WikiSort.ru - Не сортированное

Днище

Его форма зависит от типа двигателя, смесеобразования, расположения свечей, форсунок, клапанов, метода организации газообмена в цилиндре^[7]. Вогнутое днище поршня образует компактную форму камеры сгорания (дизеля, бензиновые с высокой степенью сжатия и хорошей топливной экономичностью), однако при этом есть склонность к образованию нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, однако камера сгорания приобретает линзовидную форму, что увеличивает теплоотдачу. Однако в искровых ДВС увеличение теплоотдачи может позволить увеличить допустимую степень сжатия^[8], что частично компенсирует потери. Плоское днище — промежуточное по форме, и самое простое в изготовлении — популярно в бензиновых ДВС и вихрекамерных/предкамерных дизелях. В устаревших двухтактных ДВС днище имело выступ-дефлектор для отклонения горючей смеси при продувке и уменьшения её выброса^[9]. В дизелях с объёмным смесеобразованием форма днища обеспечивает подачу топлива в объём воздуха, с плёночным - большая часть топлива подаётся на стенку поршня (распространение в последние годы системы впрыска Common rail решило спор о смесеобразовании в автомобильных дизелях в пользу объёмного).

Жаровым поясом называют расстояние от канавки верхнего кольца до днища поршня. При увеличении его высоты облегчаются работа верхнего кольца, однако растёт масса поршня и увеличиваются выбросы углеводородов^[10]. Уменьшение высоты жарового пояса ниже допустимого влечёт прогар поршня и/или разрушение области верхнего кольца. Поршени дизелей при равных диаметрах имеют большую высоту жарового пояса, тяжелее и прочнее бензинового по причине больших давлений сжатия и сгорания, и теплоотдачи с днища.

Уплотняющая часть поршня имеет важнейшее значение для работы поршневых ДВС, их состояние определяют по компрессии и угару масла, зависящих от состояния поршневой группы. В автомобильных ДВС угар масла не должен превышать 1—3 % от расхода топлива. В современных бензиновых моторах этот процент ещё меньше, в устаревших моделях дизелей — 5 % и выше^[11]. Разброс величины компрессии по цилиндрам обычно не должен превышать 0,5 кгс/см² у бензиновых ДВС и 1 кгс/см² у дизельных. При превышении угара масла двигатель выходит за пределы разрешённых выбросов, наблюдаются отказы свечей, осмоление форсунок, залегание колец, и потому он должен быть снят с эксплуатации^[12].

Уплотняющая часть

Поршень имеет установленные в канавках компрессионные и маслосъёмные кольца. Типичное количество колец на автомобильных моторах — 3, ранее применялись конструкции с 4—6 кольцами^[13]. На тихоходных двигателях колец больше для уменьшения пропуска масла и газов, улучшения охлаждения поршня. Уменьшение числа и высоты колец снижает потери на трение, а сохранение уплотнения достигается надёжным их прилеганием и износостойкостью. Канавки маслосъёмных колец имеют радиальные отверстия для возврата масла в поддон. По мере износа колец зазор их стыках и канавках растёт, увеличивается угар масла. В силуминовых поршнях могут заливать вставку из жаростойкого чугуна (нирезиста) под верхнее кольцо, что увеличивает ресурс канавки и кольца. Такая вставка является и термокомпенсирующей, уменьшая тепловое расширение^[14] (см. верхнее фото).

Диаметр уплотняющей части меньше, чем в районе юбки, так как нагрев этой части поршня выше. Чтобы избежать задира с последующим заклиниванием колец в своих канавках, жаровый пояс имеет ещё меньший диаметр. Уплотняющая часть имеет в сечении круглый диаметр, а не овальный, как юбка. Жаровый пояс часто имеет неглубокие проточки, увеличивающие теплоотдачу в поршень до кольца. Тем самым, высота пояса может быть уменьшена^[15].

Решающее значение для уплотнения поршня имеет качество колец: хорошее прилегание к зеркалу без просветов^[16], чистота обработки по наружному диаметру и высоте, зазор в замке, и покрытие колец износостойкими материалами^[17]. Чугунные маслосъёмные кольца надёжнее составных, потому что вероятность ошибок при их установке меньше^[18]. В автомобильных ДВС до 80 % тепла отводится от поршня через кольца^[19], поэтому при плохом прилегании колец отвод тепла идёт через юбку поршня, а при росте её температуры неизбежен задир. Из-за этого на обкатке двигателя ограничивают его мощность. Непритёртые кольца перегреваются и сами и потому «садятся» — упругость их уменьшается, вслед за этим быстро растёт пропуск газов в картер, выброс масла, и т. д. При перегреве возможно смыкание стыков, ведущее к поломке колец, и даже обрыву поршня по канавке кольца^[20]. Теплоотдача от поршня достигает расчётной, когда сотрутся следы хона в цилиндре, и притрутся кольца.

Направляющая часть

В тронковых двигателях направляющей частью поршня является юбка (тронк). Бобышки юбки передают большие нагрузки от газовых и инерционных сил, поэтому соединены массивными литыми рёбрами с днищем поршня (в штампованых поршнях вместо рёбер имеется массивное соединение с днищем). В районе бобышек формируют литьём или фрезеруют снаружи прямоугольные углубления, называемые условно «холодильниками». На деле, эти так называемые «холодильники» снижают массу благодаря укорочению поршневого пальца и передаче газовых сил ближе к оси шатуна, что разгружает днище поршня. Чтобы сократить тепловой зазор без риска задира, юбку поршня изготовляют овальной: зазор в плоскости качания шатуна минимальный, а по оси поршневого пальца больше на 0,5—1,5 мм. Обычно кольца располагают в головке поршня, но нижнее маслосъёмное кольцо может быть расположено ниже оси пальца, в юбке^[21].

В зависимости от способа фиксации пальца, на поршне могут иметься канавки под стопорное кольцо.

Большинство поршней имеют смещение оси поршневого пальца, чтобы уравнять боковые давления на юбку при ходе сжатия и рабочем ходе поршня. Поэтому поршень монтируется не произвольно, а по метке (обычно надписью на холодильнике либо стрелкой на днище в сторону свободного конца коленвала)^[22].

Чугун

Достоинства

• Чугун дешевле других материалов;
• Чугунные поршни прочнее, жаростойки и износостойки, имеют антифрикционные свойства;
• Благодаря малому температурному коэффициенту расширения уменьшается зазор по юбке.

Недостатки

• Большой удельный вес. Поэтому чугунные поршни применяют в тихоходных двигателях, где газовые силы значительно больше инерционных, и этот недостаток нивелируется;
• Низкая теплопроводность, из-за чего нагрев днища поршней достигает 350—400 °C. Это недопустимо в бензиновых двигателях, так как он может привести к возникновению калильного зажигания. Коэффициент наполнения при этом также снижается.

Алюминиевый сплав

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют силуминовые^[23] поршни с содержанием кремния 13 % и более, то есть заэвтектоидные сплавы типа АК-4, АК-18. Ранее применялись сплавы АЛ1, АК2, имеющие меньшее содержание кремния. Контрафактные поршни часто изготовлялись из обычного алюминия^[24] Ресурс поршней с недостаточным количеством кремния резко снижен, из-за повышенного коэффициента теплового расширения происходит задир ещё на обкатке. Отличить поддельный легко — расширение силуминового поршня при нагреве от 0 до 100 °C составляет 0,1—0,12 мм на 100 мм диаметра юбки. Если измерения дадут увеличение размера по юбке поршня 0,22 мм/100 мм диаметра — это уже чистый алюминий. Чем выше содержание кремния, тем больше ресурс поршня, но пластичность сплава меньше^[25]. Силуминовые поршни для облегчения приработки обычно электролитически покрывают оловом^[26]. Поршень может быть получен отливкой либо штамповкой, оба варианта имеют свои плюсы и минусы.

Литые поршни часто изготовляют из доэвтектоидных сплавов, упрощающих литьё, а тепловое расширение юбки ограничено в этом случае вставкой. При штамповке поршня закладка термовставок невозможна, потому ограничить их тепловое расширение можно лишь достаточным содержанием кремния. Следовательно, штампованые (называемые иногда коваными) поршни из высококремнистого сплава должны быть более износостойки, чем литые.

Достоинства силумина

• 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 увеличивает коэффициент наполнения и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях^[27];

Недостатки

• больший коэффициент линейного расширения, чем у чугуна;
• меньшая твёрдость и износостойкость поршневых канавок;
• значительное снижение 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 силуминовыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями:

• придание юбке поршня в овально-бочкообразной или овально-конусной формы;
• изоляция тронковой (направляющей) части поршня кольцом от наиболее нагретой его части (головки) в составных поршнях;
• косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок (тихоходные ДВС)^[28];
• Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью (тихоходные ДВС)^[29];
• компенсационные вставки из инвара, уменьшающие тепловое расширение;
• повышение содержания кремния в материале поршня^[30] (минусом является резкое снижение ресурса отливочных форм).

Составные поршни — головка из жаропрочной стали

Применяются обычно в дизелях среднего или крупного размера, а также во всех дизелях, работающих на растительных маслах в качестве топлива. Юбка обычно из серого чугуна, либо алюминиевого сплава. Преимущества — уменьшение теплоотдачи в поршень, то есть повышение индикаторного КПД, максимальный ресурс, возможность использования различных топлив^[31]. Недостатки — более высокая цена, вес, применение только в дизельном цикле, более дорогие поршневые кольца, стойкие к особо высоким температурам, большие осевые размеры поршня, необходимость увеличения противовесов, удлинение гильзы с ростом габаритов двигателя и его массы^[32]. В крупноразмерных двигателях, таких как тепловозные и главные судовые, работающие на полной мощности с высоким давлением наддува по двухтактному циклу, невозможно добиться нужного ресурса (30 000 часов и более) с чугунными или силуминовыми поршнями. Головка из жаропрочной стали обеспечивает ресурс колец и их канавок, направляющая же должна быть выполнена из антифрикционного материала - чугуна или силумина^[33].