Що таке поршень двигуна? Основне призначення

249

Поршень займає центральне місце в процесі перетворення хімічної енергії палива в теплову і механічну. Поговоримо про поршні двигуна внутрішнього згоряння, що це таке і основне призначення в роботі.

Що таке поршень двигуна?

Поршень двигуна — це деталь циліндричної форми, що робить зворотно-поступальний рух всередині циліндра і служить для перетворення зміни тиску газу, пари або рідини в механічну роботу, або навпаки — зворотно-поступального руху в зміну тиску.

Спочатку поршні для автомобільних двигунів внутрішнього згоряння відливали з чавуну. З розвитком технологій стали використовувати алюміній для виготовлення поршнів, т. к. він давав наступні переваги: зростання оборотів і потужності, менші навантаження на деталі, кращу тепловіддачу.

З тих пір потужність моторів зросла багаторазово, температура і тиск в циліндрах сучасних автомобільних двигунів (особливо дизельних моторів) стали такими, що алюміній підійшов до межі своєї міцності. Тому в останні роки подібні мотори оснащуються сталевими поршнями, які впевнено витримують збільшені навантаження. Вони легше алюмінієвих за рахунок більш тонких стінок і меншою компресійної висоти, тобто відстані від днища до осі алюмінієвого пальця. А ще сталеві литі поршні не, а збірні.


Крім іншого, зменшення вертикальних габаритів поршня при незмінному блоці циліндрів дає можливість подовжити шатуни. Це дозволить знизити бічні навантаження в парі “поршень-циліндр, що позитивно позначиться на витрату палива, ресурс двигуна. Або, не змінюючи шатунів і коленвала, можна вкоротити блок циліндрів і таким чином полегшити двигун.

Вимоги до поршням двигуна

По-перше, поршень, переміщаючись в циліндрі, дозволяє розширюватися стисненим газам, продукту горіння палива, і здійснювати механічну роботу. Отже, він повинен чинити опір високій температурі, тиску газів і надійно ущільнювати канал циліндра.

По-друге, представляючи собою разом з циліндром і поршневими кільцями лінійний підшипник ковзання, він повинен найкращим чином відповідати вимогам пари тертя з метою мінімізувати механічні втрати і, як наслідок, знос.

По-третє, відчуваючи навантаження з боку камери згорання і реакцію від шатуна, він повинен витримувати механічний вплив.

По-четверте, здійснюючи зворотно-поступальний рух з високою швидкістю, повинен якомога менше навантажувати кривошипно-шатунний механізм інерційними силами.

Основне призначення поршнів в роботі двигуна

Паливо, згораючи в надпоршневом просторі, виділяє величезну кількість тепла в кожному циклі роботи двигуна. Температура згорілих газів досягає 2000 градусів. Лише частину своєї енергії вони передадуть рухомих деталей мотора, все інше у вигляді тепла нагріє двигун, а те, що залишиться, разом з відпрацьованими газами вилетить в трубу. Отже, якщо ми не будемо охолоджувати поршень, він через деякий час розплавиться. Це важливий момент для розуміння умов роботи поршневої групи.

поршень двигателя

Ще раз повторимо відомий факт, що тепловий потік направлений від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. Тоді ми зможемо побачити розподіл температур по поршню під час його роботи і визначити важливі конструктивні моменти, що впливають на його температуру, тобто зрозуміти, за рахунок чого він охолоджується.

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

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

Другий шлях менш очевидний. Друга охолоджуюча рідина в двигуні – масло. Маючи безпосередній доступ до найбільш нагрітих місць двигуна, масляний туман забирає з собою і віддає в піддон картера значну частину тепла саме від самих гарячих точок. У разі застосування масляних форсунок, що направляють струмінь на внутрішню поверхню днища поршня, частка олії в теплообміні може досягати 30 – 40%. Зрозуміло, що, навантажуючи масло більшою мірою функцією теплоносія, ми повинні подбати, щоб його остудити. Інакше перегріте масло може втратити свої властивості. Також, чим вище температура масла, тим менше тепла воно здатне перенести через себе.

Третій шлях – через масивні бобишки в палець, потім в шатун, а звідти в масло. Він менш цікавий, так як на шляху є суттєві теплові опору у вигляді зазорів і сталевих деталей, що мають значну протяжність і низький коефіцієнт теплопровідності.

Четвертий шлях. Частина тепла відбирає на свій нагрівання свіжа топливовоздушная суміш, що надійшла в циліндр. Кількість свіжої суміші та кількість тепла, яке вона відбере, залежить від режиму роботи і ступеня відкриття дроселя. Треба зауважити, що тепло, отримане при згорянні, також пропорційно заряду. Тому цей шлях охолодження носить імпульсний характер; відрізняється скоротечностью і високоефективний завдяки тому, що тепло відбирається з тієї сторони, з якої поршень нагрівається.

В силу більшої значущості слід приділити більш пильну увагу передачу тепла через поршневі кільця. Абсолютно зрозуміло, що якщо цей шлях ми перекриємо, то малоймовірно, що двигун витримає скільки-небудь тривалі форсовані режими. Температура зросте, матеріал поршня «попливе», і двигун зруйнується.

Тут хочу згадати таку характеристику, як компресія. Давайте уявимо, що кільце не прилягає по всій своїй довжині до стінки циліндра. Тоді згорілі гази, прориваючись в щілину, створять бар’єр, що перешкоджає передачі тепла від поршня через кільце в стінку циліндра. Це те ж саме, як якщо б ми закрили частину радіатора і позбавили його можливості охолоджуватися повітрям.

Більш страшна картина, якщо кільце не має тісного контакту з канавкою. У тих місцях, де гази мають можливість проходити повз кільця через канавку, ділянка поршня позбавляється принципової можливості охолоджуватися і, навіть більше того, виявляється в «тепловому мішку». Як результат – прогар і викришування частини вогневого пояси, прилеглої до місця витоку. Тому завжди приділяється багато уваги геометрії циліндра, кільця і зносу канавки.

Скільки кілець буде у нового поршня? З точки зору механіки, чим менше кілець, тим краще. Чим вони вже, тим менше втрати в поршневій групі. Однак при зменшенні їх кількості та висоти ми неминуче погіршуємо умови охолодження поршня, збільшуючи тепловий опір днище – кільце – стінка циліндра. Тому вибір конструкції – завжди компроміс.

Потрібно, щоб кільця були і вузькі та широкі. І два для швидкохідності і три для ефективного охолодження поршня. Вирішення цієї задачі – суть компетентність конструктора.