Строение поршня

Поршень двигателя: строение, принцип работы, неисправности

Поршень двигателя – это деталь цилиндрической формы, которая служит для преобразования энергии сжатой воздушно-топливной смести в энергию поступательного движения. Далее эта энергия при помощи шатунов и коленчатого вала преобразуется в крутящий момент.

Стандартный поршень двигателя состоит из 3 основных частей:

Днища: служит для восприятия тепловой нагрузки и газовых сил
Уплотняющей части: передает большую часть тепла от поршня к цилиндру и препятствует прорыву газов
Направляющей части: поддерживает положение поршня и передает боковую силу на стенку цилиндра

Рассмотрим подробнее каждую из этих частей.

Форма днища зависит от многих факторов: типа двигателя и смесеобразования, расположения форсунок, свечей и клапанов, метода организации газообмена в цилиндре.

Поршни с выпуклым днищем обладают повышенной прочностью, но камера сгорания при этом имеет линзовидную форму, а теплоотдача выше. В двигателях искрового типа увеличение теплоотдачи позволяет повысить допустимую степень сжатия, что способствует некоторой компенсации механических потерь.

Поршни с вогнутым днищем, напротив, образуют компактную форму камеры сгорания. Они используются в дизельных двигателях, а также в бензиновых агрегатах с высокой степенью сжатия и низким потреблением топлива. Такие детали более склонны к образованию нагара.

Поршни с плоским днищем проще в производстве. Они используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет большую толщину. Чем оно толще, тем больше масса самого поршня, но меньше нагрев. Стандартная толщина днища составляет 7-9 мм, в турбомоторах – 11 мм, а в дизельных двигателях – 10-16 мм. Существуют также поршни, толщина днища которых меньше стандартной – 5,5-6 мм. Такие применяются, к примеру, в некоторых моделях автомобилей Honda.

Для увеличения прочности, а также снижения вероятности перегрева и прогорания на некоторых видах поршней днище и первая канавка, предназначенная для компрессионного кольца, подвергаются твердому анодированию. То есть верхний тонкий слой алюминия преобразуется в керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

В уплотняющую часть входят маслосъемные и компрессионные кольца. Маслосъемные имеют сквозные отверстия по периметру, сквозь которые внутрь поршня поступает масло, удаленное с поверхности цилиндра. Некоторые из них снабжены специальным ободком, выполненным из стойкого к коррозии чугуна, со специальной канавкой для верхнего компрессионного кольца.

В современных двигателях используется всего три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов в картер двигателя из камеры сгорания. По форме они могут быть трапециевидными, коническими и бочкообразными. Некоторые виды таких колец имеют вырез. Наибольшие нагрузки воспринимает первое компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Маслосъемные кольца предназначены для удаления излишков масла из цилиндра. Они также препятствуют попаданию смазки в камеру сгорания, для чего служат сквозные отверстия. Некоторые виды таких колец оснащаются пружинным расширителем.

Диаметр уплотняющая часть меньше, чем диаметр юбки. Это связано с тем, что нагрев в данной части поршня выше. Жаровый пояс имеет еще меньший диаметр, что позволяет избежать задиров на кольцах и их заклинивания в канавках. В отличие от юбки, уплотняющая часть в сечении круглая, а не овальная. Таким образом высоту пояса можно уменьшить.

Наибольшее значение для уплотнения поршня играет качество колец. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше всего ошибок. К тому же до 80 % тепла от поршня отводится именно через кольца. Именно поэтому при неплотном прилегании данных элементов потери приходятся на юбку, что влечет за собой появление задиров. Чтобы минимизировать этот процесс, в процессе обкатки двигателя ограничивают его мощность.

При перегреве еще неприработанных колец снижается их упругость, вследствие чего возникает ряд проблем: выброс масла, пропуск газов в картер и т.д. Также при перегреве возможно смыкание стыков, которое ведет к поломке колец, а в некоторых случаях и к обрыву самого поршня.

Направляющая (тронковая) часть называется юбкой поршня. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец. Для фиксации последнего предусмотрены канавки, где размещаются детали, служащие для запирания пальца.

Нижняя кромка юбки предназначена для последующей механической обработки поршня. Для подобных целей она снабжается специальным буртиком. Если вес обработанного поршня больше, чем допускает двигатель, его подгоняют, снимая часть металла с внутренней стороны буртика. В тех местах, где находятся отверстия под поршневой палец, с наружной части юбки вырезают специальные углубления. В результате стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые "холодильники".

Стенки юбки поршня также предназначены для восприятия силы бокового давления, что увеличивает трение о стенки цилиндра и усиливает нагрев обеих деталей.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, когда двигатель уже прогрет и работает под нагрузкой, между юбкой и стенками цилиндра предусмотрен зазор. Его величина устанавливается в зависимости от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. Если зазор меньше, чем необходимо, при перегреве на поверхностях поршня образуются задиры, детали могут заклинивать в цилиндре. При большом зазоре ухудшаются уплотняющие свойства поршня, детали начинают стучать. Эксплуатировать такой двигатель не допускается.

Главная задача поршня – восприятие давления газов в цилиндре и передача энергии давления через поршневой палец на шатун. Далее она преобразуется коленчатым валом в крутящий момент двигателя. Подобную задачу невозможно реализовать без надежного уплотнения поршня, который движется в цилиндре. В противном случае произойдет прорыв газов в картер и попадание моторного масла в камеру сгорания из него. Для решения этой проблемы в поршне предусмотрены канавки, в которых установлены компрессионные и маслосъемные кольца. Для отвода масла в поршне находятся специальные отверстия.

В процессе работы днище поршня напрямую контактирует с горячими газами и нагревается. Избыток тепла от днища к стенкам цилиндра отводят поршневые кольца и охлаждающая жидкость. В тяжелонагруженных агрегатах предусмотрено дополнительное масляное охлаждение: масло через форсунки подается на днище и во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Чтобы уплотнение полостей поршня было надежным, его вертикальная ось должна совпадать с осью цилиндра. Перекосы недопустимы, так как они вызывают «болтание» поршня в цилиндре, снижают уплотняющие и теплопередающие свойства колец, а также увеличивают шумность работы двигателя. Для исключения подобных проблем служит юбка поршня. Она должна обеспечивать минимальный зазор как на холодном, так и прогретом агрегате.

Коэффициент расширения стенок цилиндра и самого поршня разные. Это обусловлено как разными конструкционными материалами, так и разницей в температуре нагрева. Чтобы нагретый поршень не заклинивало вследствие температурного расширения, существует два решения.

Первое – эллиптическая форма юбки поршня в поперечном сечении, где большая ось перпендикулярная оси пальца, а в продольном – конуса, который сужается к днищу поршня. Благодаря такой форме обеспечивается соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, что предотвращает заклинивание. Второе решение – заливка стальных пластин в юбку поршня некоторых моделей. При нагреве расширение металла происходит медленнее, что ограничивает расширение всей юбки.

В качестве конструкционного материала для производства поршней используется алюминий. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях работы, которые характерны современным двигателям, нужно обеспечить малую массу движущихся деталей. Поэтому, если использовать более тяжелые металлы, то потребуются и более мощные компоненты: шатун, коленвал и блок с толстыми стенками. Все это сделает увеличит размер и вес силового агрегата.

В конструкции поршня могут быть реализованы и другие инженерные решения. Например, обратный конус, расположенный в нижней части юбки. Он служит для уменьшения шума из-за перекладки элемента в мертвой точке. Для улучшения смазывания юбки используется микропрофиль на рабочей поверхности, который представляет собой маленькие канавки с шагом 0,2-0,5 мм, а для снижения трения применяется антифрикционное покрытие.

В России покрытие для поршней выпускает компания "Моденжи". MODENGY Для деталей ДВС наносится на юбки поршней и другие детали двигателя: коренные подшипники коленчатого вала, втулки пальцев, распредвалов, дроссельную заслонку.

Покрытие способствует снижению трения и износа, предотвращает появление задиров на поверхностях и заклинивание поршня в цилиндре. Материал стоек к длительному воздействию моторного масла и в течение некоторого времени сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия возможна как при комнатной температуре, так и при нагреве. Удобная аэрозольная упаковка упрощает процесс нанесения благодаря тщательно настроенным параметрам сопла распылительной головки.

Поршень, как и любой другой рабочий элемент двигателя подвержен износу и поломке. В случае с двигателем увеличение износа происходит при ежедневной эксплуатации, но до некоторого момента это незаметно и ДВС работает стабильно.

При выработке ресурса деталей происходит резкое увеличение износа и начинаются всевозможные проблемы:

Повышается расход масла
Синий дым из выхлопной трубы
Нагар на свечах
Нестабильная работа ДВС на холостых оборотах, о чем свидетельствует вибрация рычага КПП
Увеличение расхода топлива в 2 и более раз
Снижение мощности двигателя и т.д.

Все это свидетельствует о некорректной работе двигателя, в том числе и поршневой группы. Например, задиры на головке поршня возникают вследствие перегрева из-за нарушения процесса сгорания, деформации и/или засорения масляной форсунки, установки поршней неправильного размера и параметров, неисправностей в системе охлаждения, уменьшения зазора в верхней части рабочей поверхности.

Следы от ударов на днище поршня свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неверной посадке клапана, слишком малом зазоре в клапанном приводе, отложениях масляного нагара на головке поршня, неподходящем уплотнении ГБЦ, некорректно выставленным фазам газораспределения, чрезмерной подгонке торцевой поверхности ГБЦ.

Наплавления металла на поверхностях указывают на неравномерный впрыск топлива, позднее зажигание, недостаточное сжатие смеси, неверный момент начала впрыска, неисправность впрыскивающих форсунок.

Трещины в полости камеры сгорания и днище говорят о недостаточной компрессии в цилиндрах, плохом охлаждении поршня, некорректном моменте начала впрыска, неисправности или непригодности впрыскивающей форсунки. Подобные следы можно обнаружить, если установлены поршни с неподходящей формой полости камеры сгорания или на автомобилях, мощность двигателей которых была повышена искусственно (например, методом чип-тюнинга).

Поршневые кольца повреждаются вследствие неправильной установки поршней, избытка топлива в камере сгорания, при вибрации самих поршневых колец, сильном осевом износе кольцевой канавки и деталей.

Радиальный износ поршня возникает при избыточном количестве топлива в камере сгорания. Это происходит из-за сбоев в процессе приготовления смеси, при нарушении процесса сгорания, недостаточном давлении сжатия, неправильном размере выступа поршня. Осевой износ возникает в результате загрязнения из-за недостаточной фильтрации. Его также вызывают продукты износа, образующиеся во время приработки двигателя и загрязнения, которые не были полностью удалены при ремонте силового агрегата.

Повреждения юбки поршней может возникать по нескольким причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, неправильно просверленными отверстиями цилиндра или неправильно установленными отдельными цилиндрами, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры под углом 45° образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Кроме этого поверхности юбок поршней истираются из-за разбавления масла топливом, неисправного пускового устройства двигателя, недостаточного сжатия смеси, перебоев в зажигании и работе двигателя на переобогащенной воздушно-топливной смеси.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация. Она вызывается недостатком охлаждения, слишком низкой или высокой температурой, малым начальным давлением в системе охлаждения, применением неподходящей охлаждающей жидкости, неправильной и/или неточной посадки гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Обнаруженные блестящие места в верхней части цилиндра говорят об отложении масляного нагара на днище цилиндров. Они возникают вследствие избыточного содержания масла в камере сгорания, прорыва газов с проникновением масла во всасывающий тракт, частой езды на короткие дистанции или на холостом ходу, недостаточного отделения масляного тумана от картерных газов.

Иногда вышеописанные проблемы возникают комплексно.

Так как поршень является одной из важнейших частей двигателя, в случае возникновения каких-либо неполадок нужно незамедлительно провести диагностику. Промедление грозит либо дорогостоящим ремонтом, либо полной заменой двигателя. Срок службы силового агрегата значительно продлевают качественные смазочные материалы и топливо.

конструкция, функции, причины износа и способы его предотвращения

Поршень двигателя – один из основных составных элементов цилиндро-поршневой группы. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, а затем передает его на шатун.

Экстремальные условия эксплуатации поршней – высокие давления, инерционные нагрузки и температуры – требуют использования для их изготовления материалов с особыми параметрами:

Высокой механической прочностью
Хорошей теплопроводностью
Малой плотностью
Незначительным коэффициентом линейного расширения
Антифрикционными свойствами
Коррозионной устойчивостью

Такими свойствами обладают специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся легкостью и термостойкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.

Поршни могут быть литыми или коваными. Первые производятся путем литья под давлением, вторые – методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (около 15 %). Это значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения материала в диапазоне рабочих температур.

Устройство поршня

Стандартный поршень автомобильного двигателя состоит из трех основных частей: днища, поршневых колец и направляющей (юбки).

Рассмотрим каждый компонент подробнее.

Днище поршня

Форма днища зависит от типа двигателя, особенностей камеры сгорания и многих других факторов. Поршень может иметь плоское, вогнутое или выпуклое днище.

Детали с плоским днищем наиболее просты в производстве, используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Поршни с вогнутым днищем свойственны для дизельных двигателей. Они обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако способствуют большему образованию отложений при сгорании топлива.

Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет самую большую, по сравнению с другими деталями, толщину: 7-9 мм в обычных бензиновых двигателях, 11 мм – в турбомоторах, 10-16 мм – в дизельных двигателях.

Существуют также автомобили, в которых установлены поршни с толщиной днища меньше стандартной – например, в некоторых моделях Honda она составляет всего 5,5-6 мм.

Днища некоторых поршней в целях увеличения прочности, снижения вероятности перегрева и прогорания подвергаются твердому анодированию: на верхний слой алюминия накладывается керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

К уплотняющей части поршня относятся поршневые кольца, установленные в специальных канавках. В большинстве современных двигателей используется три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Маслосъемные кольца, как следует из названия, предназначены для удаления излишков масла со стенок цилиндра и предотвращения их попадания в камеру сгорания. Для этих целей служат сквозные отверстия, расположенные по периметру кольца.

Сквозь них масло поступает внутрь поршня, а затем отводится в поддон картера двигателя.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов из камеры сгорания в картер. По форме они могут быть трапециевидными, коническими или бочкообразными. Некоторые виды колец оснащены пружинным расширителем.

Наибольшие нагрузки воспринимает первое (верхнее) компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса данной детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Диаметр уплотняющей части поршня меньше диаметра его направляющей части. Это связано с неодинаковым нагревом этих зон – в районе колец он больше. Минимальный диаметр жарового пояса позволяет избежать задиров и заклинивания колец в канавках.

Качество колец имеет огромное значение для уплотнения поршня. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше ошибок.

Направляющая часть

Направляющая (тронковую) часть поршня называют юбкой. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец.

Нижняя кромка юбки предназначена для расточки и подгонки поршня. На ней имеется специальный буртик, с внутренней стороны которого в процессе механической обработки снимается часть металла.

В местах отверстий под поршневой палец с наружной части юбки вырезаются специальные углубления, вследствие чего стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые "холодильники".

Стенки юбки предназначены для восприятия бокового давления. Естественно, что трение поршня о стенки цилиндра и нагрев обеих деталей при этом увеличивается.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, между юбкой и стенками гильзы предусмотрен зазор. Его величина зависит от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. При слишком маленьком зазоре возникает перегрев, грозящий образованием задиров на поверхностях и заклиниванием поршня в цилиндре. Большой зазор также не рекомендован, так как поршень при этом не выполняет своих уплотняющих свойств.

Многие автопроизводители еще на этапе производства поршней наносят на юбки специальные антифрикционные покрытия. Это позволяет защитить их поверхности от преждевременного износа и облегчить приработку.

В последнее время большую популярность не только в промышленности, но и в частном использовании приобрело антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС. Оно предназначено не только для поршней, но и для других деталей двигателя: коренных подшипников коленчатого вала, втулок пальцев, распредвалов, дроссельной заслонки.

Данное покрытие эффективно снижает износ и трение, предотвращает скачкообразное движение сопряженных поверхностей, появление на них задиров и заклинивание поршня в цилиндре.

Средство устойчиво к длительному воздействию моторного масла, сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия MODENGY Для деталей ДВС возможна как при комнатной температуре (за 12 часов), так и при нагреве до +200 °С (за 20 минут).

Удобная аэрозольная упаковка с тщательно настроенными параметрами распыления упрощает процесс нанесения состава.

Перед использованием покрытия производитель рекомендует провести предварительную подготовку деталей Специальным очистителем-активатором MODENGY. Это гарантирует отличную адгезию материала и его долговременную работу.

MODENGY Для деталей ДВС и Специальный очиститель-активатор MODENGY доступны в одном наборе. Поэтапное использование этих средств не требует особых навыков и дополнительного оборудования.

Причины износа поршней

При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы двигателя, подвержены износу и возникновению неисправностей.

О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:

Повышенный расход моторного масла и топлива
Выделение из выхлопной трубы синего дыма
Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
Снижение мощности двигателя и т. д.
Нагар на свечах зажигания

При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.

Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.

Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.

К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.

Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.

Радиальный износ поршней возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступов поршней.

Осевой износ происходит в результате загрязнения поршней продуктами износа, образующимися во время приработки двигателя.

Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры, расположенные под углом, образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т. д.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением некачественной охлаждающей жидкости, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.

Возникновение вышеописанных проблем, особенно в комплексе, требует серьезного внимания и безотлагательных действий. Промедление в таких случаях грозит дорогостоящим ремонтом или полной заменой двигателя.

Поршни и шатуны двигателей

Функция поршня состоит в том, чтобы действовать как подвижная заглушка в цилиндре, образуя нижнюю часть камеры сгорания. Между поршнем и стенкой цилиндра имеется газонепроницаемое уплотнение, так что единственный способ расширить горячие газы сгорания — это заставить поршень опуститься. Это тот же принцип, что и у пушечного ядра, но вместо того, чтобы лететь в чей-то любимый пиратский корабль, поршень выталкивается обратно вверх по цилиндру вращающимся коленчатым валом, и цикл повторяется.

Более 60 % трения внутри двигателя возникает из-за движения поршня в сборе, поэтому это основное направление для повышения эффективности двигателей. Поршень все еще находится в стадии разработки и исследований, как мы вскоре увидим более подробно.

При изменении направления движения поршня вверх и вниз возникают огромные силы. Более легкий поршневой узел имеет меньший импульс, поэтому он оказывает меньшее усилие и позволяет использовать двигатели с более высокими оборотами. Это означает, что существует постоянный толчок к уменьшению веса шатуна и поршня.

Поршень соединен с коленчатым валом через шатун , часто сокращается до стержень или же шатун . Эти части вместе называются поршень в сборе . Оба конца шатуна могут свободно поворачиваться: часть шатуна, которая соединяется с поршнем, называется маленький конец , а конец, который крепится к коленчатому валу, называется большой конец . Большой конец будет иметь вкладыши подшипников которые минимизируют трение и поддерживают точный масляный зазор с шатунной шейкой на коленчатом валу. Шатун разделен на две части - с крышка штока используется для зажима вокруг подшипника шатуна и коленчатого вала.

Компоненты сборки поршня

Поршень

Вся мощность в двигателе создается за счет силы, действующей на верхнюю часть поршня. Эта сила определяется как произведение площади поршня на давление газа. Большие поршни и более высокое давление газа обеспечат большую мощность. В целом размер поршня ограничен конструкцией двигателя, но поршень играет жизненно важную роль в поддержании высокого давления газа, создавая газонепроницаемое уплотнение со стенкой цилиндра.

Верхняя поверхность поршня называется корона (также головка или же купол ). В серийных двигателях существуют различные формы короны, но обычно она бывает плоской, выпуклой или выпуклой.

[Различные формы коронок]

Почти все современные поршни включают предохранительные клапаны которые обеспечивают зазор вокруг клапанов в верхней части хода поршня.

Головка, являющаяся областью непосредственного контакта с горячими дымовыми газами, сильно нагревается. Именно эта область расширяется больше всего, поэтому от нижней части поршня будет небольшой конус внутрь, чтобы обеспечить больший зазор вокруг этой верхней площадки между головкой и верхним поршневым кольцом.

Хотя нам нужно газонепроницаемое уплотнение, нам также нужно, чтобы поршень плавно двигался по цилиндру с минимальным трением, поэтому поршню требуется некоторое зазор . Типичный поршень имеет зазор 0,1 мм (0,004 дюйма) между собой и стенкой цилиндра, что примерно равно ширине человеческого волоса. Чтобы сохранить этот зазор, поршень должен быть точно обработан, а сплав, из которого он сделан, точно рассчитан с учетом теплового расширения.

Небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра перекрывается поршневые кольца , которые входят в канавки на поршне в области, известной как поршневой ремень . Промежутки между этими бороздками называются кольцевые земли .

Поршень прикреплен к шатуну короткой полой трубкой, называемой штифт на запястье , или же поршневой палец . Этот штифт на запястье несет всю силу горения.

На поршень действуют не только вертикальные силы во время сгорания, но и боковые силы, вызванные постоянно изменяющимся углом наклона шатуна. Из-за этих боковых сил поршень нуждается в гладких поверхностях, чтобы прижиматься к стенке цилиндра и удерживать поршень в вертикальном вертикальном положении. Боковые поверхности поршня называются юбка поршня .

[Полная юбка против юбки-тапочки]

Есть два типа юбок. Самым основным является пышная юбка или сплошная юбка, представляющая собой поршень классической трубчатой формы. Эта конструкция до сих пор используется в двигателях грузовиков и больших коммерческих автомобилей, но уже давно заменена на легковых автомобилях и мотоциклах более легкой конструкцией, известной как скользящий поршень .

У плунжерного поршня срезана часть юбки, оставлены только поверхности, которые опираются на переднюю и заднюю стенки цилиндра. Это удаление минимизирует вес и уменьшает площадь контакта между поршнем и стенкой цилиндра, тем самым уменьшая трение.

Современные серийные двигатели дополнительно снижают трение между поршнем и стенкой цилиндра за счет использования покрытия поршня с низким коэффициентом трения , похоже на тефлон в сковороде с антипригарным покрытием. Эти покрытия обычно наносят методом трафаретной печати на юбки поршней, например, как показано на рисунке покрытие на основе графита на двигателе Ford Fiesta Ecoboost.

[Поршень Ford]

Когда поршень толкается вниз во время такта сгорания, он оказывает боковое усилие в направлении, противоположном наклонному шатуну. Направление цилиндра, на которое действует эта сила, известно как сторона тяги, и и поршень, и стенка цилиндра будут подвергаться большему износу в этой области.

[Диаграмма тяги]

Поршень сильно нагревается и должен эффективно рассеивать это тепло. Тепло от поршня поступает в три места: в виде лучистого тепла в камеру сгорания, в стенки цилиндра через поршневые кольца и вниз по шатуну. Кроме того, во многих двигателях поршень охлаждается за счет распыления масла на его нижнюю часть.

Поршневые кольца

Поршневые кольца устанавливаются вокруг поршня, перекрывая небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра. На поршне обычно три поршневых кольца, и они выполняют разные функции.

Компрессионные кольца

Два верхних кольца называются компрессионные кольца (также известен как прижимные кольца или же газовые кольца ) и их основная роль заключается в предотвращении попадания газов через небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра. Этот проход газа мимо поршня в картер известен как продувка и должно быть сведено к минимуму для поддержания сжатия.

Компрессионные кольца обычно изготавливаются из цельного чугуна и оказывают внешнее давление на стенку цилиндра. Это внешнее давление возникает из-за естественной упругости колец, но на такте сгорания дополняется давлением газа за кольцами, которое более плотно прижимает их к стенке цилиндра.

[Давление газа за компрессионными кольцами]

Важно отметить, что компрессионные кольца не оказывают бокового давления на поршень и не служат для него направляющими. Канавка в поршне будет глубже, чем ширина поршневого кольца, что позволит кольцу двигаться по масляной пленке.

Компрессионные кольца также передают тепло от поршня к стенке цилиндра, где оно рассеивается в охлаждающей жидкости, протекающей через водяные рубашки.

Эти кольца разбиты с небольшим зазором, что позволяет устанавливать и снимать их над поршнем. Ширина этого Зазор поршневых колец будет указан производителем и может быть измерен путем помещения кольца внутрь цилиндра и измерения зазора щупом. На этой иллюстрации зазоры сильно преувеличены, в действительности они будут очень тонкими — 0,2 мм или меньше.

Маслосъемные кольца

Кольцо нижнее на поршень маслосъемное кольцо . Масло постоянно разбрызгивается на стенки цилиндров либо из отверстий в шатунах, либо форсунками, установленными в картере. Для минимального трения нам нужна тонкая масляная пленка, а функция маслосъемного кольца состоит в том, чтобы удалять излишки масла и оставлять идеальную масляную пленку для скольжения компрессионных колец и юбки поршня.

Нам определенно не нужно масло в камере сгорания: присутствие масла может вызвать плохое сгорание, высокие выбросы, избыточное нагарообразование на клапанах и поршнях и сизый дым — все это плохие новости для плавно работающего двигателя.

Маслосъемное кольцо обычно состоит из двух тонких хромированных скребковых колец с прокладкой между ними, позволяющей удалять масло. Он предназначен для скольжения по маслу при движении вверх и соскребания его при движении вниз. Это известно как сегментированный дизайн. В канавке управления маслом будут просверлены отверстия, позволяющие лишнему маслу легко стекать обратно в картер.

Установка новых поршневых колец

Область стенки цилиндра над верхним компрессионным кольцом не задевается кольцами и меньше изнашивается. Это может привести к образованию гребня в течение всего срока службы двигателя. Если новые кольца устанавливаются на цилиндр, который не подвергался повторной расточке, то может потребоваться кольцо с удаленной выемкой, известное как обводной выступ, чтобы гарантировать, что новое кольцо не соприкасается с этим гребнем материала.

[Схема смещения колец]

При установке новых колец зазоры должны быть смещены и никогда не должны находиться на одной линии друг с другом, чтобы предотвратить прямой выход газов.

булавка на запястье

Поршень крепится к шатуну через полую трубку из закаленной стали, известную как штифт на запястье или же поршневой палец . Этот штифт проходит через малый конец шатуна и позволяет ему поворачиваться на поршне.

Существует два способа крепления штифта на запястье. А полуплавающий В конструкции штифт закреплен в шатуне, но может свободно вращаться в отверстиях в поршне. А полностью плавающий поршневой штифт может свободно вращаться как в маленьком конце, так и в поршне, и будет закреплен на месте с помощью стопорных колец или тефлоновых кнопок на концах штифта. Для полностью плавающего штифта внутри маленького торцевого отверстия предусмотрена сменная втулка.

Поршневой палец может быть немного смещен в сторону, а не точно по центру поршня. Это известно как штифт на запястье со смещением и используется для уменьшения поперечного движения поршня внутри цилиндра. Чрезмерное движение из стороны в сторону известно как стук поршня из-за производимого им стука.

Шатун

шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу, он постоянно подвергается растягивающим, сдавливающим и изгибающим силам, так как действует как посредник в этих двухтактных отношениях. Шатун должен быть конструктивно прочным, и не случайно он имеет форму миниатюрной стальной двутавровой балки, похожей на своих больших братьев, поддерживающих небоскребы и мосты. Профиль двутавровой балки обеспечивает максимальную прочность конструкции при минимальных затратах веса, и, как и в случае с поршнем, мы хотим максимально снизить вес шатуна.

Требуемая прочность шатуна означает, что он изготовлен из кованой стали или порошковой стали. Экзотические двигатели могут иметь титановые шатуны. Чугун не используется из-за его веса.

Верхняя часть шатуна, прикрепленная к поршню, называется маленький конец . Он не всегда будет иметь подшипники. От малого конца стержень проходит по профилю в форме двутавровой балки вниз к большой конец который разделен на две части, чтобы он мог поместиться вокруг шейки коленчатого вала. Нижняя часть стержня называется крышка штока и он будет прикреплен либо шпильками, либо болтами к самому стержню.

В настоящее время стержень обычно изготавливается как единое целое, а затем колпачок стержня надрезается и отламывается. Это оставляет неровную поверхность на сопрягаемой поверхности, но придает большую прочность. Крайне важно, чтобы крышки шатунов не перепутались с другими шатунами - они входят в комплект.

Шатунная шейка будет иметь вкладыши подшипника, разделенные на две половины, эти вкладыши подшипника будут изготовлены из того же материала, что и коренные шейки. Подшипники шатуна смазываются маслом, поступающим под давлением через каналы в коленчатом валу.

Во многих шатунах просверлено отверстие от большого конца вверх через вал к выходному отверстию где-то по всей длине. Этот канал позволяет маслу проходить вверх по шатуну от большой головки и распыляться на упорную область стенки цилиндра, где трение максимально.

Неисправности

Шлепок поршня

Износ стенки цилиндра или юбки поршня может привести к слишком большим зазорам между поршнем и стенкой цилиндра. Это допускает чрезмерное перемещение поршня из стороны в сторону. Когда поршень меняет направление в верхней и нижней части своего хода, это может привести к его ударам о стенку цилиндра, вызывая шум, известный как стук поршня .

Стук поршня обычно усиливается, когда двигатель холодный, до того, как поршень успел нагреться и расшириться. Его можно вылечить путем механической обработки цилиндра и использования поршня увеличенного размера.

Модификации и обновления

Модернизированные поршни и шатуны

Установка комплекта более прочных и легких шатунов и поршней сделает двигатель более мощным. Это может быть важно для турбонаддува или наддува двигателя. Переход от кованых стержней к титану или порошковой (спекшейся) стали приведет к более прочному двигателю.

Покрытия поршней

Как обсуждалось выше, недавно разработанные двигатели часто имеют антифрикционное покрытие, наносимое на поршни на заводе. Но эти покрытия также доступны на вторичном рынке для снижения трения и увеличения (или уменьшения) теплопередачи.

[Примеры покрытий]

Покрытия наносятся на юбку для уменьшения трения между ней и стенкой цилиндра.
может быть нанесено на головку и предназначено для отражения тепла обратно в камеру сгорания и уменьшения его количества, передаваемого поршню.
Нижняя сторона поршня может иметь нескользящее покрытие, известное как маслоотталкивающее покрытие который отталкивает масло, тем самым уменьшая вес узла и обеспечивая более эффективное охлаждение масла.

поршень и цилиндр | машиностроение

поршень и цилиндр

См. все СМИ

Связанные темы:: цилиндр поршень Инсульт оформление бурить

См. все связанное содержание →

поршень и цилиндр , в машиностроении, скользящий цилиндр с закрытой головкой (поршень), который перемещается возвратно-поступательно в несколько большей цилиндрической камере (цилиндр) под действием давления жидкости или против него, как в двигателе или насосе. Цилиндр паровой машины ( q. v. ) закрыт пластинами с обоих концов с возможностью прохождения штока поршня, жестко прикрепленного к поршню, через одну из торцевых крышек посредством сальника и набивки. коробка (паронепроницаемое соединение).

Цилиндр двигателя внутреннего сгорания закрыт с одного конца пластиной, называемой головкой, и открыт с другого конца, чтобы обеспечить свободное колебание шатуна, соединяющего поршень с коленчатым валом. Головка блока цилиндров содержит свечи зажигания в двигателях с искровым зажиганием (бензиновых) и обычно топливную форсунку в двигателях с воспламенением от сжатия (дизельные); на большинстве двигателей клапаны, контролирующие впуск свежей воздушно-топливной смеси и выпуск сгоревшего топлива, также расположены в головке.

Подробнее Из Британники

Бензиновый двигатель: Поршневые двигатели

В большинстве двигателей цилиндры представляют собой гладкие отверстия в основном конструктивном элементе двигателя, известном как блок, который обычно изготавливается из чугуна или алюминий. На некоторых двигателях цилиндры футерованы гильзами (вкладышами), которые можно заменить при износе. В алюминиевых блоках используются вкладыши из центробежного чугуна, которые помещаются в форму при отливке алюминия; эти вкладыши не заменяемы, но их можно расточить.

Поршни обычно оснащены поршневыми кольцами. Это круглые металлические кольца, которые входят в канавки в стенках поршня и обеспечивают плотную посадку поршня внутри цилиндра. Они помогают обеспечить уплотнение для предотвращения утечки сжатых газов вокруг поршня и предотвращения попадания смазочного масла в камеру сгорания.

Важной характеристикой двигателя внутреннего сгорания является его степень сжатия, определяемая как отношение общего объема камеры сгорания с полностью выдвинутым поршнем (максимальный объем) к общему объему с полностью сжатым поршнем (минимальный объем). Фактическая степень сжатия на практике несколько меньше. Более высокие степени сжатия обычно обеспечивают лучшую производительность двигателя, но для них требуется топливо с лучшими антидетонационными характеристиками.