Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы

Конструкция поршня

Поршень имеет головку, опору ступицы, опору поршневого пальца, кольцевую часть и опорную часть.

Днище

Форма днища зависит от требуемых характеристик камеры сгорания. Самое простое решение — плоское днище. В двигателях с искровым зажиганием, а также в двигателях с воспламенением от сжатия с раздельными камерами сгорания используются слегка выпуклые формы днища, так как они увеличивает жесткость конструкции. Поднутрение в головке поршня используется не для придания формы камере сгорания, а для защиты ее от контакта с клапанами и для направления потока газов, образующихся в процессе сгорания.

Ступица используется для установки поршневого пальца. Как правило, она находится в центре тяжести поршня. Поршневой палец соединяет шатун с поршнем и передает силу, создаваемую газообразными продуктами сгорания, к оси шатуна. Из-за высоких температур в камере сгорания, действующих сил, переменных нагрузок и необходимости смазки для поршней используются разные материалы (например, цементационная сталь 15H, 15N, сталь 38HN для улучшения нагрева или азотированная сталь 38 HMJ).

Поршневые кольца

Основные размеры поршневого пальца определяются на основании расчетов на прочность и выбираются, исходя из действующих стандартов.

Кольцевая часть поршня находится в его верхней части. Двухтактные двигатели имеют 1-4 поршневых кольца, а четырехтактные — 2-4 кольца (обычно используются три).

Количество используемых поршневых колец зависит, среди прочего, от степени сжатия.

Первое поршневое кольцо уплотняет цилиндр. Оно называется уплотнительным (компрессионным). Оно герметизирует камеру сгорания и предотвращает попадание газов в блок цилиндров. Из-за своего расположения кольцо подвержено коррозии и воздействию самых высоких рабочих температур. До 70% тепла передается к цилиндру через компрессионное кольцо. Обычно оно имеет прямоугольную или бочкообразную форму.
Бочкообразное кольцо имеет изогнутую рабочую поверхность для смазки, которая снижает вероятность исчезновения масляной пленки из-за чрезмерного давления на цилиндр.

Кольцо, расположенное в нижней части поршня, называется собирающим (масляным). Оно используется для удаления излишков масла со стенок цилиндра при движении. Масло возвращается через зазоры в кольце и поршне в блок цилиндров (в двухтактных двигателях это кольцо не используется, так как масло подается вместе с топливом и его сгорание является преднамеренным).

Собирающее кольцо имеет две рабочие поверхности, между которыми имеются овальные или круглые отверстия, через них собранный излишек масла поступает к блоку двигателя. Многие масляные кольца используют расширяющуюся пружину для увеличения давления на стенки цилиндра.

Между уплотнительным и собирающим кольцами находится также компрессионно-собирающее кольцо. Его задача — улавливать газы, прошедшие через уплотнительное кольцо, и соскребать излишки масла с поверхности цилиндра. Оно имеет особую форму рабочей поверхности.

Некоторые кольца имеют так называемый нос, то есть разрез, благодаря которому они лучше оттирают смазочное масло. Неправильная установка компрессионно-собирающего кольца приводит к увеличению расхода масла.

Поршневые кольца герметизируют камеру сгорания. Они должны иметь возможность упруго регулироваться под воздействием высокой температуры. Они имеют точно заданную форму, так как необходимо, чтобы они плотного прилегали к стенкам цилиндра для обеспечения герметичности. Соответствующая форма поршневых колец достигается за счет овализации.

Чаще всего поршневые кольца изготавливаются из серого чугуна. Этот материал используется из-за простоты подгонки к стенке цилиндра. Его можно покрыть другими материалами для увеличения прочности.

Заказ и стоимость пальцев

Стоимость изготовления пальцев для спецтехники зависит от:

• Назначение пальца — это влияет на выбор материала и дополнительные обработки;
• Наличия чертежа, образца или эскиза;
• Количества деталей в партии.

Отдельно отметим, что при повторном обращении цена может быть ниже, поскольку у нас уже будет вся проектная документация.

осуществляет полный цикл изготовления деталей: от разработки чертежа и производства прототипа до нанесения защитных покрытий и пленок. Мы можем гарантировать точность обработки изделий на каждом этапе.

Для уточнения подробностей сотрудничества обращайтесь к менеджерам «ФЕРРОПОЛИС». Это можно сделать по телефону или отправить запрос через форму на сайте. В обоих случаях вы получите квалифицированную консультацию и предварительный расчет стоимости вашего заказа.

Что скажут металурги

Так как деталь работает в невыносимых условиях, то к металлам, для его изготовления, предъявляются достаточно жесткие требования:

• для уменьшения инерционных нагрузок у материала должен бить малый удельный вес при достаточной прочности;
• малый коэффициент температурного расширения;
• сохранение физических свойств (прочность) при повышенных температурах;
• значительная теплопроводность и теплоёмкость;
• минимальный коэффициент трения в паре с материалом стенки цилиндра;
• значительная сопротивляемость износу;
• отсутствие усталостного разрушения материала под воздействием нагрузок;
• низкая цена, общедоступность и легкость механической и других видов обработки в процессе производства.

Понятно, что металла, полностью соответствующего перечисленным требованиям, просто не существует.

Поэтому для массовых автомобильных двигателей поршни изготавливаются в основном из двух материалов – чугуна и сплавов алюминия, а если быть точным, то из силуминовых сплавов, содержащих алюминий и кремний.

Чугунный вариант

У чугуна много плюсов, он твёрд, хорошо переносит повышенные температуры, отличается оптимальной сопротивляемостью к износу, имеет низкий коэффициент трения (пара чугун – чугун). И коэффициент температурного расширения у него ниже чем у алюминиевого поршня.

Но есть и недостатки: низкая теплопроводность, из-за чего температура днища у чугунного поршня больше чем у алюминиевого аналога.

Но основной недостаток чугуна ‒ значительная плотность, а значит вес. Для увеличения мощности и эффективности двигателя конструкторы обычно повышают обороты, но тяжелые чугунные поршни не позволяют это делать по причине высоких инерционных нагрузок.

Поэтому для современных автомобильных двигателей, как бензиновых, так и дизельных, отливают алюминиевые поршни.

Алюминиевый вариант

Алюминий имеет значительно меньший вес нежели чугун, но так как он мягче, толщину стенок поршня приходится увеличивать, в результате вес поршня становится легче всего лишь на 30 – 40 процентов по отношению к чугунному.

Коме того у алюминия повышенный температурный коэффициент расширения, поэтому в тело детали приходится вплавлять термостабилизирующие пластины из стали, и делать увеличенные зазоры.

У алюминия довольно малый коэффициент трения (пара: алюминий – чугун), что хорошо для работы алюминиевых поршней в двигателях с чугунным блоком цилиндров или чугунными гильзами.

А чтобы уменьшить трение в паре алюминий – алюминий, проводится железнение поверхности юбки. Таким образом отказ от чугунных гильз намного снижает вес блока цилиндров.

В кремнеалюминиевые сплавы, из которых делают поршни основной массы автомобильных двигателей, для улучшения показателей добавляют медь, никель и другие металлы.

Поршни серийных автомобилей производятся методом литья, а на форсированных двигателях применяют изделия, изготовленные методом горячей штамповки. Это улучшает структуру материала ‒ увеличивается прочность и устойчивость к износу. Правда, в штампованный вариант невозможно вмонтировать стальные терморегулирующие пластины.

Вот пожалуй и всё. Вами получен необходимый минимум знаний, как выглядит поршень, его конструкции и условиях работы.

Осталось поделится этой информацией с друзьями в соц.сетях, пригласить их на рюмочку чая и в домашней, непринужденной обстановке пригласить их пополнить ряды читателей нашего блога.

А еще вам будет интересно знать про Шатун и Коленчатый вал. Дерзайте, жмите на ссылку!

До новых встреч, друзья!

Другие современные типы без внутреннего сгорания

Поршневые двигатели, приводимые в действие сжатым воздухом, паром или другими горячими газами, все еще используются в некоторых приложениях, например, для привода многих современных торпед или в качестве экологически чистой движущей силы. В большинстве приложений с паровым приводом используются паровые турбины , которые более эффективны, чем поршневые двигатели.

В автомобилях FlowAIR французской разработки используется сжатый воздух, хранящийся в цилиндре, для приведения в действие поршневого двигателя городского транспортного средства, не загрязняющего окружающую среду.

Торпеды могут использовать рабочий газ, произведенный перекисью с высоким содержанием перекиси водорода или топливом Отто II , который создает давление без сгорания. Торпеда Mark 46 весом 230 кг (510 фунтов) , например, может проехать 11 км (6,8 мили) под водой со скоростью 74 км / ч (46 миль в час), заправленная топливом Отто без окислителя .

МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

• возможность использования только в дизельных двигателях;
• больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
• необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
• более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО

Самые известные и широко применяемые во всем мире механические устройства — это двигатели внутреннего сгорания (далее ДВС). Ассортимент их обширен, а отличаются они рядом особенностей, например, количеством цилиндров, число которых может варьироваться от 1 до 24, используемым топливом.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания

Одноцилиндровый ДВС

можно считать самым примитивным, несбалансированными и имеющими неравномерный ход, несмотря на то, что он является отправной точкой в создании многоцилиндровых двигателей нового поколения. На сегодняшний день они применяются в авиамоделировании, в производстве сельскохозяйственных, бытовых и садовых инструментов. Для автомобилестроения массово применяются четырехцилиндровые двигатели и более солидные аппараты.

Нагрев

Как было упомянуто, в процессе работы двигателя поршни могут разогреваться до 250-450 °С. Поэтому необходимо принимать меры, направленные как на снижение нагрева, так и на компенсацию вызываемого им температурного расширения деталей.

Для охлаждения поршней используют масло, которое различными способами подают внутрь них: создают масляный туман в цилиндре, разбрызгивают его через отверстие в шатуне либо форсункой, впрыскивают в кольцевой канал, обеспечивают циркуляцию по трубчатому змеевику в днище поршня.

Для компенсации температурных деформаций на участках приливов юбки с двух сторон обтачивают металл на 0,5-1,5 мм в глубину в виде П- или Т-образных прорезей. Такая мера улучшает ее смазывание и предотвращает появление от температурных деформаций задиров, поэтому данные углубления называют холодильниками. Их используют в сочетании с конусо- или бочкообразной формой юбки. Это компенсирует ее линейное расширение за счет того, что при нагреве юбка принимает цилиндрическую форму. Кроме того, используют компенсационные вставки, чтобы диаметр поршня испытывал ограниченное тепловое расширение в плоскости качания шатуна. Также можно изолировать направляющую часть от головки, испытывающей наибольший нагрев. Наконец, стенкам юбки придают пружинящие свойства путем нанесения косого разреза по всей ее длине.

Название

По мнению А. И. Соболевского (1914), слово «поршни» происходит из порчни от др.-рус. пъртъ — «лоскут». И. С. Вахрос (1959) оспаривает этимологию Соболевского и сближает поршень, др.-рус. поръшьнь, мн. поръшьни с русским диалектным порхлый  — «порошливый, рыхлый, мягкий», поскольку такова была кожа, из которой они делались, откуда реконструирует ст.‑слав. *пършьнь. В Древней Руси такая обувь называлась прабошни черевьи или черевья, а в Российской империи также была известна как порушни, постолы, кожанцы, калиги.

Одно из письменных упоминаний имеется в Лаврентьевской летописи под 1074 годом, посвящённое черноризцу Исакию: «И на заутренюю ходя преже всихъ, и стояше крѣпко и неподвижно. Егда же приспѣяше зима и мрази лютии, и сьтояше вь прабошняхъ, вь черевьихъ и вь протоптаныхъ, яко примѣрьзняше нози его кь камени, и не двигняше ногами, дондеже отпояху заутренюю».

Материал изготовления блока цилиндров и гильз цилиндров

В зависимости от рабочего объёма и других технических и эксплуатационных характеристик, назначения, существует несколько вариантов компоновки (расположения цилиндров двигателя), а также несколько материалов для изготовления блока и цилиндра.

Так как в цилиндре возникают условия переменных давлений в надпоршневой полости, внутренняя поверхность стенок цилиндров соприкасается с пламенем и горячими газами (температура которых составляет от 1500—2500 °С), такая деталь должна изготавливаться из высокопрочных материалов с большой механической прочностью. Скорость скольжения поршневых колец по стенкам цилиндров достаточно большая от 12 до 15 м/сек, поэтому внутренние стенки цилиндра должны иметь повышенную жесткость. В этом случае увеличится срок службы цилиндра (гильзы цилиндра) и деталь будет более устойчива к разным видам износа (абразивным, коррозийным и эрозийным). Если поверхность блока цилиндров износилась выше допустимых пределов (что определется методом дефектации блока цилиндров), необходимо провести ремонт блока цилиндров. 

Если нет ограничений по массе двигателя, например тракторный двигатель, то блок цилиндров изготавливается из перлитного чугуна. 

На транспортных двигателях, где есть ограничения по массе, применяю более легкие алюминиевые и магниевые сплавы для изготовления блока цилиндров.

Преимущества блоков цилиндров из серого чугуна:

• низкая стоимость;
• высокая технологичность литья;
• стабильность свойств материала;
• возможность ремонта трещин блока (запайкой, заваркой, эпоксидным клеем);
• высокая твёрдость и жёсткость поверхностей, устойчивость к перегреву;

Недостатки чугунов

Главный недостаток чугуна большая масса (плотность выше в 2,7 раза), и меньшая теплопроводность.

Алюминиевые сплавы более дорогие, но алюминиевые блок цилиндров имеют гораздо меньшую массу. Алюминиевые сплавы имеют ряд особенностей, которые следует учитывать при изготовлении и эксплуатации блоков цилиндров.

Материал для изготовления поршневых пальцев

Для изготовления поршневых пальцев применяют в основном сталь  45ХА. После отливки деталь закаливают на 1-1.5 мм глубины. Твердость поверхности должна быть соответствовать определенным нормам. В моторах повышенной мощности применяют для изготовления пальцев применяют более прочные сорта легированной стали.

Установка поршневого пальца

Установка фиксированного поршневого пальца

Для установки фиксированного пальца шатун необходимо нагреть в муфельной электрической печи до температуры 240? С. (При отсутствии муфельной печи шатун часто нагревают на простой электрической плитке). Шатун быстро охлаждается, а палец необходимо в осевом направлении устанавливать очень точно, поэтому делайте это только с применением специального приспособления. Необходимо помнить, что для каждого диаметра поршня существует своё приспособление, хотя все они похожи друг на друга, некоторые размеры приспособлений отличаются, но на глаз это не видно.
Установите палец на приспособление

Принимая все меры предосторожности, извлеките нагретый шатун из муфельной печи шатун и быстро закрепите его в тисках. При помощи специального приспособления вставьте палец в поршень и шатун, строго выполняя указания Руководства по ремонту

Делать всё необходимо быстро, поскольку шатун очень быстро остывает. А после того как шатун остынет, изменить положение пальца не получится. 

1. Рукоятка приспособления
2. Центрирующий фланец пальца
3. Устанавливаемый палец
4. Направляющая втулка
5. Колпачковая гайка 

Специальное приспособление для установки поршневого пальца автомобиля ВАЗ.

Установка плавающего поршневого пальца 

Для обеспечения необходимого зазора (натяга) в соединении с пальцем, поршни в зависимости от диаметра отверстия под поршневой палец и пальцы в зависимости от наружного диаметра обычно делятся на несколько размерных групп (классов). Группа поршня и пальца обычно отмечаются цветной меткой на внутренней стороне днища или на бобышке поршня. На поршневом пальце цветовая метка обычно наносится на торцевую поверхность.
Если поршневой палец устанавливается в отверстие поршня с натягом. Сначала проверяется зазор в соединении поршневого пальца и шатуна. При комнатной температуре (20? С) смазанный моторным маслом палец должен входить во втулку верхней головки шатуны под усилием большого пальца.
Проверив цветовые метки на поршне и пальце, нагреваем поршень в ванне с горячей водой, в которой поддерживается температура 60? ? 85? С. Смазанный моторным маслом палец должен легко входить в отверстие поршня. После остывания палец должен быть неподвижным или вращаться с усилием в бобышке поршня, но легко вращаться во втулке верхней головки шатуна.
Некоторые производители рекомендуют снимать и устанавливать поршневой палец при помощи специального приспособления.

Иногда поршневой палец устанавливается с установленным зазором и во втулку верхней головки шатуна и в отверстия бобышек поршня. В этом случае нагревать поршень нет необходимости, и палец легко вращается при комнатной температуре и в верхней головке шатуна и в бобышках поршня.
Всегда применяйте только новые стопорные кольца поршневого пальца и устанавливайте стопорные кольца в строгом соответствии с руководством по ремонту. Направление зазоров стопорных колец, чаще всего, должны быть направлены в сторону нижней части поршня.
Ремонтный комплект, состоящий из поршня, подобранного к поршню поршневого пальца и плоских стопорных колец.

Ремонтный комплект, состоящий из поршней, поршневых пальцев, поршневых колец и круглых стопорных колец.

Плоские стопорные кольца поршневого пальца

Плавающий поршневой палец с комплектом круглых стопорных колец

В любом случае перед установкой поршневого пальца внимательно ознакомьтесь с руководством по ремонту ремонтируемого автомобиля.
Смазка поршневого пальца
Работающий под большой механической и термической нагрузкой поршневой палец должен получать необходимую смазку. Плавающий поршневой палец в соединении с поршневой головкой шатуна смазывается через отверстие в головке шатуна и бронзовой втулке. Масло в это отверстие поступает из внутренней полости поршня, куда оно вбрызгивается масляной форсункой или поступает через отверстия в поршне от маслосъёмных колец.

Причины износа поршней двигателя

Трещины на головках поршней и на поршневых кольцах из-за термического износа являются обычной проблемой. Развитие автомобильной промышленности в последние годы привело к тому, что эффективность поршней и поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания зависит в первую очередь от долговечности используемых материалов. Условия эксплуатации привода также являются важным фактором. Вероятность отказа двигателя увеличивается с усилением тепловых нагрузок, связанных с ростом производительности (например, за счет увеличения степени сжатия, номинальной мощности, наддува или из-за использования более двух клапанов на цилиндр).

Конструкционные и эксплуатационные факторы влияют на деградацию материала, используемого в поршнях. В зависимости от перечисленных факторов можно указать следующие виды износа:

• износ из-за трения,
• износ, вызванный повреждением материала (действие переменных механических и термических нагрузок),
• процесс коррозии (изменение физико-химических свойств верхнего слоя материала),
• эрозионный (в результате динамического воздействия газообразной или жидкой среды).

Очень часто трещины вызывают зазубрины, образованные краями углублений клапана. Такие повреждения могут привести, в частности, к нарушениям в процессе горения топливно-газовой смеси или к снижению герметичности камеры.

В двигателях с форкамерным впрыском наиболее распространенным дефектом является растрескивание головки поршня.

Температура на краю поршня в зоне камеры сгорания может быть чуть более 380°C . В случае контакта с жидкостью создаются экстремальные условия, которые могут вызвать трещины или необратимую деформацию поршня. Такое повреждение днища может быть причиной, например, попадания воды или топлива в камеру сгорания.

Еще одна причина повреждения поршня — его тепловая перегрузка. Она может произойти, если масло меняют слишком редко (в автомобилях с двигателем с воспламенением от сжатия его следует менять примерно раз в год; в автомобилях с двигателем с искровым зажиганием — примерно каждые 1,5 года). Это также может привести к засорению форсунок охлаждения моторного масла.

От 40 до 50% механических потерь в двигателе внутреннего сгорания — это потери из-за трения колец и поршня о поверхность подшипника цилиндра. По этой причине размеры поверхности трения колец уменьшаются (при неизменном давлении). Это приводит к снижению эластичности поршневых колец, что может вызвать разрушение из-за тяжелых условий эксплуатации. Растрескивание поршневых колец также может быть следствием:

• трибологического износа;
• механических перегрузок, которые возникают из-за нарушения процесса сгорания, ошибок сборки или из-за больших нагрузок при запуске холодного двигателя.

Трибологический износ — это вид износа, возникающий в результате процессов трения. Процессы изнашивания изменяют массу, структуру и физические свойства поверхностных слоев контактных площадок. Интенсивность износа является следствием различных взаимодействий и сопротивления участков трения поверхностных слоев.

Еще одна причина повреждения — захват. Он появляется на юбке поршня и вокруг колец. Частые причины этого явления — частицы от процессов трибологического износа или локального перегрева. Алюминиевый сплав поршня термически расширяется вдвое больше, чем чугун в цилиндре.

Основными параметрами двигателя внутреннего сгорания являются:

• объем хода — это разность между верхним и нижним возвратным положением поршня в цилиндре;
• объем камеры сгорания — это объем над головкой поршня, когда он находится в верхнем убираемом положении;
• общий объем двигателя — это сумма объема цилиндра и объема камеры сгорания;
• степень сжатия — это общий объем, деленный на объем камеры сгорания.

Поршень является одной из важнейших частей двигателя, в случае возникновения неисправностей необходимо сразу провести диагностику. Промедление может провести к дорогому ремонту или вообще полной замене двигателя.