Меню Закрыть

Работа поршня в цилиндре – Как работает поршневой двигатель внутреннего сгорания?

Как выглядит поршень и какую выполняет работу в двигателе?

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

 

Что же представляет из себя этот симпатичный горшок

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

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

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

То есть, вот какою работу выполняет поршень:

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

Как выглядит поршень. Конструкция

Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG

  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 Шатун и Коленчатый вал. Дерзайте, жмите на ссылку!

До новых встреч, друзья!

auto-ru.ru

СПРАВОЧНИК ПО АНАЛИЗУ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПОРШНЯ — Полезная информация


Эта брошюра служит для ориентации механика, который занимается исследованием состояния двигателя и причин, которые могут привести к повреждению поршня.

Техника для отдыха часто эксплуатируется в условиях, способствующих подобным повреждениям. Понимание влияния условий эксплуатации на работоспособность двигателя поможет механику убедить владельца добросовестно относиться к уходу за машиной, чтобы увеличить срок службы его двигателя.

Анализ повреждений поршня является многосторонним, и множество факторов могут привести к одному результату. Редко когда повреждение поршня, кольца или цилиндра вызвано одной причиной. Как правило, такие повреждения происходят вследствие совокупности различных экстремальных факторов, влияющих на работу двигателя.

Содержание этой брошюры может служить ориентиром при определении причины определен¬ной неисправности.

Техническая информация о способах ремонта двигателя с поврежденными поршнем, кольцами и т.д. приведена в руководстве по ремонту машины соответствующей модели.

КОНСТРУКЦИЯ ПОРШНЯ

МАТЕРИАЛ — поршень отлит из алюминиевого сплава с добавками марганца, меди или никеля, которые служат для повышения надежно-сти и термостойкости. Большое содержание кремния (10…25%) повышает литьевые качества металла и снижает коэффициент темпе-ратурного расширения поршня. КОНСТРУКЦИЯ — применение алюминия об-легчает поршень, что позволяет современно¬му двигателю развивать большую скорость вращения при высокой выходной мощности. Применение алюминия с высоким коэффициентом температурного расширения в сочетании с гильзой цилиндра из чугуна, не склонно-го к большому расширению, потребовало при-дать юбке бочкообразный профиль и овальную форму поршню, если посмотреть на него сверху. Такая форма обеспечивает минимальные зазоры в зоне нагнетания и центрирует нагрузку на ось поршневого пальца при рабочей температуре.

Эффективная теплопроводность алюминия способствует поддержанию оптимальной тем-пературы днища поршня, обращенного к каме-ре сгорания, за счет быстрого отвода тепла к цилиндру через кольца и юбку.

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • крепление колец для уплотнения камеры сгорания и контроля за масляной пленкой;
  • передача усилия давления газов на коленчатый вал;
  • отвод тепла через кольца;
  • форма днища обеспечивает оптимальное смесеобразование топлива с воздухом.

ПРОЦЕДУРА АНАЛИЗА ПОВРЕЖДЕНИЙ

  • разберите двигатель в соответствии с указаниями руководства по ремонту;
  • проверьте состояние и расположение демонтированных деталей;
  • демонтируйте поршень, оценив состояние подшипника, втулки, колец, шатуна, а также внутренней и наружной поверхности цилиндра;
  • очистите все детали рекомендуемым способом и препаратами;
  • разложите детали в порядке их демонтажа для более легкой идентификации или замены;
  • исследуйте внимательно детали на предмет состояния металла, наличия необычных следов, царапин и изменения цвета;
  • помните, что при повреждении одного из поршней другой поршень этого двигателя находится в состоянии, близком к подобному по¬вреждению; возможно, вам удастся предотвратить повреждение соседнего цилиндра;
  • пользуясь этими рекомендациями и записям-и о периодическом обслуживании, учитывая состояние двигателя и манеру езды владельца, содержание этой брошюры поможет Вам определить причину неисправности.


НЕ ВЫБРАСЫВАЙТЕ ДЕТАЛИ В ХОДЕ РАЗБОРКИ, ИССЛЕДУЙТЕ ИХ.

На днище поршня имеются отложения, состоящие из масляной золы, компонентов топлива и несгоревшего углерода. Поскольку толщина отложений растет по мере роста наработки двигателя, цвет днища становится более ярким из-за более высокой температуры поверхности.

В зависимости от применяемого топлива и масла нормальные отложения могут иметь коричневый цвет с оттенками от бежевого до почти черно-коричневого. Значительный черный нагар на днище поршня является скоплением несгоревшего углерода из-за низких температур при работе с низкими нагрузками и обогащенной топливной смесью.

Коричневый или черный нагар на боковых стенках поршня ниже колец является спекшимся маслом, вы¬званным его сгоранием от прорвавшихся газов.

Причиной этого является некачественное масло или недостаточное уплотнение колец. Незначительные царапины на юбке могут образоваться от попадания посторонних частиц, попавших в двигатель. Это не является неисправностью и в этом случае не требуется замена поршня. Всегда проверяйте не превышает ли допустимую величину зазор между поршнем и цилиндром. Нагар следует удалять с днища поршня и головки цилиндров с помощью деревянного или пластикового скребка. Чрезмерные отложения нагара приводят к увеличению компрессии и снижают теплоотвод.

На днище имеются желтые пятна, на юбке — следы задира, следов оплавленного алюминия нет. Если в ходе обследования двигателя на днище поршня обнаруживаются желтые или желто-оранжевые отложения, это значит, что сгорание происходило в условиях детонации. При этом воспламенение начинается от искры на свече зажигания, но поскольку фронт пламени перемещается по камере сгорания быстрее, чем при обычном сгорании, несгоревшая часть топливной смеси самовоспламеняется. Это приводит к резкому росту температуры и к ударной волне, которые называются детонацией. При этом процесс сгорания происходит на протяжении 29 град, поворота коленвала вместо нормальных 50 град. Окись кальция, которая входит в состав двухтактного масла, обычно имеет цвет близкий к белому. Но при температуре близкой к температуре плавления поршня окись кальция меняет цвет с белого на желто-оранжевый, что является характерным признаком перегрева двигателя. Чрезмерный нагрев приводит к сильному расширению поршня и возможному нарушению масляной пленки.

Возможные причины:

  • бензин с низким октановым числом или большим содержанием спирта;
  • обедненная топливная смесь или неисправность топливной системы, такая как засорение топливопровода или фильтра, отсутствие вентиляции бака, неисправность топливного насоса, карбюратора, негерметичность картера и т.д.;
  • слишком «горячие» свечи зажигания;
  • слишком ранняя установка опережения зажигания или неисправность блока зажигания;
  • слишком высокая компрессия из-за отложения нагара или модификации головки цилиндров;
  • высокое противодавление из-за засорения системы выпуска;
  • перегрев, ослабление затяжки свечей зажигания.

Наличие оплавленных участков на днище и следы задира на юбке.

Детонация приводит к чрезмерно высокой температуре в камере сгорания. Если условия детонации не устраняются, то резкое повышение температуры нагревает частицы нагара и электроды свечи зажигания до такой степени, что они поджигают топливную смесь прежде, чем искра появится на свече. Это явление называется калильным зажиганием. При калильном зажигании темпера¬тура в камере сгорания растет настолько быстро, что при работающем двигателе поршень нагревается до точки плавления. Металл плавится в зоне непосредственно под свечой зажигания или в зонах тепловой концентрации, таких как штифт поршневого кольца. К задиру также приводит отсутствие масляной пленки на стенках цилиндра. Калильному зажиганию всегда предшествует детонация, и причины ненормального сгорания при этом аналогичны причинам, вызывающим детонацию.

3b

4 — наличие на днище выемок от деталей цилиндрической формы

Возможные причины:

  • попадание иголок подшипника поршневого пальца в зону вытеснения между головкой и поршнем, разрушение поршневых колец и канавок;
  • необходима проверка состояния подшипника нижней головки шатуна.

4а — наличие на днище выемок сферической формы

Возможные причины:

  • попадание в зону вытеснения в двигателе по¬стороннего предмета, такого как головка заклепки, до выброса его через выхлопное окно; в некоторых случаях двигатель продолжает работать до тех пор, пока не повредятся кольца.

4Ь — наличие на юбке вертикальных царапин в зоне отверстия поршневого пальца Возможные причины:

—  попадание стопорного кольца пальца в кромку перепускного окна из-за ослабления его крепления.

Примечание. Стопорное кольцо теряет упру¬гость при неправильном демонтаже. Поэтому рекомендуется всегда устанавливать только новые кольца. Нельзя деформировать стопорное кольцо при его установке. После установки кольца в поршень проверьте не вращается ли оно в канавке. Если вращается — замените его!

5 — следы задира ниже колец со стороны впуска

Возможные причины:

  • попадание снега или воды внутрь двигателя и смывание масляной пленки;
  • появление следов задира со стороны впуска и выпуска при отсутствии на днище поршня следов ненормального сгорания возможно из-за недостатка или отсутствия масла при работе двигателя; следует проверить работу системы впрыска масла или соотношение топливо-масляной смеси и зазор между поршнем и цилиндром;
  • если поршень имеет следы задира со стороны выпуска и впуска при отсутствии на его днище следов ненормального сгорания и имеет черный цвет, причиной этого может служить неисправность системы охлаждения. Следует проверить ремень вентилятора, уровень антифриза и т.д.

5а — темно-коричневый налет на юбке поршня

Возможные причины:

  • низкое качество масла, применение масла цепной передачи или автомобильного;
  • применение присадок к топливу, таких как октан-корректор, повышающих мощность и т.д.


5Ь — следы задира на юбке со стороны выпуска при отсутствии их со стороны впуска

Возможные причины:

  • низкое качество масла.


Задир поршневого кольца (рис. 6)

Риски на цилиндре расположены в зоне перемещения колец. Поверхность цилиндра в хорошем состоянии, за исключением вертикальных полос, голубого цвета. Кольца в зоне контакта имеют темную окраску. Такое происходит из-за нарушения смазки.

Возможные причины:

  • нарушен период обкатки;
  • низкое качество масла;
  • недостаточное количество масла в бензо-масляной смеси;
  • недостаточная производительность системы впрыска масла.

Разрушение поршня (рис. 7)

Усталостное разрушение материала иногда про-исходит с поршнем высокооборотистых двигателей. Однако разрушение юбки поршня происходит как правило из-за чрезмерно большого зазора между поршнем и цилиндром.

Возможные другие причины:

  • поломка шатуна;
  • повреждение из-за небрежного обращения, ударов и т.д.;
  • заедание коленвала из-за заедания поршня;
  • попадание в двигатель посторонних предметов.

rm500.ru

Из чего состоит поршневой двигатель внутреннего сгорания

Большинство автомобилей заставляет перемещаться поршневой двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом. Такая конструкция получила массовое распространение в силу малой стоимости и технологичности производства, сравнительно небольших габаритов и веса.

По виду применяемого топлива ДВС можно разделить на бензиновые и дизельные. Надо сказать, что бензиновые двигатели великолепно работают на газе. Такое деление непосредственно сказывается на конструкции двигателя.

Как устроен поршневой двигатель внутреннего сгорания

Основа его конструкции — блок цилиндров. Это корпус, отлитый из чугуна, алюминиевого или иногда магниевого сплава. Большинство механизмов и деталей других систем двигателя крепятся именно к блоку цилиндров, или располагаются внутри его.

Другая крупная деталь двигателя, это его головка. Она находится в верхней части блока цилиндров. В головке также располагаются детали систем двигателя.

Снизу к блоку цилиндра крепится поддон. Если эта деталь воспринимает нагрузки при работе двигателя, её часто называют поддоном картера, или картером.

Все системы двигателя

  1. кривошипно-шатунный механизм;
  2. механизм газораспределения;
  3. система питания;
  4. система охлаждения;
  5. система смазки;
  6. система зажигания;
  7. система управления двигателем.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из поршня, гильзы цилиндра, шатуна и коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм:
1. Расширитель маслосъёмного кольца. 2. Кольцо поршневое маслосъёмное. 3. Кольцо компрессионное, третье. 4. Кольцо компрессионное, второе. 5. Кольцо компрессионное, верхнее. 6. Поршень. 7. Кольцо стопорное. 8. Палец поршневой. 9. Втулка шатуна. 10. Шатун. 11. Крышка шатуна. 12. Вкладыш нижней головки шатуна. 13. Болт крышки шатуна, короткий. 14. Болт крышки шатуна, длинный. 15. Шестерня ведущая. 16. Заглушка масляного канала шатунной шейки. 17. Вкладыш подшипника коленчатого вала, верхний. 18. Венец зубчатый. 19. Болты. 20. Маховик. 21. Штифты. 22. Болты. 23. Маслоотражатель, задний. 24. Крышка заднего подшипника коленчатого вала. 25. Штифты. 26. Полукольцо упорного подшипника. 27. Вкладыш подшипника коленчатого вала, нижний. 28. Противовес коленчатого вала. 29. Винт. 30. Крышка подшипника коленчатого вала. 31. Болт стяжной. 32. Болт крепления крышки подшипника. 33. Вал коленчатый. 34. Противовес, передний. 35. Маслоотрожатель, передний. 36. Гайка замковая. 37. Шкив. 38. Болты.

Поршень расположен внутри гильзы цилиндра. При помощи поршневого пальца он соединен с шатуном, нижняя головка которого крепится к шатунной шейке коленчатого вала. Гильза цилиндра представляет собой отверстие в блоке, или чугунную втулку, вставляемую в блок.

Гильза цилиндров с блоком

Гильза цилиндра сверху закрыта головкой. Коленчатый вал также крепится к блоку в нижней его части. Механизм преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. То самое вращение, которое, в конечном счете, заставляет крутиться колеса автомобиля.

Газораспределительный механизм отвечает за подачу смеси паров топлива и воздуха в пространство над поршнем и удаление продуктов горения через клапаны, открываемые строго в определенный момент времени.

Система питания отвечает в первую очередь за приготовление горючей смеси нужного состава. Устройства системы хранят топливо, очищают его, смешивают с воздухом так, чтобы обеспечить приготовление смеси нужного состава и количества. Также система отвечает за удаление из двигателя продуктов горения топлива.

При работе двигателя образуется тепловая энергия в количестве большем, чем двигатель способен преобразовать в механическую энергию. К сожалению, так называемый термический коэффициент полезного действия, даже лучших образцов современных двигателей не превышает 40%. Поэтому приходится большое количество «лишней» теплоты рассеивать в окружающем пространстве. Именно этим и занимается система охлаждения, отводит тепло и поддерживает стабильную рабочую температуру двигателя.

Система смазки. Это как раз тот случай: «Не подмажешь, не поедешь». В двигателях внутреннего сгорания большое количество узлов трения и так называемых подшипников скольжения: есть отверстие, в нем вращается вал. Не будет смазки, от трения и перегрева узел выйдет из строя.

Система зажигания призвана поджечь, строго в определенный момент времени, смесь топлива и воздуха в пространстве над поршнем. У дизелей такой системы нет. Там топливо самовоспламеняется при определенных условиях.

Видео:

Система управления двигателем при помощи электронного блока управлении (ЭБУ) управляет системами двигателя и координирует их работу. В первую очередь это приготовление смеси нужного состава и своевременное поджигание её в цилиндрах двигателя.

Загрузка…

avto-i-avto.ru

Глава 4. РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх – вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения.У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке.За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз). При постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре — в верхней и нижней части. В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения. Точки в цилиндре, где поршень «останавливается» и изменяет направление своего движения, называются «мёртвыми точками». Самое дальнее положение поршня в цилиндре относительно оси коленчатого вала (верхнее положение), называют «верхней мёртвой точкой» (в.м.т.), самое ближнее положение поршня в цилиндре относительно оси коленчатого вала (нижнее положение), называют «нижней мёртвой точкой» (н.м.т.).
Чтобы установить поршень (допустим первого цилиндра) в верхнюю мёртвую точку в конце такта сжатия, необходимо повернуть коленчатый вал (например, ключом за гайку храповика) таким образом, чтобы поршень в первом цилиндре занял крайнее верхнее положение, при этом впускные и выпускные клапаны этого цилиндра должны быть закрыты.
Ремонтируя двигатель, или выполняя регулировочные работы, эту операцию ВАМ придётся проделывать множество раз.
Работа двигателя складывается из совокупности процессов, протекающих в цилиндрах двигателя с определённой последовательностью. Эти процессы называют рабочим циклом. Рабочий цикл четырёхтактного двигателя осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода (расширения) и выпуска.
Прежде чем приступить к более подробному рассмотрению рабочего цикла следует познакомиться с некоторыми определениями и терминами, знание и понимание которых даст Вам возможность не только общаться на одном языке с представителями Вашей профессии, но и усваивать материал, изложенный в этой книге и других изданиях по профильной тематике. Часть нужных нам терминов мы уже рассмотрели в предыдущих разделах, о некоторых поговорим позже. Лучше разобраться с рассматриваемой темой поможет рис. 4.1.


Поршень, движущийся в цилиндре, проходит расстояние равное расстоянию между верхней и нижней мёртвыми точками. Это расстояние называется ходом поршня. Двигатели, у которых ход поршня меньше его диаметра, носят название короткоходных. За один ход поршня кривошип КВ проходит расстояние равное двум его радиусам, т.е. совершает полуоборот (180°)
Объем цилиндра, заключённый между крайними положениями поршня в цилиндре (между мёртвыми точками) называют рабочим объёмом цилиндра (Vр). Сумма рабочих объёмов всех цилиндров двигателя, равняется рабочему объёму двигателя, называемому также — литражом двигателя. Сумма рабочего объёма цилиндра (Vр) и объёма камеры сгорания (Vксг) равняется полному объёму (Vп).
Литраж двигателя (рабочий объём) указывается в технической характеристике автомобиля. Сравнивая рабочие характеристики двигателей различных автомобилей можно заметить, что чем больше литраж двигателя, тем выше его мощность и удельный расход топлива (при условии равенства прочих конструкционных особенностей сравниваемых двигателей).
Камерой сгорания называют объём цилиндра над поршнем, при положении поршня в верхней мёртвой точке. Топливно-воздушная смесь в цилиндре сжимается поршнем как раз до этого объёма и сгорает в этом объёме после воспламенения. Отношение объёма смеси, поступившей в цилиндр на такте впуска, к объёму смеси, сжатой до объёма камеры сгорания при такте сжатия, называют степенью сжатия двигателя. Степень сжатия показывает, во сколько раз в цилиндре сжимается смесь и определяется по формуле n = Vп/Vксг.
Степень сжатия современных бензиновых двигателей лежит в пределах 8 – 12, дизельных – в среднем 18 – 22. От степени сжатия во многом зависит топливная экономичность и мощностные характеристики двигателя. Степени сжатия двигателей ограничиваются, у бензиновых двигателей – свойством применяемого топлива (бензина), у дизельных – конструктивными особенностями применяемых материалов, из которых изготавливаются детали двигателя и которые с повышением степени сжатия «обязаны» выдерживать большие нагрузки. Свойства бензинов описываются октановым числом бензина, характеризующим его антидетонационную стойкость. Антидетонационная стойкость топлива тем выше, чем больше его октановое число (А –80, 93, 95, 98 и др.). Конструкция двигателя предполагает применение бензина со строго заданным октановым числом (регламентируется заводом изготовителем). Применение бензина с меньшим октановым числом приведёт к работе двигателя с детонацией и, как следствие, к преждевременному износу, или поломке двигателя. Высокооктановые бензины при сгорании выделяют больше тепла, что также следует учитывать при использовании этих бензинов на автомобилях устаревших конструкций.
Детонационное сгорание рабочей смеси (детонация) предполагает нехарактерно быстрое сгорание (взрыв) топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя, приводящее к повышению нагрузок, в первую очередь на детали цилиндропоршневой группы. Скорость распространения фронта пламени, сгорающего в цилиндре топлива, может возрастать с 40 м/сек. до 2000 м/сек. и более. Признаком работы двигателя с детонацией являются характерные и хорошо прослушиваемые стуки, получившие название детонационных стуков. Детонационные стуки возникают вследствие вибрации стенок цилиндра и других деталей ЦПГ под воздействием «ударной волны». Причиной детонации может быть: 1) применение топлива с октановым числом ниже рекомендованного инструкцией производителя; 2) перегрев двигателя; 3) перегрузка двигателя по оборотам или крутящему моменту; 4) чрезмерно раннее зажигание, а также та или иная совокупность перечисленных явлений.
Работа двигателя с детонацией может сопровождаться перегревом двигателя, падением его мощности и высоким расходом топлива. Иногда появляется искристый или дымный выхлоп из глушителя. Следствием работы двигателя с детонацией могут быть поломки перемычек между кольцами на поршнях, поломки самих колец, оплавление кромки и/или прогорание днища поршня. Лавинообразное повышение температуры в цилиндре вследствие разрушения деталей из-за детонации часто приводит к появлению ещё одного весьма нежелательного явления – калильного зажигания. Калильное зажигание — самопроизвольное и несвоевременное воспламенения смеси от сильно нагретых деталей двигателя (юбки свечи, кромки поршня, кромки клапана, тлеющего нагара и т.п.). Причина появления калильного зажигания может быть и более тривиальной, как-то несоответствие свечей зажигания данному типу двигателя или повышенное нагароотложение на днищах поршней.

На работающем двигателе, при движении поршня к нижней мёртвой точке силы, действующие на поршень, прижимают его к правой стенке цилиндра, а при движении к верхней мёртвой точке, к левой. При переходе поршня через мёртвые точки происходит изменение опоры поршня (перекладка поршня) с одной стенки цилиндра на другую.
Изменение направления действия сил в цилиндре приводит к неравномерному износу цилиндра (под овал и под конус с образованием износного уступа в верхней части цилиндра). Неравномерный износ цилиндра следует учитывать при его измерениях и последующем ремонте.
Давление, создаваемое поршнем в цилиндре в конце такта сжатия называется компрессией. Величина компрессии зависит от степени сжатия двигателя и состояния деталей цилиндропоршневой группы и клапанов. И если степень сжатия задаётся конструкцией двигателя, то состояние деталей ЦПГ и клапанов может существенно меняться в процессе эксплуатации, (детали изнашиваются, зазоры между ними увеличиваются). Измеряя компрессию в цилиндрах двигателя, мы косвенно, но достаточно уверенно можем судить о степени изношенности соответствующих деталей или об их неисправности. Диагностика двигателя методом измерения компрессии в цилиндрах широко применяется на практике.
Фазы газораспределения. Данным термином «обзывают» моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала относительно мёртвых точек. Этот термин станет Вам понятнее, после того как Вы изучите следующую главу.
Порядок работы цилиндров двигателя определяется порядком чередования одноимённых тактов в цилиндрах двигателя (например, тактов рабочего хода).
Например, у широко распространенных рядных четырёхцилиндровых двигателей, возможны два варианта порядка работы цилиндров: 1 – 2 – 4 – 3 или 1 – 3 – 4 – 2. Иной порядок работы может быть лишь при изменении имеющейся, и являющейся оптимальной для этого типа двигателей, конструкции коленчатого и/или распределительного валов, что не практикуется. Данный порядок цифр означает, что при работе двигателя, такты рабочего хода (равно, как и другие такты) чередуются в цилиндрах в изложенной последовательности.


Похожие статьи:

poznayka.org

поршень двигателя

Поршень двигателя является одной из самых главных деталей и конечно же от материала и качества поршней зависит успешная эксплуатация мотора и его долгий ресурс. В этой статье, больше рассчитанной на новичков, будет описано всё (ну или почти всё), что связано с поршнем, а именно: назначение поршня, его устройство, материалы и технология изготовления поршней и другие нюансы.

Сразу хочу предупредить уважаемых читателей, что если какой то важный нюанс, связанный с поршнями, или с технологией их изготовления, я уже написал более подробно в другой статье, то разумеется мне нет смысла повторяться в этой статье. Я просто напросто буду ставить соответствующую ссылку, перейдя по которой уважаемый читатель при желании сможет перейти на другую более подробную статью и в ней ознакомиться с нужной информацией о поршнях более подробно.

На первый взгляд многим новичкам может показаться, что поршень довольно простая деталь и придумать уже что то более совершенное в его технологии производства, форме и конструкции невозможно. Но на самом деле всё не так просто и не смотря на внешнюю простоту формы, поршни и технологии их изготовления до сих пор совершенствуются, особенно на самых современных (серийных или спортивных) более высоко-оборотистых форсированных двигателях. Но не будем забегать вперёд и начнём от простого к сложному.

Для начала разберём для чего нужен поршень (поршни) в двигателе, как он устроен, какие формы поршней бывают для разных двигателей и далее уже плавно перейдём к технологиям изготовления.

Для чего нужен поршень двигателя.

Поршень, за счёт кривошипно-шатунного механизма (коленвала и шатуна — см. рисунок чуть ниже), перемещаясь возвратно-поступательно в цилиндре двигателя, например перемещаясь вверх — для засасывания в цилиндр и сжатия в камере сгорания рабочей смеси, а так же за счёт расширения сгораемых газов перемещаясь в цилиндре вниз, совершает работу, преобразуя тепловую энергию сгораемого топлива в энергию движения, которая способствует (через трансмиссию) вращению ведущих колёс транспортного средства.

Поршень двигателя и силы действующие на него: А — сила, прижимающая поршень к стенкам цилиндра; Б — сила, перемещающая поршень вниз; В — сила передаваемая усилие от поршня к шатуну и наоборот, Г — сила давления сгораемых газов, перемещающая поршень вниз.

 

То есть по сути без поршня в одноцилиндровом двигателе, или без поршней в многоцилиндровом двигателе — невозможно движение транспортного средства, на которое установлен двигатель.

 

Кроме того, как видно из рисунка, на поршень действуют несколько сил, (также на том же рисунке не показаны противоположные силы, давящие на поршень снизу вверх).

 

 

И исходя из того, что на поршень давят и довольно сильно несколько сил, у поршня должны быть некоторые важные свойства, а именно:

  • способность поршня двигателя противостоять огромному давлению газов, расширяющихся в камере сгорания.
  • способность сжать и противостоять большому давлению сжимаемого топлива (особенно на дизелях).
  • способность противостоять прорыву газов между стенками цилиндра и своими стенками.
  • способность передавать огромное давление на шатун, через поршневой палец, без поломок.
  • способность не изнашиваться долгое время от трения о стенки цилиндра.
  • способность не заклиниваться в цилиндре от теплового расширения материала, из которого он изготовлен.
  • поршень двигателя должен иметь способность противостоять высокой температуре сгорания топлива.
  • иметь большую прочность при небольшой массе, чтобы исключить вибрацию и инерционность.

И это далеко не все требования, предъявляемые к поршням, особенно на современных высоко-оборотистых моторах. О полезных свойствах и требованиях современных поршней мы ещё поговорим, а для начала давайте рассмотрим устройство современного поршня.

 

Как видно на рисунке, современный поршень можно разделить на несколько частей, каждая из которых имеет важное значение и свои функции. Но ниже будут описаны основные наиболее важные части поршня двигателя и начнём с наиболее важной и ответственной части — с днища поршня.

 

Донышко (днище) поршня двигателя.

Это самая верхняя и наиболее нагруженная поверхность поршня, которая обращена непосредственно к камере сгорания двигателя. И нагружено донышко любого поршня не только большой давящей силой от расширяющихся с огромной скоростью газов, но и высокой температурой сгорания рабочей смеси.

Кроме того, донышко поршня своим профилем определяет нижнюю поверхность самой камеры сгорания и также определяет такой важный параметр, как степень сжатия. Кстати, зависеть форма донышка поршня может от некоторых параметров, например от расположения в камере сгорания свечей, или форсунок, от расположения и величины открытия клапанов, от диаметра тарелок клапанов — на фото слева хорошо видны выемки для тарелок клапанов в донышке поршня, которые исключают встречу клапанов с донышком.

Так же форма и размеры донышка поршня зависят от объёма и формы камеры сгорания двигателя, или от особенностей подачи в нее топливно-воздушной смеси — например на некоторых старых двухтактных двигателях на донышке поршня делали характерный выступ-гребень, играющий роль отражателя и направляющий поток продуктов горения при продувке. Этот выступ показан на рисунке 2 (выступ на донышке также виден на рисунке выше, где показано устройство поршня). Кстати, на рисунке 2 так же показан рабочий процесс древнего двухтактного двигателя и то, как влияет выступ на донышке поршня на наполнение рабочей смесью и на выпуск отработанных газов (то есть на улучшение продувки).

Двухтактный двигатель мотоцикла — рабочий процесс

Но на некоторых двигателях (например на некоторых дизелях) на донышке поршня в центре наоборот имеется круглая выемка, благодаря которой увеличивается объем камеры сгорания и соответственно уменьшается степень сжатия.

Но, поскольку выемка небольшого диаметра в центре донышка является не желательной для благоприятного наполнения рабочей смесью (появляются нежелательные завихрения), то на многих двигателях на донышках поршней в центре перестали делать выемки.

А для уменьшения объема камеры сгорания приходится делать так называемые вытеснители, то есть изготавливать донышко с определенным объёмом материала, который располагают немного выше основной плоскости донышка поршня.

Ну и ещё один важный показатель — это толщина донышка поршня. Чем она толще, тем прочнее поршень и тем большую тепловую и силовую нагрузку он сможет выдержать довольно долго. А чем тоньше толщина донышка поршня, тем бóльшая  вероятность прогара, или физического разрушения донышка.

Но с увеличением толщины донышка поршня, соответственно увеличивается и масса поршня, что для форсированных высоко-оборотистых моторов очень нежелательно. И поэтому конструкторы идут на компромисс, то есть «ловят» золотую середину между прочностью и массой, ну и конечно же постоянно стараются усовершенствовать технологии производства поршней для современных моторов (о технологиях позже).

Жаровой пояс поршня.

Как видно на рисунке выше, где показано устройство поршня двигателя, жаровым поясом считается расстояние от донышка поршня до его самого верхнего компрессионного кольца. Следует учесть, что чем меньше расстояние от донышка поршня до верхнего кольца, то есть чем тоньше жаровой пояс, тем более высокую тепловую напряжённость будут испытывать нижние элементы поршня, и тем быстрее они будут изнашиваться.

Поэтому для высоко напряжённых форсированных двигателей желательно делать жаровой пояс потолще, однако это делают не всегда, так как это тоже может увеличить высоту и массу поршня, что для форсированных и высоко-оборотистых двигателей нежелательно. Тут так же как и с толщиной донышка поршня, важно найти золотую середину.

Уплотняющий участок поршня.

Этот участок начинается от нижней части жарового пояса до того места, где заканчивается канавка самого нижнего поршневого кольца. На уплотняющем участке поршня расположены канавки поршневых колец и вставлены сами кольца (компрессионные и масло-съёмные).

Канавки колец не только удерживают поршневые кольца на месте, но ещё и обеспечивают их подвижность (благодаря определённым зазорам между кольцами и канавками), что позволяет поршневым кольцам свободно сжиматься и разжиматься за счёт своей упругости (что очень важно если цилиндр изношен и имеет форму бочки). Это также способствует прижиму поршневых колец к стенкам цилиндра, что исключает прорыв газов и способствует хорошей компрессии, даже если цилиндр немного изношен.

Как видно на рисунке с устройством поршня, в канавке (канавках), предназначенной для маслосъёмного кольца имеются отверстия для обратного стока моторного масла, которое масло-съёмное кольцо (или кольца) снимает со стенок цилиндра, при движении поршня в цилиндре.

Кроме основной функции (не допустить прорыва газов) уплотняющего участка, у него есть ещё одно важное свойство — это отвод (точнее распределение) части тепла от поршня на цилиндр и весь двигатель. Разумеется для эффективного распределения (отвода) тепла и для предотвращения прорыва газов важно, что бы поршневые кольца довольно плотно прилегали к своим канавкам, но особенно к поверхности стенки цилиндра.

Головка поршня двигателя.

Головка поршня представляет из себя общий участок, который включает в себя уже описанные мной выше донышко поршня и его и уплотняющий участок. Чем больше и мощнее головка поршня, тем выше его прочность, лучше отвод тепла и соответственно больше ресурс, но и масса тоже больше, что как было сказано выше, нежелательно для высоко-оборотистых моторов. А снизить массу, без уменьшения ресурса, можно если увеличить прочность поршня путём усовершенствования технологии изготовления, но об этом я подробнее напишу позже.

Кстати, чуть не забыл сказать, что в некоторых конструкциях современных поршней, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, в головке поршня делают нирезистовую вставку, то есть в головку поршня заливают ободок из нирезиста (специального прочного и стойкого к коррозии чугуна).

В этом ободке прорезают канавку для самого верхнего и наиболее нагруженного компрессионного поршневого кольца. И хотя благодаря вставке немного увеличивается масса поршня, зато существенно увеличивается его прочность и износостойкость (к примеру нирезистовую вставку имеют наши отечественные Тутаевские поршни, изготовленные на ТМЗ).

Компрессионная высота поршня.

Компрессионная высота — это расстояние в миллиметрах, которое отсчитывается от донышка поршня до оси поршневого пальца (или наоборот). У разных поршней компрессионная высота разная и разумеется чем больше расстояние от оси пальца до донышка, тем она больше, а чем она больше, тем лучше компрессия и меньшая вероятность прорыва газов, но и больше сила трения и нагрев поршня.

На старых тихоходных и мало-оборотистых моторах компрессионная высота поршня была больше, а на современных более высоко-оборотистых двигателях стала меньше. Здесь тоже важно найти золотую середину, которая зависит от форсировки мотора (чем выше обороты, тем меньше должно быть трение и меньшая компрессионная высота).

Юбка поршня двигателя.

Юбкой называют нижнюю часть поршня (её ещё называют направляющей частью). Юбка включает в себя бобышки поршня с отверстиями, в которые вставляется поршневой палец. Внешняя поверхность юбки поршня является направляющей (опорной) поверхностью поршня и эта поверхность также как и поршневые кольца трётся о стенки цилиндра.

Примерно в средней части юбки поршня имеются приливы, в которых имеются отверстия для поршневого пальца. А так как вес материала поршня у приливов тяжелее, чем в других местах юбки, то деформации от воздействия температуры в плоскости бобышек будут больше, чем в других частях поршня.

Поэтому для снижения температурных воздействий (и напряжений) на поршне с двух сторон с поверхности юбки снимают часть материала, примерно на глубину 0,5-1,5 мм и получаются небольшие углубления. Эти углубления, называемые холодильниками, не только способствуют устранению температурных воздействий и деформаций, но ещё и препятствуют образованию задиров, а так же улучшают смазку поршня при движении его в цилиндре.

Следует так же отметить, что юбка поршня имеет форму конуса (в верху у донышка уже, внизу шире), а в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца имеет форму овала. Эти отклонения от идеальной цилиндрической формы минимальные, то есть имеют всего несколько соток мм (эти величины разные — чем больше диаметр, тем больше отклонения).

Конус нужен для того, что бы поршень расширялся от нагрева равномерно, ведь в верху температура поршня выше, а значит и тепловое расширение больше. А раз у донышка диаметр поршня чуть меньше, чем внизу, то при расширении от нагрева поршень примет форму, близкую к идеальному цилиндру.

Ну а овал предназначен для компенсации быстрого износа на стенках юбки, которые стираются быстрее там где трение выше, а выше оно в плоскости движения шатуна.

Благодаря юбке поршня (точнее её боковой поверхности) обеспечивается нужное и правильное положение оси поршня к оси цилиндра мотора. С помощью боковой поверхности юбки, к цилиндру двигателя передаются поперечные усилия от действия боковой силы А  (см. самый верхний рисунок в тексте, а так же рисунок справа) которая периодически воздействует на поршни и цилиндры, при перекладке поршней во время вращения коленвала (кривошипно-шатунного механизма).

Также благодаря боковой поверхности юбки осуществляется отвод тепла от поршня к цилиндру (так же как и от поршневых колец). Чем больше боковая поверхность юбки, тем лучше идёт отвод тепла, меньше утечка газов, меньше стук поршня при некотором износе втулки верхней головки шатуна (или при неточной обработке втулки — см. рисунок слева), впрочем как и при трёх компрессионных кольцах, а не двух (об этом я подробнее написал вот тут).

Но при слишком длинной юбке поршня больше его масса, больше трения возникает о стенки цилиндров (на современных поршнях для уменьшения трения и износа стали наносить антифрикционное покрытие на юбку), а лишняя масса и трение очень нежелательны в высоко-оборотистых форсированных современных (или спортивных) моторах и поэтому на таких двигателях юбку постепенно стали делать очень короткой (так называемая миниюбка) и постепенно почти от неё избавились — так и появился Т-образный поршень, показанный на фото справа.

Но и у Т-образных поршней есть недостатки, например у них опять же могут быть проблемы с трением о стенки цилиндра, из-за недостаточной смазываемой поверхности очень короткой юбки (причём на малых оборотах).

Более подробно об этих проблемах, а так же в каких случаях Т-образные поршни с мини юбкой нужны в некоторых двигателях, а в каких нет, я написал отдельную подробную статью вот здесь. Там же написано об эволюции формы поршня двигателя — советую почитать. Ну а мы думаю уже разобрались с устройством поршней и плавно переходим к технологиям изготовления поршней, чтобы понять какие поршни, изготовленные разными способами лучше, а какие хуже (менее прочные).

Поршни для двигателей — материалы изготовления.

При выборе материала для изготовления поршней предъявляют строгие требования, а именно:

  • материал поршня должен иметь отличные антифрикционные (антизадирные) свойства.
  • материал поршня двигателя должен иметь довольно высокую механическую прочность.
  • материал поршня должен иметь малую плотность и хорошую теплопроводность.
  • материал поршня должен быть стоек к коррозии.
  • материал поршня должен иметь малый коэффициент линейного расширения и быть по возможности близок или равен коэффициенту расширения материала стенок цилиндра.

Чугун.

Раньше, на заре двигателестроения, ещё со времён самых первых автомобилей, мотоциклов и самолётов (аэропланов), для материала поршней применяли серый чугун (кстати для поршней компрессоров тоже). Конечно же, как и у любого материала, у чугуна имеются как достоинства, так и недостатки.

Из достоинств следует отметить хорошую износостойкость и достаточную прочность. Но наиболее важное достоинство чугунных поршней, устанавливаемых в двигатели с чугунными блоками (или гильзами) — это такой же коэффициент теплового расширения, как и чугунного цилиндра двигателя. А значит тепловые зазоры можно сделать минимальными, то есть гораздо меньше, чем у алюминиевого поршня, работающего в чугунном цилиндре. Это позволяло существенно увеличить компрессию и ресурс поршневой группы.

Ещё один существенный плюс чугунных поршней — это небольшое (всего 10 %) снижение механической прочности при нагреве поршня. У алюминиевого поршня снижение механической прочности при нагреве ощутимо больше, но об этом ниже.

Но с появлением более оборотистых двигателей, при использовании чугунных поршней, на больших оборотах стал выявляться их главный недостаток — довольно большая масса, по сравнению с алюминиевыми поршнями. И постепенно перешли к изготовлению поршней из алюминиевых сплавов, даже в двигателях с чугунным блоком, или гильзой, хоть и пришлось делать алюминиевые поршни с гораздо бóльшими тепловыми зазорами, чтобы исключить клин алюминиевого поршня в чугунном цилиндре.

Кстати, раньше на поршнях некоторых двигателей делали косой разрез юбки, который обеспечивал пружинящие свойства юбки алюминиевого поршня и исключал его заклинивание в чугунном цилиндре — пример такого поршня можно увидеть на двигателе мотоцикла ИЖ-49).

А с появлением современных цилиндров, или блоков цилиндров, полностью выполненных из алюминия, в которых уже нет чугунных гильз (то есть покрытых никасилем или керонайтом) появилась возможность изготавливать алюминиевые поршни тоже с минимальными тепловыми зазорами, ведь тепловое расширение легкосплавного цилиндра стало практически таким же, как и у легкосплавного поршня.

Алюминиевые сплавы. Практически все современные поршни на серийных двигателях сейчас изготавливают из алюминиевых сплавов (кроме пластиковых поршней на дешёвых китайских компрессорах).

У поршней, выполненных из алюминиевых сплавов тоже имеются как достоинства, так и недостатки. Из основных достоинств следует отметить небольшой вес легкосплавного поршня, что очень важно для современных высокооборотистых двигателей. Вес алюминиевого поршня конечно же зависит от состава сплава и от технологии изготовления поршня, ведь кованный поршень весит значительно меньше, чем выполненный из того же сплава методом литья, но о технологиях я напишу чуть позже.

Ещё одно достоинство легкосплавных поршней, о которой мало кто знает — это довольно высокая теплопроводность, которая примерно в 3-4 раза выше, чем теплопроводность серого чугуна. Но почему достоинство, ведь при высокой теплопроводности и тепловое расширение довольно не малое и придётся и придётся и тепловые зазоры делать больше, если конечно цилиндр чугунный (но с современными алюминиевыми цилиндрами это стало не нужно).

А дело в том, что высокая теплопроводность не позволяет нагреваться донышку поршня более чем 250 °C, а это способствует гораздо лучшему наполнению цилиндров двигателей и конечно же позволяет ещё более повысить степень сжатия в бензиновых моторах и тем самым поднять их мощность.

Кстати, чтобы как то усилить отлитые из лёгкого сплава поршни, в их конструкцию инженеры добавляют различные усиливающие элементы — например делают стенки и донышко поршня толще, а бобышки под поршневой палец отливают более массивными. Ну или делают вставки из того же чугуна, я об этом уже писал выше. И конечно же все эти усиления увеличивают массу поршня, и в итоге получается, что более древний и прочный поршень, изготовленный из чугуна, проигрывает в весе легкосплавному поршню совсем чуть чуть, где то процентов на 10 — 15.

И тут любому напрашивается вопрос, а стоит ли овчинка выделки? Стóит, ведь у алюминиевых сплавов есть ещё одно отличное свойство — они раза в три лучше отводят тепло, чем тот же чугун. И это важное свойство незаменимо в современных высоко-оборотистых (форсированных и горячих) двигателях, у которых довольно высокая степень сжатия.

К тому же современные технологии производства кованных поршней (о них чуть позже) существенно повышают прочность и уменьшают вес деталей и уже не требуется усиление таких поршней различными вставками, или более массивными отливками.

К недостаткам поршней, выполненных из алюминиевых сплавов относятся такие как: довольно большой коэффициент линейного расширения алюминиевых сплавов, у которых оно составляет примерно в два раза больше, чем у поршней выполненных из чугуна.

Ещё одним существенным недостатком алюминиевых поршней является довольно большое снижение механической прочности, при повышении температуры поршня. К примеру: если легкосплавный поршень нагреть до трёхсот градусов, то это приведёт к снижению его прочности аж в два раза (примерно на 55 — 50 процентов). А у чугунного поршня при его нагреве прочность снижается ощутимо меньше — всего на 10 — 15%. Хотя современные поршни, выполненные из алюминиевых сплавов методом поковки, а не с помощью литья, при нагреве теряют прочность гораздо меньше.

На многих современных алюминиевых поршнях снижение механической прочности и слишком большое тепловое расширение устраняется более совершенными технологиями производства, которые заменили традиционное литьё (об этом ниже), а так же специальными компенсационными вставками (например упомянутые мной выше — вставки из нирезиста), которые не только увеличивают прочность, но и значительно уменьшают тепловое расширение стенок юбки поршня.

Поршень двигателя — технологии изготовления.

Ни для кого не секрет, что со временем, чтобы увеличить мощность двигателей, постепенно начали повышать степень сжатия и обороты моторов. А чтобы поднять мощность без особого ущерба для ресурса поршней, постепенно совершенствовались технологии их изготовления. Но начнём всё по порядку — с обычных литых поршней.

Поршни изготовленные методом обычного литья.

Эта технология самая простая и древняя, она применяется с самого начала истории авто и двигателестроения, ещё со времён первых чугунных поршней.

Технология производства поршней для самых современных двигателей обычным литьём уже почти не применяется. Ведь на выходе получается продукт имеющий изъяны (поры и т.д.) значительно снижающие прочность детали. Да и технология обычного литья в форму (кокиль) довольно древняя, она позаимствована ещё у наших древних предков, которые много веков назад отливали бронзовые топоры.

И залитый в кокиль сплав алюминия повторяет форму кокиля (матрицы), а потом деталь ещё нужно обработать термически и на станках, снимая лишний материал, что отнимает не мало времени (даже на станках с ЧПУ).

Литьё под давлением.

У поршня, изготовленного методом простого литья прочность не высока, из-за пористости детали и постепенно многие фирмы от этого способа отошли и начали отливать поршни под давлением, что значительно улучшило прочность, так как пористость почти отсутствует.

Технология литья под давлением, существенно отличается от технологии обычного литья топоров бронзового века и конечно же на выходе получается более аккуратная и прочная деталь, имеющая несколько лучшую структуру. Кстати, литьём алюминиевых сплавов под давлением в форму (ещё эту технологию называют жидкой штамповкой) отливают не только поршни, но и рамы некоторых современных мотоциклов и автомобилей.

Но всё же и эта технология не идеальна и если даже вы возьмёте в руки отлитый под давлением поршень и рассмотрев его, ничего не обнаружите на его поверхности, но это не значит, что и внутри всё идеально. Ведь в процессе литья, даже под давлением, не исключено появления внутренних пустот и каверн (мельчайших пузырьков), уменьшающих прочность детали.

Но всё же литьё поршней под давлением (жидкая штамповка) существенно лучше обычного литья и эта технология до сих пор применяется на многих заводах при изготовлении поршней, рам, деталей ходовой и других деталей автомобилей и мотоциклов. А кому интересно более подробно почитать о том, как делают жидко-штампованные поршни и о их преимуществах, то читаем о них вот здесь.

Кованные поршни автомобиля (мотоцикла).

Кованые поршни для отечественных автомобилей.

Эта наиболее прогрессивная на данный момент технология производства современных легкосплавных поршней, которые имеют множество преимуществ перед литыми и которые устанавливают на самые современные высоко-оборотистые моторы, с высокой степенью сжатия. У кованных поршней, изготовленных авторитетными фирмами, практически нет недостатков.

Но мне нет смысла писать о кованных поршнях подробно в этой статье, так как я написал о них две очень подробные статьи, которые каждый желающий сможет почитать, кликнув на ссылки ниже.

Кованные поршни 1

Кованные поршни 2

Вот вроде бы и всё, если что нибудь вспомню ещё о такой важной детали, как поршень двигателя, то обязательно допишу, успехов всем.

suvorov-castom.ru

Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?

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 цилиндрической формы. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения, из-за чего поршень 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.

КОНСТРУКЦИЯ

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.

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 поршневого 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 поршневой 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: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО

neauto.ru

Что такое ЦПГ?

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания (ЦПГ) — поршень с компрессионными и маслосъемными кольцами, которые называются поршневыми кольцами, а также гильза цилиндра. Кольца установлены в специальные канавки на поршне. Именно поршневые кольца вступают в контакт с рабочей поверхностью цилиндра, а точнее с гильзой.

В процессе работы двигателя поршень с установленными кольцами совершает возвратно-поступательные движения внутри гильзы, в результате чего рабочая поверхность гильзы (зеркало цилиндра) подвергается постепенному износу. Также износу подвержены и сами компрессионные и маслосъемные кольца.

От состояния цилиндро-поршневой группы напрямую зависят важнейшие показатели, необходимые для стабильной работы двигателя внутреннего сгорания. Состояние ЦПГ влияет на показатель компрессии (давления) в цилиндрах ДВС. Необходимая компрессия бензинового и дизельного мотора обеспечивает уверенный холодный и горячий запуск двигателя, его мощность, экологичность и другие эксплуатационные показатели. 

От исправности и состояния ЦПГ также зависит расход топлива и моторного масла, а также продолжительность срока службы двигателя до его капитального ремонта. Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя подразумевает замену маслосъемных и компрессионных колец, расточку блока цилиндров, установку новых поршней и шатунов, гильзовку блока цилиндров.

Читайте также

krutimotor.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о