Особенности строения поршня двигателя
Поршень (стакан-поршень) двигателя – это элемент ДВС, который непосредственно преобразовывает потенциальную энергию экзотермической химической реакции окисления топлива в механическую работу (в поступательное движение). На поршень воздействуют высокое давление и тысячеградусная температура сгорания топливно-воздушной смеси, а потому для изготовления стаканов-поршней используются материалы, обладающие рядом параметров:
- повышенной механической прочностью;
- высокой теплопроводностью;
- небольшой плотностью;
- малым значением коэффициента линейного термического расширения;
- хорошими антифрикционными свойствами;
- и даже коррозионной устойчивостью.
Всем этим требованиям удовлетворяют алюминиевые сплавы. Однако в некоторых случаях (когда габариты ДВС велики, например в судовых силовых установках) поршни могут изготавливаться и из легированных сталей и даже из чугуна.
Поршни отливают или выковывают. Отливка осуществляется под давлением. Что касается процесса ковки, то он представляет собой штамповку заготовки из алюминиевого сплава с добавлением кремния (не более 15 %). Такая технология усиливает прочностные характеристики поршня и сокращает термическое линейное расширение материала.
Устройство стандартного поршня двигателя является простым только на первый взгляд. Стакан-поршень имеет 3 основные части:
- Днище – оно принимает на себя тепловую нагрузку, а также давление расширяющихся газов.
- Уплотняющая часть – она транслирует большую часть тепловой энергии стенкам цилиндра и осуществляет герметизацию камеры сгорания.
- Направляющая часть – удерживает поршень в неизменном положении относительно оси. Кроме того, благодаря ей поперечные нагрузки от шатуна передаются на стенки цилиндра.
Подробности о каждой из этих частей далее.
Принцип работы цилиндро-поршневой группы
Современные двигатели внутреннего сгорания оснащены блоками, в которые входят от 1 до 16 цилиндров – чем их больше, тем мощнее силовой агрегат.
Внутренняя часть каждого цилиндра – гильза – является его рабочей поверхностью. Внешняя – рубашка – составляет единое целое с корпусом блока. Рубашка имеет множество каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.
Внутри цилиндра находится поршень. В результате давления газов, выделяющихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси, он совершает возвратно-поступательное движения и передает усилия на шатун. Кроме того, поршень выполняет функцию герметизации камеры сгорания и отводит от нее излишки тепла.
Поршень включает следующие конструктивные элементы:
- Головку (днище)
- Поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные)
- Направляющую часть (юбку)
Бензиновые двигатели оснащены достаточно простыми в изготовлении поршнями с плоской головкой. Некоторые модели имеют канавки, способствующие максимальному открытию клапанов. Поршни дизельных двигателей отличаются наличием на днищах выемок – благодаря им воздух, поступающий в цилиндр, лучше перемешивается с топливом.
Кольца, установленные в специальные канавки на поршне, обеспечивают плотность и герметичность его соединения с цилиндром. В двигателях разного типа и предназначения количество и расположение колец могут отличаться.
Чаще всего поршень содержит два компрессионных и одно маслосъемное кольцо.
Компрессионные (уплотняющие) кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную или коническую форму. Они служат для минимизации попадания газов в картер двигателя, а также отведения тепла от головки поршня к стенкам цилиндра.
Верхнее компрессионное кольцо, которое изнашивается быстрее всех, обычно обработано методом пористого хромирования или напылением молибдена. Благодаря этому оно лучше удерживает смазочный материал и меньше повреждается. Остальные уплотняющие кольца для лучшей приработки к цилиндрам покрывают слоем олова.
С помощью маслосъемного кольца поршень, совершающий возвратно-поступательные движения в гильзе, собирает с ее стенок излишки масла, которые не должны попасть в камеру сгорания. Через дренажные отверстия поршень «забирает» масло внутрь, а затем отводит его в картер двигателя.
Направляющая часть поршня (юбка) обычно имеет конусную или бочкообразную форму – это позволяет компенсировать неравномерное расширение поршня при высоких рабочих температурах. На юбке расположено отверстие с двумя выступами (бобышками) – в нем крепится поршневой палец, служащий для соединения поршня с шатуном.
Палец представляет собой деталь трубчатой формы, которая может либо закрепляться в бобышках поршня или головке шатуна, либо свободно вращаться и в бобышках, и в головке (плавающие пальцы).
Поршень с коленчатым валом соединяется шатуном. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленвала, а стержень совершает сложные колебательные движения. Шатун в процессе работы подвергается высоким нагрузкам – сжатию, изгибу и растяжению – поэтому его производят из прочных, жестких, но в то же время легких (в целях уменьшения сил инерции) материалов.
Состав поршневой группы
Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:
- минимальной деформации при работе;
- высокой прочности при переменной нагрузке и износостойкости;
- хорошей сопротивляемости ударной нагрузке;
- малой массы.
По способу установки поршневые пальцы могут быть:
- закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
- закреплены в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня;
- свободно вращающимися в бобышках поршня и в головке шатуна.
Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.
Из чего изготавливается
Рассмотрим материалы деталей ЦПГ. Все материалы для ЦПГ должны иметь высокую прочность, отличную теплопроводность, незначительно расширяться при нагреве и иметь антифрикционные свойства. Иметь повышенное сопротивление появлению ржавчины.
Гильзы выполняют из чугуна или специальной стали с присадками, чтобы деталь выдержала высокую нагрузку.
Поршни изначально делали чугунные, но с развитием технологий, стали производить алюминиевые. В современных моторах применяются сборные стальные поршни, особенно в дизелях. В экспериментальных моторах, тестируют керамические поршни, но пока в производстве керамика применяется только как напыление на поршнях.
Поршневые кольца изготавливают из серого чугуна высокой прочности, с добавками молибдена, хрома, вольфрама или никеля. Добавки обеспечивают лучшую «приработку» деталей, повышая их износостойкость и устойчивость к сильному нагреву.
Поршневые пальцы выполнены из легированной либо углеродистой стали, обработаны цементацией и закалены. Если напильник оставляет на пальце царапины, это бракованные (не каленые) пальцы, их нельзя устанавливать, это приведет к поломке ЦПГ.
МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.
Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).
Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.
Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:
- возможность использования только в дизельных двигателях;
- больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
- необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
- более высокая цена;
Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.
Уплотняющая часть поршня двигателя
К уплотняющей части относят маслосрезывающие и компрессионные кольца. Первые (еще их называют маслосъемными) имеют отверстия по всей своей длине, через которые масло, удаляемое со стенок цилиндра, проходит внутрь стакана-поршня и далее стекает по шатуну в картер.
В некоторых случаях маслосрезывающие кольца при изготовлении дополнительно снабжают ободком из легированного чугуна (стойкого к коррозии). На ободке для компрессионного кольца выполняются специальные канавки для удаления масляной пленки. Таким образом, компрессионное кольцо становится одновременно еще и маслосрезывающим.
В большинстве современных ДВС поршни имеют по 3 кольца: по одному маслосъемному и по два компрессионных. В задачу последних входит обеспечение герметичности компрессии и предотвращение прорыва рабочих газов в картер двигателя. В сечении такие кольца могут иметь разную форму:
- трапециевидную;
- коническую;
- бочкообразную.
Разумеется, наибольшие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо, поэтому его канавку усиливают стальной вставкой.
Поверхность цилиндра, по которому скользят кольца, смазывается. Масло поступает через пару специальных отверстий в стенках цилиндра. В задачу маслосъемного кольца входит снятие масляной пленки, чтобы по максимуму уменьшить выгорание масла и образование нагара. Некоторые разновидности маслосрезывающих колец также оснащают пружинным расширителем для обеспечения более плотного их прилегания к зеркалу втулки цилиндра.
Диаметр уплотняющей части стакана-поршня меньше, чем диаметр его юбки. Это объясняется разным уровнем термической нагрузки – нагрев уплотняющей части больше (его еще называют жаровым поясом). Меньший диаметр здесь позволяет избежать возможных задиров и заклинивания колец. Юбка цилиндра имеет в сечении овал, уплотняющая часть – круг.
Компрессия в камере сгорания тем выше, чем больше уплотнительных колец устанавливается на поршне. Кроме того, большое значение имеет материал, из которого изготавливаются кольца. Он должен быть максимально износостойким. Поэтому и компрессионные, и маслосъемные кольца зачастую изготавливаются из легированного чугуна.
Помимо износостойкости, материал колец должен быть еще и максимально теплопроводным, чтобы эффективно отводить тепло от стакана-поршня на охлаждаемую втулку цилиндра. Через кольца отводится до 80 % тепла. Если снижается плотность прилегания колец, большая часть теплопередачи перемещается на юбку поршня – возрастает вероятность появления задиров. Чтобы избежать этого, во время проведения испытаний и обкатки нового мотора искусственно ограничивается его мощность.
Когда металл колец перегревается, то снижается его упругость, из-за чего могут возникнуть поломки и другие негативные эффекты: в камеру сгорания начнет просачиваться масло, а в картер прорываться отработанные газы. При перегреве есть риск смыкания стыков колец (из-за линейного термического расширения), в результате чего сами кольца просто сломаются. Иногда это приводит даже к срыву поршня.
Поршень двс
Поршень одна из важных деталей двигателя внутреннего сгорания благодаря которой передается энергия на шатун. В этой статье поговорим про устройство поршня узнаем его назначения и рассмотрим его фото.
Поршень двc на первый взгляд имеет простую конструкцию. Тем не менее не все так просто инженеры постоянно работают над облегчением поршня и увеличением его прочности. Другими словами стараются найти золотую середину. Найти золотую середину бывает не просто, так как поршень постоянно эксплуатируется в экстремальных условиях при высоких температурах и повышенных инерционных нагрузках. Под действием энергии топливно-воздушной смеси поршень отправляется в НМТ ( нижнюю мертвую точку). Поршень в свою очередь передает энергию на коленвал через шатун с которым поршень связан через поршневой палец.
Основные функции поршня двс:
1) Отвод излишков тепла.
2) Благодаря поршню камера сгорания становится герметичной.
3) Передача энергии на коленвал через шатун.
Если сказать кратко задача поршня передать энергию газов на коленвал чтобы последний преобразовал ее в механическую энергию.
Устройство
В последнее время поршень двс изготавливают из алюминия так как этот материал лёгкий и прочный.
Поршни бывают литые и кованные. Литые поршни изготавливаются литьём под давлением. Кованные поршни изготавливают методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния 15%. Что увеличивает их прочность и износостойкость.
Обсудим основные детали поршня, более подробно устройство поршня можно рассмотреть на схеме.
Днище
Днище поршня может иметь 5 разных видов поверхностей у каждого типа свои преимущества и недостатки.
Плоское. Такой тип поверхности используется довольно часто. Недостаток поршня такого типа, в том что при обрыве ремня поршни гнут клапана.
Вогнутое. Обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания. Тем не менее способствует большему образованию отложений при сгорании топлива.
OLYMPUS DIGITAL CAMERA
Выпуклое. Улучшает производительность поршня, но при этом понижает эффективность сгорания топлива.
С циковками. Предотвращают столкновение поршней с клапанами за счёт специальных углублений называемых циковками. Из-за канавок может быть небольшая потеря мощности.
С лужей.Такой тип поршней также оснащен канавками только большего размера. Цель таких поршней понизить степень сжатия. Например они отлично подходят для турбокомпрессора.
Компрессионные кольца
Обычно в двc устанавливается 2 компрессионных кольца и одно маслосъемное. Поршневые кольца изготавливаются из высокопрочного чугуна. Расстояние от днища поршня до первого кольца носит огневой пояс. Функция поршневых колец состоит в том, чтобы поршень плотно прилегал к цилиндру. Для уменьшения трения используется моторное масло.
Одно из важных предназначений поршневых колец заключается в препятствии попадания газов из камеры сгорания в картер. Благодаря добавлению хрома, молибдена, никеля или вольфрама прочность и термостойкость поршневых колец значительно повышается. При износе поршневых колец ресурс поршня понижается.
Маслосъемное кольцо
Маслосъемные кольца служат для того чтобы отводить излишки масла. Маслосъемные кольца обладают дренажными отверстиями.
Юбка
Юбка поршня и есть его тело служит направляющей. Благодаря специальным добавкам в сплав юбка поршня обладает высокой стойкостью к расширению.
Поршневой палец
Поршневой палец соединяет поршень с шатуном. Благодаря стопорному кольцу достигается их прочное соединение.
Ответы на частые вопросы
Для чего в днище поршня дизельного двигателя делают выемку ?
Выемка в поршнях дизельного двигателя называется вихревой камерой( камерой сгорания). Топливо перемешиваясь с воздухом в вихревой камере сгорает более эффективно и быстро.
Температура поршня двс ?
Кратковременно при работе двс поршень может нагреться до 2000 градусов и более. В целом температура поршня при работе может достигать 200 градусов.
Как продлить срок службы поршней ?
Для того чтобы продлить срок службы поршней двс необходимо во время менять масло. Лучше даже немного раньше срока как советуют многие водители.
Конструкция поршня
Устройство поршня не является сложным. Это цельная деталь, которую для удобства определения принято условно разделять на юбку и головку. Конкретная форма и конструктивные особенности поршня определяются типом и моделью двигателя. В распространенных видах бензиновых ДВС можно увидеть только поршни с плоскими или крайне приближенными к такой форме головками. Часто они имеют канавки, предназначенные для максимального полного открывания клапанов. В моторах с непосредственным впрыском топлива поршни выполняются в несколько более сложной форме. Поршень дизельного двигателя имеет головку со специфической конфигурацией для обеспечения оптимального завихрения с целью качественного смесеобразования.
Схема поршня двигателя.
Под головкой на поршне размещаются канавки, в которые устанавливаются поршневые кольца. Юбки у различных поршней тоже разные: с формой, подобной конусу или бочке. Такая конфигурация позволяет компенсировать расширение поршня, существующее при его нагревании в работе. Следует отметить что, поршень приобретает полностью рабочий объем только после разогрева двигателя до нормальной температуры.
Чтобы максимально снизить эффект от постоянного бокового трения поршня о цилиндр на его боковую поверхность наносится специальный антифрикционный материал, тип которого также зависит от вида двигателя. Также в юбке поршня есть специальные отверстия с приливами, предназначенные для монтажа поршневого пальца.
Работа поршня предполагает его интенсивное нагревание. Он охлаждается, причем в разных моторах различными способами. Вот наиболее распространенные среди них:
- с помощью подачи масляного тумана в цилиндр;
- через разбрызгивание масла сквозь шатун или специальную форсунку;
- через впрыскивание масла по кольцевому каналу;
- с помощью постоянной циркуляции масла по змеевику, расположенному непосредственно в головке поршня.
Вплотную соприкасается со стенками цилиндра не сам поршень, а его кольца. Для обеспечения наивысшей износостойкости они производятся из особого сорта чугуна. Количество и точное расположение этих колец зависит от вида мотора. Чаще всего на поршень приходится пара компрессионных колец и еще одно маслосъемное.
Компрессионные колца
предназначены не давать газам из камеры сгорания прорываться в картер. На первое кольцо приходится самая серьезная нагрузка, поэтому во всех дизельных и мощных бензиновых моторах в канавке первого кольца дополнительно присутствует стальная вставка, что позволяет повысить прочность конструкции. Существует множество видов компрессионных колец, которые уникальны практически у каждого самостоятельного производителя.
Маслосъемные кольца
— для удаления лишнего масла из цилиндра и недопущения его проникновения в камеру сгорания. Такие кольца выполняются с большим количеством дренажных отверстий, а также с пружинными расширителями, хоть и не во всех моделях двигателей.
Устройство поршня
С шатуном поршень двигателя соединяется через поршневой палец, стальную деталь трубчатой формы. Самым распространенным способом крепления пальца является плавающий, благодаря которому деталь может прокручиваться в процессе работы. Специальные стопорные кольца не дают пальцу смещаться в стороны. Жесткий зацеп пальцев на данный момент практически не распространен из-за очевидной большей уязвимости таких конструкций.
Конструкция и принцип работы 2-тактного двигателя
2-тактный двигатель нашел наибольшее распространение на малой технике (бензопилы, мотокосы), мотоциклах.
Когда-то существовали даже дизельные 2-х тактные двигатели, устанавливаемые на грузовики, к примеру, МАЗ-200.
Интересно, что описанные выше такты у любого двухтактного двигателя никуда не делись, просто они были совмещены.
В итоге это позволяет сократить полный цикл всего в один оборот колен. вала.
Так, при движении поршня от НМТ производится сразу два такта – выпуск и сжатие, а при движении от ВМТ – впуск и рабочий ход.
Достигнуть этого всего возможно при использовании окон в цилиндрах, через которые производится засасывание и перекачивание топливной смеси, а также отвод продуктов горения.
Открытие и закрытие этих окон обеспечивается самим поршнем. Чтобы соблюдалась правильность работы механизма, окна располагаются на разных уровнях в стенках цилиндра.
Чтобы было более понятно, возьмем двигатель мотоцикла «ИЖ Планета 5».
Данный мотоцикл укомплектован одноцилиндровым двухтактным мотором.
Цилиндр располагается поверх корпуса двигателя, охлаждение его воздушное, поэтому у него по окружности располагаются ребра охлаждения.
С одной стороны, к цилиндру прикреплен патрубок, идущий от карбюратора, по нему в цилиндр поступает горючая смесь.
Напротив, этого патрубка устанавливается труба отвода отработанных газов.
Вверху цилиндр прикрывает головка, в которой размещена свеча накаливания.
Внутри цилиндра располагается поршень, связанный с кривошипом коленчатого вала через шатун
Далее уже он связан со сцеплением и трансмиссией, но это пока неважно
Для подачи топлива в надпоршневое пространство в двухтактном двигателе задействовано и подпоршневое пространство.
При движении поршня вверх в подпоршневом пространстве создается разряжение, в которое засасывается топливовоздушная смесь через впускное окно.
Подача же из подпоршневого пространства в надпоршневое производится от избыточного давления, которое возникает при движении поршня вниз.
Подача топлива производится через перепускное окно. Выпуск продуктов горения проходит через выпускное окно.
Теперь как все это работает.
Начнем с движения поршня к ВМТ. Находясь в НМТ, поршень обеспечивает открытие перепускного и выпускного окон. Избыточное давление в подпоршневом пространстве выталкивает горючую смесь в надпоршневое пространство.
Двигаясь вверх, поршень перекрывает открытые окна, в результате чего камера сгорания становится герметичной.
Доходя до ВМТ, поршень сжимает смесь далее подается искра от свечи накаливания, которая установлена в головке цилиндра.
В это время, поршень двигаясь вверх, открывает впускное окно, через которое смесь поступает в подпоршневое пространство. То есть получается, что в одном такте – движении поршня от НМТ к ВМТ происходит два действия: вначале впуск топлива, затем – сжатие.
После воспламенения топлива, выделенная при этом энергия толкает поршень вниз.
Двигаясь вниз он от ВМТ, поршень открывает сначала выпускное окно. При сгорании объем продуктов горения значительно увеличивается, поэтому они сразу начинают вырываться через это окно.
Получается, что при движении поршня вниз вначале выполняется рабочий ход, а после открытия выпускного окна – еще и такт выпуска.
Дальше при движении поршня вниз, он открывает перепускное окно и топливо начинает поступать в надпоршневое пространство – цикл начинает повторяться, при этом на выполнение всего цикла понадобилось только движение поршня сначала вверх, а затем вниз, что соответствует одному обороту колен. вала.
Конструктивные показатели двигателей
Некоторые основные конструктивные показатели двигателя непосредственно влияют на его характеристики:
Рабочий объем двигателя складывается из рабочих объемов всех цилиндров. Обычно объем двигателя указывают в литрах или в кубических сантиметрах. Рабочий объем редко делают равным целому значению в литрах, например: 2,499 л, вместо 2,5 л. Это связано с особенностями налогообложения в разных странах.
Чем больше будет рабочий объём двигателя, тем больше топлива двигатель сможет сжечь за один оборот коленчатого вала! Значит двигатель будет ещё мощнее.
Крайнее нижнее и крайнее верхнее положения поршня называют, соответственно, «нижняя мертвая точка (НМТ)» и «верхняя мертвая точка (ВМТ)».
Рабочий объём: V (см³)
Диаметр цилиндра: D (см )
Диаметр и ход поршня не только определяют рабочий объём двигателя. От соотношения этих двух показателей зависят эксплуатационные показатели двигателя.
Если диаметр цилиндра (поршня) больше, чем ход поршня, то такой двигатель называют короткоходным. На практике такой двигатель легко достигает максимальных оборотов и устанавливается на спортивные автомобили.
Такие двигатели – легкоатлеты! Их устанавливают на спортивные автомобили.
Если диаметр цилиндра (поршня) меньше, чем ход поршня, то такой двигатель называют длинноходным. На практике такой двигатель медленно выходит на максимальные обороты, он более тяговитый и способствует тихой и размеренной езде.
Такие двигатели – тяжелоатлеты! Их устанавливают на автомобили, которым нужна хорошая тяга, а не скорость.
Если диаметр и ход поршня равны, то такой двигатель называют «квадратным».
Степеньсжатия – безразмерная величина.
У бензиновых двигателей она лежит в диапазоне от 8.0 до 12.0, а у дизельных от 15.0 до 22.0. Чем больше степень сжатия двигателя, тем выше его Коэффициент Полезного Действия (КПД).
Чем больше мы сжимаем смесь, тем быстрее и качественнее она горит!
В бензиновых двигателях чрезмерное
увеличение степени сжатия делает двигатель более склонным кдетонации (самовоспламенению сжатой несгоревшей смеси). Это понижает надежность двигателя, снижает срок его службы и повышает требования к качеству топлива.
Степень сжатия у дизельных двигателей гораздо выше, чем у бензиновых, и ограничивается прочностью деталей.
Компрессия
– величина максимального давления в цилиндре, создаваемого при холостой прокрутке двигателя стартером. Измеряется в кг/см2. Измерение компрессии – эффективный метод диагностики технического состояния двигателя.
Источник
Поршневые кольца: виды и состав
Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:
- высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
- высокую износостойкость в условиях интенсивного трения;
- хорошие антифрикционные свойства;
- способность быстрого и эффективного прирабатывания к поверхности цилиндра.
Благодаря легирующим добавкам хрома, молибдена, никеля и вольфрама, термостойкость колец значительно повышается. Путем нанесения специальных покрытий из пористого хрома и молибдена, лужения или фосфатирования рабочих поверхностей колец улучшают их прирабатываемость, увеличивают износостойкость и защиту от коррозии.
