Пути поршня в двигателе

Поршень двигателя: конструктивные особенности

Поршень двигателя представляет собой деталь, имеющую цилиндрическую форму и совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Он принадлежит к числу наиболее характерных для двигателя деталей, поскольку реализация термодинамического процесса, происходящего в ДВС, происходит именно при его помощи. Поршень:

Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней

Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:

Поршни могут быть:

Конструктивные особенности поршня определяются его предназначением

Основными условиями, определяющими конструкцию поршня, являются тип двигателя и форма камеры сгорания, особенности процесса сгорания, проходящего в ней. Конструктивно поршень представляет собой цельный элемент, состоящий из:

Отличается ли поршень бензинового двигателя от дизельного? Поверхности головок поршней двигателей бензинового и дизельного конструктивно отличаются. В бензиновом двигателе поверхность головки — плоская или близкая к ней. Иногда в ней выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Для поршней двигателей, оборудованных системой непосредственного впрыска топлива (СНВТ), свойственна более сложная форма. Головка поршня в дизельном двигателе значительно отличается от бензинового, — благодаря выполнению в ней камеры сгорания заданной формы, обеспечивается лучшее завихрение и смесеобразование.

Поршневые кольца: виды и состав

Уплотняющая часть поршня включает в себя поршневые кольца, обеспечивающие плотность соединения поршня с цилиндром. Техническое состояние двигателя определяется его уплотняющей способностью. Зависимости от типа и предназначения двигателя выбирается число колец и их расположение. Наиболее распространенной схемой является схема из двух компрессионных и одного маслосъемного колец.

Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:

На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.

Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной, что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической. Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена. Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.

Состав поршневой группы

Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.

Отвод излишков тепла от поршня

Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:

Видео про четырёхтактный двигатель — принцип работы:

Источник

Принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания. Основные понятия

В настоящее время на ТС применяются в основном четырехтактные поршневые ДВС.

Одноцилиндровый двигатель (рис. а) содержит следующие основные детали: цилиндр 4, картер 2, поршень 6, шатун 3, коленчатый вал 1 и маховик 14. Одним своим концом шатун соединяется шарнирно с поршнем при помощи поршневого пальца 5, а другим концом — также шарнирно с кривошипом коленчатого вала.

При вращении коленчатого вала происходит возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. За один оборот коленчатого вала поршень совершает по одному ходу вниз и вверх. Изменение направления движения поршня происходит в мертвых точках — верхней (ВМТ) и нижней (НМТ).

Верхней мертвой точкой называется самое удаленное от коленчатого вала положение поршня (крайнее верхнее при вертикальном расположении двигателя), а нижней мертвой точкой — самое близкое к коленчатому валу положение поршня (крайнее нижнее при вертикальном расположении двигателя).

Рис. Принципиальная схема (а) одноцилиндрового четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания и его схема (б) для определения параметров:
1 — коленчатый вал; 2 — картер; 3 — шатун; 4 — цилиндр; 5 — поршневой палец; 6 — поршень; 7 — впускной клапан; 8 — впускной трубопровод; 9 — распределительный вал; 10 — свеча зажигания (бензиновые и газовые двигатели) или топливная форсунка (дизели); 11 — выпускной трубопровод; 12 — выпускной, клапан; 13 — поршневые кольца; 14 — маховик; D — диаметр цилиндра; r — радиус кривошипа; S — ход поршня

Расстояние S (рис. б) между ВМТ и НМТ называется ходом поршня. Его рассчитывают по формуле:

S = 2r,
где r — радиус кривошипа коленчатого вала.

Ходом поршня и диаметром цилиндра D определяются основные размеры двигателя. В транспортных двигателях отношение S/D составляет 0,7 —1,5. При S/D 1 — длинноходным.

При перемещении поршня вниз из ВМТ в НМТ объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем цилиндра над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при его перемещении из ВМТ в НМТ, называется рабочим. Сумма рабочих объемов всех цилиндров представляет собой рабочий объем двигателя. Выраженный в литрах, он называется литражом двигателя. Полный объем цилиндра определяется суммой его рабочего объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ.

Важной характеристикой двигателя является степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступивший в цилиндр заряд (воздух или топливо-воздушная смесь) при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия составляет 6 — 14, а у дизелей — 14 — 24. Принятая степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Работа поршневого ДВС основана на использовании давления на поршень газов, образующихся при сгорании в цилиндре смесей топлива и воздуха. В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания 10, а в дизелях — вследствие сжатия. Различают понятия горючей и рабочей смесей. Горючая смесь состоит из топлива и чистого воздуха, а рабочая включает в себя также оставшиеся в цилиндре отработавшие газы.

Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех процессов, каждый из которых происходит за один ход поршня (такт), или пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала. Следует отметить, что в общем случае понятия «рабочий процесс» и «такт» не являются синонимами, хотя для четырехтактного поршневого двигателя они практически совпадают.

Рассмотрим рабочий цикл бензинового двигателя.

Первый такт рабочего цикла — впуск. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ, при этом впускной клапан 7 открыт, а выпускной 12 закрыт, и горючая смесь под действием разрежения поступает в цилиндр. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается, и цилиндр оказывается заполненным рабочей смесью. У большинства бензиновых двигателей горючая смесь формируется вне цилиндра (в карбюраторе или впускном трубопроводе 8).

Следующий такт — сжатие. Поршень перемещается обратно из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. Это необходимо для ее более быстрого и полного сгорания. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия зависит от свойств применяемого бензина, и в первую очередь от его антидетонационной стойкости, характеризуемой октановым числом (у бензинов оно составляет 76 — 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топлива. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может произойти детонационное (в результате сжатия) воспламенение смеси и нарушиться нормальная работа двигателя. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8… 1,2 МПа, а температура достигает 450…500°С.

За тактом сжатия следует расширение (рабочий ход), когда поршень из ВМТ перемещается обратно вниз. В начале этого такта, даже с некоторым опережением, горючая смесь воспламеняется от свечи зажигания 10. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Смесь сгорает очень быстро с выделением большого количества теплоты. Давление в цилиндре резко возрастает, и поршень перемещается до ЦМТ, приводя во вращение через шатун 3 коленчатый вал 1. В момент сгорания смеси температура в цилиндре повышается до 1800… 2 000 °С, а давление — до 2,5…3,0 МПа.

Последний такт рабочего цикла — выпуск. В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь вверх от НМТ к ВМТ, выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной трубопровод 11. Затем рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл дизеля имеет некоторые отличия от рассмотренного цикла бензинового двигателя. При такте впуска по трубопроводу 8 в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который во время следующего такта сжимается. В конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство — форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, под большим давлением впрыскивается дизельное топливо в мелкораспыленном состоянии. Соприкасаясь с воздухом, имеющим вследствие сжатия высокую температуру, частицы топлива быстро сгорают. Выделяется большое количество теплоты, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700…2000 °С, а давление — до 7…8 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается вниз — происходит рабочий ход. Такты выпуска у дизеля и бензинового двигателя аналогичны.

Для того чтобы рабочий цикл в двигателе происходил правильно, необходимо согласовать моменты открытия и закрытия его клапанов с частотой вращения коленчатого вала. Это осуществляется следующим образом. Коленчатый вал с помощью зубчатой, цепной или ременной передачи приводит во вращение еще один вал двигателя — распределительный 9, который должен вращаться вдвое медленнее коленчатого. На распределительном валу имеются профилированные выступы (кулачки), которые непосредственно или через промежуточные детали (толкатели, штанги, коромысла) перемещают впускные и выпускные клапаны. За два оборота коленчатого вала каждый клапан, впускной и выпускной, открывается и закрывается только один раз: во время такта впуска и выпуска соответственно.

Читайте также:  Ремонт стекол для автомобилей

Уплотнение между поршнем и цилиндром, а также удаление со стенок цилиндра излишнего масла обеспечивают специальные поршневые кольца 13.

Коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается неравномерно: с ускорением во время рабочего хода и замедлением при остальных, вспомогательных тактах (впуск, сжатие и выпуск). Для повышения равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают массивный диск — маховик 14, который во время рабочего хода накапливает кинетическую энергию, а в течение остальных тактов отдает ее, продолжая вращаться по инерции.

Однако несмотря на наличие маховика, коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается недостаточно равномерно. В моменты воспламенения рабочей смеси картеру двигателя передаются значительные толчки, что быстро выводит из строя сам двигатель и детали его крепления. Поэтому одноцилиндровые двигатели применяются редко, в основном на двухколесных ТС. На других машинах устанавливают многоцилиндровые двигатели, которые обеспечивают более равномерное вращение коленчатого вала за счет того, что рабочий ход поршня в разных цилиндрах совершается неодновременно. Наиболее широкое распространение получили четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели, хотя на некоторых ТС используются также трех- и пятицилиндровые.

Многоцилиндровые двигатели обычно имеют рядное или V-образное расположение цилиндров. В первом случае цилиндры установлены в одну линию, а во втором — в два ряда под некоторым углом друг к другу. Этот угол для различных конструкций составляет 60… 120°; у четырех- и шестицилиндровых двигателей он обычно равен 90°. По сравнению с рядными V-образные двигатели такой же мощности имеют меньшую длину, высоту и массу. Нумерация цилиндров производится последовательно: сначала с передней части (носка) нумеруются цилиндры правой (по ходу движения машины) половины двигателя, а затем, также начиная с передней части, левой половины.

Равномерная работа многоцилиндрового двигателя достигается в том случае, если чередование рабочего хода в его цилиндрах происходит через равные углы поворота коленчатого вала. Угловой интервал, через который будут равномерно повторяться одноименные такты в разных цилиндрах, можно определить делением 720° (угол поворота коленчатого вала, при котором совершается полный рабочий цикл) на число цилиндров двигателя. Например, у восьмицилиндрового двигателя угловой интервал равен 90°.

Последовательность чередования одноименных тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. Порядок работы должен быть таким, чтобы в наибольшей степени уменьшить отрицательное влияние на работу двигателя инерционных сил и моментов, возникающих из-за того, что поршни движутся в цилиндрах неравномерно и их ускорение меняется по величине и направлению. У четырехцилиндровых рядных и V-образных двигателей порядок работы может быть такой: 1 — 2 — 4 — 3 или 1 — 3 — 4—2, у шестицилиндровых рядных и V-образных двигателей — соответственно 1 — 5—3 — 6 — 2—4 и 1 — 4 — 2 — 5 — 3 — 6, а у восьмицилиндровых V-образных двигателей — 1 — 5 — 4 — 2— 6 — 3 — 7 — 8.

С целью более эффективного использования рабочего объема цилиндров и повышения их мощности в некоторых конструкциях поршневых двигателей осуществляют наддув воздуха с соответствующим увеличением количества впрыскиваемого топлива. Для обеспечения наддува, т. е. создания на входе в цилиндр избыточного давления, чаще всего применяют газотурбинные компрессоры (турбокомпрессоры). В этом случае для нагнетания воздуха используется энергия отработавших газов, которые, выходя с большой скоростью из цилиндров, вращают турбинное колесо турбокомпрессора, установленное на одном валу с насосным колесом. Кроме турбокомпрессоров применяют также механические нагнетатели, рабочие органы которых (насосные колеса) приводятся во вращение от коленчатого вала двигателя с помощью механической передачи.

Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью (бензиновые двигатели) или чистым воздухом (дизели), а также более полной их очистки от отработавших газов клапаны должны открываться и закрываться не в моменты нахождения поршней в ВМТ и НМТ, а с некоторым опережением или запаздыванием. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах через углы поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ, называются фазами газораспределения и могут быть представлены в виде круговой диаграммы.

Впускной клапан начинает открываться во время такта выпуска предыдущего рабочего цикла, когда поршень еще не достиг ВМТ. В это время отработавшие газы выходят через выпускной трубопровод я вследствие инерции потока увлекают за собой из открывшегося впускного трубопровода частицы свежего заряда, которые начинают наполнять цилиндр даже при отсутствии разрежения в нем. К моменту прихода поршня в ВМТ и началу его движения вниз впускной клапан уже открыт на значительную величину, и цилиндр быстро наполняется свежим зарядом. Угол а опережения открытия впускного клапана у различных двигателей колеблется в пределах 9…33°. Впускной клапан закроется тогда, когда поршень пройдет НМТ и начнет двигаться вверх на такте сжатия. До этого времени свежий заряд заполняет цилиндр по инерции. Угол р запаздывания закрытия впускного клапана зависит от модели двигателя и составляет 40… 85°.

Рис. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя:
а — угол опережения открытия впускного клапана; р — угол запаздывания закрытия впускного клапана; у — угол опережения открытия выпускного клапана; б — угол запаздывания закрытия выпускного клапана

Выпускной клапан открывается во время рабочего хода, когда поршень еще не достиг НМТ. При этом работа поршня, необходимая для вытеснения отработавших газов, уменьшается, компенсируя некоторую потерю работы газов из-за раннего открытия выпускного клапана. Угол Y опережения открытия выпускного клапана составляет 40…70°. Выпускной клапан закрывается несколько позднее прихода поршня в ВМТ, т. е. во время такта впуска следующего рабочего цикла. Когда поршень начнет опускаться, оставшиеся газы по инерции еще будут выходить из цилиндра. Угол 5 запаздывания закрытия выпускного клапана составляет 9… 50°.

Угол а + 5, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие того что этот угол и зазоры между клапанами и их седлами в данном случае малы, утечки заряда из цилиндра практически нет. Кроме того, наполнение цилиндра свежим зарядом улучшается за счет большой скорости потока отработавших газов через выпускной клапан.

Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и продолжительность открытия клапанов должны быть тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя. Это связано с тем, что у быстроходных двигателей все процессы газообмена происходят быстрее, а инерция заряда и отработавших газов не изменяется.

Рис. Принципиальная схема газотурбинного двигателя:
1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина компрессора; 4 — силовая турбина; М — вращающий момент, передаваемый к трансмиссии машины

Принцип действия газотурбинного двигателя (ГТД) поясняет рисунок. Воздух из атмосферы засасывается компрессором 2, сжимается в нем и подается в камеру сгорания 2, куда также подается топливо через форсунку. В этой камере происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают р турбину компрессору 3, где часть их энергии затрачивается на приведение в действие компрессора, нагнетающего воздух. Оставшаяся часть энергии газов преобразуется в механическую работу вращения свободной или силовой турбины 4, которая через редуктор связана с трансмиссией машины. При этом в турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления от максимального значения (в камере сгорания) до атмосферного.

Рабочие части ГТД в отличие от аналогичных элементов поршневого двигателя постоянно подвергаются воздействию высокой температуры. Поэтому для ее снижения в камеру сгорания ГТД необходимо подавать значительно больше воздуха, чем это требуется для процесса сгорания.

Источник

Пути поршня в двигателе

Хочешь, не хочешь, а охлаждай.
Хочешь – дуй, хочешь – плюй, но студи.
Хочешь жить – охлаждай.

Одна из самых таинственных и, несомненно, значимых деталей автомобильного двигателя – его величество поршень. Действительно, он занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую, а затем в механическую. И в прямом, и в переносном смысле. И от того, насколько хорошо он справляется с возложенными на него обязанностями, в значительной степени зависят характеристики мотора. Его эффективность и, что более важно, надежность. Особенно когда мы говорим о спортивном применении или модификации автомобиля в тюнинговом ателье.

Вопрос о применении специальных поршней в случае повышения мощности всегда встает перед конструктором. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое привилегированное положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов.

Чаще всего они пользуются услугами фирм, которые специализируются в этой области. Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему столь много тайн, секретов и небылиц распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла. А так как это еще и технологически сложно, практически неисполнимо в условиях стандартного машиностроительного производства, то проблема подгонки, т. е. соответствия поршня требованиям модифицированного мотора, становится камнем преткновения для многих тюнинговых компаний и спортивных конюшен. Кроме того, штучное производство столь сложных изделий финансово обременительно. В этой ситуации часто интуитивные представления тюнера о том, что «улучшенный» двигатель должен иметь «улучшенные» поршни, приводит к тому, что сначала двигатель оснащается чем-то доступным, а потом такое решение находит свое наукообразное обоснование.

Так давайте попробуем разобраться, какие требования предъявляются к поршням и что от чего зависит. Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра. Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ. В‑третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие. В‑четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Читайте также:  Правильный прогрев двигателя тойота

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можно разделить на две большие группы. Первая – это тепловые процессы. Вторая, значительно более многообразная – механические. Обе группы взаимовлияющие, но в этот раз мы остановимся на тепловых.

Итак, топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Из курса общей физики известно, что если два тела передают друг другу тепло, то передача тепла будет происходить до тех пор, пока их температуры не уравняются. Следовательно, если мы не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это принципиально важный момент для понимания условий работы поршневой группы. А особенно важно, если мотор форсируется. Всегда, когда мы заставляем мотор увеличить мощность, пропорционально увеличивается количество тепла, генерируемое в камере сгорания в единицу времени. Конечно, расплавленные поршни мы видим чрезвычайно редко, однако в любых их проблемах всегда незримо присутствует температура. Примерно так же, как в любом дорожно-транспортном происшествии – скорость. Виноват, конечно, водитель, но.… Если бы автомобили не двигались, никто бы не пострадал. Дело в том, что с ростом температуры механические характеристики всех материалов ухудшаются. Поэтому нагрузка, которая при 100 градусах Цельсия вызывает упругую деформацию материала, при 300 градусах деформирует изделие, а при 450 разрушит его. Поэтому мы должны или принимать меры по предотвращению роста температуры поршня, или использовать материалы, способные выдержать рабочие нагрузки при высоких температурах. Чаще всего и то и другое. Однако в любом случае конструкция поршня должна быть такова, чтобы в нужных местах было необходимое количество металла, способное противостоять разрушению.

Еще раз повторим известный из курса общей физики факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается. Нам известно, что наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что, в конце концов, тепло будет передано окружающему автомобиль воздуху – самому холодному и в то же время при определенном допущении бесконечно теплоемкому. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, студит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Нам осталось найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути. Они совершенно разные по своему вкладу, однако все заслуживают упоминания, так как в зависимости от конструктивных особенностей двигателя имеют большее или меньшее значение.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это также наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50 % теплового потока. Второй путь менее очевиден, однако трудно его недооценить. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем и слабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40 %.

Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выхода из строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя. Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности. И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, а следовательно, и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя.

Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит, во-первых, импульсный характер, во-вторых, отличается скоротечностью, в‑третьих, пропорционален последующему нагреву и, в‑четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Здесь следует упомянуть о стандартном приеме, который используется при настройке спортивных моторов. Дело в том, что теплоемкость смеси сильно зависит от ее состава. Чем больше топлива в ней содержится, тем больше тепла будет потрачено на его испарение. Очень часто, чтобы нормализовать работу мотора, нужно чуть-чуть, всего на 5 – 10 градусов, понизить внутреннюю температуру. Это достигается легким переобогащением смеси, чуть богаче, чем необходимо. На процесс горения это никак не сказывается, а температура падает. Исчезает калильное зажигание, отодвигается порог детонации. Всегда лучше чуть богаче, чем беднее. Моторы, работающие, например, на метаноле, значительно менее требовательны к системе охлаждения из-за втрое большей теплоты парообразования, чем у бензина.

Таким образом, в силу большей значимости следует уделить более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Совершенно понятно, что если этот путь мы по тем или иным причинам перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

Тут я хочу упомянуть такую, на первый взгляд, совершенно не относящуюся к процессу теплообмена характеристику, как компрессия. О компрессии знает каждый человек, хоть раз сталкивавшийся с покупкой подержанного автомобиля. Это наиболее популярный параметр, который хочет знать каждый владелец автомобиля, заботящийся о двигателе своей машины. Компрессия косвенно показывает степень неплотности поршневой группы. С точки зрения теплопередачи это очень важный параметр. Давайте представим себе, что кольцо не прилегает по всей своей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это почти то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Еще более страшная картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Именно поэтому всегда уделяется так много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки. И не ухудшение энергетики здесь главная причина. Ведь небольшое количество газов, прорывающихся в картер, несет в себе слишком малую энергию, чтобы повлиять на потерю давления в такте рабочего хода и, как следствие, на потерю момента двигателем.

Тем более, когда мы говорим о высокооборотном моторе. Гораздо больший вред даже небольшая неплотность наносит двигателю в смысле локальных тепловых перегрузок, потери жесткости и надежности. Вот еще почему не живут долго двигатели, восстановленные методом замены колец или перегильзовкой блока под старые, отжившие свой век «номинальные» поршни. Вот почему первым у спортивного мотора разрушается цилиндр, имеющий меньшую компрессию.

Тут, вероятно, необходимо коснуться вопроса, который всегда обсуждается при изготовлении специальных поршней для спортивных или тюнинговых приложений. Сколько колец будет у нового поршня? Два? Три? Какой толщины должны быть кольца? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс. И чем быстроходней мотор, тем жестче становятся рамки.

Скоротечность процессов диктует меньшие требования к уплотнению. Растущие со скоростью механические потери необходимо уменьшать, иначе все, что преобразовали в механическую мощность, не донесем до колес. Однако и количество тепла в единицу времени вырабатываем пропорционально больше, мостик для охлаждения требуется как можно шире. Вот и нужно одновременно чтобы кольца были и узкие, и широкие. И нужно их два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора. А результаты его работы – в сбалансированности двигателя.

В настоящее время инженерами, работающими в мощных производственных компаниях и научных центрах, накоплен огромный эмпирический материал и на его основе созданы расчетные методы, позволяющие с большой точностью предсказать поле температур и характеристики конкретного изделия. Большинству тюнинговых компаний и спортивных конюшен они недоступны. Автору, к сожалению, тоже. Эта статья намеренно не содержит конкретных значений многих величин, которые позволили бы некоторым читателям взяться за калькуляторы. Тепловые расчеты на пальцах – бесперспективное занятие. Ее задача – показать ту сторону процессов, происходящих в двигателе, которая всегда подразумевается, но никогда всерьез не рассматривается. Я хотел только проявить качественные связи и объяснить важность и необходимость в своей работе учитывать влияние его величества тепла.

Как мы выяснили, значение поршня для эффективности двигателя трудно переоценить. В силу особого положения поршневая группа также очень важный элемент в смысле надежности мотора. Поэтому наше дальнейшее рассмотрение механических аспектов конструкции поршней ДВС построим в таком же порядке. Каждое положение будем оценивать с точки зрения влияния на механические потери и на способность противостоять механическим нагрузкам.

Читайте также:  Повысить мощность двигателя мтз

Для начала неплохо бы представить, чего в принципе мы ожидаем от идеального поршня. Какой он, этот стойкий оловянный солдатик? Ну, конечно же, несгибаемый. Как бы мы его ни гнули, толкали, мяли, бросали из жара в холод, он всегда должен оставаться одинаковым. Одинаковым с большой точностью. Наш герой находится в плотном строю сопряженных с ним деталей. Это кольца, поршневой палец, цилиндр. Если механические нагрузки будут столь велики, что канавки деформируются и поршневые кольца потеряют подвижность, тогда работа мотора будет нарушена. Если поршневой палец окажется зажатым в отверстиях бобышек, скорее всего, поршень разрушится. Если зазор от стенок цилиндра вдруг станет большим, мы потеряем ориентацию, а если маленьким – размажем поршень по стенкам. А силы действуют на него немалые. Максимальное давление в камере сгорания у высокофорсированных моторов достигает величины 100 атмосфер. Усилие, с которым поршень толкают газы, измеряется тоннами. Максимальная скорость, с которой он перемещается в быстроходном моторе, достигает 120 км/час. При этом 200 раз в секунду тормозится до полной остановки.

Идеальный поршень в таких жестоких условиях должен быть абсолютно жестким, т. е. никак не менять свою форму. Тепловые нагрузки не должны его деформировать. Его вес должен быть близок к нулю. Износ от контакта с сопряженными деталями должен отсутствовать. В первой части статьи мы определили характеристики, связанные с тепловыми процессами в двигателе. Совершенно понятно, что нет в природе материалов. отвечающих веем этим требованиям. Прежде чем остановиться на материалах, из которых изготавливают поршни, попробуем понять, почему такие требования предъявляются к поршням. Пожалуй, одним из главных показателей качества работы поршневой группы являются механические потери, которые неизбежны во время движения. Для того чтобы преодолевать силы трения, препятствующие движению, часть механической энергии, полученной от рабочего тела, будет потеряна на нагрев. Доля этих потерь, приходящаяся на поршневую группу в общих механических затратах двигателя, весьма высока. Она порой превышает 50 % от общих потерь в двигателе.

Существенным моментом для понимания важности вопроса является тот факт, что желание многих тюнеров увеличить рабочие обороты мотора и за счет газодинамики (доработка сечений каналов, формы камеры сгорания, фаз газораспределения) получить большую мощность при высоком вращающем моменте в широком диапазоне скорости вращения упирается в растущие механические потери. Значительная часть сил сопротивления растет линейно со скоростью, а следовательно, потерянная мощность растет в квадратной зависимости. Если не приняты меры по снижению механических потерь, то все старания могут быть напрасны. Неизбежен тот момент, когда вся механическая энергия будет потрачена на себя любимого и колеса вращать будет просто нечем. Поэтому подход к поршневой группе как к линейному подшипнику скольжения имеет первостепенное значение в конструкции поршня. Конечно, главный вклад в сопротивление движению вносят поршневые кольца, которые в силу их функций должны быть плотно прижаты к стенкам цилиндра. Однако роль поршня состоит в том, чтобы кольца все время были правильно ориентированы и была обеспечена их работоспособность. Также совершенно справедливое желание конструктора не допустить сухого контакта тела поршня с гильзой цилиндра диктует жесткие требования к его геометрии. Дело втом, что, как и и любом подшипнике скольжения, роль разделительного слоя здесь играет масло, препятствующее контакту металлических поверхностей. А точнее, масляный клин, образующийся в зазоре при движении деталей. Высокое давление в масляном клине, способное противодействовать прижимающим силам, может существовать только в зазорах, исчисляемых тысячными долями миллиметра. Величина силы пропорциональна площади, на которую масляный клин давит. Поэтому так важно во время работы сохранять параллельность поверхности юбки поршня стенкам цилиндра с такой сумасшедшей точностью. Совершенно понятно, что не допускается никакой шишковатости, иначе возникнут локальные контакты, которые станут генераторами тепла и приведут к развитию неблагоприятных процессов по всей поверхности. Не забудем еще и о поршневом пальце, которому необходимо создать условия качающегося подшипника скольжения с его стабильными зазорами, исчисляемыми тем же крохотными величинами.

В случае идеального поршня, описанного нами ранее, сказочного «несгибаемого оловянного солдатика», все более-менее понятно. Каким мы его получим после механической обработки, таким он и будет всегда, при любых условиях его работы. Тогда мы заранее с большой точностью можем придать ему нужные формы. А как быть с реальными материалами? Которые от механических нагрузок изгибаются. От температуры распухают. От разностенности коробятся. От неоднородности материала покрываются буграми и шишками. Нет другого пути, как при изготовлении придать ему такие формы, которые учтут все искажения, возникающие при реальных нагрузках во время работы. Именно поэтому поршень имеет такую сложную форму. По высоте он бочкообразный, потому что неравномерный нагрев вызывает большее расширение там, где температура выше. В сечении он овальный, так как механические нагрузки застаыяют поршень «обвисать» на пальце, как лист бумаги, лежащий на карандаше. Причем в каждом сечении и овальность, и бочкообразность имеют свою величину.

Очевиден тот факт, что величины деформации зависят от толщины металла, образующего стенки поршня. Понятно, что увеличение толщины повысит сопротивляемость нагрузкам и облегчит жизнь конструктору. Однако рост массы неизбежно приведет к увеличению инерционных сил, которые испортят жизнь всему кривошипно-шатунному механизму. Тут, как и в любом другом случае, вопрос оптимизации требует от конструктора разрешения.

Так как же, в конце концов, находится выход из трудного положения? Почему все-таки автомобильные двигатели уверенно прогрессируют в сторону их высокооборотности? Каким образом находятся способы разрешения этих противоречий? На заре моторостроения просто изготавливался поршень совершенно цилиндрической формы и двигатель запускали. Давали ему поработать, не доводя мотор до разрушения, и разбирали. Следы контакта с гильзой устраняли механической обработкой и повторяли эксперимент, увеличивая нагрузку. Затем снова обрабатывали места контакта и снова нагружали. Если выявлялись слабые места, которые надо усилить, изготавливали новый поршень со скорректированными толщинами стенок.

Повторялось это многократно до тех пор пока двигатель с полной нагрузкой не начинал работать стабильно и поршень признавался удовлетворительным. В современном мире с хорошей точностью можно расчетными методами проектировать геометрию вновь создаваемых поршней. Последующие за расчетами испытания приводят, как правило, к корректировке, однако количество экспериментов несравнимо уменьшается. Тем не менее, подогнанный под условия работы поршень нельзя считать абсолютно соответствующим предъявляемым требованиям. Ведь величины деформаций, которые компенсируются предварительно заданной формой, зависят и от теплового режима, и от величины сил, на него действующих. Так как автомобильный двигатель многорежимный, эксплуатируемый в широком диапазоне нагрузок и температур, скорее всего, поршень будет хорош только для некоторого диапазона условий работы. Это одна из проблем автомобильных двигателей в целом. В серийном производстве, как правило, на базе одного мотора одновременно выпускается целое семейство разных агрегатов, предназначенных для разных целей. А выпуск новых автомобилей, требующих новых двигателей, часто сопровождается модификацией уже отработанных конструкций с целью удовлетворить новым требованиям.

Известны факты, когда низ мотора, включающий блок цилиндров и коленчатый вал с его подшипниками, практически без изменений стоял на конвейере десятилетиями, переходя из одного кузова в другой. Даже более того, применялся и для бензиновых, и для дизельных моторов одновременно. Поршневые группы, как более зависимые от назначения двигателя, почти всегда подвергались модификации. Именно поэтому в номенклатуре производителей поршней такое большое разнообразие их форм. Именно поэтому, когда мы хотим получить от серийного двигателя больше мощности, будь то его тюнинговый вариант или, более того, спортивный, необходимо сознавать, что, скорее всего, серийный поршень не будет соответствовать новым предъявляемым к нему требованиям. Или мы получим дополнительные потери, которых можно было бы избежать, или съедим весь запас надежности. Наверное, и то и другое одновременно. Случай применения дополнительного наддува или окислителя, такого, как закись азота, точно так же создает новые условия работы поршневой группы.

Существенным моментом в конструкции, как мы выяснили, является материал, из которого поршень изготовлен. Свойства материала определяют характеристики изделия и его конструкцию. Автомобильные поршни изготавливаются преимущественно из алюминиевых сплавов, реже из чугуна. Чугун, обладая рядом таких приятных качеств, как низкий коэффициент линейного расширения, равный по величине материалу гильзы цилиндра, высокая термостойкость, высокая прочность, отличные подшипниковые свойства, в настоящее время практически не применяется.

Основной параметр, по которому бракуется поршень, – износ канавок колец. Как правило, к этому сроку и форма, и размер канавки как минимум первого кольца за пределами допуска. Существенным обстоятельством не только износа, но и эффективности мотора является геометрия и состояние поверхности цилиндра. Во-первых, искажение цилиндричности точно так же влияет, как и неверная форма поршня в смысле сохранения зазоров в паре поршень – цилиндр. Наиболее вероятными причинами нарушения формы являются напряжения в блоке от крепежных элементов головки и КПП. Также важна микрогеометрия, г. е. глубина и форма хоновой сетки. Фирма Mahle, ведущий производитель поршней в Европе, считает, что преждевременный износ моторов, прошедших капитальный ремонт, в 80 % случаев является следствием именно неправильного микрорельефа поверхности.

В заключение хочу сказать, что в данной статье я показал только некоторые аспекты функционирования поршневой группы. Я исходил из предположения, что читатель не является профессиональным двигателистом, однако интересуется работой мотора и тюнинг – его стиль жизни. Поэтому тут не затронуты многие вопросы, которые всегда стоят перед конструктором нового двигателя. Здесь только небольшое обобщение тех тем, которые по инициативе клиентов тюнингового подразделения компании «Дилижанс» и автоспортсменов обсуждались в различные периоды нашей деятельности.

Источник