Поршневой мотор

Функционирование поршня

Поршень

По́ршень — в тепловой машине — деталь, предназначенная для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом. Служит также для выполнения вспомогательных тактов по очистке и наполнению цилиндра. Как правило, оснащён поршневыми кольцами для улучшения герметичности системы цилиндр — поршень. В поршневых компрессорах для воздуха, фреона или другого газа его роль прямо противоположная — приводимый в движение кривошипно-шатунным механизмом, поршень сжимает газ, поступивший в камеру на этапе впуска газа.

Поршень подразделяется на три части, выполняющие различные функции: днище, уплотняющая часть и направляющая часть (юбка).

Днище поршней в зависимости от формы камеры сгорания, расположения механизма газораспределения, форсунок, свечей зажигания и других факторов выполняется различной формы. При вогнутой форме днища образуется наиболее рациональная камера сгорания, но в ней более интенсивно происходит отложение нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, но ухудшается форма камеры сгорания. В некоторых двухтактных двигателях днище поршня выполняется в виде выступа-отражателя для направленного движения продуктов сгорания при продувке.

Днище и уплотняющая часть образуют головку поршня. В уплотняющей части поршня располагаются компрессионные и маслосъёмные кольца. В некоторых конструкциях поршней из алюминиевых сплавов в его головку залит ободок из коррозионностойкого чугуна (нирезиста), в котором прорезана канавка для верхнего наиболее нагруженного компрессионного кольца. Нирезистовую вставку под верхнее поршневое кольцо имеют, в частности, поршни двигателей, выпускаемых ТМЗ (Тутаевский моторный завод). Благодаря этому значительно увеличивается износостойкость поршня. Кольцевые каналы для маслосъемных колец выполняются со сквозными отверстиями, через которые масло, снятое с зеркала цилиндра, поступает внутрь поршня и стекает в поддон картера двигателя.

Юбка поршня (тронк) является его направляющей частью при движении в цилиндре и имеет два прилива (бобышки) для установки поршневого пальца. Так как масса поршня у приливов оказывается большей, чем в других частях юбки, температурные деформации при нагреве в плоскости бобышек также будут наибольшими. Для снижения температурных напряжений поршня с двух сторон, где расположены бобышки, с поверхности юбки, удаляют металл на глубину 0,5-1,5 мм. Эти углубления, улучшающие смазывание поршня в цилиндре и препятствующие образованию задиров от температурных деформаций, называются «холодильниками». В нижней части юбки также может располагаться маслосъемное кольцо.

К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования: высокая механическая прочность;малая плотность; хорошая теплопроводность; малый коэффициент линейного расширения; высокая коррозионная стойкость; хорошие антифрикционные свойства.

Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы.

Поршни из чугуна прочны и износостойки. Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра. Однако чугун имеет довольно большой удельный вес. В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня. Чугун имеет низкую теплопроводность, поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350—400 °С. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения детонации.

Подавляющее большинство автомобильных двигателей имеют алюминиевые поршни. Достоинства алюминиевых поршней: малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными); высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях; хорошие антифрикционные свойства.

Недостатками алюминиевых поршней являются: большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больше, чем у чугуна), значительное снижение механической прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и алюминиевыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями, основными из которых являются: придание юбке поршня овальной или овально-конусной формы; изоляция тронковой (направляющей) части поршня от наиболее нагретой его части (головки); косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок; Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную ее длину в сочетании с ее овальностью; компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна.

Две основные проблемы, решаемые при проектировании моторов: как избежать повышенного износа поршня, как избежать прогара поршня. Обе эти проблемы возникают вследствие желания конструкторов максимально облегчить поршень, поскольку это позволяет улучшить показатели моторов и компрессоров.