ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ: ФУНКЦИИ, КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПОЛОМКИ

AutoBlogCar.Ru – Полезные статьи для автолюбителей | https://autoblogcar.ru/engine/

Добрый день, сегодня мы узнаем, что называется автомобильным поршнем двигателя, каково его основное предназначение и принцип работы, а также, из каких материалов изготавливаются эти ключевые компоненты любой силовой установки. Кроме того, расскажем про то, какие требования на современном этапе предъявляются к поршням двигателя и какими конструкторскими особенностями обладают данные детали силовой установки. В заключении поговорим о том, в совокупности с какими узлами двигателя функционируют поршни и каковы их технические характеристики, а также, какую роль играют эти незаменимые элементы мотора транспортного средства.

Итак, что же такое автомобильный поршень двигателя и какую роль он играет в силовой установке? Поршнем двигателя называется специальная деталь цилиндрической формы, которая осуществляет возвратно-поступательные движения внутри рабочей области цилиндра и служит для преобразования топливно-воздушной смеси с целью изменения давления (газа, пара, жидкости) и превращение его в механическую работу. Другими словами, поршень силовой установки совершает возвратно-поступательные движения для изменения показателя давления в цилиндре. Таким образом, можно уверенно утверждать, что поршень занимает центральное место в процессе преобразования топлива в механическую энергию. Чтобы понимать, каков принцип работы поршня двигателя, необходимо знать его назначение и задачи, которые он выполняет в процессе функционирования силовой установки. Этот вопрос мы подробно разберем в нашей статье, чтобы получить исчерпывающее понятие о поршне и его роли в системе двигателя автомобиля.

Справочно заметим, что еще совсем недавно производители автомобильных деталей изготавливали (отливали) поршни силовых установок из чугуна. Как все мы знаем технологии не стоят на месте и замена тяжелому, а также довольно хрупкому чугуну нашлась, им стал алюминий. Поршни из алюминия обладают рядом достоинств по сравнению с чугуном, например, при использовании этого материала, автопроизводители добились роста оборотов с мощностью двигателя, а также снизили нагрузку на детали мотора, повысилась теплоотдача и как следствие увеличился ресурс силовой установки. С того момента, как производители начали использовать в деталях двигателя алюминий, мощность моторов начала расти, причем стремительно, температура и давление в цилиндрах на большинстве современных силовых установках, на примере дизельных стала предельной для прочности алюминия. Поэтому производители стали снова искать альтернативу алюминию. И нашли, ею оказалась сталь.

На сегодняшний день большинство современных двигателей оснащаются стальными поршнями, которые надежно и уверенно выдерживают постоянно возрастающие нагрузки. Стальные поршни в сравнении с алюминиевыми и чугунными обладают меньшим весом, благодаря более тонким стенкам, а также меньшей компрессионной высотой, то есть расстоянием от днища детали до оси алюминиевого пальца. Кроме того, поршни из стали идут не литыми по конструкции, а сборные.

Также отметим, что благодаря уменьшению вертикальных габаритов стального поршня при неизменном блоке цилиндров это дает возможность производителю удлинять шатуны. Это позволяет в свою очередь снизить нагрузку на рабочую пару, то есть на цилиндр и поршень, что довольно положительно сказывается на оптимизации расхода топлива, а также на ресурсе силовой установки. Кроме того, при замене шатунов и коленчатого вала, можно довольно просто укоротить блок цилиндров, что даст возможность облегчить по массе двигатель.

1. Требования, предъявляемые к поршням двигателя

На сегодняшний день существует 4 основных требования, которые предъявляются к поршням двигателя транспортного средства и все они так или иначе сводятся к единственному, а также самому ключевому параметру — сроку службы детали. Справочно заметим, что требования, которые мы сейчас перечислим, предъявляются современными условиями эксплуатации автомобилей.

Требования, предъявляемые к поршням силовой установки :

— Первое требование относится к сопротивляемости поршня высокой температуре, давлению газов и надежной герметизации канала цилиндра. Происходит это благодаря перемещению поршня в цилиндре, что позволяет расширять сжатые газы и продукты горения топлива, что обеспечивает высвобождение механической энергии.

— Второе требование заключается в том, что цилиндр с поршнем и кольцами (поршневыми) обеспечивает оптимальное скольжение линейного подшипника, который минимизирует механические потери во время трения деталей в цилиндре, что как следствие выливается в более долгий срок службы узлов.

— Третье требование заключается в том, что поршень двигателя постоянно испытывает высокие нагрузки со стороны камеры сгорания топливно-воздушной смеси и удары от шатуна, поэтому деталь должна выдерживать любые механические воздействия на нее.

— Четвертое требование заключается в том, что поршень двигателя совершая возвратно-поступательные движения на высокой скорости, не должен создавать нагрузку на кривошипно-шатунный узел своими инерционными воздействиями.

На самом деле требований к поршням двигателя, да и к другим ключевым деталям силовой установки насчитывается более десятка, однако по мнению большинства специалистов по ремонту транспортных средств, данная группировка является одной из самых точных. Вышеописанные требования наиболее четко описывают и показывают, какую важную роль в функционировании двигателя играют поршни.

2. Основное назначение и принцип работы поршней двигателя

Справочно заметим, что в процессе функционирования двигателя, топливо сгорает в камере над поршнем и выделяет при этом большое количество тепла, причем происходит это при каждом цикле работы силовой установки. Температура сгоревших газов порой составляет около 2 тысяч градусов по Цельсию, причем только часть энергии передается движущимся узлам мотора, а остальная реакция остается в двигателе сильно его нагревая. Определенные остатки тепла также выходят в выхлопную трубу с отработанными газами. Таким образом, если поршень не будет подвергаться охлаждению, то он через какое-то время просто расплавиться, из какого материала он не был бы изготовлен. Выше описанная процедура является очень важным нюансом, который раскрывает всю сложность условий работы поршневой группы.

Все мы прекрасно знаем, что образовавшийся тепловой поток всегда направлен от более нагретых элементов к деталям с меньшей температурой. Данный физический процесс позволяет увидеть распределение температур по поршню во время его активной рабочей фазы. Кроме того, это позволит определить конструктивные особенности и нюансы, которые влияют на его температурный режим, то есть понять благодаря, каким факторам он охлаждается.

Что касается наиболее нагреваемых участков во время функционирования двигателя, то наивысшая температура образуется в камере сгорания у топливно-воздушной смеси. Исходя из ранее сказанного, тепло будет передаваться самой холодной поверхности или воздуху. Если тепло передается окружающему воздуху в моторе, то он омывая радиатор, а также корпус силовой установки, остудит в жидкость охлаждающего типа, блок цилиндров и корпус головки. Однако мы забыли про поршень, как же он остывает? А для него необходим специальный, так называемый тоннель, по которому будет передаваться тепло детали на блок цилиндров, а затем направляться в охлаждающую жидкость. Процедура по охлаждению поршня происходит благодаря дополнительным элементам и жидкостям, которые помогают эффективно осуществить этот процесс.

Первый элемент, который обеспечивает охлаждение поршню — это поршневые кольца. Главная функция в этом процессе отведена первому кольцу, которое расположено ближе к днищу поршня, так как это место на детали является наиболее коротким путем к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Справочно заметим, что компрессионное и маслосъемное кольца одновременно прижаты к специальным канавкам, а также к стенке цилиндра. Таким образом, кольца обеспечивают примерно 40-50 процентов теплового потока.

Следующим элементом, обеспечивающим охлаждение поршней, является моторное масло. Благодаря тому, что масло имеет прямой контакт с наиболее нагретыми участками двигателя, образующийся в процессе работы масляный туман забирает с собой в поддон картера значительную часть тепла от наиболее горячих областей. Если силовая установка оборудована масляными форсунками, которые направляют струю технической жидкости на внутреннюю поверхность днища поршня, доля моторного масла в процессе теплообмена порой достигает 35 процентов от общего показателя охлаждения детали. Следовательно, нагружая масло дополнительной функцией по охлаждению поршней, необходимо понимать, что оно также нуждается в понижении своей температуры, потому что перегретая жидкость будет мгновенно терять свои полезные свойства. Кроме того, чем выше рабочая температура масла, тем, следовательно, меньше тепла возьмет на себя эта жидкость.

Кроме поршневых колец и моторного масла, охлаждение поршней осуществляется также при помощи специальных бобышек, расположенных в пальце, которые затем вставляются в шатуны, а оттуда уже в моторное масло. Этот способ охлаждения является чуть менее эффективным ранее описанных, однако в совокупности они образуют оптимальный температурный режим деталей двигателя, в том числе и поршней. Справочно заметим, что по пути охлаждения встречаются серьезные тепловые сопротивления, на примере различных зазоров, стальных деталей, которые обладают существенной длиной и низким коэффициентом теплопроводности.

Заключительный способ охлаждения поршней заключается в том, что часть тепла забирается топливно-воздушной смесью на свой нагрев, которая поступает в камеру сгорания. Доля тепла, которую заберет образованная смесь, напрямую зависит от режима функционирования и степени открытия дроссельной заслонки. Как правило, тепло образованное при сгорании, прямо пропорционально заряду. Таким образом, охлаждающий путь носит импульсный характер. Как правило, данное охлаждение отличается от других, ранее описанных своей скоротечностью и высокой эффективностью. Это происходит благодаря тому, что тепло отбирается с того участка, где поршень больше нагревается.

3. Что влияет на оптимальную работу поршней двигателя?

На оптимальную, надежную и долговечную работу поршней двигателя влияет в первую очередь их быстрое охлаждение. Из всех способов, которые мы перечислили ранее, большую значимость следует уделять передаче тепла через кольца поршня. Если представить, что мы снимем кольца с поршня и запустим силовую установку, то навряд ли двигатель сможет пережить различные форсированные режимы. В итоге произойдет сильный нагрев деталей установки, а затем материал поршня просто начнет разрушаться.

Кроме того, в случае отсутствия колец или их неплотного прилегания друг другу образуется еще одна проблема, которая называется компрессией. Например, одно из колец поршня не прилегает по своей длине к стенке цилиндра, тогда образовавшиеся сгоревшие газы в камере будут прорываться в появившуюся щель. Этот процесс создаст определенный барьер, который начнет препятствовать передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это примерно тоже самое, если бы мы взяли и закрыли участок радиатора, тем самым лишили бы его способности охлаждаться поступающим воздухом.

Наиболее страшная ситуация для поршня, если кольцо не обладает плотным контактом с канавкой. Дело в том, что в тех местах, где появляется возможность газам протекать мимо колец через канавку, у определенной области поршня просто пропадает возможность охлаждаться. Таким образом, появляется известное в народе понятие, как «тепловой мешок». Результатом такого процесса становится всем известный прогар, а также выкрашивание стенок огневым поясом, который прилегает к участку утечки газов. Вот поэтому большинством специалистов по ремонту и обслуживанию транспортных средств особое внимание уделяется геометрии цилиндра, кольцам, а также износу канавок.

В заключении отметим, что, отвечая на распространенный вопрос автолюбителей: «Сколько колец должно быть у нового поршня?», скажем так, что с точки зрения устройства двигателей по теории механики, чем меньше колец у поршня, тем лучше. Справочно заметим, что если кольца узкие, то будут меньше потерь в цилиндропоршневой группе. Однако при сокращении количества колец с их высотой, мы однозначно ухудшим оптимальное условие охлаждения поршня, которое выглядит, как: днище детали, затем кольцо и стенка цилиндра. Таким образом, выбор оптимальной конструкции той или иной детали двигателя — это всегда своего рода компромисс.

Автомобиль от А до Я: устройство двигателя внутреннего сгорания

Новая рубрика, готовьтесь! Будет много познавательного текста с картинками.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является сердцем автомобиля. Главная особенность этих двигателей заключается в том, что воспламенение топлива происходит внутри камеры сгорания (КС), а не в сторонних внешних агрегатах.

В процессе работы тепловая энергия, выделяемая, вследствие, сгорания топлива, преобразуется в механическую.

По применяемому топливу

— легкие жидкие (газ, бензин)

— тяжелые жидкие (дизельное топливо)

— Бензиновые двигатели

Бывают двух типов: бензиновые карбюраторные и бензиновые инжекторные.

В первом случае смесеобразование (смешивания топлива с воздухом) происходит в карбюраторе или во впускном коллекторе с помощью форсунок. Далее, смесь попадает в цилиндр, сжимается и поджигается искрой от свечи.

Во втором же случае, топливо впрыскивается во впускной коллектор или в цилиндр с помощью инжекторов (распыляющие форсунки).

— Дизельные двигатели

Специальное дизельное топливо (ДТ) подается в определенный момент (не доходя до мертвых точек) в цилиндр под высоким давлением с помощью форсунки.

Движение поршня сжимает смесь еще сильнее, топливо нагревается, с последующим воспламенением горючей смеси (за счет высокого давления).

Такие двигатели характеризуются малыми оборотами и высоким крутящим моментом.

— Газовые двигатели

В качестве топлива, двигатель использует углеводороды. В основ, такие двигатели работают на пропане, но встречаются и другой газ в качестве топлива.

Главное отличие от других двигателей — высокая степень сжатия. Такие двигатели меньше изнашиваются благодаря тому, что топливо уже подается в газообразном состоянии. Также, экономичность газовых двигателей на лицо — газ дешевле бензина.

Стоит отметить и экологичность — отсутствует дымность двигателя.

По способу воспламенения

— от искры (бензиновые)

— от сжатия (дизельные)

По числу и расположению цилиндров

— Рядный двигатель

Наиболее распространенная компоновка, цилиндры расположены в один ряд перпендикулярно коленчатому валу. Такие двигатели просты в конструкции, но при большом количестве цилиндров — увеличивается размер двигателя в длину.

— V-образный

Для уменьшения длины агрегата, цилиндры располагают под углом от 60 до 120 градусов, при этом, продольные оси цилиндров совпадают с продольной осью коленчатого вала.

Двигатель получается довольно небольших размеров в продольном отношении (короткий).

Из минусов: довольно большая ширина двигатели и раздельные головки блока, что приводит к увеличению себестоимости при изготовлении.

— Оппозитный

Горизонтально-оппозитный двигатель имеет меньшие габариты по высоте, что позволит снизить центр тяжести всего автомобиля. Из плюсов можно выделить: компактность, симметричность компоновки.

— VR-образный

За счет 6-ти цилиндров, расположенных под углом 150 градусов, образуется весьма компактный (узкий и короткий) двигатель. А также, этот двигатель имеет всего одну головку блока.

— W-образный

В этих двигателях соединены два ряда цилиндров в VR-исполнении.

Угол расположения цилиндров равен — 150 градусам, а сами ряды — под углом 720 градусов.

Штатный автомобильный двигатель состоит из 2-х механизмов и 5-ти систем.

Механизмы

• кривошипно-шатунный механизм;
• газораспределительный механизм.

Системы

• охлаждение
• смазка
• питание
• зажигание
• выпуска отработавших газов

Рассмотрим механизмы двигателя подробнее.

Кривошипно-шатунный механизм

Данный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала двигателя.

В свою очередь, кривошипно-шатунный механизм состоит из:

1) блока цилиндров с картером;

2) головки блока цилиндра;

3) поддона картера двигателя;

6) коленчатого вала;

Блок цилиндров

Представляет собой цельноотлитую деталь, объединяющей цилиндры двигателя. На нем располагаются опорные поверхности для установки коленчатого вала, а к верхней части, как правило, крепится головка блока цилиндров.

Цилиндры в блоке делаются либо отлитыми заедино с блоком, либо представляют собой отдельные сменные втулки.

Также, блок отрабатывает еще, не менее важную, функцию — по отверстия в блоке под давлением подается масло для смазки.

Внутренние стенки цилиндров служат направляющими для поршней во время их перемещения.

Головка блока цилиндров

Непосредственно в головке цилиндров располагается камера сгорания, свечи, клапаны, также в ней, на подшипниках, вращается распределительный вал с кулачками. Присутствуют отверстия, как и в блоке цилиндров, для смазывающих веществ.

Головка крепится к блоку цилиндра, образуя основной агрегат двигателя.

Поддон картера

Картер отливается вместе с блоком цилиндров. Его прямое назначение — резервуар для масла. В нижней части присутствует пробка для того, чтобы была возможность слить старое масло при его замене. Поддон крепится к картеру болтами, а во избежания утечки масла — ставится прокладка.

Поршень

Цилиндрическая деталь, которая совершает возвратно поступательное движение внутри цилиндра.

Поршень состоит из: днища, уплотняющей части, направляющей части (юбка).

Форма днища зависит от возложенных на поршень задач. Вогнутое днище позволяет создать более рациональную камеру сгорания. Выгнутое — делает поршень прочнее, но уменьшается рациональность камеры сгорания.

Днище с уплотняющей частью образуют головку поршня. В уплотняющей части располагаются маслосъемные и компрессионные кольца.

Юбка поршня служит для направления движения в цилиндре.

Шатун

Именно шатун соединяет поршень (с помощью поршневого «пальца») с коленчатым валом (с помощью шатунной шейки коленчатого вала). Предназначен для передачи возвратно поступательного движения.

Для того, чтобы снизить износ шатунных шеек коленчатого вала, между ними и шатунами помещаются антифрикционные вкладыши.

Коленчатый вал

Деталь сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент.

Коленчатый вал имеет сложную форму и выполняется из сталей или чугунов.

Маховик

Маховик — зубчатое колесо, предназначенное для: запуска двигателя, соединения двигателя с трансмиссией, передачи крутящего момента с двигателя на коробку передач и стабилизирует работу коленчатого вала.

Газораспределительный механизм

— впускных и выпускных клапанов.

Распределительный вал

Как правило (в современных автомобилях) расположен в верхней части головки цилиндров.

Неотъемлемой частью распредвала являются его кулачки. Их ровно столько, сколько впускных и выпускных клапанов. Эти кулачки надавливая на рычаг толкателя клапана, открывают его, а «сбегая» с рычага, клапан закрывается от действия возвратной пружины.

Клапана

Клапан состоит из плоской шляпки (головки) и стержня. Причем, диаметр головки впускного клапана делают несколько больше, чем диаметр головки выпускного клапана (это делается для лучшего наполнения топливом цилиндров).

Принцип работы двигателя

Определения

Верхняя мертвая точка – крайнее верхнее положение поршня в цилиндре.

Нижняя мертвая точка – крайнее нижнее положение поршня в цилиндре.

Ход поршня – расстояние, которое поршень проходит от одной мертвой точки до другой.

Камера сгорания – пространство между головкой блока цилиндров и поршнем при его нахождении в верхней мертвой точке.

Рабочий объем цилиндра – пространство, освобождаемое поршнем при его перемещении из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку.

Рабочий объем двигателя – сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя. Выражается в литрах, поэтому часто называется литражом двигателя.

Полный объем цилиндра – сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.

Степень сжатия – показывает во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания.

Компрессия – давление в цилиндре в конце такта сжатия.

Такт – процесс (часть рабочего цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня.