Полнотекстовый поиск:

Где искать:

везде
только в названии
только в тексте

Выводить:

описание
слова в тексте
только заголовок

Главная > Реферат >Промышленность, производство

1. Перечислите элементы поршня и объясните их назначение, объясните условия работы поршня.

В конструкции поршня принято выделять следующие элементы:

головку 1 и юбку 2. Головка включает днище З, огневой (жаровой) 4 и

уплотняющий 5 пояса. Юбка поршня состоит из бобышек б и направляющей части.

Сложная конфигурация поршня, быстро меняющиеся по величине и направлению тепловые потоки, воздействующие на его элементы, приводят к неравномерному распределению температур по его объему и, как следствие, к значительным переменным по времени локальным термическим напряжениям и деформациям

Теплота, подводимая к поршню через его головку, контактирующую с рабочем телом в цилиндре двигателя, отводится в систему охлаждения через отдельные его элементы в следующем соотношении, %: в охлаждаемую стенку цилиндра через компрессионные кольца - 60...70, через юбку поршня - 20...30, в систему смазки через внутреннюю поверхность днища поршня - 5...10. Поршень также воспринимает часть теплоты, выделяющейся в результате трения цилиндра и поршневой группы.

Основные элементы конструкции поршня

Канавка под первое компрессионное кольцо

Канавка под второе компрессионное кольцо

Межкольцевые перемычки

Канавка под маслосъемное кольцо

Выборка для слива масла

"Холодильник"

Юбка поршня

Бобышка под пальцевое отверстие

Разгружающая выборка

Канавка для стопорного кольца

Отверстие под палец

Юбка поршня

Головка поршня

Нирезистовая вставка

Маслоохлаждаемая полость

Камера сгорания

Конусный вытеснитель

Днище поршня

Поршень - одна из важнейших деталей двигателя внутреннего сгорания. Он передает энергию сгорания топлива через палец и шатун коленчатому валу. Он вместе с кольцами уплотняет цилиндр от попадания продуктов сгорания в картер. Во время работы на поршень действуют высокие механические и тепловые нагрузки.

Максимальное давление в цилиндре, возникающее при сгорании топливно-воздушной смеси, может достигать 65-80 бар в бензиновом двигателе и 80-160 бар в дизеле. Это эквивалентно силе в несколько тонн, действующей на поршень двигателя легкового автомобиля и в десятки тонн - на поршень тяжелого дизеля.

Во время работы поршень совершает возвратно-поступательное движение, периодически ускоряясь до скорости более 100 км/час, а затем замедляясь до нуля. Такой цикл происходит с удвоенной частотой вращения коленвала, т.е. при 6000 об/мин цикл ускорение-замедление происходит с частотой 200 Гц.

Максимальная величина ускорений, приходящаяся на верхнюю и нижнюю мертвые точки, может достигать 15000-20000 м/с 2 , что соответствует перегрузке 1500-2000g. Космонавт при выводе ракеты в космос кратковременно испытывает перегрузки в 150 раз меньше. От действия ускорений возникают инерционные силы по величине соизмеримые с теми, что действуют от давления при сгорании.

Сгорание топливовоздушной смеси происходит при температуре 1800-2600°С. Эта температура значительно превышает температуру плавления поршневого сплава на основе алюминия (~700°С). Чтобы не расплавиться, поршень должен эффективно охлаждаться, передавая тепло от камеры сгорания через кольца, юбку, стенки цилиндра, палец и внутреннюю поверхность охлаждающей жидкости и маслу. При нагревании поршня происходит снижение предела прочности материала, возникают термонапряжения от перепадов температуры по его телу, которые накладываются на напряжения от сил давления газов и инерционных сил. Таким образом, условия работы поршня можно определить как очень сложные.

Чтобы поршень противостоял этим воздействиям, он должен быть легким, прочным, износостойким, хорошо проводить тепло. Все перечисленные условия должны быть учтены при проектировании. Форма внутренних поверхностей и конструктивных элементов поршня должна обеспечивать заданную прочность и работоспособность за счет рационального распределения и использования материала.

Особое внимание уделено форме наружной поверхности. Внешний профиль боковой поверхности поршня формируется с учетом деформаций от механических нагружений (давления газов и инерционных сил) и теплового воздействия от сгорания топливовоздушной смеси таким образом, чтобы ни при каких условиях не произошло заклинивание в цилиндре, прорыв горячих газов в картер, прогорание камеры сгорания.

Температура поршня в зоне камеры сгорания (на днище) выше, чем на юбке, температурное расширение головки больше чем юбки, поэтому поршень в холодном состоянии – бочкообразный, с уменьшением диаметра от юбки к головке.

Сила давления газов, силы инерции и боковая сила деформируют поршень так, что юбка овализируется. Для компенсации этой деформации поршень изначально выполняется с «противоэллипсом», большая ось которого расположена в перпендикулярно оси пальцевого отверстия.

Зазоры между поршнем и цилиндром должны быть сведены к минимуму для предотвращения шума, особенно в холодном двигателе. Но они должны быть достаточными для предотвращения заклинивания при работе прогретого двигателя.

Бочкообразная и овальная форма внешней поверхности кроме компенсации соответствующих деформаций от силового и теплового воздействия обеспечивает образование масляной пленки между поршнем и цилиндром (гидродинамическая смазка)

Конструктивные особенности поршня

Подробности, связанные с конструктивными элементами поршней, позволят глубже понять сложность задач, стоящих перед производителями.

Головка поршня - это его верхняя часть, которая включает днище и зону канавок под поршневые кольца. Вместе с головкой цилиндра днище поршня образует камеру сгорания. Камера сгорания может быть выполнена и в головке. На днище действуют давление газов и тепло от сгорания топлива. Головка поршня должна:

Обеспечивать хорошее смесеобразование и полноту сгорания топлива;

Сохранять прочность при высокой температуре;

Обеспечивать отвод тепла от днища;

Передавать усилие на поршневой палец и шатун через бобышки;

Обеспечивать заданный ресурс по износу канавок под поршневые кольца.

В дизельных двигателях с непосредственным впрыском камера сгорания, как правило, выполняется в поршне и оказывает большое влияние на процессы смесеобразования и горения.

В дизельных двигателях с предкамерным впрыскиванием и бензиновых двигателях днище поршня плоское или имеет небольшие выборки.

Головка алюминиевых поршней может быть анодирована (нанесено защитное окисное покрытие). В дизельных двигателях камера сгорания может быть упрочнена путем армирования металлокерамическим волокном в процессе литья под давлением.

Канавки под поршневые кольца располагаются на боковой поверхности головки поршня. Обычно их три: две под компрессионные и одна под маслосъемное кольца. Поршневые кольца образуют уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра, не допуская прорыва горячих газов в картер и масла в камеру сгорания.

Перемычки между канавками (особенно между первой и второй для компрессионных колец) подвергаются высоким механическим и тепловым нагрузкам - 50-60% тепла отводится в цилиндр через компрессионные кольца.

Неравномерный нагрев и тепловое расширение головки может привести к нарушению формы канавок. Это отрицательно влияет на расход масла и вызывает износ стенки цилиндра и самой канавки. Для устранения этого явления кольцевые канавки выполняются под небольшим углом так, чтобы наружные кромки были выше внутренних. Это препятствует появлению нежелательного наклона поперечного сечения канавки вниз на рабочих режимах.

К канавкам верхних компрессионных колец предъявляются особо жесткие требования, в особенности в дизельных двигателях с высокой степенью сжатия. Для упрочнения эти канавки часто армируются специальными вставками, изготовленными из нирезиста (легированный никелем чугун), или зона канавки упрочняется путем плазменного переплава с присадкой легирующих компонентов. Эти мероприятия повышают износостойкость и снижают шум в дизельном двигателе.

Имеются наиболее распространенные типы вставок с параллельными сторонами и вставки с конусообразными сторонами. Существуют нирезистовые вставки с одной канавкой или, в некоторых высокофорсированных дизельных двигателях, с двумя канавками под компрессионные кольца. Иногда к нижней торцевой поверхности канавки первого компрессионного кольца прикрепляется полоска из нержавеющей стали, выполняющая ту же функцию, что и нирезистовая вставка.

Через поршневой палец в процессе работы передаются значительные переменные усилия и тепловые потоки. Поэтому поверхности пальцевых отверстий в поршне должны быть обработаны с высокой точностью, при этом шероховатость поверхности может достигать 0,1 мкм. Для снижения напряжений на кромках бобышек и в пальце с внутренней стороны отверстий иногда выполняется конус с небольшим углом (менее 1 градуса).

Важным конструктивным приемом для снижения шума, возникающего при перекладке поршня вблизи верхней мертвой точки, является смещение пальцевого отверстия от оси поршня в направлении той стороны юбки поршня, которая воспринимает боковую силу при рабочем ходе. В этом случае на поршень обязательно наносится метка для правильной установки в двигатель.

Покрытия

Для улучшения работы поршней в двигателе их поверхность часто подвергается различным видам обработки, в частности, на нее наносятся покрытия. Эти покрытия выполняют две главные функции:

Улучшение приработки поршня. Обычно их наносят на юбку, и они изнашиваются через определенное время на этапе обкатки двигателя;

Улучшение механических свойств поверхности поршня (твердость, износостойкость). Некоторые покрытия остаются на поршне на все время эксплуатации, предотвращая эрозию, растрескивание и улучшая антифрикционные свойства.

Головка поршня дизельных двигателей иногда подвергается анодированию (покрывается окисью алюминия) для уменьшения температуры основного материала и опасности растрескивания головки, вызываемого высокими термическими нагрузками при работе.

2.Устройство и принцип работы ТНВД распределительного типа.

Такой насос применяется для 3, 4, 5 и 6 цилиндровых дизельных двигателей легковых автомобилей, тракторов и грузовых автомобилей мощностью до 20 кВт на цилиндр. Насосы распределительного типа для двигателей с непосредственным впрыском обеспечивают давление до 700 бар при частоте вращения до 2400 мин-1.

Топливоподкачивающий насос
Этот насос лопастного типа служит для подачи топлива из бака и вместе с нагнетательным регулирующим клапаном создает давление, которое возрастает прямо пропорционально частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Насос высокого давления
Насос распределительного типа включает только один плунжерновтулочный комплект для питания всех цилиндров.

В кривошипно-шатунном механизме поршень выполняет несколько функций, среди которых восприятие давления газов и передача усилий на шатун, герметизация камеры сгорания и отвод от нее тепла. Поршень является наиболее характерной деталью двигателя внутреннего сгорания , т.к. именно с его помощью реализуется термодинамический процесс двигателя.

Условия, в которых работает поршень, экстремальны и характеризуются высоким давлением, температурой и инерционными нагрузками. Поэтому поршни на современных двигателях изготавливаются из легкого, прочного и термостойкого материала – алюминиевого сплава, реже из стали. Поршни изготавливаются двумя способами – литьем под давлением или штамповкой, т.н. кованые поршни.

Поршень цельный конструктивный элемент, который условно разделяют на головку (в некоторых источниках ее называют днище) и юбку. Форма и конструкция поршня в значительной степени определяются типом двигателя, формой камеры сгорания и процессом сгорания, протекающим в ней. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую или близкую к плоской поверхность головки. В ней могут быть выполнены канавки для полного открытия клапанов. Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют более сложную форму. В головке поршня дизельного двигателя выполняется камера сгорания определенной формы, которая обеспечивает хорошее завихрение и улучшает смесеобразование.

Ниже головки поршня выполняются канавки для установки поршневых колец. Юбка поршня имеет конусообразную или криволинейную (бочкообразную ) форму. Такая форма юбки компенсирует температурное расширение поршня при нагреве. При достижении рабочей температуры двигателя поршень принимает цилиндрическую форму. Для снижения потерь на трение на боковую поверхность поршня наносится слой антифрикционного материала (дисульфид молибдена, графит ). В юбке поршня выполнены отверстия с приливами (бобышки ) для крепления поршневого пальца.

Охлаждение поршня осуществляется со стороны внутренней поверхности различными способами:

1. масляный туман в цилиндре;
2. разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
3. разбрызгивание масла специальной форсункой;
4. впрыскивание масла в специальный кольцевой канал в зоне колец;
5. циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.

Поршневые кольца образуют плотное соединение поршня со стенками цилиндра. Они изготавливаются из модифицированного чугуна. Поршневые кольца основной источник трения в двигателе внутреннего сгорания. Потери на трение в кольцах достигают до 25% всех механических потерь в двигателе.

Число и расположение колец зависит от типа и назначения двигателя. Самая распространенная схема – два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов из камеры сгорания в картер двигателя. Первое компрессионное кольцо работает в наиболее тяжелых условиях. Поэтому на поршнях дизельных и ряда форсированных бензиновых двигателей в канавке кольца устанавливается стальная вставка, повышающая прочность и позволяющая реализовать максимальную степень сжатия. Компрессионные кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную, коническую форму, некоторые выполняются с порезом (вырезом).

Маслосъемное кольцо удаляет излишки масла с поверхности цилиндра и препятствует попаданию масла в камеру сгорания. Кольцо имеет множество дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

Соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Имеется несколько способ установки поршневого пальца. Самый популярный т.н. плавающий палец , который имеет возможность проворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время работы. Для предотвращения смещения пальца он фиксируется стопорными кольцами. Значительно реже применяется жесткое закрепление концов пальца в поршне или жесткое закрепление пальца в поршневой головке шатуна.

Поршень, поршневые кольца и поршневой палец носят устоявшееся название поршневая группа.

При расточке блока и установке поршней в блок цилиндров, требуется следовать рекомендациям производителя поршней по обработке цилиндров, монтажу и установке деталей цилиндропоршневой группы. Основная информация нанесена на верней части поршня. Если какая либо информация не указана производителем поршней, ни на упаковке, ни на самом поршне, то необходимо следовать рекомендациям производителя автомобиля. Расшифровка символов и значений приведена ниже.

Информация на верхней части.

• Размер поршня. Некоторые производителей поршней наносят на днище поршня размер самого поршня в сотых долях миллиметра, этот контрольный параметр позволяет проверить качество изготовления поршней и точность размеров, пред непосредственной установкой. Например: 83.93. Это означает, что в измеряемых точках размер поршня не превышает указанного размера (с учетом поля допуска). Измерение следует производить при температуре поршня (+20 градусов), с помощью микрометра или аналогичного измерительного инструмента, с точностью измерения до одной сотой доли миллиметра (0,01мм).
• Монтажный зазор. Для того, что бы обеспечить уплотнение рабочей полости цилиндра и минимальную работу трения поршня, а так же предотвратить горячий поршень от заклинивания, между поршнем и стенкой цилиндра предусматривается монтажный (температурный) зазор (Sp) . При повышенном зазоре между поршнем и стенкой цилиндра работа двигателя заметно ухудшается - имеет место прорыв газов в картер двигателя, ухудшается из-за этого качество масла, закоксовываются кольца и снижается мощность двигателя. Величина этого зазора задается производителем поршней для начальной температуры деталей цилиндропоршневой группы (обычно +20 градусов), и зависит в основном от разности температур, массы поршня и свойств материалов соприкасающихся деталей. Пример: Sp=0.04. Это означает, что зазор между поршнем (по максимальному размеру юбки поршня) и цилиндром должен быть 0,04 мм (с учетом поля допуска).
• Товарный знак. Каждый серьезный производитель поршней маркирует свою продукцию своим фирменным товарным знаком. Во первых, это часть борьбы с подделок своей продукции, а во вторых демонтировав при ремонте старый поршень сразу становится возможным идентифицировать его, с помощью номера отливки на днище поршня.
• Направление установки. Поршни современных двигателей имеют строго определенное положение в двигателе, в частности, это связано с тем ось поршневого пальца имеет некоторое смещение, относительно центрально оси симметрии поршня. Это сделано для уменьшения шума при работе двигателя, а точнее ударных нагрузок на стенки цилиндра при перекладке поршня в крайнем положении. Как правило, производители используют два способа изображения направления установки– (для двигателей размещаемых спереди и сзади автомобиля). На днище наносится либо стрелка, указывающее направление передней части автомобиля (направление движения), либо схематично изображается коленчатый вал с маховиком.

Номер отливки на внутренней части поршня.

Опытные мотористы часто сталкиваются в своей работе с трудностью, когда в ремонт поступает очень старый автомобиль, и нет какой либо возможности точно идентифицировать тип его двигателя. Часто просто бывает не корректная информация в документах, на автомобиль, например ошибка (опечатка) в VIN коде или в графе «ТИП ДВИГАТЕЛЯ». Но ремонтировать нужно, и необходимо правильно подобрать ремонтные поршни.
Тогда на помощь приходит информация о номере отливки на внутренней части поршня. Следует извлечь поршень из блока цилиндров, очистить от нагара внутреннюю полость и прочесть отлитые цифры и буквы. Подобный способ подходит не для всех поршней, но основные поставщики конвейеров европейских автомобилей MAHLE, Kolbenschmidt, AE, Nural позволяют расшифровать эти данные.
Что же такое «номер отливки»? Поршни, имеющие одинаковые основные параметры изготавливаются на одном и том же технологическом оборудовании (в частности в одной литьевой форме), затем подвергаются последующей механической обработке в зависимости от требуемого ремонтного размера и модификации. То есть для поршней имеющие STD и ремонтные размеры номера отливок совпадают. Как правило, одному номеру отливки соответствуют несколько поршней на один двигатель, это стандартный поршень и его последующие ремонты. Но есть исключения (когда номер отливки совпадет с несколькими модификациями поршня) тогда необходимо замерить контролируемые геометрические параметры.
Как расшифровать? Мы рекомендуем проверять ваши номера отливок через бумажные каталоги соответствующих производителей. Помимо этого вы можете расшифровать эти данные и с помощью on-line каталогов наших поставщиков.

Следует определить изготовителя старого поршня по торговой маркировке, а затем, используя его каталог (бумажный или электронный) ввести найденный номер. Значение номера отливки необходимо вводить непосредственно в поле поиска по артикулу детали (Artikel #) или поиска по замене номера (Reference No:). Не забывайте проверять полученные результаты по основным геометрическим размером со старыми деталями.

СЕРГЕЙ САМОХИН,
АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук, директор фирмы « АБ-Инжиниринг »

Без преувеличения, поршень - главная деталь автомобильного двигателя, во многом определяющая его облик. Поршень эволюционировал вместе с развитием двигателей и достиг высокой степени совершенства. Конструктивные особенности поршня должны строго соответствовать характеристикам мотора. В противном случае возможны неоправданные материальные затраты при производстве и эксплуатации двигателя и даже его преждевременная кончина.

Высказанный тезис о ключевой роли поршня в конструкции автомобильного двигателя может показаться излишне категоричным. Поэтому приведем несколько аргументов в его подтверждение.

Требования к конструкции поршня определяются его функциональным назначением, той ролью, которую он играет в слаженно функционирующем техногенном организме, называемом поршневым ДВС. Поршень - это элемент, который воспринимает энергию, выделяющуюся при сгорании заряда топливо-воздушной смеси. Она воздействует на поршень в виде тепла и давления газообразных продуктов. Поэтому первое, что должно отличать поршень - способность продолжительно работать в условиях высоких, циклически меняющихся механических нагрузок и тепловых потоков.

Помимо этого поршень должен вносить свой вклад в обеспечение герметичности надпоршневого пространства, препятствуя прорыву газов в картер и встречному поступлению масла из картера в камеру сгорания. Поршень должен обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей и низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре.

Поршень должен… должен…должен… Перечень того, что поршень должен, можно продолжить, но и упомянутых требований достаточно, чтобы понять, насколько непросто им удовлетворить. Тем более что при этом нужно сделать главную деталь двигателя еще и максимально легкой. В противном случае… Действительно, представим, что будет в противном случае.

Масса поршня - параметр, который опосредованно отражает степень совершенства его конструкции. Для среднестатистического двигателя современного легкового автомобиля он составляет 300-350 г. Допустим, что массу поршня пришлось увеличить граммов эдак на 50. Казалось бы, пустяк. Теперь умножим «привес» на годовую программу производства поршней (обычно это несколько миллионов изделий) и получим несколько «лишних» вагонов стратегического металла. Кстати, металла недешевого. Ведь это только у нас некоторые производители изготавливают поршни из вторсырья. На Западе для этой цели используют только первичные алюминиевые сплавы, иначе невозможно гарантировать качество продукции. К сожалению, это наименьшее из последствий просчетов конструкторов и технологов.

Припомним, что поршень совершает колебательные движения в цилиндре с частотой до 100 раз в секунду. При этом максимальная скорость его перемещения на отрезке пути длиной 70-80 мм достигает 25 м/с, а возникающие тысячекратные перегрузки превращают каждый лишний грамм в несколько килограммов избыточной нагрузки. Нагрузка передается на поршневой палец, шатун, коленчатый вал и, наконец, воспринимается блоком двигателя. Увеличение массы поршня однозначно отражается на массе каждой из этих деталей, тем более что они работают в циклическом режиме, провоцирующем усталостные явления. В результате исходные граммы «на выходе» превращаются в десятки килограммов качественного металла. Еще раз множим на объем производства двигателей, приплюсуем сюда повышение расхода топлива за счет больших потерь на трение и массы мотора, увеличение вредных выбросов в атмосферу, прочие неучтенные последствия. Удручающее «итого» убедительно доказывает, что поршень - действительно наиболее важная деталь двигателя, во многом определяющая его конструкцию, производственные затраты, экономичность и экологичность. Каков же он, поршень?

Геометрия искривленного пространства

На первый взгляд поршень имеет правильную геометрическую форму цилиндра. Однако, если «пройтись по нему» с точным измерительным инструментом, окажется, что это вовсе не так. Практически все «формы» поршня - неправильные. Их «неправильность» обусловлена желанием обеспечить равномерный, минимально возможный зазор между стенкой цилиндра и поршнем по всей его высоте.

Трудность этой задачи состоит в том, что различные части поршня при работе нагреваются крайне неравномерно, а, значит, неодинаково изменяются в размерах. Ситуация еще более усложняется тем, что поршень имеет неравноже-сткую конструкцию, что также влияет на последствия теплового расширения.

Днище поршня - наиболее термически нагруженная его часть. При работе двигателя его температура может достигать 300-350 °С. Поэтому диаметр поршня в области огневого пояса уменьшают на 0,4-0,6 мм относительно диаметра цилиндра.

Температура поршня в зоне уплотнительного пояса ниже. К тому же тепловые потоки, проходящие через первое и второе компрессионные кольца, отличаются в несколько раз. Как следствие, перемычки между кольцами будут иметь разную температуру. Верхняя - более горячая, нижняя - менее.

Чтобы компенсировать их неодинаковое тепловое расширение на работающем моторе, диаметр поршня от днища к юбке постепенно увеличивают. Температура юбки плавно спадает в направлении от ее верхней части (в районе маслосъемного кольца) книзу. Этим обусловливается конический характер ее поверхности. В нижней части юбки обычно устраивают обратный конус. Он позволяет поршню при перекладке в нижней и верхней мертвых точках работать более мягко, без резких ударов. В дополнение к этому при движении поршня вниз обратный конус способствует возникновению гидродинамического эффекта, благодаря которому поршень как бы «всплывает» на масляной пленке.

Плавное увеличение диаметра поршня от днища к нижней части юбки, а также наличие на ней обратного конуса придает ему бочкообразную форму в продольном сечении.

Не менее важное условие работоспособности поршня - особая форма в поперечном сечении, отличная от формы круга. Необходимость такой меры обусловлена наличием бобышек, усилений в месте соединения поршня с поршневым пальцем. Составляющие единое целое с днищем поршня, массивные бобышки нагреваются в большей степени, чем соединяющие их части юбки. Как следствие - диаметр поршня «растет» преимущественно в направлении, совпадающем с осью поршневого пальца. Чтобы компенсировать этот эффект, поршень в поперечном сечении делают овальным. Меньшая ось овала совпадает с осью пальца, а овальность обычно составляет 0,4-0,5 мм. Величина небольшая, но очень важная. Именно она позволяет поршню работать в цилиндре с минимальными зазорами.

Таким образом, форма поршня в холодном состоянии характеризуется бочкообразностью и овальностью. Закономерности «искривленной геометрии» поршней были выявлены достаточно давно. Примерно с 30-х годов их учитывают при конструировании поршней, вначале авиационных, а затем и автомобильных.

«Материальная» часть

Большинство рецептур материалов, применяющихся для изготовления поршней, было разработано еще в 20-х годах. В этом отношении современные поршни недалеко ушли за прошедшие 80 лет. До сих пор они в основным изготавливаются из силумина с процентным содержанием кремния около 12%. Этот сплав был впервые предложен фирмой Mahle, которая внедрила его в массовое производство поршней. В ряде случаев (например, для некоторых дизельных моторов) применяются заэвтектические сплавы алюминия, в которых содержание кремния может достигать 18%. Такие силумины менее пластичны, более капризны в обработке и дороги. В «доалюминиевый» период поршни изготавливались из чугуна.

Силумин оказался очень удачным материалом, сочетающим достаточную прочность с легкостью. Подбор концентрации кремния позволил добиться приемлемого коэффициента теплового расширения, существенно меньшего, чем у чистого алюминия.

Основной способ получения заготовок поршней (практически 99%) - литье, большей частью кокильное. Эта технология отработана буквально до совершенства.

Незначительное количество составляют поршни, заготовки для которых изготавливают методом ковки. Это своего рода эксклюзив, который не применяется на серийных изделиях. Кованые заготовки в силу особой структуры, которую приобретает металл, обладают несколько большей прочностью. Однако это преимущество обычно нивелируется ограничениями по возможной форме заготовки и может быть вовсе сведено к нулю из-за отдельных конструктивных недочетов.

Уважающие себя производители наносят на поверхность поршней различные покрытия. Один из распространенных способов - покрытие поршня оловом (лужение). Реже применяется покрытие свинцом. Слой мягкого металла, толщина которого составляет 5-10 мкм, уменьшает трение и вероятность «прихвата» поршня с образованием задиров в период обкатки двигателя. Ту же функцию он выполняет и на приработанном двигателе в момент пуска, сопровождающегося «масляным голоданием», и при пиковых нагрузках. Убедительное доказательство действенности этой меры - сравнение состояния поршней двигателей классических моделей ВАЗ первых поколений и ВАЗ 2108-21083 . У последних даже при незначительном пробеге на юбке поршней, не имеющих покрытия, обязательно присутствуют задиры. На луженых поршнях «классики» такого явления, как правило, не наблюдалось.

Некоторые производители для уменьшения трения наносят на юбку поршней антифрикционные покрытия, композиции на основе графита, реже - дисульфида молибдена. Толщина слоя покрытия может достигать 15-20 мкм. Обычно поршни с таким покрытием устанавливаются в цилиндр с минимальным зазором. В результате первоначальной приработки покрытие частично стирается и поверхность поршня приобретает форму, максимально соответствующую цилиндру.

Поршни с прирабатываемым покрытием применяются, например, на современных двигателях VAG, Mercedes, BMW, Opel и других. Выпуск таких поршней недавно освоен некоторыми российскими предприятиями для моторов отечественного производства.

Короче, еще короче…

В последние 20-30 лет все разработчики двигателей вслед за первопроходцами, японскими конструкторами, двигались примерно в одном направлении и достигли сходных результатов. Поэтому сейчас, взяв в руки поршень, непросто определить, где и для какого мотора он произведен. В то время как десяток-другой лет тому назад отличить, например, японское изделие от американского было проще простого.

Отметим некоторые этапы эволюции поршней. Одна из основных геометрических характеристик поршня - компрессионная высота. Она определяется расстоянием от его днища до оси поршневого пальца. С начала 80-х годов наметилась устойчивая тенденция к уменьшению компрессионной высоты поршня. Это позволяет снизить его массу за счет уменьшения размеров бобышек и высоты уплотнительного пояса.

Известны примеры, когда компрессионную высоту поршня удавалось уменьшить до 24 мм. И это при наличии трех колец. Для сравнения: данный параметр у ВАЗовских поршней составляет 38 мм, а у поршней автомобилей ГАЗ выпуска прошлых лет - аж 52 мм! Уменьшение компрессионной высоты поршней стало возможным во многом благодаря переходу на более тонкие кольца.

Процесс наблюдался повсеместно на протяжении 90-х годов. Если ранее в порядке вещей считался комплект колец размерностью 2-2 -4 мм, то сейчас обычным делом становятся наборы порядка 1,2-1,5 -2 мм. Это результат достижений в области технологии. Тонкие кольца обеспечивают меньшие потери на трение, более податливы, быстрее и точнее прирабатываются, а потому обладают лучшими уплотнительными свойствами и, как ни странно, лучше отводят тепло.

Снижение компрессионной высоты повлекло за собой уменьшение размеров юбки поршня. Для центрирования укороченного поршня высокая юбка стала просто излишней. В результате общая высота поршня по отношению к моторам разработки 70-х годов сократилась почти вдвое: с 80-90 мм до 50-55 мм. Уменьшение размеров поршня повлекло снижение его массы, которое составило 30-40 %. К каким последствиям это приводит, мы уже упоминали. В частности, это позволило облегчить поршневой палец, уменьшив его диаметр.

На современных двигателях применяются пальцы диаметром 17-20 мм, в то время как еще недавно нормой считалось 22-26 мм.

Внедрение многоклапанных моторов также наложило свой отпечаток на конструкцию современного поршня. Повышение их литровой мощности и быстроходности привело к росту тепловых и механических нагрузок на поршень. Поскольку давление на поршень в конечном итоге воспринимается юбкой, возникла задача ее упрочнения. Эффективным способом стало устройство вертикальных ребер жесткости, соединяющих юбку с бобышками. Ребра образуются в результате удаления излишка материала снаружи поршня в районе бобышек. Боковые выборки получили несколько странное название «холодильники». У многих поршней современных моторов они очень большие и глубокие. Глубокие холодильники предполагают уменьшение расстояния между бобышками, а значит, применение короткого пальца и легкого шатуна с узкой верхней головкой.

Достигнутое этим радикальное повышение жесткости юбки позволило постепенно отказаться от прочих способов, применявшихся ранее для компенсации ее теплового расширения. Из конструкции поршня исчезли термокомпенсирующие пазы и стальные пластины. Последние вставлялись в поршень при отливке и работали совместно с юбкой как биметалл, сдерживая ее расширение при нагреве.

Глубокие холодильники и отсутствие термокомпенсации радикально изменили картину теплового расширения поршня. Узкая и более жесткая юбка стала более чувствительной к температурным воздействиям. Для обеспечения работоспособности поршня потребовалось увеличить диаметральные зазоры и ужесточить требования к технологии его производства. Большие зазоры приводят к повышению шумности работы двигателя, что критично для серийного автомобиля. Приходится очень точно подбирать профиль юбки и материал поршня. Добавлением легирующих элементов и подбором технологических режимов литья удается получить материалы с минимальным коэффициентом теплового расширения. Но это тот случай, когда «игра стоит свеч». Благодаря уменьшению размеров и массы поршней удалось значительно снизить механические потери в ЦПГ, которые, как известно, составляют около половины всех потерь в двигателе.

Применение легких поршней с короткой и узкой юбкой существенно сокращает потери на трение, значит, способствует повышению мощности при уменьшении расхода топлива и токсичности.

Очень важный момент - обеспечение эффективной смазки. Раньше основной задачей считался съем масла маслосъемным кольцом. Для его удаления в канавке маслосъемного кольца устраивались отверстия. На нагруженных моторах возникает обратная задача - обеспечения смазки мест контакта юбки с цилиндром при движении поршня вверх. Если этого не делать, не избежать повышенного трения и задиров на юбке, особенно на ее ненагруженной стороне.

Проблема решалась разными способами: устройством отверстий для смазки в зоне маслосъемного кольца, профилированных канавок под маслосъемным кольцом для сохранения в них нужного количества масла. Потребовалось принять дополнительные меры по отводу тепла от поршня. Один из часто применяемых способов - использование форсунок, разбрызгивающих масло на днище поршня. Кстати, такая конструкция применяется в 16-клапанных моторах ВАЗ.

На дизельных моторах с наддувом иногда применяют еще более сложные способы борьбы с перегревом поршней. Точно настроенная форсунка подает масло в кольцевую полость, выполненную в теле поршня в районе уплотнительного пояса.

Поршни спортивных моторов несут в себе аналогичные черты, но они выражены еще ярче. Ведь большая мощность означает большие тепловые и механические нагрузки. Методы обеспечения работоспособности поршней те же, а потому и конструктив сегодня практически идентичен. Небольшие отличия - одно компрессионное кольцо вместо двух и еще более короткая юбка. Так удается достичь существенного уменьшения потерь на трение, особенно на высоких оборотах. Известны и некоторые серийные моторы с поршнями подобной конструкции.

Таким образом, поршень современного автомобильного двигателя - сложное техническое изделие, аккумулирующее в себе большое количество знаний из различных областей науки и техники. Конструкция поршня жестко связана с особенностями двигателя, в котором он работает. Бездумный, необоснованный выбор поршня может оказаться не просто неоправданным, например, с технологической или экономической точек зрения, но и нанести серьезный вред работоспособности мотора.

И такие примеры, к сожалению, известны. Вследствие предельно оптимизированной конструкции современные поршни обладают меньшим запасом прочности (во многих смыслах), а потому более требовательны к соблюдению расчетных условий эксплуатации. Повышенные нагрузки, ухудшение условий теплосъема, некачественная смазка могут резко сократить их ресурс._______

Взгляд на поршень со стороны (фото16). Опуская подробности внутреннего устройства поршня, взглянем на него снаружи.

Верхняя часть поршня, представляющего собой «стакан наоборот», называется днищем. Вместе с прилегающей к нему боковой поверхностью, ограниченной канавкой верхнего компрессионного кольца, оно составляет так называемый огневой пояс. Огневой пояс принимает на себя механическую и тепловую нагрузки, возникающие при сгорании смеси.

Область, в которой расположены поршневые кольца, принято называть уплотнительным поясом. Как следует из названия, его задача - уплотнение подвижного места контакта поршня со стенками цилиндра. Уплотнительный пояс должен препятствовать прорыву продуктов сгорания в картер двигателя и попаданию масла в камеру сгорания. Но не только.

Не менее важная функция уплотнительного пояса - отвод тепла, проникающего в тело поршня через поверхности огневого пояса. Трудно поверить, но именно через поршневые кольца в стенку цилиндра и далее - в рубашку охлаждения блока сбрасывается более 80% теплового потока. При этом на долю верхнего компрессионного кольца приходится примерно 60%, второе отводит около 20%. Процессы уплотнения и охлаждения тесно взаимосвязаны.

Хорошее уплотнение означает эффективный теплоотвод. Напротив, нарушение уплотнения (износ и поломка колец или перемычек между ними) приводит к ухудшению охлаждения поршня и, в конечном счете, к его прогару.

Ниже уплотнительного расположен направляющий пояс поршня, образованный, в основном, внешней поверхностью юбки. Он служит для центровки поршня при его перемещении в цилиндре. При нарушении формы или износе уплотнительного пояса центровка нарушается. Если зазоры велики, во время перекладки поршня в мертвых точках его верхняя часть может соударяться со стенкой цилиндра, что сопровождается характерными стуками в двигателе и грозит серьезными последствиями: ускоренным износом стенки цилиндра, нарушением работы колец и поломкой поршня.