2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания

Поршень двигателя — почти всё о нём.

Несмотря на тонкость электросистем, устройство ДВС практически не изменилось. Основными элементами агрегата являются:

  • Кривошипно-шатунный механизм;
  • Цилиндропоршневая группа;
  • Впускной и выпускной коллектор;
  • Газораспределительный механизм;
  • Система смазки мотора.

Такие механизмы, как кривошипно-шатунный и газораспределительный должны быть синхронизированы. Это достигается благодаря приводу. Он может быть ременным или цепным.

Каждый узел двигателя выполняет важную функцию, без которой невозможна стабильная работа (или вообще работоспособность) силового агрегата. Рассмотрим, какую функцию выполняет поршень в моторе, а также его устройство.

Днище

Может иметь различную форму в зависимости от многих факторов. Например, конфигурация днища поршней двигателя внутреннего сгорания определяется расположением прочих конструктивных элементов, таких как форсунки, свечи, клапаны, формой камеры сгорания, особенностями протекающих в ней процессов, общей конструкцией двигателя и т. д. В любом случае она определяет особенности функционирования.

Выделяют два основных типа конфигурации днища поршней: выпуклая и вогнутая. Первый обеспечивает большую прочность, но ухудшает конфигурацию камеры сгорания. При вогнутой форме днища камера сгорания, наоборот, имеет оптимальную форму, однако более интенсивно откладывается нагар. Реже (в двухтактных двигателях) встречаются поршни с днищем, представленным выступом отражателя. Это нужно при продувке для направленного перемещения продуктов сгорания. Детали бензиновых двигателей обычно имеют днище плоской или почти плоской формы. Иногда в них присутствуют канавки для полного открытия клапанов. У моторов с непосредственным впрыском поршни характеризуются более сложной конфигурацией. У дизельных двигателей они отличаются наличием камеры сгорания в днище, обеспечивающей хорошее завихрение и улучшающей смесеобразование.

Большинство поршней односторонние, хотя встречаются и двусторонние варианты, которые имеют два днища.

Расстояние между канавкой первого компрессионного кольца и днищем носит название огневого пояса поршня. Очень важно значение его высоты, которое различно для деталей из разных материалов. В любом случае выход высоты огненного кольца за рамки минимально допустимого значения может повлечь прогар поршня и деформацию посадочного места верхнего компрессионного кольца.

Тепловые потери и методы борьбы с ними в формуле один.

На самом деле поршни формулы один не являются самыми совершенными изделиями своего рода, используемые в ДВС. Связано это с запретами на использование других материалов в конструкции поршневой двигателя формулы один кроме металлов. Так например использование покрытий керамическими материалами днища поршня, позволило бы увеличить КПД двигателя и вытекающие из этого повышение мощности, при том же расходе топлива. Суть покрытий заключается в создании теплового барьера между раскаленными газами и днищем поршня, чем меньше тепла уйдет на нагрев поршня тем больше оно преобразуется в полезную работу, а при высоком давлении тепло довольно быстро переходит к стенкам всех поверхностей в камере сгорания. В формуле один единственным методом повышения теплового КПД остается полировка либо шлифовка поршня и камеры сгорания. Полировка позволяет уменьшить площадь поверхности (на микро уровне) Соответственно чем меньшая поверхность контактирует с раскаленными газами, тем меньше тепла перейдет на бесполезный нагрев двигателя. Полировка очень трудоемкий процесс и даже в формуле один не все команды ее используют, достаточно просто качественной (гладкой) обработки поверхности.

Подробнее о тепловых потерях и тепловом КПД: Тепловые потери в двигателях

Конструкция поршня

Некоторые под поршнем подразумевают совокупность деталей, которые закреплены на коленвалу. На самом деле это элемент с цилиндрической формой, который воспринимает на себя механическую нагрузку при микровзрыве смеси топлива и воздуха в конце такта сжатия.

В устройство поршня входит:

  • днище;
  • канавки для уплотнительных колец;
  • юбка.

К шатуну поршень крепится при помощи стального пальца. У каждого элемента есть своя функция.

Читать еще:  Возможные неисправности дизельных двигателей таблица

Днище

Эта часть детали воспринимает на себя механическую и тепловую нагрузку. Она является нижней границей рабочей камеры, в которой происходят все перечисленные выше такты. Днище не всегда ровное. Его форма зависит от модели мотора, в котором устанавливается.

Уплотняющая часть

В этой части установлены маслосъемные и компрессионные кольца. Они обеспечивают максимальную герметичность между цилиндром блока цилиндров, благодаря чему со временем изнашиваются не основные элементы мотора, а именно сменные кольца.

Самая распространенная модификация – на три уплотнительных кольца: два компрессионных и одно маслосъемное. Последнее регулирует смазку стенок цилиндра. Совокупность днища и уплотняющей части нередко автомеханиками называется головкой поршня.

Эта часть детали обеспечивает стабильно вертикальное положение. Стенки юбки направляют поршень и не дают ему переворачиваться, из-за чего механическая нагрузка не распределялась бы равномерно по стенкам цилиндра.

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.

ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО

Поршень занимает центральное место в процессе преобразования энергии топлива в тепловую и механическую. Поговорим про поршни двигателя, что это такое и как они работают.

Что это такое?

Поршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра двигателя. Нужен для изменения давления газа в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. Т.е. он передаёт на шатун усилие, возникающее от давления газов и обеспечивает протекание всех тактов рабочего цикла. Он имеет вид перевёрнутого стакана и состоит из днища, головки, направляющей части (юбки).
В бензиновых моторах применяются поршни с плоским днищем из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. Хотя на некоторых современных авто делают специальные выемки под клапаны. Это нужно, чтобы при обрыве ремня ГРМ поршни и клапана не встретились и не повлекли серьёзный ремонт. Днище поршня дизеля делают с выемкой, которая зависит от степени смесеобразования и расположения клапанов, форсунок. При такой форме днища лучше перемешивается воздух с поступающим в цилиндр топливом.

Поршень подвержен действию высоких температур и давлений. Он движется с высокой скоростью внутри цилиндра. Поэтому изначально для автомобильных двигателей их отливали из чугуна. С развитием технологий стали использовать алюминий, т.к. он давал следующие преимущества: рост оборотов и мощности, меньшие нагрузки на детали, лучшую теплоотдачу.

С тех пор мощность моторов выросла многократно. Температура и давление в цилиндрах современных автомобильных двигателей (особенно дизельных моторов) стали такими, что
алюминий подошёл к пределу своей прочности
. Поэтому в последние годы подобные моторы оснащаются стальными поршнями, которые уверенно выдерживают возросшие нагрузки. Они легче алюминиевых за счет более тонких стенок и меньшей компрессионной высоты, т.е. расстояния от днища до оси алюминиевого пальца. А еще стальные поршни не литые, а сборные.

Читать еще:  Двигатель champion g210hk характеристики

Помимо прочего, уменьшение вертикальных габаритов поршня при неизменном блоке цилиндров дает возможность удлинить шатуны. Это позволит снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр, что положительно скажется на расходе топлива и ресурсе двигателя. Или, не меняя шатунов и коленвала, можно укоротить блок цилиндров. Таким образом облегчим мотор.

Какие требования?

  • Поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен быть устойчивым к высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
  • Он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износа.
  • Испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.
  • Совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Основное назначение

Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя . Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель. То, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.
Еще раз повторим известный факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым.

Наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что тепло будет передано окружающему воздуху – самому холодному. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, остудит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Остается найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток

, – это поршневые кольца . Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.

Второй путь менее очевиден. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло.

Имея доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит и отдает в поддон картера значительную часть тепла от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло функцией теплоносителя, мы должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести.

Третий путь. Часть тепла отбирает на нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит импульсный характер; отличается скоротечностью и высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

В силу большей значимости следует уделить пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Понятно, что если этот путь мы перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

Читать еще:  Что такое турбояма на дизельном двигателе

Вспомним такую характеристику, как компрессия . Представим, что кольцо не прилегает по всей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это то же самое, как если бы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается возможности охлаждаться. Как результат – прогар и выкрашивание части, прилегающей к месту утечки.

Сколько колец нужно для поршня? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. При уменьшении их количества и высоты ухудшаются условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.

Самые известные и широко применяемые во всем мире механические устройства — это двигатели внутреннего сгорания (далее ДВС). Ассортимент их обширен, а отличаются они рядом особенностей, например, количеством цилиндров, число которых может варьироваться от 1 до 24, используемым топливом.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания

Одноцилиндровый ДВС

можно считать самым примитивным, несбалансированными и имеющими неравномерный ход, несмотря на то, что он является отправной точкой в создании многоцилиндровых двигателей нового поколения. На сегодняшний день они применяются в авиамоделировании, в производстве сельскохозяйственных, бытовых и садовых инструментов. Для автомобилестроения массово применяются четырехцилиндровые двигатели и более солидные аппараты.

Рейтинг производителей поршней

При составлении обзора рассматривались компании, выпускающие запчасти для двигателей автомобилей разных классов. Сравнивались технические параметры, доступность на рынке, ресурс комплектующих. Учитывалось профессиональное мнение сотрудников станций технического обслуживания, отзывы владельцев машин.

Основное внимание уделили следующим характеристикам:

  • Размер – зазор между цилиндром и поршнем не должен превышать 0,05-0,07 мм. Измерения выполняются в четырех поясах, сильные отклонения не допустимы;
  • Вес – должен соответствовать классу машины, расчётным нагрузкам, допускам автопроизводителя;
  • Ресурс – зависит от качества используемой стали или сплава, наличия специальных покрытий;
  • Ассортимент – наличие в каталоге запчастей для автомобилей разных марок положительно влияет на репутацию бренда;
  • Защита от подделок – наличие QR-кодов, голограмм, фирменных кодов, гарантируют покупателю покупку качественных деталей.

Не все производители выпускают продукцию, достойную внимания автовладельцев. Нестабильная геометрия, плохое качество металла, дефицит продукции на рынке, слабая защищенность от контрафакта – поршни с такими характеристиками исключались из нашего рейтинга.

Основные неисправности

Поскольку эти элементы ЦПГ находятся в постоянном контакте со стенкой цилиндра, то главной их неисправностью является износ рабочих поверхностей. Ресурс этих элементов во многом зависит от материала изготовления и условий эксплуатации, и он может варьироваться от 150 тыс. до 1 млн. км.

Но несоблюдение правил эксплуатации может значительно сократить их срок службы. Повлиять на ресурс могут:

  1. Несвоевременная замена смазочного материала в силовой установке.
  2. Использование низкокачественного топлива.
  3. Частая эксплуатация авто в условиях пробок или кратковременные поездки.
  4. Создание чрезмерно больших нагрузок на силовую установку.
  5. Перегрев мотора.

Основными признаками сильного износа поршневых колец является сильное падение компрессии, вследствие чего падают мощностные и динамические показатели авто и увеличивается расход топлива, а также значительное повышение расхода смазочного материала.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector