Принципы преобразования тепловой энергии топлива в механи­ческую работу являются одинаковыми для всех поршневых двига­телей, включая роторно-поршневые. Рабочий цикл любого поршне­вого двигателя состоит из семи последовательно протекающих процессов: 1) заполнения цилиндра двигателя свежим зарядом (или воздухом); 2) приготовления топливовоздушной смеси; 3) сжатия топливовоздушной смеси (или воздуха); 4) воспламенения смеси; 5) сгорания топливовоздушной смеси; 6) расширения сгоревшей смеси (рабочий ход); 7) выпуска отработавших газов. При этом последо­вательность протекания процессов зависит от места приготовления топливо-воздушной смеси - вне цилиндра (двигатель с внешним смесеобразованием), или непосредственно в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием).

К двигателям с внешним смесеобразованием и воспламенением от искры относятся все карбюраторные и газовые двигатели, а так­же двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод.

К двигателям с внутренним смесеобразованием относятся все дизели с самовоспламенением топливовоздушной смеси от сжатия (в том числе газодизели), а также двигатели с впрыском легкого топлива непосредственно в цилиндр.

Одинаковые принципы преобразования тепловой энергии топ­лива, выделяющейся при его сгорании, в механическую работу предопределили очень похожие и конструктивные схемы всех пор­шневых двигателей, кроме роторно-поршневых. На рис. 1.1 пред­ставлена типичная схема поршневого двигателя, состоящего из: цилиндра 2 с камерой сгорания 6, поршня 4 с кольцами 5, шатуна 3 и коленчатого вала 1, обеспечивающих преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение ко­ленчатого вала, впускного 7 и выпускного 10 клапанов, регу­лирующих открытие и закрытие соответственно впускной 8 и вы­пускной 11 систем, маховика 14, обеспечивающего равномерность вращения коленчатого вала, картера 13 и поддона 15, коренных подшипников 16.

Рис. 1.1 Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания:

а - продольный разрез; б - поперечный разрез; 1 - коленчатый вал; 2 - цилиндр; 3 - шатун; 4 - поршень; 5 - кольца; 6 - камера сгорания; 7 - впускной клапан; 8 - впускной патрубок; 9 - свеча; 10 - выпускной клапан; 11 - выпускной патрубок; 12 - поршневой палец; 13 - ка­ртер; 14 - маховик; 15 - поддон; 16 - коренные

подшипники

Все конструктивные схемы поршневых двигателей характеризу­ются несколькими основными параметрами. К ним относятся (см. рис. 1.1): диаметр цилиндра D и ход поршня S , равный удвоенному радиусу кривошипа г. Двигатели с S / D > 1 называются длинноходными, а с SJD X = г/1 должна обес­печить свободное движение шатуна без задевания за стенки цилинд­ра и свободное перемещение поршня без задевания за коренные подшипники коленчатого вала; рабочий объем цилиндра V /, и объем камеры сгорания V c , сумма которых является полным объемом ци­линдра V a ; литраж двигателя V n = V h i = nD 2 Sil (4- 10 3), где i - число цилиндров, D и S выражены в см; степень сжатия е - отношение полного объема цилиндра V a к объему камеры сгорания V c , вели­чина которой устанавливается в зависимости от детонационной стойкости топлива.

Рабочий цикл поршневых двигателей, состоящий из семи выше­указанных процессов, осуществляется, как правило, за два оборота коленчатого вала, что соответствует четырем ходам (тактам) по­ршня от одной мертвой точки до другой. Такие двигатели называ­ются четырехтактными двигателями.

Первый такт - наполнение (впуск) цилиндра двигателя свежим зарядом протекает при движении поршня от в.м.т. к н.м.т. В дизе­лях свежий заряд состоит из воздуха, поступающего непосредствен­но из атмосферы через впускную систему и впускной клапан, кото­рый к моменту начала движения поршня от в.м.т. уже открыт. Свежий заряд двигателя с внешним смесеобразованием состоит из смеси уже распыленного топлива и воздуха. Эта смесь может быть приготовлена либо в карбюраторе, либо, после впрыска топлива, во впускной системе. При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. в ходе такта впуска происходит смешение (газообмен) свежего заряда (воз­духа или смеси воздуха с топливом) с отработавшими газами, оставшимися в камере сгорания после предыдущего рабочего цик­ла. Наиболее интенсивно газообмен осуществляется в период со­вместного открытия впускного и выпускного клапанов, так как выпускной клапан закрывается только после начала впуска в ходе движения поршня к н.м.т. Таким образом при такте впуска проис­ходит наполнение цилиндра двигателя свежим зарядом (воздухом или смесью воздуха с топливом), газообмен между свежим зарядом и отработавшими газами, а в двигателях с внешним смесеобразова­нием продолжение активного приготовления рабочей смеси (испаре­ние топлива и перемешивание его с воздухом и отработавшими газами). Повышение количества и плотности горючей смеси в со­ставе рабочей смеси, за счет сокращения отработавших газов, повы­шает эффективность работы двигателя.

Второй такт - сжатие протекает при движении поршня от н.м.т. к в.м.т. Однако в первый период этого такта сжатия продолжается наполнение цилиндра (дозарядка) или обратный выброс смеси, так как все еще открыт впускной клапан, который закрывается несколь­ко позже прохождения поршнем н.м.т. После закрытия впускного клапана начинается непосредственно процесс сжатия с повышением температуры и давления рабочей смеси в цилиндре двигателя с внешним смесеобразованием, а в цилиндре двигателя с внутрен­ним смесеобразованием - сжатие смеси воздуха с отработавшими газами. Рабочая смесь в этих двигателях образуется в ходе такта сжатия при впрыскивании топлива непосредственно в цилиндр под большим давлением в конце такта сжатия и самовоспламеняется. В двигателе с внешним смесеобразованием сжатая рабочая смесь также воспламеняется вблизи в.м.т., но от электрической искры высокого напряжения. Заключительный период такта сжатия при подходе поршня к в.м.т. характеризуется совместным протеканием сжатия и горения рабочей смеси.

Третий такт - расширение - рабочий ход. Первый этап такта расширения начинается совместно с активным продолжением про­цесса сгорания рабочей смеси при резком повышении давления в надпоршневой части цилиндра. Расширяющиеся в процессе сгора­ния газы перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т., совершая полез­ную работу - рабочий ход. Давление от расширяющихся газов передается через поршень и шатун на шатунную шейку коленчатого вала, заставляя его вращаться, совершая полезную механическую работу. Завершается процесс расширения открытием выпускного клапана до прихода поршня в н.м.т. и началом выпуска отработа­вших газов из цилиндра.

Четвертый такт - выпуск отработавших газов совершается при движении поршня от н.м.т. к в.м.т. Под действием расширяющихся отработавших газов, а затем и перемещения поршня осуществляет­ся сначала свободное, а потом и принудительное вытеснение из цилиндра двигателя отработавших газов. При этом в начале про­цесса расширения, при движении поршня от н.м.т., выпускной кла­пан уже открыт, а при подходе поршня к в.м.т. открывается и впуск­ной клапан. Таким образом завершение процесса выпуска проис­ходит при двух открытых клапанах - выпускном и впускном, что обеспечивает начало нового рабочего цикла в конце такта впуска, создавая необходимые условия для непрерывной работы двигателя внутреннего сгорания.

Поршень

Детали шатунно-поршневой группы

1. Первое компрессионное кольцо
2. Второе компрессионное кольцо
3. Маслосъёмное кольцо

3.1. Верхнее плоское кольцо

3.2. Расширитель

3.3. Нижнее плоское кольцо

1. Поршень
2. Поршневой палец
3. Стопорное кольцо поршневого пальца (2 шт)
4. Шатун
5. Болт крышки шатуна
6. Вкладыши подшипника шатуна
7. Крышка шатуна
8. Гайка крышки шатуна

На этом рисунке показаны детали типичной шатунно-поршневой группы. Далее более подробно насмотрим все детали, их предназначение и некоторые, наиболее распространённые конструкции.

Поршень

Общая информация

Несомненно, поршень является наиболее нагруженной деталью двигателя. Во время работы двигателя на поршень оказываются комбинированные механические и тепловые нагрузки. Разделить их невозможно, поскольку любой материал с повышением температуры меняет свои свойства. Поршень, легко выдерживающий существующие нагрузки при рабочей температуре двигателя, будет разрушен под воздействием не изменившихся механических нагрузок в случае перегрева двигателя.

Механические нагрузки на поршень

Во время работы двигателя на поршень оказываются значительные механические нагрузки, постоянно изменяющиеся как по направлению, так и по величине. Даже во время спокойного, равномерного движения автомобиля по обычной загородной дороге коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 3000 об/мин, следовательно, в течение одной минуты поршень должен разогнаться до высокой скорости, остановиться и опять разогнаться в противоположном направлении 6000 раз в минуту, или 100 раз в секунду. Если принять, что средний ход поршня современного короткоходного двигателя равен 80 мм, за одну минуту поршень пройдёт 480 метров, то есть средняя скорость движения поршня в цилиндре равна 28,8 км/час. Ещё выше эти нагрузки у высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей. Если принять, что скорость вращения двигателя спортивного автомобиля 6000 об/мин (на самом деле может быть значительно выше), в этом случае поршень изменит направление своего движения 200 раз в секунду, линейное расстояние, которое поршень пройдёт за час, будет равно 57,8 км, при этом максимальная скорость движения поршня будет равна 120 км/час. То есть в течение одной секунды, поршню необходимо 200 раз на расстоянии всего 40 мм разогнаться до 120 км/час и на таком же расстоянии снизить скорость с 120 км/час до 0.

Двигатели многих спортивных автомобилей имеют максимальную скорость вращения коленчатого вала до 12000 об/мин, а двигатели болидов Формулы 1 раскручиваются до 19000 об/мин.

Можно представить какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень, даже если просто предположить что коленчатый вал двигателя вращается от постороннего источника энергии. Но на поршень также оказывается воздействие усилия сжимаемых газов на такте сжатия и особенно полезное воздействие расширяющихся газов на такте рабочего хода. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 80 – 100 атмосфер, давление в камере сгорания обычного автомобиля 55 – 60 атмосфер. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн. Так что можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипно-шатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки. Но беда не приходит одна, кроме значительных механических нагрузок, поршень также подвергается воздействию очень высоких температур.

Температурные нагрузки на поршень

Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров. Геометрия кривошипного механизма такова, что часть силы, прикладываемой к поршню, расходуется на прижатие поршня к стенкам цилиндра. И не смотря на качественную обработку поверхностей, как цилиндра, так и поршня, даже при наличии смазки, возникает достаточно большая сила трения. Как известно из школьного курса физики, при этом выделяется большое количество тепла.

Но в основном тепло, воздействующее на поршень, появляется при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Температура сгоревших в цилиндре газов может достигать 2000º - 2500ºС. Под воздействием таких высоких температур разрушаются все конструкционные материалы, из которых изготавливаются детали современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней. Общее количество тепла, выделенное во время работы двигателя, зависит от количества сгоревшего в цилиндрах двигателя топлива за единицу времени. А этот показатель, в свою очередь зависит от объёма цилиндров и от скорости вращения двигателя. Двигатель превращает в полезную механическую работу только небольшую часть энергии сгоревшего топлива. Некоторая часть тепла выводится из двигателя с горячими отработавшими газами остальноё тепло необходимо рассеять в окружающем пространств.

Опять вспоминая школьный курс физики можно сказать, что если два тела имеют разную температуру, но тепло от более нагретого тела перемещается к менее нагретому телу, пока температура обоих тел не сравняется.

В автомобиле самым холодным телом, способным абсорбировать большое количество тепла, является окружающий воздух, следовательно, необходимо найти способ отвода тепла от нагретых деталей двигателя к окружающему воздуху. Поскольку весь земной шар всё равно не согреешь, можно считать, что окружающая среда способна абсорбировать любое количество тепла.

Самая горячая часть поршня это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами. Далее тепло распространяется от днища поршня в направлении юбки.

Распределение температуры поршня

Тепло от поршня отводится тремя способами:

1. Основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя.
2. Часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя.
3. Часть тепла отводится от поршня холодной топливовоздушной смесью поступающей в цилиндры двигателя.

1. Отвод тепла чрез поршневые кольца и юбку поршня.

Ясно, что подвести охлаждающую жидкость, циркулирующую в системе охлаждения к поршню невозможно, поскольку поршень во время работы двигателя перемещается с большой скоростью. Но система охлаждения двигателя интенсивно охлаждает стенки цилиндров двигателя. Поэтому необходимо сконструировать поршень и поршневые кольца так, чтобы он излишнее тепло чрез поршневые кольца и юбку передавал стенкам цилиндра двигателя. Далее исправная система охлаждения двигателя выведет тепло их двигателя и передаст его окружающему автомобиль воздуху.

Если это не сделать, то температура поршня превысит максимально допустимую, после чего начнётся разрушение поршня под воздействием механических нагрузок и даже его оплавление под воздействием высокой температуры. Без необходимого отвода тепла поршень, сделанный из алюминиевого сплава расплавится всего через несколько минут работы двигателя.

Отвод тепла от поршня

Отвод тепла от поршня

1. Поступление тепла к поршню от рабочих газов, находящихся в цилиндре двигателя
2. Охлаждение поршня поступающей топливовоздушной смесью
3. Отвод тепла поршневыми кольцами (50% - 70%)
4. Отвод тепла юбкой поршня
   (20% - 30%)
5. Отвод тепла через внутреннюю полость поршня (5% - 10%)
6. Отвод тепла через поршневой палец и шатун
7. Охлаждающая жидкость рубашки охлаждения

Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 50% - 60% отводится поршневыми кольцами, это накладывает очень высокие требования к конструкции и точности изготовления поршневых колец. Некоторая часть тепла отводится во внутренне пространство поршня и рассеивается во внутреннем пространстве картера или через поршневой палец передаётся на шатун и тоже рассеивается во внутреннем пространстве картера двигателя.

Отвод тепла от поршня через поршневые кольца

Отвод тепла поршневыми кольцами

1. Камера сгорания
2. Стенка цилиндра
3. Рубашка охлаждения
4. Поршень
5. Первое компрессионное кольцо
6. Второе компрессионное кольцо
7. Маслосъёмное кольцо

Поскольку самой горячей частью поршня является его днище, являющейся одной из стенок камеры сгорания, тепло перемещается от верхней части поршня к нижней. При этом из всего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 45% отводится первым компрессионным кольцом, по причине того, что это кольцо всего ближе расположено к самой горячей части поршня, 20% отводится вторым компрессионным кольцом и только 5% отводится маслосъёмным кольцом.

Тепло, переданное поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра, отводится системой охлаждения двигателя. Поэтому исправность системы охлаждения оказывает больное воздействие на тепловой режим поршня. Увеличение температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения на 5º - 6ºС, увеличивает температуру поршня на 10ºС. При неисправности системы охлаждения первое что разрушается в двигателе это поршень. У поршня или прогорает днище или поршень заклинивается в цилиндре.

2. Отвод тепла при помощи масла системы смазки двигателя

Поскольку многие внутренние детали картера двигателя смазываются распылением масла, масляный туман постоянно присутствует в картере двигателя. Соприкасаясь с горячими частями поршня или стенок цилиндра, масло забирает от них тепло и, осаждаясь в масляный поддон, переносит туда тепло. Обычно в таких системах при помощи масла от поршня отводилось не более 5% - 10% тепла. Но в последнее время в высоконагруженных двигателях, особенно в дизельных, масло системы смазки стало широко использоваться для охлаждения деталей, имеющих наибольшую тепловую нагрузку. Масло для охлаждения поршня может подаваться к поршню двумя способами.

Первый способ – через специальный масляный канал, просверленный в стержне шатуна. В этом случае в шатуне имеется специальное отверстие, через которое масло разбрызгивается на внутреннюю стенку днища поршня.

Второй способ – в нижней части картера устанавливаются масляные форсунки, которые под давлением распыляют масло во внутренней полости поршня, или впрыскивают его в специальный кольцевой охлаждающий канал, расположенный в головке поршня. Для отбора от поршня большего количества тепла масляный канал имеет волнообразную форму.

В этом случае при помощи масла может от поршня отводиться от 30 до 50% тепла. В результате при разбрызгивании масла на внутреннюю стенку днища поршня удаётся снизит температуру днища поршня на 15 – 20ºС, а при организованной циркуляции масла в поршне, температуру днища поршня можно снизить на 25 – 35ºС.

Масло, охлаждающие поршни и другие детали сильно нагревается. При нагреве масло разжижается и теряет свои смазывающие свойства. По этой причине возникает угроза заклинивания коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.

В таком случае система смазки двигателя имеет специальный охладитель масла, теплообменник которого передаёт тепло от масла жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя. Далее это тепло при помощи радиатора системы охлаждения рассеивается в окружающем автомобиль воздухе.

Охлаждение поршня маслом

Охлаждение поршня маслом

Масляная форсунка, установленная в нижней части гильзы цилиндра, разбрызгивает мало из системы смазки двигателя на внутреннюю сторону днища поршня. Масло отбирает тепло от днища поршня и стекает в масляный поддон двигателя, где происходит его охлаждение.

Масляные форсунки - двигатель V8

Масляные форсунки, предназначенные для охлаждения днища поршня разбрызгиванием, двигателя V 8.

Поршень - охлаждение маслом

Поршень с масляным каналом

На этих рисунках показан поршень современного дизельного двигателя 2.0 TDI мощностью 103 кВт концерна VOLKSWAGEN. Масляная форсунка впрыскивает масло в охлаждающий канал поршня. По охлаждающему каналу масло проходит через головку поршня, охлаждая его, выходит из охлаждающего канала поршня с другой стороны и стекает в масляный поддон двигателя.

3. Охлаждение поршня холодной топливовоздушной смесью.

Вообще поршень любого двигателя частично охлаждается топливовоздушной смесью. Причем чем богаче смесь, там больше она может забрать энергии от поршня. Но по причинам топливной экономичности и экологии современные двигатели часто работают на обеднённой смеси. Современные электронные системы управления двигателя для избежания детонационного сгорания на некоторых режимах работы двигателя немного переобогащают смесь, за счёт чего несколько снижается температура поршня.

Конструкция поршня

Вид наиболее распространённого поршня

Типичный поршень

1. Днище поршня
2. Головка поршня
3. Юбка поршня
4. Выемка для противовесов коленчатого вала
5. Отверстие поршневого пальца
6. Канавка стопорного кольца
7. Бобышка поршня
8. Отверстие для отвода масла из канавки маслосъёмного кольца
9. Отверстие для отвода масла ниже маслосъёмного кольца
10. Канавка маслосъёмного кольца
11. Канавка второго компрессионного кольца
12. Канавка первого компрессионного кольца
13. Метки направления установки поршня
14. Метки группы диаметра поршня

Вид поршня современного форсированного двигателя

Поршеньфорсированного двигателя

1. Днище поршня
2. Выемки клапанов
3. Вытеснитель
4. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
5. Канавка верхнего компрессионного кольца
6. Вторая перегородка
7. Третья перегородка
8. Канавка маслосъёмного кольца
9. Отверстие для отвода масла из канавки компрессионного кольца
10. Юбка поршня с антифрикционным покрытием
11. Бобышка отверстия поршневого пальца
12. Отверстие поршневого пальца
13. Проточка под стопорное кольцо поршневого пальца
14. Канавка аккумулирования газов

На первый взгляд в конструкции поршня нет ничего сложного, поршень очень похож просто на перевёрнутый стакан. Но, учитывая, что к поршню предъявляются очень высокие и часто противоречивые требования, поршень является одной из наиболее трудных в конструировании и изготовлении деталей двигателя.

В зависимости от конструкции двигателя, формы его камеры сгорания, расположения клапанов днище, и другие части поршня, могут иметь различную форму.

Форма днища поршня

Некоторые примеры различных типов поршней

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

Поршень с плоским днищем

Поршень с плоским днищем

Поршень с плоским днищем и выемками для клапанов

Поршень с плоским днищем и с выемками клапанов. Этот двигатель имеет четыре клапана на цилиндр.

Поршень с углублённым днищем и с выемками под четыре клапана. Для уменьшения сил трения на поверхность юбки поршня нанесено антифрикционное покрытие.

Поршень бензинового двигателя

Поршень современного бензинового двигателя с графитовым антифрикционным покрытием на юбке.

Поршень дизельного двигателя

Поршень современного дизельного двигателя

1. Масляный охлаждающий канал
2. Камера сгорания в днище поршня
3. Днище поршня
4. Стальное кольцо для канавки первого компрессионного кольца
5. Первое компрессионное кольцо
6. Второе компрессионное кольцо
7. Маслосъёмное кольцо
8. Масляная форсунка
9. Отверстие в головке шатуна для подвода масла к поршневому пальцу
10. Шатун
11. Поршневой палец
12. Стопорное кольцо поршневого пальца
13. Третья перегородка поршневых колец
14. Вторая перегородка поршневых колец
15. Верхняя перегородка поршневых колец (жаровой пояс)

Камера сгорания находится непосредственно в днище поршня.

Поршень - канавки аккумуляции газов и лабиринтные канавки

1 – Канавка аккумуляции газов на второй перегородке

2 – Лабиринтные канавки на верхней перегородке

Юбка современного поршня

Направляющая часть поршня (юбка) современного двигателя сохранила только упорные поверхности.

Некоторые современные двигатели имеют поршни с очень необычной формой днища. Например, поршни бензиновых двигателей с непосредственным впрыском. Во время работы двигателя при послойном смесеобразовании, за счёт специально подобранной формы днища поршень двигаясь вверх на такте сжатия поршень, направляет богатую часть топливовоздушной смеси на свечу зажигания. При этом в остальной части камеры сгорания может находиться очень бедная смесь.

Поршень двигателя с непосредственным впрыском топлива автомобиля VOLKSWAGEN с системой управления двигателя FSI

Поршень системы FSI

FSI - Направление потока смеси

Очень своеобразную форму имеют поршни двигателей автомобиля VOLKSWAGEN с расположением цилиндров VR и W . У этих двигателей днище поршня в одной плоскости не перпендикулярно оси поршня. Но все остальные детали поршня ось поршневого пальца и канавки поршневых колец строго перпендикулярны оси поршня.

Порщень RV-образного двигателя

Ранее отмечалось, во время работы двигателя поршень совершает возвратно поступательные движения с большой средней скоростью и с очень высокими знакопеременными ускорениями, следовательно, для уменьшения сил инерции конструктор должен стремиться сделать поршень, как и все остальные детали, совершающие возвратно-поступательное движение, как можно легче. Способов это сделать всего два, это применение материалов и низким удельным весом, и уменьшения общего количества материала, то есть удаление излишнего материала. Но удаление излишнего материала снижает прочность конструкции, чем деталь массивней, тем легче обеспечить её жесткость и теплоёмкость. Крайне не желательно деформация формы поршня под воздействием механических и температурных нагрузок.

Во время работы двигателя поршень контактирует с другими деталями, стенками цилиндра, поршневыми кольцами и поршневым пальцем. Для обеспечения эффективной работы двигателя необходимо обеспечит точные зазоры между всеми этими деталями. Но все эти детали изготавливаются из различных материалов и, соответственно, имеют различные коэффициенты температурного расширения. Поршень конструируется так, что после прогрева двигателя до нормальной рабочей температуры все зазоры между движущимися деталями были минимальными и соответствовали расчётным.

Вообще наружная форма и размеры поршня должны соответствовать форме цилиндра. При изготовлении стремятся придать отверстию цилиндра строгие геометрические формы. Но, например, неправильная затяжка болтов крепления головки блока цилиндров, может сильно исказить первоначальную форму отверстия цилиндра. Поэтому, при ремонте двигателя всегда строго соблюдайте рекомендованные моменты затяжки всех резьбовых соединений.

Наружная форма поршня конструируется так, чтобы после прогрева двигателя поршень приобрёл форму строго цилиндра, поэтому при изготовлении поршня в его форму умышленно вносятся некоторые искажения, которые устраняются по мере прогрева двигателя. На холодном двигателе зазор между поршнем и стенками цилиндра увеличен. При прогреве двигателя до нормальной рабочей температуры тепловые зазоры между стенками цилиндра и поршнем уменьшаются и начинают соответствовать норме. Вот почему так важно поддерживать необходимую рабочую температуру двигателя.

Структура поршня

Поршень состоит из трёх основных частей:

1. Днище поршня
2. Головка поршня
3. Юбка поршня

Днище поршня предназначено для восприятия усилия давления газов. Головка поршня обеспечивает герметизацию подвижного соединения поршня и стенок цилиндров за счёт установленных на головку поршня поршневых колец.

Для установки поршневых колец в головке поршня делаются специальные канавки. В верхние канавки современных поршней вставляются компрессионные кольца, а нижняя канавка предназначена для установки маслосъёмного кольца. В канавке маслосъёмного кольца делаются сквозные отверстия, через которые излишнее масло отводится во внутреннюю полость поршня.

Часть поршня, расположенная ниже нижнего кольца называется юбкой поршня. Юбка поршня, иногда её называют тронковая или направляющая часть поршня, предназначена для удержания поршня в правильном направлении и восприятия боковых нагрузок. То есть юбка является направляющим элементом поршня.

Очень важным параметром поршня является высота головки поршня относительно оси поршневого пальца (4). Иногда различные модификации двигателя имеют различную степень сжатия. В производстве легче всего изменить степень сжатия изменением высоты головки поршня.

При конструировании двигателя, для уменьшения сил инерции, конструкторы стремятся сделать поршень как можно легче. Но сделать все стенки поршня одинаковой толщины не удастся. Днище поршня, для восприятия больших нагрузок, всегда делается толще, чем стенки юбки. Но и юбка в различных местах имеет различную толщину. В местах бобышек под поршневой палец юбка имеет значительное утолщение, а, учитывая то, что различные части поршня имеют различную температуру, можно предположить, что при нагреве в разных местах поршень расширяется не одинаково. Поскольку во время рабаты двигателя головка поршня имеет более высокую температуру, следовательно, расширяется больше юбки поршня, головка поршня имеет несколько меньший диаметр по сравнению с юбкой поршня.

Под воздействием тепловых деформаций поршня, сложенных с боковыми усилиями, действующими на поршень в перпендикулярно оси поршневого пальца, цилиндрический поршень может приобрети овальную форму. Для устранения этого явления поршень изначально делается овальным, но в противоположном направлении, по мере прогрева двигателя поршень, под воздействием боковых сил, приобретает круглую форму. Малая ось овала совпадает с направлением оси поршневого вала, а большая ось овала совпадает с направлением действующих на поршень боковых сил.

Овальность поршня

Овальность поршня

Но кроме овальности наружная поверхность поршня имеет некоторую конусность. Поршни современного двигателя, кроме овальности, по высоте имеют бочкообразную форму. Поэтому, поршень, кажущийся на первый взгляд простым цилиндром, имеет довольно сложную форму.

Сложная форма поршня

На этом рисунке даны отклонения диаметра поршня от номинального размера. Зелёная линия показывает отклонения от номинального диаметра на различной высоте поршня со стороны торцов поршневого пальца, а розовая линия показывает отклонение номинального размера со стороны упорных поверхностей поршня. Ширина жёлтой зоны показывает овальность поршня на различной высоте.

Подбор точной наружной формы поршня очень трудная инженерная задача. В самом начале развития двигателестроения форма поршня подбиралась только опытным способом. Установив опытный поршнь в двигатель, двигатель нагружали различными нагрузками. После проведения необходимых испытаний поршень снимался и в местах, подвергшихся наибольшему износу, удалялась некоторая часть металла, и после этого проводился следующий цикл испытаний. Ели в результате излишне снятого металла поршень разрушался, толщину стенок или форму поршня изменяли и заново производили полный цикл испытаний. В результате продолжительных испытаний добивались наилучшей формы поршня для данного двигателя. По мере накопления опыта точная форма поршня стала определяться расчётным способом. Но даже сейчас, когда специальная компьютерная программа, может прочитать оптимальную форму поршня быстро, с высокой степью точности и с учётом всех, воздействующих на поршень температурных и механических факторов, проводится обязательное испытание поршней под различной нагрузкой.

Другим способом терморегулирования поршня, то есть направленное изменение формы поршня под воздействием температуры является вплавление в алюминиевое тело стальных термостабилизирующих пластин. Термостбилизирующие пластины, при полном прогреве поршня, позволяют снизить радиальное расширение поршня приблизительно в два раза по сравнению с поршнем, полностью изготовленным из алюминиевого сплава.

Термостбилизирующие пластины или кольца являются очень эффективным средством управления расширения поршня в необходимом направлении. Правда эти элементы имеют большое ограничение они могут быть вставлены только в литые поршни, но нет возможности установки этих элементов в современные кованные поршни.

Как преднамеренные изменения формы поршня, так и вставка в поршень термостабилизирующих стальных пластин предназначены для обеспечения стабильного минимального теплового зазора между поршнем (юбкой поршня) и стеками цилиндра. Обычно тепловой зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра автомобильного двигателя лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм.

Боковые силы, приложенные к поршню

Боковые силы, действующие на поршень

Во время работы двигателя шатун постоянно, кроме положения поршня в ВМТ и НМТ находится под некоторым углом к оси цилиндра, причем этот угол постоянно изменяется. Поэтому сила, приложенная к поршневому пальцу, раскладывается на две. Одна сила действует в направлении шатуна, а вторая сила действует в направлении перпендикулярном оси цилиндра. Эта сила прижимает поршень к стенке цилиндра.

При движении поршня вверх на такте сжатия сжимаемый воздух оказывает сопротивление перемещению поршня. Часть это силы прижимает поршень к правой стенке цилиндра, если смотреть со стороны передней части двигателя.

Во время рабочего хода расширяющиеся газы с большой силой давят на поршень. Часть этой силы расходуется на прижатие поршня к левой стенке цилиндра. Не стоит думать, что эти силы незначительны. Боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра приблизительно равна 10% - 12% процентов, от силы, действующей в направлении оси цилиндра. Ранее упоминалось, что во время работы двигателя на днище поршня среднего легкового автомобиля действует сила в несколько тонн, следовательно, сила, прижимающая поршень к боковой стенке может быть равна нескольким сотням килограмм. Поскольку сила, действующая на поршень во время рабочего хода в направлении оси цилиндра значительно выше, силы, действующей на поршень во время такта сжатия, поверхность, к которой прижимается поршень, во время такта рабочего хода, называется основной упорной поверхностью.

Из всего сказанного вытекает, что при прохождении поршнем ВМТ между тактами сжатия и рабочего хода происходит перемещение поршня от вспомогательной упорной поверхности к основной. Поскольку на поршень действуют большие силы, а все процессы в двигателе происходят очень быстро, перемещение поршня происходи в форме удара. Для уменьшения силы удара при перекладке поршня ось поршневого пальца (вернее ось отверстия в бобышках поршня под поршневой палец) смещена в сторону основной упорной поверхности.

Перекладывание поршня

При движении поршня вверх на такте сжатия, давление сжимаемого воздуха оказываемого на днище поршня преобразуется в силу, направленную перпендикулярно днищу поршня. Поскольку шатун находится под некоторым углом к оси поршня, возникает нормальная сила, прижимающая поршень к вспомогательной упорной поверхности (2).

Сила, возникающая в результате воздействия давления, равна произведению давления, умноженного на площадь, на которую действует давление. Поскольку ось поршневого пальца смещена в сторону основной упорной поверхности (1), площадь правой половины поршня стала несколько больше площади левой половины. В результате чего сила, действующая на правую половину поршня, будет больше силы, действующей на левую половину поршня. Поэтому, когда поршень остановится в ВМТ, в результате разности этих сил, нижняя часть поршня переместится к основной упорной поверхности. А как только давление в камере сгорания начнёт увеличиваться, произойдёт полная перекладка поршня к основной упорной поверхности. Это позволяет произвести перекладку поршня без ударных нагрузок. При движении поршня в низ, при изменении угла шатуна к оси цилиндра и возрастания давления в цилиндре поршень оказывает давление на основную упорную поверхность (1).

Обычно смещение оси поршневого пальцы относительно оси поршня в автомобильных двигателях лежит в диапазоне 1,0 – 2,5 мм.

Учитывая имеющиеся смещения оси поршневого пальца, поршень допускается устанавливать только в одном направлении. Неправильна установка поршня приведёт к появлению ударных звуков во время работы двигателя. Обычно на днище поршня имеется метка, указывающая правильное направление установки поршня. Перед ремонтом двигателя тщательно изучите руководство по ремонту.

Е.Н. Жарцов