Де ходить поршень? Поршневі кільця: види та склад

Визначення.

Поршневий двигун– один із варіантів двигуна внутрішнього згоряння, що працює за рахунок перетворення внутрішньої енергії згоряючого палива на механічну роботупоступального руху поршня. Поршень починає рухатися при розширенні робочого тіла в циліндрі.

Кривошипно-шатунний механізм перетворює поступальний рух поршня у обертальний рух колінчастого валу.

Робочий цикл двигуна складається із послідовності тактів односторонніх поступальних ходів поршня. Поділяють двигуни з двома та чотирма тактами роботи.

Принцип роботи двотактного та чотиритактного поршневих двигунів.

Кількість циліндрів у поршневих двигунахможе змінюватись в залежності від конструкції (від 1-го до 24-х). Об'єм двигуна прийнято вважати рівною сумі об'ємів усіх циліндрів, місткість яких знаходять за твором поперечного перерізу на хід поршня.

У поршневих двигунахрізних конструкцій по-різному відбувається процес займання палива:

Електроіскровим розрядомщо утворюється на свічках запалювання. Такі двигуни можуть працювати як на бензині, так і інших видах палива (природний газ).

Стисненням робочого тіла:

У дизельних двигунах , що працюють на дизельне паливоабо газі (з 5% додаванням дизпалива), стискається повітря, і при досягненні поршнем точки максимального стиснення, відбувається упорскування палива, яке займається контактом з нагрітим повітрям.

Двигуни компресійної моделі. Подача палива в них така сама, як і в бензинових двигунах. Тому для їх роботи необхідні особливий склад палива (з домішками повітря і діетилового ефіру), а також точне регулювання ступеня стиснення. Компресорні двигуни знайшли своє поширення в авіабудуванні та автомобілебудуванні.

Калільні двигуни. Принцип їх дії багато в чому схожий на двигуни компресійної моделі, проте не обійшлося без конструкційної особливості. Роль запалення у них виконує – калільна свічка, Напруження якої підтримується енергією згоряючого на попередньому такті палива. Склад палива також особливий, за основу беруть метанол, нітрометан і рицинова олія. Застосовуються такі двигуни як на автомобілях, так і на літаках.

Калоризаторні двигуни. У цих двигунах спалах відбувається при контакті палива з гарячими частинами двигуна (зазвичай - днище поршня). Як паливо застосовується мартенівський газ. Використовуються вони як приводні двигуни на прокатних станах.

Види палива, що застосовуються в поршневих двигунах:

Рідке паливо– дизпаливо, бензин, спирти, біодизель;

Гази– природні та біологічні гази, зріджені гази, водень, газоподібні продукти крекінгу нафти;

Виробляється в газогенераторі з вугілля, торфу та деревини, монооксид вуглецю також використовується як паливо.

Робота поршневих двигунів.

Цикли роботи двигунівдокладно розписані у технічній термодинаміці. Різні циклограми описуються різними термодинамічних циклів: Отто, Дизеля, Аткінсона або Міллера і Трінклера.

Причини поломок поршневих двигунів.

ККД поршневого ДВЗ.

Максимальний ККД який вдалося отримати на поршневому двигуні становить 60%, тобто. трохи менше половини згоряючого палива витрачається на нагрівання деталей двигуна, а також виходить із теплом вихлопних газів. У зв'язку з чим доводиться оснащувати двигуни системами охолодження.

Класифікація систем охолодження:

Повітряні СО– віддають тепло повітрю за рахунок ребристої зовнішньої поверхні циліндрів. Чи застосовуються
бо на слабких двигунах(десятки л.с.), або на потужних авіаційних двигунах, що охолоджуються швидким потоком повітря.

Рідинні СО- як охолоджувач використовується рідина (вода, антифриз або олія), яка прокачується через сорочку охолодження (канали в стінках блоку циліндрів) і надходить у радіатор охолодження, в якому вона охолоджується повітряними потоками, природні або вентилятори. Рідко, але в якості теплоносія також використовується металевий натрій, який розплавляється від тепла двигуна, що прогрівається.

Застосування.

Поршневі двигуни, завдяки своєму потужності діапазону, (1 ват – 75 000 кВт) здобули велику популярність не тільки в автомобілебудуванні, а й авіабудуванні та суднобудуванні. Вони також використовуються для приводу бойової, сільськогосподарської та будівельної техніки, електрогенераторів, водяних насосів, бензопил та інших машин, як мобільних так і стаціонарних.

Поршень - деталь поршневої групи двигуна, що усередині циліндра. За допомогою шатуна поршень з'єднаний з колінчастим валом. Конструкція спроектована таким чином, що поршень під час роботи двигуна постійно здійснює зворотно-поступальний рух, перетворюючи енергію газів, що розширюються при згорянні, в обертання колінчастого валу.

Влаштування поршня

Поршень складається з трьох частин, хоч і виконується з єдиної заготовки: днища, ущільнюючої частини та спідниці. До поршень приєднується за допомогою шатуна. Поршень надівається на шатун і, пройнятий крізь деталь. Форма днища поршня двигуна внутрішнього згоряння ніколи не буває плоскою. Залежно від конструкції днище може мати складну конфігурацію. Зверху над днищем можуть бути розташовані свічки, форсунки та клапани.

Відстань від днища поршня до першого компресійного кільця називається вогневим поясом поршня.

Найчастіше в днищі поршня можна бачити поглиблення, призначені для того, щоб не стикалися з поверхнею поршня. Заглиблення, як правило, мають велику глибину з одного краю, оскільки розташовані над ними клапани встановлені під кутом. Загалом, як правило, загальну форму днища роблять увігнутою. Це пов'язано з тим, що поршень, піднімаючись вгору, є одночасно , а оптимального поширення полум'я увігнуте днище підходить якнайкраще. У цієї форми є і свої недоліки – у нижній частині западини швидше відкладається нагар.

Відстань від днища поршня до першого компресійного кільця називається вогневим поясом поршня. Оскільки поршень працює за умови екстремально високих температур, вогневий пояс має строго прораховану висоту, що залежить ще й від матеріалу, з якого виконано поршень. Зниження висоти нижче за певну межу може призвести до передчасного прогоряння поршня.

У минулому поршень виконувався із сталі цілком, але в сучасних двигунахнерідко застосовуються полегшені поршні з алюмінієвих сплавів

Поршень - високоточна деталь, оскільки одне з його завдань - служити основою для компресійних кілець, що ущільнюють камеру згоряння під час стиснення. З часом поршень зношується і обгорає, що призводить до зниження ущільнення - розпечені гази починають просочуватися між тілом поршня і кільцем, і потрапляють у картер, а з картера в камеру згоряння просочується олія.

З цього випливає, що може бути ознакою зносу поршнів. Крім того, про це можна судити за появою диму в потоці вихлопних газів - дим утворюється в результаті згоряння масла, що потрапляє в простір над поршнем.

Поєднання днища та ущільнюючої частини (службовою основою для кілець) називається головкою поршня. У минулому поршень виконувався із сталі цілком, але в сучасних двигунах нерідко застосовуються полегшені поршні з алюмінієвих сплавів. Алюміній поступаються сталі в міцності, тому для створення основи для верхнього компресійного кільця його постачають обідком з володіють високими антикорозійними і властивостями міцності чавуну. У чавунному обідку, вплавленому в тіло поршня, нарізають канавку, в яке вставляється . Цей вид чавуну називається нірезистом.

У нижній частині головки розташовані канали для маслознімних кілець. Їх нарізають на верстаті і постачають наскрізними отворами, через яке зняте з дзеркала циліндра масло по внутрішній стінці поршня стікає в піддон картера блоку циліндрів.

Спідниця або напрямна частина поршня забезпечена двома припливами, або бобишками, в яких виконані отвори. Оскільки у місці розташування бобишек поршень має найбільшу товщину, у ньому найчастіше виникають деформації під впливом температури. Щоб уникнути ризику деформації, частину металу з бобишек зрізають на фрезеровочном верстаті. Службові для охолодження і підвищують інтенсивність змащування поршня поглиблення називаються технічному сленгу «холодильниками».

Матеріали для виробництва поршнів

До матеріалів, застосовуваних виготовлення поршнів, пред'являються високі вимоги. Насамперед, матеріал повинен мати високу механічну міцність при малій щільності і низькому коефіцієнті лінійного розширення, високу теплопровідність і корозійну стійкість, хороші антифрикційними властивостями. Тому поршні роблять або з сірого чавуну, або з алюмінієвого сплаву, нерідко з вкрапленням чавуну.

Чавунні поршні відрізняються міцністю та зносостійкістю, працюють з малими зазорами. Нестача чавуну - велика вага. Тому чавунні поршні застосовуються, як правило, . У чавуну низька теплопровідність, тому сильно нагрівається днище. Це недолік, оскільки висока температура всередині камери згоряння до запалювання може призводити до некоректного згоряння палива, яке називається гартальним запаленням. Особливо гостро ця проблема стояла в колишні роки, коли переважним пристроєм упорскування був карбюратор.

Набагато частіше у сучасних двигунах застосовуються поршні з алюмінієвого сплаву. Серед їхніх переваг мала вага, висока теплопровідність (завдяки чому температура днища рідко піднімається вище 250 °C). Саме завдяки цьому фактору інженерам вдалося свого часу знайти спосіб суттєво підняти ступінь стиснення бензинових двигунів. Основний недолік алюмінію – великий коефіцієнт лінійного розширення, що змушує робити великі зазори, знижуючи здатність поршня до ущільнення. Крім того, механічна міцність алюмінію при нагріванні різко (до 50%) знижується, чого з чавуном не відбувається. Тим не менш, недоліки не виявилися фатальними, оскільки інженерам вдалося вигадати способи нівелювати. негативні властивостіматеріалу. Наприклад, щоб зменшити втрати при стисканні, спідниці поршня надають овально-конусної форми. Щоб не допускати деформації від перегріву, спідницю ізолюють від голівки за допомогою матеріалу з низькою теплопровідністю та тп.

Найміцніші поршні - ковані, тобто зроблені із заготовок, отриманих методом лиття, а згодом підданих куванню. Кування - механічна обробка нагрітого до кувальної температури металу. До кожного металу існує своя кувальна температура; у алюмінію вона не висока - лише в районі 500 градусів.

Поршень займає центральне місце у процесі перетворення енергії палива на теплову та механічну. Поговоримо про поршні двигуна, що це таке і як вони працюють.

Що це таке?

Поршень - деталь циліндричної форми, що здійснює зворотно-поступальний рух усередині циліндра двигуна. Потрібен для зміни тиску газу в механічну роботу, або навпаки - зворотно-поступального руху на зміну тиску. Тобто. він передає на шатун зусилля, що виникає від тиску газів і забезпечує перебіг всіх тактів робочого циклу. Він має вигляд перевернутої склянки і складається з днища, головки, що спрямовує частини (спідниці).

У бензинових моторахзастосовуються поршні з плоским днищем із-за простоти виготовлення та меншого нагріву при роботі. Хоча на деяких сучасних автороблять спеціальні виїмки під клапани. Це потрібно, щоб при обриві ременя ГРМ поршні та клапана не зустрілися і не спричинили серйозного ремонту. Днище поршня дизеля роблять з виїмкою, яка залежить від ступеня сумішоутворення та розташування клапанів, форсунок. При такій формі днища краще перемішується повітря з паливом, що надходить в циліндр.

Поршень схильний до дії високих температур і тисків. Він рухається з високою швидкістюусередині циліндра. Тому спочатку для автомобільних двигунівїх відливали з чавуну. З розвитком технологій почали використовувати алюміній, т.к. він давав наступні переваги: зростання оборотів та потужності, менші навантаження на деталі, кращу тепловіддачу.

З того часу потужність моторів зросла багаторазово. Температура та тиск у циліндрах сучасних автомобільних двигунів (особливо дизельних моторів) стали такими, що алюміній підійшов до межі своєї міцності. Тому в Останніми рокамиподібні мотори оснащуються сталевими поршнями, які впевнено витримують навантаження, що зросли. Вони легші алюмінієвих з допомогою тонших стінок і меншої компресійної висоти, тобто. відстані від днища до осі алюмінієвого пальця. А ще сталеві поршні не литі, а збірні.

Крім іншого, зменшення вертикальних габаритів поршня при постійному блоці циліндрів дозволяє подовжити шатуни. Це дозволить знизити бічні навантаження в парі "поршень-циліндр, що позитивно позначиться на витраті палива та ресурсі двигуна. Або, не змінюючи шатунів і колінвала, можна вкоротити блок циліндрів. Таким чином полегшимо мотор.

Які вимоги?

• Поршень, переміщаючись в циліндрі, дозволяє розширюватися стислим газам, продукту горіння палива і виконувати механічну роботу. Отже, він повинен бути стійким до високої температури, тиску газів та надійно ущільнювати канал циліндра.
• Він повинен якнайкраще відповідати вимогам пари тертя з метою мінімізувати механічні втрати і, як наслідок, зносу.
• Випробовуючи навантаження з боку камери згоряння та реакцію від шатуна, він повинен витримувати механічний вплив.
• Здійснюючи зворотно-поступальний рух з високою швидкістю, повинен якнайменше навантажувати кривошипно-шатунний механізмінерційними силами.

Основне призначення

Паливо, згоряючи в надпоршневому просторі, виділяє величезну кількість тепла у кожному циклі роботи двигуна. Температура згорілих газів сягає 2000 градусів. Тільки частину енергії вони передадуть деталям двигуна, що рухаються, все інше у вигляді тепла нагріє двигун. Те, що залишиться, разом із відпрацьованими газами відлетить у трубу. Отже, якщо не охолоджуватимемо поршень, він через деякий час розплавиться. Це важливий моментрозуміння умов роботи поршневої групи.

Ще раз повторимо відомий факт, що тепловий потік спрямований від нагрітих тіл до менш нагрітих.

Найбільш нагрітим є робоче тіло, або, іншими словами, гази в камері згоряння. Цілком зрозуміло, що тепло буде передано навколишньому повітрю – найхолоднішому. Повітря, омиваючи радіатор і корпус двигуна, остудить рідину, що охолоджує, блок циліндрів і корпус головки. Залишається знайти місток, яким поршень віддає своє тепло в блок і антифриз. Є для цього чотири шляхи.

Отже, перший шлях, що забезпечує найбільший потік, - це поршневі кільця. Причому перше кільце грає головну роль, як розташоване ближче до днища. Це найбільш короткий шлях до рідини, що охолоджує, через стінку циліндра. Кільця одночасно притиснуті і до поршневих канавок, і стінки циліндра. Вони забезпечують понад 50% теплового потоку.

Другий шлях менш очевидний. Друга рідина, що охолоджує, в двигуні - масло.Маючи доступ до найбільш нагрітих місць мотора, масляний туман забирає і віддає в піддон картера значну частину тепла від гарячих точок. У разі застосування масляних форсунок, що направляють струмінь на внутрішню поверхню днища поршня, частка олії в теплообміні може досягати 30-40%. Зрозуміло, що, навантажуючи масло функцією теплоносія, ми повинні подбати, щоб його остудити. Інакше перегріта олія може втратити свої властивості. Також, чим вище температура олії, тим менше тепла вона здатна перенести.

Третій шлях. Частина тепла відбирає на нагрів свіжа паливоповітряна суміш, що надійшла до циліндра. Кількість свіжої суміші та кількість тепла, яку вона відбере, залежить від режиму роботи та ступеня відкриття дроселя. Слід зазначити, що тепло, отримане при згорянні, також пропорційне заряду. Тому цей шлях охолодження має імпульсний характер; відрізняється швидкоплинністю та високоефективний завдяки тому, що тепло відбирається з того боку, з якого поршень нагрівається.

З огляду на більшу значущість слід приділити пильну увагу передачі тепла через поршневі кільця. Зрозуміло, якщо цей шлях ми перекриємо, то малоймовірно, що двигун витримає скільки-небудь тривалі форсовані режими. Температура зросте, матеріал поршня "попливе", і двигун зруйнується.

Згадаймо таку характеристику, як компресія. Уявимо, що кільце не прилягає по всій довжині стінки циліндра. Тоді гази, що згоріли, прориваючись у щілину, створять бар'єр, що перешкоджає передачі тепла від поршня через кільце в стінку циліндра. Це те саме, якби закрили частину радіатора і позбавили його можливості охолоджуватися повітрям.

Страшна картина, якщо кільце не має тісного контакту з канавкою. У тих місцях, де гази мають можливість протікати повз кільця через канавку, ділянка поршня позбавляється можливості охолоджуватися. Як результат – прогар і фарбування частини, що прилягає до місця витоку.

Скільки кілець потрібно для поршня? З погляду механіки, що менше кілець, то краще. Чим вони вже, тим менші втрати в поршневої групи. При зменшенні їх кількості та висоти погіршуються умови охолодження поршня, збільшуючи тепловий опір днище – кільце – стінка циліндра. Тому вибір конструкції завжди компроміс.

У циліндро-поршневої групи(ЦПГ) відбувається один з основних процесів, завдяки чому двигун внутрішнього згоряння функціонує: виділення енергії в результаті спалювання паливоповітряної суміші, яка згодом перетворюється на механічна дія- Обертання коленвала. Основний робочий компонент ЦПГ – поршень. Завдяки йому створюються необхідні згоряння суміші умови. Поршень - перший компонент, що бере участь у перетворенні отримуваної енергії.

Поршень двигуна має циліндричну форму. Розташовується він у гільзі циліндра двигуна, це рухливий елемент – у процесі роботи він здійснює зворотно-поступальні рухи та виконує дві функції.

1. При поступальний рухпоршень зменшує об'єм камери згоряння, стискаючи паливну сумішщо необхідно для процесу згоряння (в дизельних моторахзапалення суміші взагалі відбувається від її сильного стиснення).
2. Після запалення паливоповітряної суміші в камері згоряння різко зростає тиск. Прагнучи збільшити об'єм, воно виштовхує поршень назад, і він здійснює зворотний рух, що передається через коленваловий шатун.

Що таке поршень двигуна внутрішнього згоряння автомобіля?

Пристрій деталі включає три складові:

1. Днище.
2. Ущільнююча частина.
3. Спідниця.

Зазначені складові є як у цільнолитих поршнях (найпоширеніший варіант), так і в складових деталях.

Днище

Днище - основна робоча поверхня, Оскільки вона, стінки гільзи і головка блоку формують камеру згоряння, в якій відбувається спалювання паливної суміші.

Головний параметр днища - форма, яка залежить від типу двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) та його конструктивних особливостей.

У двотактних двигунахзастосовуються поршні, у яких днище сферичної форми – виступ днища, це підвищує ефективність наповнення камери згоряння сумішшю та відведення відпрацьованих газів.

У чотиритактних бензинових моторах днище плоске або увігнуте. Додатково на поверхні робляться технічні поглиблення - виїмки під клапанні тарілки (усувають можливість зіткнення поршня з клапаном), заглиблення для поліпшення сумішоутворення.

У дизельних моторах заглиблення в днищі найбільш габаритні і мають різну форму. Такі виїмки називаються поршневою камерою згоряння і призначені для створення завихрень при подачі повітря і палива в циліндр, щоб забезпечити краще змішування.

Ущільнююча частина призначена для установки спеціальних кілець (компресійних та маслознімних), завдання яких – усувати зазор між поршнем і стінкою гільзи, перешкоджаючи прориву робочих газів у підпоршневий простір та мастила – в камеру згоряння (ці фактори знижують ККД двигуна). Це забезпечує відведення тепла від поршня до гільзи.

Ущільнююча частина

Ущільнююча частина включає проточки в циліндричній поверхні поршня - канавки, розташовані за днищем, і перемички між канавками. У двотактних двигунах у проточки додатково вміщені спеціальні вставки, в які впираються замки кілець. Ці вставки необхідні для виключення ймовірності прокручування кілець і попадання їх замків у впускні та випускні вікна, що може стати причиною їхнього руйнування.


Перемичка від кромки днища і до першого кільця називається жаровим поясом. Цей пояс сприймає на себе найбільшу температурну дію, тому висота його підбирається, виходячи з робочих умов, створюваних усередині камери згоряння, та матеріалу виготовлення поршня.

Число канавок, виконаних на ущільнюючій частині, відповідає кількості поршневих кілець (а їх може використовуватися 2 - 6). Найбільш поширена конструкція з трьома кільцями — двома компресійними і одним маслознімним.

У канавці під маслознімне кільцепроробляються отвори для стеку олії, що знімається кільцем зі стінки гільзи.

Разом із днищем ущільнювальна частина формує головку поршня.

Вас також зацікавить:

Спідниця

Спідниця виконує роль напрямної для поршня, не даючи йому змінити положення щодо циліндра та забезпечуючи лише зворотно-поступальний рух деталі. Завдяки цій складовій здійснюється рухоме з'єднання поршня з шатуном.

Для з'єднання у спідниці виконані отвори для встановлення поршневого пальця. Щоб підвищити міцність у місці контакту пальця, з внутрішньої сторониспідниці зроблені особливі потужні напливи, іменовані бобишками.

Для фіксації пальця в поршні в настановних отворах під нього передбачені проточки для стопорних кілець.

Типи поршнів

У двигунах внутрішнього згоряння застосовується два типи поршнів, що розрізняються по конструктивного пристрою- Цілісні та складові.

Цілісні деталі виготовляються шляхом лиття з наступною механічною обробкою. У процесі лиття з металу створюється заготівля, якій надається загальна форма деталі. Далі на металообробних верстатах в отриманій заготовці обробляються робочі поверхні, нарізаються канавки під кільця, виробляються технологічні отворита поглиблення.

У складових елементахголовка та спідниця розділені, і в єдину конструкцію вони збираються у процесі встановлення на двигун. Причому складання в одну деталь здійснюється при з'єднанні поршня з шатуном. Для цього, окрім отворів під палець у спідниці, на головці є спеціальні вуха.

Гідність складових поршнів – можливість комбінування матеріалів виготовлення, що підвищує експлуатаційні якості деталі.

Матеріали виготовлення

Як матеріал виготовлення для цільнолитих поршнів використовуються алюмінієві сплави. Деталі з таких сплавів характеризуються малою вагою та гарною теплопровідністю. Але при цьому алюміній не є високоміцним та жаростійким матеріалом, що обмежує використання поршнів з нього.

Литі поршні виготовляються і з чавуну. Цей матеріал міцний та стійкий до високих температур. Недоліком їх є значна маса та слабка теплопровідність, що призводить до сильному нагріваннюпоршнів у процесі роботи двигуна. Через це їх не використовують на бензинових моторах, оскільки висока температура стає причиною виникнення калільного запалення (паливоповітряна суміш спалахує від контакту з розігрітими поверхнями, а не від іскри свічки запалювання).

Конструкція складених поршнів дозволяє комбінувати між собою зазначені матеріали. У таких елементах спідниця виготовляється з алюмінієвих сплавів, що забезпечує хорошу теплопровідність, а головка – із жароміцної сталі чи чавуну.

Але й у елементів складеного типу є недоліки, серед яких:

• можливість використання лише у дизельних двигунах;
• більша вага порівняно з литими алюмінієвими;
• необхідність використання поршневих кілець із жаростійких матеріалів;
• вища ціна;

Через ці особливості сфера використання складових поршнів обмежена, їх застосовують лише на великорозмірних дизельних двигунах.

Відео: Принцип роботи поршня двигуна. Пристрій

Поршень є одним із найбільш значущих елементів при перетворенні хімічної енергії палива в теплову, а потім - в механічну, як у прямому, так і в переносному значенні. Моторні характеристикибагато в чому залежить від того, наскільки добре поршень виконує свої завдання. Це визначає ефективність і, що ще важливіше, надійність двигуна. Особливе значення даний параметрприймає, коли мова йде про модифікації автомобілів в салонах тюнінгу, або про спортивне застосування. Конструктори завжди стикаються з проблемою використання спеціальних поршнівколи підвищується потужність. Поршень можна вважати однією з найскладніших моторних деталей через безліч виконуваних функцій та досить суперечливих властивостей. Це в вищого ступеняпідтверджує той факт, що дуже мало автобудівельників виготовляють поршні для своїх моторів, використовуючи лише свої сили.

У більшості випадків вони вдаються до послуг фірм, що спеціалізуються на цій справі. Про поршні ходить величезна кількість таємниць та здогадів, які створює різноманітність розмірів та форм цієї деталі. У відповідному розділі нашого сайту ви зможете знайти статтю. Виготовити поршень у стандартних умовмашинобудування в тюнінгових компаніях технічно складно практично неможливо, тому більшість компаній цією справою відмовляється займатися. До того ж, виробництво таких складних деталейпоштучно може бути обтяжливо з погляду фінансів. Інтуїтивно тюнери розуміють, що покращені двигуни повинні мати покращені поршні.

Влаштування поршнів

Давайте розглянемо докладніше, які до поршні зазвичай висуваються вимоги, і як взагалі вони влаштовані.

• Поршень, по-перше, переміщається в циліндрі, що дозволяє здійснювати механічну роботу шляхом розширення продуктів горіння палива, тобто стиснутих газів.

З цього можна зробити висновок, що він повинен чинити опір тиску газів, мати термостійкість і ущільнювати канал циліндра.

• По-друге, поршень повинен відповідати вимогам пари тертя, щоб механічні втрати та знос стали мінімальними.
• По-третє, він повинен витримувати реакцію шатуна та механічну дію з боку камери згоряння.
• По-четверте, поршень повинен мінімально навантажувати інерційними силами криво-шатунний механізм, здійснюючи з високою швидкістю поворотно-підступні рухи.

Виходить, що всі проблеми, пов'язані з цією значною частиною двигуна, можна розділити на дві категорії:

1. Це механічні процеси
2. Теплові процеси, причому перша набагато ширша за другу. Категорії мають досить тісний взаємозв'язок. Давайте детальніше розглянемо першу.

Як відомо, паливо згоряє у непоршневому просторі, і при цьому виділяє дуже велика кількістьтепла за кожного циклу роботи двигуна. Температура газів, що вже згоріли, в середньому дорівнює 2000 градусів. Частина енергії перейде рухомим частинам двигуна, а решта буде нагрівати двигун. Енергія, яка залишиться в результаті, полетить у трубу разом із обробленими газами. За законами фізики два тіла можуть передавати одне одному тепло доти, доки їх температури повністю не зрівняються. Відповідно, якщо поршень періодично не охолоджувати, через деякий час він просто розплавиться. Це дуже важливий момент розуміння принципів роботи всієї поршневої групи.

Особливо це важливо тоді, коли двигун форсується. При збільшенні потужності двигуна автоматично збільшується кількість тепла, що генерується в камері згоряння за одну тимчасову одиницю. Звичайно, ми бачимо дуже нечасто поршні в розплавленому, проте в будь-якій їхній проблемі обов'язково є згадувана температура, так само як швидкість присутня в будь-якій ДТП. Звичайно, вина тут лежить на водії, проте ніхто не постраждав, якби автомобіль стояв на місці. Справа в тому, що високі температури погіршують властивості всіх матеріалів. Навантаження 100 градусів викличе пружну деформацію, 300 градусів - деформує виріб повністю, а 450 градусів деформує її. З цієї причини потрібно або застосовувати матеріали, які можуть витримати серйозні навантаження від високих температур, або вживати заходів, що запобігають зростанню температури поршня. Зазвичай робиться і те, й інше. Проте конструкція поршня повинна бути такою, щоб у необхідних місцях була певна кількість металу, який здатний протистояти руйнуванню.

Курс загальної фізики підтверджує той факт, що тепловий потік спрямований до менш нагрітих тіл від нагрітих. Таким чином, у нас є можливість побачити, як температури розподіляються по поршні під час його роботи, і визначити значні конструктивні моменти, які впливають на його температуру, тобто зрозуміти, яким чином відбувається охолодження. Ми знаємо, що найбільше деталей нагрівається робоче тіло, тобто гази в камері згоряння. Цілком ясно, що врешті-решт тепло виявиться передано повітрі, яке оточує автомобіль - найхолоднішому, але за певних обставин нескінченно теплоємному. Обмиваючи корпус двигуна і радіатор, повітря студить блок циліндрів, рідину, що охолоджує, і корпус головки. Нам залишається тільки знайти місток, яким поршень віддає своє тепло в антифриз та блок. Для цього існую чотири шляхи. За своїм вкладом вони абсолютно різні, проте потрібно згадати про кожного з них, тому що вони мають менше або більше значення залежно від конструкції двигуна.

Перший шлях

Це поршневі кільця, що забезпечує найбільший потік. Оскільки перше кільце розташоване ближче до днища, саме воно відіграє головну роль. Це найкоротший шлях до охолоджуючої рідини через стінку циліндра. Одночасно кільця притиснуті до стінок циліндра та до поршневих канавок. Вони забезпечують понад половину всього теплового потоку.

Другий шлях

Не такий очевидний, проте недооцінити його важко. Другою рідиною для охолодження двигуна є олія. Незважаючи на свою слабку циркуляцію і відносно невеликий об'єм, масляний туман має доступ до нагрітих частин мотора. Він від найгарячіших точок забирає з собою значну частину тепла, і віддає його в піддон картера. В даному розділі нашого сайту ви зможете знайти статтю про . При застосуванні масляних форсунок, які спрямовують струмінь на внутрішню поверхню днища поршня, у теплообміні частка олії нерідко сягає 30 - 40 відсотків. Очевидно, що якщо ми навантажуємо масло більше ступеня функції теплоносія, його потрібно буде остудити. Перегріте масло не тільки втратить свої властивості, але також може призвести до несправності підшипників. І чим вищою буде температура олія, тим менше вона зможе перенести через себе тепла.

Третій шлях

Через великі бобишки в палець, потім у шатун, і вже потім у олію. Цей спосіб не такий цікавий, адже на шляху є значні теплові опори у вигляді сталевих деталей і зазорів, які мають невисокий коефіцієнт опору і значну протяжність.

Четвертий шлях

Не пов'язаний з охолоджувальною рідиною або олією. Частину тепла забирає свіжа паливоповітряна суміш, що надійшла в циліндр після такту впуску. Кількість тепла, яке забере ця суміш, залежить від ступеня відкриття дроселя та режиму роботи. Слід зазначити, що тепло, яке утворюється при згорянні, також пропорційне до заряду. Можна сказати, що даний шлях охолодження відрізняється швидкоплинністю, має імпульсний характер, високоефективний, пропорційний подальшому нагріванню, завдяки тому факту, що тепло відбирається з тієї ж сторони, з якої нагрівається поршень.

Також слід розповісти про стандартний прийом, який застосовується при налаштуванні двигунів спортивного типу. Справа в тому, що теплоємність суміші значною мірою визначається її складом. Нерідко для нормалізації роботи двигуна потрібно зовсім небагато, на 5 - 10 градусів, знизити внутрішню температуру. Досягається це за допомогою легкого збагачення суміші. Причому цей факт жодним чином не впливає на процес горіння, а температура знижується. Поріг детонації відсувається, напальне запалювання зникає. У даному випадкубуде краще трохи багатшими, ніж трохи біднішими. Мотори, які працюють на метанолі, набагато менше пред'являють вимог до системи охолодження через теплоту перетворення, яка в 3 рази більша, ніж у бензину.

Слід приділити пильну увагу процесу передачі тепла по поршневих кільцях через його більшу значущість. Цілком зрозуміло, що якщо перекрити цей шлях з якихось причин, тривалих форсованих режимів двигун уже не витримає. Температура стане дуже високою, поршень почне плавитись, а двигун зруйнується. Тепер давайте згадаємо про таку характеристику, як процесія, яка, здавалося б, ніяк не впливає на теплообмін. Якщо людина стикалася з уживаним автомобілем, вона повинна чітко уявляти, що це таке. Це дуже значущий параметр, про який бажає знати будь-який автовласник, який дбає про стан двигуна свого автомобіля. Компресія опосередковано вказує на рівень щільності поршневої групи. Це дуже важливий параметрякщо розглядати його з точки зору теплопередачі.

Уявімо ситуацію, що кільце до стінки циліндра не прилягає по всій своїй довжині. У цьому випадку гази, що згоріли, створять бар'єр, який заважатиме передачі тепла через кільце в стінку циліндра, починаючи від поршня, коли прориватимуться в щілину. Це рівнозначно тому, що ви закриєте частину радіатора автомобіля, щоб у нього не було можливості охолодитись повітрям.

Якщо у кільця немає тісного контакту з канавкою, ми спостерігатимемо ще страшнішу картину. У тих місцях, де гази мають можливість протікати через канавку повз кільця, ділянка поршня просто позбавляється можливості охолоджуватися, потрапляючи в своєрідний тепловий мішок. В результаті отримуємо фарбування та прогар частини вогневого поясу, яка прилягає до місця витоку. Саме з цієї причини так багато уваги приділяється зносу канавки та геометрії циліндра кільця. І Головна причиназовсім не погіршення енергетики. Адже невелика кількість газів, що прориваються в картер, не несе в собі достатньої енергії, щоб вплинути на втрату тиску в такті робочого ходу і, відповідно, на втрату двигуном моменту. Тим більше, якщо йдеться про високооборотний мотор. Набагато більше шкоди двигуну завдає невелика щільність у сенсі втрати надійності та жорсткості та локальних теплових навантажень. Саме з цієї причини дуже швидко ламаються відновлені методом перегильзовування блоку або заміни кілець поршні, які вже вийшли з ладу. Саме тому насамперед у спортивних моторів руйнується циліндр, який має меншу компресію.

Тут, мабуть, слід торкнутися питання, яке обов'язково обговорюється при виготовленні спеціальних поршнів для тюнінгових або спортивних додатків. Скільки саме у нового поршня буде кілець? Якої товщини будуть ці кільця? З точки зору механіки краще, коли кілець небагато. Чим вже вони будуть, тим менше втрат у поршневій групі. Однак при зменшенні товщини і висоти кілець погіршуватимуться умови охолодження поршня і збільшуватиметься тепловий опір. Тому, при виборі конструкції завжди доводиться йти на компроміс. Жорсткість рамок збільшується зі швидкохідністю двигуна. В даному розділі нашого сайту ви зможете знайти статтю про . Скоротечність процесів знижує вимоги до ущільнення. Механічні втрати ростуть разом із швидкістю, і їх потрібно зменшувати, інакше все, що перетворилося раніше на механічну потужність, просто не досягне коліс. Тим часом, кількість тепла, що виробляється, стає більше, тому охолодний місток повинен бути розширений. З цього отримуємо, що кільця мають бути як вузькими, так і широкими. Для швидкохідності їх потрібно два, а ефективності охолодження поршня - три. Знайти оптимальне вирішення цього завдання має конструктор. Результати його роботи покаже збалансованість двигуна.

На сьогоднішній день інженери, які працюють у великих наукових центрахі виробничих компаніях, мають величезний емпіричний матеріал, на основі якого створюють розрахункові методи, що дозволяють передбачити поле характеристик і температур конкретного виробу з дуже великою точністю. Це доступно небагатьом тюнінговим компаніям. У цій статті спеціально не згадується багато значень конкретних величин, які спонукали б деяких читачів взяти в руки калькулятори. Робити ж теплові розрахункина пальцях зовсім не перспективне та абсолютно нікому не потрібне заняття. Ця стаття розкриває той бік процесів, що відбуваються в двигуні, який дуже рідко розглядається, але завжди мається на увазі. Я лише хотів розкрити необхідність та важливість впливу тепла на загальну ефективність роботи двигуна. Щодо механічної частини цього питання, то про нього ми докладно поговоримо наступного разу.