что приводит в движение поршень
Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания?
В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ — поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень — первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.
Поршень двигателя имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и выполняет две функции.
Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?
Устройство детали включает в себя три составляющие:
Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.
Днище
Днище — основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.
Главный параметр днища — форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.
В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.
В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.
Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых — устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.
Уплотняющая часть
Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня — канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения. 
Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.
Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 — 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным.
В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.
Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.
Вас также заинтересует:
Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.
Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.
Для фиксации пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.
Типы поршней
В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.
Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.
В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.
Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.
Материалы изготовления
В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.
Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).
Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.
Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:
Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.
Видео: Принцип работы поршня двигателя. Устройство
Что такое поршневая группа: общая теория и поршни СТК
Поршневая группа двигателя включает в себя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец.
Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.
Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуются.
Требования, которым должна соответствовать эта деталь:
Очертания поршня за более сто пятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.
Устройство поршня
В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение.
Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители. Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.
«Жаровым поясом» (огневым) называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.
Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведёт к его прогоранию.
По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок.
Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.
Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня.
«Юбкой», называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности.
Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока. Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий.
На поверхность юбки (или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.
Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия созданные на основе графита и дисульфида молибдена.
Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015 мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.
Одним из факторов, определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения.
Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ а возможно и заклинивание.
Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.
В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ.
На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова.
В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании. У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции, основанных на новых научных разработках.
Когда речь заходит об отечественных машинах (ВАЗ, Приора и пр.) приходиться всерьёз рассматривать компанию СТК и её продукцию. Самара Трейдинг Компани (сокращённо – «СТК») не случайно стала одним из самых популярных производителей поршневых групп. Всё дело исключительно в производстве, ведь оно уникально в своём роде.
Самым сложным и, в то же время, важным технологическим процессом при изготовлении поршневых систем является литьё. Однородность и прочность материалов, жаростойкость и твёрдость – всё это играет важнейшую роль. Стоит какому-то коэффициенту отклонится на 1% и поршень застрянет в цилиндре, шатун может легко искривиться и даже заклинить, нарушив целостность и исправность всего силового агрегата.
Полуавтоматические устройства и специальные высокотехнологические станки позволяют компании СТК осуществлять литьё поршней на высочайшем уровне. Данной технологии нет равных, на протяжении долгих десятилетий и благодаря кропотливой работе инженеров фабрика создаёт самые качественные поршневые кольца и поршни. Несмотря на автоматизацию всех процессов, процедура изготовления каждого поршня контролируется людьми. Каждый продукт проходит целую линейку тестов.
Стоит лишь посетить любую станцию техобслуживания и задать вопрос автомеханику «Какой поршень идеально подойдёт отечественному автомобилю?», и вы услышите ответ: «СТК». Всё дело в том, что каждый механик желает выполнить работу так, чтобы клиент не возвращался к нему и не приходилось нарушать гарантийные обязательства.
Несмотря на лидирование компании СТК существуют и другие неплохие аналоги, например, Кострома-мотордеталь. В сравнении с китайскими и европейскими поршнями, Кострома хорошо показала себя в отечественных машинах, однако сама конструкция этого поршня не способна уберечь водителя от самой зловещей неисправности – столкновения поршня и клапанов.
Безвытковые Поршни СТК, содержащие специальные проточки, не влияют пагубно на клапана головки блока цилиндров. Поэтому в случае гидравлического удара, даже при срыве цепи газораспределительного механизма, когда поршни «летят» вверх, а клапана – вниз, исход их столкновения невозможен, если в двигатель установлены поршни СТК. Всё благодаря специальным канавкам, проточенным в головке каждого поршня – новшеству инженеров самарской компании.
Если ваш автомобиль уже давно б/у, его компрессия вас вовсе не радует и вы отлично понимаете, что настало время менять поршневую, помните: оптимальными для двигателя будут поршневые группы Самара Трейдинг Компани (СТК).
Более подробно про поршни СТК можно прочесть здесь и здесь.
Устройство автомобилей
Подвижные детали КШМ
Поршневая группа
Поршневая группа образует подвижную стенку рабочего объема цилиндра. Именно перемещение этой «стенки», т. е. поршня, является показателем работы, выполненной сгоревшими и расширяющимися газами.
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма включает в себя поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец и фиксирующие его детали. Иногда поршневую группу рассматривают вместе с цилиндром, и называют цилиндропоршневой группой.
Поршень
Требования, предъявляемые к конструкции поршня
Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через поршневой палец шатуну. При этом он совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Условия, в которых работает поршень:
Возвратно-поступательное движение поршня вызывает значительные инерционные нагрузки в зонах прохода мертвых точек, где поршень изменяет направление движения на противоположное. Инерционные силы зависят от скорости перемещения поршня и его массы.
Поршень воспринимает значительные усилия: более 40 кН в бензиновых двигателях, и 20 кН – в дизелях. Контакт с горячими газами вызывает нагрев центральной части поршня до температуры 300…350 ˚С. Сильный нагрев поршня опасен возможностью заклинивания в цилиндре из-за температурного расширения, и даже прогоранием днища поршня.
Перемещение поршня сопровождается повышенным трением и, как следствие, изнашиванием его поверхности и поверхности цилиндра (гильзы). Во время движения поршня от верхней мертвой точки к нижней и обратно сила давления поверхности поршня на поверхность цилиндра (гильзы) изменяется и по величине, и по направлению в зависимости от такта, протекающего в цилиндре.
Максимальное давление поршень оказывает на стенку цилиндра при такте рабочего хода, в момент, когда шатун начинает отклоняться от оси поршня. При этом сила давления газов, передаваемая поршнем шатуну, вызывает реактивную силу в поршневом пальце, который в данном случае является цилиндрическим шарниром. Эта реакция направлена от поршневого пальца вдоль линии шатуна, и может быть разложена на две составляющие – одна направлена вдоль оси поршня, вторая (боковая сила) перпендикулярна ей и направлена по нормали к поверхности цилиндра.
Именно эта (боковая) сила и вызывает значительное трение между поверхностями поршня и цилиндра (гильзы), приводящее к их износу, дополнительному нагреву деталей и снижению КПД из-за потерь энергии.
Попытки уменьшить силы трения между поршнем и стенками цилиндра осложняются тем, что между цилиндром и поршнем необходим минимальный зазор, обеспечивающий полную герметизацию рабочей полости с целью не допустить прорыв газов, а также попадание масла в рабочее пространство цилиндра. Величина зазора между поршнем и поверхностью цилиндра лимитируется тепловым расширением деталей. Если его сделать слишком малым, в соответствии с требованиями герметичности, то возможно заклинивание поршня в цилиндре из-за теплового расширения.
При изменении направления движения поршня и процессов (тактов), протекающих в цилиндре, сила трения поршня о стенки цилиндра меняет характер – поршень прижимается к противоположной стенке цилиндра, при этом в зоне перехода мертвых точек поршень совершает удары по цилиндру из-за резкого изменения величины и направления нагрузки.
Конструкторам, при разработке двигателей, приходится решать комплекс проблем, связанных с описанными выше условиями работы деталей цилиндропоршневой группы:
Исходя из этого, к конструкции поршня предъявляются следующие требования:
Особенности конструкции поршня
Поршни современных автомобильных двигателей имеют сложную пространственную форму, которая обусловлена различными факторами и условиями, в которых работает эта ответственная деталь. Многие элементы и особенности формы поршня не заметны невооруженным глазом, поскольку отклонения от цилиндричности и симметрии минимальны, тем не менее, они присутствуют.
Рассмотрим подробнее – как устроен поршень двигателя внутреннего сгорания, и на какие хитрости приходится идти конструкторам, чтобы обеспечить выполнение требований, изложенных выше.
Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из верхней части – головки и нижней – юбки.
Верхняя часть головки поршня – днище непосредственно воспринимает усилия со стороны рабочих газов. В бензиновых двигателях днище поршня обычно делают плоским. В поршневых днищах дизелей часто выполняют камеру сгорания.
Днище поршня представляет собой массивный диск, который соединяется с помощью ребер или стоек с приливами, имеющими отверстия для поршневого пальца – бобышками. Внутренняя поверхность поршня выполняется в виде арки, что обеспечивает необходимую жесткость и теплоотвод.
На боковой поверхности поршня прорезаны канавки для поршневых колец. Число поршневых колец зависит от давления газов и средней скорости перемещения поршня (т. е. частоты вращения коленчатого вала двигателя) – чем меньше средняя скорость поршня, тем больше требуется колец.
В современных двигателях, наряду с ростом частоты вращения коленчатого вала, наблюдается тенденция к сокращению числа компрессионных колец на поршнях. Это обусловлено необходимостью уменьшения массы поршня с целью снижения инерционных нагрузок, а также уменьшения сил трения, отнимающих существенную долю мощности двигателя. При этом возможность прорыва газов в картер высокооборотистого двигателя считается менее актуальной проблемой. Поэтому в двигателях современных легковых и гоночных автомобилей можно встретить конструкции с одним компрессионным кольцом на поршне, а сами поршни имеют укороченную юбку.
Кроме компрессионных колец на поршне устанавливают одно или два маслосъемных кольца. Канавки, выполненные в поршне под маслосъемные кольца, имеют дренажные отверстия для отвода моторного масла во внутреннюю полость поршня при снятии его кольцом с поверхности цилиндра (гильзы). Это масло обычно используется для охлаждения внутренней поверхности днища и юбки поршня, а затем стекает в поддон картера.
Форма днища поршня зависит от типа двигателя, способа смесеобразования и формы камеры сгорания. Наиболее распространена плоская форма днища, хотя встречаются выпуклая и вогнутая. В некоторых случаях в днище поршня выполняют углубления для тарелок клапанов при расположении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Как упоминалось выше, в днищах поршней дизельных двигателей нередко выполняют камеры сгорания, форма которых может различной.
Нижняя часть поршня – юбка направляет поршень в прямолинейном движении, при этом она передает стенке цилиндра боковое усилие, величина которого зависит от положения поршня и процессов, протекающих в рабочей полости цилиндра. Величина бокового усилия, передаваемого юбкой поршня, значительно меньше максимального усилия, воспринимаемого днищем со стороны газов, поэтому юбка выполняется относительно тонкостенной.
В нижней части юбки у дизелей часто устанавливают второе маслосъемное кольцо, что позволяет улучшить смазывание цилиндра и уменьшить вероятность попадания масла в рабочую полость цилиндра. Для уменьшения массы поршня и сил трения ненагруженные части юбки срезают по диаметру и укорачивают по высоте. Внутри юбки обычно выполняются технологические приливы, которые используются для подгонки поршней по массе.
Конструкция и размеры поршней зависят главным образом от быстроходности двигателя, а также от величины и скорости нарастания давления газов. Так, поршни быстроходных бензиновых двигателей максимально облегчены, а поршни дизелей имеют более массивную и жесткую конструкцию.
Оригинальное решение, призванное снизить воздействие боковой силы, применили конструкторы двигателей фирмы «Фольксваген». Днище поршня в таких двигателях выполнено не под прямым углом к оси цилиндра, а немного скошено. По мнению конструкторов, это позволяет оптимальнее распределить нагрузку на поршень, и улучшить процесс смесеобразования в цилиндре при тактах впуска и сжатия.
Для того, чтобы удовлетворить противоречивые требования герметичности рабочей полости, предполагающие наличие минимальных зазоров между юбкой поршня и цилиндром, и предотвращения заклинивания детали в результате теплового расширения, в форме поршня применяют следующие конструктивные элементы:
Последнее условие выполнить непросто, поскольку поршень нагревается по всему объему неравномерно и имеет сложную пространственную форму – в верхней части его форма симметрична, а в районе бобышек и на нижней части юбки имеются ассиметричные элементы. Все это приводит к неодинаковой температурной деформации отдельных участков поршня при его нагреве во время работы.
По этим причинам в конструкции поршня современных автомобильных двигателей обычно выполняют следующие элементы, усложняющие его форму:
Очевидно, что на все эти ухищрения конструкторам приходится идти, чтобы придать поршню в нагретом до рабочих температур состоянии правильную цилиндрическую форму, обеспечив тем самым минимальный зазор между ним и цилиндром.
Наиболее эффективным способом предотвращения заклинивания поршня в цилиндре вследствие его теплового расширения при минимальном зазоре является принудительное охлаждение юбки и вставка в юбку поршня элементов из металла, имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Чаще всего применяются вставки из малоуглеродистой стали в виде поперечных пластин, которые при отливке поршня помещаются в зону бобышек. В некоторых случаях вместо пластин применяются кольца или полукольца, заливаемые в верхнем поясе юбки поршня.
Температура днища алюминиевых поршней не должна превышать 320…350 ˚С. Поэтому для увеличения теплоотвода переход от днища поршня к стенкам делают плавным (в виде арки) и достаточно массивным. Для более эффективного теплоотвода от днища поршня применяют его принудительное охлаждение, брызгая на внутреннюю поверхность днища моторное масло из специальной форсунки. Обычно функцию такой форсунки выполняет специальное калиброванное отверстие, выполненное в верхней головке шатуна. Иногда форсунка устанавливается на корпусе двигателя в нижней части цилиндра.
Для обеспечения нормального теплового режима верхнего компрессионного кольца его располагают значительно ниже кромки днища, образуя так называемый жаровой или огневой пояс. Наиболее изнашиваемые торцы канавки под поршневые кольца часто усиливают специальными вставками из износостойкого материала.
В качестве материала для изготовления поршней широко применяют алюминиевые сплавы, основным достоинством которых является небольшая масса и хорошая теплопроводность. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести невысокую усталостную прочность, большой коэффициент температурного расширения, недостаточную износостойкость и сравнительно высокую стоимость.
В состав сплавов кроме алюминия входят кремний (11…25%) и добавки натрия, азота, фосфора, никеля, хрома, магния и меди. Отлитые или отштампованные заготовки подвергают механической и термической обработке.
Значительно реже в качестве материала для поршней используют чугун, поскольку этот металл значительно дешевле и прочнее алюминия. Но, несмотря на высокую прочность и износостойкость, чугун обладает сравнительно большой массой, что приводит к появлению значительных инерционных нагрузок, особенно при изменении направления движения поршня. Поэтому для изготовления поршней быстроходных двигателей чугун не применяется.