Поршень є одним з елементівкривошипно-шатунного механізму, на якому заснований принцип роботи багатьох двигунів внутрішнього згоряння. У наведеній статті розглянута конструкція і особливості даних деталей.
Поршень - це деталь, що виконує в циліндрі зворотно-поступальні рухи і забезпечує перетворення в механічну роботу зміни тиску газу.
За участю цих деталей реалізуєтьсятермодинамічний процес роботи мотора. Так як поршень - це один з елементів кривошипно-шатунного механізму, він сприймає тиск, вироблене газами, і передає зусилля на шатун. До того ж він забезпечує герметизацію камери згоряння і відведення від неї тепла.
Поршень - це трьохскладена деталь, тобто йогоконструкція складається із трьох компонентів, що виконують різні функції, і дві частини: головку, в яку об'єднують днище і ущільнюючу частина, і спрямовуючу частина, представлену спідницею.
Може мати різну форму в залежності відбагатьох чинників. Наприклад, конфігурація днища поршнів двигуна внутрішнього згоряння визначається розташуванням інших конструктивних елементів, таких як форсунки, свічки, клапани, формою камери згоряння, особливостями протікають в ній процесів, загальною конструкцією двигуна і т. Д. У будь-якому випадку вона визначає особливості функціонування.
Виділяють два основних типи конфігурації днищапоршнів: опукла і увігнута. Перший забезпечує більшу міцність, але погіршує конфігурацію камери згоряння. При увігнутою формі днища камера згоряння, навпаки, має оптимальну форму, проте більш інтенсивно відкладається нагар. Рідше (в двотактних двигунах) зустрічаються поршні з днищем, представленим виступом відбивача. Це потрібно під час продування для спрямованого переміщення продуктів згоряння. Деталі бензинових двигунів зазвичай мають днище плоскою або майже плоскої форми. Іноді в них присутні канавки для повного відкриття клапанів. У моторів з безпосереднім уприскуванням поршні характеризуються більш складною конфігурацією. У дизельних двигунів вони відрізняються наявністю камери згоряння в днище, що забезпечує хороше завихрення і поліпшує сумішоутворення.
Більшість поршнів односторонні, хоча зустрічаються і двосторонні варіанти, які мають два днища.
Відстань між канавкою першого компресійногокільця і днищем носить назву вогневого пояса поршня. Дуже важливо значення його висоти, яке по-різному для деталей з різних матеріалів. У будь-якому випадку вихід висоти вогняного кільця за рамки мінімально допустимого значення може спричинити прогар поршня і деформацію посадкового місця верхнього компресійного кільця.
Тут знаходяться маслознімні і компресійнікільця. У деталей першого типу канали мають наскрізні отвори для надходження всередину поршня віддаленого з поверхні циліндра масла, звідки воно потрапляє в піддон картера. Деякі з них мають ободок до корозії чавуну з канавкою для верхнього компресійного кільця.
Поршневі кільця, що складаються з чавуну, служать длястворення щільного прилягання поршня до циліндра. Тому вони є джерелом найбільшого тертя в моторі, втрати від якого становлять 25% від загальної кількості механічних втрат в моторі. Кількість і розташування кілець визначаються типом і призначенням двигуна. Найбільш часто використовують 2 компресійних і 1 маслос'емноє кільце.
Компресійні кільця виконують завданнязапобігання надходженню газів в картер з камери згоряння. Найбільші навантаження припадають на перше з них, тому в деяких двигунах його канавку зміцнюють сталевий вставкою. Компресійні кільця можуть бути трапецієподібної, конічної, бочкообразной форми. Деякі з них мають виріз.
Маслос'емноє кільце служить для видалення зайвого масла з циліндра і перешкоджає його проникненню в камеру згоряння. Для цього в ньому є отвори. Деякі варіанти мають пружинний розширювач.
Має бочкообразную (криволінійну) абоконусоподібну форму для компенсації температурного розширення. На ній знаходяться два припливу для поршневого пальця. На цих ділянках спідниця має найбільшу масу. До того ж там спостерігаються найбільші температурні деформації при нагріванні. Для їх зниження використовують різні заходи. У нижній частині спідниці може перебувати маслос'емноє кільце.
Для передачі зусилля від поршня або до ньогозастосовують найчастіше кривошип або шток. Поршневий палець служить для з'єднання даної деталі з ними. Він складається зі сталі, має циліндричну форму і може бути встановлений декількома способами. Найчастіше використовують плаваючий палець, який може провертатися в процесі роботи. Для запобігання зсуву його фіксують стопорними кільцями. Жорстке закріплення застосовують значно рідше. Шток в деяких випадках виконує функцію направляючого пристрою, замінюючи спідницю поршня.
Поршень двигуна може складатися з різнихматеріалів. У будь-якому випадку вони повинні володіти такими якостями, як висока міцність, хороша теплопровідність, антифрикційні властивості, опірність корозії і низькі коефіцієнт лінійного розширення і щільність. Для виробництва поршнів використовують сплави алюмінію і чавун.
Відрізняється великою міцністю, зносостійкість іневисоким коефіцієнтом лінійного розширення. Остання властивість забезпечує можливість роботи таких поршнів з малими зазорами, завдяки чому досягається гарне ущільнення циліндра. Однак внаслідок значної питомої ваги чавунні деталі використовують лише в тих двигунах, де зворотно рухомі маси мають сили інерції, які становлять не більш шостий частини сил тиску на днище поршня газів. Крім того, через низьку теплопровідність розігрів днища чавунних деталей в процесі роботи двигуна досягає 350-450 °З, що особливо небажано для карбюраторних варіантів, так як призводить до гартівного запалення.
Даний матеріал використовують для поршнів найбільшчасто. Це пояснюється невеликою питомою вагою (алюмінієві деталі легше чавунних на 30%), високою теплопровідністю (в 3-4 рази більше, ніж у чавуну), що забезпечує розігрів днища не більше ніж до 250 ° С, що надає можливість зрення степіві стиснення і забезпечує кращее наповненняе цилиндров, і високими антифрикційніми властивостями. При цьому алюміній має більший в 2 рази, ніж у чавуну, коефіцієнт лінійного розширення, Що змушує робити великі проміжки зі стінками циліндрів, тобто розміри поршнів з алюмінію менше, ніж з чавуна, для однакових циліндрів. До того ж такі деталі іМають меншу міцність, особливо в нагрітому стані (при 300 ° С вона знижується на 50-55%, тоді як у чавунних - на 10%).
Для зниження ступеня тертя стінки поршнів покривають антифрикційним матеріалом, в якості якого використовують графіт і дисульфід молібдену.
Як було згадано, в процесі роботи двигуна поршні можуть розігріватися до 250-450 ° С. Тому необхідно вживати заходів, спрямованих як на зниження нагріву, так і на компенсацію викликається ним температурного розширення деталей.
Для охолодження поршнів використовують масло, якерізними способами подають всередину них: створюють масляний туман в циліндрі, розбризкують його через отвір в шатуне або форсункою, впорскують в кільцевої канал, забезпечують циркуляцію по трубчастого змійовика в днище поршня.
Для компенсації температурних деформацій на ділянках припливів спідниці з двох боків обточують метал на 0,5-1,5 мм в глибину у вигляді П-або Т-образних прорізів. Такий захід поліпшує її змазування і запобігає появае від температурних деформацій задирів, тому данние поглиблення називають холодильниками. їх використовують в поєднанні з конусо- або бочкообразной формою спідниці. Це компенсує її лінійне розширення за рахунок того, що при нагріванні спідниця приймає циліндричну форму. Крім того, використовують компенсаційні вставки, Щоб діаметр поршня відчував обмежене Тепловое расширение в площині гойдання шатуна. Також можна ізолювати направляючу частина від головки, що відчуває найбільший нагрів. Нарешті, стінок спідниці додають пружні властивості шляхом нанесення косого розрізу по всій її довжині.
За способом виготовлення поршні поділяють на литі і ковані (штамповані). Деталі першого типу застосовують на більшостейе автомобілів, а заміна поршнів на кованівикористовується при тюнінгу. Ковані варіанти відрізняються підвищеною міцністю і довговічністю, а також меншою масою. Тому установка поршнів такого типу підвищує надійність і продуктивність двигуна. Це особливо важливо для моторів, що працюють в умовах підвищених навантажень, в той час як для повсякденної експлуатації досить литих деталей.
Поршень - це багатофункціональна деталь. Тому його використовують не тільки в двигунах. Наприклад, існує поршень супорта гальмівної системи, так як вона функціонує аналогічним чином. також кривошипно-шатунний механізм застосовують на деяких моделях компресорів, насосів та інше обладнання.
