Поршень двигуна є однією з найголовніших деталей і звичайно ж від матеріалу і якості поршнів залежить успішна експлуатація мотора і його довгий ресурс. У цій статті, більше розрахованої на новачків, буде описано все (ну або майже все), що пов'язано з поршнем, а саме: призначення поршня, його пристрій, матеріали і технологія виготовлення поршнів і інші нюанси.
Відразу хочу попередити шановних читачів, що якщо якийсь важливий нюанс, пов'язаний з поршнями, або з технологією їх виготовлення, я вже написав більш докладно в іншій статті, то зрозуміло мені немає сенсу повторюватися в цій статті. Я просто напросто буду ставити відповідне посилання, перейшовши по якій шановний читачу при бажанні зможе перейти на іншу більш докладну статтю і в ній ознайомитися з необхідною інформацією про порушених більш докладно.
На перший погляд багатьом новачкам може здатися, що поршень досить проста деталь і придумати вже щось більш досконале в його технології виробництва, формі і конструкції неможливо. Але насправді все не так просто і не дивлячись на зовнішню простоту форми, поршні і технології їх виготовлення до сих пір удосконалюються, особливо на найсучасніших (серійних або спортивних) більш високо-спритних форсованих двигунах. Але не будемо забігати вперед і почнемо від простого до складного.
Для початку розберемо для чого потрібен поршень (поршні) в двигуні, як він улаштований, які форми поршнів бувають для різних двигунів і далі вже плавно перейдемо до технологій виготовлення.
Для чого потрібен поршень двигуна.
Поршень, за рахунок кривошипно-шатунного механізму (і - див. Малюнок трохи нижче), переміщаючись поступально в циліндрі двигуна, наприклад переміщаючись вгору - для засмоктування в циліндр і стиснення в камері згоряння робочої суміші, а так само за рахунок розширення горючих газів переміщаючись в циліндрі вниз, робить роботу, перетворюючи теплову енергію згорає палива в енергію руху, яка сприяє (через трансмісію) обертанню провідних коліс транспортного засобу.
Поршень двигуна і сили діють на нього: А - сила, що притискає поршень до стінок циліндра; Б - сила, що переміщає поршень вниз; В - сила передається зусилля від поршня до шатуна і навпаки, Г - сила тиску горючих газів, що переміщає поршень вниз.
Тобто по суті без поршня в одноциліндровий двигун, або без поршнів в багатоциліндрові двигуні - неможливий рух транспортного засобу, на який встановлено двигун.
Крім того, як видно з малюнка, на поршень діють кілька сил, (також на тому ж малюнку не показані протилежні сили, що тиснуть на поршень знизу вгору).
І виходячи з того, що на поршень тиснуть і досить сильно кілька сил, у поршня повинні бути деякі важливі властивості, а саме:
- здатність поршня двигуна протистояти величезному тиску газів, що розширюються в камері згоряння.
- здатність стиснути і протистояти великому тиску стискається палива (особливо на).
- здатність протистояти прориву газів між стінками циліндра і своїми стінками.
- здатність передавати величезний тиск на шатун, через поршневий палець, без поломок.
- здатність не зношуватися довгий час від тертя об стінки циліндра.
- здатність не заклініваться в циліндрі від теплового розширення матеріалу, з якого він виготовлений.
- поршень двигуна повинен мати здатність протистояти високій температурі згоряння палива.
- мати велику міцність при невеликій масі, щоб виключити вібрацію і інерційність.
І це далеко не всі вимоги, що пред'являються до поршнів, особливо на сучасних високо-спритних моторах. Про корисні властивості і вимоги сучасних поршнів ми ще поговоримо, а для початку давайте розглянемо пристрій сучасного поршня.
Як видно на малюнку, сучасний поршень можна розділити на кілька частин, кожна з яких має важливе значення і свої функції. Але нижче будуть описані основні найбільш важливі частини поршня двигуна і почнемо з найбільш важливою і відповідальною частини - з днища поршня.
Денце (днище) поршня двигуна.
Це сама верхня і найбільш навантажена поверхню поршня, яка звернена безпосередньо до камери згоряння двигуна. І навантажено денце будь-якого поршня не тільки великий гнітючої силою від розширення з величезною швидкістю газів, а й високою температурою згоряння робочої суміші.
Крім того, денце поршня своїм профілем визначає нижню поверхню самої камери згоряння і також визначає такий важливий параметр, як. До речі, залежатиме форма денця поршня може від деяких параметрів, наприклад від розташування в камері згоряння свічок, або форсунок, від розташування і величини відкриття клапанів, від діаметра тарілок клапанів - на фото зліва добре видно виїмки для тарілок клапанів в денці поршня, які виключають зустріч клапанів з денцем.
Так само форма і розміри денця поршня залежать від обсягу і форми камери згоряння двигуна, або від особливостей подачі в неї паливно-повітряної суміші - наприклад на деяких старих двотактних двигунах на денці поршня робили характерний виступ-гребінь, який грає роль відбивача і направляє потік продуктів горіння під час продування. Цей виступ показаний на малюнку 2 (виступ на денці також видно на малюнку вище, де показано пристрій поршня). До речі, на малюнку 2 так само показаний робочий процес стародавнього двотактного двигуна і то, як впливає виступ на денці поршня на наповнення робочою сумішшю і на випуск відпрацьованих газів (тобто на поліпшення продувки).
Двотактний двигун мотоцикла - робочий процес
Але на деяких двигунах (наприклад на деяких дизелях) на денці поршня в центрі навпаки є кругла виїмка, завдяки якій збільшується обсяг камери згоряння і відповідно зменшується ступінь стиснення.
Але, оскільки виїмка невеликого діаметру в центрі денця є не бажаною для сприятливого наповнення робочою сумішшю (з'являються небажані завихрення), то на багатьох двигунах на денцях поршнів в центрі перестали робити виїмки.
А для зменшення обсягу камери згоряння доводиться робити так звані витискувачі, тобто виготовляти денце з певним обсягом матеріалу, який у своєму розпорядженні трохи вище основної площині денця поршня.
Ну і ще один важливий показник - це товщина денця поршня. Чим вона товщі, тим міцніше поршень і тим більшу теплову і силове навантаження він зможе витримати досить довго. А чим тонше товщина денця поршня, тим більша ймовірність прогара, або фізичного руйнування денця.
Але зі збільшенням товщини денця поршня, відповідно збільшується і маса поршня, що для форсованих високо-спритних моторів дуже небажано. І тому конструктори йдуть на компроміс, тобто «ловлять» золоту середину між міцністю і масою, ну і звичайно ж постійно намагаються удосконалити технології виробництва поршнів для сучасних моторів (про технології пізніше).
Жарової пояс поршня.
Як видно на малюнку вище, де показано пристрій поршня двигуна, жаровим поясом вважається відстань від денця поршня до його самого верхнього компресійного кільця. Слід врахувати, що чим менше відстань від денця поршня до верхнього кільця, тобто чим тонше жаровой пояс, тим більш високу теплову напруженість будуть відчувати нижні елементи поршня, і тим швидше вони будуть зношуватися.
Тому для високо напружених форсованих двигунів бажано робити жаровой пояс товстіший, проте це роблять не завжди, так як це теж може збільшити висоту і масу поршня, що для форсованих і високо-спритних двигунів небажано. Тут так само як і з товщиною денця поршня, важливо знайти золоту середину.
Ущільнюючий ділянку поршня.
Ця ділянка починається від нижньої частини жарового пояса до того місця, де закінчується канавка самого нижнього поршневого кільця. На ущільнюючої ділянці поршня розташовані канавки поршневих кілець і вставлені самі кільця (компресійні і масло-знімні).
Канавки кілець не тільки утримують поршневі кільця на місці, але ще і забезпечують їх рухливість (завдяки певним зазорам між кільцями і канавками), що дозволяє поршневим кільцям вільно стискатися і розтискати за рахунок своєї пружності (що дуже важливо якщо циліндр зношений і має форму бочки) . Це також сприяє притиску поршневих кілець до стінок циліндра, що виключає прорив газів і сприяє гарній, навіть якщо циліндр трохи зношений.
Як видно на малюнку з пристроєм поршня, в канавці (канавках), призначеної для маслос'емного кільця є отвори для зворотного стоку моторного масла, яке масло-знімне кільце (або кільця) знімає зі стінок циліндра, при русі поршня в циліндрі.
Крім основної функції (не допустити прориву газів) ущільнюючого ділянки, у нього є ще одна важлива властивість - це відведення (точніше розподіл) частини тепла від поршня на циліндр і весь двигун. Зрозуміло для ефективного розподілу (відведення) тепла і для запобігання прориву газів важливо, що б поршневі кільця досить щільно прилягали до своїх канавках, але особливо до поверхні стінки циліндра.
Головка поршня двигуна.
Головка поршня вдає із себе спільну ділянку, який включає в себе вже описані мною вище денце поршня і його і ущільнює ділянку. Чим більші і потужніші головка поршня, тим вище його міцність, краще відведення тепла і відповідно більше ресурс, а й маса теж більше, що як було сказано вище, небажано для високо-спритних моторів. А знизити масу, без зменшення ресурсу, можна якщо збільшити міцність поршня шляхом удосконалення технології виготовлення, але про це я докладніше напишу пізніше.
До речі, мало не забув сказати, що в деяких конструкціях сучасних поршнів, що виготовляються з алюмінієвих сплавів, в голівці поршня роблять нірезістовую вставку, тобто в головку поршня заливають ободок з нірезіста (спеціального міцного і стійкого до корозії чавуну).
У цьому обідку прорізають канавку для самого верхнього і найбільш навантаженого компресійного поршневого кільця. І хоча завдяки вставці трохи збільшується маса поршня, зате істотно збільшується його міцність і зносостійкість (наприклад нірезістовую вставку мають наші вітчизняні Тетіївський поршні, виготовлені на ТМЗ).
Компресійна висота поршня.
Компресійна висота - це відстань в міліметрах, яке відраховується від денця поршня до осі поршневого пальця (або навпаки). У різних поршнів компрессионная висота різна і зрозуміло чим більше відстань від осі пальця до денця, тим вона більше, а чим вона більша, тим краще компресія і менша ймовірність прориву газів, а й більше сила тертя і нагрів поршня.
На старих тихохідних і мало-спритних моторах компрессионная висота поршня була більше, а на сучасних більш високо-спритних двигунах стала менше. Тут теж важливо знайти золоту середину, яка залежить від форсування мотора (чим вище обороти, тим менше повинно бути тертя і менша компрессионная висота).
Спідниця поршня двигуна.
Спідницею називають нижню частину поршня (її ще називають направляючої частиною). Спідниця включає в себе бобишки поршня з отворами, в які вставляється поршневий палець. Зовнішня поверхня спідниці поршня є направляючої (опорної) поверхнею поршня і ця поверхня також як і поршневі кільця треться об стінки циліндра.
Приблизно в середній частині спідниці поршня є припливи, в яких є отвори для поршневого пальця. А так як вага матеріалу поршня у припливів важче, ніж в інших місцях спідниці, то деформації від впливу температури в площині бобишек будуть більше, ніж в інших частинах поршня.
Тому для зниження температурних впливів (і напруг) на поршні з двох сторін з поверхні спідниці знімають частину матеріалу, приблизно на глибину 0,5-1,5 мм і виходять невеликі поглиблення. Ці поглиблення, звані холодильниками, не тільки сприяють усуненню температурних впливів і деформацій, але ще і перешкоджають утворенню задирів, а так само покращують мастило поршня при русі його в циліндрі.
Слід так само відзначити, що спідниця поршня має форму конуса (в верху у денця вже, внизу ширше), а в площині, перпендикулярній осі поршневого пальця має форму овалу. Ці відхилення від ідеальної циліндричної форми мінімальні, тобто мають лише кілька соток мм (ці величини різні - чим більше діаметр, тим більше відхилення).
Конус потрібен для того, що б поршень розширювався від нагрівання рівномірно, адже в верху температура поршня вище, а зн 
Ачит і теплове розширення більше. А раз у денця діаметр поршня трохи менше, ніж внизу, то при розширенні від нагрівання поршень прийме форму, близьку до ідеального циліндра.
Ну а овал призначений для компенсації швидкого зносу на стінках спідниці, які стираються швидше там де тертя вище, а вище воно в площині руху шатуна.
Завдяки спідниці поршня (точніше її бічній поверхні) забезпечується потрібне і правильне положення осі поршня до осі циліндра двигуна. За допомогою бічної поверхні спідниці, до циліндра двигуна передаються поперечні зусилля від дії бічної сили А (див. Верхній малюнок в тексті, а так же малюнок справа) яка періодично впливає на поршні і циліндри, під час перекладання поршнів під час обертання коленвала (кривошипно шатунного механізму).
Також завдяки бічній поверхні спідниці здійснюється відведення тепла від поршня до циліндра (так само як і від поршневих кілець). Чим більше бокова поверхня спідниці, тим краще йде відведення тепла, менше витік газів, менше стукіт поршня при деякому зносі втулки верхньої головки шатуна (або при неточною обробці втулки - див. Малюнок зліва), втім як і при трьох компресійних кільцях, а не двох (про це я докладніше написав).
Але при занадто довгій спідниці поршня більше його маса, більше тертя виникає об стінки циліндрів (на сучасних порушених для зменшення тертя і зносу стали наносити антифрикційне покриття на спідницю), а зайва маса і тертя дуже небажані в високо-спритних форсованих сучасних (або спортивних) моторах і тому на таких двигунах спідницю поступово стали робити дуже короткою (так звана миниюбка) і поступово майже від неї позбулися - так і з'явився Т-образний поршень, показаний на фото праворуч.
Але і у Т-образних поршнів є недоліки, наприклад у них знову ж можуть бути проблеми з тертям об стінки циліндра, через недостатню змащувати поверхні дуже короткої спідниці (причому на малих обертах).
Більш докладно про ці проблеми, а так само в яких випадках Т-образні поршні з міні спідницею потрібні в деяких двигунах, а в яких ні, я написав окрему докладну статтю. Там же написано про еволюцію форми поршня двигуна - раджу почитати. Ну а ми думаю вже розібралися з пристроєм поршнів і плавно переходимо до технологій виготовлення поршнів, щоб зрозуміти які поршні, виготовлені різними способами краще, а які гірше (менш міцні).
Поршні для двигунів - матеріали виготовлення.
При виборі матеріалу для виготовлення поршнів пред'являють суворі вимоги, а саме:
- матеріал поршня повинен мати відмінні антифрикційні (антизадирні) властивості.
- матеріал поршня двигуна повинен мати досить високу механічну міцність.
- матеріал поршня повинен мати малу щільність і гарну теплопровідність.
- матеріал поршня повинен бути стійкий до корозії.
- матеріал поршня повинен мати малий коефіцієнт лінійного розширення і бути по можливості близький або дорівнює коефіцієнту розширення матеріалу стінок циліндра.
Чавун.
Раніше, на зорі двигунобудування, ще з часів найперших автомобілів, мотоциклів і літаків (аеропланів), для матеріалу поршнів застосовували сірий чавун (до речі для поршнів компресорів теж). Звичайно ж, як і у будь-якого матеріалу, у чавуну є як переваги, так і недоліки.
З переваг слід відзначити хорошу зносостійкість і достатню міцність. Але найбільш важлива перевага чавунних поршнів, що встановлюються в двигуни з чавунними блоками (або гільзами) - це такий же коефіцієнт теплового розширення, як і чавунного циліндра двигуна. А значить теплові зазори можна зробити мінімальними, тобто набагато менше, ніж у алюмінієвого поршня, що працює в чавунному циліндрі. Це дозволяло істотно збільшити компресію і ресурс поршневої групи.
Ще один істотний плюс чавунних поршнів - це невелике (всього 10%) зниження механічної міцності при нагріванні поршня. У алюмінієвого поршня зниження механічної міцності при нагріванні відчутно більше, але про це нижче.
Але з появою більш спритних двигунів, при використанні чавунних поршнів, на великих оборотах став виявлятися їх головний недолік - досить велика маса, в порівнянні з алюмінієвими поршнями. І поступово перейшли до виготовлення поршнів з алюмінієвих сплавів, навіть в двигунах з чавунним блоком, або гільзою, хоч і довелося робити алюмінієві поршні з набагато більшими тепловими зазорами, щоб виключити клин алюмінієвого поршня в чавунному циліндрі.
До речі, раніше на порушених деяких двигунів робили косою розріз спідниці, який забезпечував пружні властивості спідниці алюмінієвого поршня і виключав його заклинювання в чавунному циліндрі - приклад такого поршня можна побачити на двигуні мотоцикла ІЖ-49).
А з появою сучасних циліндрів, або блоків циліндрів, повністю виконаних з алюмінію, в яких уже немає чавунних гільз (тобто покритих нікасілем або) з'явилася можливість виготовляти алюмінієві поршні теж з мінімальними тепловими зазорами, адже теплове розширення легкосплавного циліндра стало практично таким же, як і у легкосплавного поршня.
Алюмінієві сплави.Практично всі сучасні поршні на серійних двигунах зараз виготовляють з алюмінієвих (крім пластикових поршнів на дешевих китайських компресорах).
У поршнів, виконаних з алюмінієвих сплавів теж є як переваги, так і недоліки. З основних переваг слід відзначити невелику вагу легкосплавного поршня, що дуже важливо для сучасних високоспритних двигунів. Вага алюмінієвого поршня звичайно ж залежить від складу сплаву і від технології виготовлення поршня, адже кований поршень важить значно менше, ніж виконаний з того ж сплаву методом лиття, але про технології я напишу трохи пізніше.
Ще одна перевага легкосплавних поршнів, про яку мало хто знає - це досить висока теплопровідність, яка приблизно в 3-4 рази вище, ніж теплопровідність сірого чавуну. Але чому гідність, адже при високій теплопровідності і теплове розширення досить не мале і доведеться і доведеться і теплові зазори робити більше, якщо звичайно циліндр чавунний (але з сучасними алюмінієвими циліндрами це стало не потрібно).
А справа в тому, що висока теплопровідність не дозволяє нагріватися денця поршня більш ніж 250 ° C, а це сприяє набагато краще наповнення циліндрів двигунів і звичайно ж дозволяє ще більше підвищити ступінь стиснення в бензинових моторах і тим самим підняти їх потужність.
До речі, щоб як то посилити відлиті з легкого сплаву поршні, в їх конструкцію інженери додають різні підсилюють елементи - наприклад роблять стінки і денце поршня товщі, а бобишки під поршневий палець відливають більш масивними. Ну або роблять вставки з того ж чавуну, я про це вже писав вище. І звичайно ж всі ці посилення збільшують масу поршня, і в підсумку виходить, що більш древній і міцний поршень, виготовлений з чавуну, програє у вазі легкосплавних поршня зовсім чуть чуть, де то відсотків на 10 - 15.
І тут будь-якого напрошується питання, а чи варта шкурка вичинки? Стóит, адже у алюмінієвих сплавів є ще одна відмінна властивість - вони рази в три краще відводять тепло, ніж той же чавун. І це важлива властивість незамінне в сучасних високо-спритних (форсованих і гарячих) двигунах, у яких досить високий ступінь стиснення.
До того ж сучасні технології виробництва кованих поршнів (про них трохи пізніше) істотно підвищують міцність і зменшують вагу деталей і вже не потрібне посилення таких поршнів різними вставками, або більш масивними виливками.
До недоліків поршнів, виконаних з алюмінієвих сплавів відносяться такі як: досить великий коефіцієнт лінійного розширення алюмінієвих сплавів, у яких воно складає приблизно в два рази більше, ніж у поршнів виконаних з чавуну.
Ще одним істотним недоліком алюмінієвих поршнів є досить велике зниження механічної міцності, при підвищенні температури поршня. Наприклад: якщо легкосплавний поршень нагріти до трьохсот градусів, то це призведе до зниження його міцності аж в два рази (приблизно на 55 - 50 відсотків). А у чавунного поршня при його нагріванні міцність знижується відчутно менше - всього на 10 - 15%. Хоча сучасні поршні, виконані з алюмінієвих сплавів методом поковки, а не за допомогою лиття, при нагріванні втрачають міцність набагато менше.
На багатьох сучасних алюмінієвих порушених зниження механічної міцності і занадто велике теплове розширення усувається більш досконалими технологіями виробництва, які замінили традиційне лиття (про це нижче), а так само спеціальними компенсаційними вставками (наприклад згадані мною вище - вставки з нірезіста), які не тільки збільшують міцність, але і значно зменшують теплове розширення стінок спідниці поршня.
Поршень двигуна - технології виготовлення.
Ні для кого не секрет, що з часом, щоб збільшити потужність двигунів, поступово почали підвищувати ступінь стиснення і обороти моторів. А щоб підняти потужність без особливого збитку для ресурсу поршнів, поступово удосконалювалися технології їх виготовлення. Але почнемо все по порядку - з звичайних литих поршнів.
Поршні виготовлені методом звичайного лиття.
Ця технологія найпростіша і давня, вона застосовується з самого початку історії авто і двигунобудування, ще з часів пе 
Рвих чавунних поршнів.
Технологія виробництва поршнів для найсучасніших двигунів звичайним литтям вже майже не застосовується. Адже на виході виходить продукт має вади (пори і т.д.) значно знижують міцність деталі. Та й технологія звичайного лиття в форму (кокіль) досить давня, вона запозичена ще у наших древніх предків, які багато століть назад відливали бронзові сокири.
І залитий в кокіль сплав алюмінію повторює форму кокиля (матриці), а потім деталь ще потрібно обробити термічно і на верстатах, знімаючи зайвий матеріал, що забирає багато часу (навіть на верстатах з ЧПУ).
Лиття під тиском.
У поршня, виготовленого методом простого лиття міцність не висока, через пористості деталі і поступово багато фірм від цього способу відійшли і почали відливати поршні під тиском, що значно поліпшило міцність, так як пористість майже відсутня.
Технологія лиття під тиском, істотно відрізняється від технології звичайного лиття сокир бронзового століття і звичайно ж на виході виходить більш акуратна і міцна деталь, що має трохи кращу структуру. До речі, литтям алюмінієвих сплавів під тиском в форму (ще цю технологію називають рідкою штампуванням) відливають не тільки поршні, а й рами деяких сучасних мотоциклів та автомобілів.
Але все ж і ця технологія не ідеальна і якщо навіть ви візьмете в руки відлитий під тиском поршень і розглянувши його, нічого не знайдете на його поверхні, але це не означає, що і всередині все ідеально. Адже в процесі лиття, навіть під тиском, не виключено появи внутрішніх пустот і каверн (найдрібніших бульбашок), що зменшують міцність деталі.
Але все ж лиття поршнів під тиском (рідка штамповка) істотно краще звичайного лиття і ця технологія до цих пір застосовується на багатьох заводах при виготовленні поршнів, рам, деталей ходової деталей автомобілів і мотоциклів. А кому цікаво детальніше почитати про те, як роблять рідко-штамповані поршні і про їх переваги, то читаємо про них.
Ковані поршні автомобіля (мотоцикла).
Ковані поршні для вітчизняних автомобілів.
Ця найбільш прогресивна на даний момент технологія виробництва сучасних легкосплавних поршнів, які мають безліч переваг перед литими і які встановлюють на найсучасніші високо-спритні мотори, з високим ступенем стиснення. У кованих поршнів, виготовлених авторитетними фірмами, практично немає недоліків.
Але мені немає сенсу писати про кованих порушених докладно в цій статті, так як я написав про них дві дуже докладні статті, які кожен бажаючий зможе почитати, клікнувши на посилання нижче.
Ось начебто і все, якщо що-небудь згадаю ще про таку важливу деталь, як поршень двигуна, то обов'язково допишу, успіхів всім.
«Сучасний двигун внутрішнього згоряння за визначенням не найвидатніший продукт з точки зору технологій. Це означає, що його можна вдосконалювати до нескінченності »(Метт Тревітнік, президент венчурного фонду сім'ї Рокфеллер Venrock).
Двигун з вільним поршнем - лінійний двигун внутрішнього згоряння, позбавлений шатунів, в якому рух поршня визначається не механічними зв'язками, а співвідношенням сил розширюються газів і навантаження
Уже в листопаді цього року на американський ринок вийде Chevrolet Volt, електромобіль з бортовим генератором електроенергії. Volt буде оснащений потужним електродвигуном, що обертає колеса, і компактним ДВС, який лише заряджає виснажену літій-іонну батарею. Цей агрегат завжди працює на максимально ефективних оборотах. З цим завданням легко справляється звичайний ДВС, який звик до куди більш тяжкого тягаря. Однак незабаром його можуть змінити куди більш компактні, легкі, ефективні і дешеві агрегати, спеціально створені для роботи в якості електрогенератора.
Коли мова заходить про принципово нові конструкції ДВС, скептики починають морщити носи, кивати на сотні порошаться на полицях псевдореволюційних проектів і трясти святими мощами чотирьох горщиків і распредвала. Сто років панування класичного двигуна внутрішнього згоряння кого хочеш переконають в марності інновацій. Але тільки не професіоналів в області термодинаміки. До таких належить професор Пітер Ван Бларіган.
енергія під замком
Одна з найрадикальніших концепцій ДВС в історії - двигун з вільним поршнем. Перші згадки про нього в спеціальній літературі відносяться до 1920-х років. Уявіть собі металеву трубу з глухими кінцями і циліндричний поршень, що ковзає усередині неї. На кожному з кінців труби розташовані інжектор для вприскування палива, впускний і випускний порти. Залежно від типу палива до них можуть додані свічки запалювання. І все: менше десятка найпростіших деталей і лише одна - рухома. Пізніше з'явилися більш витончені моделі ДВС з вільним поршнем (FPE) - з двома або навіть чотирма оппозітнимі поршнями, але це не змінило суті. Принцип роботи таких моторів залишився колишнім - зворотно-поступальний лінійне рух поршня в циліндрі між двома камерами згоряння.
Теоретично ККД FPE перевалює за 70%. Вони можуть працювати на будь-якому вигляді рідкого або газоподібного палива, вкрай надійні і чудово збалансовані. Крім того, очевидні їх легкість, компактність і простота в виробництві. Єдина проблема: як зняти потужність з такого мотора, механічно представляє собою замкнуту систему? Як осідлати снують з частотою до 20000 циклів в хвилину поршень? Можна використовувати тиск вихлопних газів, але ефективність при цьому падає в рази. Це завдання довго залишалася невирішеною, хоча спроби робилися регулярно. Останніми про неї обламали зуби інженери General Motors в 1960-х роках в процесі розробки компресора для експериментального газотурбінного автомобіля. Діючі зразки суднових насосів на основі FPE на початку 1980-х були виготовлені французькою компанією Sigma і британської Alan Muntz, але в серію вони не пішли.
Можливо, про FPE ще довго б ніхто не згадав, але допомогла випадковість. У 1994 році Департамент енергетики США доручив вченим Національної лабораторії Sandia вивчити ефективність бортових генераторів електроенергії на базі ДВС різних типів, що працюють на водні. Ця робота була доручена групі Пітера Ван Бларігана. В ході здійснення проекту Ван Бларіган, якому концепція FPE була добре відома, зумів знайти дотепне рішення проблеми перетворення механічної енергії поршня в електрику. Замість ускладнення конструкції, а значить - зниження результуючого ККД, Ван Бларіган пішов шляхом віднімання, закликавши на допомогу магнітний поршень і мідну обмотку на циліндрі. Незважаючи на всю простоту, таке рішення було б неможливим ні в 1960-х, ні в 1970-х роках. У той час ще не існувало досить компактних і потужних постійних магнітів. Все змінилося на початку 1980-х після винаходу сплаву на основі неодиму, заліза і бору.
Єдина деталь поєднує в собі два поршня, паливний насос і клапанну систему.
За цю роботу в 1998 році на Всесвітньому конгресі Товариства автомобільних інженерів SAE Ван Бларігану і його колегам Ніку Парадізо і Скотту Голдсборо була присвоєна почесна премія імені Харрі Лі Ван Хорнінг. Очевидна перспективність лінійного генератора з вільним поршнем (FPLA), як назвав свій винахід Ван Бларіган, переконала Департамент енергетики продовжити фінансування проекту аж до стадії експериментального агрегату.
Електронний пінг-понг
Двотактний лінійний генератор Бларігана є трубою з електротехнічної кременистої стали довжиною 30,5 см, діаметром 13,5 см і масою трохи більше 22 кг. Внутрішня стінка циліндра являє собою статор з 78 витками мідного дроту квадратного перетину. У зовнішню поверхню алюмінієвого поршня інтегровані потужні неодимові магніти. Паливний заряд і повітря надходять в камеру згоряння двигуна у вигляді туману після попередньої гомогенізації. Запалювання відбувається в режимі HCCI - в камері одночасно виникає безліч мікровогнищ загоряння. Ніякої механічної системи газорозподілу у FPLA немає - її функції виконує сам поршень.
Труба Франка Штельзера
У 1981 році німецький винахідник Франк Штельзер продемонстрував двотактний мотор з вільним поршнем, який він розробляв в своєму гаражі з початку 1970-х. За його розрахунками, движок був на 30% економічніше звичайного ДВС. Єдина рухома деталь мотора - здвоєний поршень, що снують з шаленою частотою всередині циліндра. Сталева труба довжиною 80 см, оснащена карбюратором низького тиску від мотоцикла Harley-Davidson і блоком котушок запалювання Honda, за грубими підрахунками Стельзера, могла виробляти до 200 к.с. потужності при частоті до 20 000 циклів на хвилину. Штельзер стверджував, що його мотори можна робити з простих сталей, а охолоджуватися вони можуть як повітрям, так і рідиною. У 1981 році винахідник привіз свій мотор на Франфуртської міжнародний автосалон в надії зацікавити провідні автокомпанії. Спочатку ідея викликала певний інтерес з боку німецьких автопороізводітелей. За відгуками інженерів Opel, прототип двигуна демонстрував чудовий термічний ККД, а його надійність була абсолютно очевидною - ламатися там було практично нічому. Всього вісім деталей, з яких одна рухається - здвоєний поршень складної форми з системою кілець ущільнювачів загальною масою 5 кг. У лабораторії Opel були розроблені кілька теоретичних моделей трансмісії для мотора Штельзера, включаючи механічну, електромагнітну і гідравлічну. Але жодна з них не була визнана досить надійною і ефективною. Після Франкфуртського автосалону Штельзер і його дітище пропали з поля зору автоіндустрії. Ще пару років після цього в пресі раз у раз з'являлися повідомлення про наміри Штельзера запатентувати технологію в 18 країнах світу, оснастити своїми моторами опріснювальні установки в Омані і Саудівській Аравії і т. Д. З початку 1990-х Штельзер назавжди пропав з поля зору, хоча його сайт в інтернеті все ще доступний.
Максимальна потужність FPLA становить 40 кВт (55 конячок) при середньому споживанні палива 140 г на 1кВтч. За ефективністю двигун не поступається водневим паливним осередкам - термічний ККД генератора при використанні в якості палива водню і ступеня стиснення 30: 1 досягає 65%. На пропане трохи менше - 56%. Крім цих двох газів FPLA з апетитом перетравлює солярку, бензин, етанол, спирт і навіть відпрацьоване рослинне масло.
Однак ніщо не дається малою кров'ю. Якщо проблема перетворення теплової енергії в електричну Ван Бларіганом вирішена успішно, то управління примхливим поршнем стало серйозним головним болем. Верхня мертва точка траєкторії залежить від ступеня стиснення і швидкості згоряння паливного заряду. Фактично гальмування поршня відбувається за рахунок створення критичного тиску в камері і подальшого мимовільного загоряння суміші. У звичайному ДВС кожний наступний цикл є аналогом попереднього завдяки жорстким механічним зв'язків між поршнями і коленвалом. У FPLA ж тривалість тактів і верхня мертва точка - плаваючі величини. Найменша неточність в дозуванні паливного заряду або нестабільність режиму згоряння викликають зупинку поршня або удар в одну з бічних стінок.
Двигун Ecomotors відрізняється не тільки скромними габаритами і масою. Зовні плоский агрегат нагадує оппозітниє мотори Subaru і Porsche, які дають особливі компонувальні переваги у вигляді низького центру ваги і лінії капота. Це означає, що автомобіль буде не тільки динамічним, а й добре керованим.
Таким чином, для двигуна такого типу потрібна потужна і швидкодіюча електронна система управління. Створити її не так просто, як здається. Багато експертів вважають цю задачу важко здійснюваною. Гаррі Смайт, науковий керівник лабораторії General Motors по силових установок, стверджує: «Двигуни внутрішнього згоряння з вільним поршнем мають ряд унікальних достоїнств. Але щоб створити надійний серійний агрегат, потрібно ще дуже багато дізнатися про термодинаміки FPE і навчитися управляти процесом згоряння суміші ». Йому вторить професор Массачусетського технологічного інституту Джон Хейвуд: «В цій області ще дуже багато білих плям. Не факт, що для FPE вдасться розробити просту і дешеву систему управління ».
Ван Бларіган більш оптимістичний, ніж його колеги по цеху. Він стверджує, що управління становищем поршня може бути надійно забезпечене за допомогою тієї ж пари - статор і магнітна оболонка поршня. Більш того, він вважає, що повноцінний прототип генератора з налагодженою системою управління і ККД не менше 50% буде готовий вже до кінця 2010 року. Непряме підтвердження прогресу в цьому проекті - засекречування в 2009 році багатьох аспектів діяльності групи Ван Бларігана.
Значна частина втрат на тертя в звичайних ДВС доводиться на повороти шатуна щодо поршня. Короткі шатуни повертаються на більший кут, ніж довгі. У OPOC дуже довгі і порівняно важкі шатуни, які знижують втрати на тертя. Унікальна конструкція шатунів OPOC не вимагає використання поршневих пальців для внутрішніх поршнів. Замість них застосовуються радіальні увігнуті гнізда великого діаметру, всередині яких ковзає головка шатуна. Теоретично така конструкція вузла дозволяє зробити шатун довше звичайного на 67%. У звичайному ДВС серйозні втрати на тертя виникають в навантажених підшипниках коленвала під час робочого такту. У OPOC цієї проблеми не існує зовсім - лінійні різноспрямовані навантаження на внутрішній і зовнішній поршні повністю компенсують один одного. Тому замість п'яти опорних підшипників коленвала для OPOC потрібно лише два.
конструктивна опозиція
У січні 2008 року знаменитий венчурний інвестор Винод Хосла розсекретив один зі своїх останніх проектів - компанію EcoMotors, створену роком раніше Джоном Колетт і Петером Хоффбауером, двома визнаними гуру моторобудування. У послужному списку Хоффбауера чимало проривних розробок: перший турбодизель для легкових автомобілів Volkswagen і Audi, опозитний двигун для Beetle, перший 6-циліндровий дизель для Volvo, перший рядний 6-циліндровий дизель Inline-Compact-V, вперше встановлений в Golf, і його близнюк VR6, створений для Mercedes. Джон Колетт не менше відомий в середовищі автомобільних інженерів. Довгий час він керував підрозділом Ford SVT по розробці особливих серій заряджених автомобілів.
Загалом активі Хоффбауера і Колетт більше 150 патентів, участь в 30 проектах по розробці нових двигунів і в 25 проектах нових серійних автомобілів. EcoMotors була створена спеціально для комерціалізації винайденого Хоффбауером модульного двоциліндрового двотактного оппозитного турбодизеля з технологією OPOC.
Невеликий розмір, божевільна питома потужність 3,25 к.с. на 1 кг маси (250 к.с. на 1 л об'єму) і танкова тяга в 900 Н м при більш ніж скромному апетиті, можливість збирати з окремих модулів 4-, 6- і 8-циліндрові блоки - ось основні переваги Стокілограмову модуля OPOC EM100 . Якщо сучасні дизелі на 20-40% ефективніше бензинових ДВС, то OPOC - на 50% ефективніше кращих турбодизелів. Його розрахунковий ККД - 57%. Незважаючи на свою фантастичну зарядженість, двигун Хоффбауера відрізняється ідеальною збалансованістю і дуже м'якою роботою.
У OPOC поршні з'єднуються з коленвалом, розташованим в центрі, довгими шатунами. Простір між двома поршнями служить камерою згоряння. Паливний інжектор знаходиться в області верхньої мертвої точки, а впускний повітряний порт і випускний порт для відпрацьованих газів - в області нижньої мертвої точки. Таке розташування укупі з електричним турбонагнітачем забезпечує оптимальну продування циліндра - в OPOC немає ні клапанів, ні распредвала.
Турбонагнетатель - невід'ємна частина мотора, без якої його робота неможлива. Перед запуском двигуна турбонагнетатель протягом однієї секунди нагріває порцію повітря до температури 100 ° C і закачує її в камеру згоряння. Дизелю OPOC не потрібні гартівні свічки, а запуск в холодну погоду не доставляє проблем. При цьому Хоффбауеру вдалося знизити ступінь стиснення з звичних для дизелів 19-22: 1 до скромних 15-16. Все це, в свою чергу, призводить до зниження робочої температури в камері згоряння і витрати палива.
Троянський кінь
Вже сьогодні у EcoMotors є три повністю готових до виробництва оппозітних агрегату різної потужності: модуль потужністю 13,5 к.с. (Розміри - 95 мм / 155 мм / 410 мм, вага - 6 кг), 40 к.с. (95 мм / 245 мм / 410 мм, 18 кг) і модуль 325л.с. (400 мм / 890 мм / 1000 мм, 100 кг). Хоффбауер і Колетт намір продемонструвати електрогібрідний п'ятимісний седан середнього класу з дизельним генератором OPOC на базі однієї з масових моделей вже в поточному році. Середня витрата солярки у цього автомобіля не перевищить 2 л на сотню в комбінованому електричному і змішаному режимах. Нещодавно EcoMotors відкрила власний технічний центр в містечку Троя, штат Мічиган, і вже підшукує відповідне підприємство для організації серійного виробництва своїх моторів. Незважаючи на розсекречених проекту, з надр компанії надходить вкрай мізерна інформація. Мабуть, Винод Хосла вирішив притримати до пори забійні козирі.
Виникають ситуації, коли двигун втрачає потужність, «троїть», з вихлопної труби йде сизий або чорний дим.
Причинами таких несправностей може бути прогар прокладки головки блоку циліндрів, прогар клапанів або поршнів. При цьому в камеру згоряння потрапляє масло, на гільзі циліндра і клапанах утворюється нагар, який їх швидше зношує, порушуються фази газорозподілу. Прогар прокладки сприяє виходу газів зовні двигуна, що супроводжується гучним свистом або якщо вона прогоріла між циліндрами, то гази потрапляють в інший циліндр, порушуючи суміш, так як між циліндрами робочі такти розрізняються. Крім цього прогар прокладки загрожує змішуванням моторного масла з охолоджувальною рідиною двигуна, в результаті чого суміш спінюється і двигун через короткий проміжок часу глухне, а вся ця піна застоюється в усьому моторі. Коли виникає прогар поршня, або сильний знос порневих кілець, то відпрацьовані гази потрапляють в картер, розріджують масло, що тим самим порушує мастило всіх рухомих деталей. Багато працівників станцій технічного обслуговува разом з власниками авто, перевіряють компресію циліндра, і якщо вона в нормі, значить циліндр впорядке. Це все зовсім не так. Гарна компресія свідчить про справності тільки компресійних поршневих кілець, а при цьому маслос'емниє кільця можуть погано справлятися зі своєю роботою, залишаючи масло на циліндрах, яке змішується з горючою сумішшю.
Щоб переконається, в чому саме справа, необхідно зняти головку блоку циліндрів, зняти розподілвали, оглянути стан клапанів, маслос'емних ковпачків і поршнів, тобто всі деталі потрібно буде оглянути візуально. Цей процес досить трудомісткий і витратний за часом. Все може бути зроблено даремно, якщо причиною такої несправності, наприклад, виявилися зношені сальники клапанів, при заміні яких демонтаж головки блоку циліндрів не обов'язковий. Для таких випадків існує хитрий спосіб, як обійтися без зняття головки блоку циліндрів.
Автомобіль встановлюється на ручне гальмо, піднімається на домкраті провідне колесо. Бажано під колеса встановити упори, тому як є велика ймовірність, що машина може виїхати без водія. В автомобілі включається передача ближче до прямої. На п'ятиступінчасті коробках передач це в основному вважається третя або четверта передачі. Можна звичайно включити і будь-яку іншу передачу, але зі свого досвіду скажу, що так обертати коленвал буде важко і довго.
Після того, як включили передачу, виставляємо поршень першого циліндра двигуна в такт стиснення, викручуємо свічку і на її місце встановлюємо шлангу компресора. Бажано, щоб шланга щільно сиділа в свічковий свердловині, щоб точно визначити проблему, якщо вона є. Загерметизировав шлангу, подаємо в циліндр повітря і слухаємо. Коли все впорядке, повітря буде виходити назад через свічковий отвір. При прогарі впускного клапана, повітря виходить через повітряний фільтр, а при прогарі випускного, відповідно через вихлопну трубу. Коли прогарает поршень, що по-моєму найстрашніше, що може статися з усього перерахованого, повітря виходить через сапун системи вентиляції картера. Щоб не сплутати прогар поршня з прогаром впускного клапана, від'єднайте шлангу сапуна від блоку циліндрів, так як вона безпосередньо з'єднана з повітряним фільтром, а ще простіше буде просто витягти масляний щуп. Коли перший циліндр перевірений, переходимо до другого. І такими ж методами перевірити справність інших циліндрів.
Виявлені несправності усуваються заміною деталей на нові. Заміну маслос'емних ковпачків, краще поєднати з заміною напрямних клапанів, а ще буде краще, якщо поміняти і клапана. Дешевим варіантом буде замінити просто хоча б ковпачки та направляючі, а старий клапан очистити від нагару, тому що після заміни ковпачків, незабаром будуть постукувати і напрямні, а тоді доводиться знову розкривати головку блоку циліндрів.
При складанні, потрібно обов'язково перевірити стан пружини клапана, щоб вона була упрагая і без просідань і при необхідності замінити її на нову. Заміна прошневих кілець лише ненадовго усуне проблему, так як нові кільця поки будуть притиратися до циліндрів, сизий дим зникне, але під час притирання кільця залишать багато задирів на гільзах і з часом двигун знову буде «диміти».
Я завжди говорив, що якщо довелося знімати головку блоку циліндрів, варто зробити заміну клапанів, маслос'емних ковпачків і напрямних клапанів. Також помити бензином, дизельним паливом або гасом клапанну кришку разом з ГБЦ, почистити камери згоряння головки блоку циліндрів за допомогою насадки з металевим дротом і зробити притирання клапанів.
По закінченню роботи, замінити прокладку клапанної кришки і прокладки головки блоку циліндрів на нові, промазати їх герметиком і все зібрати, затягуючи все болти з певним моментом.
Довговічність двигуна і його деталей на 99,9% залежить від водія. При дбайливої експлуатації, ресурс мотора досить зросте і він прослужить довго. Якщо почалися як то кажуть, перші позиви на ремонт газорозподільного механізму (сизий вихлопної дим), то ще деякий час можна поїздити, великої втрати динаміки при цьому не буде. Таку проблему ще можна відтягнути, але коли вже буде значна втрата потужності, тоді вже доведеться здійснювати діагностику і ремонт виявлених несправностей.
Полегшення системи КШМ (кривошипно-шатунного механізму), може додати свої плюси в роботі всього двигуна в цілому. Багато тюнери полегшують не тільки шатуни і колінчастий вал, а й самі поршні. Якщо йти далі, то можна полегшити і. Але для простого обивателя це дуже складна інформація для засвоєння. Багато хто чув про поршні двигуна, багато хто навіть бачили вживу, але ось навіщо їх полегшувати - не розуміють! Сьогодні я спробую розповісти вам простими словами, про цю процедуру, а також в кінці статті буде невелика інструкція для полегшення стандартних варіантів своїми руками. Так що читайте ...
Це частина механізму КШМ (кривошипно-шатунного механізму), який має тільки одне призначення - нагнітання тиску в циліндрі. Нагнітає тиск за допомогою рухів вгору, а його в свою чергу штовхає шатун, який пов'язаний з колінчастим валом. Ця конструкція всім відома і вже не нова. Хороша вона чи ні, це питання інше, але варто відзначити - вкрай малий.
Якщо ви хочете зрозуміти принцип роботи, то візьміть звичайний пластиковий (аптечний) шприц для інфекцій ліків. У нього також є поршень іноді з прогумованої прошарком - він практично імітує роботу нашого металевого варіанта.
Згадали - розібралися, дійшли до полегшеного варіанту.
Навіщо він потрібен і для чого його встановлюють?
Якщо розібрати все по поличках, то виходить ось така інформація.
1) Полегшення дозволяє двигуну працювати з більш високими оборотами, це корисно для тюнінгових двигунів, наприклад с. А як відомо при високих оборотах потужність зростає.
2) Двигун швидше набирає обертів, йому не потрібно витрачати енергію на розкрутку важких поршнів.
3) Двигун працює більш рівно, зменшується детонація. Подивіться короткий, але пізнавальний ролик.
4) Ходить думка, що збільшується ресурс деталей. Так як випробовувані навантаження зменшуються в зв'язку з зменшення ваги поршня.
Якщо підвести проміжний підсумок, то виходить - швидкісні (більш високі обороти), більш впевнений старт з місця, менше детонації, більше ресурс.
Як зазвичай відбувається полегшення?
Звичайно, хочеться розуміти, завдяки чому знижується вага і чим жертвує конструкція?
Якщо подивитися на будову «звичайного» поршня, то можна побачити порожній циліндр висотою приблизно від 80 до 100 мм (це усереднені розміри). Такими вони були на зорі своєї появи. Якщо підбити за вагою, то виходить приблизно 500 - 600 грам. Тобто півкіло літає вгору - вниз відтягуючи на себе частину енергії. А чим більше обертів - тим більше енергії доводиться витрачати!
Тепер полегшений варіант, якщо порівняти його з «звичайним» то:
По-перше, зменшують висоту, вона (якщо знову взяти усереднені розміри) - від 50 до 80 мм.
По-друге, зменшують вагу, звичайно він значно йде від зменшення висоти, але цього не достатньо, зрізають ще й боки. Виходить так званий «Т-образний» полегшений поршень. «Т-образний» тому що якщо подивитися на нього з одного боку він нагадує букву «Т», до речі деякі називають «трикутний».
Єдине що залишається незмінним це верхня площадка, до речі, деякі потрібні при.
Такі варіації можуть знизити пристойну масу, середня вага одягненого варіанти - близько 250 грам. Що в два рази легше. А з 4 штук, йде більше 1 кілограма! Для мотора це дуже суттєво.
Як зробити своїми руками?
Знаю багатьох мучить таке питання - як зі звичайного, зробити полегшений поршень і взагалі чи можливо це?
Звичайно можливо, причому деякі умільці виточують і зрізають зайве в своїх гаражах. Однак хочеться відзначити - що потрібні точні розміри під зрізи, а також «развесовка» і «балансування».
Зрізають як зазвичай висоту і боки.
Робота дуже трудомістка і точна, якщо щось зробите неправильно, то поршень йде на смітник. Тому краще спочатку обчислити розміри на папері-комп'ютері.
Після можна зрізати не потрібну частину на спеціальному верстаті, або можна відрізати болгаркою або спеціальними насадками на дриль.
Знову ж зазначу, зріз повинен бути точний, або баланс поршня буде порушений і у двигуна буде велика детонація. Так що якщо жодного разу цим не займатися, потрібно звернутися до «тюнерам» вашого міста. Можливо вони вже це проходили.
А з особистого досвіду скажу, іноді краще купити вже готовий комплект для вашого агрегату, вони також продаються у великій кількості на інтернет майданчиках.
Поршень двигуна являє собою деталь, що має циліндричну форму і здійснювало зворотно-поступальні рухи всередині циліндра. Він належить до числа найбільш характерних для двигуна деталей, оскільки реалізація термодинамічної процесу, що відбувається в ДВС, відбувається саме при його допомоги. поршень:
- сприймаючи тиск газів, передає виникає зусилля на;
- герметизирует камеру згоряння;
- відводить від неї надлишок тепла.
На фотографії вище продемонстровані чотири такту роботи поршня двигуна.
Екстремальні умови зумовлюють матеріал виготовлення поршнів
Поршень експлуатується в екстремальних умовах, характерними рисами яких є високі: тиск, інерційні навантаження і температури. Саме тому до основних вимог, що пред'являються матеріалами для його виготовлення відносять:
- високу механічну міцність;
- гарну теплопровідність;
- малу щільність;
- незначний коефіцієнт лінійного розширення, антифрикційні властивості;
- хорошу корозійну стійкість.
Поршні можуть бути:
- литими;
- кованими.
Конструктивні особливості поршня визначаються його призначенням
Основними умовами, що визначають конструкцію поршня, є тип двигуна і форма камери згоряння, особливості процесу згоряння, що проходить в ній. Конструктивно поршень є цілісний елемент, що складається з:
- головки (днища);
- ущільнюючої частини;
- спідниці (направляючої частини).
Чи відрізняється поршень бензинового двигуна від дизельного?Поверхні головок поршнів двигунів бензинового і дизельного конструктивно відрізняються. У бензиновому двигуні поверхню головки - плоска або близька до неї. Іноді в ній виконуються канавки, що сприяють повному відкриттю клапанів. Для поршнів двигунів, обладнаних системою безпосереднього вприскування палива (СНВТ), властива більш складна форма. Головка поршня в дизельному двигуні значно відрізняється від бензинового, - завдяки виконанню в ній камери згоряння заданої форми, забезпечується краще завихрення і сумішоутворення.
На фотографії схема поршня двигуна.
Поршневі кільця: види і склад
Ущільнююча частина поршня включає в себе поршневі кільця, що забезпечують щільність з'єднання поршня з циліндром. Технічний стан двигуна визначається його ущільнюючої здатністю. Залежно від типу і призначення двигуна вибирається число кілець і їх розташування. Найбільш поширеною схемою є схема з двох компресійних і одного маслос'емного кілець.
Виготовляються поршневі кільця, в основному, зі спеціального сірого високоміцного чавуну, що має:
- високі стабільні показники міцності і пружності в умовах робочих температур протягом усього періоду служби кільця;
- високу зносостійкість в умовах інтенсивного тертя;
- хороші антифрикційні властивості;
- здатність швидкого і ефективного прірабативанія до поверхні циліндра.
Основним призначенням компресійного кільця є перешкоджання потраплянню в картер двигуна газів з камери згоряння. Особливо великі навантаження припадають на перше компресійне кільце. Тому при виготовленні кілець для поршнів деяких форсованих бензинових і всіх дизельних двигунів встановлюють вставку зі сталі, яка підвищує міцність кілець і дозволяє забезпечити максимальну ступінь стиснення. За формою компресійні кільця можуть бути:
- трапецієподібні;
- тбочкообразние;
- тконіческіе.
На маслос'емноє кільце покладається функція видалення надлишків олії зі стінок циліндра і перешкоджання його проникненню в камеру згоряння. Воно відрізняється наявністю безлічі дренажних отворів. У конструкціях деяких кілець передбачені пружинні розширювачі.
Форма направляючої частини поршня (інакше, спідниці) може бути конусоподібної або бочкообразной, Що дозволяє компенсувати його розширення при досягненні високих робочих температур. Під їх впливом форма поршня стає циліндричної. Бічну поверхню поршня з метою зниження викликаних тертям втрат покривають шаром антифрикційного матеріалу, з цією метою використовується графіт або дисульфід молібдену. Завдяки отворам з приливами, виконаним в спідниці поршня, здійснюється кріплення поршневого пальця.
Вузол, що складається з поршня, компресійних, маслоз'ємних кілець, а також поршневого пальця прийнято називати поршневий групою. Функція її з'єднання з шатуном покладено на сталевий поршневий палець, який має трубчасту форму. До нього пред'являються вимоги:
- мінімальної деформації при роботі;
- високої міцності при змінному навантаженні і зносостійкості;
- хорошою опірності ударного навантаження;
- малої маси.
- закріплені в бобишках поршня, але обертатися в головцішатуна;
- закріплені в головцішатуна і обертатися в бобишках поршня;
- вільно обертаються в бобишках поршня і у головцішатуна.
Пальці, встановлені за третім варіантом, називаються плаваючими. Вони є найбільш популярними, оскільки їх знос по довжині та кола є незначним і рівномірним. При їх використанні небезпека заїдання зведена до мінімуму. Крім того, вони зручні при монтажі.
Відведення надлишків тепла від поршня
Поряд зі значними механічними навантаженнями поршень також піддається негативному впливу екстремально високих температур. Тепло від поршневої групи відводиться:
- системою охолодження від стінок циліндра;
- внутрішньою порожниною поршня, далі - поршневим пальцем і шатуном, а також маслом, що циркулює в системі мастила;
- частково холодної паливо-повітряної сумішшю, яка подається в циліндри.
- розбризкування масла через спеціальну форсунку або отвір в шатуне;
- масляного туману в порожнині циліндра;
- впорскування масла в зону кілець, в спеціальний канал;
- циркуляції масла в голівці поршня по трубчастого змійовика.
Відео про чотиритактний двигун - принцип роботи:
