Поршень двигуна внутрішнього згоряння - легка справа
Поршень займає ключове місце в перетворенні енергії згоряння палива в механічну роботу двигуна. Також важлива його друга функція - нагнітання тиску за рахунок зворотного руху. Від того наскільки добре працює поршень, багато в чому залежить стан усього двигуна. Основними якостями поршня вважаються ефективність і надійність. Дуже невелика кількість компаній, які виробляють двигуни, самостійно займаються розробкою і виготовленням поршнів. Через безліч чинників і двоїстої природи поршня, його виготовлення є однією з найскладніших завдань сучасного машинобудування. Навколо цієї невеликої деталі ходить величезна кількість розмов і суперечок. Спробуємо розібратися в цьому питанні.
Пристрій і принцип роботи
За зовнішнім виглядом поршень являє собою металевий порожнистий склянку, розташований догори дном.
Спрощено можна виділити наступні частини поршня: головку. на якій знаходиться днище поршня, а на бічних стінках - концентричні проточки-канавки під поршневі кільця і спідницю. в нижній частині якої розташовані спеціальні приливи, які називаються бобишками. У бобишках зроблено отвір для поршневого пальця.
Як працює поршень?
Коли з інжектора або карбюратора в циліндр потрапляє паливна суміш, то вона стискається днищем поршня і підпалюється розрядом від системи запалювання. Утворені гази мають більший обсяг, ніж первісна суміш, і, розширюючись, рухають поршень вниз.
В головці є нарізані канавки, в яких розміщуються поршневі кільця. Компресійні кільця (верхні) не пропускають гази в картер двигуна, а маслознімні кільця (нижні) видаляють надлишки масла на внутрішніх стінках циліндра двигуна. У спідниці поршня розміщені дві бобишки, які забезпечують розміщення поршневого пальця, що з'єднує поршень з верхньою частиною шатуна. Шатун закріплений на кривошипному механізмі колінчастого вала. При русі поршня він обертає колінвал. Крутний момент переходить на трансмісію, а потім на провідні колеса.
Розрізняють увігнуту, опуклу і плоску форму днища. При увігнутою формі камера згоряння найбільш функціональна, але сильно виражений процес відкладення нагару. При опуклою формою зростає міцність поршня, але погіршується характеристики згоряння.
Ще вчора при створенні поршнів використовувався чавун. Він відрізняється високою механічною міцністю і зносостійкість. Поршні з чавуну мають велику вагу, що обмежує сферу застосування тихохідними двигунами. Низька теплопровідність - це ще одна причина повсюдного відмови від цього матеріалу. На зміну чавуну прийшов алюміній. Він легкий, має високу теплопровідність і низьким коефіцієнтом тертя. Основний недолік таких поршнів відбувається з самої природи алюмінію. В результаті нагрівання істотно падає механічна міцність виробу.
Поршень - це одна з найбільш завантажених деталей двигуна. Перерахую лише головні завдання, які постають перед конструкторами.
1. Збільшення терміну життя поршня.
2. Захист поршня від нагрівання. При нагріванні поршень розширюється, причому розширюється нерівномірно. У кращому випадку це призводить до підвищеного зносу, а в гіршому - до заклинювання двигуна. Тому поршня надають особливу овально-конусну форму, щоб при нагріванні його фігура наблизилася до циліндричної.
3. Зменшення ваги поршня. Чим легше буде поршень, тим менше будуть втрати на тертя, вище потужність і обороти двигуна.
Стандартний поршень для двигуна автомобіля відливають з алюмінієвого сплаву з приєднанням кремнію. Для того щоб зменшити температурну деформацію, в тіло поршня заливають термокомпенсирующих вставки зі сталі. Але всередині заготовки часто залишаються порожнечі або з'являються тріщини. Тому з'явилися ковані або штамповані поршні. Штампування зусиллям в 250 тонн при температурі 500 градусів дозволяє зробити поршень набагато більш міцним, надійним і зносостійким. Основний недолік такого методу - це неможливість створення термокомпенсирующих вставок.
Можливі дефекти поршня
Варто звернути увагу на найбільш поширені дефекти поршнів.
1. Пошкодження верхньої половини поршня внаслідок занадто високої температури згоряння або відсутності охолодження поршня крізь масляні канали в ньому.
2. Задири на поршні через нестачу мастила в системі «поршень-циліндр». До цього може призвести і деформація циліндра через підвищену температуру.
3. Задири і пошкодження спідниці поршня виникають через перегрів при недостатній циркуляції охолоджуючої рідини.
4. Поломка або неправильний монтаж стопорних кілець призводить до несоосности поршневого пальця і коленвала. Як наслідок, ерозія спідниці поршня.
Наука, як усім відомо, не стоїть на місці. Постійно виникають нові рішення, покликані знизити теплові втрати пари «поршень-циліндр». Передові матеріали, на кшталт заевтектичних сплавів з рівнем кремнію більше 14%, відкривають нові перспективи виробництва поршнів.
Складні і оригінальні конструкції дозволяють значно скинути вагу. Можна тримати руку на пульсі часу, але неможливо передбачити, яким шляхом піде розвиток поршня.