Рис. Поршень дизельного двигателя (а) грузового автомобиля и формы поршней разных двигателей (б)
:
1 - канавка нижнего маслосъемного кольца;
2 - проточка под стопорное кольцо поршневого пальца;
3 - внутренняя поверхность бобышки;
4 - отверстие для смазки поршневого пальца;
5 - канавка верхнего маслосъемного кольца;
6 - канавки компрессионных колец;
7 - головка поршня;
8 - камера сгорания в поршне;
9 - днище поршня;
10 - отверстия для отвода масла;
11 - юбка
Поршень имеет довольно сложную конструкцию, потому что он подвергается очень большим и непостоянным по величине нагрузкам.
Наружная поверхность направляющей части носит название юбки
. Во время рабочего хода на поршень воздействует высокое давление расширяющихся при высокой температуре газов. С другой стороны, при работе двигателя, особенно на высоких оборотах, поршень подвергается большим знакопеременным инерционным нагрузкам. При нахождении поршня в ВМТ и НМТ его ускорение равно нулю, а затем поршень резко ускоряется и движется с большой скоростью, причем направление движения меняется сотни раз в секунду. Для уменьшения инерционных нагрузок необходимо максимально уменьшать массу поршня. В то же время он должен иметь высокую прочность, чтобы противостоять высокому давлению и нагреву при соприкосновении с горячими газами с последующим охлаждением при подаче в цилиндр холодного свежего заряда. В настоящее время поршни бензиновых и дизельных автомобильных двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. При производстве поршня в отливку в процессе изготовления часто закладывают стальные вставки, которые повышают его жесткость и препятствуют температурному расширению. Иногда стальную вставку располагают в канавке под верхнее компрессионное (наиболее нагруженное) поршневое кольцо .
При нагревании поршень расширяется. Для компенсации температурного расширения поршня при нагревании ему придают специальную форму. Юбка поршня в поперечной плоскости имеет форму овала, а не окружности. В продольной плоскости юбка поршня выглядит как усеченный конус. Части поршня с большой температурой или с большим объемом металла расширяются сильнее (например, часть юбки, где расположены бобышки), и при достижении рабочей температуры в двигателе поршень принимает форму цилиндра.
За время своего существования поршни претерпели значительные изменения конструкции. Если сравнить поршень двигателя современного автомобиля с его предшественником, можно заметить, что поршни стали значительно короче. Большая часть юбки обрезается с каждой стороны, и остаются только две небольшие секции для того, чтобы предотвратить перекос поршня в цилиндре. Благодаря совершенству конструкции силы, воздействующие на поршень, сбалансированы таким образом, чтобы свести к минимуму тенденцию к повороту. Расстояние от днища поршня до верхней канавки под поршневое кольцо уменьшают с целью снижения возможности образования нагара в этой части. За счет уменьшения размеров сечений в конструкции поршня удалось значительно снизить его массу. Для уменьшения потерь на трение и повышения долговечности деталей КШМ на боковую поверхность поршня наносят слой антифрикционного материала, содержащего дисульфид молибдена или графит.
Днище поршня может быть плоским, выпуклым, вогнутым, иметь канавки, для того чтобы при полном открытии клапанов они не касались поршня. У дизельного двигателя камера сгорания может быть выполнена в поршне.
Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют особую форму, необходимую для обеспечения процесса сгорания топлива.
Поршневые кольца изготавливаются из специально модифицированного чугуна. В двигателях современных автомобилей используют несколько типов колец. Верхние компрессионные кольца служат для того, чтобы предотвратить прорыв газов в картер двигателя, а нижнее маслосъемное - контролирует количество масла на стенках цилиндра (стенки смазываются маслом, поступающим из картера в виде масляного тумана). Масло необходимо для предотвращения износа ЦПГ , но его излишки нежелательны. Поэтому следует подавать его больше, чем нужно, а излишки удалять с помощью маслосъемного кольца, работающего как скребок. Один из способов получения более компактных и легких поршней - выполнение колец более узкими и мелкими с компактным размещением их в верхней части головки поршня. При этом предъявляются повышенные требования к материалу, из которого они изготовлены, и к точности их изготовления.
Поршни должны противостоять очень высокой температуре и высокому давлению на протяжении всех четырех тактов. Поршни испытывают высокие нагрузки, особенно в форсированных и гоночных двигателях. Двигателя с турбо надувом, механическими нагнетателями или впрыском закиси азота, более требовательны к прочности поршня. Добавьте к этому возможность взрыва, и Вы спрашиваете слишком много от этих слизняков. При высокой форсировке двигателя, где поставлена задача добиться максимума мощности использование литых поршней недостаточно. Все детали поршня показаны на рисунке ниже.
На примере поршень дизельного двигателя.
Производство поршней
Обычно OEM поршни изготавливают из эвтектического сплава, обеспечивающего точность литья, и имеют состав с высоким содержанием диоксида кремния. Такие поршни гораздо прочнее и стабильнее, чем обычные литые и их применение возможно до примерно 400 лошадиных сил.
Кованные поршни имеют более сложную технологию производства, но и обладают лучшими характеристиками. На первой стадии кусок горячего сплава алюминия подвергают ковке, а затем проводится механическая обработка для придания формы. Заготовка поршня попадает на станок ЧПУ, после чего получается высокоточная деталь. Кованные поршни стоят дороже в основном из-за большого количества отходов и обработки на ЧПУ станке.
Эти макеты показывают толщину металла поршня для турбо надуву (слева) и для впрыска закиси азота (справа)
Постройка двигателя, рассчитанного на высокую степень сжатия или использование надува подразумевает использование кованных поршней, способных лучше противостоять высоким температурам и повышенному давлению.
Вертикальные газовые отверстия
Эти небольшие, вертикальные дыры в донышке поршня по всему периметру позволяют давлению при сгорании топливной смеси проникать за первое компрессионное кольцо. Это увеличивает герметичность камеры сгорания но и повышает износ кольца (давление сильно прижимает кольцо к стенкам цилиндра). Во время работы, кроме рабочего хода, первое компрессионное кольцо подвергается обычному давлению, как в обычном поршне и соответственно меньшую силу трения, собственно в этих режимах нет необходимости сильно прижимать кольцо к цилиндру.
Такие схемы поршней часто применяются в драг рейсинге.
Вертикальные отверстия благодаря давлению в режиме рабочего хода, позволяют прижимать верхнее компрессионное кольцо к цилиндру, чтобы обеспечить лучшую герметичность.
Боковые газовые отверстия в канавках колец
Эти очень мелкие углубления, сделанные в верхней части канавки верхнего поршневого кольца по всей окружности поршня, что позволяет прижимать кольцо газами к нижней плоскости канавки поршневого кольца и увеличить тем самым герметичность.
Этот тип часто используется в кольцевых гонках.
Мелкие канавки от верхнего кольца до кромки дна поршня-жаровой пояс.
Крупно выполненные канавки, некоторые делают едва заметный жаровой пояс.
Некоторые поршни имеют серию узких канавок, нанесенных вокруг поршня между первым компрессионным кольцом и кромкой дна поршня. Эти углубления сделаны для уменьшения контактирующей площади с цилиндром, когда поршень находится в верхней или нижней мертвой точке. Так же эти канавки служат для гашения пламени на подходе к кольцу
Компенсационная канавка
Компенсационная канавка выполняется на перемычке между компрессионными кольцами. Это углубление создает дополнительный объем для прорвавшихся газов через первое кольцо тем самым уменьшая давление между кольцами и это обеспечивает меньшее колебание первого кольца, оно лучше удерживается на дне своей канавки сохраняя герметичность камеры сгорания.
Так же посмотрите следующие материалы конструктивные особенности
Поршень двигателя служит для преобразования химической реакции топлива в механическую работу коленчатого вала. Он работает в условиях высокой температуры и давления, поэтому изготавливается из особо прочных материалов, способных длительное время выдерживать подобное агрессивное воздействие, не изменяя свои характеристики.
Как устроен поршень
Внешне поршень представляет собой цилиндр, состоящий из таких элементов, как:
Уплотнительный пояс;
Бобышки;
Стальная терморегулирующая вставка.
Днище
Эта часть поршня берет на себя основную тепловую нагрузку и поэтому имеет достаточно большую толщину. Чем толще днище, тем меньше его температурный нагрев, но большая масса самого поршня. Обычно толщина днища составляет порядка 7-9 мм, для моторов с наддувом 11 мм, дизеля 10-16 мм. Хотя, например, на моделях Honda толщина днища поршней составляет 5.5-6 мм.
На некоторых видах поршней днище и первую канавку под компрессионное кольцо, для износостойкости, покрывают слоем чугуна, а также применяется твердое анодирование- преобразование тонкого слоя алюминия в керамику (0.008-0.012 мм). Покрытие упрочняет днище поршня, уменьшая риск перегрева и прогорания.
Уплотнительный пояс
Часть поршня, где выполнены канавки под поршневые кольца.
Бобышки
Служат для установки поршневого пальца в поршень. На ряде поршней бобышки могут иметь ребра, получающиеся в результате их подреза к середине поршня, так называемые «холодильники», для равномерного распределения теплового потока. Поршня с «холодильниками» обладают повышенной прочностью и жесткостью, что актуально для высоко оборотистых моторов, особенно с наддувом.
Юбка
Направляющая часть поршня, служащая для выравнивания боковых усилий при перекладке поршня в верхней и нижней мертвой точке. В современных поршнях юбка имеет небольшое сужение к нижней части, как и уплотнительный пояс, такие поршня имеют форму бочки.
Терморегулирующая вставка
Расположена внутри юбки и при нагревании срабатывает как биметалл на разнице коэффициентов расширения стали и алюминия, препятствует большому расширению юбки поршня.
Материал поршней
Поршни всех современных серийных моторов авто выполнены из сплава алюминия. Ранее на моторах устанавливались чугунные поршня (серый и ковкий чугун), которые впоследствии были вытеснены поршнями, выполненными из сплава алюминия с кремнием, доля которого составляла порядка 12% -13%. Поршня отливались в специальной форме – кокиль.
Нахождение кремния в сплаве дало возможность снизить износ поршней, а также уменьшить линейное расширение, что позволило сократить тепловой зазор поршня в цилиндре.
По мере роста форсированности двигателей, заметно повысились требования к надежности поршней, и доля кремния в алюминиевом сплаве была повышена и поднялась до 18% и выше, особенно это стало важно для дизелей и моторах с наддувом. Такие поршня изготавливаются методом штамповки.
Для сокращения время притирки к цилиндру на тело поршня наносится лужение из легкоплавких металлов, таких как олово, свинец или оловянно свинцовый сплав (толщина 0.005- 0.002 мм).
В последнее время появились также поршня из жаропрочных сталей, на уровне разработки и частичного применения. Стальные поршня имеют меньшую массу, при прочности самой конструкции. Меньший вес достигается более тонкой толщиной юбки и меньшей высоты от днища до оси пальца.
Благодаря меньшей высоте поршня при обычной высоте блока, появляется возможность установить удлиненные шатуны, что снижает боковые нагрузки в паре трения поршень-шатун.
Однако такие поршни имеют ряд недостатков. Это более дорогая себестоимость обработки и повышенный износ зеркала цилиндров.
Принцип работы
При вспышке смеси в камере сгорания возникает высокая температура порядка 1800-2000 градусов, выделяемая при этом энергия создает большое давление на головку поршня, заставляя его двигаться вниз по телу цилиндра.
Поршень через шатун, возвратно-поступательным движением, передает усилие на шейку коленчатого вала, заставляя последний вращаться.
Неисправности поршней
Оплавление или прогар днища;
Трещины перегородок между канавками;
Износ канавок (большой зазор между канавкой и кольцом);
Трещины или деформация в теле поршня;
Ресурс
Этот показатель зависит от различных факторов и может составлять 200-250-300 тыс. км для отечественных двигателей и 500-600 тыс. километров и более для иномарок.
Так, не своевременная смена масла, фильтра вызывают залегание колец в канавках поршня, резко ухудшая его охлаждение, как следствие перегрев поршня и появление на его теле задиров.
Ресурс поршня сокращают такие неисправности, как выработка отверстия в бобышках под палец шатуна, а также изношенные , когда их высота уменьшается и они начинают разбивать канавки поршня.
Чаще всего проблемы с поршнями вызваны двигателя, из-за отказа термостата, помпы или разгерметизации системы охлаждения, а также при неисправности вентилятора охлаждения радиатора, самого радиатора или его датчика.
Как продлить жизнь поршням
Для того, чтобы поршня выходили свой ресурс, рекомендуется использовать только масло, предписанное производителем, заменять его строго по регламенту. По возможности не доезжать километраж до предписанного пробега одну две тысячи и заменять масло. Использовать рекомендованное производителем топливо. двигатель перед поездкой, особенно в зимнее время. Следить за режимом двигателя, не допуская его перегрева.
Поршень
По́ршень - деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот - возвратно-поступательного движения в изменение давления. В поршневом механизме, в отличие от плунжерного , уплотнение располагается на цилиндрической поверхности поршня, обычно в виде одного или нескольких поршневых колец.
Строение
Поршень подразделяется на три части, выполняющие различные функции
- днище
- уплотняющая часть
- направляющая часть (юбка)
Для передачи усилия от поршня (или наоборот) может использоваться шток , либо кривошип , который соединяется с поршнем с помощью пальца. Другие способы передачи усилия используются реже. В некоторых случаях шток может играть роль направляющего устройства, в этом случае юбка не нужна.
Поршень может быть односторонним или двухсторонним . В последнем случае поршень имеет два днища.
Днище
Форма днища зависит от выполняемой поршнем функции. К примеру, в двигателях внутреннего сгорания форма зависит от расположения свечей , форсунок , клапанов , конструкции двигателя и других факторов. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложение нагара . При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания. В некоторых двухтактных двигателях днище поршня выполняется в виде выступа-отражателя для направленного движения продуктов сгорания при продувке. Расстояние от днища поршня до канавки первого компрессионного кольца называют огневым поясом поршня. В зависимости от материала, из которого сделан поршень, огневой пояс имеет минимально допустимую высоту, уменьшение которой может привести к прогару поршня вдоль наружной стенки, а также разрушению посадочного места верхнего компрессионного кольца.
Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей.
Уплотняющая часть
Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня. В уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца. В некоторых конструкциях поршней из алюминиевых сплавов в его головку залит ободок из коррозионностойкого чугуна (нирезиста), в котором прорезана канавка для верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца. Нирезистовую вставку под верхнее поршневое кольцо имеют, в частности, поршни двигателей, выпускаемых . Благодаря этому значительно увеличивается износостойкость поршня. Кольцевые каналы для маслосъемных колец выполняются со сквозными отверстиями, через которые масло , снятое с зеркала цилиндра, поступает внутрь поршня и стекает в поддон картера двигателя.
Направляющая часть
Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Так как масса поршня у приливов оказывается большей, чем в других частях юбки, температурные деформации при нагреве в плоскости бобышек также будут наибольшими. Для снижения температурных напряжений поршня с двух сторон, где расположены бобышки, с поверхности юбки, удаляют металл на глубину 0,5-1,5 мм. Эти углубления, улучшающие смазывание поршня в цилиндре и препятствующие образованию задиров от температурных деформаций, называются «холодильниками». В нижней части юбки также может располагаться маслосъемное кольцо.
Материалы
К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования:
- высокая механическая прочность;
- малая плотность;
- хорошая теплопроводность;
- малый коэффициент линейного расширения;
- высокая коррозионная стойкость;
Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы .
Чугун
Достоинства- Поршни из чугуна прочны и износостойки.
- Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра.
- Чугун имеет довольно большой удельный вес . В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня.
- Чугун имеет низкую теплопроводность , поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350-400 °C. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения калильного зажигания.
Алюминий
Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют алюминиевые поршни.
Достоинства
Достоинства алюминиевых поршней:
- малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
- высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;
- хорошие антифрикционные свойства.
Недостатками алюминиевых поршней являются:
- большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больше, чем у чугуна),
- значительное снижение механической прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 % против 10 % у чугуна).
Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и алюминиевыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями, основными из которых являются:
- придание юбке поршня овальной или овально-конусной формы;
- изоляция тронковой (направляющей) части поршня от наиболее нагретой его части (головки);
- косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок;
- Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью;
- компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна.
Применение
Две основные проблемы, решаемые при проектировании моторов:
- как избежать повышенного износа поршня,
- как избежать прогара поршня.
Обе эти проблемы возникают вследствие желания конструкторов максимально облегчить поршень, поскольку это позволяет улучшить показатели моторов и компрессоров .
См. также
- Поршневой двигатель внешнего сгорания
Ссылки
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Поршень" в других словарях:
Муж. (от переть, пру?) поршни, астрах. порушни (рушать?), постолы, кожанцы, калиги, род сандалий; поршни вообще не шьются, а гнутся (загни поршни, сделай) из одного лоскута сырой кожи или шкуры (с шерстью), на вздержке, очкуре, ременной оборе;… … Толковый словарь Даля - 1. ПОРШЕНЬ1, поршня, муж. (тех.). Подвижное цилиндрическое тело, плотно примыкающее к стенкам цилиндра и служащее для нагнетания и выталкивания из цилиндра жидкостей, газов, пара. Поршни в насосах, компрессорах, двигателях. 2. ПОРШЕНЬ2, поршня,… … Толковый словарь Ушакова
ПОРШЕНЬ, шня, мн. и, ей и ей, муж. Подвижная деталь, удлинённая или в форме диска, плотно двигающаяся внутри цилиндра и нагнетающая или выкачивающая жидкость, газ, пар. | уменьш. поршенёк, нька, муж. | прил. поршневой, ая, ое. П. насос. Толковый… … Толковый словарь Ожегова
- (Piston) одна из деталей паровой машины, разделяющая рабочие полости цилиндра, принимающая на себя давление пара и движущаяся в цилиндре. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь Справочник технического переводчика
Итак, наша первая задача это понять, что же такое двигатель (Engine) . Результатом работы двигателя является наличие крутящего момента на его коленчатом валу.
Двигатель состоит из двух механизмов:
1- Кривошипно-шатунный механизм (КШМ, Crank mechanism) предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя.
2 — Газораспределительный механизм (ГРМ, gas distribution mechanism) предназначен для своевременного снабжения двигателя горючей смесью, а так же для выпуска выхлопных газов.
В данной части разберём те детали двигателя, которые относятся к КШМ. Забегая вперёд, оглашу весь список тех деталей, из которых состоит КШМ.
Итак, Кривошипно-шатунный механизм состоит из :
- Маховик
- Поршни с кольцами и пальцами
- Блок цилиндров с картером
- Головки блока цилиндров,
- поддона картера двигателя
Если результатом работы является наличие крутящего момента на коленчатом валу, следовательно одна из деталей двигателей это Коленчатый Вал.
1. Коленчатый Вал(crankshaft)
Коленчатый вал представлен на рисунке снизу:
Коленчатый вал двигателя с маховиком состоит из
:
1 — коленчатый вал двигателя; 2 — маховик с зубчатым венцом;
3 — шатунная шейка; 4 — коренная (опорная) шейка; 5 — противовес
Маховик (flywheel) — это массивный металлический диск, который крепится на коленчатом валу двигателя. маховик всегда пытается сохранить то состояние, из которого его выводят. Он долго набирает обороты, сглаживая тем самым скачки. Так же долго сбрасывает обороты. Короче говоря, благодаря своей инертности, создает плавность в переходах с одной частоты вращения на другую. Кроме того, его инертность играет роль аккумулятора энергии. Уж если вы раскрутили маховик, затратив при этом работу, он в состоянии такую же работу выполнить, пока не остановится. Грубо говоря, это некий стабилизатор, который предохраняет работу двигателя от скачков и ударов.
Теперь, давайте уделим внимание шатунной шейке . Такое название она имеет потому, что на ней крепится шатун .
2. Шатун(connecting rod)
Шатун (connecting rod) — подвижная деталь кривошипно-шатунного механизма двигателя, соединяющая поршень и коленвал и передающая усилие от поршня к коленчатому валу Двигателя Внутреннего Сгорания(ДВС), преобразуя поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Коленчатый вал и детали шатунно-поршневой группы представлены на рисунке снизу:
1 – коленчатый вал; 2 – вкладыш шатунного подшипника; 3 – болт крепления крышки шатуна; 4 – поршневой палец; 5 – стопорное кольцо; 6 – втулка головки шатуна; 7 – шатун; 8 – крышка шатуна; 9 – гайка крепления крышки шатуна
Итак, значит на коленчатом валу крепится шатун. А шатун, в свою очередь соединён с поршнем.
3. Поршень(piston)
Поршень — деталь кривошипно-шатунного механизма двигателя, непосредственно воспринимающая давление от сгорающей в цилиндре рабочей смеси
Поршень представлен на рисунке снизу:
В головке блока цилиндров имеются камеры сгорания, впускные и выпускные каналы, резьбовые отверстия для установки свечей зажигания и протоки для охлаждающей жидкости. Седла и направляющие втулки клапанов, изготовленные из специального жаростойкого чугуна, вставляют в предварительно нагретую головку охлажденными, благодаря чему после уравнивания температуры обеспечивается большое натяжение в соединении.
Вот мы и узнали, что из себя представляет часть сердца автомобиля, называемая кривошипо-шатунным механизмом . Теперь мы знаем, что двигатель состоит из блока-картера, в котором установлен коленчатый вал с маховиком. На коленчатом валу крепятся шатуны, а на шатунах крепятся поршни. Поршни, в свою очередь, ходят в гильзах цилиндров. Всю эту конструкцию накрывает головка блока цилиндров. Последнее же служит началом для рассказа про другую сторону двигателя — газораспределительный механизм. О нём я напишу в следующем сообщении.
Советую видео для закрепления:
P.S. Жду ваших пожеланий, предложений, мнений и замечаний.