Конструкция поршня двс: конструктивные элементы, признаки и причины их износа

Содержание

Поршень двигателя: строение, принцип работы, неисправности


В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ — поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень — первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.

Поршень двигателя имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и выполняет две функции.

  1. При поступательном движении поршень уменьшает объем камеры сгорания, сжимая топливную смесь, что необходимо для процесса сгорания (в дизельных моторах воспламенение смеси и вовсе происходит от ее сильного сжатия).
  2. После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.

Конструкция поршня

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.

Днище

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.

Уплотняющая часть

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 часть

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.

Методы охлаждения и смазывания цилиндро-поршневой группы

В каждом цикле работы двигателя сгорает большое количество топливно-воздушной смеси. При этом все детали цилиндро-поршневой группы испытывают экстремальные температурные воздействия, поэтому нуждаются в эффективном охлаждении – воздушном или жидкостном.

Наружная поверхность цилиндров ДВС с воздушным охлаждением покрыта множеством ребер, которые обдувает встречный или искусственно созданный воздухозаборниками воздух.

При водяном охлаждении жидкость, циркулирующая в толще блока, омывает нагретые цилиндры, забирая таким образом излишек тепла. Затем жидкость попадает в радиатор, где охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Второй по важности момент после отвода тепла – система смазки цилиндров. Без нее поршни рано или поздно подвергаются заклиниванию, что может привести к поломке двигателя.

Для того чтобы масляная пленка дольше удерживалась на внутренних поверхностях цилиндров, их подвергают хонингованию, т.е. нанесению специальной микросетки. Стабильность слоя масла гарантирует не только максимально низкое трение в паре «поршень-цилиндр», но и способствует отведению лишнего тепла из ЦПГ.

Принцип работы поршня

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 . 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.

Цилиндр и поршень: что нужно знать об этих деталях и как продлить срок их службы?

Смотрите также

Цилиндр и поршень – ключевые детали любого двигателя. В замкнутой полости цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Газы, образующиеся при этом, воздействуют на поршень – он начинает двигаться и заставляет вращаться коленчатый вал.

Цилиндр и поршень обеспечивают оптимальный режим работы двигателя в любых условиях эксплуатации автомобиля.

Рассмотрим эту пару подробнее: конструкцию, функции, условия работы, возможные проблемы при эксплуатации элементов ЦПГ и пути их решения.

Причины износа поршня

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.

Конструкционные материалы деталей ЦПГ

Сегодня цилиндры и поршни двигателя чаще всего производят из алюминия или стали с различными присадками. Иногда для внешней части блока цилиндров используют алюминий, имеющий небольшой вес, а для гильзы, контактирующей с движущимся поршнем, – более прочную сталь.

В отличие от чугуна, который применялся ранее для изготовления деталей ЦПГ, внедрение алюминия – намного более легкого, но износостойкого материала – стало толчком к появлению мощных и высокооборотистых двигателей.

Современные автомобили, особенно с дизельными двигателями, все чаще оснащаются сборными поршнями из стали. Они имеют меньшую компрессионную высоту, чем алюминиевые, поэтому позволяют использовать удлиненные шатуны. В результате боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр» существенно снижаются.

Поршневые кольца, наиболее подверженные износу и деформациям, производят из специального высокопрочного чугуна с легирующими добавками (молибденом, хромом, вольфрамом, никелем).

Значительные механические и тепловые циклические нагрузки отрицательно сказываются на работоспособности элементов цилиндро-поршневой группы. В то же время от их состояния напрямую зависит стабильная компрессия двигателя, обеспечивающая его уверенный холодный и горячий запуск, мощность, экологичность и другие эксплуатационные показатели.

Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы.

  • обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
  • отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
  • обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания

Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях — при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы — термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами — литьем или штамповкой.

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. Стальная вставка
  7. Компрессионное кольцо первое
  8. Компрессионное кольцо второе
  9. 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.

Не буду растягивать вступление, кратко расскажу, о чем будет этот большой пост. И так речь идет о типах поршней, четырех тактные бензиновые, дизельные и двух тактные, Основная задача всех рассмотренных типов поршней , это контролировать тепловое расширение и противостоять определенной нагрузке, ниже разберемся как это решается.

Поршни для четырехтактных бензиновых двигателей

В современных бензиновых двигателях используют поршни с симметричной или асимметричной юбкой

с различной толщиной днища и юбки поршня.

Поршни управляемого расширения

Поршни с кольцевой вставкой, которая управляет тепловым расширением.
Вставки выполнены из серого чугуна. Главная цель этого кольца уменьшить тепловое расширение алюминиевого сплава поршня, так как чугун имеет относительно небольшое расширение и малую теплопроводность, вставка тем самым сдерживает металл сохраняя форму. Производство таких поршней более затратное, соответственно и выше цена готового продукта. Основной недостаток, это невозможность изготовления кованного поршня, так необходимого для турбированых двигателей, большая масса поршня. Такой тип поршней больше уходит в далекое прошлое.

Авто термические поршни

Авто термические поршни, имеют разделение(пропил) между кольцевым поясом и юбкой в канавке маслосъемного кольца, юбка держится в районе бобышек. Это позволяет снизить теплопередачу от кольцевого пояса поршня к его юбке, тем самым достигается более стабильная форма юбки. Стальная вставка в районе бобышек, контролирует тепловое расширение и увеличивает прочность. Такие поршни не способны выдерживать огромные нагрузки из-за «пропила», в работе отличаются низким шумом и относятся к более современным типам.

Поршни Autothermatik

Действуют по такому же принципу, как и авто
термические поршни, но не имеют пропила в маслосъемной канавке. Так же имеют стальные пластины в районе бобышек. Более прочные из-за целостности кольцевого пояса и юбки, лучше выдерживают боковые нагрузки по сравнению с первым вариантом. Применяются как в бензиновых, так и частично в дизельных двигателях.

Чем- то похожи на авто термические, но вместо пропила в юбке имеют стальную вставку по всему диаметру. Таким образом ограничивая температурный переход от кольцевого пояса к юбке и контролирую форму по всей окружности.

Этот тип поршней имеет большой холодильник и узкую часто овальную форму юбки. Поршень спроектирован так что при тепловом расширении он меняет свою форму из овальной в правильную круглую.

В дополнение к такому типу поршней еще есть вариант со скошенной юбкой к вершине поршня. имеет более широкую часть юбки снизу сужаясь к кольцевому поясу.

У поршней для двигателей с очень высокой выходной мощностью (больше, чем 100 кВт/л) может быть выполнен охлаждающий канал.

Самый большой потенциал для того, чтобы уменьшить поршневую массу в четырехтактных бензиновых двигателях несут в себе поршни EVOTEC®, в котором прежде всего стоит отметить трапециевидные поддержки бобышек, что позволяет расположить палец особенно глубоко, близко к днищу, сократив всю длину и массу поршня. В посте Масса поршня мы уже говорили о достоинстве такого расположения пальца. Такое расположение стенок юбки позволяет очень хорошо усилить верхнюю часть бобышек имея небольшую толщину перегородок и облегчить нижнюю выполнив поршень асимметричной формы. Юбка достаточно узкая и на краях имеет прочные перегородки, переходящие к бобышкам, это тоже является большим плюсом. Такая компоновка поршня очень хорошо препятствует боковым нагрузкам, мала вероятность деформации юбки, при этом толщина юбки намного меньше чем в обычном поршне, что тоже сокращает общий вес. На всем фоне отмеченных выше достоинств поршень значительно похудел, это позволяет сделать бобышки тоньше, так как инерционная нагрузка на нижние стенки бобышек стала меньше.

Кованные алюминиевые поршни

В двигателях с очень большими удельными нагрузками — такими как турбонадув или впрыск закиси азота используют кованные поршни . Преимуществом несомненно является прочность кованного алюминиевого сплава. Выдерживают более высокую температуру и лучше противостоят детонации. Из недостатков отмечается более высокая цена, невозможность применения некоторых технологий, например, некоторые из тех что описаны выше из-за технологического процесса изготовления.

Кованный поршень для Формулы 1

В следующем посте поговорим о поршнях для двухтактных и дизельных двигателей, где нагрузки и температуры еще больше.

Думаю, любой автомобилист, скорее всего знает как выглядит поршень. Но на этом, как правило, познания о главной детали двигателя и заканчиваются. Поэтому восполним пробел и поговорим о назначении поршня, его конструктивных особенностях и материалах для изготовления.

Как выглядит поршень? Сложная деталь. Это подтверждает такой факт – очень мало автомобилестроителей сами изготавливают поршни, поручая это специализированным производителям.

А еще – это главное звено в процессе превращения химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую.

Поршень, я бы сказал, это красивая деталь цилиндрической формы, она выполняет умопомрачительные возвратно-поступательные движения в цилиндре, принимает на себя высокие температуры и изменения давления газа, превращая все это в механическую работу.

То есть, вот какою работу выполняет поршень:

  • принимает на себя давление газов из камеры сгорания и передает это давление на коленчатый вал двигателя;
  • обеспечивает жесткий процесс микровзрывов в цилиндре, при этом герметично изолируя надпоршневую полость от подпоршневого пространства, предохраняя от попадания газов в кратер, а смазочного масла в камеру сгорания.

Как выглядит поршень. Конструкция

Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG

  1. головка поршня;
  2. палец;
  3. стопорное кольцо;
  4. бобышки;
  5. головка шатуна;
  6. юбка; вставка стальная;
  7. трапециевидноекомпрессионное кольцо;
  8. коническое с подрезом компрессионное кольцо;
  9. маслосъемное кольцо с пружинным расширителем

Поршень состоит из днища, уплотняющей части с поршневыми кольцами для создания компрессии и удаления масла, и направляющей части (юбки).

В средней части поршня (зона юбки) находятся бобышки с отверстиями для пальца и стопорных колец.

Рабочее днище

Знаете как выглядит поршень и как называется эта часть? Эта часть детали служит для приема усилия от давления газов в камере сгорания и называется рабочее днище . Ее форма зависит от геометрии этой камеры и размещения клапанов.

В случае, когда днище вогнутое, форма камеры сгорания напоминает сферическую. Это увеличивает ее поверхность, но ведет к возрастанию образования нагара, а прочность вогнутого днища ниже, чем плоского.

Выпуклое днище делает камеру сгорания щелевидной формы, что приводит к ухудшению процесса завихрения смеси и охлаждения самого днища, хотя нагарообразование снижается.

Кроме того, такая форма днища уменьшает массу поршня при достаточной прочности.

Плоское днище по своим показателям промежуточный вариант между двумя предыдущими и чаще используется в карбюраторных двигателях.

В дизельных моторах разнообразие форм днищ еще больше, они изменяются в зависимости от степени сжатия, метода образования смеси, расположения форсунок и многих других факторов.

Уплотнительный сектор

Головка поршня герметизирует подвижное соединение поршня с цилиндром за счёт поршневых колец, которые установлены в специальных канавках. В верхних канавках вставлены компрессионные кольца, а в нижней – маслосъёмное кольцо. В канавке для маслосъёмного кольца есть сквозные отверстия, через них происходит отвод излишков масла во внутреннюю полость поршня.

Направляющая юбка, бобышки

Участок поршня, расположенный ниже маслосъемного кольца, называют юбкой поршня, а еще тронковой или направляющей частью.

Ее функция – удержание поршня в нужном направлении и восприятие боковых нагрузок.

С внутренней стороны на юбке есть приливы – бобышки, в них просверлены отверстия для поршневого пальца. А для его фиксации в отверстиях проточены канавки, для запирания пальца стопорными кольцами.

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.

На современных двигателях немецких марок – Ауди, Фольксваген, Мерседес нет чугунных гильз. Алюминиевые цилиндры там обработаны специальным способом, так что поверхность стенок получается очень твёрдая и имеет сопротивление износу даже выше чем при установке чугунных гильз.

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 и . Дерзайте, жмите на ссылку!

До новых встреч, друзья!

Конструкция поршня ВАЗ

Поршневая группа двигателя включает в себя — поршень, поршневые кольца и поршневой палец. Общая конструкция поршневой группы сложилась еще в период появления первых двигателей внутреннего сгорания. С тех пор ни один из элементов поршневой группы не утратил своего функционального назначения.

Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.

Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуемы. Вот некоторые требования, которым должна соответствовать эта деталь:

Температура в камере сгорания может достигать более 2000°С а температура поршня, без риска потери прочности материала, не должна превышать 350°С;

После сгорания бензино-воздушной смеси, давление в камере сгорания может достигать 80 атмосфер. При таком давлении, оказываемое на днище усилие, будет составлять свыше 4-х тонн. Толщина стенок и днища поршня должна обеспечивать возможность выдерживать значительные нагрузки. Но любое увеличение массы изделия приводит к увеличению динамических нагрузок на элементы двигателя, что в свою очередь, ведет к усилению конструкции и росту массы двигателя;

Зазор между поршнем и поверхностью цилиндра должен обеспечивать эффективную смазку и возможность перемещения с минимальными потерями на трение. Но в тоже время зазор должен учитывать тепловое расширение и исключить возможность заклинивания.

Изготовление должно быть достаточно дешевым и отвечать условиям массового производства.

Очертания поршня за более стопятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.

В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение.

Днище поршня – поверхность, обращенная к камере сгорания. Днище, своим профилем, определяет нижнюю поверхность камеры сгорания.

Форма днища зависит от формы камеры сгорания, расположения клапанов, от особенности подачи топливо-воздушной смеси в камеру сгорания и объема самой камеры.

маркировка поршней

Днища разных моделей применяемых на двигателях ВАЗ приведены на рисунке. Поршни ВАЗ 21213 и ВАЗ 21230 отличаются нанесенной маркировкой.

Маркировка наносится на поверхность рядом с отверстием под поршневой палец.

На поршне ВАЗ 21213 нанесены цифры -«213», на модели ВАЗ 2123 — «23».

На модели ВАЗ 21080, ВАЗ 21083, ВАЗ 21100 нанесена соответствующая маркировка — «08»,»083″, «10».

Поршень 2108 имеет диаметр 76мм, модели 21083 и 2110 — 82мм.

Поршни ВАЗ 2112 и ВАЗ 21124, имеют соответствующую маркировку — «12»и «24» и отличаются глубиной выборки под клапана.

Модели 21126 и 11194 отличаются диаметром.

маркировка поршней ваз 2106, подгруппа

Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители. Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.

«Жаровым поясом»(огневым) , называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.

Уплотняющий участок — это участок канавок, расположенных на боковой цилиндрической поверхности поршня. Канавки предназначены для установки поршневых колец. Поршневые кольца обеспечивают подвижное уплотнение. На всех моделях для двигателей ВАЗ, выполнены две канавки под компрессионные кольца и одна канавка под маслосъемное кольцо.

В канавке под маслосъемное кольцо есть отверстия, через которые отводится излишек масла во внутреннюю полость поршня. Уплотняющий участок выполняет еще одну очень важную функцию — через установленные поршневые кольца, осуществляется отвод значительной части тепла от поршня к цилиндру. Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведет к его прогоранию.

По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок. Для обеспечения работоспособности, торцевой зазор первого компрессионного кольца в канавке должен составлять 0,045-0,070мм.

Для второго компрессионного кольца зазор — 0,035-0,060мм, для маслосъемного – 0,025-,0050мм. Между внутренней поверхностью кольца и канавки должен быть радиальный зазор — 0,2-0,3мм.

Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.

Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня .

«Юбкой », называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности. Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока.

Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий. На поверхность юбки(или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.

Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия созданные на основе графита и дисульфида молибдена. Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.

Одним из факторов определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения. Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ а возможно и заклинивание.

Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.

В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ. На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова. В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании.

У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции, основанных на новых научных разработках.

В процессе работы, различные участки поршня нагреваются не равномерно, следовательно, и тепловое расширение будет больше там, где выше температура и больше объем металла.

В связи с этим, на уровне днища размер выполняют меньшим, чем диаметр в средней части. Таким образом, в продольном сечении профиль будет коническим. Нижняя часть юбки тоже может иметь меньший диаметр. Это позволяет, при движении вниз, в пространстве между юбкой и цилиндром, создавать масляный клин, который улучшает центрирование в цилиндре.

Для компенсации тепловых деформаций, в поперечном сечении поршень выполнен виде овала. Это связано с тем, что в районе бобышек под поршневой палец сосредоточен значительный объем металла. При нагреве, в плоскости поршневого пальца, расширение будет осуществляться в большей степени. Овальность и бочкообразность детали в холодном состоянии, позволяет иметь поршень, приближающийся к цилиндрической форме, при работающем двигателе.

Такая форма изделия создает сложности при контроле его диаметра. Фактический диаметр можно определить, только замеряя его в плоскости перпендикулярной оси отверстия под поршневой палец на определенном расстоянии от днища.

При этом, для разных моделей это расстояние будет отличаться. Тепловые нагрузки порождают еще одну проблему. Поршни изготавливают из алюминиевого кремнесодержащего сплава, а для блока цилиндров используют чугун. У этих материалов разная теплопроводность и разный коэффициент теплового расширения. Это приводит к тому, что в начале работы двигателя, поршень нагревается и увеличивается в диаметре быстрее, чем увеличивается внутренний диаметр цилиндра.

При и без того малых зазорах, это может приводить к повышенному износу цилиндров, а в худшем случае, к заклиниванию поршня. Для решения этой проблемы, во время отливки поршня, в тело заготовки внедряют специальные стальные или чугунные элементы, которые сдерживают резкое изменение диаметра. Для уменьшения теплового расширения и отвода тепла, на некоторых типах двигателя, используются системы подачи масла во внутреннюю полость поршня.

Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и верхней головки шатуна. Во время работы двигателя, на поршневой палец воздействуют значительные переменные силы.

Палец и отверстия под палец должны сопрягаться с минимальным зазором, обеспечивающим смазку. На двигателях ВАЗ используется два типа шарнирного соединения «поршень-палец-шатун». На поршнях моделей 2101, 21011, 2105, 2108, 21083 – палец устанавливается в верхней головке шатуна по плотной посадке, исключающей его вращение. Отверстие в поршне под поршневой палец выполнено с зазором, обеспечивая свободное вращение.

В дальнейшем от этой схемы отказались и перешли на схему с «плавающим» пальцем. На поршнях моделей 21213, 2110, 2112, 21124, 21126, 11194, 21128 – палец устанавливается с минимальным зазором и в головке шатуна, и в отверстиях поршня. Для исключения осевого смещения пальца, в поршне, в отверстиях под поршневой палец устанавливаются стопорные кольца. Во время работы, у пальца есть возможность проворачиваться, обеспечивая равномерный износ поверхностей.

Для обеспечения надежной смазки пальцев, в бобышках предусмотрены специальные отверстия.

По результатам фактического замера отверстия под поршневой палец, поршням присваивается одна из трех категорий(1-я, 2-я, 3-я). Разница в размерах для категорий составляет — 0,004мм. Номер категории клеймится на днище. Для обеспечения необходимого зазора, поршневые пальцы, по наружному диаметру подразделяются на три класса.

Отличие в размерах составляет — 0,004 мм. Маркировка класса производится краской по торцу пальца: синий цвет — первый класс, зеленый — второй, красный — третий класс. При сборке, поршню первой категории должен подбираться палец первого класса и т.д.

Особенностью работы шатунного механизма, является то, что до достижения верхней мертвой точки, поршень прижат к одной стороне цилиндра, а после прохождения ВМТ – к другой стороне цилиндра.

При приближении к верхней мертвой точке, на поршень действует максимальная нагрузка, следовательно растет сила давления на палец. Возростающие силы трения препятствуют повороту поршня на пальце. При таких условиях поворот может происходит скачкообразно, со стуком о стенку цилиндра.

Для того, чтобы снизить динамические нагрузки и шум, применяют поршни со смещенным отверстием под поршневой палец. Ось отверстия смещена в горизонтальной плоскости от оси поршня. В работающем двигателе это приводит к возникновению момента силы, который облегчает преодоление сил трения. Такое конструктивное решение позволяет добиться плавности, при смене точек контакта поршня с цилиндром.

На такие изделия обязательно наносится метка для правильной ориентации при его установке. Однако, чем больше будет износ цилиндров и юбки, тем в большей степени будет проявляться стук в цилиндре.

Существуют поршни, в которых применяется не только горизонтальное смещение оси пальца, но и вертикальное. Такое смещение ведет к уменьшению компрессионной высоты.

Поршни, с дополнительным смещением оси отверстия под палец вверх, применяются для тюнинговой доработки двигателя. В качестве основной характеристики для таких поршней используется величина смещения, указывающая на сколько смещен центр отверстия под палец, по сравнению со стандартным изделием.

На рынке продаж, поршень представлен значительным количеством отечественных и иностранных производителей. Независимо от производителя, они должны соответствовать требованиям, рассчитанным для конкретной модели двигателя. Поршни, входящие в комплект, не должны отличаться по массе более чем на ±2,5 грамм. Это позволит снизить вибрации работающего двигателя. Для розничной сети, в комплекты подбираются поршни одной весовой группы. В случае необходимости можно осуществить подгонку поршня по массе.

Зазор между цилиндром и поверхностью поршня должен соответствовать величине установленной для данной модели двигателя.

Поршни номинального размера по своему диаметру относят к одному из пяти классов. Различие между классами составляет 0,01 мм.

Классы маркируются на днище буквами — (А, В, С, D, Е).

В качестве запасных частей поставляются поршни классов — А, С, Е. Этих размеров достаточно, чтобы осуществить подбор деталей для любого блока цилиндров и обеспечить необходимый зазор.

Поршни ВАЗ 11194 и ВАЗ 21126 имеют только три класса (A, B, C) с размерным шагом — 0,01 мм. Кроме номинальных размеров, изготавливаются поршни 2-х ремонтных размеров, с увеличенным наружным диаметром на 0,4 и 0,8 мм.

Для распознавания, на днищах ремонтных изделий ставится маркировка: символ «треугольник» соответствует первому ремонтному размеру(с увеличением наружного диаметра на 0,4 мм), символ «квадрат» — увеличение диаметра на 0,8 мм. До 1986 г. ремонтные размеры отличались от современных.

Так для двигателя 2101 существовало три ремонтных размера: на 0,2мм., 0,4мм., 0,6 мм; для двигателя 21011 два размера: 0,4 мм. и 0,7 мм.

В качестве материала для изготовления поршней применяются сплавы алюминия. Использование кремния в составе сплава, позволило снизить коэффициент теплового расширения и увеличить износостойкость.

Сплавы, где содержание кремния может достигать 13%, называют – эвтектическими. Сплавы с более высоким содержанием кремния относят к заэвтектическим сплавам. Повышение процента содержания кремния улучшает теплопроводные характеристики, однако приводит к тому, что при охлаждении в сплаве происходит выделение кремния в виде зерен размером 0.5-1.0мм.

Это приводит к ухудшению литейных и механических свойств. Для улучшения физико-механических свойств, в сплавы вводят легирующие добавки меди, марганца, никеля, хрома.

Существует два основных способа получения заготовки поршня. Отливка в кокиль – специальную форму, является более распространенным способом. Другой способ — горячая штамповка(ковка). После этапов механической обработки, изделие подвергают термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для снятия остаточных напряжений в металле.

Структура кованого металла позволяет повысить прочностные характеристики изделия. Но есть существенные недостатки кованых изделий классической конструкции(с высокой юбкой)– они получаются более тяжелыми. Кроме того, в кованных деталях, невозможно использовать термокомпенсирующие кольца или пластины. Увеличенный объем металла ведет к увеличенной тепловой деформации и необходимости увеличивать зазор между поршнем и цилиндром.

И как следствие – повышенный шум, износ цилиндров, расход масла. Применение кованых поршней оправдано в тех случаях, когда большую часть времени двигатель автомобиля эксплуатируется на предельных режимах.

В современном конструировании поршней, наблюдаются следующие тенденции: уменьшение веса, использования «тонких» поршневых колец, уменьшение компрессионной высоты, использование коротких поршневых пальцев, применение защитных покрытий.

Все это, нашло свое применение, в конструкции Т-образных поршней. Наименование конструкции обусловлено схожестью профиля детали с буквой «Т». На этих изделиях, юбка уменьшена и по высоте и по площади направляющей части. В качестве материала для изготовления таких поршней используется заэвтектический сплав, с большим содержанием кремния. Поршни Т-образной конструкции практически всегда изготавливаются горячей штамповкой.

Принятие разработчиками решения о применении той или иной конструкции поршня всегда предшествует расчет и глубокий анализ поведения всех узлов шатунно-поршневой группы.

Детали современных двигателей рассчитаны на пределе возможностей конструкции и материалов. В таких расчетах предпочтение отдается конструкциям с минимальной стоимостью обеспечивающих утвержденный ресурс и не более. Поэтому любое отклонение от штатных режимов работы двигателя ведет к сокращению ресурса тех или иных деталей и узлов.

Вопрос-ответ

Для чего выемки на поршнях ваз?

Это выемки под клапана. Для того что бы не погнуло клапана при обрыве.

Поршень занимает центральное место в процессе преобразования энергии топлива в тепловую и механическую. Поговорим про поршни двигателя, что это такое и как они работают.

Что это такое?
Поршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра двигателя. Нужен для изменения давления газа в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. Т.е. он передаёт на шатун усилие, возникающее от давления газов и обеспечивает протекание всех тактов рабочего цикла. Он имеет вид перевёрнутого стакана и состоит из днища, головки, направляющей части (юбки).

В бензиновых моторах применяются поршни с плоским днищем из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. Хотя на некоторых современных авто делают специальные выемки под клапаны. Это нужно, чтобы при обрыве ремня ГРМ поршни и клапана не встретились и не повлекли серьёзный ремонт. Днище поршня дизеля делают с выемкой, которая зависит от степени смесеобразования и расположения клапанов, форсунок. При такой форме днища лучше перемешивается воздух с поступающим в цилиндр топливом.

Поршень подвержен действию высоких температур и давлений. Он движется с высокой скоростью внутри цилиндра. Поэтому изначально для автомобильных двигателей их отливали из чугуна. С развитием технологий стали использовать алюминий, т.к. он давал следующие преимущества: рост оборотов и мощности, меньшие нагрузки на детали, лучшую теплоотдачу.


С тех пор мощность моторов выросла многократно. Температура и давление в цилиндрах современных автомобильных двигателей (особенно дизельных моторов) стали такими, что алюминий подошёл к пределу своей прочности . Поэтому в последние годы подобные моторы оснащаются стальными поршнями, которые уверенно выдерживают возросшие нагрузки. Они легче алюминиевых за счет более тонких стенок и меньшей компрессионной высоты, т.е. расстояния от днища до оси алюминиевого пальца. А еще стальные поршни не литые, а сборные.

Помимо прочего, уменьшение вертикальных габаритов поршня при неизменном блоке цилиндров дает возможность удлинить шатуны. Это позволит снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр, что положительно скажется на расходе топлива и ресурсе двигателя. Или, не меняя шатунов и коленвала, можно укоротить блок цилиндров. Таким образом облегчим мотор.

Какие требования?
  • Поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен быть устойчивым к высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
  • Он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износа.
  • Испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.
  • Совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.
Основное назначение
Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя . Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель. То, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.

Еще раз повторим известный факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым.


Наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что тепло будет передано окружающему воздуху – самому холодному. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, остудит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Остается найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток , – это поршневые кольца . Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.

Второй путь менее очевиден. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит и отдает в поддон картера значительную часть тепла от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло функцией теплоносителя, мы должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести.

Третий путь. Часть тепла отбирает на нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит импульсный характер; отличается скоротечностью и высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

В силу большей значимости следует уделить пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Понятно, что если этот путь мы перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.


Вспомним такую характеристику, как компрессия . Представим, что кольцо не прилегает по всей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это то же самое, как если бы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается возможности охлаждаться. Как результат – прогар и выкрашивание части, прилегающей к месту утечки.

Сколько колец нужно для поршня? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. При уменьшении их количества и высоты ухудшаются условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.

Принцип работы двигателя со встречным движением поршней

Уникальные двигатели с поршнями напротив друг друга: Видео

 

Двигатели с расположенными напротив друг друга горизонтально лежащими поршнями имеют два распространенных в мире названия. У нас их называют оппозитными моторами. На английский же манер их название звучит как «boxer engine», поскольку движение их противолежащих цилиндров напоминает боксерскую пробивку. Но на самом деле, не тому двигателю американцы дали «боксерское» название. Уж, если кто и был достоин носить такой титул, так это герой нашей сегодняшней небольшой статьи, у которого поршни и в самом деле летят на встречу друг другу, в большом едином для них цилиндре. Это силовые агрегаты со встречным движением поршней (ПДП, двигатель с противоположно-движущимися поршнями) или как их еще называют: противоположено-поршневые двигатели. Их работа действительно завораживает:

 

 

Эти силовые агрегаты насчитывают историю протяженностью более 117 лет (паровые аналоги схожей по концепции конструкции были замечены уже в конце 1800-х годов). Причем самое поразительное, что с момента появления первого экземпляра карбюраторного двигателя подобной конструкции во Франции (концепцию и рабочий прототип был разработан компанией Gobron-Brillie), до последних наработок до 2015 года включительно, компанией «Achates Power» занимающейся проблемой внедрения оппозитно-поршневых силовых агрегатов, этот тип двигателей непрерывно улучшался и множество раз попадал в поле зрения как гражданских (редко), так и военных производителей (чаще всего, разработки для военных ведутся по сей день). Но реальной популярности уникальный поршневой двигатель внутреннего сгорания так и не добился.

 

Интересно, что большой вклад в такую необычную конструкцию ДВС внес инженер Коломенского завода, Раймонд Александрович Корейво, построивший первый в мире дизельный прототип подобного двигателя. Модель оказалась настолько удачной, что немецкая компания Junkers не смогла устоять от соблазна перенять конструкцию. Не остановил немцев даже патент, дальновидно полученный русским инженером во Франции. Патентное право в те времена в будущем ЕС работало не очень хорошо.

 

Далее и параллельно с этим конструкция двигателей развивалась в США, Англии, Германии. Позднее, работы по модернизации и применению моторов на военной технике, в том числе на самолетах, судах и танках проводились в СССР.

 

По своей конструктивной сути, двигатель внутреннего сгорания с движущимися навстречу друг другу поршнями, это двухтактный мотор без головки блока цилиндров у которого установлены два отдельных коленчатых вала, на которых две пары поршней соединены с поршнями, работающими в одном цилиндре.

 

Поршни встречаются (зазор при работе получается настолько минимальный, что они буквально касаются друг друга) в центре цилиндра. Там расположена верхняя мертвая точка (ВМТ) обоих поршней. Топливовоздушная смесь подается через отверстия по бокам цилиндра. Через них же, выпускаются отработавшиеся газы, толкаемые движением поршней.

 

Вот упрощенная схема работы данного типа ДВС:

 

Поскольку эти двигатели двухтактные, они редко использовались в автомобильной промышленности, поскольку не соответствовали элементарным экологическим допускам и подходили только для дешевых автомобилей низшего класса в прошлом. Они много дымили, надрывно рычали, но ехали посредственно.

 

К минусам также можно было отнести повышенный расход топлива и сложность конструкции с двумя кривошипами двухпоршневой системы. Это сделало конструкцию прошлых лет неоправданно дорогой и сложной в изготовлении по сравнению с небольшими компактными двухтактными моторами.

 

Однако, со современными материалами и опытом доводки более чем столетней конструкции у подобных поршневых ДВС есть и неоспоримые преимущества. Так, прототипы дизельных двигателей с вертикально ориентированными цилиндрами от компании Achates Power имеют крайне высокую степень тепловой эффективности, от 40 до 50%, в основном за счет меньшей площади стенок цилиндров. При условии, что обычный четырехтактный дизельный мотор обладает лишь 35 процентной эффективностью, прибавка в 5 или даже 15% является значительной.

 

Плюс к этому, конструкция облегчается и несколько упрощается за счет отсутствия головки блока цилиндров, коромысел распредвала, клапанов, пружин клапанов и т.д.

 

У мотора также лучшее соотношение внутреннего диаметра цилиндра к ходу поршня, что позволяет совершать максимально большое количество полезной работы. Смешивание и возгорание смеси здесь происходит быстрее.

 

Achates Power в настоящее время разрабатывает двигатели для военных автомобилей, но они выпустили видеоролики, которые свидетельствуют о том, что массовое производство дизельных двигателей также может быть не за горами:

 

У 2.7-литрового дизельного ДВС 270 л. с. (!) и 650 Нм крутящего момента.

 

В общем, интересно, как современные инженеры решат давние проблемы концепции у истоков которой стояли французы и русские изобретатели и каким образом двухтактные движки смогут быть использованы на гражданских транспортных средствах, при том условии, что экологические нормы постоянно ужесточаются, а экология этих ДВС никогда не была на высоте.

Из чего состоит поршневой двигатель внутреннего сгорания

Большинство автомобилей заставляет перемещаться поршневой двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом. Такая конструкция получила массовое распространение в силу малой стоимости и технологичности производства, сравнительно небольших габаритов и веса.

По виду применяемого топлива ДВС можно разделить на бензиновые и дизельные. Надо сказать, что бензиновые двигатели великолепно работают на газе. Такое деление непосредственно сказывается на конструкции двигателя.

Как устроен поршневой двигатель внутреннего сгорания

Основа его конструкции — блок цилиндров. Это корпус, отлитый из чугуна, алюминиевого или иногда магниевого сплава. Большинство механизмов и деталей других систем двигателя крепятся именно к блоку цилиндров, или располагаются внутри его.

Другая крупная деталь двигателя, это его головка. Она находится в верхней части блока цилиндров. В головке также располагаются детали систем двигателя.

Снизу к блоку цилиндра крепится поддон. Если эта деталь воспринимает нагрузки при работе двигателя, её часто называют поддоном картера, или картером.

Все системы двигателя

  1. кривошипно-шатунный механизм;
  2. механизм газораспределения;
  3. система питания;
  4. система охлаждения;
  5. система смазки;
  6. система зажигания;
  7. система управления двигателем.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из поршня, гильзы цилиндра, шатуна и коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм:
1. Расширитель маслосъёмного кольца. 2. Кольцо поршневое маслосъёмное. 3. Кольцо компрессионное, третье. 4. Кольцо компрессионное, второе. 5. Кольцо компрессионное, верхнее. 6. Поршень. 7. Кольцо стопорное. 8. Палец поршневой. 9. Втулка шатуна. 10. Шатун. 11. Крышка шатуна. 12. Вкладыш нижней головки шатуна. 13. Болт крышки шатуна, короткий. 14. Болт крышки шатуна, длинный. 15. Шестерня ведущая. 16. Заглушка масляного канала шатунной шейки. 17. Вкладыш подшипника коленчатого вала, верхний. 18. Венец зубчатый. 19. Болты. 20. Маховик. 21. Штифты. 22. Болты. 23. Маслоотражатель, задний. 24. Крышка заднего подшипника коленчатого вала. 25. Штифты. 26. Полукольцо упорного подшипника. 27. Вкладыш подшипника коленчатого вала, нижний. 28. Противовес коленчатого вала. 29. Винт. 30. Крышка подшипника коленчатого вала. 31. Болт стяжной. 32. Болт крепления крышки подшипника. 33. Вал коленчатый. 34. Противовес, передний. 35. Маслоотрожатель, передний. 36. Гайка замковая. 37. Шкив. 38. Болты.

Поршень расположен внутри гильзы цилиндра. При помощи поршневого пальца он соединен с шатуном, нижняя головка которого крепится к шатунной шейке коленчатого вала. Гильза цилиндра представляет собой отверстие в блоке, или чугунную втулку, вставляемую в блок.

Гильза цилиндров с блоком

Гильза цилиндра сверху закрыта головкой. Коленчатый вал также крепится к блоку в нижней его части. Механизм преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. То самое вращение, которое, в конечном счете, заставляет крутиться колеса автомобиля.

Газораспределительный механизм отвечает за подачу смеси паров топлива и воздуха в пространство над поршнем и удаление продуктов горения через клапаны, открываемые строго в определенный момент времени.

Система питания отвечает в первую очередь за приготовление горючей смеси нужного состава. Устройства системы хранят топливо, очищают его, смешивают с воздухом так, чтобы обеспечить приготовление смеси нужного состава и количества. Также система отвечает за удаление из двигателя продуктов горения топлива.

При работе двигателя образуется тепловая энергия в количестве большем, чем двигатель способен преобразовать в механическую энергию. К сожалению, так называемый термический коэффициент полезного действия, даже лучших образцов современных двигателей не превышает 40%. Поэтому приходится большое количество «лишней» теплоты рассеивать в окружающем пространстве. Именно этим и занимается система охлаждения, отводит тепло и поддерживает стабильную рабочую температуру двигателя.

Система смазки. Это как раз тот случай: «Не подмажешь, не поедешь». В двигателях внутреннего сгорания большое количество узлов трения и так называемых подшипников скольжения: есть отверстие, в нем вращается вал. Не будет смазки, от трения и перегрева узел выйдет из строя.

Система зажигания призвана поджечь, строго в определенный момент времени, смесь топлива и воздуха в пространстве над поршнем. У дизелей такой системы нет. Там топливо самовоспламеняется при определенных условиях.

Видео:

Система управления двигателем при помощи электронного блока управлении (ЭБУ) управляет системами двигателя и координирует их работу. В первую очередь это приготовление смеси нужного состава и своевременное поджигание её в цилиндрах двигателя.

Загрузка…

Короткий ход поршня

О дизельных двигателях слышали все, кто хоть когда-нибудь сталкивался с техникой на колесах: они используются в пассажирских и грузовых автомобилях, стоят на морских судах и поездах, на танках и ракетных тягачах. Но мало кто сегодня вспоминает об их создателе. Изобретатель двигателя внутреннего сгорания Рудольф Дизель — одна из самых известных фигур в истории инженерии новейшего времени, но в то же время одна из самых таинственных

Рудольф Дизель родился 18 марта 1858 года в семье Теодора Дизеля и Элис Штробель — эмигрантов из Германии, осевших во Франции и владевших небольшой переплетной мастерской в Париже. С самого раннего детства у Рудольфа проявился интерес к разным машинам и механизмам: излюбленным времяпровождением умного, послушного, аккуратного и трудолюбивого мальчика было посещение парижского Музея искусств и ремесел.

В 1870 году началась Франко-прусская война, и из-за роста антинемецких настроений Дизелям пришлось перебраться в Англию, где вскоре они оказались в нищете. На семейном совете было принято решение отправить Рудольфа в Германию, в семью брата, любезно согласившуюся принять племянника. Дядя Дизеля был профессором и преподавал математику в Королевском земском училище, куда в 1871 году пристроил и Рудольфа, заметив у того склонность к технике, а уже в 1873-м юноша его успешно закончил, опередив по успеваемости всех остальных учеников.

Уже в 12 лет Рудольф испытывал склонность к технике

Иллюстрация: mandieselturbo.com

Затем Рудольф отправляется в Аугсбург, в Техническую школу, а через два года досрочно поступает в престижный Королевский баварский политехнический институт в Мюнхене. Во время учебы произошла судьбоносная для Дизеля встреча — его заметил один из преподавателей, профессор Карл фон Линде, помимо научной работы занимавшийся коммерцией, а именно созданием холодильного оборудования. В 1880 году, когда Дизель окончил институт, Линде пригласил его на работу в свою компанию на должность директора парижского филиала. В наше время Linde — одна из крупнейших и авторитетнейших в мире химических компаний, инжиниринговое подразделение которой занимается строительством «под ключ» крупнотоннажных химических производств, в том числе заводов по сжижению природного газа.

«Инженер все может»

Так ответил студент Рудольф Дизель на вопрос директора Высшей технической школы в Мюнхене профессора Бауэрфайнда о возможности создать двигатель внутреннего сгорания, способный заменить паровой. Теперь амбициозному молодому человеку предстояло доказать это на практике.

 К концу XIX века в мире существовало множество поршневых двигателей, однако их КПД не превышал 10–12%, воспламенение горючей смеси в них производилось либо при помощи электричества, либо за счет тепла, идущего от стенок камеры сгорания

К концу XIX века в мире существовало множество поршневых двигателей, однако их КПД не превышал 10–12%, поскольку воспламенение горючей смеси в них производилось либо при помощи электричества, либо за счет тепла, идущего от стенок камеры сгорания. Однако уже в 1824 году французский инженер Сати Карнопредложил более перспективную схему работы двигателя. По его мнению, следовало «сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу…». Эта схема, получившая наименование «цикла Карно», стала эталоном цикла теплового двигателя. Ее и попытался на практике реализовать Рудольф Дизель.

Забегая вперед, надо сказать, что у него это получилось не в полной мере: в дизелевском варианте в цилиндре сжималась не топливная смесь, а воздух, причем до запредельных для того времени значений.

Двенадцать лет проб и ошибок

А пока в течение десяти лет, с 1880-го по 1892-й, работая на фирме Линде, он постоянно занимался этим проектом, пытаясь найти такое рабочее тело, которое при соединении с топливом, создавало бы необходимую для воспламенения температуру. В его качестве последовательно использовались аммиак, уголь и бензин, но все было безрезультатно.

 В течение десяти лет, с 1880-го по 1892-й, работая на фирме Линде, постоянно занимался этим проектом, пытаясь найти такое рабочее тело, которое при соединении с топливом, создавало бы необходимую для воспламенения температуру

Помогла случайность. Использование воздуха в пневматической зажигалке для прикуривания сигар натолкнуло Рудольфа на мысль, что таким рабочим телом может стать сжатый воздух. «Не могу сказать, — писал позже изобретатель, — когда именно возникла у меня эта мысль. В неустанной погоне за целью, в итоге бесконечных расчетов родилась наконец идея, наполнившая меня огромной радостью: нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него распыленное топливо и одновременно со сгоранием расширить его так, чтобы возможно больше тепла использовать для полезной работы».

Основываясь на этом, Дизель разработал новую схему двигателя, в котором воздух должен был быть сжат с такой силой, чтобы при его соединении с топливом возникшая смесь воспламенилась до температуры 600–650 °С и в цилиндр начало поступать уже готовое для работы двигателя топливо.

Есть прототип!

В 1892 году Рудольф покидает компанию Линде и организовывает собственное предприятие, на котором в течение четырех лет изготавливает несколько опытных образцов. В том же году он получает свой первый патент № 67207 «Рабочий процесс и способ конструирования двигателя внутреннего сгорания для машин», которым закрепил за собой право собственности на «рациональный тепловой двигатель», и издает книгу, в которой дает теоретическое обоснование созданной им конструкции такого двигателя. «Моя идея, — писал он семье в Мюнхен, — настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать: я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!»

 «Моя идея настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать: я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!»

В 1897 году с третьей попытки ему наконец удалось построить готовый к практическому использованию прототип. Современники вспоминали, что это «был двигатель высотой три метра, который развивал 172 об/мин имел диаметр единственного цилиндра 250 мм, ход поршня 400 мм и мощность от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя при этом 258 г нефти на 1 л. с. в час. Термический КПД был у него 26,2%, намного выше, чем имели паровые машины». Кроме того, двигатель Дизеля работал на дешевых видах топлива вроде керосина и не имел системы зажигания.

Как удалось достичь такого очень высокого для того времени КПД? Главным образом за счет многократного увеличения давления сжатия с помощью специального компрессора — в двигателе англичанина Герберта Акройда-Стюарта, наиболее похожего по конструкции на дизелевский, оно равнялось шести атмосферам, а в устройстве Рудольфа достигало 36 атмосфер.

Первый двигатель Дизеля, июль 1893 года, Аугсбург

Фотография: Gettyimages

В связи с этим неоднократно вставал вопрос: кто первый изобрел ДВС, Стюарт или Дизель? Известно, что основные признаки современного дизельного двигателя — непосредственный впрыск топлива (без применения сжатого воздуха) и компрессионное зажигание. В 1890 году Стюарт получил патент № 7146 «Усовершенствование в работе двигателей при помощи взрыва воспламеняемых паров или смеси газа с воздухом». Но этот патент был дан только на компрессионное зажигание, о применении сжатого воздуха для воспламенения смеси там речи не шло.

 В 1897 году попытки ему наконец удалось построить готовый к практическому использованию прототип. Современники вспоминали, что это «был двигатель высотой три метра, который развивал 172 об/мин имел диаметр единственного цилиндра 250 мм, ход поршня 400 мм и мощность от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя при этом 258 г нефти на 1 л. с. в час. Термический КПД был у него 26,2%, намного выше, чем имели паровые машины»

Спустя некоторое время Стюарт построил экспериментальный образец устройства, функционировавшего на бензине и проработавшего всего несколько часов. Дизель же патент на компрессионное зажигание получил только в 1892 году, но в отличие от Стюарта в его патент уже была включена идея о сжатом воздухе, которую позже, в 1897 году, он и воплотил. Так что если вести отсчет от идеи, то первенство в изобретении ДВС принадлежит, безусловно, Дизелю. А поскольку идею придумал он и он же построил реально работающий образец, то и сам двигатель стали называть по его фамилии. Топливо такого двигателя, состоит из керосиново-газойлевых фракций переработанной нефти и имеет высокую — 200–350 °С — температуру кипения, в дизельном двигателе оно самовоспламеняется при сильном сжатии. В бензиновом двигателе горючую смесь образуют бензин и воздух, она воспламеняется от искры зажигания.

Развитие изделия

Это был успех. На Всемирной выставке в Париже в 1900 году изделие Дизеля произвело фурор, началась массовая скупка лицензий на производство его двигателей. Однако в начале промышленного изготовления дизелевских двигателей возникли серьезные трудности: первые партии оказывались бракованными, часто ломались и выходили из строя, на многих заводах не было необходимого оборудования и рабочей силы нужной квалификации.

Постепенно болезни роста были преодолены, и двигатель Дизеля стал постепенно использоваться во многих сферах жизнедеятельности, связанных с техникой. А его изобретатель стал миллионером. Дизеля стали приглашать повсюду — во Францию, Швейцарию, Австрию, Бельгию, Россию, Америку… Особый интерес к нему был проявлен в России. Уже в 1898 году Людвиг Нобель, купив у Дизеля лицензию на двигатель, организовал его производство на своем заводе в Санкт-Петербурге (сейчас это известное на всю страну предприятие «Русский дизель»).

Устройство быстро завоевало популярность и стало использоваться всюду — на электростанциях, водонапорном оборудовании, с его помощью освещались крупные магазины и центральные улицы Санкт-Петербурга и других известных городов Российской империи.

Велись работы по его модификации. Известный русский инженер Вадим Аршаулов создал так называемый русский дизель, который, в отличие от своего прототипа, работал на нефти, а не на керосине, и имел топливный насос высокого давления, работавший от сжатого в цилиндре воздуха. На Путиловском заводе инженер Густав Тринклер построил «Тринклер-мотор», который отличался от дизелевского варианта тем, что не имел воздушного компрессора для накачки воздуха, его роль играла гидравлическая система для нагнетания и впрыска топлива.

Дизеля наконец-таки признали и на родине: сам кайзер Вильгельм II вручил ему диплом о присвоении почетного звания доктора-инженера и пригласил в оборонные проекты. Занялся Дизель и совершенствованием конструкции реверсивного судового четырехтактного мотора и созданием двигателя для грузовых автомобилей.

Закат

Дизель жил на широкую ногу. Построил в Мюнхене дворец стоимостью 900 тысяч марок, покупал нефтяные участки в Баварии, где, как выяснялось потом, не было нефти, широко и необдуманно спекулировал акциями, вкладывал деньги в католические лотереи. В итоге финансовые дела стали настолько плохи, что, как пишут его биографы, «пришлось рассчитать почти всю прислугу и заложить дом».

Нервы Дизеля были издерганы постоянными нападками недоброжелателей и конкурентов, среди которых были как малоизвестные инженеры, так и могущественные люди вроде угольных и нефтяных магнатов, постоянно таскавшие его по судам по обвинениям в плагиате и других неблаговидных поступках.

Характерный пример — намерение его ярого противника профессора Людерса издать книгу под названием «Миф Дизеля», пытаясь доказать, что ничего нового в его изобретении нет, поскольку основа работы его двигателя была известна и раньше, а сам Дизель присвоил себе чужие заслуги.

 К лету 1913 года Дизель стал полным банкротом и, по всей видимости, не видя другого выхода, решился на самоубийство. На это указывает его странное поведение: сначала он вместе с женой объехал всю Европу, как будто прощаясь с ней

Третьи вспоминали «нобелевскую» историю: незадолго до своей смерти, изобретатель обратился с письмом к председателю Нобелевского комитета Эммануилу Нобелю, в котором намекал на возможность получения Нобелевской премии за свое изобретение, рассчитывая, таким образом, поправить свои финансовые дела и заодно напомнив всем о себе. Но тот отказал. И это ввергло Дизеля в пучину черной депрессии.

К лету 1913 года Дизель стал полным банкротом и, по всей видимости, не видя другого выхода, решился на самоубийство. На это указывает его странное поведение: сначала он вместе с женой объехал всю Европу, как будто прощаясь с ней. Когда он погиб, его жена вспомнила странную фразу, которую он как-то обронил: «Мы можем попрощаться с этими местами. Больше мы их никогда не увидим». Затем он поехал в Баварские Альпы, где участвовал в опасных горных путешествиях и рискованных мероприятиях.

29 сентября 1913 года, в Антверпене 55-летний Рудольф Дизель и еще двое его друзей сели на паром «Дрезден», идущий в Англию, где он собирался работать инженером-консультантом на одном из двигателестроительных заводов. И ночью пропал. А через десять дней в Северном море рыбаки выловили труп. В одежде были найдены некоторые личные вещи, и сын Дизеля подтвердил, что они принадлежали его отцу.

Поршень двигателя внутреннего сгорания

 

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания, используемых для установки в тронковом кривошипно-шатунном механизме блока двигателя, в частности при ремонте блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105. Поршень двигателя внутреннего сгорания, имеющий в основном цилиндрическую форму и включающий плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющие бобышки с днищем и боковыми стенками поршня, при этом на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, по крайней мере, две канавки, при этом соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до днища поршня и высоты поршня составляет 1:(2,15-2,30), соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до края нижней канавки и высоты поршня составляет 1:(5-6), а днище с наружной стороны поршня снабжено форкамерой. Конструкция поршня имеет высокую надежность и срок службы и позволяет в сочетании с коленчатым валом ВАЗ 2103 обеспечить быстрый и сравнительно недорогой ремонт блока двигателя.

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания, используемых для установки в тронковом кривошипно-шатунном механизме блока двигателя, в частности при ремонте блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.

Как известно, поршень для двигателя внутреннего сгорания относится к числу наиболее ответственных и напряженных деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя. Особой популярностью, в нашей стране, по-прежнему, пользуются автомобили семейства ВАЗ, выпускаемые АВТОВАЗом (Россия), в частности автомобили с блоком двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105, в которых используют поршень ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105. Это обусловлено низкой ценой, простотой ремонта и неприхотливостью в эксплуатации автомобилей данного семейства. Кроме того, в двигателях ВАЗ 2103, ВАЗ 2106 и их впрысковых модификациях ВАЗ 2104-20 и ВАЗ 21067-10 также до сих пор используются классические конструкции поршней ВАЗ 2101 и ВАЗ 2105.

Основные функции поршня двигателя внутреннего сгорания следующие: восприятие усилия от давления газов и передача через шатун на коленчатый вал двигателя. Коленчатый вал относится к числу наиболее ответственных и дорогостоящих деталей двигателя. Стоимость изготовления вала часто достигает 25-30% стоимости изготовления всего двигателя.

Следует отметить, что в последнее время АВТОВАЗ сократил производство коленчатых валов блоков ВАЗ 2101. В связи с этим встала проблема ремонта блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.

Для решения этой проблемы используют коленчатый вал блока двигателя ВАЗ 2103 в сочетании с поршнем блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105 и шатуном блока двигателя ВАЗ 2101. При этом учитывают, что ход поршня в блоке двигателя ВАЗ 2103 и ВАЗ 2101 различный, то для обеспечения нормальной работы двигателя шатун блока двигателя ВАЗ 2101 механическим путем доводят до совместимых размеров с блоком двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105. Это создает определенные трудности при ремонте двигателя. Более

целесообразным является применение конструкции поршня, позволяющей совмещать без дополнительной доработки поршень с шатуном и коленчатым валом ВАЗ 2103, который в настоящее время является альтернативным решением при ремонте блоков двигателей ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поршень двигателя внутреннего сгорания [1], имеющий в основном цилиндрическую форму и включающий плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющие бобышки с днищем и боковыми стенками поршня. При этом отверстия для отвода масла в канавке выполнены одного размера и прямоугольноподобной формы и расположены в основном равномерно по всей окружности канавки. Стальные термовставки на внутренней стороне направляющей юбки выполнены прямоугольной формы, при этом над внешними краями термовставок расположены отверстия для отвода масла, что снижает жесткость боковой поверхности юбки и прочность поршня в целом. Ребра жесткости бобышек со стороны днища поршня выполнены в виде ножек, что также снижает жесткость поршня. Кроме того, внутренняя поверхность днища выполнена вогнутой и для упрочнения снабжена ребром жесткости, расположенным вдоль направляющей поршневого пальца. Отверстие для поршневого пальца выполнено с фаской. Боковая поверхность юбки поршня имеет холодильники для подвода масла к поршневому пальцу, которые выполнены в виде прямоугольноподобных выемок, расположенных возле отверстия для поршневого пальца под маслосъемной канавкой. При этом холодильники снабжены небольшими сквозными отверстиями, сообщающимися с внутренней поверхностью отверстия для поршневого пальца.

Недостатком данного поршня является то, что при работе двигателя после ремонта блока ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105 происходит биение днища поршня об головку цилиндра, что обусловлено высотой поршня. Это снижает надежность и срок службы поршня, кроме того, может привести к поломке всего двигателя.

Кроме того, для устранения этого недостатка шатун механическим путем доводят до совместимых размеров с блоком двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105, что увеличивает затраты на ремонт двигателя.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования поршня путем изменения конструкции головки, днища и юбки поршня, что позволяет расширить применение поршня и обеспечить проведение ремонтных работ различных блоков двигателя при снижении стоимости и упрощении его проведения.

Поставленная задача решается тем, что в известном поршне двигателя внутреннего сгорания, который имеет в основном цилиндрическую форму, включает плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющие бобышки с днищем и боковыми стенками поршня, при этом, согласно полезной модели, на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, по крайней мере, две канавки, при этом соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до днища поршня и высоты поршня составляет 1:(2,15-2,30), а соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до края нижней канавки и высоты поршня составляет 1:(5-6), а днище с наружной стороны поршня снабжено форкамерой.

Целесообразно, когда форкамера выполнена в виде круга.

Кроме того, форкамера может быть выполнена в виде круга с двумя выемками под клапана.

Предпочтительно, когда внутренняя поверхность днища выполнена плоской и без ребер жесткости.

Кроме того, ребра жесткости бобышки выполнены сплошными.

Предпочтительно, когда термовставка в верхней части, обращенной к днищу поршня, выполнена со скосами.

Кроме того, отверстия для отвода масла, расположенные в нижней канавке, выполнены разной формы и диаметра.

Целесообразно, когда на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца выполнена канавка, расположенная по окружности.

Такие геометрические параметры поршня как соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до днища поршня и высоты поршня и соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до края нижней канавки и высоты поршня определены экспериментальным путем и являются оптимальными.

Выполнение поршня с такими геометрическими параметрами обеспечивает возможность установки поршня на блок двигателя ВАЗ 2101 и ВАЗ 21011 с коленвалом ВАЗ 2103 и исключает биение днища поршня об головку цилиндра двигателя, что повышает срок службы и надежность поршня и не требует дополнительной доводки шатуна. Кроме того, это обеспечивает проведение ремонта блока двигателя с минимальными затратами.

Днище поршня является наиболее нагруженной частью, оно воспринимает давление газов и высокотемпературные нагрузки со стороны камеры сгорания. Эта часть поршня делается наиболее прочной. Выполнение внутренней поверхности днища поршня плоским обеспечивает достаточную прочность днища поршня без дополнительного упрочнения, поэтому в конструкции днища отсутствуют ребра жесткости. Кроме того, отсутствие ребер жесткости снижает концентрацию напряжений в днище поршня. Кроме того, такое конструктивное выполнение днища поршня позволяет выдерживать высокие температурные нагрузки, что повышает срок службы и надежность поршня.

Наличие форкамеры в днище поршня позволяет сохранить степень сжатия, рекомендуемую заводом-изготовителем двигателей, при сохранении эксплуатационных характеристик и ресурса двигателя в целом.

При этом выполнение форкамеры в виде круга позволяет устанавливать поршень на блок двигателя ВАЗ 2101, а выполнение форкамеры в виде круга с двумя выемками под клапана позволяет устанавливать поршень на блок двигателя ВАЗ 2105 и ВАЗ 21011.

Канавки, расположенные на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей, предназначены для

подвода масла и предотвращают перегрев поршневого пальца, что обеспечивает нормальное скольжение пальца в отверстии поршня и предотвращает заклинивание пальца.

Канавка, расположенная по окружности внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца, позволяет установить стопорные кольца при использовании поршневого пальца 2108, что расширяет возможности применения поршня.

Выполнение ребер жесткости бобышки сплошными способствует увеличению прочности поршня.

Выполнение термовставки в верхней части, обращенной к днищу поршня, со скосами обеспечивает оптимальное тепловое расширение при работе поршня.

Суть полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид спереди поршня двигателя внутреннего сгорания, на вид фиг.2 — вид спереди в разрезе, на фиг.3 — вид сбоку в разрезе, на фиг.4 и на фиг.5 — вид сверху поршня.

Поршень двигателя внутреннего сгорания имеет в основном цилиндрическую форму и состоит из плоского днища 1 округлой формы, при этом внутренняя поверхность днища выполнена плоской и без ребер жесткости, головки поршня 2, снабженной круговыми канавками 3 для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия 4 для отвода масла, выполненные разной формы и диаметра, сквозного отверстия 5 под поршневой палец, расположенного на направляющей юбке 6 поршня, холодильников 7 с выемками 8 для охлаждения поршня, расположенных на наружной поверхности направляющей юбки 6 в основном под отверстием для поршневого пальца. На внутренней стороне направляющей юбки 6 расположены две стальные термовставки 9, выполненные в верхней части, обращенной к днищу поршня, со скосами, и бобышек 10 с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости 11, соединяющие бобышки с днищем 1 и боковыми стенками поршня. Ребра жесткости 11 выполнены сплошными. На внутренней поверхности отверстия 5 для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, две канавки 12. Днище поршня 1 снабжено форкамерой 13, которая может иметь либо форму круга (Фиг.4), либо форму круга с выемками под клапана (Фиг.5). Канавка 14 расположена по окружности

внутренней поверхности отверстия 5 для поршневого пальца, и позволяет устанавливать стопорные кольца поршневого пальца.

Поршень работает таким образом.

При пуске двигателя образовавшееся давление от сгоревших газов во время рабочего хода поршня давит на днище 1 и опускает поршень вниз к нижней мертвой точке. Происходит такт впуска. При движении поршня вверх в верхнюю мертвую точку возникает небольшое давление газа. При этом поступательное движение поршня преобразуется (через шатун) во вращательное движение коленчатого вала. Во время рабочего цикла масло через отверстия 4 заполняет канавку 3 для отвода масла, расположенную в нижней части головки 2 поршня и обеспечивает покрытие масляной пленкой внешней поверхности юбки 6, предотвращая сухое трение и перегрев поршня.

При ремонте блока двигателя ВАЗ 2101 берут коленчатый вал ВАЗ 2103, который является альтернативным решением при отсутствии в настоящее время выпуска коленчатых валов блоков двигателя ВАЗ 2101, и устанавливают поршень, имеющий форкамеру в виде круга. При этом геометрические параметры поршня совместимы с геометрическими параметрами шатуна и коленчатого вала. Во время работы поршня исключено биение днища поршня об головку цилиндра двигателя, что повышает срок службы и надежность поршня и не требует дополнительной доводки шатуна. Ремонт производится быстро и не требует больших затрат.

При ремонте блока двигателя ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105 берут коленчатый вал ВАЗ 2103, который является альтернативным решением при отсутствии в настоящее время выпуска коленчатых валов, устанавливаемых на блок двигателя ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105, и устанавливают поршень, имеющий форкамеру в виде круга с двумя выемками под клапана. При этом геометрические параметры поршня совместимы с геометрическими параметрами шатуна и коленчатого вала. Во время работы поршня исключено биение днища поршня об головку цилиндра двигателя, что повышает срок службы и надежность поршня и не требует дополнительной доводки шатуна. Ремонт производится быстро и не требует больших затрат.

Таким образом, предложенная конструкция поршня имеет высокую надежность и срок службы и позволяет в сочетании с коленчатым валом ВАЗ 2103

обеспечить быстрый и сравнительно недорогой ремонт и тем самым решить проблему ремонта блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.

Возможность осуществления данной полезной модели подтверждается разработкой новых конструкций поршней, которая была осуществлена в соответствии с заявленным техническим решением на ООО «ТРТ» (г.Харьков). В настоящий момент налажено производство указанных поршней.

Источники информации

1. Поршни ВАЗ. Выбор поршней на классику. http://www/ftdmk.ru/por_text/; найдено в Интернет 30.05.2006.

1. Поршень двигателя внутреннего сгорания, имеющий в основном цилиндрическую форму и включающий плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющие бобышки с днищем и боковыми стенками поршня, отличающийся тем, что на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, по крайней мере, две канавки, при этом соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до днища поршня и высоты поршня составляет 1:(2,15-2,30), соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до края нижней канавки и высоты поршня составляет 1:(5-6), а днище с наружной стороны поршня снабжено форкамерой.

2. Поршень по п.1, отличающийся тем, что форкамера выполнена в виде круга.

3. Поршень по п.1, отличающийся тем, что форкамера выполнена в виде круга с двумя выемками под клапана.

4. Поршень по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность днища выполнена плоской и без ребер жесткости.

5. Поршень по п.1, отличающийся тем, что ребра жесткости бобышки выполнены сплошными.

6. Поршень по п.1, отличающийся тем, что термовставка в верхней части, обращенной к днищу поршня, выполнена со скосами.

7. Поршень по п.1, отличающийся тем, что отверстия для отвода масла, расположенные в нижней канавке, выполнены разной формы и диаметра.

8. Поршень по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца выполнена канавка, расположенная по окружности.

Поршневая группа

Поршневая группа состоит из поршня в сборе, уплотнительных и маслосъемных колец, поршневого пальца. По конструктивным признакам различают поршни тронковые, для двигателей крейцкопфного типа и двустороннего действия.

Тронковые поршни соединяются с шатуном поршневым паль­цем. Для обеспечения газонепроницаемости полостей цилиндра поршень снабжают уплотнительными кольцами, а для предотвра­щения попадания масла в камеру сгорания — маслосъемными кольцами. Материалом для поршней служит чугун марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и сталь. Поршни небольшого диаметра быстроходных двигателей можно изготовлять из алюминиевых сплавов (АЛ1, АЛ2, АК2, АК4). Такие поршни имеют малый вес и небольшие температурные напряжения в днище; недостатки поршней — не­значительная износостойкость и большой коэффициент теплового линейного расширения.

Поршень (рис. 139) состоит из нижней направляющей части — тройка или юбки 1 и верхней части — головки поршня 3 с поршне­выми кольцами 2. Конфигурация камеры сгорания двигателя, тип продувки, расположение в крышке клапанов и форсунки опреде­ляют форму днища поршня 4. Днище поршня может иметь вогну­тую, двояковогнутую, выпуклую и другую формы. Некоторые формы днищ поршней показаны на рис. 140. При диаметре поршня более 400 мм головку поршня выполняют съемной. Разъемная конструкция позволяет уменьшить стоимость поршня, так как только головку изготовляют из дорогостоящего жаропрочного ма­териала, и облегчает ремонт поршня. Головку крепят к тройку болтами или шпильками.

В некоторых конструкциях поршня внутреннюю поверхность днища для предохранения от нагарообразования и защиты голов­ного подшипника от теплового излучения закрывают мембраной; для увеличения жесткости днище снизу подкрепляют ребрами, ко­торые одновременно улучшают его охлаждение.

Поршневой палец 1 (рис. 141) размещен в приливах (бобыш­ках) 2 и фиксируется от осевого смещения пружинными кольцами 3. Пальцы закрепляются стопорным болтом 6 либо свободно вращаются — пальцы плавающего типа. Пальцы плавающего типа более распространены у быстроходных двигателей. Бронзовые втулки 4, запрессованные в бобышки чугунного поршня, являются подшипниками для поршневого пальца плавающего типа. Пальцы изготовляют из малоуглеродистой стали 15 или 20 с последующей цементацией и шлифованием или из легированной стали 15ХМА, 12МХ2А, 18ХНМА, 20Х и др. с последующей закалкой. В некото­рых конструкциях поршней с целью предотвращения соприкосно­вения пальца с зеркалом цилиндра ставят алюминиевые за­глушки 5 грибовидной формы.

Поршневые кольца располагают в канавках, проточенных в теле поршня. Поршневые кольца делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные кольца 2 (см. рис. 139) обеспечи­вают плотность поршня в цилиндре, предотвращают прорыв газов в картер двигателя и способствуют отводу тепла от головки поршня через втулку цилиндра охлаждающей воде. Маслосъемные кольца 6 и 7 (см. рис. 139) служат для удаления излишнего масла с зеркала цилиндра, что уменьшает нагарообразование в цилиндре, и не допускают проникновения масла в камеру сго­рания. Материалом для изготовления колец служит чугун СЧ24-44, реже сталь. Кольца изготовляют самопружинящими с разрезом-замком, обеспечивающим заводку кольца в канавку поршня и воз­можность теплового расширения кольца. Число уплотнительных колец шесть—три, маслосъемных три—одно. Уплотнительные кольца, как правило, прямоугольного сечения, рабочая поверхность кольца и поверхность зеркала цилиндра параллельны.

В от­личие от уплотнительных (компрессионных) маслосъемные кольца имеют скос (рис. 142, а), с помощью которого масло удаляется из зеркала цилиндра и через специальные каналы 5 (см. рис. 139) в поршне стекает в картер. Необходимо особо быть вниматель­ным при монтаже маслосъемных колец, не допуская установки кольца скосом вниз, так как тогда масло будет попадать в камеру сгорания. Зазоры между поршневыми кольцами и стенками ка­навки в радиальном направлении равны 0,5—1,0 мм, по высоте 0,15—0,066 мм.

Типы замков поршневых колец показаны на рис. 142, б. При установке колец на поршень необходимо стыки (замки) распола­гать в разных положениях по окружности во избежание утечки газов. Поршневые кольца поршней двухтактных двигателей для предохранения от проворачивания и попадания замка в район рас­положения окоп стопорят фиксаторами.

Поршень крейцкопфного двигателя соединяется с шатуном, штоком и крейцкопфом. В этом случае поршень крепят к штоку жестко специальным фланцевым соединением (рис. 143). Поршень крейцкопфного двигателя разгружен от боковых усилий и не имеет тронка.

На рис. 144 показан составной охлаждаемый поршень крейц­копфного двигателя, имеющего штампованную вставку из алюми­ниевого сплава АК6. Поршень состоит из трех основных частей: головки 1, отлитой из высокопрочного жаростойкого чугуна, кор­пуса 3 из перлитного чугуна и вставки 2. В поршнях новейшей конструкции пазы (канавки) под уплотнительные кольца хроми­руют или завальцовывают чугунными противоизносными коль­цами. Общий вид поршня, крейцкопфа и шатуна с подшипником приведен на рис. 145.

Для достижения нормальных условий работы поршня необхо­димо обеспечить его охлаждение и прежде всего головки. Наибо­лее надежным средством снижения температуры головки яв­ляется искусственное охлаждение. При диаметрах цилиндра в двухтактных двигателях свыше 250 мм, а в четырехтактных свыше 400 мм применяют масляное охлаждение поршня. Охлаждение во­дой используют редко, так как требуется тщательное герметизи­рующее устройство, предотвращающее попадание воды в масло картера. Наиболее распространена телескопическая и шарнирная системы подачи охлаждающей жидкости под давлением в закры­тую полость поршня.

Штоки крейцкопфных двигателей выполняют стальными ко­ваными, круглого сечения, часто пустотелыми. В верхней части они имеют фланцы для крепления с поршнем, а нижней пяткой или хвостовиком 4 (рис. 146) соединяются с поперечиной 7 и фик­сируются гайкой 2. В состав крейцкопфа входят: стальной или чугунный ползун, опорные рабочие поверхности а и б которого покрыты тонким слоем антифрикционного сплава. Ползун, скользя по параллели картера, передает последней боковые усилия и та­ким образом разгружает поршень. Поверхность а передает боко­вые усилия при работе двигателя на передний ход, поверхность б, значительно меньшая по площади,— на задний ход. Ползун кре­пят болтами к стальной поперечине 3. Поперечина имеет цапфы 1, которые охватываются головным подшипником шатуна. В двига­телях, длительное время работающих на задний ход (буксиры, ле­доколы), ползуны выполняют двусторонними. По каналу 5 масло поступает на охлаждение поршня, а по каналу 6 — на смазку ра­бочих поверхностей ползуна.

На рис. 147 показана параллель крейцкопфного двигателя.


Поршень

: конструкция, функции, материалы и качество

Какие бывают типы поршней в двигателях?

Поршень является основной частью двигателей внутреннего сгорания. Он совершает возвратно-поступательное движение и преобразует тепловую энергию в механическую энергию. Он перемещается вверх и вниз внутри цилиндра, когда двигатель вырабатывает мощность. Назначение поршня — выдерживать расширение газов и направлять его на коленчатый вал. Он передает силу взрыва на коленчатый вал и, в свою очередь, вращает его.Поршень поставляется с кольцами, которые обеспечивают уплотнение между ним и стенкой цилиндра. Это довольно сложно с точки зрения дизайна.

Поршень с плоской головкой

Эффективность и экономичность двигателя в первую очередь зависят от плавной работы поршня. Он должен работать в цилиндре с минимальным трением и выдерживать высокие взрывные силы в цилиндре. Кроме того, он также должен выдерживать очень высокую температуру более 2000⁰C во время работы. Он должен быть как можно прочнее, а его вес должен быть как можно меньше.

функции поршня следующие:

  1. Для получения тяги от взрыва и передачи усилия на коленчатый вал через шатун.
  2. Для уплотнения, чтобы высокое давление сгорания не попадало в картер.
  3. Служит направляющей и подшипником для головки шатуна.

Он также должен обладать следующими необходимыми качествами:

  1. Жесткость, чтобы выдерживать высокое давление.
  2. Легче, чтобы свести силы инерции к минимуму и обеспечить более высокие обороты двигателя.
  3. Бесшумность в работе как при прогреве, так и при нормальной работе.
  4. Его конструкция должна предотвращать заедание.
  5. Материал должен иметь хорошую теплопроводность для эффективной теплопередачи. Это снижает риск детонации и обеспечивает более высокую степень сжатия.
  6. Материал также должен иметь низкую способность к расширению.
  7. Обеспечивают стойкость к коррозии в результате горения.
  8. Он должен быть как можно короче, чтобы уменьшить общий объем двигателя.
  9. Должен иметь длительный срок службы.

Дизайн:

Конструкция поршня зависит от двигателя. Во многом это зависит от конструкции головки блока цилиндров. Верхняя часть поршня называется головкой или короной. Как правило, недорогие маломощные двигатели имеют поршень с плоской головкой. Однако в некоторых случаях, когда поршень подходит очень близко к клапанам, инженеры предусматривают разгрузку клапанов в головке.Поршни, используемые в некоторых высокопроизводительных двигателях, имеют приподнятый купол, который увеличивает степень сжатия и регулирует сгорание.

Формы днища

В некоторых двигателях используются специальные тарельчатые поршни для придания нужной формы камере сгорания вместе с головкой блока цилиндров. В случае, если коронка содержит часть камеры сгорания, можно более точно контролировать степень сжатия. Однако у этой конструкции есть недостаток. В такой конструкции через поршень и кольца проходит большое количество тепла.

Земли:

В верхней части поршня по окружности прорезаны канавки для установки поршневых колец. Полосы между канавками известны как «площадки». Роль земель состоит в том, чтобы поддерживать кольца против давления газа. Площадки также направляют кольца, так что они свободно вращаются по окружности. Опорные перемычки передают усилие взрыва непосредственно от головки поршневого пальца к бобышкам поршневого пальца. Это снимает большие нагрузки с кольцевых канавок.

Дизайн и конструкция

Юбка:

Часть под поршневыми кольцами известна как «юбка».Его роль состоит в том, чтобы формировать направляющую и поглощать боковую тягу, создаваемую давлением газа. Юбка имеет выступы на внутренней стороне для поддержки поршневого пальца. Он довольно плотно прилегает к цилиндру; однако он отделен от стенок цилиндра смазочным маслом. Силы сгорания передаются от головки к шатуну через ребра внутри поршня. Выступы действуют как опорная поверхность для качательного движения шатуна. Ребра толстого сечения передают тепло от днища поршня к бобышкам и юбке поршневого пальца.

Ранее в двигателях использовался чугун из-за его износостойкости. Однако в современных двигателях для уменьшения веса используются поршни из алюминиевого сплава, содержащего кремний. Он в три раза легче алюминия, поэтому обладает меньшей инерционностью. Алюминиевый сплав обладает высокой теплопроводностью, что позволяет ему меньше нагреваться.

Зазор поршня:

Обычно диаметр поршня немного меньше диаметра цилиндра. Пространство между поршнем и стенкой цилиндра называется поршневым зазором.Этот зазор необходим по следующим причинам.

  1. Обеспечивает место для смазочной пленки, уменьшающей трение между поршнем и стенкой цилиндра.
  2. Предотвращает судороги. Поршень и блок цилиндров расширяются из-за очень высоких температур. Однако цилиндр охлаждается лучше, чем поршень. Следовательно, между ними должен быть достаточный зазор для расширения поршня.
  3. Без достаточного зазора поршень не сможет работать в цилиндре; снижая его эффективность.

Величина зазора зависит от размера отверстия цилиндра и материала поршня. Но, как правило, это от 0,025 мм до 0,100 мм. Во время работы пленка смазочного масла заполняет зазор. Техники должны поддерживать надлежащий зазор между поршнем и цилиндром при капитальном ремонте двигателя.

Тепловая плотина

Эффекты очистки:

Если зазор слишком мал, это увеличит трение; что приводит к потере мощности. Если зазор слишком большой, это приведет к «хлопанию поршня».Это означает внезапную тряску поршня, когда он движется вниз в рабочем такте; вызывает отчетливый шум. По мере прогрева двигателя этот зазор уменьшается и шум обычно исчезает. Производители используют специальные сплавы и разные конструкции для уменьшения шлепков.

Mahle, Diamond, CP Carrillo, Ross и Arias являются одними из мировых производителей поршней.

Смотреть поршень Mahle в действии:

Подробнее: Конструкция блока цилиндров

Эволюция конструкции поршня


Дом, Библиотека по ремонту автомобилей, автозапчасти, аксессуары, инструменты и оборудование, руководства и книги, автомобильный БЛОГ, ссылки, индекс

Ларри Карли, авторское право AA1Car, 2019.com

Первые поршни для двигателей внутреннего сгорания появились еще в 1866 году, когда Николаус Август Отто изобрел первый такой двигатель. Учитывая столько времени, вы могли бы подумать, что поршни в сегодняшних двигателях будут радикально отличаться от поршней их предков.

Материалы и конструкции поршней менялись на протяжении многих лет и будут развиваться до тех пор, пока топливные элементы, экзотические батареи или что-то еще не сделают двигатель внутреннего сгорания устаревшим. Но пока этого не произойдет, поршни будут продолжать приводить в движение большинство автомобилей, которыми мы управляем.

Одна вещь, которая не изменилась за эти годы, — это основная функция поршня. Поршень образует нижнюю половину камеры сгорания и передает усилие сгорания через поршневой палец и шатун на коленчатый вал. Базовая конструкция поршня почти не изменилась. Это круглый кусок металла, который скользит вверх и вниз в цилиндре. Кольца по-прежнему используются для герметизации сжатия, минимизации прорыва газов при сгорании и контроля масла.

Так что же изменилось? Операционная среда.Сегодня двигатели работают чище, работают усерднее и нагреваются сильнее, чем когда-либо прежде. В то же время ожидается, что двигатели будут работать дольше, чем когда-либо прежде: до 150 000 миль и более, с минимальным обслуживанием и увеличенными интервалами замены масла. Следовательно, управление температурой является ключом к выживанию наиболее приспособленных.

Раньше проектирование поршня было методом проб и ошибок. Инженер по поршням делал и тестировал новую конструкцию три-четыре раза, прежде чем у него получалось правильно. Сегодня все моделируется в 3D на компьютере, а затем оценивается с помощью программного обеспечения для анализа конечных элементов, прежде чем что-либо будет сделано.Это ускоряет процесс проектирования и испытаний, сокращает время на создание новых конструкций поршней и производит более качественный продукт.

Согласно книге, выпущенной Mahle Inc. под названием Поршни для двигателей внутреннего сгорания , инженеры используют два метода для оценки новых конструкций поршней, прежде чем они будут фактически произведены для динамометрических испытаний двигателей: конечный анализ и анализ фотоупругих напряжений. Идея конечного анализа состоит в том, чтобы разделить поршень модели на фиксированное (конечное) количество элементов.Полученная сетка образует линии, которые пересекаются и соединяются. Компьютерное программное обеспечение генерирует уравнения для каждого отдельного элемента и прогнозирует общую жесткость всего поршня.

Анализ данных показывает, как поршень будет вести себя в реальном двигателе, и позволяет инженеру увидеть, где нагрузки и температуры будут наибольшими, и как отреагирует поршень.

С помощью анализа фотоупругих напряжений из прозрачной полимерной 3D-модели отливается поршень. Когда поршень модели подвергается нагрузкам, преломляющие свойства пластика изменяются, вызывая изменение цвета поляризованного света, проходящего через поршень.Это показывает, как поршень деформируется под нагрузкой и области, где он испытывает наибольшую нагрузку.

Управление нагревом поршня

Наиболее важной областью для управления нагревом является область верхнего кольца. Одним из «трюков», которые придумали конструкторы двигателей для уменьшения выбросов, было перемещение верхнего компрессионного кольца ближе к верхней части поршня. В 1990-х годах расстояние или «ширина площадки» между верхней кольцевой канавкой и днищем поршня обычно составляло от 7,5 до 8,0 мм. Сегодня это расстояние сократилось до 3.от 0 до 3,5 мм или менее во многих двигателях.

Небольшая щель вокруг верхней части поршня между головкой и верхним кольцом создает мертвую зону для воздушно-топливной смеси. Когда происходит воспламенение, эта область часто не сгорает полностью, оставляя несгоревшее топливо в камере сгорания. Сумма невелика, но если умножить остаточное топливо в каждом цилиндре на количество цилиндров в двигателе, умноженное на скорость двигателя, это может составить значительную часть общих выбросов углеводородов (HC) двигателем.

Одним из последствий перемещения верхнего кольца ближе к верхней части поршня является то, что оно подвергает кольцо и канавку верхнего кольца воздействию более высоких рабочих температур. Верхние кольца на многих двигателях сегодня работают при температуре около 600 градусов по Фаренгейту, в то время как температура второго кольца достигает 300 градусов по Фаренгейту или меньше. Эти экстремальные температуры могут размягчить металл и увеличить опасность деформации кольцевой канавки, микросварки и поломки. Уменьшенная толщина контактной поверхности между верхней частью поршня и верхним кольцом также увеличивает риск растрескивания и выхода из строя контактной площадки.

Эволюционные достижения, которые позволяют сегодняшним поршням работать в таких условиях, включают изменение геометрии поршня, более прочные сплавы, анодирование канавки верхнего кольца и использование более прочных материалов для колец. Обычные чугунные верхние компрессионные кольца, которые отлично работали в стандартном Chevy V8 350, не могут выдерживать такой нагрев, который характерен для многих двигателей последних моделей. Вот почему верхние кольца из ковкого чугуна или стали используются во многих двигателях последних моделей, а также в двигателях с высокими характеристиками. Стальные кольца превосходят чугунные кольца по нескольким параметрам: уменьшенный расход масла, лучшее уплотнение для уменьшения прорыва газов, меньший износ (до 50 процентов меньше!), меньший риск поломки и меньшее трение.

Анодирование стало популярным методом повышения долговечности канавки верхнего кольца и в настоящее время используется во многих двигателях последних моделей. Анодирование уменьшает микросварку между кольцом и поршнем, что значительно увеличивает срок службы. Но он не может творить чудеса: анодированный поршень все равно может выйти из строя, если сильно нагреется.

Анодирование производится путем обработки кольцевой канавки серной кислотой. Кислота вступает в реакцию с металлом, образуя прочный слой оксида алюминия, который является очень твердым и износостойким.Часть слоя находится ниже поверхности металла, а часть выше. В среднем толщина слоя составляет около 20 микрон (0,001 дюйма), поэтому производитель поршня компенсирует добавленную толщину при механической обработке канавки верхнего кольца.

Другой подход, используемый некоторыми производителями поршней для повышения долговечности верхнего кольца, заключается в сварке никелевого сплава в канавке верхнего кольца. Такой подход использовался для поршней OEM в двигателях Saturn 1,9 л, выпускавшихся с 1991 по 2001 год. В двигателе Saturn 2002-03 годов использовалась анодированная верхняя кольцевая канавка.

Поршневые кольца с низким натяжением

Чтобы еще больше усложнить проблему теплоотвода, кольца стали меньше. Начиная с 1980-х годов во многих двигателях стали появляться поршневые кольца «низкого натяжения». Типичные размеры колец сегодня составляют 1,2 мм для верхнего компрессионного кольца, 1,5 мм для второго кольца и 3,0 мм для маслосъемного кольца. На двигателях Chevy серии LS первое и второе кольца имеют диаметр 1,5 мм, а маслосъемное кольцо — 3,0 мм. Некоторые еще тоньше. Некоторые двигатели имеют верхние компрессионные кольца только 1.0 мм, а Buick использовал маслосъемное кольцо толщиной 2,0 мм в своем 3800 V6.

OEM-производители пошли на более тонкие и неглубокие кольца, чтобы улучшить экономию топлива, поскольку на кольца приходится до 40 процентов потерь на внутреннее трение двигателя. Более тонкие кольца создают меньшее сопротивление и трение о стенки цилиндра. Но недостатком является то, что они также уменьшают теплопередачу между поршнем и цилиндром из-за меньшей площади контакта между ними. Следовательно, поршни с кольцами с малым натяжением нагреваются сильнее, чем поршни с кольцами большего размера.

Кольца низкого напряжения также представляют собой другую проблему. Они менее способны справиться с искривлением отверстия цилиндра. Чтобы максимизировать сжатие и свести к минимуму прорыв газов, цилиндр должен быть как можно более круглым. Это часто требует использования динамометрической пластины при хонинговании, чтобы имитировать деформацию отверстия, создаваемую головкой блока цилиндров.

Геометрия поршня

Также были внесены изменения в геометрию поршня, чтобы улучшить его способность выдерживать более высокие температуры. Раньше производители поршней шлифовали большинство поршней с прямым коническим профилем.Когда поршень становится слишком горячим, он соприкасается с цилиндром вдоль узкой области, образуя тонкую полосу износа на боковой стороне поршня. Теперь они используют обработку с ЧПУ для создания профиля цилиндра на поршне. Диаметр поршня в верхней области меньше, чтобы обеспечить большее тепловое расширение и распространить любой контакт со стенкой на большую площадь.

Поршни становятся короче и легче. В 1970-х годах типичный малый блок Chevy 350 в сборе с поршнем и штифтом весил около 750 граммов.Те же детали двигателя Chevy LS последней модели весят всего около 600 граммов.

Частично снижение веса было достигнуто за счет уменьшения высоты поршня и использования более коротких юбок. Расстояние от центра поршневого пальца до верхней части поршня (так называемая «компрессионная высота») в 1970-х годах составляло от 1,5 до 1,7 дюйма. Сегодня штифты на запястье расположены выше. На двигателях Ford 4,6 л компрессионная высота составляет 1,2 дюйма, а на малоблочном Chevy — 1,3 дюйма.

Перемещение поршневого пальца выше на поршне также позволяет использовать более длинные шатуны, что улучшает крутящий момент и облегчает жизнь подшипникам и кольцам.

Некоторые поршни вторичного рынка имеют поршневые пальцы, которые были немного перемещены вверх, чтобы компенсировать изменение поверхности на блоке и головках. Другой альтернативой является шлифовка верхней части поршня, если поверхность блока была восстановлена, но это уменьшает глубину сброса клапанов, что может увеличить риск детонации и / или повреждения клапана.

Раньше поршни имели длинные хвостовые юбки (которые иногда трескались или ломались). Теперь у большинства поршней есть мини-юбки. Вместо длины юбки 2,5 дюйма поршень может иметь только 1.5-дюймовая юбка. Более короткие юбки снижают вес, но также требуют более плотного прилегания поршня к отверстию цилиндра, чтобы свести к минимуму раскачивание поршня и шум. Следовательно, зазор между поршнем и отверстием теперь меньше, обычно от 0,001 дюйма до 0,0005 дюйма или меньше. Некоторые из них имеют посадку с нулевым зазором, что стало возможным благодаря противозадирным покрытиям юбки с низким коэффициентом трения.

Материалы поршня

Сплав, из которого изготовлен поршень, определяет не только его прочностные и износостойкие характеристики, но и характеристики теплового расширения.Более горячие двигатели требуют более стабильных сплавов для поддержания жестких допусков без задиров.

Раньше многие поршни изготавливались из «гипоэвтектических» алюминиевых сплавов, таких как SAE 332, который содержит от 8,1/2 до 10,1/2 процента кремния. Сегодня мы видим больше поршней из «эвтектических» сплавов, содержащих от 11 до 12 процентов кремния, и «гипереэвтектических» сплавов, содержащих от 12 1/2 до более 16 процентов кремния.

Кремний повышает высокую жаропрочность и снижает коэффициент расширения, что позволяет соблюдать более жесткие допуски при изменении температуры.Заэвтектические поршни имеют коэффициент теплового расширения примерно на 15 процентов меньше, чем у стандартных поршней из сплава F-132. Из-за этого поршни могут быть установлены с гораздо более плотной посадкой, в зависимости от применения может потребоваться меньший зазор до 0,0005 дюйма.

Заэвтектические сплавы также немного легче (около 2 процентов), чем стандартные сплавы. Но отливки часто делают тоньше, потому что сплав прочнее, что приводит к чистому снижению общего веса поршня до 10 процентов.

Заэвтектические сплавы труднее отливать, потому что кремний должен равномерно распределяться по алюминию по мере остывания металла. Размер частиц также необходимо тщательно контролировать, чтобы поршень не стал хрупким и не образовались затвердевшие участки, затрудняющие его обработку. Некоторые поршни также подвергаются специальной термообработке для дальнейшего изменения и улучшения структуры зерна для повышения прочности и долговечности. Термическая обработка «Т-6», которая часто используется для изготовления поршней, повышает прочность до 30 процентов.

Обработка заэвтектических поршней более сложна из-за более твердого сплава. Следовательно, заэвтектические поршни обычно стоят немного дороже, чем поршни из стандартных сплавов. Вот почему большинство OEM-производителей (кроме Ford) вернулись к поршням из эвтектического сплава в своих двигателях последних моделей. Эвтектические сплавы с высоким содержанием меди предлагают большинство преимуществ заэвтектических сплавов при меньшей стоимости.

Кованые поршни уже давно используются в высокопроизводительных дизельных двигателях. Двумя наиболее часто используемыми сплавами в кованых поршнях являются сплавы 4032 и 2618.Поршни, изготовленные из 4032, обычно предназначены для уличного применения. Для более требовательных применений предпочтительным часто является сплав 2618. Этот сплав более ковкий, чем 4032, что позволяет ему сопротивляться детонации лучше, чем 4032. Он также имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем 4032, поэтому поршни, изготовленные из алюминия 2618, требуют большей прочности. зазор между стенками и издавать больше шума поршня при прогреве холодного двигателя. Сплав также имеет тенденцию со временем разрушаться больше, чем 4032, а это означает, что поршни, возможно, придется заменить после сезона гонок.

Покрытия поршней

Чтобы выжить сильнейшие, также требуется высокая степень устойчивости к истиранию. Холодный пуск без надлежащей смазки может вызвать задиры поршня. То же самое может произойти, если двигатель перегреется. Зазоры между поршнем и цилиндром сужаются, и поршень трется о отверстие. Первоначальный запуск только что построенного двигателя также является опасным моментом для возникновения задиров и вызывает особую озабоченность у производителей двигателей, поскольку именно в этот период возникает много проблем с гарантией.

Нанесение постоянного антифрикционного покрытия на боковые стороны поршней обеспечивает защиту от истирания.Многие производители двигателей обнаружили, что использование поршней с покрытием практически устраняет гарантийные проблемы, связанные с задирами.

Во многих OEM-двигателях последних моделей, включая Ford 4,6 л и 5,0 л V8, Chrysler 3,2 л, 3,5 л, 3,8 л, 4,0 л, 5,7 л и 6,1 л, а также GM 3,1 л, используются поршни с графитовым молибден-дисульфидным покрытием. юбка для повышения устойчивости к истиранию. С 2003 года GM наносит полимерное покрытие на юбки поршней LS, чтобы уменьшить задиры и зазор между поршнем и стенкой для уменьшения ударов поршня после холодного запуска.Большинство производителей поршней вторичного рынка также предлагают различные типы покрытий поршней как для стандартных, так и для рабочих характеристик.

Керамо-металлические покрытия с «термическим барьером» для поверхностей поршней представляют собой еще один тип покрытия, которое используется на поршнях некоторых дизельных двигателей, бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива и поршнях с высокими эксплуатационными характеристиками. Улучшение удержания тепла в камере сгорания повышает тепловой КПД и увеличивает мощность. Это также способствует охлаждению поршня. Но слишком много тепла в камере сгорания также увеличивает риск детонации и преждевременного зажигания, что не является проблемой для дизелей, но является проблемой для бензиновых двигателей.Поэтому, когда используется покрытие, время зажигания обычно должно быть отложено на несколько градусов, чтобы снизить риск детонации.

Головки поршней

Форма и отделка верхней части поршней также претерпели изменения. Поршни с плоским верхом были заменены выпуклыми поршнями, выпуклыми поршнями и поршнями со сложными контурами для завихрения топливной смеси и улучшения распыления топлива.

Некоторые конструкции днища поршня могут быть очень сложными, поскольку они предназначены для получения минимально возможных выбросов при максимальной общей эффективности использования топлива.Форма короны контролирует движение воздуха и топлива, когда поршень поднимается на такте сжатия. Это, в свою очередь, влияет на скорость горения и на то, что происходит внутри камеры сгорания. Сменные поршни для стандартных двигателей со сложной конструкцией поршня должны быть такими же, как у оригинала, чтобы сохранить те же выбросы и рабочие характеристики.

Благодаря поршням с высокими эксплуатационными характеристиками конструкция может быть еще более специализированной. Производители разработали специальные конфигурации «быстрого горения», которые позволяют двигателям безопасно выдерживать большее сжатие без детонации.

Некоторые поршни имеют «канавку аттенюатора» для улучшения разгрузки клапанов. Канавка устраняет две потенциально горячие точки в камере сгорания и улучшает воздушный поток и распыление влажного потока. Некоторые высокопроизводительные поршни также имеют небольшую канавку, выточенную в верхней кромке кольца, для облегчения охлаждения. Если поршень становится слишком горячим, верхняя часть поршня набухает, в результате чего мини-канавка соприкасается с цилиндром. Этот мгновенный контакт помогает охладить поршень, чтобы уменьшить опасность детонации и разрушения поршня.

Поршневые пальцы

Отверстия для поршневых пальцев также изменились. Вместо того, чтобы быть круглыми и прямыми, отверстия под штифты приобретают новую форму. Некоторые из них овальные, а некоторые имеют форму трубы, расширяющиеся к внутренним краям бобышек штифтов. Причина этих форм заключается в том, чтобы приспособиться к изгибу и овализации штифта на запястье. Эти отклонения от прямого и круглого довольно малы, измеряются десятыми тысячными, но доказали, что они продлевают срок службы поршня.

В некоторых облегченных поршнях также используется более короткий поршневой палец для уменьшения веса.Штифт выполнен из стали, поэтому уменьшение его длины приводит к значительному снижению веса.

Будущие изменения поршней

Поршни могут продолжать становиться короче и легче, но большинство инженеров считают, что кольца не могут стать намного меньше, чем сейчас. Однако некоторые думают, что поршень с двумя кольцами может быть не слишком далеко. В некоторых гоночных двигателях Indy довольно успешно использовались поршни с двумя кольцами.

Другие конструктивные инновации, которые могут определить направление будущей разработки поршней, включают поршневые пальцы из легкого сплава, дополнительное анодирование и/или использование керамических покрытий на верхней части поршней и канавках верхних колец для повышения термостойкости и износостойкости, а также, возможно, верхних колец. без концевых зазоров.

Лучшим показателем того, что будет в будущем, является взгляд на современные гоночные поршни: сверхлегкие конструкции почти без юбок, отверстия, обработанные по бокам для уменьшения веса, и различные конструктивные приемы для контроля температуры. расширение и детонация под большой нагрузкой.

Мы можем увидеть некоторые экзотические усиленные графитом поршни для некоторых мощных двигателей, подобные тем, которые сейчас используются в дизельных двигателях. Растущее использование бензина с непосредственным впрыском требует сложных топливных баков в верхней части поршней, подобных тем, которые используются во многих дизельных двигателях.Непосредственный впрыск позволяет использовать чрезвычайно бедные воздушно-топливные смеси, улучшая экономию топлива и мощность. Но также требуется точный контроль потока воздуха в камере сгорания для надежного воспламенения и полного сгорания.



28 сентября 2020 г.

MAHLE создает первые в мире поршни, напечатанные с помощью лазерной 3D-печати

3D-печать существует уже некоторое время, но это первый пример создания высокопроизводительных поршней с использованием специального лазерного 3D-принтера. Экспериментальные поршни были изготовлены MAHLE в сотрудничестве с Porsche и Trumpf.


Первые в мире поршни, напечатанные лазером в 3D

В процессе используется специальный алюминиевый сплав, который распыляется в мелкий порошок, а затем печатается в процессе, известном как Laser Metal Fusion (LMF). Высокодетализированная трехмерная карта поршня сначала создается на компьютере с помощью специального программного обеспечения, которое оценивает, где нагрузки на поршень самые высокие и самые низкие. Затем конструкцию можно изменить, убрав вес там, где он не нужен. Затем конструкция поршня подразделяется на тонкие слои, которые затем используются для направления пути лазерного луча.Лазер расплавляет алюминиевый порошок, добавляя слой за слоем, чтобы медленно создать форму поршня. Заготовка поршня занимает около 12 часов с использованием 3D-процесса и состоит из примерно 1200 слоев, сплавленных вместе.

Поршни были созданы, чтобы увидеть, насколько хорошо детали, напечатанные на 3D-принтере, сравниваются с традиционными отливками и поковками. Судя по всему, они очень успешно выдержали изнурительное испытание на 700-сильном двигателе Porsche 911 GT2 RS во время 200-часового испытания на выносливость. Поршни показывают большие перспективы не только в снижении веса, но и в работе с более высокими нагрузками в лошадиных силах.В процессе трехмерного формования за верхней кольцевой площадкой были созданы специальные охлаждающие камбузы для улучшения охлаждения в этой критической области. Конструкция с открытой стороной также уменьшила общий вес поршня до 20 процентов по сравнению с аналогичным кованым поршнем.

Этот новый метод создания поршней только микроскопическими слоями за один раз с помощью лазерного 3D-принтера открывает совершенно новый мир для гонок и специальных применений. Процесс 3D-печати все еще слишком медленный для массового производства деталей, но для специальных проектов он предлагает широкий спектр возможностей.



Другие статьи о двигателях:

Новые конструкции поршней для двигателей GDI от Ларри Карли Журнал Engine Builder за 2015 г. Обновленная информация о методах хонингования цилиндров

Советы по восстановлению двигателя

Замена деталей двигателя

Щелкните здесь для получения дополнительных статей, связанных с двигателем

Щелкните здесь, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи Carley Automotive


Обязательно посетите другие наши веб-сайты:
AACar 900 Справочный центр автомобильной диагностики
Carley Automotive Software
OBD2HELP
Случайные пропуски зажигания
Справка по сканирующему прибору
КОДЫ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Взгляд на тенденции и технологии проектирования поршней на 2017 год

 

Хорошо продуманный план действий необходим для сборки любого двигателя, а когда речь идет о долговечности, надежности и общем потенциале производительности, вдвойне важно, чтобы компоненты нижнего уровня были правильно выбраны для конкретного применения.

Поршни

, безусловно, не являются исключением из этого правила, но решить, какие из них использовать для вашего проекта, может оказаться непросто. Как и любой современный компонент двигателя, конструкция поршня продолжает развиваться вместе с технологическими достижениями, и эти достижения позволяют вторичному рынку предлагать производителям более широкий выбор, чтобы наилучшим образом удовлетворить потребности конкретных комбинаций и вариантов использования.

Хотя это, безусловно, хорошая новость для строителей, которые хотят получить максимальную отдачу от затраченных средств, это также означает, что при выборе необходимо учитывать некоторые новые факторы.

Чтобы избавиться от догадок, мы получаем информацию о последних тенденциях в области поршневых технологий от экспертов MAHLE, JE Pistons и CP-Carrillo, чтобы лучше понять доступные варианты. строителям, и как определить, какие параметры следует учитывать для конкретного проекта.

Поршни для заготовок

Машинное время составляет большую часть стоимости поршней, а машинное время, необходимое для изготовления заготовок, значительно больше кованых поршней, что значительно увеличивает затраты.Существует распространенное мнение, что заготовка не такая прочная, как поковка, которая более плотная из-за того, что ее выковывают, а не подвергают механической обработке. Хотя технически более плотный материал немного прочнее, при использовании разница в прочности минимальна. Если нет подходящей поковки, часто единственным вариантом являются цельные поршни.

Когда дело доходит до дебатов о заготовке и кованых поршнях, в игру вступает больше факторов, чем просто прочность и стоимость. «Причина номер один, по которой существуют поршни из заготовок, — это преимущество практически безграничной настройки», — говорит Марк Гирхарт из JE Pistons.«Кованые поршни запрессовываются в кованую заготовку. Различные заготовки могут соответствовать разным диаметрам отверстия, высоте сжатия, толщине юбки и общей высоте поршня. Если поковки для нужной конструкции нет, или сама конструкция радикальна, шайбы для заготовок вырезаются из прутка и становятся архитектурой для поршней из заготовок».

Это мнение о легкости адаптации разделяет и Трей МакФарланд из MAHLE. «Преимущество обработки поршней из цельной заготовки заключается в полной свободе проектирования», — объясняет он.«При механической обработке из поковки многие элементы поршня уже предварительно отформованы свободно, что ограничивает некоторые области конструкции определенными параметрами. При обработке цельного куска материала каждый аспект должен быть полностью обработан, и, кроме общей высоты и диаметра, конструкция не имеет ограничений».

Слева подпоршневой профиль вытачивается на шайбе из алюминиевой заготовки. Обычно это часть процесса ковки кованого поршня, а это означает, что этот процесс создает дополнительное время для изготовления цельного поршня по сравнению с кованым.Однако из-за инструментов, используемых в процессе ковки, гораздо проще, быстрее и экономичнее использовать обработанную заготовку для необычных конструкций или специальных применений.

Поршни из заготовок часто используются в целях исследований и разработок, когда необходимо уточнить конструкцию перед изготовлением поковки или отливки. «Машинное время составляет большую часть стоимости поршней, машинное время для заготовок значительно больше, что значительно увеличивает стоимость», — добавляет МакФарланд.

Изменения параметров поршня-заготовки могут быть реализованы в последующих версиях буквально за часы с минимальными затратами по сравнению со временем и затратами, связанными с внесением даже незначительных изменений в существующие поковки.Они идеально подходят для исследований и разработок новых платформ и конструкций двигателей, когда изменения могут потребоваться много раз, особенно на начальных этапах проекта. – Эдвард Урцис, CP-Carrillo

Хотя инженеры могут посмотреть на компьютерную визуализацию или даже на полномасштабную 3D-печатную пластиковую модель конструкции, их нельзя поместить в движок для тестирования в реальных условиях. «Этот процесс разработки может быть завершен намного быстрее при использовании заготовок, чем при использовании поковок», — говорит Эдвард Урцис из CP-Carrillo.

«Изменения параметров заготовки могут быть реализованы в последующих версиях буквально за часы с минимальными затратами по сравнению со временем и затратами, связанными с внесением даже незначительных изменений в существующие поковки. Они идеально подходят для исследований и разработок новых платформ и конструкций двигателей, когда изменения могут потребоваться много раз, особенно на начальных этапах проекта. Поршни-заготовки также идеально подходят для поршней ограниченного тиража, когда не существует существующих поковок, соответствующих размерным требованиям заказа.Когда рассматривается новый материал для использования в поршнях, заготовка часто оказывается самым быстрым и экономичным способом его испытания».

Хотя цельные поршни обеспечивают гибкость конструкции и производства как для целей разработки, так и для нестандартных конструктивных требований, кованые поршни имеют свои собственные явные преимущества, которые также следует принимать во внимание.

Подделка

«Если есть поковка, всегда предпочтительнее», — объяснил МакФарланд. После того, как дизайн был сужен на поковке, можно значительно снизить стоимость и время производства, что приведет к сокращению времени выполнения заказа.Любое сокращение обработки снижает вероятность ошибок».

Это, в свою очередь, часто приводит к снижению затрат для конечного пользователя. «Стоимость кованых поршней является большим преимуществом по сравнению с заготовками», — говорит Гирхарт. «Чем дольше поршень находится в станке с ЧПУ, тем дороже его производство. Черновая форма нижней короны и юбки будет установлена ​​в поковке, тогда как заготовка представляет собой шайбу из алюминия, которая должна быть полностью вылеплена для придания формы».

Поковки

обычно производятся в больших количествах, и для производства отдельного поршня требуется меньше времени на проектирование и обработку, чем для заготовки.В результате конечная стоимость кованого поршня обычно ниже, чем эквивалента заготовки. Но из-за возникающего потока зерен, когда материал выковывается в грубую форму под воздействием тепла и экстремального давления, поковка на самом деле прочнее поршня из заготовки идентичной формы, хотя разницу легче увидеть в теории, чем в реальном использовании.

Но помимо соображений стоимости, кованые поршни, как правило, обладают большей прочностью и долговечностью, чем их аналоги из заготовок. «При прочих равных кованые поршни всегда будут прочнее заготовки», — добавляет Гирхарт.«В процессе ковки зернистая структура устанавливается и имеет более стабильные свойства материала».

Несмотря на то, что эти преимущества в прочности иногда трудно измерить в реальном мире, наука, стоящая за этим производственным процессом, неоспорима. «Из-за возникающего потока зерен, когда материал выковывается в грубую форму под воздействием тепла и экстремального давления, поковка на самом деле прочнее, чем поршень заготовки идентичной формы, хотя разницу легче увидеть в теории, чем в реальном использовании», — говорит Урцис. нас.

Несмотря на то, что различия в прочности в конечном итоге незначительны, когда долговечность является наивысшим приоритетом в применении, кованые поршни обычно являются предпочтительным вариантом, особенно когда принудительная индукция и / или закись азота являются частью уравнения производительности.

«Если имеется поковка, из которой можно изготовить поршень, отвечающий требованиям применения, времени изготовления и стоимости, я бы рекомендовал ее в качестве первого выбора вместо заготовки».

Ассиметричные юбки

При правильном применении асимметричные юбки могут уменьшить вес, трение, износ и вероятность истирания.«Асимметричная конструкция юбки снижает трение, сохраняя нужную длину юбки там, где она должна быть», — объясняет Гирхарт.

«Благодаря уменьшению ширины панелей юбки за счет асимметричной конструкции с кованым боковым рельефом (FSR) поршень также может быть значительно легче, чем у полнокруглой конструкции. Асимметричный поршень будет иметь более широкую панель юбки на стороне большой тяги и меньшую панель на стороне второстепенной тяги».

Юбки асимметричной формы, подобные этой, становятся все более распространенными в OEM-приложениях, где дополнительные преимущества таких конструкций могут быть подтверждены с помощью необходимых всесторонних испытаний.Из-за ряда факторов, которые могут повлиять на потенциальные преимущества асимметричной юбки, как правило, трудно применить эту функцию в ряде приложений, что делает этот дизайн в большинстве случаев конкретным приложением.

Хотя общие мнения об асимметричных юбках различаются, все согласны с тем, что преимущества неуловимы, очень специфичны для конкретного применения и обычно требуют тщательного тестирования для подтверждения.

За счет уменьшения ширины панелей юбки за счет асимметричной конструкции с кованым боковым рельефом (FSR) поршень также может быть значительно легче, чем поршень с круглым сечением.Асимметричный поршень будет иметь более широкую панель юбки на стороне большой тяги и меньшую панель на стороне второстепенной тяги. – Марк Гирхарт, JE Pistons

«Упорная сторона поршня подвергается большей нагрузке, что может создавать большее напряжение и большее трение, чем то, что может быть приложено к неупорной стороне», – объясняет Урцис. «Из-за этой уменьшенной нагрузки и трения на неосевой стороне заготовка поршня может быть спроектирована (если это поковка) и / или обработана (если заготовка) с меньшей опорной конструкцией на этой стороне детали.Это может немного сэкономить вес и уменьшить трение на той стороне поршня, но на практике экономия веса и уменьшение трения очень незначительны. Эта конструкция предлагается некоторыми производителями послепродажного обслуживания, но, поскольку выигрыш относительно незначителен, ее можно рассматривать скорее как маркетинговый инструмент, чем как реальное экономическое преимущество для производительности поршня».

Действительно, существует ряд переменных, влияющих на потенциальные преимущества асимметричных юбок, что затрудняет применение преимуществ этой функции в различных дизайнах.

«Асимметричные юбки стали более распространенными в приложениях оригинального оборудования, где проводятся многочисленные проверочные испытания», — отмечает МакФарланд. «В некоторых случаях юбка меньшего размера находится на стороне тяги, а в других — на стороне противодействия тяге. Это сложная функция для применения в ряде приложений, как правило, для конкретного приложения требуется специально разработанная ковка или литье. С другой стороны, асимметричные карманы клапанов являются очень полезной функцией, поскольку использование впускных и выпускных карманов соответствующего размера (обычно меньшего размера на выпуске) вместо двух карманов впускного размера, которые более доступны, уменьшит общий объем камеры, увеличивая степень сжатия.Это особенно полезно в приложениях, ограниченных правилом класса, где сложно получить дополнительное сжатие».

Как профили юбки влияют на производительность

Профиль юбки поршня является одним из ключевых элементов, влияющих на работу поршня. Хотя это практически невозможно различить невооруженным глазом, юбка поршня — это не просто прямая круглая форма, как кусок трубы. «Дизайн юбки поршня на самом деле определяется двумя формами — бочкообразной и овальной», — объясняет Гирхарт.

«Если вы смотрите на поршень прямо со стороны поршневого пальца, цилиндр — это форма юбки, выступающей из поршня. Хотя контраст между этими формами незначителен, юбка поршня расширяется по мере того, как вы опускаетесь по поршню, а затем изгибается обратно. Фактически нижняя часть юбки поршня контактирует с отверстием. Идея состоит в том, чтобы создать наименьший контакт с отверстием при сохранении стабильности поршня».

Профиль юбки поршня может выглядеть идеально круглым невооруженным глазом, но это не так, и особенности формы оказывают значительное влияние на характеристики поршня по мере его расширения.

«Вторая часть, овальность, — это округлость поршня, поскольку поршни не идеально круглые», — продолжает он. «Подумайте о том, чтобы сжать мяч для снятия стресса, внешние части мяча выдавливаются. Именно это и происходит с формой поршня. Верх и низ (большая и малая тяга) — это места, где в основном происходит контакт поршня. Эта форма также сосредотачивает нагрузку на опорной поверхности и допускает незначительную деформацию юбки в соответствии с требованиями нагрузки».

По своей сути, профиль отвечает за контроль формы поршня по мере его увеличения при нагреве до полной рабочей температуры — по мере роста поршня он занимает большую часть зазора, который присутствует между поршнем и отверстием в холодном состоянии.

Из-за сложной конструкции и различной толщины поршня различные области поршня не расширяются на одинаковую величину по мере того, как поршень нагревается во время работы. Правильно подобранный профиль юбки снижает сопротивление и износ, повышая эффективность работы.

Правильный профиль уменьшит сопротивление, износ, шум и нагрузку, в результате чего поршень станет более прочным, более тихим, более стабильным и более производительным. Эта операция настолько критична, что MAHLE производит собственное обрабатывающее оборудование, которое обрабатывает только профили.-Трей Макфарланд, MAHLE

«Правильный профиль уменьшит сопротивление, износ, шум и нагрузку, в результате чего поршень станет более прочным, тихим, стабильным и более производительным», — говорит МакФарланд. «Эта операция настолько критична, что MAHLE производит собственное обрабатывающее оборудование, которое обрабатывает только профили. Каждое приложение разработано со своим уникальным профилем».

Кроме того, по мере того, как поршень достигает рабочей температуры, некоторые области становятся теплее, чем другие, и расширяются на разную величину. «По этой причине поршень имеет больший зазор в отверстии в холодном состоянии, чем при рабочей температуре», — отмечает Урцис.

«Требуется большой опыт и испытания, чтобы разработать правильные формы и зазоры для множества различных поковок и форм заготовок, а также применить правильные значения для каждого поршня и области применения».

Что дальше

В то время как люди, создающие новейшие поршневые технологии и конструкции, склонны держать проекты, которые все еще находятся в стадии разработки, в секрете, пока они не будут готовы к вниманию, мы все же можем получить некоторое представление о том, в каком направлении движется дело, просто взглянув на то, как процессы проектирования и производства развиваются каждый день.

«CP-Carrillo постоянно работает над новыми идеями и технологиями, — говорит нам Урис. «Мы работаем со многими гоночными командами высокого уровня и выбираем OEM-производителей в мире автоспорта (наряду с отдельными лицами и организациями из всех видов автоспорта), и это дает нам возможность совершенствовать и разрабатывать новые продукты для конкретных приложений».

Новые технологии, такие как 3D-печать, позволяют инженерам разрабатывать индивидуальные конструкции в программном обеспечении для визуализации, а затем проверять зазоры перед изготовлением набора поршней из заготовок.

«Наш отдел исследований и разработок всегда работает над конструктивными характеристиками поршня за кулисами, — говорит Гирхарт. «Возьмите, к примеру, наши обрабатывающие центры. Наличие лучших станков с ЧПУ похоже на покупку нового компьютера; точность и скорость будут расти. Например, наш 9-осевой ЧПУ Mazak Integrex снижает количество операций, необходимых оператору станка, и, таким образом, повышает точность при одновременном сокращении времени обработки. Integrex буквально передает деталь на другую сторону машины для выполнения операций между куполом и нижней частью поршня.

Все еще остались вопросы по выбору набора слагов для вашего следующего проекта? Специалисты JE Pistons, CP-Carrillo и MAHLE могут указать вам правильное направление, чтобы гарантировать, что поршни для вашей следующей сборки будут соответствовать требованиям производительности, долговечности и стоимости вашего приложения. Напишите им и узнайте, что доступно для вашей сборки.

(PDF) КОНСТРУКЦИЯ И АНАЛИЗ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ CATIA И ANSIS

18

Этот вид повреждения может быть вызван превышением оборотов пилы, слишком бедной регулировкой карбюратора

, игнорированием утечки воздуха в двигатель пилы или сочетание факторов.Лучший способ

избежать такого заклинивания — это использовать топливо хорошего качества и смешанное масло, избегать чрезмерных оборотов двигателя, а

всегда прекращать работу пилы, которая показывает признаки потенциальной утечки воздуха. Повреждение

такого рода также может быть вызвано частично засоренным топливным фильтром, что является еще одной причиной, по которой

топливные фильтры следует регулярно заменять

Рис. 2.5 рис. 2.6

2.6.2 Неправильный отказ

2.6.2.1 Повреждение из-за попадания мусора через воздушный фильтр

Повреждение юбки поршня вызвано попаданием мусора через систему фильтрации воздуха.

Обратите внимание, что горизонтальные машинные следы были стерты по всей нижней части, что

указывает на сильный износ нижней части юбки. Не показано, но другая сторона поршня

выглядела идеально. Это повреждение было обнаружено только на стороне впуска поршня.Это типично для

повреждений, вызванных попаданием мусора в воздухозаборник. Другая сторона поршня не соприкасается с впускным отверстием, поэтому

оно не затрагивается на ранних стадиях.

Юбку впуска повреждает мусор из негерметичного фильтра, который заклинивает между поршнем и стенкой цилиндра

, вызывая задиры на юбке поршня. Поскольку поршень изготовлен из более мягкого материала, повреждение

более выражено на юбке, чем на твердой поверхности отверстия цилиндра. Этот износ поршня

увеличивает зазор, что позволяет поршню «раскачиваться» в отверстии цилиндра.По мере того, как юбка

становится тоньше и слабее, раскачивание увеличивается. В конце концов поршень сломается. Когда это

, двигатель заедает. На профессиональной пиле юбка поршня выполняет еще одну важную функцию. Не

только направляет поршень, юбка служит впускным клапаном двигателя. По мере того, как поршень движется вверх

и вниз по цилиндру, его основание открывает и закрывает впускное отверстие по мере его прохождения. Чтобы двигатель работал

наилучшим образом, важно, чтобы этот клапан работал хорошо.

Симметричная, асимметричная и полнокруглая конструкция юбки поршня

Юбки поршня являются критически важной технической особенностью, которая во многом определяет то, как поршень будет работать. Понимание и выбор правильной конструкции юбки может стоить лошадиных сил и долговечности вашего двигателя.

Это может быть неожиданностью, но вполне вероятно, что поршни в вашем двигателе не особенно круглые. Ну, некоторые из них в основном круглые, а другие нет. Это сложно, но по уважительной причине.Рабочая среда поршня диктует его общую форму, и эта форма усложняется, когда поршень выполняет несколько задач, подвергаясь постоянному насилию самого высокого порядка.
Каждый поршень имеет большую и второстепенную сторону упора. Большая сторона из-за направления вращения и относительного угла гильзы цилиндра испытывает большую боковую нагрузку, чем второстепенная сторона.

Основная задача поршня — улавливать давление в цилиндре посредством кольцевого уплотнения, чтобы шатун и коленчатый вал могли преобразовывать это давление во вращательное движение для движения автомобиля.Поршни на самом деле не знают, приходят они или уходят, но они распознают факторы, которые сговариваются, чтобы уничтожить их или иным образом сделать их менее эффективными, чем хотелось бы; указанными факторами являются тепло, давление, трение, смазка и инерционные нагрузки, которые постоянно стремятся разорвать их на части.

Современные поршни доступны в нескольких различных исполнениях, в зависимости от области применения.

Верхняя часть большинства поршней действительно круглая, потому что это та часть, которая удерживает пакет колец, а круглые кольца должны совпадать с круглыми отверстиями цилиндра для обеспечения надлежащего уплотнения.Некоторые исключения имеют овальную форму на кольцевых площадках, но это не является общепринятой практикой. По большей части все, что выше нижнего кольца, на самом деле круглое. Однако под пакетом колец современные поршни принимают новые и другие формы, тонкости которых не всегда ясны невооруженным глазом.

Узнайте больше новостей, технологий и возможностей в блоге JE Pistons!

Юбки поршня необходимы для стабилизации поршня в отверстии и обеспечения наилучшего уплотнительного кольца, предотвращая слишком сильное раскачивание поршня.Силы сгорания приводят к значительным боковым нагрузкам через юбку, которая пытается деформировать поршень и взвести его в отверстии. Без юбок пакет колец представлял бы собой единую точку контакта, позволяющую поршню свободно раскачиваться и нарушать критические функции колец как при сжатии, так и при сгорании. Добавляя юбку, конструкторы фактически создают две области контакта, которые улучшают кольцевое уплотнение и поглощают осевую нагрузку, одновременно стабилизируя движение поршня в отверстии цилиндра.

Показан полностью круглый поршень, который всегда будет иметь наибольшую площадь контакта с юбкой, и сверхнизкопрофильный поршень в виде проскальзывающей юбки, спроектированный так, чтобы быть максимально легким. распознается как полная юбка (полный круглый) или тапочка с юбкой. Симметричные или асимметричные профили юбки дополнительно характеризуют дизайн юбки тапочек с сопутствующими овальными и бочкообразными профилями, характерными для любого конкретного дизайна. Полный плинтус вначале казался логичным.Он создал прочный поршень, который сохранял заданную форму и хорошо выдерживал длительные нагрузки.

В этих поршнях обычно использовались внешние бобышки пальцев, более длинные поршневые пальцы и они имели значительную массу. Полный бортик полезен там, где давление сгорания и осевая нагрузка чрезвычайно высоки, как в дизельном двигателе. Это помогает сохранить форму поршня и стабилизирует пакет колец в этих условиях. Полнокруглые юбки служат дольше из-за меньшего локального износа и большей площади контакта юбки.

Конструкция юбки тапочка развивалась по мере того, как инженеры стремились облегчить возвратно-поступательные компоненты для повышения производительности и адаптировать конструкцию поршня для комбинации ударных двигателей и повышенных оборотов многих современных высокопроизводительных двигателей.В то время как юбки необходимы для обеспечения стабильности и выравнивания поршня, переопределение поршня под пакетом колец дало бы многочисленные преимущества, некоторые из которых включают:

  • Уменьшенный вес поршня, что безопасно поддерживает более высокие обороты двигателя
  • Минимальное пятно контакта снижает трение при сохранении стабильности
  • Поршни можно приблизить к коленчатому валу без вмешательства противовеса

По мере развития новых форм конструкторы вносили существенные изменения, которые значительно улучшали характеристики, главными из которых были овальность и контур цилиндрической поверхности.Оба были основным продуктом поршневой конструкции более полувека.

 

На рисунке показано, как овальность используется для достижения наименьшей возможной площади контакта, которая одновременно стабилизирует поршень и по-прежнему поглощает предполагаемые осевые нагрузки.

Овальность юбки

Конструкторы давно поняли, что полный контакт юбки со стенками цилиндра не только не нужен, но и вреден для производительности в виде трения, снижающего мощность. Овальность поршня или форма яйца, если хотите, диктует, что тело поршня уже по малой оси (поршневой палец) и шире по большой оси (упорная поверхность).Что касается ширины юбки, то самая широкая часть поршня находится в области несущей нагрузки юбки. Вот почему мы измеряем зазор между поршнем и стенкой в ​​центре юбки и ближе к ее низу. Овальность используется для решения проблемы расширения поршня от тепла. Это дает контролируемое одномерное решение для величины контакта поршня с упорной поверхностью. И это предлагает силу, которую вы ожидаете от удаления полной круглой юбки. Юбки FSR (Forged Side Relief) на самом деле прочнее, чем полностью круглые конструкции, но они требуют более точной настройки профиля юбки, чтобы соответствовать характеристикам износа полного круглого сечения.

Степень овальности определяется величиной теплового расширения и осевой нагрузки, с которой, как ожидают инженеры, сталкивается юбка поршня. Точная геометрическая форма варьируется в зависимости от применения. Только часть юбки соприкасается со стенкой цилиндра, даже если она окружена большим количеством материала юбки. Цель состоит в том, чтобы представить тщательно рассчитанную площадь несущей способности, наиболее подходящую для каждого применения. Поршни без наддува требуют меньшей овальности, чем поршни с наддувом и другие устройства с искусственным наддувом, из-за различных требований к нагреву и нагрузке.

Поршни могут иметь одинарную или составную овальность в зависимости от применения, нагрузки, тепловых характеристик, материала поршня и толщины юбки. Форма может быть удивительно сложной, и ее можно получить только с помощью компьютерного анализа и реальных динамических испытаний. Вместо одной постоянной кривой степень кривой может меняться по мере приближения к несущей зоне. Инженеры могут рассчитать это и смоделировать на компьютерах. Овальные формы шлифовались на специальных станках, но процесс был трудоемким и дорогим.Сегодня обрабатывающие центры с ЧПУ могут вырезать эти формы гораздо быстрее и точнее.

Это увеличенное изображение цилиндрической формы поршня показывает, как цилиндр используется для обеспечения идеального пятна контакта без соприкосновения всей юбки со стенкой цилиндра. Точка контакта расположена низко на юбке, чтобы обеспечить достаточное отделение от пакета колец для большей стабильности.

КОНТУР СТВОЛА

Если концепция овальности не вызывает у вас головокружения, вам может помочь контурирование ствола.В то время как овальность направляет форму юбки по горизонтальной оси, бочкообразная форма соответствует форме юбки по вертикальной оси и помогает поддерживать единую точку контакта юбки, необходимую для максимальной эффективности юбки.

Если несущая зона имеет ширину, она также должна включать высоту, которая определяет точное пятно контакта, которое инженер считает подходящим для применения. Опять же, это можно рассчитать и смоделировать, но это должно быть подтверждено реальным тестированием. Чтобы визуализировать ствол, представьте себе вид сбоку на юбку поршня и выберите самую широкую часть поршня, где измеряется зазор между поршнем и стенкой.Во многих случаях это примерно один дюйм ниже нижней кольцевой канавки.

В этом сравнении видно, насколько меньше площадь контакта юбки с асимметричным поршнем.

С этого момента юбка поршня также приобретает криволинейный контур, поскольку она следует по определенной дуге до дна нижней кольцевой канавки, где поршень фактически имеет меньший диаметр.

Напомним, что кольцевой ремень и верхняя часть поршня всегда имеют круглую форму и меньший диаметр, поскольку им требуется больше места для расширения из-за сильного нагрева в этой области.Ниже этой точки цилиндр работает в сочетании с овальностью, чтобы определить многомерную точку контакта и зону несущей нагрузки, наиболее подходящую для конечного применения. В какой-то степени вы можете думать о бочонке как о вертикальной овальности, поскольку он предназначен для минимизации трения за счет контроля пятна контакта.

Может быть полезно представить, что в цилиндре надувается небольшой шарик. Контакт со стенками изменяется с давлением накачивания, но он может измениться только настолько сильно по горизонтали, прежде чем вся поверхность баллона соприкоснется со стенкой цилиндра по горизонтали.Тем не менее, воздушный шар все еще может расширяться по вертикали, и дуга к точке контакта изменится и удлинит пятно контакта.

В каком-то смысле это бочонок, потому что форма воздушного шара всегда в какой-то точке отклоняется от стенки цилиндра. На практике бочонок несколько более выражен в верхней части юбки возле канавки маслосъемного кольца и менее выражен в нижней части юбки; разница составляет порядка 0,002–0,004 дюйма.

Обратите внимание на то, что большая сторона упора обеих юбок поршня значительно шире, чем сторона меньшего упора.

Симметрия

Большинство поршней, как полностью круглых, так и скользящих с юбкой, симметричны по контуру юбки; то есть обе юбки идентичны по размеру и профилю. Когда вы смотрите на один из этих поршней, вы не можете заметить какой-либо заметной разницы между юбкой малой тяги и юбкой большой тяги. Слева: асимметричные поршни становятся все более распространенными в качестве средства снижения трения. Справа: большинство поршней имеют симметричные юбки.

Большинство поршней изготавливаются с симметричными юбками, но другой тип юбки поршня, разработанный и популяризированный компанией JE Pistons, обеспечивает значительный прирост производительности за счет изменения конструкции юбки на стороне малого усилия поршня.Основная упорная сторона сохраняет юбку традиционного стиля с овальными и бочкообразными характеристиками, соответствующими конкретному применению. Однако сторона с небольшим напором имеет значительно меньшую юбку, достаточно большую, чтобы по-прежнему обеспечивать стабилизирующее пятно контакта, но не такую ​​широкую и прочную, как юбка на стороне с большим напором. Поскольку он не подвергается более высоким осевым нагрузкам, его размер можно уменьшить, чтобы уменьшить вес поршня и потери на трение.

Нужны поршни JE для вашего автомобиля? Смотрите их все в источнике.В асимметричных поршнях

JE используется конструкция с кованым боковым рельефом (FSR) с большой и малой упорными юбками, внутренними бобышками пальца и более коротким и жестким поршневым пальцем. С годами дизайн юбок претерпевал изменения, иногда значительные, поскольку дизайнеры совершенствовали их функции в соответствии с меняющимися требованиями к характеристикам. Основное внимание в асимметричной конструкции поршня уделяется снижению веса и трения за счет меньшей и более легкой юбки FSR на стороне малого усилия. Ключевым преимуществом конструкции асимметричного поршня является более короткий и легкий поршневой палец.На двигателе Chevy LS поршневые пальцы имеют длину всего 2250 дюймов, что снижает вес поршня на 10 грамм.

Асимметричные поршни обеспечивают уникальный способ снижения трения и веса поршня за счет уменьшения размера юбки на стороне меньшего усилия по сравнению с юбкой на стороне большего усилия. Основная упорная сторона асимметричного поршня представляет собой полноразмерный салазок, спроектированный с оптимальными характеристиками несущей способности и трения. На стороне незначительной осевой нагрузки по-прежнему требуется юбка для обеспечения устойчивости, но она может быть меньше, поскольку на эту сторону воздействует меньшая осевая нагрузка.

Выводит ли это поршень из равновесия относительно положения штифта? Ответ — нет. Сочетание более легкого штифта и смещения штифта обеспечивает сбалансированность поршня. JE смещает палец в сторону основного упора, делая баланс поршня на оси пальца почти идеальным. Таким образом, юбка меньшего размера не влияет на балансировку, если только вы сами не притираете поршень при балансировке.

Поршень справа и слева имеют одинаковые номера деталей, развёрнутые на 180 градусов друг от друга.Обратите внимание на огромную разницу между юбкой на стороне малого напора и юбкой на стороне большого напора.

В этом нет необходимости, так как поршни изготавливаются как сбалансированные комплекты. Каждый поршень отличается и будет иметь свой уникальный профиль юбки в зависимости от применения и проверки ожидаемой нагрузки.

Инженеры довольно хорошо разбираются в этом, но они все же будут тестировать несколько профилей юбки, часто в одной и той же тестовой машине, чтобы получить реальную картину того, как юбка справляется со своими требованиями.

Ход двигателя, длина штока и максимальное давление в цилиндре — все это влияет на любые заданные требования к юбке. Системы с наддувом и закисью азота также играют важную роль и обычно имеют очень прочную юбку на стороне основной тяги.

На этой диаграмме угла поворота коленчатого вала показана существенная разница в нагрузке со стороны основного упора поршня. Профиль над контрольной линией указывает на нагрузку со стороны основного напора. Профиль ниже опорной линии является стороной малого взброса.

Помимо соображений овальности, симметрии цилиндра и юбки, конфигурация кованого бокового рельефа придает значительную прочность профилю юбки, поскольку она концентрирует большую массу поршня в направлении центра и позади основной поверхности тяги. Поршень — одна из немногих деталей двигателя, которые включают в себя несколько форм и размеров, которые сливаются в общий профиль, наиболее подходящий для любого применения.

Узнайте больше о JE Piston tech.

Наибольшее снижение трения обычно достигается за счет строгих инженерных протоколов, определяющих профили юбки для соответствия широкому спектру условий производительности, встречающихся в автоспорте.Поскольку пакеты колец превратились в более тонкие кольца, пятно контакта юбки стало последней границей проблем трения. Комбинируя некоторые или все доступные формы юбки, конструкторы смогли снизить трение, одновременно улучшив стабильность поршня и функциональность колец. Это означает более высокую производительность и долговечность компонентов для всех гонщиков.

Понимание различий между конструкциями поршней с наддувом и без наддува

Точно так же, как два внешне похожих распределительных вала могут служить совершенно разным потребностям, одна и та же концепция применима к поршням без наддува и наддувом.Мы объясняем теорию дизайна обоих.

Точно так же, как два распределительных вала, которые выглядят одинаково, могут служить совершенно разным потребностям, та же самая концепция применима к поршням. Многие гонщики предполагают, что поршень с добавочной мощностью — не более чем более мощная версия безнаддувного поршня. Хотя в этой случайной оценке есть доля правды, более глубокое копание обнаруживает множество ключевых отличий, которые влияют на все: от долговечности до веса, стабильности, кольцевого уплотнения и мощности.

Спроектировать поршень для увеличения мощности — это не просто добавить немного дополнительного металла здесь и там, а затем положить этому конец.Уменьшение массы — не единственный приоритет при разработке безнаддувного поршня. Поскольку двигатели без наддува и сумматор мощности работают при совершенно разных уровнях давления в цилиндре, тепла и оборотов, оптимизация поршня для обеспечения максимальной долговечности и выходной мощности требует столь же другого подхода к общей конструкции.

Здесь вы можете видеть, что головка поршня с наддувом больше, чем у поршня без наддува. Эта толщина продолжается и сужается к концу юбки.

Сложные силы

Чтобы в полной мере оценить важность адаптации конструкции поршня к предполагаемому использованию двигателя, необходимо изучить динамические силы, действующие в мощном двигателе. Во время рабочего такта тепло и давление в цилиндре пытаются вдавить верхнюю часть поршня в нижнюю часть юбки. При этом юбки поршней вдавливаются в большую и малую упорные поверхности стенок цилиндра.

Кроме того, когда давление в цилиндре пытается вытолкнуть поршень из нижней части блока, шатун и коленчатый вал сопротивляются этому движению, оказывая усилие в противоположном направлении.Это как выстрелить пулей, поймать ее шомполом, а затем толкнуть обратно в патронник, как только она достигнет конца ствола. На этом злоупотребления не заканчиваются.

После того, как поршень возвращается в ВМТ, шток и поршневой палец пытаются растянуть его в стороны, прикладывая направленное вниз усилие во время такта впуска. Следовательно, каждая секция поршня, включая головку, юбки, кольцевые зоны, поршневой палец, отверстия для пальцев и опорные стойки, выдерживает огромные нагрузки в течение четырехтактного цикла.

Анализ методом конечных элементов представляет собой сложную компьютерную программу, которая помогает разработчику поршня создавать лучшую деталь. Программа может заранее определить слабое место в дизайне еще до того, как оно покинет пределы экрана компьютерного дизайна. Это позволяет инженерам вносить изменения в конструкцию или добавлять материалы в зависимости от уровня нагрузки, с которой может столкнуться конкретный двигатель.

Материал и толщина

По мере увеличения мощности двигателя увеличивается давление и тепловыделение в цилиндре.В то время как алюминиевые сплавы 4032 отлично подходят для использования на улицах и полосах, сплавы 2618 с повышенной износостойкостью предпочтительнее использовать как в безнаддувных, так и в гоночных двигателях, оснащенных усилителем мощности. Однако, помимо схожей металлургии, поршни без наддува и поршни с добавочной мощностью имеют очень мало общего.

В то время как оптимизация конусности юбки по-прежнему является эффективным методом снижения трения, компания JE вышла на новый уровень, разработав кованые асимметричные поршни. В отличие от обычных полнокруглых поршней, асимметричные юбки JE очень большие и прочные с упорной стороны и намного меньше и легче с другой стороны.

Учитывая, что сегодня количество высокоэффективных безнаддувных двигателей может легко превышать две лошадиные силы на кубический дюйм, комбинированные устройства для увеличения мощности могут утроить эту цифру. Следовательно, они используют более толстые короны, юбки, кольцевые площадки, распорки и штифты для запястий. Для учета повышенного теплового расширения зазоры юбки и кольца также увеличены. «Даже отличный материал поршня имеет конечный уровень прочности, и мы должны адаптировать конструкцию для работы в этих пределах прочности. Мы делаем это, увеличивая толщину в ключевых областях, регулируя зазоры и изменяя конструкцию в соответствии с конкретным применением», — объясняет Клейтон Стотерс из поршней JE.

Тем не менее, выходная мощность не всегда является лучшим способом измерения нагрузки на поршень. «Количество мощности, которую производит двигатель, — это только часть головоломки. Мы также должны учитывать область применения и рабочий цикл поршня», — продолжает Стозерс. «Двигатель для дрэг-рейсинга мощностью 5000 л.с. может подвергаться меньшему риску, чем мотор для оффшорной лодки мощностью 1000 л.с., просто из-за совершенно разных рабочих циклов. Поршни без наддува можно сделать тоньше и легче, сохраняя при этом соответствующий уровень жесткости и прочности, потому что уровень нагрузки, которую они воспринимают, намного ниже.”

Высокие обороты и трение

Без наддува или закиси азота для повышения давления в цилиндрах безнаддувные гоночные двигатели вместо этого полагаются на обороты. Несмотря на это, суровые условия работы на высоких оборотах по-прежнему создают значительные нагрузки на поршни. «Высокочастотный безнаддувный двигатель похож на двигатель с добавочной мощностью в том смысле, что нагрузки на поршень увеличиваются. Однако разница заключается в том, как эта нагрузка воздействует на поршень», — объясняет Клейтон Стозерс.«При работе на высоких оборотах цель состоит в том, чтобы убедиться, что область отверстия для пальца является прочной и долговечной, чтобы предотвратить выпадение пальца из нижней части поршня».

Поскольку потери мощности на трение резко возрастают при высоких оборотах, в поршнях, разработанных специально для двигателей с максимальным усилием без наддува, используются уникальные формы и профили юбки, которые уменьшают трение без ущерба для стабильности. Согласно JE, стабильный поршень, улучшающий кольцевое уплотнение и снижающий трение, может стоить на 10-20 лошадиных сил больше, чем стандартный поршень.Традиционно производители поршней оптимизировали профиль и конусность юбок и поясов колец, чтобы минимизировать площадь поверхности поршня, соприкасающуюся со стенками цилиндра. Идея состоит в том, чтобы обеспечить достаточный контакт юбки с цилиндром для стабилизации поршня, что уменьшает площадь поверхности и трение.

Одной из областей, где уменьшенная масса улучшает почти все аспекты конструкции поршня, является технология JE с асимметричной юбкой поршня. Все поршневые двигатели внутреннего сгорания создают так называемые осевые нагрузки на данной стороне поршня.Это боковые или боковые нагрузки, передаваемые через поршень на стенку цилиндра в зависимости от направления вращения и комбинации хода коленчатого вала и угла наклона штока, среди других факторов. В типичном двигателе V8, который вращается по часовой стрелке, нагруженной стороной тяги является внутренняя (впускная) сторона левого ряда и внешняя (выхлопная) стенка правого ряда. Здесь вы можете видеть, что юбка расширена при применении принудительной индукции.  

Асимметричные юбки

Хотя оптимизация конусности юбки по-прежнему является эффективным методом снижения трения, компания JE подняла этот вопрос на новый уровень благодаря своим кованым поршням с боковым сбросом.В отличие от обычных полнокруглых поршней, поршни JE имеют асимметричные юбки, которые очень большие и прочные с одной стороны и намного меньше и легче с другой стороны. «Главные и второстепенные поверхности тяги сильно различаются во всех двигателях. JE разработала асимметричные поковки, чтобы эти различия можно было оптимизировать», — добавляет Стозерс.

В результате асимметричные поршни по-прежнему обладают всеми преимуществами, которые традиционно предлагали высококачественные поршни без наддува, но с дополнительным снижением веса.«Например, наши асимметричные поршни LS предназначены для работы с большими нагрузками в лошадиных силах, сохраняя при этом малый вес за счет минимизации панели юбки на стороне незначительного усилия. Точно так же наши легкие поршни FSR с большим блоком Chevy имеют очень большую куполообразную конструкцию и делают ее максимально легкой. JE предлагает асимметричные поршни как для безнаддувных двигателей, так и для систем с добавочной мощностью».

Дизайн короны   

В прошлом безнаддувные поршни и поршни с закисью азота легко отличались по плоским или куполообразным коронкам.Поршни с принудительной индукцией также можно было легко обнаружить по их выпуклым днищам. Однако, поскольку в современных головках цилиндров используются камеры сгорания меньшего размера, нередко в атмосферных двигателях используется выпуклый поршень. Точно так же поршни с плоским верхом иногда используются в сочетании с большим зазором в деке, чтобы уменьшить статическое сжатие в комбинациях с принудительной индукцией.

Независимо от формы верхней части поршня, производители могут оптимизировать поперечное сечение и нижнюю сторону головки поршня как для безнаддувных поршней, так и для режимов с добавочной мощностью.«Мы внимательно смотрим на толщину между разгрузочным клапаном и канавкой верхнего кольца, чтобы убедиться, что в этой области достаточно материала», — объясняет Стозерс. «В дополнение к увеличению толщины коронки, чтобы выдерживать повышенные нагрузки в приложениях для увеличения мощности, мы также используем контуры большего радиуса в нижней части короны для снижения концентрации напряжений. Конструкция и контур нижней части поршня определяют, насколько равномерно верхняя часть днища распределяет тепло».

Гладкая готовая коронка помогает устранить острые края и точки потенциального напряжения.

Штифты и выступы

Для большинства гонщиков штифты на запястье — просто неизбежное зло, увеличивающее общий вес поршня. На самом деле уменьшение массы не так важно, как сопротивление изгибу, поскольку поршневые пальцы отвечают за передачу давления цилиндра, оказываемого на поршни, на шатуны. Когда поршни перемещаются из ВМТ в НМТ, штифты также предотвращают их столкновение с головками цилиндров. Штифты, изгибающиеся из-за недостаточной толщины стенок, могут создавать дополнительную нагрузку на поршень.Точно так же уменьшение диаметра пальца с целью уменьшения массы концентрирует большую нагрузку на меньшей площади поверхности в отверстии пальца и шатуне, что может привести к растрескиванию или истиранию.

В то время как диаметр поршневого пальца обычно определяется диаметром малого конца шатуна, производители поршней часто увеличивают толщину стенки по мере увеличения уровня мощности. Также могут использоваться сплавы более высокого качества. Кроме того, конструкция втулки штифта также играет важную роль в долговечности. «Как правило, мы будем стремиться к большему взаимодействию между башнями штифта и бобышки штифта, чтобы поддерживать большие силы, наблюдаемые в комбинациях сумматора мощности.Этого можно добиться либо с помощью более длинного штифта, либо с более узким промежутком втулки штифта», — говорит Стозерс.

Кольца

Хотя безнаддувные поршни и поршни с добавочной мощностью подвергаются разным уровням нагрева и давления, оба в равной степени выиграли от значительных улучшений в технологии колец за последнее десятилетие. «Большинство рабочих колец состоят из стального верхнего кольца и пластичного второго кольца. Поэтапный отказ от литых колец позволил значительно увеличить срок службы при одновременном уменьшении осевой высоты», — объясняет Стозерс.«Стальное верхнее кольцо с газовым азотированием зарекомендовало себя как наилучшая комбинация для двигателей, повышающих мощность, и двигателей без наддува. В сочетании с изогнутым гибким вторым кольцом такая компоновка обеспечивает лучший контроль масла, меньшее натяжение кольца, уменьшение трения, а также улучшенную прилегаемость и уплотнение кольца».

Турбо, воздуходувка и закись азота

Конечно, поршни добавочной мощности конструктивно более прочны, чем их безнаддувные аналоги, но чем отличаются друг от друга поршни турбо, воздуходувки и закиси азота? «Обычно мы относимся к турбонаддувам и нагнетателям аналогичным образом, но с охлаждающим эффектом закиси азота конструкция поршня может быть немного легче, чем у полной гоночной части с принудительной индукцией», — отмечает Стозерс.В то время как эффективное управление теплом имеет решающее значение во всех приложениях для добавления мощности, это особенно важно для турбонагнетателей. «Мы рекомендуем керамические термические корончатые покрытия для тяжелых условий эксплуатации. Покрытия уменьшают количество тепла, поглощаемого головкой поршня, что увеличивает срок службы. Мы также видим большие преимущества в двигателях с турбонаддувом, где покрытие короны отражает большую часть тепла обратно в камеру сгорания и из выхлопных газов. Это помогает поддерживать более высокую скорость выхлопа для более быстрого запуска турбонагнетателя.

Проектирование и анализ поршня на различных материалах с использованием инструментов CAE — IJERT

, который прочнее, легче, с минимальными затратами и за меньшее время. Так как конструкция и вес поршня влияют на работу двигателя. Анализ распределения напряжений в различных частях поршня по знанию

напряжения из-за давления газа и температурных изменений при использовании с Ansys.

С помощью программного обеспечения для анализа определенных элементов был проведен трехмерный анализ определенных элементов [3] поршня бензинового двигателя.С учетом теплового граничного условия были рассчитаны напряжения и условия распределения деформации поршня под воздействием термической нагрузки и давления взрыва, что послужило ориентиром для усовершенствования конструкции. Результаты показывают, что основной причиной безопасности поршня, деформации поршня и большого напряжения является температура, поэтому возможно дальнейшее снижение температуры поршня за счет оптимизации конструкции.

В работе [4] проведено моделирование поршня двухтактного судового дизеля 6С35МЭ для определения его температурного поля, термических, механических и связанных термомеханических напряжений.Распределение и величины вышеупомянутых параметров прочности полезны при проектировании, анализе отказов и оптимизации поршня двигателя. Модель поршня была разработана в Solid Works и импортирована в ANSYS для предварительной обработки, загрузки и постобработки. Выбранной моделью материала было 10-узловое тетраэдрическое тепловое твердое тело 87. Параметры моделирования, использованные в этой статье, включали материал поршня, давление сгорания, инерционные эффекты и температуру.

В этой работе [5] описано распределение напряжения в поршне с использованием метода конечных элементов (МКЭ).FEM выполняется с использованием программного обеспечения автоматизированного проектирования (CAE). Основной целью данного проекта является исследование и анализ распределения напряжений в поршне при фактическом состоянии двигателя в процессе сгорания. В отчете описывается оптимизация сетки с использованием метода FEM для прогнозирования более высокого напряжения и критической области компонента.

В ходе исследования [6] фактических четырех поршень двигателя

ход.Вся оптимизация проводится на основе статистического анализа. Анализ FEA выполняется с использованием ANSYS для оптимальной геометрии. В этой статье описывается распределение напряжений и термических напряжений поршня из трех различных алюминиевых сплавов с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Параметрами, используемыми для моделирования, являются рабочее давление газа, температура и свойства материала поршня. Спецификации, использованные для исследования этих поршней, относятся к четырехтактному одноцилиндровому двигателю мотоцикла Bajaj Kawasaki.

КОНСТРУКЦИЯ ПОРШНЯ

Поршни

разработаны с элементами, которые выполняют определенные функции во время работы двигателя. Головка или головка поршня получает большую часть начального давления и силы, вызванной процессом сгорания. Область поршневого пальца подвергается воздействию значительной силы из-за быстрых изменений направления. Он также подвергается тепловому расширению, вызванному передачей тепла от головки к корпусу поршня. Область поршневого пальца подвержена большему тепловому расширению, чем другие области поршня.Это

возникает из-за свойств теплового расширения литого алюминиевого сплава и массы в области поршневого пальца.

Некоторые поршни отлиты и обработаны на заводе в шлиф кулачка (эллиптической формы). Эллиптическая форма — это овальная форма, в которой одна половина является зеркальным отражением другой половины. Эти формы поршня обеспечивают преимущество в соответствии с постоянно меняющимися размерами отверстия цилиндра.

Поршень имеет эллиптическую форму в холодном состоянии.Когда двигатель достигает рабочей температуры, область отверстия поршневого пальца расширяется больше, чем другие более тонкие области поршня. При рабочей температуре форма поршня становится круглой, что соответствует диаметру цилиндра для улучшения уплотнения и эффективности сгорания. Некоторые поршни имеют конусность, при этом наименьший диаметр конуса приходится на головку поршня. Конусообразная форма компенсирует тепловое расширение и термический рост. Термическое расширение — это увеличение размера материала при нагревании с небольшим изменением или без возврата к первоначальным размерам.Коническая конструкция позволяет поршню свободно перемещаться в отверстии цилиндра независимо от тепла, воздействующего на головку поршня. В некоторых двигателях Briggs & Stratton используется юбка поршня бочкообразной формы. Бочкообразная форма обеспечивает более плавный переход при изменении направления движения поршня. Поршень вкатывается в стенку цилиндра при изменении направления в конце хода. Это снижает шум, распределяет силу изменения направления по большей поверхности и снижает боковую нагрузку на юбку поршня.В некоторых конструкциях поршня поршневой палец смещен от центра поршня. Правильная ориентация смещения поршневого пальца отмечена меткой или стрелкой на головке поршня. Метка на всех поршнях Briggs & Stratton должна быть обращена к маховику или ближе всего к нему на всех одно- и двухцилиндровых двигателях. Конструкция со смещенным поршневым пальцем обеспечивает более тихую работу двигателя за счет уменьшения биения поршня и связанного с ним шума. Это приводит к более прямолинейному перемещению поршня в отверстии цилиндра.

Рисунок 1 Сборка поршня

Каждая конструкция поршня должна иметь возможность возврата масла в масляный резервуар и картер.Во время работы в канавке маслосъемного кольца поршня скапливается значительное количество масла. Это масло возвращается в резервуар через поршневые окна по проточенному каналу рядом с поршневым пальцем.

Окна поршня представляют собой серию небольших отверстий, проделанных на поверхности канавки маслосъемного кольца поршня. Масляное кольцо собирает излишки масла из отверстия цилиндра. Окна поршня позволяют маслу из канавки маслосъемного кольца стекать в масляный резервуар. Другой распространенный метод, используемый для возврата масла в масляный резервуар, — это механически обработанный канал рядом с

поршневой палец

.Масло собирается в задней части канавки маслосъемного кольца и направляется обратно в масляный резервуар через канал, оканчивающийся у поршневого пальца. Это обеспечивает путь для возврата масла в масляный резервуар вдоль внешней поверхности поршня, когда обработанный канал подвергается воздействию масляного резервуара в НМТ.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПОРШНЯ

Поршни

обычно изготавливаются из литого алюминиевого сплава для превосходной и легкой теплопроводности. Теплопроводность – это способность материала проводить и передавать тепло.Алюминий расширяется при нагревании, поэтому необходимо обеспечить надлежащий зазор для обеспечения свободного движения поршня в отверстии цилиндра.

В следующем разделе описаны потенциальные материалы-кандидаты, которые можно использовать для изготовления поршней.

В зависимости от свойств, потенциальные материалы для поршня:

Титановый сплав Ti-6Al-4V Al 4032 Медный сплав

алюминиевый сплав 2024

Свойства

Высокая устойчивость к усталости, биосовместимость, остеокондуктивность.

Легкий, высокопрочный и хороший теплопроводник.

Высокая термостойкость и повышенная теплопроводность.

Высокая прочность к весу, коррозионная стойкость, плотность нагрузки, высокая теплопроводность, высокая надежность

Легко обрабатывается и очень хорошо перерабатывается.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ПОРШНЯ

Поршень разработан в соответствии с процедурой и спецификациями, указанными в справочниках по конструкции и данным машины.Размеры рассчитываются в единицах СИ. Учитываются давление, прикладываемое к днищу поршня, температуры различных участков поршня, тепловой поток, напряжения, деформации, длина, диаметр поршня и отверстия, толщина и т.д., параметры.

КОНСТРУКТИВНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ ДЛЯ АПИСТОН

При проектировании поршня для двигателя необходимо учитывать следующие моменты:

Он должен обладать огромной силой, чтобы выдерживать высокое давление.

Должен иметь минимальный вес, чтобы выдерживать силы инерции.

Должен образовывать эффективное масляное уплотнение в цилиндре.

Он должен иметь достаточную опорную поверхность для предотвращения чрезмерного износа.

Должен иметь высокую скорость возвратно-поступательного движения без шума. Должна быть достаточно жесткой конструкции до

выдерживают термические и механические деформации.

Он должен иметь достаточную опору для поршневого пальца.

ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ

Очень сложно точно смоделировать поршень, в котором до сих пор ведутся исследования по выяснению переходного термоупругого поведения поршня в процессе сгорания.Для моделирования любой сложной геометрии всегда необходимы некоторые допущения. Эти допущения сделаны с учетом трудностей, связанных с теоретическим расчетом, и важности принимаемых и игнорируемых параметров. При моделировании мы всегда игнорируем то, что менее важно и мало влияет на анализ. Предположения всегда делаются в зависимости от деталей и точности, требуемых при моделировании.

Допущения, сделанные при моделировании процесса, приведены ниже:

Материал поршня считается однородным и изотропным.

Влияние инерции и силы тела во время анализа незначительно.

Поршень свободен от напряжений до применения анализа.

Анализ основан исключительно на термической нагрузке и, таким образом, выполняется только уровень напряжения, связанный с вышесказанным. Анализ не определяет срок службы поршня.

Учитывается только внешнее воздушное охлаждение, принудительная конвекция не учитывается.

Теплопроводность материала, использованного для анализа, одинакова на всем протяжении.

Удельная теплоемкость используемого материала постоянна и не меняется с температурой.

ПОРШНЕВАЯ МОДЕЛЬ

Ниже представлена ​​последовательность шагов моделирования поршня,

Рисование половины поршня Выход из скетчера

Разработка модели Создание отверстия .

SOLIDWORKS

Solid Works — это программное обеспечение для автоматизации проектирования механических систем, в котором используется знакомый графический интерфейс пользователя Microsoft Windows.Это простой в освоении инструмент, который позволяет конструкторам-механикам быстро набрасывать идеи, экспериментировать с функциями и размерами, а также создавать модели и подробные чертежи. Модель Solid Works состоит из деталей, сборок и чертежей.

Обычно мы начинаем с эскиза, создаем базовый элемент, а затем добавляем в модель дополнительные элементы. (Можно также начать с импортированной поверхности или твердотельной геометрии).

Мы можем усовершенствовать наш дизайн, добавляя, изменяя или переупорядочивая функции.

Ассоциативно между деталями, сборками и чертежами гарантирует, что изменения, внесенные в один вид, автоматически вносятся во все остальные виды.

Мы можем генерировать чертежи или сборки в любое время в процессе проектирования.

Программное обеспечение Solid Works позволяет настраивать функциональные возможности в соответствии с нашими потребностями.

ВВЕДЕНИЕ В SOLIDWORKS

Программное обеспечение для автоматизации механического проектирования Solidworks представляет собой основанный на функциях инструмент параметрического твердотельного моделирования, преимущество которого заключается в простом в освоении графическом пользовательском интерфейсе Windows TM.Мы можем создавать полностью ассоциированные трехмерные твердотельные модели с использованием или без использования автоматических или определяемых пользователем взаимосвязей для отражения замысла проекта.

Параметры могут быть числовыми параметрами, такими как длина линии или диаметр окружности, или геометрическими параметрами, такими как касательная, параллельная, концентрическая, горизонтальная или вертикальная и т. д. Числовые параметры могут быть Программное обеспечение для автоматизации механического проектирования Solidworks представляет собой элементно-ориентированное параметрическое твердое тело. средство проектирования моделирования, преимущество которого заключается в простом в освоении графическом пользовательском интерфейсе Windows TM.Мы можем создавать полностью ассоциированные трехмерные твердотельные модели с использованием или без использования автоматических или определяемых пользователем взаимосвязей для отражения замысла проекта. Параметры относятся к ограничениям, значения которых определяют форму или геометрию модели и связаны друг с другом с помощью отношений, которые позволяют им отражать замысел проекта.

Конструктивный замысел — это то, как создатель детали хочет, чтобы она реагировала на изменения и обновления. Например, вы хотели бы, чтобы отверстие в верхней части банки с напитками оставалось на верхней поверхности, независимо от высоты или размера банки.Solid Works позволяет вам указать, что отверстие является элементом на верхней поверхности, и затем будет соответствовать вашему замыслу проекта, независимо от того, какую высоту вы позже придали банке. Несколько факторов влияют на то, как мы фиксируем замысел проекта: автоматические отношения, уравнения, добавленные отношения и размеры.

Элементы относятся к строительным блокам детали. Это формы и операции, которые создают деталь. Элементы на основе формы обычно начинаются с 2D- или 3D-эскиза таких форм, как бобышки, отверстия, прорези и т. д.Затем эта форма выдавливается или вырезается, чтобы добавить или удалить материал из детали. Построение модели в Solid Works обычно начинается с 2D-эскиза (хотя для опытных пользователей доступны 3D-эскизы). Эскиз состоит из геометрии, такой как точки, линии, дуги, коники (кроме гиперболы) и шипы. Размеры добавляются к эскизу, чтобы определить размер и расположение геометрии. Отношения используются для определения таких атрибутов, как касание, параллельность, перпендикулярность и концентричность.

Содержит основные детали или данные стандартных болтов и гаек, шестерен, кулачков, подшипников и т. д.Это интерфейс проектирования продукта, который поддерживает трехмерное твердотельное моделирование, концептуальный дизайн, планирование структуры сборки, прямое редактирование модели, проектирование крупных сборок, расширенное проектирование поверхностей, проектирование листового металла, сварные детали, проектирование пластиковых деталей, производственные инструменты САПР,

Реверс-инжиниринг, проектирование пресс-форм, проектирование трубопроводов, жгутов электрических кабелей и кабелепроводов.

Это может повысить производительность без снижения стоимости, потому что это дает различные данные и техническую связь, которая помогает вашему дизайну и помогает подтвердить соответствие стандартам.Это может помочь дизайнерам продуктов претворить в жизнь идеи новых продуктов. Он содержит технологию моделирования, которая позволяет проверить ваш дизайн.

ПРОЦЕДУРА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОРШНЯ

Для проектирования поршня необходимо следовать следующей процедуре.

Нарисуйте эскиз с заданными размерами, а затем поверните его.

После вышеуказанного

Шаг

Сделайте сквозное отверстие в поршне.

Рисунок: 2 поршня

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ВВЕДЕНИЕ

Анализ методом конечных элементов (МКЭ) — это компьютерный численный метод расчета прочности и поведения инженерных конструкций.Его можно использовать для расчета прогиба, напряжения, вибрации, потери устойчивости и многих других явлений. Его также можно использовать для анализа малых или больших отклонений под нагрузкой или приложенным смещением. Он использует численный метод, называемый методом конечных элементов (FEM). В методе конечных элементов фактический континуум представлен конечными элементами. Эти элементы считаются соединенными в определенных соединениях, называемых узлами или узловыми точками. Как фактический

изменение переменной поля (такой как смещение, температура и давление или скорость) внутри континуума неизвестно, изменение переменной поля внутри конечного элемента аппроксимируется простой функцией.Аппроксимирующие функции также называются интерполяционными моделями и определяются в терминах полевой переменной в узлах. Когда известны уравнения равновесия для всего континуума, неизвестными будут узловые значения переменной поля. В методе конечных элементов узловые значения переменной поля рассматриваются как неизвестные константы, которые необходимо определить. Интерполяционные функции чаще всего представляют собой полиномиальные формы независимых переменных, полученные для удовлетворения определенных требуемых условий в узлах.Интерполяционные функции заранее определены, известны функции независимых переменных; и эти функции описывают изменение переменной поля в пределах конечного элемента. Моделирование, используемое в FEA, создается с использованием сетки из миллионов более мелких элементов, которые в совокупности создают форму оцениваемой конструкции. Каждый из этих небольших элементов подвергается расчетам, а эти уточнения сетки объединяются для получения окончательного результата всей конструкции.

ВВЕДЕНИЕ В МОДЕЛИРОВАНИЕ

Simulation — это система анализа дизайна.Моделирование предоставляет решения для моделирования линейных и нелинейных статических, частотных, продольных, тепловых, усталостных, сосудов высокого давления, испытаний на падение, линейных и нелинейных динамических и оптимизационных анализов. Моделирование, основанное на быстрых и точных решателях, позволяет интуитивно решать большие задачи во время проектирования. Simulation поставляется в двух пакетах: Simulation Professional и Simulation Premium, чтобы удовлетворить ваши потребности в анализе. Моделирование сокращает время выхода на рынок за счет экономии времени и усилий при поиске оптимальной конструкции.После построения модели необходимо убедиться, что она эффективно работает в полевых условиях. При отсутствии инструментов анализа эта задача может быть решена только путем выполнения дорогостоящих и трудоемких циклов разработки продукта. Цикл разработки продукта обычно включает следующие этапы:

Создание вашей модели.

Создание прототипа конструкции. Тестирование прототипа в полевых условиях.

Оценка результатов полевых испытаний.

Изменение конструкции по результатам полевых испытаний.Анализ может помочь вам выполнить следующие задачи:

Сократите расходы за счет имитации испытаний вашей модели на компьютере вместо дорогостоящих полевых испытаний.

Сокращение времени выхода на рынок за счет сокращения количества циклов разработки продукта.

Крепление

Давление

Температура

Сетка

Ти-6Ал-4В

Стресс

Штамм

Рабочий объем

Алюминиевый сплав 4032 Напряжение

Штамм

Рабочий объем

МЕДНЫЙ СПЛАВ

Стресс

Штамм

Рабочий объем

Al Alloy 2024 Стресс

Штамм

Рабочий объем

ССЫЛКА

  1. ЛИНЕЙНО-СТАТИЧЕСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ОПТИМИЗИРОВАННОГО ПОРШНЯ ДЛЯ БИОТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ANSYS Международный журнал исследований и разработок в области машиностроения и производства (IJMPERD) ISSN 2249-6890 Vol.3, выпуск 2, июнь 2013 г., 11-20 © TJPRC Pvt. ООО по CH. ВЕНКАТА РАДЖАМ, П. В. К. МУРТИ, М. В. С. Мурали Кришна.

  2. Анализ конструкции и оптимизация поршня с использованием CATIA и ANSYS Международный журнал инновационных исследований в области инженерии и науки ISSN 2319-5665 (январь 2013 г., выпуск 2, том 1), автор CH. ВЕНКАТА РАДЖАМ, П. В. К. МУРТИ, М.

    В. С. МУРАЛИ КРИШНА, Г. М. ПРАСАДА РАО.

  3. АНАЛИЗ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ СОЕДИНЕНИЯ ПОРШНЯ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Журнал теоретических и прикладных информационных технологий, 20 февраля 2013 г.Том. 48 №2© 2005 – 2013 JATIT & LLS. ХОНЮАНЬ ЧЖАН, ЧЖАОСУНЬ ЛИН, ДАВЭЙ СЮ.

  4. Моделирование термомеханической прочности поршня судового двигателя с использованием FEA Journal of Engineering Research and Applications www.ijera.com ISSN: 2248-9622, Vol. 4, выпуск 3 (версия 1), Элайджа Мусанго Муньяо, Цзян Го Хэ, Ян Чжиюань, Цзоу Сян И.

  5. Анализ прочности поршня с использованием FEM Swati S Chougule, Vinayak H Khatawat / Международный журнал инженерных исследований и приложений (IJERA) ISSN: 2248-9622 www.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.