Перейти к контенту

Как устроен поршень – Поршень — Википедия

Поршень двигателя внутреннего сгорания

Поршень — один из основных составных элементов КШМ. Главной задачей детали становится принятие давления активно расширяющихся и сильно разогретых газов, которые образуются в  рабочей камере при сгорании топливно-воздушной смеси. Полученная энергия от воздействия указанных газов на поршень далее передается на шатун. Поршень имеет три части, которые отвечают за реализацию различных функций. К таковым частям относят днище поршня, уплотняющую часть и направляющую часть поршня.

Поршень испытывает значительные тепловые и механические нагрузки в процессе работы двигателя. Основным материалом для изготовления поршня сегодня  выступают алюминиевые сплавы, ранее активно использовался чугун. Поршень совершает возвратно-поступательные движения в гильзе цилиндра, которая размещена в блоке цилиндров ДВС.

Поршень является цельной деталью цилиндрической формы, которую принято делить на головку поршня и юбку поршня. Головка поршня, которая также называется днище поршня, получает в процессе изготовления разную форму, что зависит от особенностей конструкции двигателя.

Головка поршня бывает плоской, выпуклой, может иметь вогнутую форму и т.п. В различных ДВС  форма головки поршня зависит от того, как расположены свечи зажигания, инжекторные форсунки, впускные и выпускные клапаны и т.д. Для бензиновых двигателей камера сгорания выполняется отдельно, но для дизельного мотора данная камера изготовлена прямо в головке поршня.

В зоне головки поршня выполнены специальные канавки. Указанные канавки нарезаются для того, чтобы разместить в них поршневые кольца. Данные кольца выступают уплотняющими элементами. Современные двигатели внутреннего сгорания имеют два типа  поршневых колец:

  • маслосъемные кольца;
  • компрессионные кольца;

Задачей компрессионного кольца становится не допустить того, чтобы газы прорывались в картер мотора. Маслосъемное кольцо служит для того, чтобы удалить излишки моторного масла со стенок цилиндра двигателя. Качественное уплотнение предельно важно для нормальной работы ДВС.

Поршень, шатун и гильза цилиндра образуют цилиндро-поршневую группу (ЦПГ). Одним из основных показателей исправности цилиндропоршневой группы выступает необходимая для того или иного мотора компрессия. Дополнительно состояние ЦПГ оценивают по отсутствию или наличию повышенной дымности выхлопа, а также заметного угара моторного масла в процессе эксплуатации. Исправный ДВС не должен иметь расход масла выше паспортного.  

Юбка поршня представляет собой направляющую часть указанной детали, в которой  выполнена пара бобышек. Бобышки служат для установки поршневого пальца. Поршневой палец выступает соединяющим элементом поршня с шатуном.

Читайте также

krutimotor.ru

Как устроен поршень двигателя

 Восприятие давления газов, герметизация камеры сгорания, отвод тепла и передача усилий на шатун - это основные функции поршня. Термодинамический процесс происходит именно с помощью поршня двигателя.

 Высокое давление, всплески температуры и иные нагрузки - это условия, в которых приходится работать поршню. По этой причине был выбран материал, из которого производят поршень - чаще из алюминиевого сплава, редко из стали. Производят их через штамповку или литьем под давлением.

 Схема поршня двигателя

 Конструкция поршня включает в себя "головку" и "юбку", но считается он цельным элементом. Для определенной модели автомобиля поршень будет выглядеть по разному в зависимости  от того какой тип двигателя, форма камеры сгорания и само сгорание. Поршни для бензинового и дизельного двигателя различны. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую головку. В ней могут быть быть канавки для открытия клапанов на 100%. Поршни двигателей с простым впрыском топлива немного сложнее. В дизельном двигателе все наоборот, там выполняется непростая камера сгорания, которая создает значительное завихрение и улучшает улучшают условия для смешивания смесей.

 У поршня ниже головки проходят определенные и специальные канавки для поршневых колец. Юбка похожа на конус или на простую бочку. При нагреве такая конструкция может пригодиться, потому что может компенсировать температурное расширение. В условиях, когда достигнута нужная температура поршень становится похож на цилиндр. Дисульфид молибдена, графит находится на поршень, чтобы снизить потери на трении. В юбке поршня есть приспособления для крепления поршневого пальца.

 Охлаждается поршень по разному:

 - масляный туман в цилиндре;

 - разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;

 - разбрызгивание масла специальной форсункой;

 - впрыскивание масла в определенный кольцевой канал в зоне колец;

 - циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.

 Поршневые кольца соединены со стенками цилиндра. Они сделаны из модифицированного чугуна. Кольца трутся в поршне и являются самыми главными источниками трения. Потери на трение в кольцах доходит до 30% всех потерь в двигателе, обусловленных механикой.

 Число и расположение колец зависит от того, какой двигатель. Самая часто встречающая схема – 2 компрессионных и 1 маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца имеют разные формы - похожи на трапецию, бочку или конус.

 Маслосъемное кольцо справляется с излишками масла с поверхности цилиндра и не дает маслу попасть в камеру сгорания. У кольца много дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

 Соединение поршня с шатуном происходит с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Как установить поршневой палец? Есть несколько способов. Для начала самы известный способ, это со способностью переворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время действия. Чтобы не смещаться его фиксируют стопорными кольцами. Намного редко используется жесткое закрепление концов пальца в поршне или в поршневой головке шатуна.

 Из чего состоит поршневая группа? Из поршня, поршневых колец и пальцев.

 В каталоге запчастей для автомобиля на нашем сайте можно найти все основные элементы двигателя для любого автомобиля ваз или иномарку. На сайте можно посмотреть цены в интернет каталоге, и сделать заказ на поршни двигателя.

opt.interkom-l.ru

Поршни двигателя: устройство, назначение, размеры

Несмотря на растущую популярность электромобилей, двигатель внутреннего сгорания все же является основным видом автомобильного двигателя. Данный агрегат имеет аббревиатуру ДВС, и представляет собой тепловую машину, что преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу. Основная составляющая ДВС – это кривошипно-шатунный механизм. Он включает в себя коленчатый вал, вкладыши, шатуны, а также поршни. О последних мы сегодня и поговорим.

Характеристика

Что это за элемент? Поршень – основная составляющая кривошипно-шатунного механизма, которая выполняет сразу несколько функций:

  • Воспринимает давление газов.
  • Передает усилия на шатун.
  • Герметизирует камеру сгорания.
  • Отводит тепло при сгорании топлива.

 

 

Материал

Стоит отметить, что данный элемент подвергается экстремальным нагрузкам, и работает под высоким давлением и температурой. Ввиду этого используются особые материалы для изготовления поршней двигателя. Чтобы элемент не плавился от высоких температур и не деформировался от ударных толчков, его изготавливают из алюминиевого сплава. В редких случаях поршни двигателя делают из стали. Изготавливается данный элемент двумя методами – путем штампования (кованые поршни) или литья под давлением. Последний способ применяется в 90 процентах случаев.

Устройство

Конструкция поршня двигателя предполагает наличие взаимосвязанных элементов. К ним относятся:

  • головка;
  • поршневой палец;
  • бобышки;
  • стопорные кольца;
  • поршневая головка шатуна;
  • стальная вставка;
  • юбка поршня;
  • компрессионные и маслосъемные кольца.

Форма

Поршень являет собой цельный элемент, условно разделенный на две части. Это юбка и днище (головка) поршня. Форма и конструкция его повторяет саму камеру сгорания. Также отметим, что на бензиновых двигателях поршень имеет практически плоскую поверхность головки. В редких случаях на днище могут присутствовать канавки для полного открытия клапанов (это так называемые безвтыковые поршни). Зачастую такие применяются на ВАЗах («Приора», «Калина», «Гранта» и так далее). На большинстве бензиновых иномарок днище поршня имеет абсолютно ровную поверхность.

Если говорить о дизельных двигателях, здесь конструкция немного иная. В таких моторах используются поршни с камерой сгорания определенной формы. Благодаря ей обеспечивается лучшее смесеобразования (за счет хорошего завихрения). На таких поршнях форма днища не бывает плоской. Но вне зависимости от того, дизельный это или бензиновый мотор, на поршне всегда есть канавки для установки колец. Сама юбка имеет конусо- или бочкообразную форму. Это сделано для того, чтобы компенсировать расширение поршня при нагреве. Отметим, что на поверхность юбки дополнительно наносится слой графита или дисульфида молибдена. Эти компоненты выполняют роль антифрикционного материала. Также в юбке есть отверстия для крепления поршневого пальца. Их еще называют бобышками.

Охлаждение

Ранее мы сказали, что поршень цилиндра двигателя подвергается экстремальным нагрузкам. В частности, днище и юбка терпят высокие температурные нагрузки. Чтобы материал не перегревался, обеспечивается масляное охлаждение. Это может быть:

  • Масляный туман в цилиндре.
  • Циркуляция смазки по змеевику головки поршня.
  • Разбрызгивание масла через форсунку, канал в районе колец или специальное отверстие в шатуне.

Разбрызгивается жидкость под давлением. Оно может достигать четырех атмосфер, в зависимости от оборотов двигателя. Таким образом, моторное масло выполняет не только функцию смазывания, но и теплоотвода.

Кольца

На поршни данные элементы устанавливаются всегда. Их главная задача – обеспечить плотное соединение между поршнем и стенками камеры сгорания двигателя. Кольца изготавливаются из особых марок чугуна. Стоит отметить, что данные элементы являются основным источником трения в силовой установке.

Потери могут достигать до 25 процентов от всех механических нагрузок в ДВС. Расположение колец и их число может быть разным. Но в 90 процентах случаев используется такая схема: два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Первые служат для исключения прорыва газов из камеры в картер мотора при воспламенении смеси и рабочем такте двигателя.

Первое компрессионное кольцо имеет трапециевидную форму. Второе – коническую с небольшим подрезом. В маслосъемных же имеется пружинный расширитель и дренажные отверстия. Отметим, что на дизельных двигателях устанавливается металлическая вставка, что способствует реализации максимальной степени сжатия.

И если компрессионное кольцо служит, чтобы препятствовать прорыву газов, то маслосъемное обеспечивает удаление масла с поверхности стенок цилиндров ДВС. Это исключает попадание смазки в камеру сгорания. Но на автомобилях с большим пробегом кольца не обеспечивают такого уплотнения, и часть смазки просачивается в камеру. Как результат – повышение расхода масла и характерный сизый дым из выхлопной трубы.

Крепление

Как соединяется поршень двигателя с шатуном? Крепится он при помощи стального пальца трубчатой формы. Обычно на современных ДВС используется плавающий палец. Он может проворачиваться в поршневой головке и бобышках при работе двигателя, а чтобы исключить смещение, элемент фиксируется с двух сторон стопорными кольцами.

Жесткое крепление концов пальца применяется очень редко. Конструкция, включающая в себя поршень, палец и кольца, имеет название «поршневая группа». В свою очередь, она является составной частью кривошипа.

Поршни ВАЗ-2110: технические характеристики

Напоследок приведем данные о поршнях автомобиля ВАЗ десятого семейства. Эти элементы имеют плоскую поверхность днища и изготавливаются из алюминия. Нормальный диаметр составляет 82 миллиметра. Ремонтный размер – на 0,4 миллиметра выше. Отметим, что таких размеров два. Второй ремонтный имеет диаметр в 82,8 миллиметра. Размер жарового пояса – 7,5 миллиметров. Диаметр поршневого пальца – 22 миллиметра. Объем выборок в поршне – 11,8 кубических сантиметров. Компрессионная высота – 37,9 миллиметра.

И так, мы выяснили, что такое поршень, как он устроен, из чего изготавливается.

autopomoshnik.ru

Типы поршней

Не буду растягивать вступление, кратко расскажу, о чем будет этот большой пост. И так речь идет о типах поршней, четырех тактные бензиновые, дизельные и двух тактные, Основная задача всех рассмотренных типов поршней, это контролировать тепловое расширение и противостоять определенной нагрузке, ниже разберемся как это решается.

 

Поршни для четырехтактных бензиновых двигателей

В современных бензиновых двигателях используют поршни с симметричной или асимметричной юбкой
с различной толщиной днища и юбки поршня.

Поршни управляемого расширения

Поршни с кольцевой вставкой, которая управляет тепловым расширением.
Вставки выполнены из серого чугуна. Главная цель этого кольца уменьшить тепловое расширение алюминиевого сплава поршня, так как чугун имеет относительно небольшое расширение и малую теплопроводность, вставка тем самым сдерживает металл сохраняя форму. Производство таких поршней более затратное, соответственно и выше цена готового продукта. Основной недостаток, это невозможность изготовления кованного поршня, так необходимого для турбированых двигателей, большая масса поршня. Такой тип поршней больше уходит в далекое прошлое.

Авто термические поршни

Авто термические поршни, имеют разделение(пропил) между кольцевым поясом и юбкой в канавке маслосъемного кольца, юбка держится в районе бобышек. Это позволяет снизить теплопередачу от кольцевого пояса поршня к его юбке, тем самым достигается более стабильная форма юбки. Стальная вставка в районе бобышек, контролирует тепловое расширение и увеличивает прочность. Такие поршни не способны выдерживать огромные нагрузки из-за «пропила», в работе отличаются низким шумом и относятся к более современным типам.

 

Поршни Autothermatik

Действуют по такому же принципу, как и авто
термические поршни, но не имеют пропила в маслосъемной канавке. Так же имеют стальные пластины в районе бобышек. Более прочные из-за целостности кольцевого пояса и юбки, лучше выдерживают боковые нагрузки по сравнению с первым вариантом. Применяются как в бензиновых, так и частично в дизельных двигателях.

Поршни Duotherm

Чем- то похожи на авто термические, но вместо пропила в юбке имеют стальную вставку по всему диаметру. Таким образом ограничивая температурный переход от кольцевого пояса к юбке и контролирую форму по всей окружности.

Поршни с перегородками

Этот тип поршней имеет большой холодильник и узкую часто овальную форму юбки. Поршень спроектирован так что при тепловом расширении он меняет свою форму из овальной в правильную круглую.

В дополнение к такому типу поршней еще есть вариант со скошенной юбкой к вершине поршня. имеет более широкую часть юбки снизу сужаясь к кольцевому поясу.

У поршней для двигателей с очень высокой выходной мощностью (больше, чем 100 кВт/л) может быть выполнен охлаждающий канал.

 

Поршни EVOTEC®

Самый большой потенциал для того, чтобы уменьшить поршневую массу в четырехтактных бензиновых двигателях несут в себе поршни EVOTEC®, в котором прежде всего стоит отметить трапециевидные поддержки бобышек, что позволяет расположить палец особенно глубоко, близко к днищу, сократив всю длину и массу поршня. В посте Масса поршня мы уже говорили о достоинстве такого расположения пальца. Такое расположение стенок юбки позволяет очень хорошо усилить верхнюю часть бобышек имея небольшую толщину перегородок и облегчить нижнюю выполнив поршень асимметричной формы. Юбка достаточно узкая и на краях имеет прочные перегородки, переходящие к бобышкам, это тоже является большим плюсом. Такая компоновка поршня очень хорошо препятствует боковым нагрузкам, мала вероятность деформации юбки, при этом толщина юбки намного меньше чем в обычном поршне, что тоже сокращает общий вес. На всем фоне отмеченных выше достоинств поршень значительно похудел, это позволяет сделать бобышки тоньше, так как инерционная нагрузка на нижние стенки бобышек стала меньше.

Кованные алюминиевые поршни

В двигателях с очень большими удельными нагрузками - такими как турбонадув или впрыск закиси азота используют кованные поршни. Преимуществом несомненно является прочность кованного алюминиевого сплава. Выдерживают более высокую температуру и лучше противостоят детонации. Из недостатков отмечается более высокая цена, невозможность применения некоторых технологий, например, некоторые из тех что описаны выше из-за технологического процесса изготовления.

Кованный поршень для Формулы 1

В следующем посте поговорим о поршнях для двухтактных и дизельных двигателей, где нагрузки и температуры еще больше. Поршни дизельных двигателей

 

enginepower.pro

Конструкция поршней

Поршень можно разделить на три части, выполняющие различные функции: днище, уплотняющая часть и направляющая часть (юбка). Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня.

Днище поршня, образующее с головкой цилиндра камеру сгорания, кончается у верхней кромки канавки под верхнее поршневое кольцо. Эту часть поршня иногда называют жаровым поясом. Форма днища поршня зависит от формы камеры сгорания и расположения клапанов, а в двухтактных двигателях также от системы газораспределения.

При вогнутом днище форма камеры сгорания приближается к сферической (при верхнем расположении клапанов), увеличивается поверхность, омываемая горячими газами, и возрастает возможность образования нагара, при котором резко повышается тепловой режим. Прочность вогнутого днища меньше, чем плоского, поэтому в ряде случаев его усиливают. Обработка такого днища также затруднительна.

Выпуклое днище придает камере сгорания щеле-видную форму, что ухудшает процесс смесеобразования. Из-за выпуклости температура днища возрастает, но уменьшается нага-рообразование. Основным преимуществом такого днища является уменьшение массы поршня из-за большой прочности днища и отсутствия усиливающих ребер.

Плоское днище является промежуточным по своим показателям между двумя первыми и имеет наибольшее распространение вкарбюраторных двигателях.

В некоторых двигателях поршни имеют так называемые вытеснители,которые способствуют в процессе сжатия достижению желаемого направления движения заряда, а в процессе сгорания — осуществлению плавного нарастания давления.

У дизелей днище поршня имеет разнообразные и в ряде случаев сложные формы, зависящие от степени сжатия, способа смесеобразования, расположения форсунок и других факторов. Так, в дизеле с однополостной камерой сгорания днище придает камере сгорания благоприятную форму. Для увеличения скорости вихря и улучшения смесеобразования камеру сгорания располагают в днище поршня. Для повышения прочности днища поршня и лучшего отвода теплоты с внутренней стороны оно имеет ребра, форма которых определяется опытным путем.

Размеры днища поршня выбирают, исходя из максимального давления сгорания, необходимой жесткости поршня и максимальной интенсивности отвода от него теплоты. Как правило, переходы от днища поршня к его уплотняющей части в плоскости бобышек делают массивными в виде сплошных приливов или ребер. С внутренней стороны днища теплота от него отводится воздухом и маслом. Наличие ребер не улучшает теплоотвода от днища.

В дизелях, где в днище поршня располагается камера сгорания, применяют принудительное охлаждение днища путем опрыскивания его внутренней поверхности маслом. Для этого масло подводится непосредственно от коленчатого вала по каналу в стержне шатуна к распылителю с калиброванным отверстием, расположенному в поршневой головке шатуна, или распыливается через неподвижныефорсунки,закрепленныевнижнейчастигильзы.

Уплотняющая часть поршня начинается от верхней кромки канавки под верхнее поршневое кольцо и кончается у нижней кромки канавки под нижнее поршневое кольцо (последнее кольцо перед поршневым пальцем), т. е. это та часть поршня, где расположены канавки для поршневых колец.

Уплотняющая часть имеет диаметр, увеличивающийся к низу поршня. Она передает стенкам цилиндра до 80% теплоты, воспринимаемой днищем.

Практически уплотняющая часть поршня почти не участвует в передаче боковых сил. Поверхность этой части поршня имеет канавки, вследствие чего невозможно создать устойчивую масляную пленку. Величину зазора между цилиндром и уплотняющей частью поршня выбирают из условия предохранения поршневых колец от воздействия горячих газов и предотвращения попадания масла в камеру сгорания. Как правило, этот зазор делают очень малым (близким к нулю). Число компрессионных колец устанавливают в зависимости от быстроходности и типа двигателя.

Для уменьшения тепловой напряженности верхнего поршневого кольца канавку под него следует делать на некотором расстоянии от днища поршня , при этом увеличивается высота поршня. В некоторых случаях перед первым поршневым кольцом делают выточку, которая является воздушным экраном . Опыт работы с такими поршнями показал, что эта выточка закоксовывается и влияние ее на работу первого кольца уменьшается. В некоторых конструкциях применяют жароупор ные вставки для верхнего поршневого кольца (двигатель ЗИЛ-130 и др.), которые в 2—2,5 раза повышают долговечность поршня.

Для уплотнения цилиндра быстроходного двигателя достаточно двух-трех компрессионных и одного или двух маслосъемных поршневых колец.

Большинство двигателей имеет одно маслосъемное поршневое кольцо (нижнее) для сбрасывания излишков масла.

В канавках для маслосъемных колец сверлят один или два ряда отверстий для отвода масла внутрь поршня. В случае двух рядов отверстий один ряд сверлят в самой канавке, а другой — непосредственно под ней. Диаметр отверстий для отвода масла почти совпадает с высотой канавки для масляпого кольца. В поршнях карбюраторных двигателей поперечные прорези, отделяющие уплотняющий пояс, делают обычно в канавке масло-съемного кольца.

Отвод излишков масла необходим из-за насосного действия колец и перепада давлений при впуске , когда масло постепенно подается к камере сгорания, где оно сгорает и образует нагар на стенках камеры сгорания и на свече зажигания. Это происходит особенно интенсивно при изношенных поршневых кольцах.

Наличиемаслосъемногокольцаспособствуетэффективному отводу масла через специальные отверстия в картер. Перемычку между первым и вторым кольцами, как правило, делают более высокой. По мере удаления от днища высота перемычек уменьшается. Для повышения прочности перемычекпри той же высотеследует уменьшить их ширину и увеличитьрадиус сопряжения торцовых плоскостей с боковыми стенками канавок.

Направляющей частью (юбкой)называется часть поршня от нижней кромкиканавкипод последнее поршневое кольцо перед поршневым пальцем до концапоршня.
Эта часть поршня служит ДЛЯ равномерного распределениябокового давления на зеркало цилиндра от силы iVjj, направленной по нормали к зеркалу цилиндра, а также для направления поршня при движении соосно цилиндру. В этой части поршня размещаются бобышки для поршневого пальца.

Длина направляющей части поршня и расположение оси бобышек по его длине влияют на — трение и износ поршня. Поскольку у различных двигателей боковая сила N% имеет различное значение, то и длина направляющей части поршня, зависящая от величины этой силы, различна. Чем больше сила iV2, тем длиннее должна быть направляющая часть поршня. В передаче боковой силы 7V2 от поршня к цилиндру участвует только часть боковой поверхности юбки, ограниченная в поперечном сечении дугой с центральным углом р = 80 ч — 100° . Поэтому в ряде конструкций для уменьшения массы поршня и потерь на трение части юбки, соответствующие углам у, удаляют (двигатели ГАЗ-21, МЗМА-408 и др.).

Выбор внешнего очертания направляющей части поршня в основном зависит от деформации зоны расположения бобышек. В результате неравномерности тепловых деформаций, прогибающего действия давления рг газов на поршень  и силы Nxна его боковую поверхность  сечениена-правляющеи части принимает овальную форму, что может вызвать заедание поршня. Для устранения деформации сошлифовывают часть поверхности поршня около поршневого пальца. Толщина снимаемого слоя может быть установлена только опытным путем. В ряде случаев направляющей части поршня при механической обработке придают овальную форму. Большая ось 1 овала должна быть перпендикулярна оси 2 поршневого пальца (рис. 194, г), а малая совпадать с направлением оси поршневого пальца. Разница в длине осей овала обычно составляет 0,1—0,3 мм. При холодном поршне обеспечивается ходовая посадка соответственно размерам большой оси овала. При работе двигателя вследствие тепловых деформаций поршень принимает цилиндрическую форму. Стенки юбки имеют постоянную по длине толщину, которая может несколько уменьшаться к низу поршня.

Для уменьшения передачи теплоты от головки поршня, изготовленного из легких сплавов, к его юбке иногда делают прорезь по окружности между головкой и юбкой.

Для устранения стуков и перекосов поршня в непрогретом двигателе и предупреждения заедания при работе поршни из легких сплавов выполняют с разрезными и овальными юбками. П — или Т-образная прорезь может быть сделана как по всей, так и не по всей длине Еобки  с той стороны, где боковая сила N% меньше.

В некоторых автомобильных двигателях для уменьшения стуков ось поршневого пальца смещают относительно оси поршня в сторону более нагруженной поверхности поршня. Для уменьшения монтажных зазоров и обеспечения бесшумной работы поршневой группы поршни из легких сплавов иногда снабжают при литье специальными инварными1 или стальными вставками 1.

Инварные вставки заделывают в несущую часть поршня, имеющую наибольшую тенденцию к расширению в области бобышек. Такие поршрипринагреваниирасширяютсяменьше,чемчугунные.

У большинства современных зарубежных автомобильных двигателей поршень имеет юбку без разрезов с залитыми в ее стенку инварнымиилистальнымитерморегулирующимиэлементами.

При такой конструкции юбки повышается надежность поршня, увеличивается поверхность соприкосновения его с цилиндром и поршень можно устанавливать в цилиндр с минимальными зазорами, почти не изменяющимися на всех режимах работы двигателя.

Конструкции поршней новых отечественных карбюраторных двигателей характеризуются следующими особенностями: днище — плоское снаружи и гладкое (без ребер) внутри; юбка поршня без разрезов имеет кольцевую терморегулирующую вставку; в горизонтальной плоскости сечение юбки — овал, по высоте она имеет коническую или бочкообразную поверхность; тепловые прорези расположены в канавке маслосъемного кольца; каждая бобышка поршневого пальца связанас днищем поршня двумя ребрами.

Исследования поршней описанной выше конструкции показали возможность увеличения точности изготовления профиля юбки в 3—5 раз и повышения прочности поршней на 6—8%. На основании стендовых испытаний поршней, проведенных на двигателях ГАЗ-21 и ГАЗ-53, установлено, что контактная поверхность юбки поршня новой конструкции с гильзой в 1,4—2,2 раза больше контактной поверхности юбки поршня двигателя ГАЗ-53. Кроме того, температура головки нового поршня на 10—30° ниже температуры головки поршня двигателя ГАЗ-53. Эксплуатационные испытания двигателяпоказалихорошуюработоспособностьинадежность поршней новой конструкции.

maestria.ru

Поршневая группа

Поршневая группа состоит из поршня в сборе, уплотнительных и маслосъемных колец, поршневого пальца. По конструктивным признакам различают поршни тронковые, для двигателей крейцкопфного типа и двустороннего действия.

Тронковые поршни соединяются с шатуном поршневым паль­цем. Для обеспечения газонепроницаемости полостей цилиндра поршень снабжают уплотнительными кольцами, а для предотвра­щения попадания масла в камеру сгорания — маслосъемными кольцами. Материалом для поршней служит чугун марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и сталь. Поршни небольшого диаметра быстроходных двигателей можно изготовлять из алюминиевых сплавов (АЛ1, АЛ2, АК2, АК4). Такие поршни имеют малый вес и небольшие температурные напряжения в днище; недостатки поршней — не­значительная износостойкость и большой коэффициент теплового линейного расширения.

Поршень (рис. 139) состоит из нижней направляющей части — тройка или юбки 1 и верхней части — головки поршня 3 с поршне­выми кольцами 2. Конфигурация камеры сгорания двигателя, тип продувки, расположение в крышке клапанов и форсунки опреде­ляют форму днища поршня 4. Днище поршня может иметь вогну­тую, двояковогнутую, выпуклую и другую формы. Некоторые формы днищ поршней показаны на рис. 140. При диаметре поршня более 400 мм головку поршня выполняют съемной. Разъемная конструкция позволяет уменьшить стоимость поршня, так как только головку изготовляют из дорогостоящего жаропрочного ма­териала, и облегчает ремонт поршня. Головку крепят к тройку болтами или шпильками.

В некоторых конструкциях поршня внутреннюю поверхность днища для предохранения от нагарообразования и защиты голов­ного подшипника от теплового излучения закрывают мембраной; для увеличения жесткости днище снизу подкрепляют ребрами, ко­торые одновременно улучшают его охлаждение.

Поршневой палец 1 (рис. 141) размещен в приливах (бобыш­ках) 2 и фиксируется от осевого смещения пружинными кольцами 3. Пальцы закрепляются стопорным болтом 6 либо свободно вращаются — пальцы плавающего типа. Пальцы плавающего типа более распространены у быстроходных двигателей. Бронзовые втулки 4, запрессованные в бобышки чугунного поршня, являются подшипниками для поршневого пальца плавающего типа. Пальцы изготовляют из малоуглеродистой стали 15 или 20 с последующей цементацией и шлифованием или из легированной стали 15ХМА, 12МХ2А, 18ХНМА, 20Х и др. с последующей закалкой. В некото­рых конструкциях поршней с целью предотвращения соприкосно­вения пальца с зеркалом цилиндра ставят алюминиевые за­глушки 5 грибовидной формы.

Поршневые кольца располагают в канавках, проточенных в теле поршня. Поршневые кольца делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные кольца 2 (см. рис. 139) обеспечи­вают плотность поршня в цилиндре, предотвращают прорыв газов в картер двигателя и способствуют отводу тепла от головки поршня через втулку цилиндра охлаждающей воде. Маслосъемные кольца 6 и 7 (см. рис. 139) служат для удаления излишнего масла с зеркала цилиндра, что уменьшает нагарообразование в цилиндре, и не допускают проникновения масла в камеру сго­рания. Материалом для изготовления колец служит чугун СЧ24-44, реже сталь. Кольца изготовляют самопружинящими с разрезом-замком, обеспечивающим заводку кольца в канавку поршня и воз­можность теплового расширения кольца. Число уплотнительных колец шесть—три, маслосъемных три—одно. Уплотнительные кольца, как правило, прямоугольного сечения, рабочая поверхность кольца и поверхность зеркала цилиндра параллельны.

В от­личие от уплотнительных (компрессионных) маслосъемные кольца имеют скос (рис. 142, а), с помощью которого масло удаляется из зеркала цилиндра и через специальные каналы 5 (см. рис. 139) в поршне стекает в картер. Необходимо особо быть вниматель­ным при монтаже маслосъемных колец, не допуская установки кольца скосом вниз, так как тогда масло будет попадать в камеру сгорания. Зазоры между поршневыми кольцами и стенками ка­навки в радиальном направлении равны 0,5—1,0 мм, по высоте 0,15—0,066 мм.

Типы замков поршневых колец показаны на рис. 142, б. При установке колец на поршень необходимо стыки (замки) распола­гать в разных положениях по окружности во избежание утечки газов. Поршневые кольца поршней двухтактных двигателей для предохранения от проворачивания и попадания замка в район рас­положения окоп стопорят фиксаторами.

Поршень крейцкопфного двигателя соединяется с шатуном, штоком и крейцкопфом. В этом случае поршень крепят к штоку жестко специальным фланцевым соединением (рис. 143). Поршень крейцкопфного двигателя разгружен от боковых усилий и не имеет тронка.

На рис. 144 показан составной охлаждаемый поршень крейц­копфного двигателя, имеющего штампованную вставку из алюми­ниевого сплава АК6. Поршень состоит из трех основных частей: головки 1, отлитой из высокопрочного жаростойкого чугуна, кор­пуса 3 из перлитного чугуна и вставки 2. В поршнях новейшей конструкции пазы (канавки) под уплотнительные кольца хроми­руют или завальцовывают чугунными противоизносными коль­цами. Общий вид поршня, крейцкопфа и шатуна с подшипником приведен на рис. 145.

Для достижения нормальных условий работы поршня необхо­димо обеспечить его охлаждение и прежде всего головки. Наибо­лее надежным средством снижения температуры головки яв­ляется искусственное охлаждение. При диаметрах цилиндра в двухтактных двигателях свыше 250 мм, а в четырехтактных свыше 400 мм применяют масляное охлаждение поршня. Охлаждение во­дой используют редко, так как требуется тщательное герметизи­рующее устройство, предотвращающее попадание воды в масло картера. Наиболее распространена телескопическая и шарнирная системы подачи охлаждающей жидкости под давлением в закры­тую полость поршня.

Штоки крейцкопфных двигателей выполняют стальными ко­ваными, круглого сечения, часто пустотелыми. В верхней части они имеют фланцы для крепления с поршнем, а нижней пяткой или хвостовиком 4 (рис. 146) соединяются с поперечиной 7 и фик­сируются гайкой 2. В состав крейцкопфа входят: стальной или чугунный ползун, опорные рабочие поверхности а и б которого покрыты тонким слоем антифрикционного сплава. Ползун, скользя по параллели картера, передает последней боковые усилия и та­ким образом разгружает поршень. Поверхность а передает боко­вые усилия при работе двигателя на передний ход, поверхность б, значительно меньшая по площади,— на задний ход. Ползун кре­пят болтами к стальной поперечине 3. Поперечина имеет цапфы 1, которые охватываются головным подшипником шатуна. В двига­телях, длительное время работающих на задний ход (буксиры, ле­доколы), ползуны выполняют двусторонними. По каналу 5 масло поступает на охлаждение поршня, а по каналу 6 — на смазку ра­бочих поверхностей ползуна.

На рис. 147 показана параллель крейцкопфного двигателя.


vdvizhke.ru

Что такое поршень двигателя? Основное назначение


Что такое поршень двигателя? Основное назначение

Поршень занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива в тепловую и механическую. В данной статье поговорим про поршни двигателя внутреннего сгорания, что это такое и основное назначение в работе.
Что такое поршень двигателя?
Поршень двигателя — это 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.

Насколько хорошо поршни двигателя справляется с возложенными обязанностями - зависят его эффективность и надежность. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов.

Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему много тайн и секретов распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла.

Требования к поршням двигателя
Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.

Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ.

В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.

В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Основное назначение поршней в работе двигателя
Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если мы 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. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается.

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 непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно 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 в большей степени 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 через себя.

Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности.

Четвертый путь. Часть тепла отбирает на свой 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 более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Совершенно 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.

Тут хочу упомянуть такую характеристику, как компрессия. Давайте представим, что кольцо не прилегает по всей своей 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 мы 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 принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Поэтому всегда уделяется много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки.

Сколько колец будет у нового поршня? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.

Нужно одновременно, чтобы кольца были и узкие и широкие. И два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора.

real-avto.com

Пока нет комментариев.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

СайдбарКомментарии (0)