес. На всем фоне отмеченных выше достоинств поршень значительно похудел, это позволяет сделать бобышки тоньше, так как инерционная нагрузка на нижние стенки бобышек стала меньше.

Кованные алюминиевые поршни

В двигателях с очень большими удельными нагрузками — такими как турбонадув или впрыск закиси азота используют кованные поршни . Преимуществом несомненно является прочность кованного алюминиевого сплава. Выдерживают более высокую температуру и лучше противостоят детонации. Из недостатков отмечается более высокая цена, невозможность применения некоторых технологий, например, некоторые из тех что описаны выше из-за технологического процесса изготовления.

Кованный поршень для Формулы 1

В следующем посте поговорим о поршнях для двухтактных и дизельных двигателей, где нагрузки и температуры еще больше.

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

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

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

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

То есть, вот какою работу выполняет поршень:

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

Как выглядит поршень. Конструкция

Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG

1. головка поршня;
2. палец;
3. стопорное кольцо;
4. бобышки;
5. головка шатуна;
6. юбка; вставка стальная;
7. трапециевидноекомпрессионное кольцо;
8. коническое с подрезом компрессионное кольцо;
9. маслосъемное кольцо с пружинным расширителем

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

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

Рабочее днище

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

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

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

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

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

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

Уплотнительный сектор

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

Направляющая юбка, бобышки

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

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

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

Что скажут металурги

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

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

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

Чугунный вариант

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

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

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

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

Алюминиевый вариант

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

До новых встреч, друзья!

Конструкция поршня ВАЗ

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 реализуемы. Вот некоторые 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 стопятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.

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

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.

маркировка поршней

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 76мм, модели 21083 и 2110 — 82мм.

Поршни ВАЗ 2112 и ВАЗ 21124, имеют соответствующую маркировку — «12»и «24» и отличаются глубиной выборки под клапана.

Модели 21126 и 11194 отличаются диаметром.

маркировка поршней ваз 2106, подгруппа

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

«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.

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 0,045-0,070мм.

Для второго компрессионного кольца зазор — 0,035-0,060мм, для маслосъемного – 0,025-,0050мм. Между внутренней поверхностью кольца и канавки должен быть радиальный зазор — 0,2-0,3мм.

Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.

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

«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 0,01-0,015мм. 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. Возростающие 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 0,2мм., 0,4мм., 0,6 мм; для двигателя 21011 два размера: 0,4 мм. и 0,7 мм.

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 0.5-1.0мм.

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.

Вопрос-ответ

Для чего выемки на поршнях ваз?

Это выемки под клапана. Для того что бы не погнуло клапана при обрыве.

Поршень занимает центральное место в процессе преобразования энергии топлива в тепловую и механическую. Поговорим про поршни двигателя, что это такое и как они работают.

Что это такое?

В бензиновых моторах применяются поршни с плоским днищем из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. Хотя на некоторых современных авто делают специальные выемки под клапаны. Это нужно, чтобы при обрыве ремня ГРМ поршни и клапана не встретились и не повлекли серьёзный ремонт. Днище поршня дизеля делают с выемкой, которая зависит от степени смесеобразования и расположения клапанов, форсунок. При такой форме днища лучше перемешивается воздух с поступающим в цилиндр топливом.

Поршень подвержен действию высоких температур и давлений. Он движется с высокой скоростью внутри цилиндра. Поэтому изначально для автомобильных двигателей их отливали из чугуна. С развитием технологий стали использовать алюминий, т.к. он давал следующие преимущества: рост оборотов и мощности, меньшие нагрузки на детали, лучшую теплоотдачу.

Помимо прочего, уменьшение вертикальных габаритов поршня при неизменном блоке цилиндров дает возможность удлинить шатуны. Это позволит снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр, что положительно скажется на расходе топлива и ресурсе двигателя. Или, не меняя шатунов и коленвала, можно укоротить блок цилиндров. Таким образом облегчим мотор.

Какие требования?

• Поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен быть устойчивым к высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
• Он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износа.
• Испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.
• Совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Основное назначение

Еще раз повторим известный факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток , – это поршневые кольца . Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.

Второй путь менее очевиден. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит и отдает в поддон картера значительную часть тепла от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло функцией теплоносителя, мы должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести.

Третий путь. Часть тепла отбирает на нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит импульсный характер; отличается скоротечностью и высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

В силу большей значимости следует уделить пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Понятно, что если этот путь мы перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается возможности охлаждаться. Как результат – прогар и выкрашивание части, прилегающей к месту утечки.

Сколько колец нужно для поршня? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. При уменьшении их количества и высоты ухудшаются условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.

: определение, детали, функции, материалы, выпуск, рабочий

В двигателе внутреннего сгорания поршень — один из важнейших компонентов, помогающих работе цикла сгорания. Часть двигателя заключена в блок цилиндров, в котором используется поршневое кольцо, не оставляющее места для утечки газа.

Поршни помогают преобразовывать тепловую энергию в механическую работу и наоборот. Он движется вверх и вниз внутри цилиндра, расширяя и сжимая топливовоздушную смесь.По этой причине поршень в двигателе внутреннего сгорания неизбежен.

Сегодня мы рассмотрим определение, функции, работу, типы, детали, материалы и схему автомобильного поршня.

Читайте: Компоненты автомобильного двигателя

Поршень — это механическое устройство, которое движется вверх для сжатия газа и вниз из-за взрыва в цилиндре, чтобы преобразовать тепловую энергию в механическую работу.

Поршень следует циклическому процессу для продолжения процесса преобразования тепла. процесс достигается тремя способами:

• Обеспечение теплом газа внутри баллона для полезной работы
• Отвод тепла от цилиндра для снижения давления, чтобы газ можно было легко сжать.
• Применение работы к поршню, когда он находится в исходном состоянии, готов к повторному выполнению цикла.

Поршни играют жизненно важную роль в автомобильном двигателе, включая бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия.Процессы в этих двух двигателях внутреннего сгорания различаются, но в них используется поршень. Ниже приведены функции поршня автомобильного двигателя:

• Основная функция поршня — передавать выходное усилие небольшого взрыва газа в цилиндре на коленчатый вал. Это обеспечивает вращательный момент маховику.
• Он движется вперед, так что газы могут сжиматься, а при обратном движении может произойти взрыв.
• Поршень содержит штифт, называемый поршневым пальцем, который позволяет газу из камеры не выходить.
• Шатун, прикрепленный к днищу поршня, позволяет передавать механическую работу.
• Поршни помогают переносить топливовоздушную смесь в течение цикла сгорания.
• Поршни помогают контролировать поток масла в стенках цилиндра с помощью масляного регулирующего кольца.

Спросив, как работает поршень, вы познакомитесь со всем принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Это связано с тем, что поршень выполняет основную работу во время четырехтактного цикла.

Как уже упоминалось ранее, двигатель внутреннего сгорания бывает двух типов, и они работают двумя разными способами. Один из них работает со свечой зажигания, поэтому его называют «двигатель с искровым зажиганием», а другой — «двигатель с воспламенением от сжатия». Их работа совсем другая. Что ж, о работе этого движка рассказано в другой статье.

Читайте: Применение дизельного двигателя

Видео ниже показывает работу поршня в двигателе внутреннего сгорания en :

Чугун — самый ранний материал, используемый для изготовления поршней.Однако современный двигатель выигрывает от использования более легких материалов для балансировки двигателя. Хорошие поршни должны выдерживать температуры сгорания двигателя. Сплавы, такие как Y-сплавы и алюминий, специально используются для получения таких свойств.

Поршни изготовлены из алюминиевых сплавов методом литья. Некоторые поршни, используемые в гоночных автомобилях, требуют большей прочности и долговечности, поэтому они кованые.

Billet также используются в гоночных двигателях, поскольку они не зависят от размера и архитектуры имеющихся поковок, что приводит к изменению конструкции в считанные минуты.Хотя обычно это не видно невооруженным глазом.

ниже представлена ​​схема поршня:

Ниже приведены пояснения к основным частям поршня:

Юбка поршня представляет собой материал цилиндрической формы, прикрепленный к круглой части поршня. Обычно он изготавливается из чугуна, чтобы противостоять износу и обладать самосмазывающимися свойствами.На юбке есть канавки, которые позволяют поршневым кольцам идеально сидеть. Юбка поршня предназначена для перемещения вверх и вниз по цилиндру.

Поршневые кольца — это части разъемных колец, которые устанавливаются в области выемки поршня. В двигателе обычно три поршневых кольца. Иногда кольцо может быть одно, в зависимости от типа двигателя.

Подшипники представляют собой отличные поршневые детали, повышающие эффективность движения.Он расположен в точках поворота. Эти подшипники обычно представляют собой полукруглые металлические детали, которые входят в отверстия этих точек.

Поршневой палец — это часть поршня, также известная как поршневой палец или поршневой палец. Этот штифт представляет собой полый или цельный вал в секции юбки. На этом пальце шарнирно закреплен шток поршня, удерживаемый во втулке поршневого кольца. Функция поршневого пальца заключается в обеспечении опоры подшипника, чтобы поршень мог нормально функционировать.

Эта часть поршня также известна как корона или купол, которая представляет собой верхнюю поверхность. Это часть, которая контактирует с дымовыми газами, заставляя их испытывать чрезвычайно высокую температуру. Функция поршня — воспринимать давление, температуру и другие напряжения расширяющегося газа.

Еще одна деталь поршня, которую нельзя оставлять позади, — это шатунный болт. Он используется для крепления штока к коленчатому валу.На нижнем конце болтов тяги находится крышка шатуна и подшипник. Затем используется гайка для фиксации компонентов вместе с болтом.

Шатун — одна из основных частей поршня, чаще всего укорачиваемая как шатун или шток. Он соединяет поршень с коленчатым валом двигателя и позволяет поршню двигаться в камере. Компонент рассчитан на механическую нагрузку, поэтому он достаточно прочный. Детали поршня изготавливаются методом ковки, а иногда и литья.

Читайте: Четырехтактный двигатель: все, что вам нужно знать

Ниже представлены три типа поршней:

Поршни тарелки: Поршень тарелки имеет форму пластины со слегка загнутыми вверх краями. Это легко и просто, а также создает меньше проблем для инженеров. Он часто используется в приложениях с наддувом, где не требуется распредвал с большим подъемом или высокая степень сжатия.

Поршни с плоским верхом: поршень с плоским верхом имеет плоский верх.У него наименьшая площадь поверхности, что дает возможность создавать наибольшую силу. Он идеально подходит для эффективного сгорания.

Поршни с плоским верхом создают сильный взрыв в камере, но сжатие может быть слишком большим для небольших камер сгорания.

Купольные поршни: концепция тарелочных поршней совершенно противоположна тарелочному типу. Средний пузырек для увеличения площади поверхности, оставшейся на верхней части поршня. Что ж, большая площадь поверхности означает меньшее сжатие, в то время как большее сжатие означает большее усилие.

Камера сгорания имеет верхний предел, с которым она может справиться, поэтому уменьшение степени сжатия — лучший вариант предотвращения поломки двигателя.

Прочтите Все, что вам нужно знать о системе трансмиссии

Проблема развития поршня — это не что иное, как трещина. Эта трещина возникает на верхней части головки поршня, известной как корона. Обычно это происходит из-за чрезмерного сжатия или превышения опережения зажигания в результате давления сгорания в бензиновых двигателях.Головка поршня трескается, потому что она работает за пределами допустимого давления.

В дизельном двигателе возникают проблемы с поршнем из-за состояния, известного как термическая усталость. Термическая усталость возникает, когда двигатель работает с большой нагрузкой вместе с легкой. Эти постоянные резкие изменения температуры сгорания внезапно приводят к термическим трещинам в головке поршня.

Трещины также возникают в юбке поршня из-за постоянной чрезмерной нагрузки двигателя и усталости при большом пробеге.В некоторых случаях причиной является конструкция поршня. Чаще всего производитель исправляет последнее, поставляя заменяемую деталь.

Юбка поршня может треснуть на ранней стадии отремонтированного двигателя, когда поршень неправильно установлен на шатуны. Это вызывает трещины под напряжением, которые вызывают серьезные трещины на юбке.

Прочтите: Как работает автомобильный двигатель

Вот и эта статья, в которой освещаются определение, работа, детали, типы, материал, проблема поршня.Я надеюсь, что знание будет получено, если да, дайте знать свою мысль и не забудьте поделиться. Спасибо!

Поршневой двигатель внутреннего сгорания — обзор

9.3.2 Компоненты двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, используемый в подавляющем большинстве легковых автомобилей, претерпел значительные изменения за последнее столетие. Он содержит большое количество скользящих и роликовых контактов, все из которых рассеивают энергию и вызывают износ. Конструктору двигателя необходимо понимание трибологии, чтобы снизить эти эффекты до приемлемого уровня.

На рисунке 9.16 показана конструкция типичного четырехцилиндрового бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива; базовая конструкция дизельного двигателя очень похожа. В стандартном четырехтактном цикле движение поршня вниз при такте всасывания втягивает воздух в цилиндр; в такте сжатия вверх воздух сжимается и смешивается с топливом, впрыскиваемым под высоким давлением; химическая реакция этой топливно-воздушной смеси, инициированная искрой в бензиновом двигателе или нагревом, вызванным сжатием в дизельном (воспламенение от сжатия), сопровождается расширением образующихся горячих продуктов сгорания, которое толкает поршень вниз в рабочий ход ; и в последующем восходящем такте выпуска продукты сгорания выбрасываются из цилиндра.Шатун связывает поршень с коленчатым валом, так что, когда поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре, он заставляет коленчатый вал вращаться. Клапаны, скользящие по направляющим в головке блока цилиндров, контролируют впуск воздуха и выпуск выхлопных газов в нужных точках цикла; в этом примере есть два впускных клапана и два выпускных клапана на цилиндр. Клапаны открываются и закрываются за счет действия кулачков на одном или нескольких непрерывно вращающихся распределительных валах , которые воздействуют либо непосредственно на клапаны, либо опосредованно через кулачковые толкатели и коромысла, известные под общим названием клапанный механизм .Другие (но далеко не все) компоненты двигателя и его вспомогательного оборудования, через которые рассеивается энергия трения, включают роликовую цепь или зубчатый ремень, который приводит в действие распределительные валы, масляные, охлаждающие и топливные насосы, уплотнения, электрический генератор, насос гидроусилителя рулевого управления, компрессор кондиционера и соответствующие приводные ремни. Внутренние компоненты двигателя смазываются маслом, которое хранится в поддоне в нижней части двигателя и циркулирует в различных областях с помощью насоса. Как обсуждалось в разделе 4.3, автомобильная смазка с полным составом, используемая в двигателе, состоит из базового масла и нескольких присадок с различными функциями, обеспечивающих эффективное смазывание во всех трибологических контактах.

Рис. 9.16. Изображение в разрезе современного 4-цилиндрового бензинового (бензинового) двигателя с непосредственным впрыском топлива

Преобладающий источник рассеяния энергии трения в двигателе (примерно половина всей энергии) связан с поршневым цилиндром контакт. Из оставшейся мощности, рассеиваемой за счет трения, примерно одна треть может быть отнесена на клапанный механизм, а две трети — на подшипники коленчатого вала.Как показано на рис. 9.17, зазор между поршнем и цилиндром закрыт набором из (обычно) трех колец, установленных в канавках поршня, которые прижимаются к отверстию цилиндра. Чтобы снизить расход смазки, вызванный прохождением масла из картера двигателя (под поршнем) вверх мимо поршня в камеру сгорания, необходимо хорошее уплотнение, но тесный контакт имеет нежелательный эффект увеличения потерь на трение. Кольцо и геометрия канавки спроектированы таким образом, что высокое давление в камере сгорания создает дополнительную радиальную силу на два верхних кольца (известных как компрессионные кольца), увеличивая их контактное давление.Осевая нагрузка на шатун приводит к боковой нагрузке поршень-цилиндр, поскольку (почти для всего цикла) ось шатуна не параллельна оси цилиндра. Осевые нагрузки меняются в зависимости от развиваемой мощности и частоты вращения двигателя, а также от положения в такте, при этом наибольшие силы возникают в ходе такта сгорания. Угол между осями шатуна и цилиндра также изменяется в зависимости от положения в ходе хода, причем наибольший угол приходится на середину хода; однако в середине хода поршня поршень также движется быстро, и смазка контакта кольца с цилиндром может быть гидродинамической.В крайних точках хода, когда движение меняется на противоположное (так называемая верхняя мертвая точка и нижняя мертвая точка), скорость скольжения падает до нуля, и контакт испытывает смешанную смазку. Тогда толщина пленки может быть <0,2 мкм, что дает соотношение толщины пленки λ (см. Раздел 4.5) <1. Дополнительный скользящий контакт при гораздо более низком контактном давлении возникает между юбкой поршня и стенкой цилиндра, и здесь смазка гидродинамическая; есть также некоторый эффект сжатия пленки.

Рис. 9.17. Поршень в сборе и поршневое кольцо — контакты цилиндра

Эффективная смазка, хорошее уплотнение и низкие потери на трение — все это желательно в контакте поршневое кольцо-цилиндр; Тщательное внимание к геометрии колец и канавок, материалам всех компонентов и топографии поверхности отверстия (которая часто имеет диагональный рисунок канавок, образованный процессом хонингования на плато ) — все это может сыграть роль в повышении эффективности двигателя. и уменьшение износа.Типичные материалы для поршневых колец — это серый чугун или чугун с шаровидным графитом для твердых колец, а также сталь для верхних компрессионных колец и маслосъемных колец. В некоторых случаях на них наносят покрытие, например гальваническое покрытие хромом или молибден, напыляемый пламенем, для уменьшения износа. Гильзы цилиндров обычно изготавливаются из серого чугуна или алюминиевого сплава, а сплав алюминия и кремния является наиболее распространенным материалом поршней.

В таблице 9.1 перечислены типичные трибологические параметры для бензинового двигателя, а на рис. 9.18 показана модифицированная кривая Стрибека, построенная в терминах отношения толщины пленки λ , которая указывает диапазон рабочих условий для различных компонентов двигателя.

Таблица 9.1. Типичные трибологические параметры для бензинового двигателя

данные Priest, M., Taylor, C.M., 2000. Трибология автомобильного двигателя — приближение к поверхности. Износ 241, 193–203

Рис. 9.18. Модифицированная диаграмма Стрибека, построенная в терминах отношения толщины пленки λ , показывающая типичные диапазоны режима смазки для различных компонентов двигателя

Коленчатый вал поддерживается несколькими коренными подшипниками , а шатуны вращаются вокруг смещенных шатунов на подшипниках шатуна . Коленчатый вал обычно изготавливается из кованой стали или, для менее нагруженных двигателей, из чугуна с шаровидным графитом; Опорные поверхности стальных коленчатых валов обычно закалены или азотированы (см. раздел 7.3.2). Подшипники коленчатого вала являются примерами подшипников скольжения и представляют собой наиболее важный пример приложения с высокими напряжениями, обсуждаемого в разделе 9.2.2 выше. Хотя подшипники коленчатого вала подвергаются непрерывному вращательному движению, нагрузки на них не являются постоянными, а зависят от положения кривошипа во время цикла двигателя и различных сил на шатунах, которые зависят от мощности, вырабатываемой двигателем, и его скорости. Поэтому анализ толщины смазочной пленки и местного давления внутри подшипников является сложным. Как показано на рис. 9.18, режим смазки является преимущественно гидродинамическим, хотя может быть достигнута толщина пленки всего 1 мкм или даже меньше, что переводит контакт в смешанный режим, по крайней мере, на часть цикла.

Малый конец шатуна гибко соединен с поршнем через полый цилиндрический поршневой палец (поршневой палец US , поршневой палец ), изготовленный из закаленной стали. Штифт может быть закреплен на шатуне и вращаться в колебательном движении в двух подшипниковых втулках внутри поршня, или, альтернативно, может быть закреплен в поршне и вращаться во втулке в шатуне, или в некоторых конструкциях может вращаться в обоих компонентах. Эти опорные подшипники с относительно низкими скоростями скольжения, высокими нагрузками и колебательным, а не постоянным вращением работают в условиях граничной или смешанной смазки.

Распределительный вал вращается в подшипниках скольжения с гидродинамической смазкой. Наиболее жесткие условия в клапанной системе возникают в областях контакта между кулачками и их толкателями, где высокая нагрузка и сосредоточенная геометрия контакта приводят к очень высоким контактным давлениям и к эластогидродинамической смазке (EHL), как обсуждалось в разделе 4.5. Как отмечалось для контактов поршень-цилиндр, трибологические условия наиболее жесткие при изменении точки контакта между кулачком и толкателем, когда скорость увлечения смазки падает до нуля.Для кулачков и сопряженных с ними компонентов требуются материалы с высоким пределом текучести, и обычно используются закаленные стали. Низкое трение и износ в контакте кулачка и толкателя зависят от присутствия в смазке модификаторов трения и противоизносных присадок (см. Раздел 4.6) и поверхностных покрытий, таких как алмазоподобный углерод (DLC — см. Раздел 7.4.3). также иногда используется для уменьшения трения в условиях плохой смазки.

История поршневого двигателя

Обновлено 2 ноября 2019 г.

Кевин Бек

Если бы не поршневой двигатель , большинству взрослых в современном обществе было бы трудно добраться до нужного места. повседневная основа.Любой, кто водит или едет на обычном автомобиле, получает выгоду от такого двигателя (электромобили не имеют поршней, вместо этого они приводятся в движение только двигателями ).

Также известен как поршневой двигатель , главный отличительный признак Эти двигатели переводят давление во вращательное движение . Это вращательное движение — другими словами, движение вокруг физической или концептуальной оси — может быть легко преобразовано в поступательное и другие формы движения, когда шины вашего автомобиля катят вас и остальную часть автомобиля, подвешенного над ними, по дороге. .

Существуют различные типы поршневых двигателей, наиболее известный из которых был только что описан — двигатель внутреннего сгорания , который включает газовые автомобильные двигатели и другие подтипы. Среди других разновидностей поршневых двигателей — двигатель внешнего сгорания и двигатель Стирлинга .

Вы узнаете, среди прочего, что атомные электростанции имеют больше общего с локомотивами Старого Запада, чем вы думаете, и в целом поймете, как потребность и человеческая изобретательность снова объединились, чтобы произвести что-то замечательное и преобразующее. .

Поршень и цилиндр в сборе

По какой-то причине поршни, кажется, привлекают больше внимания обычных людей, чем то, что делает их функциональными, а именно цилиндрическая камера, в которой они находятся. Несмотря на известность, поршневой цилиндр лежит в основе единственного устройства, которое, возможно, изменило мир больше, чем какая-либо отдельная машина, — двигателя внутреннего сгорания.

Поршень сам по себе представляет собой цилиндр с закрытой или сплошной головкой, который перемещается вперед и назад в большом цилиндрическом корпусе, на котором и основан цилиндр из названия.Поршень может перемещаться на против давления жидкости или перемещаться под действием давления жидкости. В паровой машине поршень закрыт с обоих концов; стержень проходит через центр, но соединение плотно закрыто. В бензиновом двигателе он открыт с одного конца, чтобы обеспечить колебания (движение вперед и назад) других движущихся частей внутри двигателя.

Как работает поршневой двигатель

Движения поршневого двигателя тесно скоординированы и организованы. Двигатель может состоять из одного поршня, хотя это редкость.Возможны различные конфигурации, включая несколько комбинаций поршня и цилиндра, в том числе ряды, V-образные формы и их комбинации «зигзагообразно».

Не считая количества отдельных поршней, все эти двигатели ведут себя одинаково, независимо от того, какую мощность они могут вырабатывать или какое топливо служит источником давления в цилиндре.

Классический четырехтактный цикл поршневого двигателя имеет четыре этапа или процесса:

Впуск: На первом этапе четырехтактного цикла топливо определенного вида нагнетается в цилиндр через впускной канал вверху, который толкает поршень к нижней части цилиндра.

Компрессия: Затем поршень толкается обратно вверх, что сжимает топливо и воспламеняет его через свечу зажигания в большинстве двигателей. В дизельных двигателях достаточно сжатия топлива достаточно для его воспламенения (грубо говоря, с точки зрения физики давление и температура увеличиваются вместе).

Зажигание: Зажигание топлива толкает поршень вниз еще раз, создавая полезную работу . (величина в физике сродни полезной энергии) к двигателю.Этот «ход» также известен как шаг сгорания или шаг мощности .

Выхлоп: Химические отходы, образующиеся при сгорании топлива, выбрасываются через выхлопное отверстие, и цикл повторяется. Несмотря на кажущуюся тщательность четырех тактов, цикл эффективно повторяется тысячи раз в минуту в стандартных автомобилях — примерно от 50 до 100 раз по в секунду.

• На этом этапе вы, возможно, впервые полностью осознаете, почему вашему двигателю строго требуется смазка или моторное масло; Даже в идеально настроенном топовом двигателе это неизбежное трение, которое необходимо как-то устранить и устранить.

Поршневой двигатель внешнего сгорания

Сказанное выше описывает мир, в котором вы живете, где автомобили практически универсальны. Конечно, так было не всегда, даже в относительно недавнюю историю человечества.

Французский военный инженер Николя-Жозеф Кюньо стоял за одной из первых попыток получить какую-либо жидкость для приведения в действие поршня внутри цилиндра для привода транспортного средства. (Жидкость представляет собой газ или жидкость, такую ​​как пар или вода, первая из которых является газообразной формой последней.) В 1769 году Кюньо построил неуклюжий трехколесный «паровоз», который предназначался для перевозки пушек и мог развивать скорость около 3 миль в час (5 километров в час), но имел тенденцию выходить из-под контроля и разбиваться.

К середине 19 века паровая энергия получила такое широкое распространение, что сопутствующие технологические достижения позволили значительно улучшить ее. Паровоз — отличный пример (ныне устаревшего) двигателя внешнего сгорания: Внешний , потому что уголь, который был воспламенен и сожжен за пределами двигателя (в печи), использовался для кипячения большого количества воды, генерируя пар, который затем был закачан в цилиндры внутри двигателя.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

В 1826 году американец Сэмюэл Морли получил первый патент на двигатель, в котором воспламенение топлива и расширение цилиндра из-за результирующего повышения давления были одинаковыми физическими. локус. Однако только в 1858 году Морли произвел трехколесный фургон, оснащенный двигателем внутреннего сгорания, который работал на «угольном газе» и проехал 50 миль.

Ключевым достижением в конструкции двигателей внутреннего сгорания стала возможность сжимать газ перед его воспламенением, что облегчало горение топлива; давление и температура газа имеют тенденцию повышаться одновременно, тогда как уменьшение объема газа (то есть его сжатие) увеличивает его давление.

Как только двигатель внутреннего сгорания стал приближаться к отдаленно компактным размерам, инженеры и мечтатели сразу же начали мечтать о том, как использовать их в качестве двигателей для первых летательных аппаратов.

Авиационные двигатели

К 1880-м годам смелые изобретатели экспериментировали, если не с летательными аппаратами, «прыгающими машинами», в которых использовались паровые или газовые поршневые двигатели, некоторые достигали 150 футов, но многие другие были уничтожены. в борьбе за расширение горизонтов наблюдений и границ путешествий.

Братья Райт , , Орвилл и Уилбур, сегодня известны, но на самом деле они несколько поздно вступили в «космическую гонку» конца 1800-х годов, которая развернется более полувека спустя между Соединенными Штатами и Советским Союзом. Союз. В 1899 году они проявили должную осмотрительность и много экспериментировали с планирующими машинами, прежде чем пытаться оснастить их двигателями, тем самым узнав больше об основной аэродинамике.

Со времени первого триумфального полета братьев Райт в 1903 году в Китти Хок, Северная Каролина, двигатель внутреннего сгорания прошел долгий путь.В то время как реактивные двигатели сегодня используются в крупных коммерческих и других высокомощных самолетах, большинство небольших и частных самолетов по-прежнему строятся с использованием пропеллеров и двигателей внутреннего сгорания.

• Вы можете часто видеть поршневые двигатели для самолетов, называемые тепловыми двигателями, но все двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями, а двигатели внешнего сгорания являются другой основной категорией тепловых двигателей.

Руководство для начинающих: что такое поршень (и для чего он нужен)?

Поршни составляют основу поршневого двигателя внутреннего сгорания, поэтому их часто называют «поршневыми двигателями».По сути, поршень — это просто сплошной металлический цилиндр, который перемещается вверх и вниз в полом цилиндре блока цилиндров . Сам поршень немного меньше отверстия, в которое он входит, но у него есть поршневые кольца, находящиеся под напряжением, чтобы обеспечить (почти) герметичное уплотнение после его установки в цилиндр двигателя. Поршень прикреплен с помощью пальца к шатуну, который, в свою очередь, соединен с коленчатым валом, и вместе они превращают движение вверх и вниз (возвратно-поступательное) в круговое и круговое (вращательное) движение, приводя в движение колеса.

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

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 поршней во внешних цилиндрах, которые затем приводят в движение колеса.

В роторном двигателе нет поршней, цилиндров или клапанов, только вращаются роторы треугольной формы.Но в настоящее время роторные двигатели Ванкеля в производстве отсутствуют, последним из них стала Mazda RX-8 в 2012 году.

В каждом четырехтактном (бензиновом или дизельном) двигателе автомобиля процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска происходят над головкой поршня, что заставляет поршень перемещаться вверх и вниз (или из стороны в сторону в горизонтально расположенных двигателях). , как Porsche или Subaru) внутри цилиндра. Поршень толкает вверх, сжимая топливо и воздух в гораздо меньшее пространство в головке блока цилиндров, где он воспламеняется свечой зажигания.В результате взрыва поршень опускается вниз, образуя выхлопные газы. Более полное объяснение можно найти здесь или на анимации ниже.

Из чего сделаны поршни?

Компоненты двигателя сегодня должны быть прочными для долговечности и легкими для повышения эффективности, что означает, что все поршни в той или иной форме изготовлены из алюминиевого сплава. Но еще на заре эры безлошадных повозок поршни делали из чугуна, потому что они очень долго изнашивались и устойчивы к нагреванию, которое могло быстро расплавить алюминий.По мере развития металлургии и улучшения контроля температуры за счет более эффективной конструкции легкость алюминия быстро выиграла и позволила достичь гораздо более высоких оборотов в минуту.

Поршневые кольца продолжали изготавливаться из чугуна и стальных сплавов из-за более высокой жесткости пружины. Пакет колец обычно включает сверху вниз компрессионное кольцо, грязесъемное кольцо и маслосъемное кольцо, изготовленные из чугуна или стали.

Компрессионное кольцо закрывает зазор между поршнем и цилиндром.Второе, грязесъемное кольцо, способствует сжатию, а также удаляет излишки масла со стенок цилиндра при движении поршня вниз. Масляное кольцо на самом деле состоит из 2 колец и расширителя в большинстве двигателей, оно также вытирает масло со стенок цилиндра, а затем позволяет ему стекать обратно через небольшие отверстия в посадочной поверхности кольца. Но со временем кольца могут изнашиваться и терять эластичность, позволяя маслу из картера попасть в камеру сгорания. Чрезмерный расход масла и голубоватый дым из выхлопных труб обычно указывает на износ поршневых колец.

с использованием вычислительной гидродинамики и машинного обучения: методологический подход | J. Energy Resour. Technol.

Согласно последним прогнозам, мировой спрос на энергию, используемую в транспортном секторе, будет продолжать расти на 1–1,5% в год к 2040 году [1,2]. Этот рост в основном обусловлен ожидаемым ростом населения, валового внутреннего продукта (ВВП) и уровня жизни.В настоящее время двигатели внутреннего сгорания (ВС), работающие на жидких углеводородах (бензине и дизельном топливе) из нефти, доминируют в секторах пассажирских и коммерческих перевозок, занимая более 99% рынка. Ожидается, что двигатели внутреннего сгорания останутся основным источником спроса на транспортную энергию в промежуточном будущем, несмотря на значительный рост альтернативных источников энергии и конкурирующих технологий (например, электрических и топливных элементов) [1–3].

Законодательные требования, направленные на сокращение выбросов выхлопных газов, повышение эффективности транспортных средств и уменьшение воздействия транспорта на выбросы CO ₂ , являются основными движущими силами, когда речь идет об изменениях в транспортной среде.Эти законодательные требования, наряду с потребностями потребителей в транспортных средствах с повышенной эффективностью, управляемостью и доступностью, подталкивают автопроизводителей к изучению многих аспектов конструкции двигателей, систем управления сгоранием и последующей обработки, которые одновременно снижают расход топлива и выбросы.

Двигатели внутреннего сгорания существуют с 19 века, и их концептуальная идентичность как машины, работающей на топливе, с тех пор не изменилась.Их производительность значительно улучшилась в соответствии с требованиями по топливной экономичности и выбросам [4]. Инструменты, используемые для совместной оптимизации системы топливо / двигатель, развивались с годами. Еще 20 лет назад основным методом оптимизации было экспериментальное прототипирование. За этим последовало численное моделирование, включая сложную трехмерную (3D) вычислительную гидродинамику (CFD), которая сыграла важную роль в оптимизации двигателя / топливной системы. Это развитие стало возможным благодаря значительным достижениям в вычислительной мощности (суперкомпьютеры, кластеры и распараллеливание) и численных моделях (турбулентность, горение, разбрызгивание, теплопередача, сетка и движущиеся границы).Из-за большой размерности, сложности и сильно нелинейных зависимостей в свойствах и характеристиках двигателя как экспериментальные, так и численные подходы к оптимизации могут быть неэффективными и требовать значительного количества времени и усилий для получения локальных, а не глобальных оптимальных конструкций и рабочих условий [5-7 ]. Чтобы преодолеть проблемы с ручной оптимизацией, на протяжении многих лет разрабатывались альтернативные подходы. Техника планирования экспериментов (DoE) в настоящее время широко используется для улучшения оптимизации проекта [8].Probst et al. [8] показали, что последовательный подход DoE в сочетании с моделями CFD может успешно и эффективно оптимизировать двигатели. Последовательная оптимизация DoE сравнивалась с оптимизацией, выполненной с использованием генетического алгоритма (GA). Их исследование подчеркнуло сильные стороны обоих методов оптимизации. GA (известный как эффективный и действенный метод) нашел лучший оптимум, в то время как метод DoE нашел хороший оптимум с меньшим количеством общих симуляций. Метод DoE также запускал больше симуляций одновременно, что является преимуществом при наличии достаточных вычислительных ресурсов.GA [9–14] также использовались для облегчения оптимизации проекта, где целевая функция определяется для представления моделирования CFD. Такой подход GA часто дает лучшие оптимальные решения по сравнению с оптимизацией на основе DoE.

За последние пару десятилетий в области искусственного интеллекта (ИИ) были достигнуты значительные успехи. Эти достижения позволили машинному обучению (ML) стать потенциально эффективным инструментом для оптимизации двигателя / топливных систем [15–18].В частности, нейронные сети использовались в нескольких исследованиях для эффективной оптимизации двигателя / топливных систем. Коррекция системы управления двигателем в реальном времени [19,20] и влияние свойств топлива на выбросы двигателя [7,21] являются примерами некоторых недавних приложений. Другие алгоритмы машинного обучения, такие как случайный лес и машины опорных векторов, также использовались в задачах, связанных с двигателями и транспортными средствами [22–24]. Недавно Moiz et al. [25] предложили улучшенный подход машинного обучения-генетического алгоритма (ML-GA), основанный на методе ансамблевого машинного обучения, известном как SuperLearner [26], для оптимизации условий эксплуатации бензинового воспламенения от сжатия (GCI) для тяжелых условий эксплуатации (HD). двигатель.Впервые DoE был выполнен для создания базы данных для обучения алгоритму машинного обучения. Затем был использован алгоритм оптимизации машинного обучения без дальнейшего моделирования CFD для поиска оптимальных параметров конструкции двигателя. Их подход обеспечил сопоставимые оптимальные рабочие условия при значительно меньшем времени вычислений по сравнению с подходом CFD-GA [25]. Другие исследования, в которых реализованы алгоритмы ML-GA для оптимизации двигателя, можно найти в литературе [7,10–12].

Технологии двигателей с воспламенением от сжатия считаются привлекательной альтернативой, поскольку они могут объединить лучшее, что есть в бензиновых и дизельных двигателях.Режим сгорания CI устраняет традиционную детонацию двигателя, наблюдаемую в двигателях с искровым зажиганием (SI), а работа на обедненной смеси снижает выбросы выхлопных газов из двигателя. Кроме того, обедненная работа без дроссельной заслонки в сочетании с более высокими степенями сжатия повышает эффективность двигателя. Лучшее смешивание топлива и воздуха перед сгоранием (из-за более высокой летучести бензина) снижает образование сажи по сравнению с обычным сгоранием с контролируемым смешиванием (дизельное топливо). Наша исследовательская группа в Saudi Aramco тщательно исследовала сгорание различных видов топлива в двигателях GCI [27–39].

В этой работе используется подход Machine Learning-Grid Gradient Ascent (ML-GGA), функциональность которого аналогична таковой у Moiz et al. [25], предлагается. Разработанный код ML-GGA основан на работе Moiz et al. [25]. Кроме того, исследуется повторяемость метода оптимизации. Также исследуется применимость SuperLearner с небольшими экстраполяциями к исходному пространству дизайна. Наконец, приведены рекомендации по оценке надежности решения.Затем функциональные возможности кода ML-GGA расширяются с использованием стратегии обратной связи и используются для оптимизации геометрии корпуса поршня двигателя HD-GCI.

Измерение температуры поршня в реальном времени с использованием метода телеметрии в двигателе внутреннего сгорания

Автор (ы): Анил Тхакур, Кунал Кападнис, Хемлата Раут, Рахул Шрирам Мор, Прашант Дешмук, Дипак Гундеча

Филиал: Cummins Technology India Limited

Страницы: 8

Событие: Международная конференция по достижениям в области дизайна, материалов, производства и инженерии поверхностей для мобильности

ISSN: 0148-7191

e-ISSN: 2688-3627

Toyota разрабатывает высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала со свободным поршнем… для питания EV

Наверное, нет лучшего летописца, раскрывающего всю глубину американской изобретательности, чем YouTube. Здесь можно найти не только компьютерные модели для всевозможных эзотерических конструкций двигателей внутреннего сгорания, но и их реальные рабочие прототипы, часто построенные отдельными людьми.Иногда здесь могут вводить новшества и крупные компании. В качестве примера можно привести новый линейный генератор со свободным поршневым двигателем (FPEG) от Toyota Central в штате Мэн.

Поршень называют «свободным», потому что коленчатого вала нет. Во время рабочего хода поршень отдает свою кинетическую энергию в неподвижные обмотки, которые его окружают, генерируя заряд трехфазного переменного тока. Он может работать без искры через дизельный цикл или работать на стандартном бензине. Что взволновало людей, так это заявленный термический КПД устройства — 42% он сдувает двигатели, используемые сегодня в автомобилях.Демонстрационный двигатель Toyota, всего 8 дюймов в диаметре и 2 фута в длину, был способен развивать 15 л.с. Модель с двумя цилиндрами будет самобалансирующейся и будет иметь гораздо меньшую вибрацию.

Неудивительно, что клапаны имеют электрический привод, и поэтому их можно лучше использовать для точной настройки мощности во всем диапазоне хода. Говоря о штрихах, видео указывает на двухтактную конструкцию, которая может создать несколько проблем для дорожной конструкции. Во-первых, выбросы могут быть подозрительными.Тем не менее Toyota предполагает, что конструкция сдвоенного агрегата мощностью 20 кВт может приводить в движение легкий электромобиль на крейсерской скорости 120 км / ч (75 миль / ч).

В линейных генераторах и линейных двигателях внутреннего сгорания нет ничего нового. Фонари «Фарадея» с функцией встряхивания, смартфоны и даже рюкзаки для сбора энергии — все это стандартная плата за проезд, в то время как поршни прямого действия одностороннего действия также видели действие в приложениях, столь же интригующих, как ботинки с усилителем мощности для российских военных. Уловка состоит в том, чтобы заставить их работать эффективно в унисон, и в этом вся прелесть того, что, кажется, сделала Toyota.Учитывая, что поршень замедляется и повторно ускоряется на каждом конце хода, любое несоответствие между потребляемой мощностью сгорания и извлечением электромагнитной мощности должно где-то поглощаться. Могут помочь механические или пневматические рессоры, хотя есть вероятность некоторой потери эффективности.

Рискуя внести некоторую путаницу, устройство технически является генератором переменного тока, поскольку оно генерирует переменный ток. Поскольку (в большинстве) электромобилей используются трехфазные асинхронные двигатели переменного тока или трехфазные бесщеточные двигатели постоянного тока «переменного тока», они потенциально могут работать непосредственно от выхода этого устройства, возможно, за исключением некоторого промежуточного напряжения и регулирования тока.