Поршень двигателя внутреннего сгорания

Автомобили

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).

Поршень двигателя внутреннего сгорания

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.

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.

Поршень двигателя внутреннего сгоранияПомимо 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.

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.

Поршень двигателя внутреннего сгоранияВторой 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.

Читайте также:  Дорожные знаки поворот налево

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.

Поршень предназначен для восприятия давления газов и его передачи на кривошип коленчатого вала (через поршневой палец и шатун). Поршень подвержен максимальному воздействию тепловых и механических нагрузок, которые возникают в процессе работы двигателя внутреннего сгорания. Ввиду того, что поршень движется возвратно-поступательно, создаются значительные дополнительные циклические инерционные нагрузки, а также существенные силы трения о цилиндр боковой поверхности поршня. Поршень одновременно выполняет функции уплотняющего элемента КШМ (кривошипно-шатунный механизм) и отводит тепло от горячих газов, расположенных в надпоршневом пространстве. Всё это предъявляет к конструкции поршня высокие требования. Поршень должен обладать достаточной жёсткостью и прочностью при минимальной массе, его перемещение в цилиндре должно происходить с минимальным трением, также он должен иметь высокий ресурс и обеспечивать герметичность рабочей полости.

Поршень [рис. 1, а)] включает в себя днище (1), уплотняющую часть (3) и направляющую часть/юбку (4). На внутренней стороне юбки располагается пара массивных приливов – бобышек (8). Бобышки соединяются с днищем посредством рёбер, за счёт чего прочность поршня увеличивается. В бобышках имеются отверстия для монтажа поршневого пальца (10), а в этих отверстиях, в свою очередь, выполнены кольцевые канавки, предназначенные для стопорных колец (11). Головка поршня образована днищем и уплотняющим поясом. На внешних поверхностях юбки и головки проточены канавки (9) и (12) для установки маслосъёмных и компрессионных колец соответственно. Верхняя часть поршня называется уплотнительный пояс, так как расположенные здесь поршневые кольца предназначены для предотвращения прорыва газов через зазоры между цилиндром и поршнем. По окружности канавок (9) и (13) просверлены сквозные отверстия (14), которые служат для отвода масла в картер двигателя.

Поршень двигателя внутреннего сгорания

Рис. 1. Поршень двигателя внутреннего сгорания.

а) – Поршень дизельного двигателя А-41:

1) – Днище поршня;

2) – Камера сгорания;

3) – Уплотняющая часть поршня;

4) – Юбка (направляющая часть) поршня;

5) – Канал в стержне шатуна;

7) – Втулка верхней головки шатуна;

8) – Бобышка поршня;

9) – Канавка для маслосъёмного кольца;

10) – Поршневой палец;

11) – Стопорное кольцо;

12) – Канавки для компрессионных колец;

13) – Кольцевая канавка;

14) – Отверстие для стока масла;

б) – Головки поршней:

2) – А-41, СМД-60, А-01, двигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ;

в) – Поршень бензинового двигателя ЗМЗ-53.

Как правило, поршни современных дизельных двигателей изготавливаются с фигурным днищем [рис. 1, б)]. Это даёт возможность придать расположенной в поршне камере сгорания форму, требуемую для качественного смесеобразования, а также сгорания топлива. Поршни с плоским днищем нашли широкое применение не только в карбюраторных двигателях [рис. 1, в)], но и в вихрекамерных и предкамерных дизельных двигателях, что обуславливается их меньшим нагревом в процессе работы и простотой изготовления.

Число устанавливаемых на поршне колец имеет прямую зависимость от частоты вращения коленчатого вала и от типа двигателя. В карбюраторных и дизельных двигателях широкое распространение получили укороченные поршни, имеющие пару компрессионных и одно маслосъёмное кольцо, которые расположены выше поршневого пальца. В случае уменьшения числа компрессионных колец (с трёх до двух) иногда между ними вводится промежуточная канавка на поршне. В процессе выбора оптимальной формы и объёма кольцевой канавки требуется достигнуть аналогичного температурного состояния и уплотняющей способности поршневой группы при двух компрессионных кольцах, как и при трёх.

Юбка является направляющей частью поршня, передающей при его движении боковую силу стенкам цилиндра от шатуна. В процессе нагрева от горячих газов поршень расширяется больше чем цилиндр, который охлаждается воздухом либо жидкостью, вследствие чего велика вероятность его заклинивания. Во избежание этого, и для обеспечения нормальной работы двигателя, диаметр поршня должен быть меньше диаметра цилиндра. Также в процессе работы двигателя большему нагреву подвержена именно головка поршня, поэтому её диаметр делается меньше, чем диаметр юбки, то есть поршень имеет форму усечённого конуса. Разность между осями верхнего и нижнего основания конуса поршней двигателя ЗМЗ-53 составляет 0,013-0,038 мм, а двигателя ЗИЛ-130 – 0,35-0,05 мм.

Тепловая деформация поршня (в радиальном направлении) складывается с деформациями, которые вызваны овализацией поршня при его нагрузке нормальными силами. Поэтому поперечное сечение юбки поршня выполняется овальным таким образом, чтобы большая часть овала совпала с направлением действия нормальной силы, а малая часть – с продольной осью пальца. У основной массы поршней разность между большой и малой осями овальной юбки составляет 0,14-0,52 мм.

Читайте также:  Ошибка р0303 шевроле нива

Чтобы получить минимальный зазор между стенкой цилиндра и юбкой поршня в холодном состоянии, а также устранить заедание поршня при его нагревании, в некоторых случаях снимают часть металла на наружной поверхности поршня (в зоне расположения бобышек), формируя неглубокие «холодильники» (вырезы прямоугольной формы). Аналогичная цель преследуется при выполнении разрезов на юбке поршней некоторых двигателей [рис. 1, в]. Разрезы придают пружинящие свойства направляющей части поршня и способствуют плотному их прилеганию к стенкам цилиндров в условиях различных температур. Поршни с разрезанной юбкой обладают повышенным трением и применяются только для карбюраторных двигателей с небольшим давлением газов и малым диаметром цилиндра. Данные поршни устанавливаются в цилиндры таким образом, чтобы ослабленная разрезом сторона испытывала воздействие меньшей нормальной силы.

На некоторых двигателях (ЗИЛ, ЯМЗ, ВАЗ) поршни изготавливаются овально-бочкообразного профиля. Данный профиль сложнее в производстве, но он позволяет уменьшить зазор между цилиндром и юбкой, а также исключить кромочный контакт цилиндра и поршня и соответствует лучшему смазыванию поверхностей в процессе центровки поршня подъёмными гидродинамическими силами.

В двигателях СМД-60 и ЗМЗ-53 [рис. 1, в)] удаляется часть юбки под бобышками для облегчения поршня, а также для прохода противовесов коленчатого вала (при нижнем положении поршня).

В качестве материала для изготовления поршней широкое распространение получили сплавы алюминия с кремнием (легируемые присадки медь и никель). Применение для отливки поршня алюминиевого сплава позволяет уменьшить потери на трение, снизить массогабаритные характеристики двигателя, даёт возможность форсировать его по скоростному режиму. Основным недостатком алюминиевого сплава в качестве материала для изготовления поршня является относительно большой коэффициент линейного расширения, величина которого больше чем у чугуна. Вследствие этого поршни из данных сплавов устанавливаются в цилиндры со значительно большим сравнительным зазором. Из-за увеличенных зазоров не только затрудняется пуск двигателя, но и вызываются стуки в процессе работы непрогретого двигателя (и при работе с малыми нагрузками).

Зазор между юбкой поршня и цилиндром находится в пределах 0,05-0,10 мм при овальном профиле юбки либо наличии у неё разреза, и 0,18-0,26 мм, если юбка поршня имеет цилиндрическую форму (без разреза).

В современных автомобильных и тракторных двигателях внутреннего сгорания используются не только литые, но и штампованные поршни, выполненные из алюминиевого сплава. Использование литых поршней с нирезистовой вставкой под первое компрессионное кольцо позволяет повысить (более чем в 2 раза) износостойкость сопряжения поршня с верхним компрессионным кольцом. Данные поршни применяются в двигателях СМЗ, КамАЗ, ЯМЗ, ЗИЛ и прочих. С целью улучшения приработки с цилиндром трущиеся поверхности поршней в некоторых двигателях (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 и прочих) покрываются тонким слоем (0,004-0,006 мм) олова.

С целью предупреждения возникновения стуков в некоторых двигателях выполняется незначительное смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня. Данное смещение оси пальца, как правило, в сторону более нагруженной поверхности поршня приводит к тому, что момент перекладки поршня (от одной стенки цилиндра к другой) не совпадает с моментом резкого возрастания момента сгорания. К примеру, в дизельном двигателе Д-60 смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня выполнено на 3 мм в сторону вращения коленчатого вала.

Эффективным способом решения проблемы сохранения подвижности поршня при минимальном зазоре является использование терморегулируемых поршней с принудительным охлаждением.

Терморегулируемые поршни карбюраторных двигателей ВАЗ и прочих имеют ограниченное расширение юбки, которое достигается путём заливки в её тело вставок из материала, имеющего меньший, чем у основного металла поршня, коэффициент расширения. В процессе остывания отливки данного поршня вставками создаётся напряжённое состояние, которое препятствует значительному сокращению диаметра юбки. В процессе нагрева поршня до рабочей температуры вставками наоборот, создаётся ограничение его теплового расширения. В итоге общий диапазон температурного изменения диаметральных размеров поршня, снабжённого вставками, значительно снижается.

В высокофорсированных дизельных двигателях используется принудительное охлаждение поршней посредством опрыскивания маслом внутренней поверхности днища поршня либо организованной циркуляцией масла. Кольцевая полость для циркуляции охлаждающего масла выполняется при отливке поршня посредством введения специальных солевых стержней (растворяются после застывания металла и формируют требуемую полость) либо с помощью соответствующей механической обработки и изготовлением поршня из двух частей (с последующей сваркой половинок).

Чтобы снизить теплонапряжённость алюминиевых поршней применяется нанесение теплоизоляционных керамических покрытий, а также твёрдое анодирование поверхности камеры сгорания в поршне и поверхности днища поршня. Для эффективной защиты камеры сгорания в поршне от формирования термических трещин выполняется армирование её кромки жаропрочным материалом.

Читайте также:  Не работает вентилятор печки ваз 2107 инжектор

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.

Поршень двигателя внутреннего сгорания Поршень двигателя внутреннего сгорания

4-х тактный цикл работы поршневого ДВС:

1. Всасывание горючей смеси.
2. Сжатие.
3. Рабочий ход.
4. Выхлоп.

2-х тактный цикл работы поршневого ДВС:

1. Поршень движется вверх и происходит сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего цикла в полость под поршнем.

2. Поршень опускается обратно — рабочий ход, выхлоп и вытеснение топливной смеси из-под поршня в рабочую полость цилиндра.

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.

Существует множество причин поломок двигателей. Например, если вы стали замечать вибрации двигателя или повышенный расход топлива, то очень вероятно что необходимо отремонтировать насос-форсунки, с этим вопросом вам помогут здесь – http://www.spbparts.ru/remont/remont_nasos_forsunki/1.htm.

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.

Добавить комментарий

четыре × 3 =