Поршень двигателя из чего состоит: Поршень двигателя — устройство и неисправности

Поршневая группа

Поршневая группа состоит из поршня в сборе, уплотнительных и маслосъемных колец, поршневого пальца. По конструктивным признакам различают поршни тронковые, для двигателей крейцкопфного типа и двустороннего действия. Тронковые поршни соединяются с шатуном поршневым паль­цем. Для обеспечения газонепроницаемости полостей цилиндра поршень снабжают уплотнительными кольцами, а для предотвра­щения попадания масла в камеру сгорания — маслосъемными кольцами. Материалом для поршней служит чугун марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и сталь. Поршни небольшого диаметра быстроходных двигателей можно изготовлять из алюминиевых сплавов (АЛ1, АЛ2, АК2, АК4). Такие поршни имеют малый вес и небольшие температурные напряжения в днище; недостатки поршней — не­значительная износостойкость и большой коэффициент теплового линейного расширения. Поршень (рис. 139) состоит из нижней направляющей части — тройка или юбки 1 и верхней части — головки поршня 3 с поршне­выми кольцами 2. Конфигурация камеры сгорания двигателя, тип продувки, расположение в крышке клапанов и форсунки опреде­ляют форму днища поршня 4. Днище поршня может иметь вогну­тую, двояковогнутую, выпуклую и другую формы. Некоторые формы днищ поршней показаны на рис. 140. При диаметре поршня более 400 мм головку поршня выполняют съемной. Разъемная конструкция позволяет уменьшить стоимость поршня, так как только головку изготовляют из дорогостоящего жаропрочного ма­териала, и облегчает ремонт поршня. Головку крепят к тройку болтами или шпильками. В некоторых конструкциях поршня внутреннюю поверхность днища для предохранения от нагарообразования и защиты голов­ного подшипника от теплового излучения закрывают мембраной; для увеличения жесткости днище снизу подкрепляют ребрами, ко­торые одновременно улучшают его охлаждение. Поршневой палец 1 (рис. 141) размещен в приливах (бобыш­ках) 2 и фиксируется от осевого смещения пружинными кольцами 3. Пальцы закрепляются стопорным болтом 6 либо свободно вращаются — пальцы плавающего типа. Пальцы плавающего типа более распространены у быстроходных двигателей. Бронзовые втулки 4, запрессованные в бобышки чугунного поршня, являются подшипниками для поршневого пальца плавающего типа. Пальцы изготовляют из малоуглеродистой стали 15 или 20 с последующей цементацией и шлифованием или из легированной стали 15ХМА, 12МХ2А, 18ХНМА, 20Х и др. с последующей закалкой. В некото­рых конструкциях поршней с целью предотвращения соприкосно­вения пальца с зеркалом цилиндра ставят алюминиевые за­глушки 5 грибовидной формы. Поршневые кольца располагают в канавках, проточенных в теле поршня. Поршневые кольца делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные кольца 2 (см. рис. 139) обеспечи­вают плотность поршня в цилиндре, предотвращают прорыв газов в картер двигателя и способствуют отводу тепла от головки поршня через втулку цилиндра охлаждающей воде. Маслосъемные кольца 6 и 7 (см. рис. 139) служат для удаления излишнего масла с зеркала цилиндра, что уменьшает нагарообразование в цилиндре, и не допускают проникновения масла в камеру сго­рания. Материалом для изготовления колец служит чугун СЧ24-44, реже сталь. Кольца изготовляют самопружинящими с разрезом-замком, обеспечивающим заводку кольца в канавку поршня и воз­можность теплового расширения кольца. Число уплотнительных колец шесть—три, маслосъемных три—одно. Уплотнительные кольца, как правило, прямоугольного сечения, рабочая поверхность кольца и поверхность зеркала цилиндра параллельны. В от­личие от уплотнительных (компрессионных) маслосъемные кольца имеют скос (рис. 142, а), с помощью которого масло удаляется из зеркала цилиндра и через специальные каналы 5 (см. рис. 139) в поршне стекает в картер. Необходимо особо быть вниматель­ным при монтаже маслосъемных колец, не допуская установки кольца скосом вниз, так как тогда масло будет попадать в камеру сгорания. Зазоры между поршневыми кольцами и стенками ка­навки в радиальном направлении равны 0,5—1,0 мм, по высоте 0,15—0,066 мм. Типы замков поршневых колец показаны на рис. 142, б. При установке колец на поршень необходимо стыки (замки) распола­гать в разных положениях по окружности во избежание утечки газов. Поршневые кольца поршней двухтактных двигателей для предохранения от проворачивания и попадания замка в район рас­положения окоп стопорят фиксаторами. Поршень крейцкопфного двигателя соединяется с шатуном, штоком и крейцкопфом. В этом случае поршень крепят к штоку жестко специальным фланцевым соединением (рис. 143). Поршень крейцкопфного двигателя разгружен от боковых усилий и не имеет тронка. На рис. 144 показан составной охлаждаемый поршень крейц­копфного двигателя, имеющего штампованную вставку из алюми­ниевого сплава АК6. Поршень состоит из трех основных частей: головки 1, отлитой из высокопрочного жаростойкого чугуна, кор­пуса 3 из перлитного чугуна и вставки 2. В поршнях новейшей конструкции пазы (канавки) под уплотнительные кольца хроми­руют или завальцовывают чугунными противоизносными коль­цами. Общий вид поршня, крейцкопфа и шатуна с подшипником приведен на рис. 145. Для достижения нормальных условий работы поршня необхо­димо обеспечить его охлаждение и прежде всего головки. Наибо­лее надежным средством снижения температуры головки яв­ляется искусственное охлаждение. При диаметрах цилиндра в двухтактных двигателях свыше 250 мм, а в четырехтактных свыше 400 мм применяют масляное охлаждение поршня. Охлаждение во­дой используют редко, так как требуется тщательное герметизи­рующее устройство, предотвращающее попадание воды в масло картера. Наиболее распространена телескопическая и шарнирная системы подачи охлаждающей жидкости под давлением в закры­тую полость поршня. Штоки крейцкопфных двигателей выполняют стальными ко­ваными, круглого сечения, часто пустотелыми. В верхней части они имеют фланцы для крепления с поршнем, а нижней пяткой или хвостовиком 4 (рис. 146) соединяются с поперечиной 7 и фик­сируются гайкой 2. В состав крейцкопфа входят: стальной или чугунный ползун, опорные рабочие поверхности а и б которого покрыты тонким слоем антифрикционного сплава. Ползун, скользя по параллели картера, передает последней боковые усилия и та­ким образом разгружает поршень. Поверхность а передает боко­вые усилия при работе двигателя на передний ход, поверхность б, значительно меньшая по площади,— на задний ход. Ползун кре­пят болтами к стальной поперечине 3. Поперечина имеет цапфы 1, которые охватываются головным подшипником шатуна. В двига­телях, длительное время работающих на задний ход (буксиры, ле­доколы), ползуны выполняют двусторонними. По каналу 5 масло поступает на охлаждение поршня, а по каналу 6 — на смазку ра­бочих поверхностей ползуна. На рис. 147 показана параллель крейцкопфного двигателя.

Поршневая группа: поршень

Поршневую группу образует поршень в сборе с комплектом уплотняющих колец, поршневым пальцем и деталями его крепления. Назначение поршневой группы состоит в том, чтобы: 1) воспринимать давления газов и через шатун передавать эти давления на коленчатый вал двигателя; 2) уплотнять надпоршневую полость цилиндра как от прорыва газов в картер, так и от излишнего проникновения в нее смазочного масла. Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей. Поршневая группа работает в сложных температурных условиях с циклическими резко изменяющимися нагрузками при ограниченной смазке и недостаточном теплоотводе вследствие трудностей охлаждения. Поэтому детали поршневой группы имеют наиболее высокую тепловую напряженность, что обязательно учитывается при выборе их конструкции и материала. Элементы поршневой группы обычно разрабатывают с учетом назначения и типа двигателей (стационарные, транспортные, форсированные, двухтактные двигатели, дизели и т. д.), но общее их устройство в двигателях тронкового типа остается сходным. Поршни. Поршень состоит из двух основных частей: головки I и направляющей части II (рис. 1, а).   Рисунок 1 Направляющую (тронковую) часть обычно называют юбкой поршня. С внутренней стороны она имеет приливы — бобышки 8, в которых просверливают отверстие 9 для поршневого пальца. Для фиксации пальца в отверстиях 9 протачивают канавки 10, в которых размещают детали, запирающие палец. Нижнюю кромку юбки часто используют в качестве технологической базы при механической обработке поршня. С этой целью она снабжается иногда точно растачиваемым буртиком 6. С внутреннего торца 5 буртика снимают металл при подгонке поршня по весу в случаях, если вес поршня после обработки превышает норму, принятую для данного двигателя. В зоне выхода отверстий под поршневой палец на внешних стенках юбки 11 делают местные углубления 4, вследствие чего стенки этих зон не соприкасаются со стенками цилиндра и не трутся о них, образуя так называемые холодильники. Юбка служит не только направляющей частью поршня, ее стенки воспринимают также силы бокового давления N6, что увеличивает силу их трения о стенки цилиндра и повышает нагрев поршня и цилиндра. Для обеспечения свободного перемещения поршня в цилиндре прогретого и нагруженного двигателя между направляющей его частью (юбкой) и стенками цилиндра предусматривают зазор. Величина этого зазора определяется из условий линейного расширения материала поршня и цилиндра при нормальном тепловом состоянии двигателя. Перегрев поршня опасен, так как приводит к захватыванию и даже к аварийному заклиниванию его в цилиндре. Опыт свидетельствует, что излишне большие зазоры между поршнем и стенками цилиндра тоже не желательны, поскольку это ухудшает уплотняющие свойства поршневой группы и вызывает стуки поршня о стенки цилиндра. Работа автомобильного двигателя со стуками поршней не допускается. Головка поршня имеет днище 1 и несет уплотняющие поршневые кольца, которые размещают на боковых ее стенках 11 в канавках 2, разделяемых друг от друга перемычками 12. Нижняя канавка снабжается дренажными отверстиями 3, через которые со стенок цилиндра отводят смазочное масло с тем, чтобы предотвратить его проникновение (подсос) в камеру сгорания. Диаметр дренажных отверстий составляет примерно 2,5—3 мм. При меньшем размере они быстро загрязняются и выходят из строя. Поршни изготовляют с несколькими рядами дренажных отверстий, располагая их под поршневыми кольцами, а также рядом с ними на специально проточенных поясках (лысках). Днище головки поршня является одной из стенок камеры сгорания и воспринимает поэтому большие давления газов, омывается открытым пламенем и раскаленными до температуры 1500—2500°С газами. Для увеличения прочности днища и повышения общей жесткости головки ее боковые стенки 11 снабжают массивными ребрами 13, связывающими стенки и днище с бобышками 8. Ореб-ряют иногда и днище, но чаще всего оно выполняется гладким, с переменным сечением, постепенно утолщающимся к периферии, как показано на рис. 1, а. При таком сечении улучшается тепло-отвод от днища и уменьшается температура его нагрева. Высокий нагрев днища вообще нежелателен, так как это ухудшает весовое наполнение цилиндров и приводит к снижению мощности двигателя из-за повышенного подогрева свежего заряда от соприкосновения с чрезмерно горячей поверхностью днища. В карбюраторных двигателях возможны при этом преждевременные вспышки и появление разрушительного детонационного сгорания. Днища поршней в двигателях автомобильного, тракторного и мотоциклетного классов изготовляются плоскими, выпуклыми, вогнутыми и фигурными (см. рис. 1, а, г—к). Форма их выбирается с учетом типа двигателя, камеры сгорания, принятого смесеобразования и технологии изготовления поршней. Самой простой и технологически целесообразной является плоская форма днища (см. рис. 1, а). Такая форма находит применение в различных двигателях и особенно широко используется в автомобильных и тракторных двигателях, в которых камера сгорания, или основной ее объем, располагается в головке цилиндра. Плоские днища имеют относительно малую поверхность соприкосновения с раскаленными газами, что положительно сказывается на их тепловой напряженности. Сравнительно несложную геометрическую форму имеют также выпуклые и вогнутые днища (см. рис. 1, г, д). Выпуклая форма придает днищу большую жесткость и уменьшает возможное нагаро-образование (масло, проникающее в камеру сгорания, с выпуклого днища легко стекает, но выпуклое днище всегда бывает более горячим, чем плоское). Вогнутая форма днищ облегчает общую компоновку сферических камер сгорания, но создает благоприятные условия для повышенного нагарообразования. Масло, проникающее в камеру сгорания, накапливается здесь в наиболее горячей центральной зоне днища. Поэтому в четырехтактных двигателях выпуклые и особенно вогнутые днища находят ограниченное применение. Однако в двухтактных двигателях с контурно-щелевой, продувкой, где выпуклые и вогнутые формы днищ облегчают организацию продувки цилиндров, они широко используются. В двухтактных двигателях используются также и фигурные днища с козырьками-отражателями или дефлекторами (см. рис. 1, г), обеспечивающими заданное направление потоку горючей смеси при продувке цилиндров. Фигурные днища с различного рода вытеснителями (см. рис. 1, ж) применяют и в четырехтактных карбюраторных двигателях. При необходимости днища с вытеснителями легко позволяют видоизменять или уменьшать камеру сгорания. С этой целью применяют иногда и выпуклые днища, как, например, в двигателе МЗМА-412. В последнее время для автомобильных карбюраторных двигателей стали применять фигурные днища, позволяющие полностью или частично размещать камеру сгорания в головке поршня (см. рис 1, з). Карбюраторные двигатели с камерой сгорания в поршне обладают хорошими показателями и являются перспективными. Поршни автомобильных и тракторных дизелей в зависимости от принятого смесеобразования строят как с плоскими, так и с фигурными днищами. Часто днищу придают форму (см. рис. 1, и), соответствующую форме факелов топлива, распыли-ваемого через многодырчатую форсунку, расположенную в центре камеры сгорания. Широко распространены фигурные днища, форма которых предопределяется принятой для дизеля камерой сгорания с частичным или полным размещением ее в головке поршня. На рис. 1, к в качестве примера показана камера сгорания ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт, г. Ленинград), обеспечивающая работу двигателя с хорошими показателями. Головка поршня по сравнению с юбкой в любом случае имеет более высокую рабочую температуру, а следовательно, и больше, чем юбка, увеличивается в размерах. Поэтому диаметр ее Dr всегда делают меньше диаметра юбки Dю. У поршней автомобильных двигателей эта разница составляет в среднем 0,5 мм. Боковым стенкам головки придают форму цилиндра или усеченного конуса с малым основанием у днища или же выполняют их ступенчатыми. Размеры при этом выбирают так, чтобы стенки головки в горячем состоянии на режиме максимальной мощности двигателя не соприкасались со стенками цилиндра. Тем не менее головку считают уплотняющей частью поршня, имея в виду, что стенки ее вместе с поршневыми кольцами, как будет показано ниже, образуют уплотняющий лабиринт. В некоторых конструкциях на стенках головки делают проточку 14, изменяющую направление теплового потока у верхнего поршневого кольца. На днище поршня иногда делают технологическое центровочное отверстие 15, для размещения которого при отсутствии оребрения предусматривают специальный прилив. Если центровка днища не предусмотрена конструкцией, то поршень при обработке на станках крепят с использованием отверстий 9 в бобышках. Базовой поверхностью в обоих случаях является точно обработанный буртик 6 или просто поясок 18, растачиваемый непосредственно в стенках 7 юбки (см. рис. 1, б). Для этих же целей бобышки часто снабжаются приливами 16 и технологическими отверстиями 19 (см. рис. 1, в). При отсутствии буртика 6 подгонка поршней по весу осуществляется за счет снятия металла с торцов 17 приливов 16 на бобышках. Поршневая группа совершает возвратно-поступательное движение, вследствие чего подвергается воздействию сил инерции. Опытами и расчетами установлено, что максимальная величина сил инерции на больших скоростных режимах работы составляет значительную долю от газовых сил. Таким образом, на поршень действует комплекс различных силовых и тепловых нагрузок в условиях, неблагоприятных для смазки и охлаждения. 3 н/м3), что приводит к переутяжелению изготовленных из него поршней. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, где силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газа на днище поршня. Чугун имеет еще и низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350÷400°С. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, поскольку это служит причиной возникновения детонации. Указанные недостатки чугунных поршней в определенной мере присущи и стальным поршням. Однако стенки стальных поршней значительно тоньше стенок чугунных поршней, но сложность отливки удорожает их производство. Стальные поршни не получили распространения в автомобилестроении. Потеряли практическую ценность и поршни из магниевых сплавов, основу которых составляет магнии, сплавленный с 5—10% алюминия. Такие сплавы отличаются малым удельным весом (1,8 г/см3, или 1,8-10^3 н/м3), но не обладают нужной прочностью. Подавляющее большинство быстроходных карбюраторных двигателей и дизелей автомобильного типа снабжается поршнями, изготовленными из алюминиевых сплавов. Основу их составляет алюминий, сплавленный с медью (6—12%) или кремнием (до 23%). В зависимости от марки алюминиевые поршневые сплавы содержат в небольших (1,0—2,5%) количествах никель, железо, магний, а иногда до 0,5% титана. Особенно широко применяют теперь силумины — алюминиевые сплавы, содержащие примерно 13% кремния. Внедряются сплавы с 20 — 22% кремния. Большим достоинством алюминиевых поршневых сплавов является то, что они примерно в 2,6 раза легче чугуна, обладают в 3—4 раза большей теплопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами. Благодаря этому вес изготовленных из этих сплавов гак называемых алюминиевых поршней, как минимум, на 30% бывает легче чугунных, хотя стенки их по соображениям прочности делаются толще последних. Нагрев днища алюминиевых поршней обычно не превышает 250°С, что способствует лучшему наполнению цилиндров и в карбюраторных двигателях позволяет несколько увеличивать степень сжатия при работе на данном сорте топлива. Поэтому мощностные и экономические показатели двигателей при переходе на алюминиевые поршни улучшаются. Появляется возможность форсирования двигателей с целью повышения их мощности путем увеличения числа оборотов коленчатого вала. Недостатками алюминиевых поршневых сплавов являются: большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больший, чем у чугуна), значительное уменьшение механической прочности при нагреве (нагрев до температуры 300°С снижает их прочность на 50—55% против 10% у чугуна) и сравнительно малая износостойкость. Однако современные методы производства и конструкции алюминиевых поршней позволяют использовать алюминиевые сплавы для поршней любых быстроходных автомобильных двигателей. Необходимое повышение механической прочности и износостойкости поршней из алюминиевых сплавов в зависимости от состава последних в определенной мере достигается путем одно- или многоступенчатой термической обработки. Например, в течение 12— 14 часов поршни выдерживают в нагревательной печи при температуре 175—200°С (близкой к рабочей). После завершения такого искусственного старения твердость поршней с 80 единиц по Бринеллю повышается до НВ 110—120 и резко увеличивается их долговечность. Недопустимые для нормальной работы поршневой группы большие зазоры между стенками цилиндра и юбкой алюминиевого поршня, обусловливаемые высоким коэффициентом линейного расширения алюминиевых сплавов, устраняются применением рациональной конструкции для элементов поршня. Опыт показывает, что правильно спроектированные алюминиевые поршни могут работать с очень малыми зазорами, не вызывая стука даже в холодном состоянии. Достигается это с помощью компенсационных прорезей или вставок, которыми снабжают стенки юбки, приданием юбке овальной или овально-конусной формы, путем изолирования рабочей (направляющей) ее зоны от более горячей части поршня головки и принудительным охлаждением последней. В практике автомобилестроения часто применяют сразу несколько дополняющих друг друга мероприятий. Основными из них являются: 1) разрез юбки по всей ее длине (рис. 2, а). Такой разрез, как правило, делают косым так, что верхний и нижний участки его перекрываются. Косой разрез не оставляет следа на стенках цилиндра и позволяет разрезанным стенкам юбки при их нагреве сходиться (сближаться) за счет уменьшения ширины прорези, обеспечивая тем самым свободное перемещение горячего поршня в цилиндре. Чтобы увеличить пружинящие свойства разрезанных стенок и уменьшить температуру их нагрева, юбка в этой зоне отделяется от головки широкой горизонтальной прорезью, которая обычно проходит по канавке нижнего поршневого кольца, как показано на рис. 2, а. Горизонтальная прорезь в данном случае является одновременно изолирующей, защищающей юбку от теплового потока, идущего со стороны более горячей головки, и дренажной, позволяющей отводить масло со стенок цилиндра.   Рисунок 2 Юбка с разрезом на всю ее длину выполняется цилиндрической а ширину прорези выбирают так, чтобы полностью исключалась возможность захватывания горячего поршня в цилиндре. Рассмотренный метод несколько снижает жесткость поршня и пригоден только для карбюраторных двигателей. Он используется в известном отечественном двигателе ЗИЛ-120, где тепловые зазоры между поршнем и цилиндром составляют 0,08—0,10 мм. Поршни с полностью разрезанной юбкой устанавливаются в цилиндр так, чтобы разрезанная сторона юбки не нагружалась боковыми силами при рабочем ходе; 2) разрез юбки не на полную ее длину, а в виде Т- и П-образных прорезей (рис. 2, б, в). Такие прорези сочетаются с овальной формой юбки. Величина овала составляет 0,3—0,5 мм, причем большая ось его располагается перпендикулярно к оси поршневого пальца как показано на рис. 2. Вследствие этого юбка соприкасается со стенками цилиндра только в плоскости качания шатуна узкими полосками и при нагреве может свободно расширяться в обе стороны по оси поршневого пальца, увеличивая зону своего контакта с цилиндром. В поршнях с Т- и П-образными разрезами изолирующие горизонтальные прорези между юбкой и головкой делают с обеих сторон бобышек, поэтому тепловой поток от головки направляется непосредственно на бобышки и не оказывает интенсивного влияния на нагрев стенок юбки в зоне их контакта с цилиндром. Эти виды прорезей придают юбке пружинящие свойства, облегчая этим деформацию ее стенок. Чтобы не допустить появление трещин на концах прорезей в связи с деформацией стенок, их засверливают, как показано на рис. 2. Поршни с овальной, частично разрезанной юбкой обладают достаточной прочностью и обеспечивают удовлетворительную работу поршневой группы автомобильных двигателей с очень малыми тепловыми зазорами, составляющими в среднем 0,02—0,03 мм. Часто юбке таких поршней придают не только овальную, но и конусную форму, располагая большой диаметр усеченного конуса по нижней кромке юбки. Величина конусности составляет примерно 0,05 мм; 3) компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна (рис. 2, г, д, е). Вставки применяются различной конструкции, но чаще всего они представляют собой пластины инварные или стальные, связывающие стенки юбки с бобышками поршня. Чтобы уменьшить при этом температуру нагрева юбки, последняя с двух сторон бобышек отделяется от головки поперечными изолирующими прорезями. Инварные вставки, содержащие около 35% никеля, имеют весьма низкий коэффициент линейного расширения (в 10—11 раз меньший, чем у алюминиевых поршневых сплавов). С их помощью зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра практически удается сохранять неизменным как в холодном, так и прогретом состоянии двигателя. Поршни с ииварными вставками обычно имеют развитые- холодильники и свободно расширяются только в направлениях оси поршневого пальца (см. рис. 2, д), не изменяя рассматриваемого зазора. В настоящее время широко применяют более дешевые вставки из нелегированной стали, которые заливаются в бобышки так, что вместе с тонким слоем основного алюминиевого сплава поршня они образуют биметаллические пары (см. рис. 2, г). Вследствие разности коэффициентов линейного расширения стали и алюминиевого сплава при нагреве таких стенок они деформируются и придают юбке овальную форму, изгибаясь наружу в разные стороны по оси поршневого пальца, т. е. в сторону развитых холодильников. Такие поршни называются «автотермик». Они обладают хорошими эксплуатационными качествами, имеют повышенную прочность и жесткость, поэтому могут использоваться даже в дизелях. Компенсационные вставки обеспечивают удовлетворительна ю работу поршневой группы с зазорами менее 0,02 мм. Иногда компенсационные вставки выполняются также в виде различных стальных колец, которые заливаются в верхнюю часть юбки, как показано на рис. 2, е. Чтобы исключить ошибки при установке поршня в цилиндр, на одной из его бобышек отливают метку-надпись «назад», т. е. эта бобышка должна быть расположена со стороны маховика двигателя. Иногда для этой цели используется стрелка-указатель. Цилиндрическая головка поршня с плоским днищем снабжена тремя канавками под поршневые кольца, причем в нижней канавке сделаны дренажные отверстия, а поперечные изолирующие прорези размещены под этой поршневой канавкой. Юбку поршня изготовляют с овальностью 0,36 мм и конусностью в пределах 0,013— 0,038 мм. По цилиндрам поршни подбираются с зазором 0,012— 0,024 мм. Правильность подбора зазора проверяется ленточным щупом с размерами 0,05 X 13 мм, который устанавливают под углом 90° к оси поршневого пальца (при снятых поршневых кольцах). Поршни дизелей работают с большей, чем в карбюраторных двигателях, механической и тепловой напряженностью, поэтому им придают форму, обеспечивающую возможно высокую прочность и жесткость. Они изготовляются сравнительно толстостенными литыми или штампованными (Штампованные или кованые поршни из легких сплавов бывают прочнее соответствующих литых и предпочтительно применяются в форсированных дизелях) со сплошной юбкой, т. е. с юбкой, не имеющей разрезов, прерывающих тепловые потоки и облегчающих деформацию стенок. Вследствие этого юбка всегда имеет повышенную температуру нагрева, что вынуждает устанавливать поршни в цилиндры с довольно большими зазорами. Для уменьшения этих зазоров юбку выполняют овальной или овально-конусной конструкции. В отдельных случаях днище и стенки головки поршня для уменьшения их нагрева дополнительно охлаждают струйкой масла, которое через форсунку, расположенную в головке шатуна, подастся на внутренние стенки головки. Следовательно, поршни из легких сплавов с перазрезной (сплошной) юбкой, хотя и обладают повышенной прочностью и жесткостью, но обеспечивают удовлетворительную работу поршневой группы с зазорами, в 5—10 раз превышающими зазоры, которые в сопоставимых условиях допускаются для овально-конусных юбок с компенсационными прорезями и вставками.   Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г. Newer news items: Older news items:

О поршнях • CHIPTUNER.RU

О ПОРШНЯХ

 

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

 

 

 

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

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

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

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

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

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

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

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это также наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока. Второй путь менее очевиден, однако трудно его недооценить. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем и слабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. 

Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выхода из строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя. Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности. И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, а следовательно, и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя.

Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит, во-первых, импульсный характер, во-вторых, отличается скоротечностью, в‑третьих, пропорционален последующему нагреву и, в‑четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

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

Поршни

Поршневая группа состоит из поршня, поршневых колец, поршневого пальца и деталей крепления пальца. Поршни бензиновых двигателей отливаются из алюминиевого сплава в коккиль (металлическую форму) под давлением. Форма днища поршня определяется типом камеры сгорания. Для уменьшения теплопепередачи в поршень , уменьшения массы и простоты обработки днище должно быть плоским. Однако существует много причин , требующих изменения днища поршня. С точки зрения протекания процесса сгорания оптимальной является компактная камера сгорания с выемкой в днище поршня под свечой зажигания. Иногда в днище поршня приходится делать выемки в зоне расположения тарелок клапанов, чтобы предотвратить их контакт с поршнем в зоне верхней мертвой точки, когда клапаны находятся в приоткрытом положении. При этом приходится учитывать изменения размеров поршня и клапанов в следствии их нагрева. На форму днища поршня могут влиять и требования унификации. Например поршни выполняются с выемки под клапана, чтобы удовлетворить потребности установок различных головок блока устанавливаемых на этот мотор, хотя к некоторым головкам выемки не нужны. Изменяя только форму днища поршня можно выпускать различные модификации двигателей с различными степенями сжатия под разные бензины. Поршни имеют высокий градиент перепада температур между днищем и юбкой. Поэтому цилиндрическая поверхность поршня в холодном состоянии имеет сложную форму и должна приобретать идеальную цилиндрическую форму при прогреве двигателя до рабочих температур. Обычно верхний пояс в зоне до первого компрессионного кольца имеет наибольшую температуру и соответственно наименьший диаметр, обеспечивающий зазор в холодном состоянии до 0.1 — 0.3 мм. Наличие этого зазора и объема находящегося в нем приводит к вялому сгоранию и повышенному выбросу углеводородов. В зоне верхнего пояса иногда делается проточка для снижения температуры в зоне верхнего компрессионного кольца. Следующие пояса выполняются с постепенно уменьшающимся зазором. На юбках поршней старых двигателей иногда делался разрез , что нередко повышало вероятность поломки поршней. Поршни современных двигателей выполняются с конической или бочкообразной поверхностью юбки с учетом распределения температур по высоте поршня. Основная нагрузка приходится на поверхность юбки поршня перпендикулярно оси пальца. Поэтому в поперечном сечении юбка поршня делается овальной формы,а в зоне бобышек поршневого пальца (называемой холодильниками) зазор увеличивается, что предотвращает задир при перегреве поршня. Для облегчения поршня, улучшения смазки и предотвращения задира в юбке выполняются отверстия (круглые, ромбовидные и другой формы). Однако это усложняет производство, уменьшает ресурс, поэтому такие поршни применяются для двигателей спортивных автомобилей. В зоне верхней мертвой точки происходит так называемая перекладка поршня, то есть до верхней мертвой точки под действием давления газов он прижимается к одной части цилиндра, а после верхней мертвой точки к другой противоположной части. При большом зазоре и холодном двигателе появляется стук поршня, головка поршня перемещается относительно поршневых колец, при перекладке, что приводит к увеличению износа поршневых колец и торцов их канавок в поршне. Для уменьшения этого эффекта ось пальца смещается относительно оси цилиндра или ось цилиндра смещается относительно оси коленчатого вала (дезаксаж или дезаксиал) Для уменьшения зазора в верхней части поршня и, следовательно для уменьшения выбросов СН, а также уменьшения шума от перекладки и износа канавок и самих колец, при отливке поршня в коккиль закладываются жаропрочные вставки в зоне верхнего поршневого кольца. В некоторых конструкциях в зоне бобышек поршневого пальца в коккиль устанавливаются кольца или стальные пластины, предотвращающие его задиры. К числу оригинальных решений относится конструкция поршня у которого на поршневом пальце на отдельных бобышках сидят раздельные головка и юбка. Это позволяет уменьшить зазор в зоне юбки, снизить влияние перекладки поршня.   Увеличение мощности двигателя    на главную        0-100 км/ч    0-100

Кованые поршни. Преимущества и недостатки кованых поршней.

Кованые поршни и их преимущества.

«В форсированном двигателе применены кованые поршни…». Знатокам тюнинга эта фраза знакома, упоминание о кованных поршнях часто встречается в описании конструкций спортивных двигателей.

Поршни двигателя – одна из самых сложных и нагруженных деталей. Современная тенденция в спортивном тюнинге – рост максимальных оборотов двигателя. Следовательно приходиться бороться за массу поршня, ведь чем легче поршень, тем меньше он под действием боковых составляющих сил инерции прижимается к поверхности цилиндра. А значит, меньше будут механические потери, выше мощность, как правило, больше ресурс и выше максимально допустимые обороты двигателя.

В борьбе за снижение массы поршень приобрел оригинальную форму, но напрочь утратил простоту. Во-первых, как известно, металл при нагреве расширяется, причем поршень расширяется неравномерно, больше в направлении, параллельном оси поршневого пальца, и меньше – в плоскости качания шатуна.

Происходит это из-за того, что металла в области бобышек-приливов под поршневой палец больше, и поэтому если, предположим, поршень был бы цилиндрическим в холодном состоянии, то при нагреве до рабочей температуры он станет овальным. Во-вторых, юбка поршня при работе двигателя тоже нагревается неравномерно, и тоже превратиться в изогнутую, как говорят специалисты, «корсетную». Точно также ведет себя и конусная юбка поршня двигателя.

Все это приводит к сокращению пятна контакта поршня с поверхностью цилиндра, повышенному износу, а в худшем случае – задиру, прихватыванию поршней и заклиниванию двигателя. А ведь помимо нагрева, поршень подвергается и давлению газов, и воздействиям сил инерции, и под их влиянием тоже деформируется.

Понятно, что поршень должен быть как можно легче, прочнее и как можно меньше изменять свою форму при нагреве и других воздействиях.

Вот типичный портрет современного поршня для двигателя автомобиля или мотоцикла. Он (поршень) отливается из аллюминиевого сплава с добавлением кремния и в холодном состоянии имеет овальную форму, чтобы при нагреве поршня, в силу упомянутых выше причин, приблизиться к цилиндрической. А для того, чтобы оптимизировать по форме пятно контакта юбки поршня с цилиндром, профиль юбки поршня делают бочкоообразным, причем с запасом, чтобы поршень сохранил форму бочонка и в горячем состоянии.

Кроме того, с целью свести к минимуму температурную деформацию поршня, в тело поршня заливают стальные, термокомпенсирующие вставки, которые призваны удерживать область бобышек от чрезмерного расширения. Главный недостаток литых поршней – процесс литья не свободен от большого процента технологического брака, внутри металла будущего поршня остаются пустоты, возникают трещины. Да и твердость сплава после литья и закалки относительно не высока: 80 единиц по шкале Бринеля.

Поэтому, чтобы соблюсти необходимую прочность литого поршня, его массу приходится увеличивать. К примеру обычный заводской поршень для 16V двигателя ВАЗ, получаемый литьем в кокиль, весит 370 грамм. Как альтернатива заводским, литым поршням появились кованые поршни. В принципе их правильнее называть штампованными, т.к. поршни получают не многократной обработкой давлением, а однократной. Заготовка поршня помещается в матрицу, прижимается пуансоном и полуфабрикат поршня готов. Естественно, окончательную форму поршня он приобретет только после механической обработки.

Штамповка поршня под давлением позволяет упрочнить металл и одновременно сделать поршень гораздо более легким, прочным, надежным и долговечным.

При этом возникает проблема невозможности (вернее большой сложности) запрессовки в поршень термокомпенсирующих вставок и вследствии этого необходимость в более тщательном подборе профиля поршня.

В качестве сырья для изготовления кованных поршней используют высококремнистый алюминий (содержание кремния 10-18%), подвергнутый предварительной деформации, в виде прутка, прошедшего многократную протяжку через фильеры. В процессе такой протяжки сечение прутка уменьшается вчетверо и при этом ликвидируются поры в металле будущего поршня и изменяется его структура. Пруток режется, и болванками закладывается в гидравлический пресс.

Усилие в 250 тонн и температура 500 градусов, поддерживаемая системой индукционного нагрева, делает чудеса: металл будущего поршня, словно пластилин, за несколько секунд растекается между матрицей и пуансоном, принимая форму заготовки поршня. Поскольку процесс изготовления поршня протекает при неизменной температуре, называется он изотермической штамповкой. Постоянный нагрев играет здесь большую роль, ведь если температура в зоне матрицы упадет, то возможна недоштамповка поршня, те неравномерное распределение металла.

Если температура повысится, то алюминий будущего поршня попросту начнет плавиться. В результате изотермической штамповки из предварительно деформированного металла и последующего цикла закалки и обязательного старения, получается заготовка под будущий кованый поршень с высокими механическими характеристиками – твердость 130 единиц и отсутствие технологического брака типа каверн, раковин и трещин. Комплект облеченных поршней версии «Тюнинг» весит на 50 грамм легче, по сравнению со стандартными, заводскими ВАЗовскими поршнями.

 

кованый поршень СТИ в сравнении со стандартным

для сравнения – стандартный, литой поршень ВАЗ от 16V двигателя ( справа ) и спортивный, Т-образный, кованый поршень производства СТИ. Комплект таких поршней весит на 550 грамм легче, чем комплект стандартных, литых поршней ВАЗ

 

 

кованый поршень 8V

комплект кованых поршней версии «Тюнинг» для 8V двигателя ВАЗ, кольца поршня 1,5/2,0/3,947мм, поршневой палец 22мм

 

 

кованый поршень 16V

комплект кованых поршней версии «Тюнинг» для 16V двигателя ВАЗ, кольца поршня 1,5/2,0/3,947мм, поршневой палец 22мм

 

 

кованый Т-образный поршень 16V кованый Т-образный поршень 16V

Т-образный кованый поршень 16клапанного двигателя ВАЗ с вытеснителем (для увеличения степени сжатия) под кольца 1,2/1,5/2,0мм, палец диаметром 19мм. Длина пальца 50,2мм. Компрессионная высота поршня 24,3мм. Подобные кованые поршни применяются в «КарТюнинг» при строительстве спортивных двигателей

ВАЗ-овские поршневые кольца с высотой 1,5/2,0/3,947мм для стандартных поршней уступили место более узким фирменным изделиям «Коlbenschmidt», «Маhle» (Германия). Так при диаметре поршня 82,0мм, 82,4мм, 82,5мм, 83,0мм сейчас чаще всего применяют кольца 1,2/1,5/2,0мм. А при диаметре поршня 84мм: 1,2/1,5/2,0мм или 1,5/1,5/2,0мм

Узкие кольца поршня обеспечивают снижение трения, особенно при высоких частотах вращения. Для спортивных моторов национальных гоночных классов, производятся Т-образные поршни под 2а кольца, палец 18мм и высотой 40мм, что с точки зрения снижения массы поршня очень неплохо. Из тех же соображений отверстие в пальце поршня делается не цилиндрическим, а коническим, расширяющимся к его торцам.

«Революционным» в национальных гоночных классах стал переход на кованые поршни с 2мя кольцами, без среднего кольца. При этом за счет одновременного изменения профиля поршня заметного возрастания расхода масла не произошло.

кованые поршни «Спорт» под два кольца

Новые материалы, использумые при производстве кованого поршня (заэвтектические сплавы с содержанием кремния более 14%), и современные технологии позволили уменьшить тепловой зазор между поршнем и блоком цилиндров. Если в прошлом этот зазор доходил до 0,15мм, то сейчас он снижен до 0,05…0,06мм без опасности заклинивания поршня в блоке цилиндров.

Двигатель

Поршни — обзор

3.2 Силовые агрегаты на природном газе с поршневым двигателем

Поршневой двигатель или поршневой двигатель имеет долгую историю в производстве электроэнергии. Некоторые из самых первых угольных электростанций, построенных в 19 веке, использовали паровые поршневые двигатели для привода генераторов. Современные поршневые двигатели используются в основном на транспорте. Малогабаритные двигатели используются в отечественных транспортных средствах, а более крупные — в грузовых автомобилях, локомотивах и кораблях. Эквивалентные двигатели могут быть адаптированы для рынка производства электроэнергии.Что касается выходной мощности, размеры могут варьироваться от 0,5 кВт до 65 МВт.

Есть две основные категории поршневых двигателей, подходящих для выработки электроэнергии, двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия, но только первая из них может работать на природном газе. Двигатели с воспламенением от сжатия обычно работают на дизельном топливе. Также существуют разные циклы, в которых может работать поршневой двигатель. Два наиболее распространенных — это двухтактный и четырехтактный двигатель. Двигатели, использующие оба типа цикла, могут работать на природном газе.

Еще одна переменная — это соотношение воздуха и топлива в камере сгорания (цилиндре) двигателя. Некоторые работают с примерно стехиометрическим соотношением кислорода из воздуха и топлива, так что кислорода достаточно для сгорания всего топлива. Такие двигатели относят к двигателям с богатым горением. Эти двигатели, как правило, работают при высоких температурах сгорания, что может привести к образованию относительно высоких уровней оксидов азота, а также других загрязнителей. Альтернативой является двигатель, работающий на обедненной смеси, в котором гораздо больше воздуха (и кислорода), чем требуется для сгорания.Избыточный воздух приводит к более низким температурам сгорания в цилиндрах двигателя и снижению уровня загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателя. В нормальных условиях двигатель с обогащенным газом обычно обеспечивает более высокий КПД, чем двигатель с обедненным газом. Однако современная конструкция двигателей, работающих на обедненной смеси, позволяет им достигать столь же высокого уровня эффективности при сохранении более низких уровней выбросов.

Как и в случае паротурбинных установок, работающих на природном газе, основным экологическим фактором является NO _x .Двигатели с интенсивным сгоранием, работающие на природном газе, обычно требуют наличия какой-либо системы каталитического восстановления для удаления NO _x и приведения уровня выбросов в соответствие с местными нормативами. Некоторые двигатели, работающие на обедненной смеси, могут соответствовать экологическим нормам без необходимости в дополнительных системах контроля выбросов. Двигатели также выделяют углекислый газ, но маловероятно, что применение технологии улавливания углерода в поршневых двигателях будет рентабельным, за исключением самых крупных установок.

Поршневые двигатели, работающие на природном газе, доступны мощностью от 0,5 кВт до примерно 6 МВт. Для электростанций большего размера обычно требуется несколько двигателей. Хотя могут быть построены более крупные поршневые двигатели, они обычно работают на тяжелой нефти в качестве топлива, а не на природном газе. Скорость поршневого двигателя зависит от его размера. Двигатели, работающие на природном газе, могут быть либо высокоскоростными двигателями (1000–3000 об / мин), которые доступны мощностью от 0,5 кВт до 6 МВт, либо среднеоборотными двигателями (275–1000 об / мин), которые обычно начинаются с мощности 1 МВт.Более крупные двигатели с меньшей скоростью обычно более надежны и обычно выбираются для непрерывной работы. Там, где требуется прерывистая работа, часто будут выбираться более компактные высокоскоростные двигатели, потому что они, как правило, дешевле, хотя и менее надежны.

Использование двигателей, работающих на природном газе, для выработки электроэнергии разнообразно. Многие из них используются для приложений распределенной генерации, где они поставляют электроэнергию непосредственно местным потребителям. Некоторые из этих двигателей используются в режиме когенерации, в котором отработанное тепло двигателя используется для нагрева воды.Это может привести к очень высокой общей эффективности. Еще одно распространенное применение — резервная сеть, когда системы спроектированы таким образом, что они запускаются, как только происходит перерыв в электроснабжении. Двигатели, работающие на природном газе, также могут использоваться в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра или солнечная энергия, в приложениях типа микросетей, где они также используются в качестве резервного источника питания.

Диаметр цилиндра и ход поршня

Диаметр цилиндра и ход поршня

Гленн Исследовательский центр

На этой странице мы представляем некоторые технические определения, которые используются описать двигатель внутреннего сгорания.На рисунке показана компьютерная анимация одного цилиндра братьев Райт. Авиадвигатель 1903 года. Небольшой раздел коленчатый вал показан красным, поршень и шток показаны серым, а цилиндр, содержащий поршень, показан синим цветом. Мы сократили цилиндр, чтобы мы могли заметить движение поршня.

Коленчатый вал делает один оборот при движении поршня. сверху цилиндра (внизу слева на рисунке) вниз (вверху справа) и обратно вверх.Поскольку поршень соединен с коленчатым валом, можно отметить движение поршня по углу поворота коленчатого вала.

Нулевые градусы возникают, когда поршень находится в верхней части цилиндра. С тех пор составляют 360 градусов за один оборот, поршень находится внизу, когда угол поворота коленвала составляет 180 градусов. Расстояние, пройденное поршнем от нуля градусов до 180 градусов называется ходом — S поршня. Это объясняет, почему двигатель Райта и современные автомобильные двигатели называют четырехтактные двигатели.2/4

Этот объем называется объемом рабочего тела , потому что Работа выполняется движущимся газом под давлением, равным давлению газа, умноженному на объем перемещаемого газа. Для своего двигателя 1903 года братья Райт выбрали диаметр цилиндра 4 дюйма и диаметр цилиндра. ход 4 дюйма. Объем рабочей жидкости для одного поршня составляет 50,26 куб. дюймы. Братья использовали четыре поршня, так что сумма всех рабочих объем 201 куб. дюйм. Для любого двигателя внутреннего сгорания сумма все рабочие объемы всех цилиндров называется полным рабочим объемом двигателя.

---

Действия:

---

Экскурсии с гидом

---

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Юбка поршня, шток поршня и ствол Поршень

Поршень — важная часть камеры сгорания судового двигателя, которая преобразует силу газа в механическую энергию за счет возвратно-поступательного движения.

Юбка поршня, шток и ствол поршня являются тремя компонентами поршневой системы судовых дизельных двигателей.В этой статье мы узнаем о каждом из них.

Обычно используются два типа поршневых устройств:

• Поршень крейцкопфа: Состоит из днища поршня, юбки поршня и штока поршня (используется в большом двухтактном двигателе), который соединен с крейцкопфом для передачи бокового усилия на конструкцию двигателя

• Поршень ствола: Состоит из поршня с удлиненной юбкой для поглощения боковых толчков и прикреплен к шатуну с помощью вращающегося подшипника с малым концом (используется в небольших 4-тактных морских двигателях).

Юбки поршня

Юбка поршня подходит как для двухтактных, так и для четырехтактных двигателей. Он выполняет разные функции для разных двигателей. В двухтактных двигателях с большой поперечной головкой и однопоточной продувкой эти юбки короткие по длине и предназначены для использования в качестве направляющих и стабилизации положения поршня внутри гильзы. Обычно он сделан из чугуна. Диаметр юбки обычно немного больше диаметра поршня. Это сделано для предотвращения повреждения поверхности гильзы из-за движения поршня.

Кольца из мягкой бронзы также входят в юбки поршней. Эти бронзовые кольца помогают при обкатке двигателя, когда двигатель новый, и при необходимости могут быть заменены.

В двухтактных двигателях, имеющих петлевую или перекрестную продувку, юбки немного больше, поскольку они помогают перекрывать продувочные и выпускные отверстия в гильзе.

Материал юбки:

Обычно он изготавливается из чугуна с шаровидным графитом, который имеет следующие свойства:

• Самосмазывающийся
• Превосходная износостойкость

Компенсационное кольцо поршня: Это кольцо из мягкого сплава бронзы со свинцом, которое устанавливается в юбку поршня.Имеют следующий функционал:

• Обладает низкими фрикционными характеристиками
• помощь при обкатке двигателя, когда двигатель новый, при необходимости можно заменить
• Предотвращает прямой контакт высокотемпературной стенки (верхней стороны) поршня с гильзой

В четырехтактных или стволовых поршневых двигателях на юбке имеется поршневой палец, который передает мощность от поршня на поршневой палец или верхний подшипник.Поскольку в четырехтактных двигателях нет направляющих крейцкопфа, эти юбки помогают передавать боковую тягу, создаваемую шатуном, на стенки гильзы.

Осмотр — При осмотре юбки поршня необходимо проверить следующее:

• Карбон
• Следы истирания и истирания
• Задиры в компенсационном кольце
• Проверить выступ поршневого пальца на наличие трещин и / или деформации в юбке поршня ствола

Поршневые штоки

Поршневые штоки обычно используются в больших двухтактных двигателях.Поршневые штоки помогают передавать мощность, производимую в камере сгорания, на траверсу и ходовую часть двигателя.

Длина этих стержней зависит от длины хода двигателя и конструкции производителя. Верхний конец штока имеет фланцевое соединение или прикрепляется к нижней части поршня, а нижний конец соединяется с крестовиной.

Шток поршня проходит через сальник поршня или сальник, поэтому шток должен иметь гладкую рабочую поверхность и низкий коэффициент трения.

Важная функция поршневого штока:

• Сила газа, действующая на верхнюю часть днища поршня, передается на шток поршня с помощью внутреннего механизма, предотвращающего возможное искажение кольцевого ремня.
• Для охлаждения поршня шток состоит из двух сквозных концентрических отверстий. Эти отверстия предназначены для подачи и возврата охлаждающего масла.

Материал поршневого штока:

Для изготовления штока поршня используется кованая сталь, обладающая следующим свойством:

• Высокая прочность по сравнению с литой сталью
• Лучшее качество поверхности

Осмотр — При осмотре штока поршня необходимо проверить следующее:

• Следы износа и трения из-за сальника
• Царапина или вмятина из-за неправильного обращения
• Неровность стержня в различных положениях
• Блеск поверхности штока поршня (измерьте шероховатость поверхности в рупиях)

Поршень ствола

Поршень ствола — термин, обычно обозначающий поршни в четырехтактных среднеоборотных двигателях.Эти поршни имеют составную конструкцию, состоящую из тонкосекционной днища поршня из легированной стали и юбки из алюминиевого сплава. Эти поршни легкие, прочные и жесткие по конструкции и способны противостоять высоким температурам и коррозии.

Поршень кованый, внутри предусмотрено пространство для размещения охлаждающих пространств за счет охлаждающего масла. Юбка имеет место для поршневого пальца, который передает мощность на шатун. Юбка также помогает передавать боковую тягу, создаваемую шатуном.

Поршень состоит из канавок под кольца для установки поршневых колец. Посадка поршневых колец закалена и покрыта хромом для уменьшения износа. Верхняя поверхность короны может быть утоплена для обеспечения зазора для впускных и выпускных клапанов. Компрессионные кольца устанавливаются в заводную головку и обычно имеют плазменное покрытие, в то время как другие кольца хромируются. Маслосъемное кольцо установлено в верхней части юбки поршня.

Так как шток поршня не используется, высота двигателя значительно уменьшается при использовании главного поршня, но нет разделения между узлом гильза / поршень и картером, что может привести к загрязнению в случае продувки.

Материал: Цокольный поршень состоит из днища поршня и удлиненной юбки.

• Корона изготовлена ​​из жаропрочного сплава кованой стали, включающего хром, никель и молибден, что обеспечивает жаропрочность и коррозионную стойкость без снижения прочности.
• Юбка изготовлена ​​из чугуна с шаровидным графитом или кованого кремниевого алюминиевого сплава, который имеет преимущество в том, что он легкий, с низкой инерцией, что снижает нагрузку на подшипник.

Теги: поршневые кольца

Различия между типами поршней

Не все поршни созданы одинаково.Независимо от того, хотите ли вы установить на блок цилиндров поршни с плоским верхом, тарельчатые или куполообразные, все зависит в первую очередь от требований к карману клапана и требований к сжатию. Мы рассмотрим основы, чтобы помочь вам понять различия, чтобы вы могли принять осознанное решение о том, чем запастись для следующей пользовательской сборки или обновления.

Как работает поршень

Внутри каждого двигателя вы найдете цилиндр. Внутри этого цилиндра находятся ваши поршни. Количество имеющихся у вас поршней, а также их расположение зависит от типа вашего двигателя.Работа поршня во всем этом заключается в передаче силы от взрывающегося газа на коленчатый вал. Каждый поршень внутри цилиндра соединен стержнем, который позволяет ему перемещаться вверх и вниз. Воздух и топливо смешиваются и втягиваются в цилиндр. Цилиндр сжимает смесь, искра воспламеняет ее, и у вас есть сила. Получающиеся расширяющиеся газы от этого сгорания приводят в движение поршень двигателя вперед, чтобы двигаться так же, как нажатие на педаль велосипеда заставляет колесо двигаться.

Типы поршней

Существует три типа поршней, каждый из которых назван по форме: плоский верх, купол и тарелка.

Поршни с плоским верхом

Как бы просто это ни звучало, поршень с плоским верхом имеет плоский верх. Поршни с плоским верхом имеют наименьшую площадь поверхности; это позволяет им создавать максимальную силу. Этот тип поршня идеально подходит для создания эффективного сгорания. Поршни с плоским верхом обеспечивают наиболее равномерное распределение пламени. Сложность, связанная с этим, заключается в том, что это может создать слишком большую компрессию для меньших камер сгорания.

Поршни тарелки

Поршни тарелок представляют наименьшие проблемы для инженеров. Это больше из-за того, где они используются, чем из-за собственности, которой они сами владеют. По форме они напоминают тарелку, внешние края которой слегка загнуты вверх. Обычно тарельчатые поршни используются в приложениях с наддувом, для которых не требуется распредвал с большим подъемом или высокая степень сжатия.

Купольные поршни

В отличие от тарелочных поршней, они пузыряются посередине, как верхушка стадиона.Это сделано для увеличения доступной площади верхней части поршня. Большая площадь поверхности означает меньшее сжатие. Хотя большее сжатие означает создание большей силы, существует верхний предел того, с чем может справиться каждая камера сгорания. Уменьшение степени сжатия таким образом существенно предотвращает разрушение двигателя. Это всего лишь один из инструментов, позволяющих ограничить количество создаваемой силы до того, с чем двигатель способен безопасно работать.

Если вы только начинаете, это только начало.Вы не сможете понять всю головоломку, не сопоставив ее части друг с другом. Таким образом, хотя это объясняет, что делают поршни и как имеют значение различия в форме, это необходимо понимать в контексте всего двигателя, чтобы получить полную картину. Продолжайте учиться, и вы будете в пути.

Если вам нужна помощь в обновлении вашего движка или создании индивидуальной сборки движка, позвоните нам по телефону (805) 237-8808 или отправьте электронное письмо по адресу [email protected].

Поршневой двигатель

— Energy Education

Поршневой двигатель — это двигатель, в котором используется один или несколько поршней для преобразования давления во вращательное движение.Они используют возвратно-поступательное движение поршней (вверх и вниз) для передачи этой энергии. ^[1] Существует много различных типов, включая двигатель внутреннего сгорания, который используется в большинстве автомобилей, паровой двигатель, который является одним из типов двигателя внешнего сгорания, и двигатель Стирлинга. Роторный двигатель будет выполнять ту же задачу, что и поршневой двигатель, но совсем другим способом из-за его треугольного ротора.

Как это работает

Все типы имеют один или несколько поршней, которые следуют четырехтактному циклу, показанному на Рисунке 1.Общие конфигурации блока цилиндров включают в себя один ряд цилиндров (рядный), два ряда, сходящихся к одной точке (V-образный двигатель), двойной зигзаг (W-образный двигатель) и два горизонтальных ряда (оппозитный двигатель). ^[1] Все двигатели, упомянутые выше (внутреннего сгорания, паровые, Стирлинга), используют несколько разные процессы для завершения цикла, поэтому будет рассмотрен общий случай (как показано на рисунке 2).

1. Впуск: Чтобы начать цикл, топливная смесь вводится внутрь цилиндра через впускной канал, расширяя поршень до нижней части цилиндра.
2. Компрессия: Затем поршень выталкивается вверх, сжимая топливную смесь и воспламеняя ее через свечу зажигания.
3. Зажигание: Зажигание толкает поршень вниз, обеспечивая полезную работу двигателя.
4. Выхлоп: Отработанные химические вещества выходят через выхлопное отверстие, и цикл повторяется.

• Поршневой двигатель

• Рисунок 1: 4-тактный двигатель внутреннего сгорания.1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа сделана), 4: выхлоп. ^[2]

• Рис. 2: Коленчатый вал (красный) преобразует возвратно-поступательное движение поршней (серый), которые часто сочетаются с маховиком (черный). ^[3]

Четырехтактный цикл — это то, что дает двигателю энергию, но теперь он должен преобразовать эту энергию в энергию вращения для трансмиссии, приводного вала и колес. Это делается коленчатым валом, который показан на рисунке 2.Коленчатый вал преобразует это движение вверх и вниз во вращательное движение, которое часто сочетается с маховиком для сохранения энергии прерывистого возвратно-поступательного движения в качестве энергии вращения.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Что такое поршневое кольцо? — Функция, типы и применение

Что такое поршневое кольцо?

Поршневое кольцо — это металлическое разрезное кольцо, которое прикрепляется к внешнему диаметру поршня в двигателе внутреннего сгорания или паровом двигателе.

Поддерживает сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Улучшение теплопередачи от поршня к стенке цилиндра. И поддержание надлежащего количества масла между поршнем и стенкой цилиндра. Кроме того, регулирование расхода моторного масла путем соскабливания масла со стенок цилиндра обратно в поддон.

Поршни оснащены металлическими кольцами, которые выполняют множество функций. Эти кольца обозначаются как поршневые кольца.

Материал, используемый для поршневого кольца

Поршневые кольца обычно изготавливают из чугуна. Чугун сохраняет целостность своей первоначальной формы под действием тепла, нагрузки и других динамических сил.

Также чугун содержит пластинчатый графит, который сам действует как смазка, помогая скольжению между кольцами и гильзой.На поршневые кольца нанесены сплавы и покрытия, и они будут варьироваться в зависимости от типа кольца, поскольку функции этих колец отличаются друг от друга.

Наиболее распространенными формами легированного чугуна являются хром, молибден, ванадий, титан, никель и медь. Материал поршневого кольца остается более твердым, чем гильза цилиндра, что обеспечивает максимальный срок службы.

Функция поршневого кольца

Функция газового уплотнения

Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра.Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Это означает, что камера сгорания должна быть максимально газонепроницаемой. Таким образом, давление, создаваемое горящими газами сгорания, быстро передает поршень в цилиндр. Заставляет коленчатый вал вращаться, тем самым обеспечивая мощность.

Не только важно для такта сгорания / расширения, но газонепроницаемость также очень важна для тактов впуска, сжатия и выпуска.Эту общую функцию можно назвать только «газовым уплотнением».

Функция теплопередачи

Поршневые кольца передают тепло от днища поршня к цилиндру. Когда происходит газовое зажигание, температура внутри поршня достигает примерно 300 C. Если тепло накапливается внутри поршня, двигатель может быть поврежден. По этой причине необходимо высвободить накопление тепла. Поршневые кольца помогают отвести это тепло.

Эта функция теплопередачи очень важна для поддержания приемлемой температуры и стабильности поршней и поршневых колец, чтобы не снижалась герметичность.

Функция контроля масла

Поршневые кольца обычно образуют необходимую минимальную масляную пленку для предотвращения задиров. Поскольку зажигание газа повторяется много раз, поршень поднимается и опускается внутри двигателя со скоростью несколько тысяч раз в минуту. Небольшое количество масла наливается на поршни, поэтому они двигаются плавно, с небольшим трением между металлом и металлом. Поршневые кольца регулируют количество масла.

Таким образом, расход масла находится на приемлемом уровне, а вредные выбросы уменьшаются.старше гильзы цилиндра, чтобы обеспечить максимальный срок службы.

Типы поршневых колец

Поршневые кольца, обычно используемые в небольших двигателях, включают три типа поршневых колец, как указано в сильфоне:

• Поршневое кольцо сжатия,
• Грязесъемное поршневое кольцо
• Масляное поршневое кольцо

Компрессия Кольцо

Компрессионное кольцо — это верхнее или ближайшее кольцо для сжигания газов. Он подвержен наибольшему количеству химической коррозии и максимальной рабочей температуре.Однако это может варьироваться в зависимости от конструкции двигателя.

Компрессионное кольцо передает 70% тепла камеры сгорания от поршня к стенке цилиндра. В большинстве двигателей используются компрессионные кольца с конической или цилиндрической поверхностью.

Компрессионное кольцо с конической поверхностью

Компрессионное кольцо с конической гранью, которое представляет собой поршневое кольцо с углом конуса около 1 ° на подвижной поверхности. Этот конус обеспечивает легкие салфетки для предотвращения попадания излишков масла в камеру сгорания.

Компрессионное кольцо с торцевой поверхностью

Компрессионное кольцо с торцевой поверхностью представляет собой поршневое кольцо с изогнутой поверхностью, вращающейся для обеспечения непрерывной смазки поршневого кольца и стенки цилиндра. Он также обеспечивает эффект пика для оптимизации распределения масла во время всего хода поршня.

Кроме того, изогнутая подвижная поверхность уменьшила вероятность разрыва масляной пленки из-за избыточного давления или чрезмерного наклона поршня на кромке кольца во время работы.

Грязесъемное кольцо

Грязесъемное кольцо, иногда называемое скребковым кольцом, кольцом Напье или резервным компрессионным кольцом, является следующим кольцом на поршне после головки цилиндра. Грязесъемное кольцо обеспечивает равномерную толщину масляной пленки для смазки рабочей поверхности компрессионного кольца.

Большинство грязесъемных колец имеют поверхность с углом конуса, которая направлена ​​вниз для обеспечения чистящего действия при движении поршня к коленчатому валу.

Угол конуса обеспечивает контакт, по которому излишки масла направляются к масляному кольцу на стенке цилиндра и возвращаются в масляный резервуар.Грязесъемное кольцо находится ближе всего к неправильно нарезанному уголку компрессионного кольца, что приводит к чрезмерному расходу масла. Это происходит из-за того, что грязесъемное кольцо вытирает излишки масла в сторону камеры сгорания.

Масляное кольцо

Масляное кольцо состоит из двух тонких направляющих или рабочей поверхности. Вырезанные отверстия или прорези в радиальном центре кольца позволяют избыточному маслу стекать обратно в резервуар. Обладая всеми этими характеристиками, маслосъемные кольца обычно представляют собой одно целое.

В некоторых масляных кольцах используется пружинный расширитель для приложения дополнительного радиального давления к поршневому кольцу.Это увеличивает давление, прикладываемое к устройству (количество силы и размер подвижной поверхности) на стенку цилиндра.

Масляное кольцо имеет самое высокое собственное давление из трех колец на поршне. Маслёнка из дерева, состоящая из двух направляющих и удлинителя. Масляные кольца расположены на каждой стороне расширителя. Расширитель обычно имеет несколько прорезей или окон для возврата масла в канавку поршневого кольца.

Масляное кольцо использует встроенное давление поршневого кольца, внешнее давление и высокое единичное давление.И это обеспечивается небольшой беговой поверхностью тонкой шины.

Как работают поршневые кольца?

Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Самая верхняя канавка поршня состоит из компрессионного кольца, основная функция которого заключается в герметизации любых утечек внутри камеры сгорания во время процесса сгорания.При воспламенении топливовоздушной смеси. К головке поршня прикладывается давление от продуктов сгорания, которое толкает поршень к коленчатому валу.

Сжатые газы проходят через зазор между стенкой цилиндра и поршнем в канавку поршневого кольца. Во время процесса сгорания сила газов высокого давления прижимает поршневое кольцо к стенке гильзы цилиндра, что помогает ему образовывать эффективное уплотнение. Это давление, толкающее поршневое кольцо, пропорционально давлению газов сгорания.

Следующий набор колец в поршне, который расположен под компрессионным кольцом и над масляными кольцами, называется грязесъемными кольцами.

Они имеют конструкцию с конической поверхностью и служат для дополнительного уплотнения камеры сгорания. Как следует из названия, они помогают очистить стенку футеровки от излишков масла и загрязнений. Если какой-либо из дымовых газов мог пройти через компрессионное кольцо. Эти газы будут заблокированы стеклоочистителем в хорошем состоянии.

Последний набор колец представляет собой масляные кольца, которые расположены в нижних канавках поршня, ближайших к картеру.Основная функция масляного кольца — соскребать излишки масла со стенок гильзы цилиндра во время движения поршня.

Большая часть протертого масла направляется в картер обратно в масляный поддон. Эти масляные кольца поставляются с пружиной, установленной сзади в 4-тактном двигателе, чтобы обеспечить дополнительный толчок для очистки гильзы.

Часто задаваемые вопросы.

Что такое поршневое кольцо?

Поршневое кольцо представляет собой металлическое разрезное кольцо, которое прикрепляется к внешнему диаметру поршня в двигателе внутреннего сгорания или паровом двигателе.

Какова функция поршневых колец?

Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Какие бывают типы поршневых колец?

Поршневые кольца, обычно используемые в небольших двигателях, включают компрессионные кольца, грязесъемные и масляные кольца. Компрессионное кольцо — это поршневое кольцо, расположенное в кольцевой канавке, ближайшей к головке поршня.Компрессионное кольцо изолирует камеру сгорания от утечек во время процесса сгорания.

Читайте также

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

Автомобиль — Двигатель — Цилиндр, Поршень, Мощность и Цилиндры

Двигатель работает на двигателе внутреннего сгорания ; то есть топливо, используемое для его мощности, сжигается внутри двигателя. Это горение происходит внутри цилиндров. Внутри цилиндра находится поршень. Когда топливо сгорает, оно создает взрывную силу, которая заставляет поршень двигаться вверх и вниз.Поршень прикреплен через шатун к коленчатому валу, где движение поршня вверх и вниз преобразуется в круговое движение. При езде на велосипеде верхняя часть ноги человека похожа на поршень. Мощность от ноги передается через педаль для поворота рукоятки.

Бензин — наиболее распространенное автомобильное топливо. Он втягивается в цилиндр под действием вакуума , создаваемого при движении поршня вниз через цилиндр. Затем бензин сжимается в цилиндр следующим движением поршня.Искра вводится через свечу зажигания, расположенную в конце цилиндра. Искра вызывает взрыв бензина, и при взрыве поршень снова попадает в цилиндр. Это движение, называемое рабочим ходом, поворачивает коленчатый вал. Окончательное движение поршня вверх снова вытесняет выхлопные газы, побочные продукты сгорания топлива, из цилиндра. Эти четыре движения — впуск, сжатие, мощность и выпуск — называются тактами. Четырехтактный двигатель — самый распространенный тип автомобильного двигателя.

Большинство автомобилей имеют от четырех до восьми цилиндров, хотя есть также двух- и 12-цилиндровые автомобили. Цилиндры работают вместе в определенной последовательности, чтобы поворачивать коленчатый вал, так что, пока один цилиндр находится на такте впуска, другой — на такте сжатия, и так далее. Как правило, чем больше цилиндров, тем более плавно работает двигатель. Размер автомобиля влияет на количество цилиндров, используемых в двигателе. Меньшие автомобили обычно имеют меньший четырехцилиндровый двигатель.Автомобили среднего размера обычно требуют шестицилиндрового двигателя, в то время как более крупным автомобилям требуется мощность восьмицилиндрового двигателя.

Число цилиндров, однако, менее важно для уровня мощности двигателя, чем его рабочий объем. Рабочий объем является мерой общего объема топливной смеси, перемещаемой всеми поршнями, работающими вместе. Чем больше топлива сожжено за один раз, тем больше будет взрывная сила, а значит, и мощность. Рабочий объем часто выражается в кубических сантиметрах (куб.см) или литрах.Двигатель меньшего размера будет иметь объем 1200 куб. См (1,2 л) для получения 60 лошадиных сил, в то время как более крупный двигатель может иметь объем до 4 000 куб. См (4 л), вырабатывая более 100 лошадиных сил. Мощность в лошадиных силах — это мера способности двигателя выполнять работу. Размер и вес автомобиля также влияют на его мощность.