Двигатель любой современной машины характеризуется высокой сложностью конструкции и большим числом составных элементов. Несмотря на такую высокую сложность, основывается на базовых понятиях, которые актуальны для машины любого класса и года выпуска. В этой статье мы рассмотрим один из ключевых элементов - поршень двигателя внутреннего сгорания - и расскажем о том, для чего он нужен и из чего состоит.
Строение
Поршень 4-тактного двигателя имеет достаточно сложное строение и, таким образом, целиком устройство включает в себя несколько составных частей. Это позволяет придавать машине оптимальные технические характеристики, а также делать 4-тактный двигатель более устойчивым к нагрузкам, а значит, долговечным.
Основная часть, из которой состоит поршень четырехтактного ДВС, - это его днище. Днище по своему диаметру чуть меньше, чем диаметр цилиндра, что объясняется наличием компрессионных и маслосъемных колец. Днище поршня любого диаметра может иметь разную форму и описание. Так, оно может иметь вогнутую форму, а само углубление может обладать различной конфигурацией.
Основное назначение днища в устройстве поршня в конструкции - это взаимодействие с топливными парами, которые при сгорании толкают поршень и заставляют его быть в движении на протяжении всего периода работы. Форма днища в поршне 4-тактного мотора диктуется большим количеством факторов. Обычно это зависит от количества свечей, мощности, диаметра самого поршня и многих других нюансов.
Помимо днища, в поршне, сколько бы миллиметров он ни насчитывал в диаметре, обязательно присутствует уплотнительная часть, которая включает в себя такие устройства, как компрессионные и маслосъемные кольца. Компрессионные кольца вкладываются в специальные выточенные желобки, которые по своему диаметру чуть отличаются от диаметра головки поршня. Их задача - не позволять смешиваться отработанной и свежей смеси, а также сохранять давление во время горения топлива.
В чем же заключается назначение компрессионных колец? Компрессионные 4-тактного двигателя необходимы для того, чтобы эффективность работы мотора была максимальной, и вся энергия сгоревшего топлива была направлена на то, чтобы поршень перемещался. По этой причине к материалам, из которых изготавливаются такие кольца в четырехтактном двигателе, предъявляются серьезные и строгие требования.
Помимо компрессионных, поршень 4-тактного двигателя в обязательном порядке оборудуется такими конструкциями, как кольца маслосъемные, которые обладают чуть большим диаметром, чем сам поршень. Они необходимы для того, чтобы смазка, которая постоянно циркулирует в моторе для предотвращения трения и перегрева, оставалась на трущихся поверхностях в нужном количестве и не накапливалась в камере сгорания. Благодаря этому, удается избежать масляного нагара, а расход смазки резко сокращается.
Как это работает?
Ход поршня четырехтактного двигателя представляет собой цикл, в течение которого коленчатый вал двигателя совершает один полный оборот. За это время топливная смесь, которая поставляется карбюратором или инжектором, полностью сгорает и выводится в , где проходит через глушитель и рассеивается в окружающую среду.
Ход поршня характеризуется исключительно движением вверх и вниз. Такое положение дел касается и четырехтактных, и всех остальных разновидностей моторов. Как уже было сказано, поступательное движение обуславливается исключительно процессами горения, которые протекают при высокой температуре.
Когда ход поршня производится в вертикальном направлении, коленчатый вал, с которым он соединяется, совершает вращательное движение. По этой причине конструкторами и инженерами был введен кривошип, который позволяет приводить вал в движение и заставлять его вращать колеса все время, пока четырехтактный двигатель запущен.
Обычно кривошип связан с головкой поршня шарнирно: ход поршня достаточно свободен для того, чтобы кривошип смещался на острый угол относительно оси симметрии и был в движении беспрестанно. Шатун представляет собой небольшой металлический стержень, который на двух концах оборудован вставками под шарнир. С одной стороны шатун движется относительно поршня, который движется вверх и вниз.
С противоположного конца шатун подвижно закрепляется к коленчатому валу. Между шатуном и валом располагаются так называемые вкладыши, устройство которых позволяет переносить высокие температуры и не истираться даже при пиковых нагрузках. Когда настает пора ремонта, вкладыши меняются на новые, и таких циклов обслуживания до замены коленчатого вала может быть несколько.
Материал изготовления
Поршень 4-тактного двигателя, а вернее, материал, из которого он изготовлен, должен отвечать большому числу требований. К примеру, материал должен быть устойчивым к серьезным перегрузкам по температуре, ведь горение топлива вызывает сильнейший перегрев, к которому не готово большинство существующих материалов.
Кроме того, такие материалы должны обладать невысокой плотностью. Это нужно для максимального облегчения поршня с целью снижения нагрузки на детали и суммарного расхода топлива.
Какие же материалы отвечают подобным требованиям и широко применяются на четырехтактных двигателях внутреннего сгорания? Самым распространенным таким материалом является чугун. Будучи относительно недорогим, он отлично справляется со всеми своими задачами и выдерживает высокие температуры. Как показывает практика, ресурс такой детали достаточно высок, а надежность отвечает всем предъявляемым требованиям, поэтому поршень из чугуна можно найти на большинстве автомобилей.
Тем не менее прогресс не стоит на месте, и на смену чугуну пришел алюминий, а вернее, его специальная разновидность. Преимущество такого материала в том, что он ощутимо легче, однако по прочности ничуть не уступает привычному чугуну. По этой причине на спортивные машины в четырехтактные моторы ставят именно алюминиевые поршни. Такое решение позволило повысить мощность, увеличить ресурс и снизить расход топлива. Стоит отметить, что на обычные гражданские машины поршни из алюминия устанавливаются также нередко, что говорит об их очевидных преимуществах.
Резюме
Поршень двигателя - это важная деталь, без которой нормальная работа мотора оказалась бы невозможной. В связи с этим мировые автопроизводители стараются приблизить существующие решения к совершенству. Это позволяет добиться лучших характеристик при более высоком ресурсе, что говорит о том, что прогресс не стоит на месте.
В кривошипно-шатунном механизме поршень выполняет несколько функций, среди которых восприятие давления газов и передача усилий на шатун, герметизация камеры сгорания и отвод от нее тепла. Поршень является наиболее характерной деталью двигателя внутреннего сгорания , т.к. именно с его помощью реализуется термодинамический процесс двигателя.
Условия, в которых работает поршень, экстремальны и характеризуются высоким давлением, температурой и инерционными нагрузками. Поэтому поршни на современных двигателях изготавливаются из легкого, прочного и термостойкого материала – алюминиевого сплава, реже из стали. Поршни изготавливаются двумя способами – литьем под давлением или штамповкой, т.н. кованые поршни.
Поршень цельный конструктивный элемент, который условно разделяют на головку (в некоторых источниках ее называют днище) и юбку. Форма и конструкция поршня в значительной степени определяются типом двигателя, формой камеры сгорания и процессом сгорания, протекающим в ней. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую или близкую к плоской поверхность головки. В ней могут быть выполнены канавки для полного открытия клапанов. Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют более сложную форму. В головке поршня дизельного двигателя выполняется камера сгорания определенной формы, которая обеспечивает хорошее завихрение и улучшает смесеобразование.
Ниже головки поршня выполняются канавки для установки поршневых колец. Юбка поршня имеет конусообразную или криволинейную (бочкообразную ) форму. Такая форма юбки компенсирует температурное расширение поршня при нагреве. При достижении рабочей температуры двигателя поршень принимает цилиндрическую форму. Для снижения потерь на трение на боковую поверхность поршня наносится слой антифрикционного материала (дисульфид молибдена, графит ). В юбке поршня выполнены отверстия с приливами (бобышки ) для крепления поршневого пальца.
Охлаждение поршня осуществляется со стороны внутренней поверхности различными способами:
- масляный туман в цилиндре;
- разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
- разбрызгивание масла специальной форсункой;
- впрыскивание масла в специальный кольцевой канал в зоне колец;
- циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.
Поршневые кольца образуют плотное соединение поршня со стенками цилиндра. Они изготавливаются из модифицированного чугуна. Поршневые кольца основной источник трения в двигателе внутреннего сгорания. Потери на трение в кольцах достигают до 25% всех механических потерь в двигателе.
Число и расположение колец зависит от типа и назначения двигателя. Самая распространенная схема – два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов из камеры сгорания в картер двигателя. Первое компрессионное кольцо работает в наиболее тяжелых условиях. Поэтому на поршнях дизельных и ряда форсированных бензиновых двигателей в канавке кольца устанавливается стальная вставка, повышающая прочность и позволяющая реализовать максимальную степень сжатия. Компрессионные кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную, коническую форму, некоторые выполняются с порезом (вырезом).
Маслосъемное кольцо удаляет излишки масла с поверхности цилиндра и препятствует попаданию масла в камеру сгорания. Кольцо имеет множество дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.
Соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Имеется несколько способ установки поршневого пальца. Самый популярный т.н. плавающий палец , который имеет возможность проворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время работы. Для предотвращения смещения пальца он фиксируется стопорными кольцами. Значительно реже применяется жесткое закрепление концов пальца в поршне или жесткое закрепление пальца в поршневой головке шатуна.
Поршень, поршневые кольца и поршневой палец носят устоявшееся название поршневая группа.
Поршень является одним из самых значимых элементов при преобразовании химической энергии топлива в тепловую, а затем - в механическую, как в прямом, так и в переносном смысле. Моторные характеристики во многом зависят от того, насколько хорошо поршень выполняет свои задачи. Это определяет эффективность и, что ещё важнее, надёжность мотора. Особое значение данный параметр принимает, когда идёт речь о модификациях автомобилей в салонах тюнинга, или о спортивном применении. Конструкторы всегда сталкиваются с проблемой использования специальных поршней , когда повышается мощность. Поршень можно считать одной из самых сложных моторных деталей из-за множества выполняемых функций и достаточно противоречивых свойств. Это в высшей степени подтверждает тот факт, что очень мало автостроителей изготавливают поршни для своих моторов, используя лишь свои силы.
В большинстве случаев они прибегают к услугам специализирующихся на этом деле фирм. О поршнях ходит огромное количество тайн и догадок, которые создаёт разнообразие размеров и форм этой детали. В соответствующем разделе нашего сайта вы сможете найти статью . Изготовить поршень в стандартных условиях машиностроения в тюнинговых компаниях технически сложно, практически невозможно, поэтому большинство компаний этим делом отказывается заниматься. К тому же, производство таких сложных деталей поштучно может быть обременительно с точки зрения финансов. Интуитивно тюнеры понимают, что улучшенные двигатели должны иметь улучшенные поршни.
Устройство поршней
Давайте рассмотрим подробнее, какие к поршням обычно предъявляются требования, и как вообще они устроены.
- Поршень, во-первых, перемещается в цилиндре, что позволяет совершать механическую работу путём расширения продуктов горения топлива, то есть, сжатых газов
Из этого можно сделать вывод, что он должен сопротивляться давлению газов, обладать термостойкостью и уплотнять канал цилиндра.
- Во-вторых, поршень должен соответствовать требованиям пары трения, чтобы механические потери и износ стали минимальными.
- В-третьих, он должен выдерживать реакцию шатуна и механическое воздействие со стороны камеры сгорания.
- В-четвёртых, поршень должен минимально нагружать инерционными силами криво-шатунный механизм, совершая с высокой скоростью возвратно-подступательные движения.
Получается, что все проблемы, связанные с этой значимой частью двигателя, разделить можно на две категории:
- Это механические процессы
- Тепловые процессы, причём первая намного обширнее второй. Категории имеют достаточно тесную взаимосвязь. Давайте более подробно рассмотрим первую.
Как известно, топливо сгорает в непоршневом пространстве, и при этом выделяет очень большое количество тепла при каждом цикле работы двигателя. Температура уже сгоревших газов в среднем равна 2000 градусов. Часть энергии перейдёт движущимся частям мотора, а остальная станет нагревать двигатель. Энергия, которая останется в итоге, улетит в трубу вместе с обработанными газами. По законам физики два тела могут передавать друг другу тепло до того момента, пока их температуры полностью не сравняются. Соответственно, если поршень периодически не охлаждать, спустя некоторое время он просто-напросто расплавится. Это очень значимый момент для понимания принципов работы всей поршневой группы.
Особенно это важно тогда, когда мотор форсируется. При увеличении мощности мотора автоматически увеличивается количество генерируемого в камере сгорания тепла за одну временную единицу. Конечно, мы видим очень даже нечасто поршни в расплавленном, однако в любой их проблеме обязательно есть упоминается температура, точно также как скорость присутствует в любом ДТП. Конечно, вина здесь лежит на водителе, однако никто бы не пострадал, если бы автомобиль стоял на месте. Дело в том, что высокие температуры ухудшают характеристики всех материалов. Нагрузка в 100 градусов вызовет упругую деформацию, в 300 градусов - деформирует изделие полностью, а в 450 градусов деформирует её. По этой причине нужно либо применять материалы, которые могут выдержать серьёзные нагрузки от высоких температур, либо принимать меры, предотвращающие рост температуры поршня. Обычно делается и то, и другое. Тем не менее, конструкция поршня должна быть такой, чтобы в необходимых местах было определённое количество металла, который способен противостоять разрушению.
Курс общей физики подтверждает тот факт, что тепловой поток направлен к менее нагретым телам от более нагретых. Таким образом, у нас есть возможность увидеть, как температуры распределяются по поршню во время его работы, и определить значимые конструктивные моменты, которые влияют на его температуру, другими словами, понять, каким образом происходит охлаждение. Мы знаем, что больше всех деталей нагревается рабочее тело, то есть, газы в камере сгорания. Совершенно ясно, что в конце концов тепло окажется передано воздуху, который окружает автомобиль - самому холодному, но при определённых обстоятельствах бесконечно теплоёмкому. Омывая корпус двигателя и радиатор, воздух студит блок цилиндров, охлаждающую жидкость и корпус головки. Нам остаётся только найти мостик, по которому поршень отдаёт своё тепло в антифриз и блок . Для этого существую четыре пути. По своему вкладу они абсолютно разные, однако нужно упомянуть о каждом из них, так как они имеют меньшее или большее значение в зависимости от конструкции двигателя.
Первый путь
Это поршневые кольца, он обеспечивает наибольший поток. Так как первое кольцо расположено ближе к днищу, именно оно играет главную роль. Эта самый короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Одновременно кольца прижаты к стенкам цилиндра и к поршневым канавкам. Они обеспечивают более половины всего теплового потока.
Второй путь
Не так очевиден, однако недооценить его трудно. Второй жидкостью для охлаждения двигателя является масло. Несмотря на свою слабую циркуляцию и относительно небольшой объём, масляный туман имеет доступ к самым нагретым частям мотора. Он от самых горячих точек уносит с собой значительную часть тепла, и отдаёт его в поддон картера. В данном разделе нашего сайта вы сможете найти статью про . При применении масляных форсунок, которые направляют струю на внутреннюю поверхность днища поршня, в теплообмене доля масла нередко достигает 30 - 40 процентов. Разумеется, что если мы нагружаем масло больше степени функции теплоносителя, его необходимо будет остудить. Перегретое масло не только потеряет свои свойства, но так же ещё может привести к неисправности подшипников. И чем выше будет температура масло, тем меньше оно сможет перенести через себя тепла.
Третий путь
Через большие бобышки в палец, потом в шатун, и уже затем в масло. Этот способ не так интересен, ведь на пути имеются значительные тепловые сопротивления в виде стальных деталей и зазоров, которые обладают невысоким коэффициентом сопротивления и значительной протяжённостью.
Четвёртый путь
Не связан с охлаждающей жидкостью или маслом. Часть тепла забирает поступившая в цилиндр после такта впуска свежая топливовоздушная смесь. Количество тепла, которое заберёт эта смесь, зависит от степени открытия дросселя и режима работы. Следует отметить, что тепло, которое образуется при сгорании, также пропорционально заряду. Можно сказать, что данный путь охлаждения отличается скоротечностью, обладает импульсным характером, высокоэффективен, пропорционален последующему нагреванию, благодаря тому факту, что тепло отбирается с той же стороны, с которой нагревается поршень.
Также следует рассказать про стандартный приём, который применяется при настройке моторов спортивного типа. Дело в том, что теплоёмкость смеси в значительной степени определяется её составом. Нередко для нормализации работы мотора нужно совсем немного, на 5 - 10 градусов, снизить внутреннюю температуру. Достигается это при помощи лёгкого забогащения смеси. Причём, данный факт никаким образом не влияет на процесс горения, а температура понижается. Порог детонации отодвигается, калильное зажигание исчезает. В данном случае будет лучше немного богаче, чем немного беднее. Моторы, которые работают на метаноле намного меньше предъявляют требований к системе охлаждения из-за теплоты преобразования, которая в 3 раза больше, чем у бензина.
Следует уделить пристальное внимание процессу передачи тепла по поршневым кольцам по причине его большей значимости. Совершенно ясно, что если перекрыть этот путь по каким либо причинам, длительных форсированных режимов двигатель уже не выдержит. Температура станет очень высокой, поршень начнёт плавиться, а двигатель разрушится. Теперь давайте вспомним о такой характеристики, как процессия, которая, казалось бы, никак не влияет на теплообмен. Если человек сталкивался с подержанным автомобилем, он должен чётко представлять себе, что это такое. Это очень значимый параметр, о котором желает знать любой автовладелец, который заботится о состоянии двигателя своего автомобиля. Компрессия косвенно указывает на степень плотности поршневой группы. Это очень важный параметр, если рассматривать его с точки зрения теплопередачи.
Давайте представим ситуацию, что кольцо к стенке цилиндра не прилегает по всей своей длине. В этом случае сгоревшие газы создадут барьер, который будет мешать передаче тепла через кольцо в стенку цилиндра, начиная от поршня, когда будут прорываться в щель. Это равносильно тому, что вы закроете часть радиатора автомобиля, чтобы у него не было возможности охладиться воздухом.
Если у кольца нет тесного контакта с канавкой, мы будем наблюдать ещё более страшную картину. В тех местах, где у газов есть возможность протекать через канавку мимо кольца, участок поршня просто лишается возможности охлаждаться, попадая в своеобразный тепловой мешок. В результате получаем выкрашивание и прогар части огневого пояса, которая прилегает к месту утечки. Именно по этой причине так много внимания уделяется износу канавки и геометрии цилиндра кольца. И главная причина вовсе не ухудшение энергетики. Ведь небольшое количество газов, которые прорываются в картер, не несёт в себе достаточной энергии, чтобы оказать влияние на потерю давления в такте рабочего хода и, соответственно, на потерю двигателем момента. Тем более, если речь идёт о высокооборотном моторе. Намного больше вреда двигателю наносит небольшая плотность в смысле потери надёжности и жёсткости и локальных тепловых перегрузок. Именно по этой причине очень быстро ломаются восстановленные методом перегильзовки блока или замены колец поршни, которые уже вышли из строя. Именно поэтому в первую очередь у спортивных моторов разрушается цилиндр, который имеет меньшую компрессию.
Здесь, видимо, следует коснуться вопроса, обязательно обсуждаемого при изготовлении специальных поршней для тюнинговых или спортивных приложений. Сколько именно у нового поршня будет колец? Какой толщины будут эти кольца? С точки зрения механики лучше, когда колец немного. Чем уже они будут, тем меньше будет потерь в поршневой группе. Однако при уменьшении толщины и высоты колец, будут ухудшаться условия охлаждения поршня, и увеличиваться тепловое сопротивление. Поэтому при выборе конструкции всегда приходится идти на компромисс. Жёсткость рамок увеличивается с быстроходностью мотора. В данном разделе нашего сайта вы сможете найти статью про . Скоротечность процессов снижает требования к уплотнению. Механические потери растут вместе со скоростью, и их нужно уменьшать, иначе всё, что преобразовалось ранее в механическую мощность, просто не достигнет колёс. Между тем, количество вырабатываемого тепла становится больше, поэтому охлаждающий мостик должен быть расширен. Из этого получаем, что кольца должны быть как узкими, так и широкими. Для быстроходности их нужно два, а для эффективности охлаждения поршня - три. Найти оптимальное решение этой задачи должен конструктор. Результаты его работы покажет сбалансированность двигателя.
На сегодняшний день инженеры, которые работают в крупных научных центрах и производственных компаниях, имеют огромный эмпирический материал, на основе которого создают расчётные методы, позволяющие предсказать поле характеристик и температур конкретного изделия с очень большой точностью. Это доступно очень и очень немногим тюнинговым компаниям. В этой статье специально не упоминаются многие значения конкретных величин, которые бы побудили бы некоторых читателей взять в руки калькуляторы. Делать же тепловые расчёты на пальцах совсем не перспективное и абсолютно никому не нужное занятие. Эта статья раскрывает ту сторону происходящих в двигателе процессов, которая очень редко рассматривается, но всегда подразумевается. Я лишь хотел раскрыть необходимость и важность влияния тепла на общую эффективность работы двигателя. Что касается механической части этого вопроса, то о нём мы подробно поговорим в следующий раз.
Определение.
Поршневой двигатель – один из вариантов двигателя внутреннего сгорания, работающий за счет превращения внутренней энергии сгорающего топлива в механическую работу поступательного движения поршня. Поршень приходит в движение при расширении рабочего тела в цилиндре.
Кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Рабочий цикл двигателя состоит из последовательности тактов односторонних поступательных ходов поршня. Подразделяют двигатели с двумя и четырьмя тактами работы.
Принцип работы двухтактного и четырехтактного поршневых двигателей.
Количество цилиндров в поршневых двигателях может варьироваться в зависимости от конструкции (от 1-го до 24-х). Объем двигателя принято считать равным сумме объемов всех цилиндров, вместимость которых находят по произведению поперечного сечения на ход поршня.
В поршневых двигателях различных конструкций по-разному происходит процесс воспламенения топлива:
Электроискровым разрядом , который образуется на свечах зажигания. Такие двигатели могут работать как на бензине, так и на других видах топлива (природный газ).
Сжатием рабочего тела:
В дизельных двигателях , работающих на дизельном топливе или газе (с 5% добавлением дизтоплива), сжимается воздух, и при достижении поршнем точки максимального сжатия, происходит впрыск топлива, которое воспламеняется от контакта с нагретым воздухом.
Двигатели компрессионной модели . Подача топлива в них точно такая же, как и в бензиновых двигателях. Поэтому, для их работы, необходимы особенный состав топлива (с примесями воздуха и диэтилового эфира), а также точная регулировка степени сжатия. Компрессорные двигатели нашли свое распространение в авиастроении и автомобилестроении.
Калильные двигатели . Принцип их действия во многом схож с двигателями компрессионной модели, однако не обошлось без конструкционной особенности. Роль зажигания в них выполняет – калильная свеча, накал которой поддерживается энергией сгорающего на предыдущем такте топлива. Состав топлива также особенный, за основу берут метанол, нитрометан и касторовое масло. Применяются такие двигатели, как на автомобилях, так и на самолетах.
Калоризаторные двигатели . В этих двигателях воспламенение происходит при контакте топлива с горячими частями двигателя (обычно – днище поршня). В качестве топлива применяется мартеновский газ. Используются они в качестве приводных двигателей на прокатных станах.
Виды топлива, применяющиеся в поршневых двигателях :
Жидкое топливо – дизтопливо, бензин, спирты, биодизель;
Газы – природные и биологические газы, сжиженные газы, водород, газообразные продукты крекинга нефти;
Вырабатываемый в газогенераторе из угля, торфа и древесины, монооксид углерода также используется в качестве топлива.
Работа поршневых двигателей.
Циклы работы двигателей подробно расписаны в технической термодинамике. Различные циклограммы описываются различными термодинамическими циклами: Отто, Дизеля, Аткинсона или Миллера и Тринклера.
Причины поломок поршневых двигателей.
КПД поршневого ДВС.
Максимальный КПД который удалось получить на поршневом двигателе составляет 60%, т.е. чуть меньше половины сгорающего топлива расходуется на нагрев деталей двигателя, а также выходит с теплом выхлопных газов. В связи с чем, приходится оснащать двигатели системами охлаждения.
Классификация систем охлаждения:
Воздушные СО
– отдают тепло воздуху за счет ребристой внешней поверхности цилиндров. Применяются ли
бо на слабых двигателях (десятки л.с.), либо на мощных авиационных двигателях, которые охлаждаются быстрым потоком воздуха.
Жидкостные СО – в качестве охладителя используется жидкость (вода, антифриз или масло), которая прокачивается через рубашку охлаждения (каналы в стенках блока цилиндров) и поступает в радиатор охлаждения, в котором она охлаждается воздушными потоками, естественными или от вентиляторов. Редко, но в качестве теплоносителя также используется металлический натрий, который расплавляется от тепла прогревающегося двигателя.
Применение.
Поршневые двигатели, благодаря своему мощностному диапазону, (1 ватт – 75 000 кВт) обрели большую популярность не только в автомобилестроении, но и авиастроении и судостроении. Они также используются для привода боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, водяных насосов, бензопил и прочих машин, как мобильных так и стационарных.
Когда мы садимся за руль автомобиля, поворачиваем ключ в замке зажигания и нажимаем педаль газа, под капотом начинает происходить множество очень сложных механизмов, которые и производят движение. Эти все механизмы нас совсем не интересуют, главное чтобы автомобиль ехал. Но вот когда происходит поломка – мы начинаем ломать голову над тем, в чем же кроется причина и нам приходится осваивать всю необходимую информацию об устройстве и функционировании каждой отдельной детали. Но чтобы не тратить на это время, когда этого времени у Вас не будет, перед тем как садиться за руль, следует хорошо разобраться в особенностях автомобильных деталей.
В частности, сегодня мы поговорим с вами о поршне. Ведь эта деталь является центральной в процессе переработки топливной энергии в тепловую и механическую. Разберемся с Вами, что такое поршень, его назначение, основные требования к нему и особенности его конструкции.
1. Поршень двигателя и его основные характеристики
Мы конечно надеемся, что опытным автомобилистам не нужно долго объяснять, что же такое поршень двигателя. Однако, если среди наших читателей есть «начинающие», то специально для них мы объясним, что поршень является деталью автомобиля, которая преобразует изменения давление газа, пара и жидкости внутри двигателя в механическую силу. Поршень имеет форму цилиндра, внутри которого постоянно совершаются возвратно-поступательные движения, благодаря которым и образуется механическая сила.
Обязанность у этой детали очень ответственная и от того, насколько он хорошо с нею справляется и зависит его эффективность. На самом деле он является наиболее сложной деталью автомобиля, разобраться в особенностях и противоречивых свойствах которой неподготовленному уму довольно трудно. Мало кто знает, но практически ни один автомобильный концерн не занимается самостоятельным изготовлением поршней для своих автомобилей, а заказывают их специально под свои моторы. Усложняет ситуацию для простых автомобилистов и тот факт, что на сегодняшний день существует большое количество разных форм и размеров поршней. Поэтому, обслуживание и ремонт этой детали может всегда проводиться по-разному.
Каким требованиям должен соответствовать надежный поршень?
Поскольку поршень – деталь довольно сложная, то и требований к ней выставляется великое множество. В связи со сложностями производства, изготовителей поршней двигателей не так уж и много, да и стоит эта деталь на авторынке совсем не мало. И так, давайте разберемся, каким требованиям должен соответствовать хороший поршень:
1. Перемещаясь внутри цилиндра, именно поршень двигателя обеспечивает расширение сжатых газов, которые являются продуктом горения топлива. Благодаря этому газы могут выполнять механическую работу – приводить в действие все остальные механизмы автомобиля. Как следствие, основное требование к поршням – возможность сопротивляться высокой температуре при которой проходят все эти процессы, высокому давлению газов и хорошо уплотнять канал цилиндра (иначе он не сможет влиять на давление газов).
2. Поршень не является одиночным устройством, он действует вместе с цилиндром и поршневыми кольцами. Вместе эти детали образуют линейный подшипник скольжения. В связи с этим подшипник обязательно должен отвечать всем требованиям и особенностям пары трения. Если все требования будут учтены с самой высокой точностью, то это не только поможет минимизировать механические потери при сгорании топлива, но и износ всех деталей.
3.
Поршень постоянно находится под сильными нагрузками, самыми сильными из которых являются нагрузки от камеры сгорания топлива и реакции от Его конструкция обязательно должна учитывать все эти факторы и выдерживать такое сильное механическое воздействие.
4. Не смотря на то, что поршень в процессе работы движется с довольно большой скоростью, он не должен сильно нагружать инерционными силами кривошипно-шатунный механизм автомобиля, иначе это может привести к поломке.
2. Назначение поршней или их функциональные обязанности
Мы уже неоднократно упоминали, что поршень выполняет очень важную роль во всей работе автомобильного двигателя. Так, основное назначение поршней заключается в том, чтобы:
- принимать давления газов из камеры сгорания и передавать эти давления на двигателя в виде механической силы;
Уплотнять полость цилиндра двигателя, которая находится над поршнем. Таким образом, он предохраняет весь автомобильных механизм от прорыва газов в кратер и от того, чтобы в него проникало смазочное масло.
Причем вторая функция является более важной, поскольку именно благодаря этому поршень сам себе обеспечивает нормальные условия для работы. Даже о том, в каком техническом состоянии находится двигатель специалисты делают вывод только после осмотра поршневой группы и проверки ее уплотняющей способности. Ведь если расход масла превышает 3% от расхода топлива (а происходит это по причине его угара при проникновении в камеру сгорания), то весь автомобильный двигатель необходимо срочно отправлять в ремонт иле же он вообще может быть снят с эксплуатации.
Понять, что с Вашим двигателем происходит что-то не то, можно по дымности отработанных газов. Но такого лучше не допускать.
Наверное, читая о том, что поршень и его элементы работают в условиях с очень высокими температурами, Вы удивляетесь, как это устройство само не выходит из строя? Добавим к этому, что кроме сложных температурных условий работу поршня постоянно сопровождают циклические, резко изменяющиеся, нагрузки. При всем этом элементам описываемой детали даже не всегда хватает смазки. Но об этом все конечно же подумали конструкторы и разработчики поршней.
Во-первых , конструируются они с учетом назначение и типа двигателя, на который они будут устанавливаться (стационарный, дизельный, двухтактный, форсированный или транспортный), поэтому для этого используются только самые устойчивые материалы.
Во-вторых
, существует несколько путей, благодаря которым осуществляется охлаждение данной детали. Но сначала немного о том, как и куда перетекает тепло (или даже жар) из камеры сгорания. Оно выходит в окружающий холодный воздух, который омывает радиатор и двигатель, а также блок цилиндров. Но какими же путями поршень одает тепло блоку и антифризу?
1. Через поршневые кольца. Самое главное из них – первое, поскольку оно располагается ближе всего к днищу поршня. Так как кольца одновременно прижимаются и к поршневым канавкам и к стенке цилиндра, то благодаря им отдается около 50% всего потока тепла от поршня.
2. Благодаря второй «охлаждающей жидкость», роль которой выполняет моторное масло. Поскольку масло подступает к самым нагретым частям двигателя, то именно ему удается унести в картерный поддон очень большое количество тепла с наиболее разогретых точек. Однако, чтобы масло могло охлаждать поршни, оно также должно охлаждаться, иначе его очень скоро придется менять.
3. Тепло проходит через бобышки в палец, в шатун и в масло. Менее эффективный путь, однако, и он играет свою важную роль.
4.
Как не странно, но топливо также помогает охлаждаться поршню и двигателю в целом. Так, когда в камеру сгорания поступает свежая смесь из топлива и воздуха, она перетягивает на себя довольно много тепла, хотя потом отдает его в еще больших количествах.
Однако, количество смеси и тепла, которое она сможет поглотить, напрямую зависит от режима работы автомобиля и того, насколько открыт дроссель. Преимущество данного пути заключается в том, что смесь поглощает тепло именно с той стороны, с которой поршень больше всего и нагревается.
Однако, мы немного забежали наперед, поскольку начали говорить о функционировании поршня, не разобравшись до конца в конструктивных особенностях данной детали. Этому и посвятим следующий раздел.
3. Конструкция поршня: все, что необходимо знать о детали обычному автолюбителю
Вообще говорить о поршне в одиночку – все равно, что говоря о хлебе, обсуждать только свойства муки. Более логично ознакомиться со всей поршневой группой двигателя, которая представлена такими деталями:
- непосредственно сам поршень;
Поршневые кольца;
Поршневой палец.
Подобная конструкция поршневой группы является неизменной еще с момента появления самых первых двигателей внутреннего сгорания. Поэтому, данное описание будет общим практически для всех двигателей.
Естественно, самые важные функции выполняет поршень, конструкция которого не меняется вот уже как 150 лет. Если Вы не желаете стать профессиональным механиком, то Вам необходимо знать только о таких важных зонах поршня и их функциональных предназначениях:
1. Днище поршня. Поверхность детали, которая непосредственно обращена к камере сгорания двигателя. Своим профилем днище и определяет нижнюю поверхность этой самой камеры. Зависть эта форма может от: формы камеры сгорания, от ее объема, особенностей подачи в нее топливно-воздушной массы, от расположения клапанов. Бывают случаи, когда на днище имеется углубление за счет которого увеличивается объем камеры сгорания. Но, поскольку подобное является не желательным, то для уменьшения объема камеры приходится применять специальные вытеснители – определенный объем металла, расположенный выше плоскости днища.
2. «Жаровой (огневой) пояс». Таким термином обозначается расстояние, которое пролегает от днища поршня до его первого кольца. Важно знать, что чем меньше расстояние от днища до колец, тем более высокая тепловая нагрузка будет попадать на эти самые элементы, и тем сильнее они будут изнашиваться.
3. Уплотняющий участок.
Речь идет о канавках, которые располагаются на боковой поверхности цилиндрообразного поршня. Эти канавки являются непосредственным путем установки колец, которые, в свою очередь, обеспечивают подвижность уплотнения. Также, в канавке для маслосъемного кольца обязательно должно быть отверстие, благодаря которому излишки масла могут выводиться во внутреннюю полость поршня.
Еще одна функция уплотняющего участка – отводить часть тепла от поршня двигателя используя для этого, как мы уже упоминали, поршневые кольца. Однако, для эффективного отвода тепла очень важно, чтобы поршневые кольца плотно прилегали как к канавкам, так и к поверхности цилиндра. Так, торцевой зазор первого компрессионного кольца должен составлять о 0,045 до 0,070 миллиметра, для второго – от 0,035 до 0,06 миллиметра, а для маслосъемного – от 0,025 до 0,005 миллиметра. А вот между кольцами и канавками показатель радиального зазора может составлять от 1,2 до 0,3 миллиметра. Но и эти показатели не являются значительными для человеческого глаза, их можно определить только при помощи специального оборудования.
4. Головка поршня. Это обобщенный участок, который включает в себя уже описанные выше днище и уплотняющую часть.
5. Компрессионная высота поршня. Расстояние, которое рассчитывается от оси поршневого пальца до днища поршня.
6. «Юбка».
Нижняя часть поршня. Включает в себя бобышки с отверстиями, в которые устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность этого участка является опорной и направляющей поверхностью для поршня. Благодаря ей обеспечивается правильное соотношение оси поршня и оси цилиндра двигателя.
Не менее важную роль играет и боковая поверхность «юбки», благодаря которой к цилиндру передаются поперечные усилия, возникающие периодически в поршневой группе двигателя. А специально для того, чтобы улучшить прорабатываемость поверхности юбки и уменьшить трение, она покрывается специальным защитным покрытием из олова
(в основе покрытия может также использоваться графит и дисульфид молибдена. Или же вместо покрытия на юбку могут наноситься канавки специального профиля, которые удерживают масло и создают гидродинамическую силу, препятствующую контакту со стенками цилиндра.
Как и из чего: особенности изготовления автомобильных поршней
Понятно, что для выполнения таких функций, которые выполняет поршень, требуется достаточно «выносливый» металл. Однако, это далеко не сталь. Изготавливают поршни из сплавов алюминия, в состав которого всегда добавляют кремний. Делается это для того, чтобы снизить коэффициент расширения под воздействием высоких температур и увеличить стойкость детали к износу.
Однако, для изготовления поршней могут использовать сплав с разным процентом содержания кремний. К примеру, чаще всего для этой цели используют 13%-кремневые сплавы, которые называют эвтектическими. Есть сплавы и с более высоким содержанием кремния, которые называются заэвтектическими. И чем больше показатель этого процента, тем выше теплопроводные характеристики сплава. Но это не делает такой материал идеальным для изготовления поршней.
Дело в том, что при охлаждении такой материал начинает выделять зерна кремния, размерами от 0,5 до 1 миллиметра. Очевидно, что подобный процесс отражается на литейных и механических свойствах как материала, так и детали, которая из него изготовлена. По этой причине, кроме кремния в подобные сплавы вводят и следующий перечень регулирующих добавок:
- марганец;
Как же изготавливается основная часть автомобильного поршня? Существует даже два способа, благодаря котором можно получить заготовку этой детали. Первый из них предполагает заливку горячего сплава в специальную форму под названием «кокиль». Данный способ является наиболее распространенным. Второй же вариант изготовления заготовки – это горячая штамповка. Но после механической обработки формы, будущий поршень также подвергают различным термическим обработкам, что позволяет повысить твердость металла, прочность и стойкость к износам. Также, подобные процедуры позволяют снять остаточное напряжение в металле.
Не смотря на то, что благодаря использованию кованого металла повышается прочность детали, у них есть и свои недостатки. Подобные изделия обычно изготавливаются в классическом варианте с высокой «юбкой», из-за чего они получаются слишком тяжелыми. Также, подобные изделия не позволяют использовать вместе с ними термокомпенсирующие кольца или же пластины. По причине увеличенного веса такого поршня, увеличивается и его тепловая деформация, как следствие – приходится увеличивать размер зазора между поршнем и цилиндром.
Последствия подобного совсем не порадуют водителя, поскольку ими являются повышенный шум работы двигателя, быстрый износ цилиндров и высокий расход масла. Оправдывает себя использование кованых поршней только в тех случаях, если автомобиль регулярно эксплуатируется на самых придельных режимах.
На сегодняшний день конструкторы и физики направляют все усилия на то, чтобы сделать конструкцию поршней как можно более идеальной и точной. В частности, самые главные тенденции направлены на следующий перечень:
- уменьшение веса детали;
Использование на поршне только «тонких» колец;
Уменьшение компрессионной высоты поршня;
Уменьшение поршневых пальцев и использование в конструкции поршня только самых коротких;
Усовершенствование защитных покрытий и применение их по всех поверхностях детали.
Подобные достижение сегодня можно увидеть на Т-образной конструкции поршней последнего поколения. называют данную конструкцию Т-образной именно благодаря внешнему сходству детали с буквой «Т». Главное отличие таких поршней – уменьшенная высота юбки и площадь ее направляющей части. Изготавливаются такие поршни из заэвтектического сплава, который содержит в себе достаточно большое количество кремния. А изготавливаются они преимущественно путем горячей штамповки.
Однако, какую именно конструкцию поршня двигателя захотят поставить на автомобиль его разработчики будет зависеть от многих факторов. Такому решению всегда предшествует длительный период подсчетов и анализа поведения всех узлов шатунно-поршневой группы под влиянием новой детали. Расчет всех деталей проводится на их самых предельных возможностях их конструкций и тех материалов, из которых они изготовлены.
Однако, как это ни печально, но в этом случае производитель не будет переплачивать. Он выберет тот вариант, который как раз «в пору» обеспечивает необходимый ресурс, и не будет тратиться на его повышение.
Как бы там ни было, но обычным автомобилисту приходится разбираться и эксплуатировать то, что уже было установлено на его автомобиль. Надеемся, что наша статья помогла Вам лучше узнать о том, каким образом функционирует и в чем заключается назначение поршней. Желаем Вам, чтобы с этой деталью у Вас никогда не возникало проблем, для чего необходимо обеспечивать ей правильные условия эксплуатации – слишком не «гонять» и вовремя менять моторное масло.
Подписывайтесь на наши ленты в
