Знания о двигателе — Поршень
Для «Пистонс», которые знают, что двигатель — это самая важная часть автомобиля.
Комплект поршневого штока состоит из поршня, поршневых колец, поршневых пальцев, шатуна, подшипников шатуна и других деталей.
Функция: Поршень работает под давлением газа и, приводясь в движение вращением коленчатого вала через шатун и поршневой штифт, перемещается вверх или вниз в камере сгорания.
Условия эксплуатации: поршень работает в условиях высоких температур, высокого давления, высоких скоростей и недостаточной смазки. Поршень непосредственно контактирует с горячим газом, мгновенная температура достигает 2500 К и более, поэтому на него действуют сильные тепловые нагрузки, а тепловые условия оставляют желать лучшего; таким образом, рабочая температура поршня высока — в верхней части достигает 600–700 К, при этом распределение температуры очень неравномерно; верхняя часть поршня находится под давлением газа, особенно в ходе хода максимальной мощности: в бензиновых двигателях давление достигает 3–5 МПа, а в дизельных — 6–9 МПа, что вызывает ударные нагрузки на поршень и заставляет его выдерживать поперечное давление; поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре с высокой скоростью (8–12 м/с), причём скорость постоянно изменяется, что создаёт значительный инерционный момент, в результате чего на поршень действует большая дополнительная нагрузка. Работая в таких неблагоприятных условиях, поршень подвергается деформации и ускоренному износу, а также дополнительным нагрузкам, термическим напряжениям и химической коррозии под воздействием газов. Поэтому к поршню предъявляются следующие требования: (1) он должен обладать достаточной жесткостью и прочностью, а также обеспечивать надёжную передачу мощности; (2) обладать хорошей теплопроводностью и устойчивостью к высокому давлению, высоким температурам и износу; (3) он должен иметь небольшую массу и быть лёгким, чтобы свести к минимуму инерционную силу при возвратно-поступательном движении. Алюминиевый сплав в основном соответствует вышеуказанным требованиям, поэтому поршни, как правило, изготавливаются из высокопрочного алюминиевого сплава, однако в некоторых низкооборотистых дизельных двигателях используется высококачественный жаростойкий чугун или сталь.
Конструкция: Поршень можно разделить на три части: поршень, головка поршня и юбка поршня.
1. Поршень: поршень, находящийся под давлением газа и являющийся частью камеры сгорания; его форма, положение, размеры и все специфические особенности конструкции камеры сгорания должны соответствовать требованиям, предъявляемым к образованию и сгоранию горючей смеси, по форме верхней части поршни можно выделить четыре категории: поршни с плоской головкой, с выпуклой головкой, с вогнутой головкой и с нестандартной формой головки. Поршень с плоской головкой имеет плоскую форму, прост в изготовлении, обладает небольшой площадью нагрева, распределение напряжений в верхней части более равномерно; обычно используется в бензиновых двигателях, в дизельных двигателях применяется редко. Поршень с выпуклой головкой имеет возвышенную куполообразную форму; такая головка обладает высокой прочностью и, благодаря своему профилю, способствует улучшению вентиляции в процессе работы; поршни с выпуклой головкой часто используются в двухтактных бензиновых двигателях. Поршень с вогнутой головкой имеет углубление; форма и расположение углубления должны способствовать сгоранию топливно-воздушной смеси: это могут быть двойные вихревые углубления, шарообразные углубления, U-образные углубления и т. д.
(2) Головка поршня: под головкой поршня понимается часть поршня, расположенная над первым пазом поршневого кольца и над отверстием для поршневого пальца. Некоторые называют это канавкой для поршневых колец; она предназначена для установки поршневых колец и обеспечивает герметизацию, также известную как герметизирующая зона. В дизельных двигателях с высокой степенью сжатия, как правило, имеется четыре канавки для колец: в верхних трех устанавливаются рабочие кольца, а в нижней — масляное кольцо. В бензиновых двигателях обычно имеется три кольцевых канавки: одна для газового кольца и одна для масляного кольца; на нижней поверхности масляного кольца имеется множество радиальных отверстий, благодаря которым масло, соскобленное масляным кольцом со стенок цилиндра двигателя, через эти отверстия стекает обратно в масляный поддон. Первая канавка для поршневого кольца работает в самых неблагоприятных условиях, поэтому её, как правило, располагают подальше от верха. Тепло, поглощаемое поршнем, передаётся через герметизирующую часть к стенке цилиндра, а затем рассеивается с помощью охлаждающей воды. Короче говоря, головка поршня двигателя, помимо установки поршневых колец, выполняет функции уплотнения и теплопередачи; вместе с уплотнением «поршень-цилиндр» она предотвращает утечку горючей газовой смеси в картер, а также (70 ~ 80)% тепло, проходящее через стенки поршневого цилиндра.
3. Юбка поршня: под юбкой поршня понимается участок от конца масляного кольца до следующей части нижней части поршня, включая выемку для установки поршневого пальца. Юбка поршня служит направляющей при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре двигателя и обеспечивает сопротивление боковому давлению. Размер юбки зависит от величины бокового давления и диаметра поршня. Так называемое боковое давление возникает как в такте сжатия, так и в такте рабочем; оно обусловлено давлением газов в двигателе, которое в верхней точке хода оказывает на поршень горизонтальную составляющую, прижимающую поршень к стенке цилиндра. В такте сжатия и такте рабочем направление давления газа противоположно; поскольку давление сгорания значительно выше давления сжатия, то в такте рабочем боковое давление также значительно выше, чем в такте сжатия. Части юбки поршня, выдерживающие боковое давление с обеих сторон, называются упорными поверхностями; они расположены в фазе с осью поршневого пальца и перпендикулярны направлению его движения. Конструктивные особенности:
(1) Готовая овальная форма, предназначенная для того, чтобы выдерживать давление газов в боковой юбке и цилиндре двигателя и обеспечивать небольшое и безопасное пространство, необходимое для правильной работы поршня в цилиндре двигателя. Однако из-за того, что толщина юбки поршня очень неравномерна, толщина металла в области отверстия для поршневого пальца приводит к тому, что тепловое расширение вдоль оси сиденья поршневого пальца двигателя вызывает деформацию, превышающую деформацию в других направлениях. Кроме того, боковая юбка выдерживает давление газа, что приводит к деформации вдоль оси поршневого пальца в направлении, перпендикулярном направлению его движения. Таким образом, если в холодном состоянии юбка поршня имеет круглую форму, то при работе она приобретает овальную форму, зазоры между поршнем и цилиндром по окружности становятся неравными, что приводит к заклиниванию поршня в цилиндре, и двигатель не будет работать. Поэтому при предварительной обработке юбка поршня двигателя придается овальная форма. Длинная ось эллипса расположена перпендикулярно седлу, а короткая ось — вдоль седла. Такая конструкция позволяет получить поршень, максимально приближенный к идеальному кругу.
(2) распределение температуры по высоте поршня очень неравномерно: в верхней части поршня температура высокая, в нижней — низкая; соответственно, надув в верхней части больше, а в нижней — меньше. Чтобы обеспечить равномерное движение поршня вверх и вниз по всему его диаметру, поршень должен иметь цилиндрическую форму, а его форма должна плавно переходить от большего диаметра в верхней части к меньшему в нижней, то есть быть конической.
(3) Для уменьшения теплового расширения юбки поршня двигателя обычно в горизонтальной изоляционной юбке проделывают открытую прорезь, а для компенсации деформации юбки под воздействием тепла — вертикальную компенсационную прорезь. Форма паза — “T”-образная или “Π”-образная. Горизонтальный паз является наиболее распространённым: он расположен под открытым пазом ниже кольца, по обеим сторонам края седла штифта юбки (а также между канавками масляных колец), и служит для уменьшения теплопередачи к юбке; его называют тепловым пазом. Вертикальная щель придаёт юбке определённую гибкость, благодаря чему зазор между поршнем двигателя и цилиндром в сборе становится минимально возможным, а при нагревании обеспечивается компенсация, что предотвращает заклинивание поршня в цилиндре; такую вертикальную щель называют компенсационной щелью. В случае наличия вертикальной щели в юбке жесткость со стороны щели уменьшается, поэтому при сборке поршень должен выдерживать боковое давление в рабочем ходу с меньшей стороны. Поршни дизельных двигателей, подвергающиеся сильному давлению, как правило, не имеют щелей в юбке.
(4) В некоторых поршнях, с целью снижения веса, в юбке проделывается отверстие или вырезается часть боковой поверхности с обеих сторон для уменьшения силы инерции, что снижает деформацию поршневого пальца вблизи зоны высоких температур и формирует структуру из поршневой пластины или укороченной юбки с упругой вставкой; масса которых невелика, а зазор между поршнем и цилиндром двигателя меньше для высокооборотистых двигателей.
(5) С целью уменьшения теплового расширения алюминиевой юбки поршня в юбке поршня или в гнезде поршневого пальца встраивается сталь. Конструктивные особенности стальных поршней Heng Fan обусловлены тем, что сталь 33% с постоянным содержанием никеля представляет собой низкоуглеродистый железо-никелевый сплав 36%, а её коэффициент теплового расширения составляет всего 1/10 от коэффициента алюминия; при этом стальное гнездо поршневого пальца, соединенное с юбкой поршня Heng Fan, что позволяет юбке сдерживать деформации, вызванные тепловым расширением.
(6) В некоторых бензиновых двигателях ось отверстия для поршневого пальца смещена относительно плоскости оси поршня, что позволяет компенсировать боковое давление на 1–2 мм за счет смещения поршня в рабочем ходу. Такая конструкция обеспечивает более плавный переход поршня от такта сжатия к такту рабочему, а также более плавный переход давления в цилиндре со стороны высокого давления на сторону низкого давления, что позволяет уменьшить детонационный шум. При монтаже нельзя игнорировать направление смещения поршневого пальца, иначе при работе двигателя усилится детонация, что может привести к повреждению юбки поршня.