Всё про поршни двигателя машины

Расскажем про автомобильные поршни двигателя внутреннего сгорания - что это такое и основное назначение. Как работают и какие требования к ним.

Что это такое

Поршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра двигателя авто. Нужен для изменения давления газа в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. Т.е. он передаёт на шатун усилие, возникающее от давления газов и обеспечивает протекание всех тактов рабочего цикла.

Он имеет вид перевёрнутого стакана и состоит из днища, головки, направляющей части (юбки).

В бензиновых моторах применяются поршни с плоским днищем из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. Хотя на современных авто делают специальные выемки под клапаны. Чтобы при обрыве ремня ГРМ поршни и клапана не встретились и не повлекли серьёзный ремонт.

Днище поршня дизеля делают с выемкой, которая зависит от степени смесеобразования и расположения клапанов, форсунок. При такой форме днища лучше перемешивается воздух с поступающим в цилиндр топливом.

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

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

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

Требования к поршню мотора

  • Поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Он должен быть устойчивым к высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
  • Отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и износ.
  • Испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, должен выдерживать механическое воздействие.
  • Совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Как работает

Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель. То, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.

Повторим известный факт - тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым.

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

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

Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит и отдает в поддон картера значительную часть тепла от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%.

Но нагружая масло функцией теплоносителя, должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла способно перенести.

Третий путь. Часть тепла отбирает на нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Но тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Этот путь охлаждения носит импульсный характер. Отличается скоротечностью и высокоэффективен, т.к. тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Следует уделить внимание передаче тепла через поршневые кольца. Если этот путь перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

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

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

Сколько колец нужно для поршня

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