Поршни для двигателя: устройство, назначение, виды

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!

Ресурс поршня

Две основные проблемы, решаемые в поршневых ДВС: износ и прогар поршня. Износные явления проявляются как увеличение зазора между юбкой и цилиндром, износ верхней поршневой канавки, задир юбки. Наблюдаемое также появление трещин и разрушение перегородок между кольцами имеют обычно те же причины, что и у прогара.

Для устранения первой организуют принудительное (обычно масляное) охлаждение поршня, повышают твёрдость увеличением доли кремния, используют надёжные воздухоочистители для уменьшения абразивного износа, изменяют параметры цикла двигателя для снижения температуры поршня в центре и районе верхнего кольца (напр., увеличивают коэффициент избытка воздуха или увеличивают перекрытие клапанов в наддувных дизелях), применяют вставки под верхнее кольцо, качественные поршневые кольца для хорошего прилегания сразу после обкатки, ускоряют заводскую обкатку применением специальных масел, повышают качество моторных масел для устранения закоксовывания колец и надёжной отдачи тепла от днища, иногда — используют покрытия для поршня или композитные материалы. В японской практике были варианты пластмассовых поршней с покрытием керамикой. Для продления ресурса применяют антифрикционное покрытие направляющей и даже жаровой поверхности поршня. Ускоренный или аварийный износ контрафактных поршней вызывается нарушением размеров и/или качества поковки/отливки, её материала. Погиб шатуна, перекос гильзы или её посадочного гнезда ведёт к быстрому задиру поршня. В двухтактных ДВС причиной заклинивания может быть нехватка масла в топливе.

Прогар поршня может вызываться конструктивными или эксплуатационными причинами. В первом случае превышена расчётная допустимая температура днища, и все двигатели этой модели будут быстро выходить из строя (возможна другая причина — контрафактные поршни: они не могут выдержать нагрузок). Для устранения опасности прогара в этих случаях применяют снижение механических напряжений и температуры поршня (увеличение оребрения, охлаждение, снижение теплоотдачи в поршень изменением параметров цикла). Для снижения температуры сгорания может применяться даже подача воды в цилиндр.

Эксплуатационными причинами прогара могут быть: нарушение угла опережения впрыска/зажигания, отказ (заклинивание) форсунки, детонация (бензиновые), чрезмерная форсировка, общий перегрев из-за отказа термостата, потери тосола, зажатых клапанов, бензина с низким октановым числом, вызывающим детонацию, длительное калильное зажигание. Это приводит к превышению температуры днища и возможному его прогару. При детонационном сгорании, кроме того, может возникать выкрашивание поверхности, ведущее к дальнейшему её развитию, прогару поршня или вылому перегородок между кольцами, поломке колец. Следовательно, необходимо соблюдать инструкцию — применять нужное топливо, правильно выставлять угол опережения зажигания/впрыска, немедленно прекращать работу неисправного дизеля со стучащей форсункой, или перегретого мотора. Высококачественные форсунки и другие дозирующие элементы топливной аппаратуры продлевают ресурс поршней.

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.

Конструкция поршня

Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:

Volkswagen AG

1. Головка поршня ДВС
2. Поршневой палец
3. Кольцо стопорное
4. Бобышка
5. Шатун
6. Юбка
7. Стальная вставка
8. Компрессионное кольцо первое
9. Компрессионное кольцо второе
10. Маслосъемное кольцо

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.

Днище

Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций – плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Поршневые кольца

Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения.  Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца

Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца –  предотвращают попадания газов в картер.

Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.

Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.

Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда – пружинным расширителем.

Поршневой палец

Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.

Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.

Юбка

Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.

Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.

Обязательный процесс работы поршневого устройства – это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:

• разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
• движением масла по змеевику в поршневой головке;
• подачей масла в область колец через кольцевой канал;
• масляным туманом

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня – маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.

В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.

Метод изготовления

В. И. Даль так описывает метод их изготовления: поршни вообще не шьются, а гнутся из одного лоскута сырой кожи или шкуры (с шерстью), на вздёржке, очкуре, ременной оборе; обычно поршни из конины, лучшие из свиной шкуры, есть и тюленьи и прочие: их более. носят летом, налегке, или на покосе, где трава резуча, а рыбаки обувают их и сверх бахил. Зовут поршнями и обувь из опорков сапожных, или берестяники, шелюжники (лапти), даже кенги, плетения из суконных покромок.

По результатам археологических исследований в Новгороде, С. А. Изюмовой было выделено 3 типа поршней: простые, ажурные и составные. Простые шились из прямоугольного куска кожи толщиной 2—2,5 мм, края которого загибались кверху и сшивались. С боков в верхней части делались прорези для кожаного ремешка, с помощью которого поршень и крепился к ноге. Длина этого ремешка достигала 1 метра. Ажурные поршни отличались тем, что на их верхней передней части было несколько рядов прорезей, в которые заплетался ремешок. Составные поршни изготовлялись из более толстой кожи, к основе пришивался ещё треугольный кусок кожи.

Ранние археологические находки поршней в Новгороде датируются концом X — началом XI века. Аналогичная обувь имела хождение и в Европе — в частности, известны находки, датируемые X веком, происходящие из гробницы близ Оберфлахта в Швабии.

Поршни делались не только из дублёной, но нередко — из сыромятной кожи. По Пермской летописи Шишонко известен указ архиепископа Вологодского и Пермского: «Чтобы священникам сырых (сыромятных) коровьих поршней не носити… Они ходят в таких скверных обущах во святилище и бескровную жертву приносят; того ради Бог гневаетца, казнить пожары, и погуби бывают».

Эта обувь использовалась в России вплоть до начала XX века. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона сообщает следующее:

Поршни — обувь в виде лаптя, делаемая из одного куска кожи, сшиваемого сыромятным ремнём. К поршням, употребляемым охотниками, пришиваются иногда нетолстая подошва и самые низкие каблуки; такие поршни надеваются, обыкновенно, на длинные шерстяные чулки.

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.

Обозначение и параметры поршневых ДВС

В практике приходится иметь дело с цифро-буквенным обозначением двигателей. Для поршневых оно (в России) стандартизовано по ГОСТ 10150-2014 в рамках межгосударственного стандарта обозначений и терминов.

Например, обозначение 6Ч15/18 указывает на 6-цилиндровый четырёхтактный двигатель с диаметром поршней 15 см и ходом 18 см, 12ДКРН20/30 — на 12-цилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный с наддувом, диаметр поршней 20 см и ходом 30 см (примеры условны).

Стандартами определяются также технические условия (температура воздуха, атмосферное давление и влажность, вид топлива, потребление мощности внешними агрегатами) для испытаний ДВС, например, на мощность. Поскольку условия такие в разных странах отличаются, то и заявленная производителем мощность может отличаться по локальным стандартам в ту или иную сторону (ввиду разброса размеров деталей, например, системы газораспределения, мощность двигателей всегда имеет естественный заводской разброс; у двухтактных ДВС, ввиду большего влияния этой системы на мощность, такой разброс выше).

Существует, например, понятие «мощность брутто» и «мощность нетто» (SAE). Первая указывает на мощность, снимаемую с вала, без привода помпы, генератора и вентилятора и снятым воздухоочистителем, вторая — со всеми этими агрегатами. До 1971 года автопроизводители (в рекламных целях) указывали в характеристиках двигателя мощность брутто, которая больше примерно на 20%. Это относилось и к таким советским двигателям как ГАЗ-24, Москвич-412. Однако и позднее были «рецидивы» внесения в характеристики мощности брутто (ЗМЗ-406 с заявленной мощностью 150 л.с.).

Шатун поршня: конструкция, причины неисправности, ремонт

Шатун поршня обеспечивает передачу энергии от поршня к коленчатому валу. Первое применение таких деталей датируется концом III века н.э. Устройства, похожие на современные шатуны использовались на лесопилках в Малой Азии, принадлежавшей Римской империи. Они служили для преобразования вращательного движения водяного колеса в поступательно для привода пилы. Подобные конструкции были обнаружены при раскопках в Эфесе, которые датируются VI веком н.э.

Шатун в процессе работы совершает 2 вида движения – круговые, в месте соединения нижней головки с коленвалом, и возвратно-поступательные, в месте соединения верхней головки и поршня. При эксплуатации двигателя на данную деталь постоянно воздействуют высокие нагрузки.

В шатун входят следующие элементы:

• Верхняя головка (поршневая)
• Нижняя головка (кривошипная)
• Силовой стержень

Поршневая головка

Поршневой палец соединяет верхнюю головку с поршнем. Сама головка представляет собой цельную неразборную конструкцию. Палец может быть плавающим и фиксированным.

В первом случае в верхнюю головку пальца впрессовываются бронзовые или биметаллические втулки. Но это относится не ко всем двигателям. Существуют модификации, где этих втулок нет, а сам палец свободно вращается в отверстии головки шатуна благодаря зазору

Для обеспечения работоспособности подобной детали важно обеспечить смазывание поршневого пальца

Для установки фиксированных пальцев в головке шатуна проделывается отверстие цилиндрической формы, изготовленное с очень высокой точностью. Диаметр этого отверстия меньше, чем диаметр поршневого пальца. Благодаря этому обеспечивается необходимый натяг при соединении двух деталей.

Верхняя головка шатуна имеет форму трапеции. Это позволяет увеличить опорную площадь поверхности при работе поршня и снизить разрушительное воздействие очень высоких нагрузок.

Кривошипная головка

Кривошипная головка служит для соединения шатуна и коленвала. В большинстве шатунов этот элемент разъемный, что обусловлено методом сборки двигателя. Крышка головки фиксируется на шатуне болтами, но в некоторых случаях для этих целей используют штифты или бандажное крепление.

На шатуне можно использовать лишь ту крышку, которая была установлена на заводе. Это обусловлено тем, что она имеет определенный вес и размер, и потому не может быть заменена на другую.

Разъем головки относительно расположения стержня может быть прямым (90° к оси) или косым (под определенным углом к оси). В V-образных ДВС применяется последний вид.

В нижней части шатунной головки находятся подшипники скольжения, схожие с коренными вкладышами коленчатого вала. Для их производства используется стальная лента, с внутренней стороны покрытая антифрикционным материалом, который обладает высокими противоизносными характеристиками. Данный слой работает исключительно при наличии моторного масла, в противном случае он быстро разрушается.

Для подшипников скольжения шатунов, коренных подшипников коленвала, юбок поршней, распределительных валы, втулок пальцев, в дроссельной заслонке подходит антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.

Данный материал эффективно снижает трение и износ, предотвращает заклинивание поршня в цилиндре и задир поверхностей. Он не разрушается при длительном воздействии моторного масла, предотвращает движение рывками, работает в режиме масляного голодания.

Благодаря аэрозольной упаковке с выверенными параметрами распыления нанесение покрытия не вызывает затруднений. Полимеризация материала происходит как при комнатной температуре, так и при нагреве.