Поршневая группа
Поршневая группа образует подвижную стенку рабочего объема цилиндра. Именно перемещение этой «стенки», т. е. поршня, является показателем работы, выполненной сгоревшими и расширяющимися газами.
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма включает в себя поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец и фиксирующие его детали. Иногда поршневую группу рассматривают вместе с цилиндром, и называют цилиндропоршневой группой.
Поршень
Требования, предъявляемые к конструкции поршня
Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через поршневой палец шатуну. При этом он совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Условия, в которых работает поршень:
- высокое давление газов (3,5…5,5 МПа для бензиновых, и 6,0…15,0 МПа для дизельных двигателей);
- контакт с горячими газами (до 2600 ˚С );
- движение с переменой направления и скорости.
Возвратно-поступательное движение поршня вызывает значительные инерционные нагрузки в зонах прохода мертвых точек, где поршень изменяет направление движения на противоположное. Инерционные силы зависят от скорости перемещения поршня и его массы.
Поршень воспринимает значительные усилия: более 40 кН в бензиновых двигателях, и 20 кН – в дизелях. Контакт с горячими газами вызывает нагрев центральной части поршня до температуры 300…350 ˚С . Сильный нагрев поршня опасен возможностью заклинивания в цилиндре из-за температурного расширения, и даже прогоранием днища поршня.
Перемещение поршня сопровождается повышенным трением и, как следствие, изнашиванием его поверхности и поверхности цилиндра (гильзы). Во время движения поршня от верхней мертвой точки к нижней и обратно сила давления поверхности поршня на поверхность цилиндра (гильзы) изменяется и по величине, и по направлению в зависимости от такта, протекающего в цилиндре.
Максимальное давление поршень оказывает на стенку цилиндра при такте рабочего хода, в момент, когда шатун начинает отклоняться от оси поршня. При этом сила давления газов, передаваемая поршнем шатуну, вызывает реактивную силу в поршневом пальце, который в данном случае является цилиндрическим шарниром. Эта реакция направлена от поршневого пальца вдоль линии шатуна, и может быть разложена на две составляющие – одна направлена вдоль оси поршня, вторая (боковая сила) перпендикулярна ей и направлена по нормали к поверхности цилиндра.
Именно эта (боковая) сила и вызывает значительное трение между поверхностями поршня и цилиндра (гильзы), приводящее к их износу, дополнительному нагреву деталей и снижению КПД из-за потерь энергии.
Попытки уменьшить силы трения между поршнем и стенками цилиндра осложняются тем, что между цилиндром и поршнем необходим минимальный зазор, обеспечивающий полную герметизацию рабочей полости с целью не допустить прорыв газов, а также попадание масла в рабочее пространство цилиндра. Величина зазора между поршнем и поверхностью цилиндра лимитируется тепловым расширением деталей. Если его сделать слишком малым, в соответствии с требованиями герметичности, то возможно заклинивание поршня в цилиндре из-за теплового расширения.
При изменении направления движения поршня и процессов (тактов), протекающих в цилиндре, сила трения поршня о стенки цилиндра меняет характер – поршень прижимается к противоположной стенке цилиндра, при этом в зоне перехода мертвых точек поршень совершает удары по цилиндру из-за резкого изменения величины и направления нагрузки.
Конструкторам, при разработке двигателей, приходится решать комплекс проблем, связанных с описанными выше условиями работы деталей цилиндропоршневой группы:
- высокими тепловыми нагрузками, вызывающими температурное расширение и коррозию металлов деталей КШМ;
- колоссальным давлением и инерционными нагрузками, способным разрушить детали и их соединения;
- значительными силами трения, вызывающими дополнительный нагрев, износ и потери энергии.
Исходя из этого, к конструкции поршня предъявляются следующие требования:
- достаточная жесткость, позволяющая выдерживать силовые нагрузки;
- тепловая стойкость и минимальные температурные деформации;
- минимальная масса для снижения инерционных нагрузок, при этом масса поршней в многоцилиндровых двигателях должна быть одинаковой;
- обеспечение высокой степени герметизации рабочей полости цилиндра;
- минимальное трение о стенки цилиндров;
- высокая долговечность, поскольку замена поршней связана с трудоемкими ремонтными операциями.
Особенности конструкции поршня
Поршни современных автомобильных двигателей имеют сложную пространственную форму, которая обусловлена различными факторами и условиями, в которых работает эта ответственная деталь. Многие элементы и особенности формы поршня не заметны невооруженным глазом, поскольку отклонения от цилиндричности и симметрии минимальны, тем не менее, они присутствуют.
Рассмотрим подробнее – как устроен поршень двигателя внутреннего сгорания, и на какие хитрости приходится идти конструкторам, чтобы обеспечить выполнение требований, изложенных выше.
Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из верхней части – головки и нижней – юбки.
Верхняя часть головки поршня – днище непосредственно воспринимает усилия со стороны рабочих газов. В бензиновых двигателях днище поршня обычно делают плоским. В поршневых днищах дизелей часто выполняют камеру сгорания.
Днище поршня представляет собой массивный диск, который соединяется с помощью ребер или стоек с приливами, имеющими отверстия для поршневого пальца – бобышками. Внутренняя поверхность поршня выполняется в виде арки, что обеспечивает необходимую жесткость и теплоотвод.
На боковой поверхности поршня прорезаны канавки для поршневых колец. Число поршневых колец зависит от давления газов и средней скорости перемещения поршня (т. е. частоты вращения коленчатого вала двигателя) – чем меньше средняя скорость поршня, тем больше требуется колец.
В современных двигателях, наряду с ростом частоты вращения коленчатого вала, наблюдается тенденция к сокращению числа компрессионных колец на поршнях. Это обусловлено необходимостью уменьшения массы поршня с целью снижения инерционных нагрузок, а также уменьшения сил трения, отнимающих существенную долю мощности двигателя. При этом возможность прорыва газов в картер высокооборотистого двигателя считается менее актуальной проблемой. Поэтому в двигателях современных легковых и гоночных автомобилей можно встретить конструкции с одним компрессионным кольцом на поршне, а сами поршни имеют укороченную юбку.
Кроме компрессионных колец на поршне устанавливают одно или два маслосъемных кольца. Канавки, выполненные в поршне под маслосъемные кольца, имеют дренажные отверстия для отвода моторного масла во внутреннюю полость поршня при снятии его кольцом с поверхности цилиндра (гильзы). Это масло обычно используется для охлаждения внутренней поверхности днища и юбки поршня, а затем стекает в поддон картера.
Форма днища поршня зависит от типа двигателя, способа смесеобразования и формы камеры сгорания. Наиболее распространена плоская форма днища, хотя встречаются выпуклая и вогнутая. В некоторых случаях в днище поршня выполняют углубления для тарелок клапанов при расположении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Как упоминалось выше, в днищах поршней дизельных двигателей нередко выполняют камеры сгорания, форма которых может различной.
Нижняя часть поршня – юбка направляет поршень в прямолинейном движении, при этом она передает стенке цилиндра боковое усилие, величина которого зависит от положения поршня и процессов, протекающих в рабочей полости цилиндра. Величина бокового усилия, передаваемого юбкой поршня, значительно меньше максимального усилия, воспринимаемого днищем со стороны газов, поэтому юбка выполняется относительно тонкостенной.
В нижней части юбки у дизелей часто устанавливают второе маслосъемное кольцо, что позволяет улучшить смазывание цилиндра и уменьшить вероятность попадания масла в рабочую полость цилиндра. Для уменьшения массы поршня и сил трения ненагруженные части юбки срезают по диаметру и укорачивают по высоте. Внутри юбки обычно выполняются технологические приливы, которые используются для подгонки поршней по массе.
Конструкция и размеры поршней зависят главным образом от быстроходности двигателя, а также от величины и скорости нарастания давления газов. Так, поршни быстроходных бензиновых двигателей максимально облегчены, а поршни дизелей имеют более массивную и жесткую конструкцию.
В момент перехода поршня через ВМТ изменяется направление действия боковой силы, которая является одной из составляющих силы давления газов на поршень. В результате поршень перемещается от одной стенки цилиндра к другой – происходит перекладка поршня. Это вызывает удар поршня о стенку цилиндра, сопровождающийся характерным стуком. Чтобы уменьшить это вредное явление поршневые пальцы смещают на 2…3
мм в сторону действия максимальной боковой силы; при этом боковая сила давления поршня на цилиндр значительно уменьшается. Такое смещение поршневого пальца называется дезаксажем
.
Применение в конструкции поршня дезаксажа требует соблюдения правил монтажа КШМ - поршень должен устанавливаться строго по меткам, указывающим, где передняя часть (обычно это стрелка на днище).
Оригинальное решение, призванное снизить воздействие боковой силы, применили конструкторы двигателей фирмы "Фольксваген". Днище поршня в таких двигателях выполнено не под прямым углом к оси цилиндра, а немного скошено. По мнению конструкторов, это позволяет оптимальнее распределить нагрузку на поршень, и улучшить процесс смесеобразования в цилиндре при тактах впуска и сжатия.
Для того, чтобы удовлетворить противоречивые требования герметичности рабочей полости, предполагающие наличие минимальных зазоров между юбкой поршня и цилиндром, и предотвращения заклинивания детали в результате теплового расширения, в форме поршня применяют следующие конструктивные элементы:
- уменьшение жесткости юбки за счет специальных прорезей, компенсирующих ее тепловое расширение и улучшающих охлаждение нижней части поршня. Прорези выполняют на той стороне юбки, которая наименее нагружена боковыми силами, прижимающими поршень к цилиндру;
- принудительное ограничение теплового расширения юбки вставками из материалов с меньшим, чем у основного металла, коэффициентом температурного расширения;
- придание юбке поршня такой формы, чтобы в нагруженном состоянии и при рабочей температуре она приняла форму правильного цилиндра.
Последнее условие выполнить непросто, поскольку поршень нагревается по всему объему неравномерно и имеет сложную пространственную форму – в верхней части его форма симметрична, а в районе бобышек и на нижней части юбки имеются ассиметричные элементы. Все это приводит к неодинаковой температурной деформации отдельных участков поршня при его нагреве во время работы.
По этим причинам в конструкции поршня современных автомобильных двигателей обычно выполняют следующие элементы, усложняющие его форму:
- днище поршня имеет меньший диаметр по сравнению с юбкой и наиболее приближено в поперечном сечении к правильной окружности.
Меньший диаметр сечения днища поршня связан с его высокой рабочей температурой и, как следствие, с большим тепловым расширением, чем в районе юбки. Поэтому поршень современного двигателя в продольном сечении имеет слегка коническую или бочкообразную форму, зауженную к днищу.
Уменьшение диаметра в верхнем поясе конической юбки для поршней из алюминиевого сплава составляет 0,0003…0,0005D , где D – диаметр цилиндра. При нагреве до рабочих температур форма поршня по длине «выравнивается» до правильного цилиндра. - в районе бобышек поршень имеет меньшие поперечные габариты, поскольку здесь сосредоточены массивы металла, и тепловое расширение больше. Поэтому поршень ниже днища имеет в поперечном сечении овальную или эллиптическую форму, которая при нагреве детали до рабочих температур приближается к форме правильной окружности, а поршень по форме приближается к правильному цилиндру.
Большая ось овала располагается в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Величина овальности колеблется от 0,182 до 0,8 мм .
Очевидно, что на все эти ухищрения конструкторам приходится идти, чтобы придать поршню в нагретом до рабочих температур состоянии правильную цилиндрическую форму, обеспечив тем самым минимальный зазор между ним и цилиндром.
Наиболее эффективным способом предотвращения заклинивания поршня в цилиндре вследствие его теплового расширения при минимальном зазоре является принудительное охлаждение юбки и вставка в юбку поршня элементов из металла, имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Чаще всего применяются вставки из малоуглеродистой стали в виде поперечных пластин, которые при отливке поршня помещаются в зону бобышек. В некоторых случаях вместо пластин применяются кольца или полукольца, заливаемые в верхнем поясе юбки поршня.
Температура днища алюминиевых поршней не должна превышать 320…350 ˚С . Поэтому для увеличения теплоотвода переход от днища поршня к стенкам делают плавным (в виде арки) и достаточно массивным. Для более эффективного теплоотвода от днища поршня применяют его принудительное охлаждение, брызгая на внутреннюю поверхность днища моторное масло из специальной форсунки. Обычно функцию такой форсунки выполняет специальное калиброванное отверстие, выполненное в верхней головке шатуна. Иногда форсунка устанавливается на корпусе двигателя в нижней части цилиндра.
Для обеспечения нормального теплового режима верхнего компрессионного кольца его располагают значительно ниже кромки днища, образуя так называемый жаровой или огневой пояс. Наиболее изнашиваемые торцы канавки под поршневые кольца часто усиливают специальными вставками из износостойкого материала.
В качестве материала для изготовления поршней широко применяют алюминиевые сплавы, основным достоинством которых является небольшая масса и хорошая теплопроводность. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести невысокую усталостную прочность, большой коэффициент температурного расширения, недостаточную износостойкость и сравнительно высокую стоимость.
В состав сплавов кроме алюминия входят кремний (11…25% ) и добавки натрия, азота, фосфора, никеля, хрома, магния и меди. Отлитые или отштампованные заготовки подвергают механической и термической обработке.
Значительно реже в качестве материала для поршней используют чугун, поскольку этот металл значительно дешевле и прочнее алюминия. Но, несмотря на высокую прочность и износостойкость, чугун обладает сравнительно большой массой, что приводит к появлению значительных инерционных нагрузок, особенно при изменении направления движения поршня. Поэтому для изготовления поршней быстроходных двигателей чугун не применяется.
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.
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.
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.
Работа поршневых двигателей внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов при расширении их вслед-ствие нагрева внутри цилиндра. Нагреваются газы от сгорания в цилиндре жидкого или газообразного топлива, перемешанного с воздухом, причем с целью лучшего перемешивания жидкого топлива с воздухом его тщательно распыляют и по возможности испаряют.
Газы, нагревшиеся при этом, стремясь расшириться, давят на стенки камеры сгорания и цилиндра, а также на днище поршня. Поршень под действием давления газов движется к н.м.т. и через шатун передает воспринимаемое им давление газов коленчатому валу, сообщая последнему вращательное движение.
Так в цилиндре двигателя происходят два основных процесса: сгорание смеси и расширение продуктов сгорания, вследствие чего химическая энергия топлива превращается в тепловую, затем частич-но в механическую энергию. Для обеспечения непрерывной работы двигателя в его цилиндры должны периодически поступать все новые и новые порции воздуха и топлива, а продукты сгорания соответственно удаляться. Для этого в конструкции двигателя пре-дусматривают механизмы, позволяющие осуществлять вспомога-тельные процессы, связанные со сменой рабочего тела в цилиндрах.
В двигателе (см. рис. 1) впуск смеси воздуха с топливом и выпуск отработавших газов, т. е. смена рабочего тела в цилиндре, осущест-вляется с помощью клапанов , управляемых специальным механизмом газораспределения, кинематически связанным с колен-чатым валом. Совместная работа кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения позволяют осуществлять необхо-димую для непрерывного действия двигателей последовательность в чередовании комплекса основных и вспомогательных процессов в каждом цилиндре.
Совокупность последовательных процессов, периодически повто-ряющихся в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих непрерывную его работу, называется рабочим циклом.
Рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. В двигателе рабочий цикл может быть осуществлен по следующей широко применяемой схеме:
1. В процессе впуска поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т., а освобождающая надпоршневая полость цилиндра заполняется смесью воздуха с топливом, называемой горючей смесью. Горючая смесь поступает (засасывается) в цилиндр двигателя через открываю-щийся к этому времени клапан.
Горючая смесь и продукты сгорания, всегда остающиеся в объе-ме камеры сжатия от предыдущего цикла, смешиваясь между собой, образуют рабочую смесь. Тщательно приготовленная рабочая смесь повышает эффективность сгорания топлива, поэтому ее подготовке уделяется большое внимание во всех типах поршневых двигателей.
Количество горючей смеси, поступающее в цилиндр за один рабочий цикл, называется свежим зарядом, а продукты сгорания, остающиеся в цилиндре к моменту поступления в него свежего заряда — остаточными газами.
Чтобы повысить эффективность работы двигателя, стремятся увеличить абсолютную величину свежего заряда и его весовую долю в рабочей смеси.
2. В процессе сжатия оба клапана закрыты и поршень, перемещаясь от н.м.т. кв.м.т. и уменьшая объем надпоршневой полости, сжимает рабочую смесь (в общем случае рабочее тело). Сжатие рабочего тела ускоряет процесс сгорания и этим предопределяет возможную полноту использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива в цилиндре.
Двигатели внутреннего сгорания строятся с возможно большей степенью сжатия, которая в случаях принудительного зажигания смеси достигает значения 10—12, а при использовании принципа самовоспламенения топлива выбирается в пределах 14—22.
3. В процессе сгорания происходит окисление топлива кислородом воздуха, входящего в состав рабочей смеси, вследствие чего давление в надпоршневой полости резко возрастает.
В рассматриваемой схеме рабочая смесь в нужный момент вбли-зи в.м.т. поджигается от постороннего источника с помощью электрической искры высокого напряжения (порядка 15 кв). Для подачи искры в цилиндр служит свеча зажигания , которая ввер-тывается в головку цилиндра.
Для двигателей с воспламенением топлива от тепла, выде-ляющегося от предварительно сжатого воздуха, запальная свеча не нужна. Такие двигатели снабжаются специальной форсункой, через которую в нужный момент в цилиндр впрыскивается топливо под давлением в 100÷300 кГ/см 2 (≈ 10—30 Мн/м 2) и более.
4. В процессе расширения раскаленные газы, стремясь расши-риться, перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т. Совершается рабочий ход поршня, который через шатун передает давление на ша-тунную шейку коленчатого вала и проворачивает его.
5. В процессе выпуска поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через второй открывающийся к этому времени клапан, выталки-вает отработавшие газы из цилиндра. Продукты сгорания остаются только в объеме камеры сгорания, откуда их нельзя вытеснить поршнем. Непрерывность работы двигателя обеспечивается после-дующим повторением рабочих циклов.
Процессы, связанные с подготовкой рабочей смеси к сжиганию ее в цилиндре, а также освобождением цилиндра от продуктов сгора-ния, в одноцилиндровых двигателях осуществляются движением поршня за счет энергии маховика, которую он накапливает в про-цессе рабочего хода.
В многоцилиндровых двигателях вспомогательные ходы каж-дого из цилиндров выполняются за счет работы других (соседних) цилиндров. Поэтому эти двигатели в принципе могут работать без маховика.
Для удобства изучения рабочий цикл различных двигателей расчленяют на процессы или, наоборот, группируют процессы рабо-чего цикла с учетом положения поршня относительно мертвых точек в цилиндре. Это позволяет все процессы в поршневых двигателях рассматривать в зависимости от перемещения поршня, что более удобно.
Часть рабочего цикла, осуществляемая в интервале перемещения поршня между двумя смежными мертвыми точками, называется тактом.
Такту, а следовательно, и соответствующему ходу поршня присваивается название процесса, который является основным при данном перемещении поршня между двумя его мертвыми точками (положениями).
В двигателе каждому такту (ходу поршня) соответствуют, например, вполне определенные основные для них процессы: впуск, сжатие, расширение, выпуск. Поэтому в таких двигателях различают такты: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Каждое из этих четырех названий соответственно при-сваивается ходам поршня.
В любых поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл складывается из рассмотренных выше пяти процессов по ра-зобранной выше схеме за четыре хода поршня или всего за два хода поршня. В соответствии с этим поршневые двигатели подразделяют на двух- и четырехтактные.
Особенности протекания рабочих циклов в различных двух- и четырехтактных двигателях будут подробно рассмотрены после ознакомления с применяемыми в них топливами и принципами приготовления рабочей смеси.
Поршень -- деталь, предназначенная для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом. Служит также для выполнения вспомогательных тактов по очистке и наполнению цилиндра. Как правило, оснащён поршневыми кольцами для улучшения герметичности системы цилиндр - поршень. Поршни бывают составными и несоставными.
Поршень подразделяется на две части: головку и направляющая часть (юбка). В головку входят днище, камера сгорания и канавки для колец. В юбке есть две бабышки для отверстия под палец.
Рис. 2. Шатунко-поршневая группа:
а -- поршень; б -- поршневые кольца; в -- шатун; 1 -- юбка поршня; 2 -- бобышки; 3 -- стопорные кольца; 4 -- головка поршня; 5 -- днище; 6 --канавки для установки поршневых колец; 7 -- поршневой палец; 8 -- компрессионные кольца; 9 -- маслосъемное кольцо; 10 -- нижняя крышка шатуна; 11 -- вкладыши; 12 -- бронзовая втулка; 13 -- отверстие для смазкн поршневого пальца; 14 верхняя головка шатуна; 15 -- стержень
Кольца бывают двух видов: компрессионные, служащие для исключения утечки газа из надпоршневого пространства и маслосъемные, предназначенные для удаления масла со стенок цилиндров.
Поршневой палец, служащий для шарнирного соединения поршня с шатуном, изготовляется пустотелым из стали с поверхностной закалкой токами высокой частоты. От продольного перемещения, что могло бы вызвать задиры на стенках цилиндров, палец удерживается в бобышках поршня при помощи двух стопорных колец, вставляемых в кольцевые выточки. Пальцы бывают закрепленными и незакрепленными.
Шатун предназначен для соединения поршня с коленчатым валом через палец. Совершает сложное качательное движение. Состоит из трех частей: верхняя головка шатуна, стержень, нижняя головка с крышкой для крепления на коленчатый вал.
Форма днища зависит от выполняемой поршнем функции. К примеру, в двигателях внутреннего сгорания форма зависит от расположения свечей, форсунок, клапанов, конструкции двигателя и других факторов. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложение нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания. В некоторых двухтактных двигателях днище поршня выполняется в виде выступа-отражателя для направленного движения продуктов сгорания при продувке. Расстояние от днища поршня до канавки первого компрессионного кольца называют огневым поясом поршня. В зависимости от материала, из которого сделан поршень, огневой пояс имеет минимально допустимую высоту, уменьшение которой может привести к прогару поршня вдоль наружной стенки, а также разрушению посадочного места верхнего компрессионного кольца.
Функции уплотнения, выполняемые поршневой группой, имеют большое значение для нормальной работы поршневых двигателей. О техническом состоянии двигателя судят по уплотняющей способности поршневой группы. Например, в автомобильных двигателях не допускается, чтобы расход масла из-за угара его вследствие избыточного проникновения (подсоса) в камеру сгорания превышал 3% от расхода топлива. При выгорании масла наблюдается повышенная дымность отработавших газов и двигатели снимаются с эксплуатации вне зависимости от удовлетворительности мощностных и других его показателей
Головка поршня образуется днищем и уплотняющей частью. В уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца. В некоторых конструкциях поршней из алюминиевых сплавов в его головку залит ободок из коррозионностойкого чугуна (нирезиста), в котором прорезана канавка для верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца. Благодаря нирезистовой вставки под верхнем поршневым кольцом значительно увеличивается износостойкость поршня. Кольцевые каналы для маслосъемных колец выполняются со сквозными отверстиями, через которые масло, снятое с зеркала цилиндра, поступает внутрь поршня и стекает в поддон картера двигателя.
Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Так как масса поршня у приливов оказывается большей, чем в других частях юбки, температурные деформации при нагреве в плоскости бобышек также будут наибольшими. Для снижения температурных напряжений поршня с двух сторон, где расположены бобышки, с поверхности юбки, удаляют металл на глубину 0,5-1,5 мм. Эти углубления, улучшающие смазывание поршня в цилиндре и препятствующие образованию задиров от температурных деформаций, называются «холодильниками». В нижней части юбки также может располагаться маслосъемное кольцо. поршень двигатель внутренний сгорание
Материалы
К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования:
Высокая механическая прочность;
Малая плотность;
Хорошая теплопроводность;
Малый коэффициент линейного расширения;
Высокая коррозионная стойкость;
Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы.
Достоинства:
Поршни из чугуна прочны и износостойки.
Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра.
Недостатки:
Чугун имеет довольно большой удельный вес. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня.
Чугун имеет низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350--400 °C. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения калильного зажигания.
Алюминий
Достоинства алюминиевых поршней:
Малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
Высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая
Нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;
Хорошие антифрикционные свойства.
Принцип работы.
Впуск -- поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Открыто впускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разрежение 0,075 - 0,085 МПа, а температура смеси находится в пределах 90 -125° С. Цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие -- поршень движется от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к концу такта со ответственно достигают величин 1,0...1,2 МПа и 350. 450° С. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом.
Рабочий ход (сгорание и расширение) -- сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой. Поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Давление газов достигает величины 3,5...4,0 МПа, а температура доходит до 2000° С.
Поршень - деталь поршневой группы двигателя, находящаяся внутри цилиндра. При помощи шатуна поршень соединен с коленчатым валом. Конструкция спроектирована таким образом, что поршень во время работы двигателя постоянно совершает возвратно-поступательное движение, преобразуя энергию расширяющихся при сгорании газов во вращение коленчатого вала.
Устройство поршня
Поршень состоит из трех частей, хотя и выполняется из единой заготовки: днища, уплотняющей части и юбки. К поршень присоединяется при помощи шатуна. Поршень надевается на шатун и , продетым сквозь деталь. Форма днища поршня двигателя внутреннего сгорания никогда не бывает плоской. В зависимости от конструкции днище может иметь сложную конфигурацию. Сверху над днищем могут быть расположены свечи, форсунки и клапаны.Расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца называется огневым поясом поршня
Чаще всего в днище поршня можно видеть углубления, предназначенные для того, чтобы не соприкасались с поверхностью поршня. Углубления, как правило, имеют большую глубину с одного края, так как расположенные над ними клапаны установлены под углом. В целом, как правило, общую форму днища делают вогнутой. Это обусловлено тем, что поршень, поднимаясь вверх, является одновременно , а для оптимального распространения пламени вогнутое днище подходит как нельзя лучше. У этой формы есть и свои недостатки - в нижней части впадины быстрее отлагается нагар.
Расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца называется огневым поясом поршня. Поскольку поршень работает в условии экстремально высоких температур, огневой пояс имеет строго просчитанную высоту, которая зависит еще и от материала, из которого выполнен поршень. Снижение высоты ниже определенного предела может привести к преждевременному прогоранию поршня.
В прошлом поршень выполнялся из стали целиком, но в современных двигателях нередко применяются облегченные поршни из алюминиевых сплавов
Поршень - высокоточная деталь, так как одна из его задач - служить основой для компрессионных колец, уплотняющих камеру сгорания в момент сжатия. Со временем поршень изнашивается и обгорает, что приводит к снижению уплотнения - раскаленные газы начинают просачиваться между телом поршня и кольцом, и попадают в картер, а из картера в камеру сгорания просачивается масло.Из этого следует, что может служить признаком износа поршней. Кроме того, об этом можно судить по появлению дыма в потоке выхлопных газов - дым образуется в результате сгорания попадающего в пространство над поршнем масла.
Поршень и поршневые кольца
Сочетание днища и уплотняющей части (служащей основой для колец) называется головкой поршня. В прошлом поршень выполнялся из стали целиком, но в современных двигателях нередко применяются облегченные поршни из алюминиевых сплавов. Алюминий уступает стали в прочности, поэтому для создания основы для верхнего компрессионного кольца его снабжают ободком из обладающего высокими антикорозионными и прочностными свойствами чугуна. В чугунном ободке, вплавленном в тело поршня, нарезают канавку, в которое и вставляется . Этот вид чугуна называется нирезистом.В нижней части головки расположены каналы для маслосъемных колец. Их нарезают на станке и снабжают сквозными отверстиями, через которое снятое с зеркала цилиндра масло по внутренней стенке поршня стекает в поддон картера блока цилиндров.
Поршневой палец
Юбка или направляющая часть поршня снабжена двумя приливами, или бобышками, в которых проделаны отверстия . Поскольку в месте расположения бобышек поршень имеет наибольшую толщину, в нем чаще всего возникают деформации под воздействием температуры. Для того, чтобы избежать риска деформации, часть метала с бобышек срезают на фрезеровочном станке. Служащие для охлаждения и повышающие интенсивность смазывания поршня углубления именуются на техническом сленге «холодильниками».