Запчасти и расходники

Устройство автомобильного поршня

Сергей Василенков от 6-05-2022, 10:35 Просмотров: 335 3

Электрокары постепенно обретают популярность. Даже в России появляются первые заправки для автомобилей Tesla. Но эксперты Организации стран — экспортеров нефти (ОПЕК) считают, что к 2045 году количество машин с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) составит не менее 76 % от мирового автопарка. Доля «зеленых» транспортных средств не превысит 24 % от общей массы. В статье пойдет речь о главной детали бензиновых и дизельных моторов. Информация о том, из чего состоит поршень, поможет сделать выбор в пользу чугуна или алюминия. Будет рассмотрена конструкция и принцип работы этой незаменимой детали.

Что такое поршень

Как выглядит поршеньКак выглядит поршень
Внешний вид поршня

Поршень — металлический полый цилиндр с заглушкой на одной стороне, который перемещается вверх и вниз по герметичной камере или трубе. Во время своего движения, поршень сжимает топливовоздушную смесь (ТВС) и способствует ее воспламенению. Не важно, что используется в качестве горючего. Это может быть бензин, солярка или газ. Если взять в качестве иллюстрации медицинский шприц, то подвижную часть можно сравнить с поршнем, а корпус похож на гильзу цилиндра.

В центре детали есть отверстие, в котором находится поршневой палец, соединенный с шатуном. А тот, в свою очередь, закреплен на коленчатом валу. Гладкое скольжение обеспечивают фрикционные вкладыши.

Устройство

Из чего состоит поршеньИз чего состоит поршень
Строение детали

Фактически поршень — монолитная конструкция. Но можно выделить три зоны: днище, уплотняющая и направляющая части. Детали изготавливают по технологиям литья или штамповки. Первый вариант подходит для серийного производства, когда машина используется в качестве городского транспорта. Второй предназначен для тюнинга. Штампованные или кованые поршни выдерживают большую нагрузку в составе форсированных двигателей. Им не страшны высокие температуры, вибрация и трение. Теперь следует дать характеристику каждой функциональной зоны детали.

Днище

Варианты исполнения днищ поршнейВарианты исполнения днищ поршней
Формы днищ

Это часть, напрямую взаимодействующая с камерой сгорания. Ее форма и конструктивные особенности зависят от типа силового агрегата. Бывают поршни с плоским, выпуклым, фасонным или вогнутым днищем. В некоторых деталях камера сгорания находится внутри поршня. Большую распространенность получили элементы с плоским днищем. Их повсеместно используют для производства бензиновых и дизельных моторов.

Вогнутые поршни устанавливают на дизельные ДВС. Подобная форма помогает эффективно сжимать топливовоздушную смесь. Это увеличивает коэффициент полезного действия (КПД). У формы есть недостаток. По мере эксплуатации на поверхности остается много нагара. Это может привести к детонации. Выпуклое днище не обеспечивает полного сгорания ТВС, поэтому продукты горения откладываются на поршне.

Чтобы поршень не прогорел, его днище покрывают слоем керамики с толщиной 8-12 мкм. Подобное напыление выполняют в тюнинг-ателье.
Днище — зона с экстремальными температурными нагрузками. 
Предотвратить преждевременное разрушение помогает большая толщина: от 10 до 16 мм в дизельных моторах, 11 мм в турбированных и 7-9 мм в обычных бензиновых. Инженеры пытаются решить проблему перегрева, меняя конструктивные особенности зоны. Представителям концерна Honda удалось довести толщину днища до 5,5-6 мм.

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть поршняУплотняющая часть поршня
Участок с уплотнительными и маслосъемными кольцами

По всей окружности поршня ниже днища проделаны канавки для установки уплотнителей. В большинстве моторов предусмотрено конструкцией два компрессионных кольца и одно маслосъемное. Первые обеспечивают нужный уровень сжатия ТВС, а второе убирает излишки масла с зеркала цилиндра, не дает смазке проникнуть в камеру сгорания. В канавках маслосъемных колец есть отверстия, сквозь которые масло попадает на внутреннюю часть юбки, а потом стекает в поддон.

Главная задача компрессионных колец — предотвратить проникновение выхлопных газов в картер силового агрегата. Если они выработали свой ресурс, уровень компрессии снижается, что приводит к увеличению давления в системе смазки. В результате масло проникает в охлаждающую жидкость (ОЖ). При таком раскладе могут выйти из строя все элементы цилиндро-поршневой группы (ЦПГ).

Диаметр уплотняющей части меньше, чем аналогичный показатель направляющей зоны. Благодаря подобному решению маслосъемные и компрессионные кольца не перегреваются во время работы.

Канавка верхнего компрессионного кольца окантована стальной вставкой. Это помогает выдержать высокую температурную и динамическую нагрузку.

Направляющая часть

Направляющая частьНаправляющая часть
Юбка поршня

Эту зону называют тронковой, направляющей частью или юбкой. Именно здесь находится сквозное отверстие для установки поршневого пальца — втулки, на которую надевают шатун. Чтобы фрикционный участок не перегревался во время работы силового агрегата, рядом с бобышками делают выемки. В результате место соединения поршня и шатуна получает защиту от высокой температуры.

Между направляющей частью поршня и гильзой цилиндра есть тепловой зазор. Он компенсирует расширение металла во время нагрева ЦПГ. Если свободное пространство слишком большое, появляется неприятный стук. Маленькое расстояние тоже не добавляет движку живучести. В таком случае на зеркале гильзы образуются задиры, а поршень заклинивает внутри цилиндра.

Производители автомобилей стремятся улучшить эксплуатационные характеристики поршней. Для этого на внешнюю поверхность юбки наносят антифрикционное покрытие. Оно обеспечивает скольжение с минимальной силой трения. В результате ресурс ДВС увеличивается.

Материалы

Поршень состоит из трех зон. Каждая из них решает свою задачу. Характеристики детали зависят от материала, из которого она изготовлена. Вот какие ключевые показатели нужны для устойчивой работы мотора:

  1. Минимальный коэффициент линейного расширения.
  2. Устойчивость к возникновению коррозии.
  3. Достойная теплостойкость.
  4. Механическая прочность.
  5. Низкая плотность.

При массовом выпуске производители автомобилей стараются снизить себестоимость продукции. Поэтому цена металла тоже имеет значение. Показатели, близкие к оптимальным, обеспечивают сплавы алюминия с кремнием и чугун. Для сборки мощных моторов дизельного типа используют комбинированные поршни. Их днища и уплотняющие части изготавливают из стали, а юбки из чугуна.

Алюминиевый сплав

Поршень, состоящий из алюминиевого сплава Поршень, состоящий из алюминиевого сплава
Поршень из алюминиевого сплава

Сплав алюминия с кремнием называют силумином. Из него изготавливают большую часть поршней для ДВС. Кремния должно быть не менее 13 % в составе. Иначе прочность детали резко снизится. Контрафактные запчасти вовсе делают из чистого алюминия. Силумин с большим содержанием кремния обеспечивает долгий срок службы поршня, но увеличивает показатели твердости сплава. Жесткий металл может оставить задиры на зеркале цилиндра. Чтобы этого не произошло, поверхность детали покрывают оловом. Пластичный слой помогает пройти обкатку без лишних проблем.

К плюсам алюминиевого сплава можно отнести высокий уровень теплопроводности. Днище поршня не нагревается выше 250 °C, что повышает степень сжатия ТВС и коэффициент наполнения на бензиновых моторах. Второе преимущество — низкая масса. Деталь из силумина весит на 30 % меньше чугунного аналога.

Не обошлось без минусов. Излишняя пластичность при нагреве приводит к тому, что прочность сплава при 300 °C падает на 55 %. Чугун в подобной ситуации теряет лишь 10 % прочности. Следующий недостаток — большой коэффициент линейного расширения. С ростом температуры металл сильно увеличивается в размерах, при остывании обретает изначальную форму. Конструкторы для компенсации негативного эффекта точно вычисляют размеры тепловых зазоров.

Чугун

Поршень, состоящий из чугунаПоршень, состоящий из чугуна
Поршень из чугуна

Несмотря на дешевизну материала, производители двигателей обходят чугун стороной. На рынке мало поршней, которые состоят из чугуна. Причиной тому стала большая масса готового изделия и низкая теплопроводность. Детали нужно слишком много времени на охлаждение. Все же чугунные запасные части используют в составе моторов грузовых машин. Металл довольно надежен и не теряет эксплуатационные характеристики на протяжении долгих лет. При таких условиях можно смириться с недостатками.

В качестве плюсов материала можно назвать прочность и жаростойкость. Даже в экстремальных условиях при сильном нагреве поршень теряет всего 10 % от изначальной прочности. Еще одно преимущество — низкий коэффициент температурного расширения. Это значит, что чугун минимально увеличивается в размерах во время выхода силового агрегата на максимальную мощность. У металла хорошие антифрикционные свойства. Это снижает силу трения.

Есть и минусы. Главный из них состоит в том, что днище может нагреться до 400 °C в процессе эксплуатации. Это недопустимая цифра для бензиновых двигателей. Горячий поршень может стать причиной появления калильного зажигания. Поэтому металл используют лишь в производстве деталей для дизельных силовых агрегатов.

Функции поршня

Фазы работы четырехтактного двигателяФазы работы четырехтактного двигателя
Такты ДВС

Основная задача поршня состоит в том, чтобы преобразовывать тепловую энергию в прямолинейное движение. На фазе рабочего хода сила детонации заставляет коленчатый вал вращаться. Понятно, что без кривошипно-шатунного механизма (КШМ) машина не сдвинется с места. Но есть ряд других важных функций:

  1. Герметизация камеры сгорания для создания нормального давления и воспламенения ТВС.
  2. Рассеивание тепла, которое распространяется по цилиндру после детонации топливовоздушной смеси.
  3. Облегчение выхода газов из камеры сгорания. Это происходит во время такта выпуска.
  4. Создание опорной поверхности для эффективного сжатия ТВС и преобразования энергий.
  5. Блокирование «заброса» масла в камеру сгорания и прорыва выхлопных газов в картер.

Поршень состоит из днища, уплотняющей и направляющей частей. Первая зона сжимает топливо-воздушную смесь, вторая обеспечивает герметизацию, а третья предназначена для установки крепления шатуна и гладкого скольжения внутри гильзы цилиндра. Детали изготавливают из алюминиевого сплава и чугуна. Встречаются комбинированные варианты.

Похожие публикации


Отличия дизелей от бензиновых моторов. Особенности качественного топлива для дизельных моторов Потребность людей в транспортном средстве приобрела актуальные черты уже достаточно давно. Первым появился паровой вид мотора, позже были разработаны двигатели с системой внутреннего сгорания. Чаще всего использовался бензин, но постепенно начал становиться популярным дизельный вид топлива. В

Комментарии0

Комментариев к статье "Устройство автомобильного поршня" пока нет.

Добавить комментарий