Поршень в двигателе: Повреждения поршней и их причины · Technipedia · Motorservice

Поршни двигателя внутреннего сгорания | ЖЕЛЕЗНЫЙ-КОНЬ.РФ

Поршень предназначен для восприятия давления газов и его передачи на кривошип коленчатого вала (через поршневой палец и шатун). Поршень подвержен максимальному воздействию тепловых и механических нагрузок, которые возникают в процессе работы двигателя внутреннего сгорания. Ввиду того, что поршень движется возвратно-поступательно, создаются значительные дополнительные циклические инерционные нагрузки, а также существенные силы трения о цилиндр боковой поверхности поршня. Поршень одновременно выполняет функции уплотняющего элемента КШМ (кривошипно-шатунный механизм) и отводит тепло от горячих газов, расположенных в надпоршневом пространстве. Всё это предъявляет к конструкции поршня высокие требования. Поршень должен обладать достаточной жёсткостью и прочностью при минимальной массе, его перемещение в цилиндре должно происходить с минимальным трением, также он должен иметь высокий ресурс и обеспечивать герметичность рабочей полости.

Поршень [рис. 1, а)] включает в себя днище (1), уплотняющую часть (3) и направляющую часть/юбку (4). На внутренней стороне юбки располагается пара массивных приливов – бобышек (8). Бобышки соединяются с днищем посредством рёбер, за счёт чего прочность поршня увеличивается. В бобышках имеются отверстия для монтажа поршневого пальца (10), а в этих отверстиях, в свою очередь, выполнены кольцевые канавки, предназначенные для стопорных колец (11). Головка поршня образована днищем и уплотняющим поясом. На внешних поверхностях юбки и головки проточены канавки (9) и (12) для установки маслосъёмных и компрессионных колец соответственно. Верхняя часть поршня называется уплотнительный пояс, так как расположенные здесь поршневые кольца предназначены для предотвращения прорыва газов через зазоры между цилиндром и поршнем. По окружности канавок (9) и (13) просверлены сквозные отверстия (14), которые служат для отвода масла в картер двигателя.

Рис. 1. Поршень двигателя внутреннего сгорания.

а) – Поршень дизельного двигателя А-41:

1) – Днище поршня;

2) – Камера сгорания;

3) – Уплотняющая часть поршня;

4) – Юбка (направляющая часть) поршня;

5) – Канал в стержне шатуна;

6) – Шатун;

7) – Втулка верхней головки шатуна;

8) – Бобышка поршня;

9) – Канавка для маслосъёмного кольца;

10) – Поршневой палец;

11) – Стопорное кольцо;

12) – Канавки для компрессионных колец;

13) – Кольцевая канавка;

14) – Отверстие для стока масла;

б) – Головки поршней:

1) – Д-21А1, Д-144;

2) – А-41, СМД-60, А-01, двигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ;

3) – Д-160, Д-240;

в) – Поршень бензинового двигателя ЗМЗ-53.

Как правило, поршни современных дизельных двигателей изготавливаются с фигурным днищем [рис. 1, б)]. Это даёт возможность придать расположенной в поршне камере сгорания форму, требуемую для качественного смесеобразования, а также сгорания топлива. Поршни с плоским днищем нашли широкое применение не только в карбюраторных двигателях [рис. 1, в)], но и в вихрекамерных и предкамерных дизельных двигателях, что обуславливается их меньшим нагревом в процессе работы и простотой изготовления.

Число устанавливаемых на поршне колец имеет прямую зависимость от частоты вращения коленчатого вала и от типа двигателя. В карбюраторных и дизельных двигателях широкое распространение получили укороченные поршни, имеющие пару компрессионных и одно маслосъёмное кольцо, которые расположены выше поршневого пальца. В случае уменьшения числа компрессионных колец (с трёх до двух) иногда между ними вводится промежуточная канавка на поршне. В процессе выбора оптимальной формы и объёма кольцевой канавки требуется достигнуть аналогичного температурного состояния и уплотняющей способности поршневой группы при двух компрессионных кольцах, как и при трёх.

Юбка является направляющей частью поршня, передающей при его движении боковую силу стенкам цилиндра от шатуна. В процессе нагрева от горячих газов поршень расширяется больше чем цилиндр, который охлаждается воздухом либо жидкостью, вследствие чего велика вероятность его заклинивания. Во избежание этого, и для обеспечения нормальной работы двигателя, диаметр поршня должен быть меньше диаметра цилиндра. Также в процессе работы двигателя большему нагреву подвержена именно головка поршня, поэтому её диаметр делается меньше, чем диаметр юбки, то есть поршень имеет форму усечённого конуса. Разность между осями верхнего и нижнего основания конуса поршней двигателя ЗМЗ-53 составляет 0,013-0,038 мм, а двигателя ЗИЛ-130 – 0,35-0,05 мм.

Тепловая деформация поршня (в радиальном направлении) складывается с деформациями, которые вызваны овализацией поршня при его нагрузке нормальными силами. Поэтому поперечное сечение юбки поршня выполняется овальным таким образом, чтобы большая часть овала совпала с направлением действия нормальной силы, а малая часть – с продольной осью пальца. У основной массы поршней разность между большой и малой осями овальной юбки составляет 0,14-0,52 мм.

Чтобы получить минимальный зазор между стенкой цилиндра и юбкой поршня в холодном состоянии, а также устранить заедание поршня при его нагревании, в некоторых случаях снимают часть металла на наружной поверхности поршня (в зоне расположения бобышек), формируя неглубокие «холодильники» (вырезы прямоугольной формы). Аналогичная цель преследуется при выполнении разрезов на юбке поршней некоторых двигателей [рис. 1, в]. Разрезы придают пружинящие свойства направляющей части поршня и способствуют плотному их прилеганию к стенкам цилиндров в условиях различных температур. Поршни с разрезанной юбкой обладают повышенным трением и применяются только для карбюраторных двигателей с небольшим давлением газов и малым диаметром цилиндра. Данные поршни устанавливаются в цилиндры таким образом, чтобы ослабленная разрезом сторона испытывала воздействие меньшей нормальной силы.

На некоторых двигателях (ЗИЛ, ЯМЗ, ВАЗ) поршни изготавливаются овально-бочкообразного профиля. Данный профиль сложнее в производстве, но он позволяет уменьшить зазор между цилиндром и юбкой, а также исключить кромочный контакт цилиндра и поршня и соответствует лучшему смазыванию поверхностей в процессе центровки поршня подъёмными гидродинамическими силами.

В двигателях СМД-60 и ЗМЗ-53 [рис. 1, в)] удаляется часть юбки под бобышками для облегчения поршня, а также для прохода противовесов коленчатого вала (при нижнем положении поршня).

В качестве материала для изготовления поршней широкое распространение получили сплавы алюминия с кремнием (легируемые присадки медь и никель). Применение для отливки поршня алюминиевого сплава позволяет уменьшить потери на трение, снизить массогабаритные характеристики двигателя, даёт возможность форсировать его по скоростному режиму. Основным недостатком алюминиевого сплава в качестве материала для изготовления поршня является относительно большой коэффициент линейного расширения, величина которого больше чем у чугуна. Вследствие этого поршни из данных сплавов устанавливаются в цилиндры со значительно большим сравнительным зазором. Из-за увеличенных зазоров не только затрудняется пуск двигателя, но и вызываются стуки в процессе работы непрогретого двигателя (и при работе с малыми нагрузками).

Зазор между юбкой поршня и цилиндром находится в пределах 0,05-0,10 мм при овальном профиле юбки либо наличии у неё разреза, и 0,18-0,26 мм, если юбка поршня имеет цилиндрическую форму (без разреза).

В современных автомобильных и тракторных двигателях внутреннего сгорания используются не только литые, но и штампованные поршни, выполненные из алюминиевого сплава. Использование литых поршней с нирезистовой вставкой под первое компрессионное кольцо позволяет повысить (более чем в 2 раза) износостойкость сопряжения поршня с верхним компрессионным кольцом. Данные поршни применяются в двигателях СМЗ, КамАЗ, ЯМЗ, ЗИЛ и прочих. С целью улучшения приработки с цилиндром трущиеся поверхности поршней в некоторых двигателях (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 и прочих) покрываются тонким слоем (0,004-0,006 мм) олова.

С целью предупреждения возникновения стуков в некоторых двигателях выполняется незначительное смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня. Данное смещение оси пальца, как правило, в сторону более нагруженной поверхности поршня приводит к тому, что момент перекладки поршня (от одной стенки цилиндра к другой) не совпадает с моментом резкого возрастания момента сгорания. К примеру, в дизельном двигателе Д-60 смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня выполнено на 3 мм в сторону вращения коленчатого вала.

Эффективным способом решения проблемы сохранения подвижности поршня при минимальном зазоре является использование терморегулируемых поршней с принудительным охлаждением.

Терморегулируемые поршни карбюраторных двигателей ВАЗ и прочих имеют ограниченное расширение юбки, которое достигается путём заливки в её тело вставок из материала, имеющего меньший, чем у основного металла поршня, коэффициент расширения.

В процессе остывания отливки данного поршня вставками создаётся напряжённое состояние, которое препятствует значительному сокращению диаметра юбки. В процессе нагрева поршня до рабочей температуры вставками наоборот, создаётся ограничение его теплового расширения. В итоге общий диапазон температурного изменения диаметральных размеров поршня, снабжённого вставками, значительно снижается.

В высокофорсированных дизельных двигателях используется принудительное охлаждение поршней посредством опрыскивания маслом внутренней поверхности днища поршня либо организованной циркуляцией масла. Кольцевая полость для циркуляции охлаждающего масла выполняется при отливке поршня посредством введения специальных солевых стержней (растворяются после застывания металла и формируют требуемую полость) либо с помощью соответствующей механической обработки и изготовлением поршня из двух частей (с последующей сваркой половинок).

Чтобы снизить теплонапряжённость алюминиевых поршней применяется нанесение теплоизоляционных керамических покрытий, а также твёрдое анодирование поверхности камеры сгорания в поршне и поверхности днища поршня. Для эффективной защиты камеры сгорания в поршне от формирования термических трещин выполняется армирование её кромки жаропрочным материалом.

17*

Похожие материалы:

Поршень двигателя: строение, принцип работы, неисправности

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

Конструкция поршня

Стандартный поршень двигателя состоит из 3 основных частей:

• Днища: служит для восприятия тепловой нагрузки и газовых сил

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

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

Рассмотрим подробнее каждую из этих частей.

Днище

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

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

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

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

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

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

Уплотняющая часть

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

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

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

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

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

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

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

Направляющая часть

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

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

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

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

Принцип работы поршня

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Причины износа поршня

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

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

• Повышается расход масла

• Синий дым из выхлопной трубы

• Нагар на свечах

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

• Увеличение расхода топлива в 2 и более раз

• Снижение мощности двигателя и т. д.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Иногда вышеописанные проблемы возникают комплексно.

Заключение

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

Как работает двигатель автомобиля?

03.02.2019 Автомобильный двигатель: большой, грозный, но не такой уж сложный

Если бы кто-то сказал заглянуть под капот и найти там мотор, у большинства из нас не было бы больших проблем с ним. Вы просто показываете на самую большую деталь, здесь сомнений нет – силовой агрегат – самая огромная часть автомобиля. Но что на самом деле скрыто под этим чугунным или алюминиевым корпусом? Достижение поколений — это точно. Говорят, что двигатель — это сердце автомобиля — и это правильно — без него машина не поедет.

Так как же это работает и почему? Что заставляет автомобиль воспроизводить приятную симфонию звуков после поворота ключа в замке зажигания? Как получилось, что двигатель способен привести в движение колеса? Было бы сложно описать последовательно все существующие типы двигателей в мире. Однако существует схема, которая, за исключением нескольких случаев, остается неизменной и на которой проще всего объяснить, как работает двигатель автомобиля, то есть тот тип моторов, который сжигает бензин, дизельное топливо или масло.

Поршень: отсюда начинается всё

Вообще всю работу в двигателе выполняет поршень. Именно он движется в цилиндре по принципу «скольжения» — прямолинейно и поступательно. Последовательно — один раз вверх, один раз вниз. Задача поршня, как следует из названия, заключается в нажатии. Если не один, то другой путь.

Чтобы выполнить работу, привести к появлению полезной энергии (КПД больше нуля), поршень должен немного поработать и сделать четыре движения в цилиндре — первоначально он всасывает воздух или смесь через открытый всасывающий клапан, скользя вниз до самого дна цилиндра. Когда он располагается на дне цилиндра, наполненного воздухом, клапан закрывается. Когда цилиндр наполняется воздухом «до зубов», поршень крепко сжимает его, поднимаясь вверх. Специально для такого сжатого воздуха топливо впрыскивается сверху (в дизельном двигателе) или возникает искра (вариант с бензиновым вариантом), которая вызывает взрыв. Независимо от силы взрыва (бывает, что из-за простоя автомобиля, первая искра недостаточно сильна) поршень отправляется вниз. Когда поршень заканчивает свой путь, цикл может считаться оконченным, затем он совершает еще один ход — вверх. Его уже ждет открытый выпускной клапан, через который поршень выталкивает весь этот ненужный мусор (выхлопной газ) наружу.

Поршневой цикл: схема

Это тот самый дым, который в конечном итоге выходит из выхлопной трубы под вашей машиной. И так продолжается снова и снова: всасывание воздуха — поршень опускается, сжатие воздуха – поршень уходит вверх. Взрыв — поршень опущен, выталкивание выхлопа — поршень вверх. И все время снова и снова.

Таким образом, энергия взрыва превращается в работу, потому что движение поршня, соединенного с шатуном, вызывает вращение коленчатого вала, что приводит в движение силовой агрегат, который перемещает колесо автомобиля. Конечно, двигатель обычно имеет несколько поршней и цилиндров. В целом, чем они больше, тем больше работа двигателя и чем больше мощность этих цилиндров, тем больше потенциал двигателя и, следовательно, — лучшее ускорение, лучшая динамика, но также и большая потребность в топливе.

Предлагаем вам посмотреть занимательное видео, в котором подробно рассказывается и показывается каким именно образом работаем двигатель внутреннего сгорания автомобиля:

Например, когда указатель тахометра в вашей машине приближается к 2000 об. /мин. (2 тысячи оборотов коленвала), это означает, что поршень совершает 4000 ходов в это время, и смесь попадает в цилиндр 1000 раз! Все это за минуту. И всего на один цилиндр. Теперь подумайте, сколько топлива нужно двигателю, если вы «стреляете» в него все время, разгоняя до 6000 оборотов при нажатой педали газа в пол!

Важность моторного масла

Чтобы двигатель работал исправно, очень важно наличие в картере масла. Каждый из нас отлично знает, что, чем лучше скольжение, тем более плавным является движение (вспомните фигурное катание). В принципе, там, где есть движение в двигателе, где одна деталь соприкасается с другой, туда и попадает масло. Его путь начинается с масляного поддона, который расположен под двигателем, масло всасывается специальным насосом, затем масляный насос вдавливает его в трубчатую сборку, которая направляет смазочный растовр в множество мест двигателя.

Представьте, что случилось бы, если бы в течение длительного времени все компоненты двигателя двигались «всухую». Теперь вы, наверное, понимаете, почему так важно время от времени проверять уровень масла в двигателе.

Бензиновый и дизельный моторы: в чем принципиальные отличия?

В чем главное отличие бензинового двигателя от дизельного? Речь идет о принципе зажигания. Бензиновые двигатели имеют искровое зажигание, дизель является самоходным. Что означают эти слова?

Бензиновые двигатели для взрыва в цилиндре используют искру, генерируемую на свече зажигания. В дизельных двигателях всё совсем иначе. В дизельном моторе воздух в цилиндре сжимается поршнем гораздо сильнее. Настолько, что внутри создается высокая температура, достаточная для взрыва смеси в цилиндре без искры. Бензин не возгорается из-за большого давления, соляра (дизельное топливо), наоборот, не горит при нормальных условиях от обычной искры.

Двигатели также различаются по расположению и количеству цилиндров. В Европе наиболее популярными являются рядные двигатели — как можно заключить из названия, цилиндры, в которых движутся поршни, в них расположены в ряд. Рядный четырехцилиндровый двигатель будет отмечается символом R4, шестицилиндровый R6 и т. д. Теперь представьте, что Lamborghini собирается смонтировать большой 12-цилиндровый двигатель под капотом своей модели. Если бы производитель хотел установить все цилиндры в один ряд, двигатель занял бы много места. Таким образом, было изобретено другое решение — разветвленное расположение цилиндров в два ряда, под углом 60, 90 и даже 180 градусов (оппозитный мотор). Все двигатели этого типа обозначены буквой V, в данном случае это будет двигатель V12. Однако более популярными являются установки V6 и V8. Такие автомобили изготавливались в середине прошлого века в США, после финансового кризиса их посчитали недостаточно оправданными.

Эти «демонические», действительно мощные, производительные моторы, встречаются реже, их можно обнаружить, чаще всего, в Subaru или Porsche. Здесь поршни расположены с обеих сторон коленчатого вала, лицом друг к другу, что делает весь двигатель, по сравнению с другими, очень плоским, но не менее объемным.

Рядный двигатель

Когда дело доходит до поршневого устройства, существует еще один тип двигателя, который сильно отличается от остальных. Это двигатель с одним вихревым поршнем, так называемый Двигатель Ванкеля. Также существуют специальные роторные моторы (цилиндры расположены по кругу), сферические моторы (поршень двигается не поступательно, а описывает сферу) и многие другие изобретения.

ОВАЛЬНЫЕ ПОРШНИ, ТРЕУГОЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРЫ | Наука и жизнь

В тот момент, когда кто-то из людей догадался приспособить колесо для перевозки груза, возникла очередная задача — разработать адекватный механизм для приведения получившейся повозки в движение. Справедливости ради заметим, что долгое время эта задача не формулировалась именно так (это не означает, что её не было), поскольку с перемещением вполне успешно справлялись биологические источники движущей силы — имевшиеся в достаточном количестве рабы и тягловые животные. Однако со временем возникла необходимость перемещать поклажу на большие расстояния с более или менее высокой скоростью. Живые двигатели с такой задачей справиться не могли, пришлось придумывать моторы.

Рис.1. В двигателе Ванкеля треугольный поршень вращается в камере, напоминающей распухшую восьмёрку.

Рис. 2. Схема роторно-поршневого двигателя RKM: 1 — стационарный корпус; 2 — вращающийся поршень; 3 — зубчатое колесо приводного вала; 4 — внутренняя шестерня поршня.

Рис. 3. Внутри вращающегося поршня расположены жёстко связанная с ним разрывная шестерня (4) и зубчатое колесо (3) приводного вала двигателя.

Рис. 4 Роторно-поршневые машины типа RKM могут иметь один или два приводных вала. Если вал один, то рабочая камера имеет на одну грань больше, чем поршень (варианты а, в), если же валов два — то на одну грань меньше (варианты б, г).

Рис. 5. Принцип работы роторно-поршневого двигателя RKM: а — запуск двигателя; б — рабочий режим. За 1/3 полного оборота поршня цикл работы мотора с биов альным поршнем повторяется.

Рис. 6. Действующая демонстрационная модель компрессора типа RKM.

‹

›

Многие исследователи истории техники склонны считать, что большинство современных механизмов впервые появилось в Китае. Так ли это на самом деле, сказать трудно, но то, что первые поршневые компрессоры возникли в Поднебесной, пожалуй, факт. Известно, во всяком случае, что трубки из бамбука с намотанной на палку пробкой из травы и смазкой из животного жира ещё в бронзовом веке использовались в китайских кузницах в качестве мехов для раздувания огня. Поршень толкали туда-сюда вручную, но довольно быстро кузнецы догадались приспособить к палке кривошип, и дело пошло куда веселее. До изобретения поршневого двигателя оставался всего шаг, нужно было суметь заставить поршень двигаться внутри цилиндра самостоятельно и крутить кривошип или коленчатый вал. Но прошло около двух тысячелетий, прежде чем эта мысль получила практическое воплощение.

Идея оказалась конструктивно довольно легко выполнимой, и поршневые двигатели с момента своего появления надолго заняли место в технике. Бегающие взад-вперёд поршни через коленчатые валы и шестерёнчатые передачи крутят колёса, вращают гребные винты, работают в компрессорах и насосах, то есть практически во всех типах промышленных и бытовых силовых машин. А почему? Да потому, что за тысячелетия своей истории люди не придумали ничего лучше.

Впрочем, почему же не придумали? Есть, например, турбины, есть, наконец, реактивные двигатели, есть и электромоторы. Правда, сферы их применения всё же ограничены. Турбины и реактивные двигатели приспособить к небольшим машинам довольно сложно и дорого, электромоторы требуют источников питания, пока ещё не отработанных настолько, чтобы сравниться по энергоёмкости с элементарным бензобаком.

Есть ли выход? Оказывается, есть. И, по всей видимости, он в использовании так называемых роторных, или роторно-поршневых, двигателей. Самый известный из них — двигатель немецкого инженера Феликса Ванкеля. Действующий образец его роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания (РПД) был испытан в феврале 1957-го, а задолго до этого, в двадцатых годах ХХ века (точнее — в 1929-м), он получил патент на роторно-поршневой компрессор. Патент на двигатель Ванкель оформил в 1936-м. И это объяснимо: сделать компрессор, то есть «холодную» машину, намного проще, чем мотор — машину «горячую».

Суть изобретения Ванкеля заключалась в том, что в корпусе двигателя на эксцентрике вращается поршень треугольного сечения (рис. 1). За один оборот кромки поршня описывают поверхность, напоминающую распухшую восьмёрку. Поршень постоянно делит внутреннюю полость мотора на три камеры. По мере вращения поршня камеры постоянно меняют свой объём. Когда объём одной камеры растёт, в неё засасывается горючая смесь; в это же время объём другой камеры уменьшается, смесь сжимается, происходит зажигание; под действием возросшего в этой камере давления поршень проворачивается, заставляя отработавшую смесь из третьей камеры уйти в выхлопной тракт. Таким образом, за один полный оборот в двигателе Ванкеля происходят три вспышки топлива, в то время как в обычном поршневом моторе одна вспышка приходится на два оборота коленчатого вала. Поршень в РПД вращается с более или менее постоянной скоростью, не меняя направления движения, а в обычном моторе он совершает возвратно-поступательные движения. Всё это создаёт большие преимущества роторных моторов, они работают значительно плавнее обычных, для их изготовления требуется почти на треть меньше деталей, они существенно (даже очень существенно) легче и меньше своих поршневых собратьев. Но… на кромках поршня в реальном моторе Ванкеля устанавливают специальные уплотнения, которые препятствуют порыву газов из одной камеры мотора в другую. В этих уплотнениях (хотя и не только в них) кроется причина того, что РПД не получили широкого распространения. Практически только японская компания «Мазда» продолжает серийно выпускать автомобили с роторными моторами. Нужно отдать должное этим механизмам. При сравнительно небольшом рабочем объёме они обладают значительной мощностью, могут работать на высоких оборотах, и снабжённые ими машины ездят очень быстро. Но топливная экономичность их ниже всякой критики, да и расход масла не идёт ни в какое сравнение с обычными поршневыми моторами.

У двигателей Ванкеля есть и ещё один весьма существенный минус: по этой схеме невозможно сделать дизельный мотор, уплотнения по кромке поршня не способны удержать давление в камере сгорания, достаточное для работы дизеля.

И что же? Опять нет выхода? Выход, кажется, найден. И найден он нашим сооте-чественником, физиком и математиком Борисом Шапиро, работающим сейчас в Германии.

Сформулировав и решив сложную математическую задачу, он предложил новый класс машин с вращающимся поршнем. Шапиро назвал такие машины RKM (от немецкого Rotationskolben-maschinen), а его немецкие коллеги «по цеху» упростили название до Schapiromotor, то есть мотор Шапиро.

Внешне RKM напоминает двигатель Ванкеля, однако даже при беглом взгляде видно (рис. 2), что у этих машин принципиально разные формы поршней: в моторе Ванкеля — треугольный с острыми кромками, в двигателе Шапиро — скруглённый. В двигателе Ванкеля поршень своими кромками только скользит по поверхности камеры, создавая уплотнения по линии соприкосновения, а в двигателе Шапиро контакт осуществляется при скольжении поверхности по поверхности. Контакт между овальными поверхностями поршня и камеры оказывается значительно более плотным, что обеспечивает возможность развивать в образующихся рабочих камерах весьма высокое давление (дизель возможен).

Главные компоненты RKM — это специальный стационарный корпус с криволинейной рабочей камерой и вращающийся внутри него овальный (если быть более точным, то в простейшем случае биовальный, а в более сложных — полиовальный) поршень. Во внутренней части поршня встроено оригинальное зубчатое устройство, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом приводного вала. Через это зацепление вращение поршня передаётся на вал, или, наоборот, вращение вала заставляет поршень крутиться. Это, кстати, даёт возможность использовать RKM и как двигатель, и как компрессор или насос. Поршень вращается вокруг оси, названной авторами «прыгающей». На рис. 2 поршень показан в крайнем левом положении. Вращаясь по часовой стрелке относительно оси а, он переходит в нижнее положение, касается стенки по линии А-В, и в этот момент начинается вращение относительно оси b. Ось как бы перепрыгивает из одного положения в другое. Легко видеть, что положение мгновенной оси вращения перемещается навстречу самому поршню.

Из схемы (рис. 3) видно, что зубчатое колесо 3 приводного вала находится в зацеплении с внутренней шестернёй поршня 4. Центр делительной окружности шестерни располагается в точке, относительно которой вращается поршень.

Представим себе, что в рассматриваемом механизме вращается не поршень, а корпус. Тогда легко увидеть, что траектория оси приводного вала имеет особые точки, которые соответствуют крайним положениям самого поршня в корпусе механизма. Пройти эти особые точки непросто. Авторам новой машины удалось решить эту задачу. Они смогли рассчитать, а затем и построить геометрическую модель разрывной зубчатой передачи, которая полностью компенсирует особые точки траектории оси приводного вала.

Во внутренней полости поршня можно установить один приводной вал, но можно и два.

От того, один или два приводных вала имеются в двигателе, зависит соотношение количества условных граней в поршне-роторе и корпусе (рис. 4). Если приводной вал один, то число граней в камере корпуса составляет n + 1, где n — число граней ротора; если же валов два, то число граней в камере составит n — 1. Впрочем, от количества установленных валов зависит не только внешний профиль поршня, но и форма его внутренней полости. Так, если вал один, то внутренняя полость повторяет контур поршня, но повёрнута по отношению к нему на 90 град., а если два — то она просто повторяет профиль поршня. В трёхгранном поршне полость содержит три грани, в пятигранном — пять и т.д.

Как же работает RKM? Рассмотрим последовательность тактов на примере биовального поршня в «треугольной» камере (рис. 5). Предположим, что поршень вращается по часовой стрелке. Тогда объём камеры слева от поршня увеличивается, в неё засасывается горючая смесь. В момент «прыжка» мгновенной оси вращения поршня объём камеры начинает уменьшаться, смесь сжимается. Одновременно в камеру, расположенную на рисунке ниже поршня, засасывается следующая порция горючей смеси. При максимальном сжатии смеси (или на несколько мгновений раньше) смесь поджигается. Сгорающая смесь расширяется и толкает поршень, который, во-первых, заставляет вращаться приводной вал, во-вторых, сокращая объём левой камеры, сжимает горючую смесь в ней. Теперь поджигается смесь в камере слева от поршня, начинает сокращаться в объёме камера справа. Отработавшие газы из неё удаляются. Через каждую треть полного оборота поршня такты всасывания, сжатия, сгорания и выхлопа полностью повторяются.

Двигатель RKM будет обладать усовершенствованным процессом поджига в оптимизированной камере сгорания (предкамере), отделённой от рабочих камер. Это существенно улучшает коэффициент полезного действия. Конструкторы новой машины столкнулись также с несколькими серьёзными проблемами. Например, достигая крайнего положения, поршень двигателя RKM может ударяться в стенку камеры. Впрочем, все проблемы тем или иным способом удаётся решить. Важно и то, что для изготовления машин типа RKM можно применить существующие машиностроительные технологии и материалы. Ничего нового специально создавать не требуется.

Машины RKM состоят из небольшого числа деталей. Предварительные расчёты показывают, например, что сконструированный по технологии RKM компрессор на 20 атм будет иметь почти на две трети меньше деталей, чем выпускаемые сегодня, и в результате себестоимость уменьшится на 30%. Кроме того, малое количество деталей существенно повышает надёжность: каждому начинающему механику известно, что чем меньше в машине компонентов, тем реже она ломается.

Интересно то, что если говорить о теории машин и механизмов, возвратно-поступательное движение поршня является частным случаем принципа действия машин RKM, обладающих всеми преимуществами «классических» поршневых машин — надёжным уплотнением между рабочей камерой и поршнем и возможностью высокой степени сжатия в рабочей камере.

Моторы RKM могут быть карбюраторными или дизельными и работать на продуктах перегонки нефти, сжиженном природном газе, водороде или любом другом топливе. Причём сгорание топлива в них благодаря наличию предкамеры оказывается существенно более полным, а выхлоп более чистым.

Наконец, машины RKM обладают более высоким КПД, чем существующие. Подсчитано, что применение принципа RKM даже в паровой машине повысит её КПД как минимум до 35%, то есть сделает архаичное по сегодняшним меркам устройство сравнимым по эффективности работы с современным автомобильным мотором.

Новаторская механика RKM может быть использована в тысячах вариантов, многие из которых сегодня трудно себе представить. Например, автомобиль, каждое из колёс которого крутит индивидуальный мотор величиной с трёхлитровую банку. Или портативный компьютер, работающий без перерыва 60 часов от миниатюрного электрогенератора с крохотным моторчиком внутри. Ведь есть же двигатель Ванкеля величиной с монету в один цент… Сменил в таком генераторе пустой топливный бачок размером с толстый карандаш на полный, и работай дальше.

Однако разработчики считают, что наиболее реально сейчас применять RKM в качестве компрессоров и насосов. Исследования, проведённые группой инженеров и студентов Политехнического университета в Ингольштадте (Германия), показали, что такие насосы, будучи использованными вместо известных типов, могут иметь заметные технико-экономические преимущества.

Пробиться с новым классом машин на рынок моторов очень трудно. В мире всего около десятка независимых производителей моторов. Остальные в той или иной степени связаны с ними и зависят от них. Вложившие в усовершенствование и производство «классических» моторов многие миллиарды долларов, автостроители вовсе не горят желанием сменить направление работы. Несмотря на то, что двигатели RKM будут экономичнее, мощнее, меньше, легче, надёжнее и дешевле в производстве и обслуживании.

Рынки насосов и компрессоров столь же огромны, как и рынки моторов, но значительно менее монополизированы. Такую технику производят по всему миру сотни тысяч почти независимых компаний. В то же время в одной только Германии ежегодный объём продаж насосов различных типов оценивается в 4,5 млрд евро, а во всём мире достигает 315 млрд евро. Вероятно, именно на рынке насосов и начнётся история реального использования машин RKM.

Поршень — RacePortal.ru

 Детали шатунно-поршневой группы

 

1-Первое компрессионное кольцо

2-Второе компрессионное кольцо

3-Маслосъёмное кольцо

 3.1-Верхнее плоское кольцо

 3. 2-Расширитель

 3.3-Нижнее плоское кольцо

4-Поршень

5-Поршневой палец

6-Стопорное кольцо поршневого пальца (2 шт)

7-Шатун

8-Болт крышки шатуна

9-Вкладыши подшипника шатуна

10-Крышка шатуна

11-Гайка крышки шатуна

 Поршень

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

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

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

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

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

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

Отвод тепла от поршня

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

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

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

1. Отвод тепла от поршня через поршневые кольца
2. Отвод тепла поршневыми кольцами
3. Камера сгорания
4. Стенка цилиндра
5. Рубашка охлаждения
6. Поршень
7. Первое компрессионное кольцо
8. Второе компрессионное кольцо
9. Маслосъёмное кольцо

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

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

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

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

Охлаждение поршня маслом

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

 Поршень с масляным каналом

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

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

 Конструкция поршня

1. Днище поршня
2. Головка поршня
3. Юбка поршня
4. Выемка для противовесов коленчатого вала
5. Отверстие поршневого пальца
6. Канавка стопорного кольца
7. Бобышка поршня
8. Отверстие для отвода масла из канавки маслосъёмного кольца
9. Отверстие для отвода масла ниже маслосъёмного кольца
10. Канавка маслосъёмного кольца
11. Третья перегородка поршневых колец
12. Канавка второго компрессионного кольца
13. Вторая перегородка поршневых колец
14. Канавка первого компрессионного кольца
15. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
16. Метки направления установки поршня
17. Метки группы диаметра поршня

Вид поршня современного форсированного двигателя

1. Поршеньфорсированного двигателя
2. Днище поршня
3. Выемки клапанов
4. Вытеснитель
5. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
6. Канавка верхнего компрессионного кольца
7. Вторая перегородка
8. Третья перегородка
9. Канавка маслосъёмного кольца
10. Отверстие для отвода масла из канавки компрессионного кольца
11. Юбка поршня с антифрикционным покрытием
12. Бобышка отверстия поршневого пальца
13. Отверстие поршневого пальца
14. Проточка под стопорное кольцо поршневого пальца
15. Канавка аккумулирования газов

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

 Некоторые примеры различных типов поршней

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

 

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

Направление потока смеси

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

 Порщень RV-образного двигателя

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

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

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

 Поршень состоит из трёх основных частей:

1. Днище поршня
2. Головка поршня
3. Юбка поршня

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

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

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

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

Поршень — диаметр головки

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

                                                                                          

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

 Сложная форма поршня

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

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

 Термостабилизирующие пластины

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

 Боковые силы, приложенные к поршню

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

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

 Перекладывание поршня

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

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

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

 Измерение диаметра поршня

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

Измерение диаметра юбки поршня при помощи микрометра.

 

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

 Измерение диаметра цилиндра нутромером

 

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

Измерение зазора между поршнем и стенками цилиндра

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

Измерение зазора при помощи щупа 

Материалы, из которых изготовлен поршень

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

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

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

 Блок цилиндров без гильз

 Поршень с железнением юбки

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

 Поршень с антифрикционным покрытием

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

Алюминиевые сплавы

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

Литые и кованые

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

Структура металла кованного поршня

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

 Сравнение температуры литого и кованного поршня

Ремонтные размеры и селективная подборка

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

Группы поршня по диаметру

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

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

 Группа поршня по диаметру поршневого пальца

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

Группа поршня по весу

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

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

Метки на днище поршня

Маркировка поршня:

1. Стрелка для ориентирования поршня в цилиндре
2. Ремонтный размер
3. Класс поршня по диаметру
4. Группа отверстия поршневого пальца

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

Как правильно установить поршни и шатуны

Большие и маленькие хитрости при монтаже поршней и шатунов в двигатель

Когда приходит время собирать двигатель, особенно V-образный, правильная взаимная установка поршней и шатунов, а также по отношению к блоку цилиндров и коленчатому валу, может поставить в тупик многих мотористов. Этой статьей мы постараемся им помочь.

Как правильно устанавливать поршни на шатуны?

Если вы собираете V-образной двигатель, то следует иметь в виду: если нижняя головка шатуна имеет с одной стороны более широкую фаску, то она должна быть обращена к галтели (закруглению) шатунной шейки коленчатого вала. 

Если же шатуны предназначены для использования с коленчатым валом, без четко выраженных галтелей, то они могут быть и без несимметричных фасок. Тогда ориентация шатуна может определяться по положению «замков» вкладышей: обращенных наружу блока или внутрь (в сторону распредвала – если он находится в развале блока цилиндров). 

К примеру, «замки» вкладышей SBC и BBC должны быть обращены наружу. У других вкладышей «замки» могут быть направлены внутрь. На работу собственно вкладышей расположение «замков» не оказывает никакого влияния. Надо лишь правильно ориентировать шатун.

Если же на нижней головке шатуна отсутствуют фаски с обеих сторон, то вкладыш должен быть смещен от галтели шатунной шейки, чтобы его край не попал на закругление.

Сквозные отверстия в верхней и нижней головках шатуна

Часто шатун имеет на нижней головке сквозное отверстие, которое нужно для смазки стенки цилиндра. Эти отверстия предназначены не для смазывания распределительного вала, как полагают некоторые. 

Бывает, что отверстие расположено только с одной стороны нижней головки шатуна. Подобные шатуны надо устанавливать так, чтобы отверстие в нижней головке было обращено в сторону распределительного вала (в сторону развала блока цилиндров).

Отверстие в верхней головке шатуна (будь оно сверху или под сбоку – углом) служит для смазки поршневого пальца. Поэтому его ориентация в двигателе роли не играет.

«Замки» шатунных вкладышей

«Замки» (фиксирующие выступы) на вкладышах и соответствующие пазы на нижней головке шатуна и его крышки нужны лишь для правильного позиционирования вкладышей. От «проворота» вкладышей они не спасают, поскольку вкладыши в своей «постели» фиксируются за счет натяга, возникающего при правильной затяжке крепежных болтов крышки нижней головки. 

«Правильные» вкладыши, при надлежащем монтаже, слегка выступают за линию разъема нижней головки. Поэтому, после затягивания болтов, они надежно фиксируются в «постели». 

В последнее время во многих двигателях используют «беззамковые» вкладыши (примером могут служить двигатели Chrysler 3.7L и 4.7L). За счет устранения операций по механической обработке пазов в шатуне и его крышке, а также «замков» на самих вкладышах снижаются затраты на их изготовление. При монтаже подобных вкладышей их надо ставить строго посередине нижней головки шатуна.

Рис. 1 Если в V-образном двигателе на одну шатунную шейку коленчатого вала монтируют два шатуна, то сторона нижней головки шатуна с более узкой фаской должна быть обращена к соседнему шатуну…

Рис. 2 … в этом случае бОльшая фаска на нижней головке шатуна оказывается обращенной в сторону галтели шатунной шейки коленчатого вала.

Рис. 3 Фиксирующий выступ («замок») на вкладыше и соответствующий ему паз в нижней головке шатуна нужны только для того, чтобы правильно установить вкладыши в шатуне. «Замки» никогда не удержат вкладыши от проворачивания в шатуне, если при сборке были допущены какие-либо нарушения. К примеру: болты нижней головки шатуна не затянуты как следует или отверстие в нижней головке потеряло свою форму.

Рис. 4 Вкладыши фиксируются в шатуне только за счет радиального усилия, которое возникает от натяга установленных вкладышей, когда крепежные болты нижней головки затянуты надлежащим моментом. Чтобы получить требуемый натяг вкладыш сделан чуть длиннее своего посадочного места. Поэтому, когда вы «от руки» установите вкладыш в «постель», он будет немного выступать над плоскостью разъема. Так и должно быть – ни в коем случае не надо подпиливать или подрезать края вкладышей!

Crush Height Each Half Bearing — выступание вкладышей над плоскостью разъема
Bearing — вкладыш
Cap — крышка нижней головки шатуна
Radial Pressure — радиальное усилие

Рис. 5 Измерять максимальный диаметр поршня надо в строго определенном месте, поскольку юбка поршня имеет «бочкообразный» профиль и результаты измерений, по высоте поршня, будут существенно различаться.

Рис. 6 Сквозное отверстие на боковой поверхности ВГШ (верхней головки шатуна) (верхнее фото) может указывать на прессовую посадку пальца в шатуне. На втором фото показан тот же самый шатун, но снаружи. А вот отверстие сверху ВГШ (третье фото) служит для улучшения смазки «плавающего» поршневого пальца.

Рис. 7 На днище поршня обычно есть специальные метки (например, изображена стрелка и надпись «FRONT» — как на фото) помогающие правильно сориентировать поршень при сборке двигателя.

Рис. 8 Если поршни предназначены для V-образного двигателя, то обычно с «изнанки» таких поршней ставят метку «L» — если их монтируют в левый ряд цилиндров или «R» — для правого ряда цилиндров.

Смещение шатуна

Существуют двигатели, у которых стержень шатуна смещен относительно верхней или нижней головок (если смотреть на шатун сбоку – «в профиль»). Подобные шатуны применяют в V-образных двигателях, у которых левый и правый ряды цилиндров стоят «со сдвигом», вперед и назад, относительно друг друга. В зависимости от конкретной модели двигателя, стержень шатуна может иметь смещение 2,5 мм или даже более. 

Если есть какие-то сомнения, то при монтаже обратите внимание, что верхняя головка шатуна центрируется по поршню – в бобышках под палец.

Нужно ли в двигателях с вращением против часовой стрелки устанавливать поршни в «обратную» сторону?

На двигателе с обратным вращением – когда коленвал вращается против часовой стрелки, если смотреть с передней части двигателя – шатуны обычно устанавливаются так же, как и в обычном моторе, коленвал которого вращается по часовой стрелке. То есть, бОльшая фаска нижней головки шатуна все равно будет обращена к галтели шатунной шейки.

Однако, если применяются поршни со смещенным поршневым пальцем, то в этом случае поршень должен быть установлен «назад» (развернут на 180 град) относительно его «стандартного» положения. Поршневой палец в подобном поршне смещен к нагруженной стороне юбки поршня. 

В двигателе с вращением по часовой стрелке нагруженная сторона цилиндра обращена к впускному коллектору на левом ряду цилиндров («водительской» стороне) и к выпускному коллектору на правом ряду цилиндров («пассажирской» стороне) стороне. 

В двигателе с обратным вращением давление на стенку цилиндра от поршня направлено в другую сторону: со стороны выхлопа – слева и со стороны впуска – справа. Если поршни симметричны (т. е. не имеют смещенного пальца), то их ориентация зависит только от цековок под клапанные тарелки на днище – они должны быть сориентированы в соответствии с положением клапанов.

Конструкция юбки поршня

Форма, площадь и масса юбки поршня играют важную роль в потерях на трение и стабилизации поршня при перекладке в верхней и нижней мертвых точках. Здесь мы покажем роль нагруженных и ненагруженных сторон поршня и разработку асимметричных юбок, предназначенных преимущественно для снижения веса. 

Левая и правая стороны поршня при работе двигателя нагружены по-разному. Поэтому конструкция юбки поршня играет важную роль в распределении воспринимаемых нагрузок – с точки зрения прочности и веса поршня. 

Юбка поршня должна выдерживать давление на стенку цилиндра при одновременном уменьшении трения. А ее площадь должна быть такой, чтобы быть прочной, обеспечивая при этом стабильность поршня, чтобы свести к минимуму «раскачивание» относительно оси пальца, когда поршень движется вверх-вниз. Причем нагруженная поверхность юбки испытывает наибольшую нагрузку на такте расширения. 

Если коленчатый вал вращается по часовой стрелке (глядя на двигатель спереди), то нагруженная поверхность юбки поршня обращена к впускному коллектору на левом ряду цилиндров («водительской» стороне) и к выпускному коллектору на правом ряду цилиндров («пассажирской» стороне). 

Менее нагруженная сторона юбки воспринимает усилие на такте сжатия. Эта разница в нагрузках обусловлена положением, углом между шатуном и поршнем, при его перемещении. 

За весь рабочий цикл разница в нагрузке на разные стороны юбки поршня различается в десять раз! Причем, нагрузка на юбку поршня может варьироваться в зависимости от хода поршня, длины шатуна и максимального давления в цилиндре.

Поэтому асимметричные поршни должны быть специальными – для левого и правого ряда цилиндров. На днище поршня в таком случае наносятся стрелки или иные метки, указывающие на переднюю часть двигателя.

Рис. 9 На этом фото показаны асимметричные поршни для левого и правого рядов цилиндров V-образного двигателя. Их особенностью является расширенная часть юбки поршня на нагруженной стороне и зауженная – на стороне с меньшей нагрузкой.

Рис. 10 Другой пример асимметричного поршня. Обратите внимание, как сближены бобышки под поршневой палец, что позволяет сделать поршневой палец короче и легче. Кроме того, хотя это почти невозможно заметить глазом, ось пальца смещена к нагруженной стороне поршня (в сторону более широкой части юбки) на 0,50 мм – для уменьшения дисбаланса из-за разницы в массе «узкой» и «широкой» частей юбки.

Нагруженная сторона юбки поршня

Когда поршень движется вниз на такте расширения, он испытывает значительное сопротивление, пытаясь провернуть коленчатый вал. С ростом нагрузки увеличивается и сопротивление. При этом нагруженная сторона юбки поршня воспринимает боковое давление, которое увеличивает нагрузку (с ростом трения и износа) на соответствующей стороне стенки цилиндра. 

Если на днище поршня имеется какая-либо метка (к примеру точка, или стрелка, или надпись «Front»), важно установить поршень в соответствии с этой меткой, обычно указывающей на переднюю часть двигателя.

 

Ненагруженная сторона юбки поршня

Эта часть юбки поршня противоположна нагруженной стороне. Она работает, когда поршень движется вверх на такте сжатия, из-за сопротивления, создаваемого сжимаемой топливно-воздушной смесью. Основная ее задача, в том, чтобы обеспечить стабильность поршня при движении в цилиндре. Поэтому эта часть юбки может быть поуже, для экономии веса. 

Так что, для точной настройки в распределении этих сил между разными сторонами юбки были разработаны асимметричные поршни, которые имеют более широкую юбку на нагруженной стороне и зауженную юбку с противоположной стороны. Это обеспечивает оптимальное распределение нагрузок на юбку поршня, одновременно снижая массу поршня. 

В качестве примера можно привести «асимметричную» (или Т-образную) конструкцию поршней FSR компании JE Pistons, которые имеют расширенную часть юбки на нагруженной стороне, а со стороны бобышек юбка отсутствует вовсе, что позволяет сделать поршневой палец короче и легче. Подобные поршни изначально разрабатывались для гоночных двигателей. 

Еще одним преимуществом подобных поршней является улучшение условий работы поршневых колец. Но, в основном, подобная конструкция юбки, в сочетании со слегка смещенным пальцем, позволяет существенно снизить потери на трение.

Рис. 11 Из этой схемы видно, как определить нагруженную и ненагруженную стороны юбки поршня. Thrust Load — действие боковой силы Minor Thrust Side — ненагруженная сторона цилиндра Major Thrust Side — нагруженная сторона цилиндра Красная изогнутая стрелка — направление вращения коленчатого вала

Рис. 12 На этом фото хорошо видно, как различается ширина юбки поршня на нагруженной (слева) и ненагруженной (справа) сторонах поршня.

Рис. 13 Компьютерное моделирование показывает, как распределяются механические нагрузки в поршне, возникающие при работе двигателя на частичных нагрузках. (Чем темнее цвета – тем меньше нагрузка, а чем ярче – тем больше).

Рис. 14 А на этой схеме видно, как нагружен поршень сразу после воспламенения смеси.

Рис. 15 Здесь поршень показан снизу. На этой схеме хорошо видно, что во время рабочего хода наиболее нагружены верхние части отверстий под поршневой палец (они выделены красным цветом) и элементы юбки поршня, непосредственно примыкающие к ним.

Рис. 16 Тонкий слой антифрикционного покрытия (темного цвета) на юбке поршня помогает удерживать масло и снижает трение между поршнем и цилиндром – особенно при холодном запуске мотора.

Смещение пальца

Асимметричные поршни также могут иметь смещение поршневого пальца. При этом ось пальца смещена от оси поршня к нагруженной стороне примерно на 0,51 мм. Это небольшое смещение «балансирует» поршень, компенсируя разницу в массе юбки, а также снижая усилие, прикладываемое к нагруженной стороне поршня. 

Опять же, ссылаясь на опыт компании JE Pistons, асимметричный поршень позволяет сделать поршневые пальцы короче, жестче и легче (примерно на 10 грамм).

 

Заключение

Надеемся, эта статья поможет вам лучше ориентироваться в тонкостях сборки двигателя. Помните, что лучше всего пометить поршни и шатуны перед разборкой. Грамотные ответы на ваши вопросы и помощь в технических проблемах с двигателями – наша главная задача.

ХОТИТЕ СТАТЬ АВТОРОМ?

Пришлите свою статью

Поршень – из чего состоит, как работает, почему прогорает

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

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

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

Строение

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

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

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

Как работает

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

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

Почему прогорает

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

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

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

Что делать, чтобы не прогорел

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

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

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

Резюме Авто24:

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

Что такое поршень и для чего он нужен

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

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

Из чего сделан поршень?

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

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

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

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

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

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

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

Поршни двигателя внутреннего сгорания — x-engineer.org

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

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

• поршень
• поршневые кольца
• шатун
• коленчатый вал

Изображение: Привод коленчатого вала двигателя (кривошипно-шатунный механизм) Авторы и права: Rheinmetall

Поршень также выполняет второстепенные функции двигателя :

• способствует отводу тепла , образующемуся при сгорании
• обеспечивает уплотнение камеры сгорания, предотвращает утечки газа из него и проникновение масла в камеру сгорания
• направляет движение шатуна
• обеспечивает к непрерывную смену газов в камере сгорания
• создает переменного объема в камере сгорания

Изображение: поршни Kolbenschmidt
Кредит: Kolbenschmidt

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

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

Изображение: оси поршневого пальца и юбки

Изображение: Основные детали поршня Кредит: [3]

где:

1. верхняя часть поршня
2. верхняя площадка
3. кольцевой ремень
4. распорки
5. стопорный зажим штифта
6. выступ штифта
7. pis штифт
8. поршневые кольца
9. юбка поршня

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

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

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

Геометрические характеристики поршня

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

Овальность поршня

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

Изображение: Овальность поршня

Поршень конической формы

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

Изображение: Зазор поршня (коническая форма)

Изображение: Тепловое расширение поршня (если цилиндрическая форма)

Смещение поршневого пальца

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

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

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

Изображение: Осевое усилие поршня и смещение пальца

Когда коленчатый вал вращается по часовой стрелке, левая сторона цилиндра называется упорной стороной (TS) , а противоположная сторона известна как противодействующая упорная сторона (ATS). .Удары поршня могут происходить с обеих сторон цилиндра. Удар поршня возбуждает блок двигателя и проявляется в виде поверхностных колебаний, которые в конечном итоге излучаются в виде шума в непосредственной близости от двигателя [9]. Еще одно неудобство заключается в том, что при движении поршня через ВМТ и ВТК на коленчатый вал создается повышенная нагрузка, поскольку поршень совмещен с центром вращения коленчатого вала.

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

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

Механические нагрузки на поршень

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

Циклическое нагружение поршня из-за [6]:

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

,

определяет механическую нагрузку .

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

\ [F_ {p} = F_ {gas} + F_ {ineria} \]

Силы инерции намного меньше сил давления и имеют наибольшую интенсивность, когда поршень меняет направление, в ВМТ и НМТ.

Изображение: Напряжение поршня по Мизесу и механическая деформация Кредит: [7]

Изображение: Вертикальные силы поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала Кредиты: [7]

Вышеуказанные силы поршня рассчитываются с использованием передовых методов анализа методом конечных элементов для алюминиевого поршня, используемого в легковых автомобилях с дизельным двигателем [7].

Процесс сгорания имеет разные характеристики для дизельного и бензинового ДВС. В дизельном двигателе пиковое давление газа при сгорании может достигать 150 — 160 бар. В бензиновом двигателе максимальное давление ниже 100 бар. Из-за более высокого давления поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие механические нагрузки.

Чтобы работать без сбоев в таких суровых условиях, поршни дизельных двигателей конструируются более тяжелыми, прочными и имеют большую массу.Недостатком является более высокая инерция, более высокие динамические силы, поэтому максимальная частота вращения двигателя ниже. Одна из причин, по которой дизельные двигатели имеют более низкую максимальную скорость (около 4500 об / мин) по сравнению с бензиновыми двигателями (около 6500 об / мин), — это более тяжелые механические компоненты (поршни, шатуны, коленчатый вал и т. Д.).

Тепловые нагрузки на поршень

Головка поршня находится в прямом контакте с горящими газами внутри камеры сгорания, поэтому она подвергается высоким тепловым и механическим нагрузкам .В зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый) и типа впрыска топлива (прямой или непрямой) головка поршня может быть плоской или содержать чашу .

Тепловая нагрузка от температуры газа в процессе сгорания также является циклической нагрузкой на поршень. Он действует в основном во время такта расширения на поршне со стороны камеры сгорания. В других тактах, в зависимости от принципа действия, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже оказывает охлаждающий эффект во время газообмена.Как правило, передача тепла от горячих дымовых газов к поршню происходит в основном за счет конвекции, и лишь небольшая часть является результатом излучения.

Изображение: Рабочие температуры поршня
Предоставлено: [3]

Тепло, выделяемое при сгорании, частично поглощается поршнем. Большая часть тепла передается через площадь кольца поршня (около 70%). Юбка поршня отводит 25% тепла, а остальное передается на поршневой палец, шатун и масло.Более высокая частота вращения двигателя означает более высокую температуру поршня . Это происходит потому, что накопленное тепло не успевает рассеяться между двумя последовательными циклами сгорания. В то же время более высокая нагрузка на двигатель означает более высокую температуру поршня, потому что при этом сгорает больше воздушно-топливной смеси, которая выделяет больше тепла.

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

Что касается такта расширения, продолжительность действия тепловой нагрузки от сгорания очень мала.Следовательно, только очень небольшая часть составляющей массы поршня, вблизи поверхности на стороне сгорания, следует за циклическими колебаниями температуры. Таким образом, почти вся масса поршня достигает квазистатической температуры, которая, однако, может иметь значительные локальные изменения.

Охлаждение поршня

По мере увеличения удельной мощности в современных двигателях внутреннего сгорания поршни подвергаются возрастающим тепловым нагрузкам. Поэтому эффективное охлаждение поршня требуется чаще, чтобы обеспечить безопасность эксплуатации.

Изображение: 2009 Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) Головка поршня и масляная форсунка
Кредит: GM

Температуру поршня можно снизить с помощью циркуляции масла по средней части поршня. Это может быть достигнуто с помощью маслоструйных устройств, установленных на блоке цилиндров, которые впрыскивают моторное масло через отверстие, когда поршень находится близко к нижней мертвой точке (НМТ).

Компания Tenneco Powertrain разработала новый стальной поршень для дизельных двигателей, который она спроектировала с «герметичной на весь срок службы» охлаждающей камерой в головке, что позволяет поршням безопасно работать при температурах в головке более чем на 100 ° C выше действующих ограничений.

Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
Кредит: Tenneco

Для формирования коронки EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается встроенный охлаждающий канал, который затем заполняется высокотемпературным маслом и инертным газом. Эта камера постоянно закрыта приварной заглушкой. Согласно Tenneco Powertrain, технология EnviroKool позволяет преодолеть температурные ограничения обычных открытых галерей, в которых в качестве теплоносителя используется смазочное масло.

Типы поршней

Геометрия поршня ограничена из-за кубатуры ДВС. Поэтому основной способ увеличения механического и термического сопротивления поршня — увеличение его массы. Это не рекомендуется, потому что поршень с большой массой имеет большую инерцию, которая преобразуется в высокие динамические силы, особенно при высоких оборотах двигателя. Сопротивление поршня можно улучшить за счет оптимизации геометрии, но всегда будет компромисс между массой, механическим и термическим сопротивлением.

На первый взгляд поршень кажется простым компонентом, но его геометрия довольно сложна:

Изображение: Техническое описание дизельного поршня Кредит: Kolbenschmidt

Изображение: Техническое описание бензинового поршня Кредит: Kolbenschmidt

Условные обозначения:

1. Диаметр чаши
2. днище поршня
3. камера сгорания (чаша)
4. кромка днища поршня
5. верхняя поверхность поршня
6. канавка под компрессионное кольцо
7. посадочная площадка кольца
8. основание канавки
9. углубление под кольцо
10. стороны канавки
11. канавка маслосъемного кольца
12. отверстие возврата масла
13. выступ поршневого пальца
14. расстояние до канавки
15. канавка для стопорного кольца
16. расстояние до ступицы поршня
17. расстояние до ступицы поршня
18. ступенчатая кромка
19. Диаметр поршня 90 ° C относительно отверстия 90 под поршневой палец 040
20. отверстие поршневого пальца
21. глубина чаши
22. юбка
23. зона кольца
24. высота сжатия поршня
25. длина поршня
26. канал маслоохладителя
27. держатель кольца
28. втулка болта
29. окно измерения диаметра
30. выпуклость короны

Как видите, между дизельными и бензиновыми поршнями есть существенные различия.

Поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие давления и температуры, поэтому они больше, громоздче и тяжелее. Они могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов, стали или их комбинации. Поршень дизеля содержит часть камеры сгорания в головке поршня. Из-за формы поперечного сечения головки поршня поршень дизельного двигателя также называют поршнем с головкой омега.

Поршни бензиновых двигателей легче, предназначены для более высоких оборотов двигателя.Они изготавливаются из алюминиевых сплавов и обычно имеют плоскую головку. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (DI) имеют специальные головки, позволяющие направлять поток топлива качающимся движением.

Ниже вы можете увидеть несколько изображений дизельных и бензиновых (бензиновых) двигателей в высоком разрешении.

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

Материалы поршней

Большинство поршней для автомобильной промышленности изготавливаются из алюминиевых сплавов .Это потому, что алюминий легкий, обладает достаточной механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Есть тяжелые применения, коммерческие автомобили, в которых используются поршни из стали , которые более устойчивы к более высоким давлениям и температурам в камере сгорания.

Алюминиевые поршни изготавливаются из литых или кованых жаропрочных алюминиево-кремниевых сплавов. Есть три основных типа алюминиевых поршневых сплавов. Стандартный поршневой сплав представляет собой эвтектический сплав Al-12% Si, содержащий дополнительно ок.По 1% каждого из Cu, Ni и Mg [3].

Основными алюминиевыми сплавами для поршней являются [3]:

• эвтектический сплав (AlSi12CuMgNi): литой или кованый
• заэвтектический сплав (AlSi18CuMgNi): литой или кованый
• специальный эвтектический сплав (AlSi12Cu4Ni240, только

cast2Mg) алюминиевый сплав имеет более низкую прочность, чем чугун, поэтому необходимо использовать более толстые секции, поэтому не все преимущества легкого веса этого материала реализуются. Кроме того, из-за более высокого коэффициента теплового расширения алюминиевые поршни должны иметь больший рабочий зазор.С другой стороны, теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у железа. Это, вместе с большей толщиной используемых секций, позволяет алюминиевым поршням работать при температурах примерно на 200 ° C ниже, чем чугунные [8].

В некоторых случаях прочность и износостойкость поршней из алюминиевого сплава недостаточны для удовлетворения требований по нагрузке, поэтому используются черные материалы (например, чугун, сталь). Существует несколько методов использования черных металлов в производстве поршней:

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

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

Изображение: Композитный поршень для дизельных судовых двигателей Кредит: Warstila

В поршнях и поршнях используются два типа черных металлов компоненты [6]:

• чугун :
  • аустенитный чугун для держателей колец
  • чугун с шаровидным графитом для поршней и юбок поршней
• сталь
  • хромомолибденовый сплав (42CrMo4)
  • хромомолибден-никелевый сплав (34CrNiMo6)
  • молибден-ванадиевый сплав (38MnVS6)

чугун обычно имеют содержание углерода> 2%.Поршни высоконагруженных дизельных двигателей и другие высоконагруженные компоненты двигателей и конструкции машин преимущественно изготавливаются из сферолитического чугуна M-S70. Этот материал используется, например, для изготовления цельных поршней и юбок поршней в композитных поршнях [6].

Сплавы железа, обозначенные как стали, обычно имеют содержание углерода менее 2%. При нагревании они полностью превращаются в ковкий (пригодный для ковки) аустенит. Поэтому сплавы железа отлично подходят для горячей штамповки, такой как прокатка или ковка.

Поршневые технологии

Существует несколько передовых поршневых технологий, каждая из которых имеет целью увеличить механическое и / или термическое сопротивление, снизить коэффициент трения или общую массу (сохраняя в то же время механические и термические свойства).

Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых на заводе Kolbenschmidt , каждый из которых отличается уникальными технологиями.

Изображение: Поршень бензинового двигателя оптимизированной по весу конструкции LiteKS® с держателем кольца
Кредит: Kolbenschmidt

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

Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых компанией Tenneco Powertrain (ранее Federal Mogul) , каждый из которых основан на уникальных технологиях.

Изображение: Поршень Elastothermic® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств) Характеристики: Поршень с охлаждающим каналом улучшает мощность и расход топлива уменьшенных бензиновых двигателей — Галерея эластотермического охлаждения снижает температуру днища поршня на около 30 ° C. — снижение температуры первой кольцевой канавки примерно на 50 ° C, что, в свою очередь, снижает отложение нагара и износ канавок и колец для увеличения срока службы; низкий расход масла и удар на ; — снижение риска неконтролируемого возгорания, например, при низкой скорости предварительной зажигание Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)	Изображение: Алюминиевые дизельные поршни Характеристики: — оптимизированное расположение галереи для максимального охлаждения может привести к снижению температуры обода барабана до 10% — улучшенная боковая забивка методы значительно улучшают конструктивную устойчивость (даже при тонкостенных конструкциях) — реструктуризация обода камеры сгорания и дно стакана могут увеличить усталостный ресурс до 100%. Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)
Изображение: Поршни для дизельных двигателей из моностали (стальные поршни для дизельных автомобилей большой грузоподъемности или промышленного применения) Поршень Monosteel® обеспечивает прочность и охлаждение, чтобы удовлетворить самые жесткие требования к двигателям на рынках тяжелых и промышленных двигателей, включая новое поколение давлений срабатывания двигателя, необходимых для дорожных правил Евро VI и выше. Прочная конструкция, состоящая из сварных с помощью инерционной сварки кованых стальных секций, образующих большие охлаждающие галереи, позволяет поршням Monosteel выдерживать возрастающие механические нагрузки. Эволюция Monosteel включает в себя последние разработки для промышленных двигателей с большим диаметром цилиндра, а также использование тонкостенных легких поковок и отливок для дизельных двигателей легковых автомобилей. Основные характеристики продукта: — большая закрытая структурная галерея с превосходным охлаждением обода чаши и кольцевой канавки, уменьшающим деформацию канавки и улучшающим контроль масла и газового уплотнения — профилированное отверстие под палец без втулки — юбка по всей длине для стабильного поршня динамика, снижение риска кавитации гильзы и улучшение кольцевого уплотнения. — процесс обеспечивает гибкость материала с возможностью выбора материала коронки для уменьшения коррозии или окисления и / или выбора материала юбки для повышения технологичности. Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)	Изображение: Поршни с покрытием EcoTough® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких или тяжелых автомобилей) Поршень с покрытием EcoTough® обеспечивает важные преимущества, которые помогают удовлетворить потребности клиентов в более эффективные конструкции двигателей, в том числе сниженный расход топлива и выбросы CO 2 . Он сочетает в себе низкий износ и низкое трение в одном применении и снижает расход топлива на 0,8% по сравнению с обычными покрытиями поршней. Ключевые преимущества: — совместим с существующей и усовершенствованной отделкой внутренних отверстий цилиндров и может быть беспрепятственно введен в серийное производство двигателей в качестве рабочих изменений — состав обеспечивает большую толщину, чем поршни с обычными покрытиями, обеспечивая дополнительную защиту — соответствует строгим экологическим стандартам ; не содержит токсичных растворителей. — запатентованное усовершенствованное покрытие юбки поршня с твердыми смазочными материалами и армированием углеродными волокнами, специально разработанное для тяжелых условий работы с бензином. — Снижение трения в силовом цилиндре (поршень + кольца) на 10% по сравнению сстандартные покрытия, повышение экономии топлива до 0,4% / сокращение выбросов CO 2 в европейских испытаниях ездового цикла — уменьшение износа на 40% по сравнению со стандартными бензиновыми покрытиями, повышенная надежность современных бензиновых двигателей с наддувом DI — EcoTough® — это запатентованное покрытие FM Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)
Изображение: Поршень DuraBowl® (алюминиевый поршень для дизельных легких или тяжелых автомобилей) Усиление поршня DuraBowl® Частичное переплавление кромки чаши : — чрезвычайное улучшение структуры алюминиевого материала, созданное локализованным переплавом с использованием технологии TIG. — до 4 раз улучшенная долговечность в двигателях с высокой удельной мощностью по сравнению с поршнями без переплавки барабана.Допускает форму камеры сгорания, подвергающуюся высоким нагрузкам. — Технология FM DuraBowl® расширяет пределы алюминиевых поршней в наиболее сложных условиях за счет увеличения усталостной прочности (циклов) поршня Авторы и права: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)	Изображение: Elastoval II сверхлегкие поршни (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств) Технология бензиновых поршней Avanced Elastoval® II основана на: — глубоких карманах под коронкой — наклонных боковых панелях — облегченной конструкции опоры пальца — тонких стенках 2.5 мм — оптимизированная площадь юбки и гибкость — Высокоэффективный сплав FM S2N Характеристики и преимущества включают: — снижение веса на 15% по сравнению с бензиновыми поршнями предыдущего поколения — обеспечивает удельную мощность до 100 кВт / л — оптимизировано характеристики шума и трения Совместимость с опцией держателя альфинового кольца для увеличения пикового давления в цилиндре и устойчивости к детонации Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

Часто задаваемые вопросы о поршнях

Для чего используются поршни?

Поршни используются в двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия на шатун и коленчатый вал, создавая крутящий момент двигателя.Поршни преобразуют давление газа из камеры сгорания в механическую силу.

Что такое поршень и как он работает?

Поршень — это компонент двигателя внутреннего сгорания, сделанный из алюминия или стали, используемый для преобразования давления газа из камеры сгорания в механическую силу, передаваемую на шатун и коленчатый вал.

Из чего сделан поршень?

Поршень может быть изготовлен из цветного металла, алюминия (Al) или черного металла, например, из чугуна или стали .

Какие два типа поршневых колец?

Два типа поршневых колец: компрессионные, кольца и масляные кольца .

Какие два основных типа поршневых двигателей?

Двумя основными типами поршневых двигателей являются: дизельный двигатель поршневой и бензиновый двигатель поршень. Функция материала, два основных типа поршня: алюминиевый поршень и стальной поршень .

Каков срок службы поршней?

Поршень должен служить в течение всего срока службы автомобиля, если условия эксплуатации являются номинальными (нормальная смазка, регулярное обслуживание двигателя, отсутствие чрезмерной нагрузки, отсутствие чрезмерной температуры). В нормальных условиях эксплуатации поршень должен прослужить не менее 300000 км до 500000 км и более.

Что вызывает отверстия в поршнях?

Обычно из-за аномально высоких температур поршни плавятся, а детонация двигателя может вызвать трещины в поршнях.Неисправные форсунки могут подавать чрезмерное количество топлива в цилиндры, что может вызвать аномально высокую температуру сгорания и частично оплавить поршни.

Как узнать, повреждены ли поршни?

Если поршень поврежден, наиболее вероятными симптомами являются: потеря мощности из-за потери сжатия, чрезмерный дым в выхлопе или необычный шум двигателя.

Можно ли починить сломанный поршень?

Сломанный поршень не подлежит ремонту, его необходимо заменить.Поршень имеет очень жесткие геометрические допуски, которые, скорее всего, не будут соблюдены после ремонта. Кроме того, их механические и термические свойства изменятся после ремонта, что приведет к дальнейшим повреждениям. Сломанный поршень может вызвать серьезные повреждения блока цилиндров, шатуна, клапанов и т. Д. И должен быть немедленно заменен.

Можно ли водить машину с неисправным поршнем?

Вы можете ездить с плохим поршнем, но это не рекомендуется. Повреждение поршня может привести к значительному выходу из строя блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, клапанов и т. Д.Если не заменить поврежденный поршень, это может привести к полному отказу двигателя.

Повредит ли мой двигатель удар поршня?

Удар поршня повредит двигатель. Оставить без присмотра. Удар поршня в течение длительного времени приведет к повреждению гильзы цилиндра и самого поршня.

Уходит ли поршень при нагревании?

Поршень частично уходит, когда двигатель прогрет. Удар поршня вызван чрезмерным износом гильзы цилиндра или самого поршня.Когда двигатель нагревается, поршень имеет тепловое расширение, и зазор между поршнем и цилиндром уменьшается, что приводит к уменьшению ударов поршня.

Могу ли я ехать с хлопком поршня?

Можно ездить с хлопком поршня, но долго водить не рекомендуется. Удар поршня вызовет износ самого поршня и гильзы цилиндра. Удар поршня также может вызвать трещины в поршне, что может привести к полному отказу двигателя, если его оставить без присмотра.

Что вызывает износ юбки поршня?

Износ юбки поршня вызван недостаточной смазкой гильзы цилиндра маслом.В нормальном рабочем состоянии система смазки разбрызгивает масло на цилиндры, чтобы избежать прямого контакта между юбкой поршня и цилиндром. При неисправности системы смазки или недостаточном уровне масла на стенках цилиндра будет недостаточно масла, и юбка поршня будет значительно изнашиваться.

Ссылки

[1] Клаус Молленхауэр, Хельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer, 2010.
[2] Хироши Ямагата, Наука и технология материалов в автомобильных двигателях, Woodhead Publishing in Materials, Кембридж, Англия, 2005 .
[3] The Aluminium Automotive Manual, European Aluminium Association, 2011.
[4] Heisler, Heinz, Vehicle and Engine Technology, Society of Automotive Engineers, 1999.
[5] QinZhaoju et al., Поршневая термомеханическая муфта дизельного двигателя моделирование и многопрофильная оптимизация проектирования, Примеры в теплотехнике, Том 15, ноябрь 2019 г.
[6] Испытания поршней и двигателей, Mahle GmbH, Штутгарт, 2012 г.
[7] Скотт Кеннингли и Роман Моргенштерн, Тепловые и механические нагрузки в Область чаши сгорания легковых дизельных поршней из AlSiCuNiMg; Пересмотрено с акцентом на расширенный анализ методом конечных элементов и инструментальные методы тестирования двигателей, Federal Mogul Corporation, SAE Paper 2012-01-1330.
[8] T.K. Гарретт и др., Автомобиль, 13-е издание, Баттерворт-Хайнеманн, 2001.
[9] Н. Долатабади и др., Об идентификации событий ударов поршня в двигателях внутреннего сгорания с использованием трибодинамического анализа, Механические системы и обработка сигналов, Том 58 –59, июнь 2015, страницы 308-324, Elsevier, 2014.
[10] Клаус Молленхауэр и Гельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010.

По любым вопросам, наблюдениям и запросам по этой статье , используйте форму комментария ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Что такое поршень? Как топливо превращается в сырую энергию в двигателе

Поршень является важной частью двигателя внутреннего сгорания , который играет ключевую роль в преобразовании топлива, которое вы используете для заправки автомобиля, в энергию для движения вперед.

Это движущийся компонент, который используется для передачи усилия от газа, который расширяется в цилиндрах, на коленчатый вал для вращения колес.

Они необходимы для преобразования линейного движения в цилиндрах в круговое движение, которое может приводить в движение колеса.

Получить расценки на ремонт двигателя

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания в вашем автомобиле получает энергию за счет сжигания бензина или дизельного топлива. Газы, образующиеся при сжигании топлива при высоких температурах, используются для привода поршней и последующей передачи энергии для вращения колес вашего автомобиля.

Поршень представляет собой толстую металлическую пластину, сжимающую газ внутри цилиндров.

Пластина имеет диаметр, равный ширине цилиндров, поэтому воздух или топливо не могут выходить по бокам.

Он завершает цикл, начиная с верхней части цилиндра, когда открывается клапан для заполнения цилиндра воздухом и топливом.

Затем поршень прижимается вниз для сжатия смеси воздуха и топлива. Важно сжать смесь до того, как она воспламенится, поскольку это придает взрыву большую мощность и позволяет более эффективно использовать топливо.

Свеча зажигания создает искру, чтобы воспламенить топливо и вызвать взрыв.Сила взрыва перемещает поршень, и выпускной клапан открывается, позволяя сгоревшему топливу и дыму покинуть цилиндр.

При движении поршня вверх и вниз верхняя часть шатуна также перемещается вверх и вниз. Нижняя часть шатуна не зафиксирована в положении, которое позволяет ему двигаться круговым, а не линейным движением. Это круговое движение и будет использоваться для поворота колес.

Этот процесс повторяется снова и снова на высокой скорости в течение всего времени, пока ваш двигатель включен.

Получить расценки на ремонт двигателя

Точность и чистая энергия

Таким образом, легко увидеть, насколько поршень абсолютно необходим для внутренней работы вашего автомобиля. Без поршня не было бы способа превратить сырую энергию, содержащуюся в бензине или дизельном топливе, в силу, способную вращать колеса и вести ваш автомобиль вперед.

Все о двигателе / ​​моторе

Что такое дизельные поршни и что может вызвать их повреждение?

Поршень дизеля — очень важный компонент любого двигателя, поэтому мы создали краткое руководство, чтобы объяснить, что такое поршень дизеля, как он работает, что вызывает повреждение деталей поршня и как этого избежать.

Что такое дизельный поршень и как он работает?

Поршень дизеля — это металлический цилиндр, который перемещается вверх и вниз внутри цилиндра двигателя через различные стадии цикла сгорания, который соединен с коленчатым валом двигателя через шатун. Когда поршень движется вниз, он втягивает воздух и топливо в цилиндр, а когда поршень движется вверх, этот воздух и топливо затем сжимаются.
Поршень также выполняет важную работу по созданию области низкого давления внутри цилиндра, противодействуя более высокому уровню давления воздуха, которое находится вне цилиндра.Поскольку поршень образует нижнюю часть камеры сгорания в дизельном двигателе, он также поглощает тепло, вызванное сгоранием, отводя его от температуры металла, чтобы удерживать его в безопасных пределах.

Что вызывает повреждение деталей поршня двигателя?

Чтобы вы могли принять меры до того, как какое-либо повреждение повлияет на двигатель, мы составили список наиболее распространенных и конкретных причин повреждения поршня, чтобы вы могли легко распознать проблему.

Распространенные причины повреждения поршня

1.Сгоревший поршень
Сгоревший поршень можно увидеть сразу после снятия верхней части двигателя. Вы должны уметь распознавать видимые признаки плавления, а иногда и прожженное отверстие в поршне. Сгоревший дизельный поршень обычно вызван использованием грязных топливных форсунок.

2. Треснувший поршень
Причины трещины в поршне могут включать продолжительное использование некачественного топлива. Или треснувший поршень может быть результатом отказа системы рециркуляции выхлопных газов.

3. Ремень ГРМ с защелкиванием
Ремень ГРМ играет ключевую роль, поскольку он обеспечивает идеальное чередование движений поршней и клапанов.Если ремень порвался, это может вызвать столкновение между ними, что может привести к дальнейшему повреждению. Чтобы ремень ГРМ не оборвался, важно заменить ремень ГРМ в соответствии с инструкциями производителя автомобиля.

Конкретные причины повреждения поршня

1. Изношенные поршневые кольца дизеля
Если вы заметили белый дым, исходящий из выхлопной трубы, низкое ускорение, общую потерю мощности, а также значительное падение уровня моторного масла, это являются ключевыми признаками износа поршневых колец дизеля.

На вашем двигателе могут наблюдаться эти признаки повреждения поршневого кольца, поскольку уплотнение между поршнем и цилиндром больше не герметично, а это означает, что масло будет протекать в картер и камеру сгорания.

Изношенные поршневые кольца дизельного двигателя являются очень частой причиной повреждения поршня, поскольку кольца дизельного двигателя, окружающие поршень, действуют как буфер между камерой сгорания и картером, окружающим коленчатый вал. Дизельные кольца отвечают за отвод тепла к стенке цилиндра, регулируя температуру масла.

К сожалению, поршневые кольца изнашиваются, и вы мало что можете сделать, чтобы предотвратить это. Однако, если вы регулярно заменяете их до того, как они изнашиваются, это может сыграть большую роль в предотвращении повреждения двигателя.

2. Повреждение юбки поршня
Основная причина повреждения юбки поршня — попадание щебня через систему фильтрации воздуха. Это может привести к тому, что поршень внутри цилиндра изнашивает юбку, делая юбку тоньше и слабее, что в конечном итоге может привести к поломке поршня.

3. Защелка поршня
Если ваш автомобиль начинает издавать дребезжащие или стучащие звуки, которые остаются к тому времени, когда автомобиль нагревается, это может означать, что между поршнем и стенкой цилиндра имеется большой зазор.

Как предотвратить повреждение и отказ дизельного поршня?

Повреждение поршня может быть очень дорогостоящим из-за значительных трудозатрат на установку деталей поршня двигателя. Эта стоимость обычно высока, поскольку для решения любой проблемы необходимо разбирать весь двигатель.

Чтобы предотвратить повреждение и отказ поршня, будь то поршневые кольца дизельного двигателя или другие детали поршня двигателя, убедитесь, что вы используете подходящее моторное масло и что масло и фильтр меняются с рекомендованными производителем интервалами. Вы также должны убедиться, что охлаждающая жидкость двигателя находится в хорошем состоянии, что вы можете проверить, открыв крышку радиатора, или вы можете посмотреть на воду в резервуаре охлаждающей жидкости.

Важно помнить, что дизельные поршни являются частью двигателя в целом, и все дизельные двигатели разные.К сожалению, не существует универсального решения для тех, кто испытывает проблемы с дизельным двигателем или с дизельными кольцами. Также крайне важно определить причину проблемы и устранить ее, прежде чем просто заменять поврежденные детали и повторно собирать двигатель.

Свяжитесь с Foxwood Diesel сегодня и сообщите номер вашего двигателя и укажите, какие именно трудности вы испытывали, чтобы мы могли вам помочь. Foxwood Diesel — специалисты в области ремонта дизельных двигателей и ремонта двигателей с более чем 30-летним опытом.Мы храним большое количество запасных частей для дизельных двигателей, многие из которых доступны для отправки в тот же день и адаптированы для различных производителей автомобилей, включая Mercedes, Volvo и всех других крупных производителей дизельных двигателей. Обладая экспертными знаниями в области дизельных систем, мы предлагаем высокоэффективные решения по ремонту и восстановлению в нашем центре обработки двигателей изношенных двигателей, требующих профессионального ухода.

Pristine Pistons: как замена масла может обеспечить бесперебойную работу поршней двигателя вашего автомобиля

Даже самые сознательные автовладельцы не всегда уделяют должное внимание тому, что происходит под капотом их автомобиля.Под капотом работает двигатель автомобиля. Если не все эти движущиеся части содержать в чистоте и не содержать в хорошем состоянии, некоторые или все из них могут заблокироваться или выйти из строя. Одна из таких частей — поршень.

Что такое поршень и для чего он нужен?

Начнем с начала. На самом базовом уровне двигатель внутреннего сгорания требует топлива, давления и искры. Поршни работают вместе с цилиндрами, обеспечивая эти элементы. Когда поршни поднимаются, в цилиндре создается давление.Цилиндр содержит пар, состоящий из воздуха и топлива. Когда цилиндр находится в самой высокой точке, искра от свечи зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Эта реакция заставляет поршень опускаться с высокой скоростью. Затем другие компоненты передают эту энергию колесам.

Хорошо… Какое отношение это имеет к замене масла?

Масло смазывает движущиеся части двигателя автомобиля. Думайте о масле как о покрытии, которое защищает кожу от натирания. Кроме того, масло отводит тепло от рабочих частей автомобиля.Это важно, поскольку двигатель автомобиля может сильно нагреваться. Это также помогает предотвратить налипание лака и углерода. Что касается поршней, то масло предохраняет поршни от царапин во время их движения по цилиндрам. В конце концов, царапины могут привести к блокировке поршней, что может привести к тому, что двигатель не будет работать, а автомобиль не будет ездить. Даже если дело никогда не зайдет так далеко, шлам и остатки могут препятствовать движению поршня. Это может помешать двигателю автомобиля работать с максимальной эффективностью.

Что мне нужно сделать, чтобы позаботиться о поршнях двигателя моего автомобиля?

Регулярно меняйте масло с интервалами, рекомендованными вашим производителем. Кроме того, обязательно выбирайте синтетическое масло. Синтетическое масло имеет много преимуществ, которых нет у натурального масла. Во-первых, он создается в лаборатории. Это означает, что его можно настроить для различных целей (в отличие от использования натурального масла). Производители конструируют синтетическое масло, чтобы оно служило дольше и было более гладким, чем натуральное масло, «что означает, что оно лучше снижает трение.

Краска и отделка вашего автомобиля важны, но также важно то, что происходит под капотом. В следующий раз, когда вы будете лечить свой автомобиль в спа-салоне Mr. Clean Car Wash, спросите о замене масла с использованием синтетического масла.

Вернуться на главную страницу блога

Поршень: определение, детали, функции, материалы, выпуск, работа

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

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

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

Читайте: Компоненты автомобильного двигателя

Что такое поршень?

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

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

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

Функции поршня в двигателях внутреннего сгорания

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

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

Как работает поршень?

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

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

Читайте: Применение дизельного двигателя

На видео ниже показана работа поршня в двигателе внутреннего сгорания в двигателе :

Материал поршня

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

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

Поршни

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

Ниже приведена схема поршня:

Основные части поршней и их функции

Ниже приведены пояснения к основным частям поршня:

Юбка поршня:

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

Поршневые кольца:

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

Подшипники поршневые:

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

Поршневой палец:

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

Головка поршня:

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

Болт шатуна:

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

Шатун:

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

Читайте: Четырехтактный двигатель: все, что вам нужно знать

Типы поршней

Ниже представлены три типа поршней:

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

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

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

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

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

Прочтите Все, что вам нужно знать о системе трансмиссии

Общая проблема поршня

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

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

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

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

Прочтите: Как работает автомобильный двигатель

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

Как форма поршня влияет на горение?

Когда мы говорим о двигателях, мы часто говорим о четырех или шести цилиндрах. Но что это на самом деле означает? Для тех, кто не знаком с основами двигателя, «цилиндр» — это пространство, в котором движется поршень, а поршни являются жизненно важными частями внутри большинства двигателей, приводимых в действие за счет внутреннего сгорания.

Обычно бензин и воздух смешиваются вместе в камере сгорания над поршнем.Когда электрическая искра воспламеняет эту смесь, она создает крошечный взрыв, который заставляет поршень подниматься и опускаться. Это движение вращает коленчатый вал, который в конечном итоге отвечает за привод трансмиссии и колес.

Как и следовало ожидать, поршни подвергаются большему нагреву, давлению и движению, чем почти любая другая часть двигателя. Они должны быть долговечными. Поскольку двигатели постоянно развиваются, автопроизводители продолжают находить новые способы создания более совершенных поршней, включая изменение их размера и состава.

Поршень лежит в основе движения двигателя. Добавление поршней в двигатель или их увеличение увеличивает рабочий объем двигателя, а это означает, что двигатель вырабатывает больше мощности, потому что он сжигает больше бензина.

Но главное не только количество поршней в двигателе. Форма поршня имеет большое влияние на процесс внутреннего сгорания. В основном форма поршня имеет прямое отношение к тому, как регулируется тепло и воздушно-топливная смесь.

Давайте сначала поговорим о различных формах поршней.Поршни эллиптической или овальной формы при нагревании становятся более круглыми.

No related posts.