Поршни в машине: Что такое поршень двигателя автомобиля

Что такое поршень двигателя автомобиля

Расскажем про автомобильные поршни двигателя внутреннего сгорания — что это такое и основное назначение. Как работают и какие требования к ним. Сколько колец нужно.

Что это такое

Поршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра двигателя авто. Нужен для изменения давления газа в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. Т.е. он передаёт на шатун усилие, возникающее от давления газов и обеспечивает протекание всех тактов рабочего цикла.

Он имеет вид перевёрнутого стакана и состоит из днища, головки, направляющей части (юбки).

В бензиновых моторах применяются поршни с плоским днищем из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. Хотя на современных авто делают специальные выемки под клапаны. Чтобы при обрыве ремня ГРМ поршни и клапана не встретились и не повлекли серьёзный ремонт.

Днище поршня дизеля делают с выемкой, которая зависит от степени смесеобразования и расположения клапанов, форсунок. При такой форме днища лучше перемешивается воздух с поступающим в цилиндр топливом.

Поршень подвержен действию высоких температур и давлений. Он движется с высокой скоростью внутри цилиндра. Изначально для автомобильных двигателей их отливали из чугуна. С развитием технологий стали использовать алюминий, т.к. давал преимущества: рост оборотов и мощности, меньшие нагрузки на детали, лучшую теплоотдачу.

Мощность современных моторов выросла. Температура и давление в цилиндрах двигателей (особенно дизельных) стали такими, что алюминий подошёл к пределу прочности. Поэтому современные моторы оснащаются стальными поршнями, которые уверенно выдерживают возросшие нагрузки. Они легче алюминиевых за счет более тонких стенок и меньшей компрессионной высоты, т.е. расстояния от днища до оси алюминиевого пальца. А еще стальные поршни не литые, а сборные.

Уменьшение вертикальных габаритов поршня при неизменном блоке цилиндров дает возможность удлинить шатуны. Это позволит снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр», что положительно скажется на расходе топлива и ресурсе двигателя. Или, не меняя шатунов и коленвала, можно укоротить блок цилиндров. Тогда облегчим мотор.

Требования к поршням мотора

• Поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Он должен быть устойчивым к высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
• Отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и износ.
• Испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, должен выдерживать механическое воздействие.
• Совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Как работают

Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель. То, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.

Повторим известный факт — тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым.

Наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Тепло будет передано окружающему воздуху – самому холодному. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, остудит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Остается найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть четыре пути.

Первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты к поршневым канавкам и стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.

Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит и отдает в поддон картера значительную часть тепла от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%.

Но нагружая масло функцией теплоносителя, должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла способно перенести.

Третий путь. Часть тепла отбирает на нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Но тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Этот путь охлаждения носит импульсный характер. Отличается скоротечностью и высокоэффективен, т.к. тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Следует уделить внимание передаче тепла через поршневые кольца. Если этот путь перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

Вспомним про компрессию. Представим, что кольцо не прилегает по всей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это, как если бы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается возможности охлаждаться. Как результат – прогар и выкрашивание части, прилегающей к месту утечки.

Сколько колец нужно для поршня

С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. При уменьшении их количества и высоты ухудшаются условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.

Роль цилиндра и поршня в двигателе автомобиля

Цилиндр и поршень являются одними из основных деталей любого двигателя внутреннего сгорания. Нижняя плоскость ГБЦ, днище поршня и стенка цилиндра образуют замкнутую полость, где происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Поршень, который находится в цилиндре, преобразует энергию образовавшихся газов в поступательно движение, тем самым приводя в движение коленчатый вал.

Цилиндр и поршень прирабатываются в ходе эксплуатации автомобиля, обеспечивая эффективность и наилучшие режимы работы двигателя.

В данной статье мы подробно рассмотрим пару «цилиндр-поршень»: конструкцию, функции, условия их работы, а также проблемы, которые могут возникнуть при эксплуатации ЦПГ.

Современные двигатели могут иметь от 2 до 16 цилиндров, которые объединены в блок цилиндров. От количества цилиндров зависит мощность ДВС.

Внутренняя часть цилиндра является его рабочей поверхностью и называется гильзой, а внешняя, которая составляет единое целое с корпусом блока – рубашкой. По каналам рубашки циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение поршень. Он передает энергию давления газов на шатун коленвала, герметизирует камеру сгорания и отводит из нее тепло. Состоит поршень из днища (головки), уплотняющих колец и направляющей части (юбки).

Поршни для бензиновых двигателей имеют плоское днище. Они меньше нагреваются при работе и проще в изготовлении. Они могут обладать специальными канавками, которые способствуют полному открытию клапанов. В дизельных двигателях поршни имеют специальную выемку заданной формы на дне. Она служит для того, чтобы воздух, поступающий в цилиндр, лучше смешивался с топливом.

Плотность соединения поршня и цилиндра обеспечивают поршневые кольца. Их расположение и количество зависит от типа и назначения двигателя. Наиболее часто встречающееся исполнение – одно маслосъемное и два компрессионных кольца.

Компрессионные кольца предотвращают попадание газов в картер двигателя из камеры сгорания и отводят тепло к стенкам цилиндра от головки поршня. По форме они бывают коническими, бочкообразными и трапециевидными.

Верхнее компрессионное кольцо изнашивается быстрее других, поэтому его наружная поверхность подвергается напылению молибдена или пористому хромированию. Благодаря такой подготовке первое кольцо становится более износостойким и лучше удерживает моторное масло. Другие уплотняющие кольца покрываются слоем олова для улучшения приработки к цилиндрам.

Маслосъемное кольцо служит для удаления излишков масла со стенок цилиндра, тем самым предотвращая их попадание в камеру сгорания. Через специальные отверстия в стенках поршня масло попадает внутрь последнего, а затем направляется в картер.

Направляющая часть (юбка) поршня может быть конусообразной или бочкообразной. Такая конструкция позволяет компенсировать расширение при воздействии высоких температур. На юбке находится отверстие с двумя бобышками, где крепится поршневой палец трубчатой формы, соединяющий поршень с шатуном.

Палец поршня может устанавливаться следующим образом:

• 
  Свободный ход в бобышках поршня и головке шатуна (плавающие пальцы)

• 
  Вращение в бобышках поршня и фиксация в головке шатуна

• 
  Вращение в головке шатуна и фиксация в бобышках поршня

Шатун соединяет поршень с коленвалом. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, а нижняя вращается совместно с шатунной шейкой коленчатого вала, стержень совершает сложное колебательное движение. При работе шатун подвергается растяжению, изгибу и сжатию, поэтому его производят жестким и прочным, а, чтобы уменьшить инерционные силы – легким.

Материалы, используемые при производстве деталей ЦПГ, должны обладать высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью, малой плотностью, незначительным коэффициентом линейного расширения, антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

Цилиндры изготавливают из чугуна или стали с различными присадками. Это нужно для того, чтобы детали могли выдержать высокие нагрузки. Сегодня блоки цилиндров чаще всего производят из алюминия, а внутренние части цилиндров – из стали, благодаря чему вес конструкции снижается.

Поршни внутри цилиндра двигаются с высокой скоростью и подвержены воздействию высоких давлений и температур. Изначально для производства этих деталей использовался чугун, но с развитием технологий основным материалом для поршней стал алюминий. Это позволило обеспечить меньшую нагрузку на поршни, лучшую теплоотдачу и рост мощности ДВС.

На современных автомобилях, особенно с дизельными двигателями, используются сборные стальные поршни. Они весят меньше алюминиевых, а за счет меньшей компрессионной высоты позволяют использовать шатуны большей длины, тем самым снижая боковые нагрузки в паре «цилиндр-поршень».

Для производства поршневых колец используется высокопрочный серый чугун с добавлением хрома, молибдена, никеля или вольфрама. Эти материалы улучшают приработку элементов и обеспечивают их высокую износо- и термостойкость.

Некоторые производители автокомпонентов для снижения потерь на трение покрывают боковую поверхность поршней специальными материалами на основе графита или дисульфида молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается и ему требуется восстановление.

Одним из самых эффективных средств для восстановления антифрикционного слоя или нанесения материала на новые поршни является покрытие поршней MODENGY для деталей ДВС. Состав на основе высокоочищенного дисульфида молибдена и графита имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимальными параметрами распыления.

Материал равномерно наносится на юбки поршней, не требует высоких температур для полимеризации и создает на поверхности сухую смазочную пленку, которая в течение длительного времени снижает износ и препятствует образованию задиров.

Для подготовки поверхностей перед нанесением покрытия рекомендуется провести их обработку Специальным очистителем-активатором MODENGY. Он убирает все загрязнения с деталей и обеспечивает прочное сцепление покрытия с основанием.

При работе двигателя выделяется огромное количество тепла. Например, температура сгоревших газов может достигать +2000 °C. Именно поэтому цилиндро-поршневая группа нуждается в эффективном охлаждении.

В современных двигателях система охлаждения может быть жидкостной или воздушной. В первом случае цилиндры ДВС покрыты снаружи большим количеством специальных ребер, которые охлаждаются искусственно созданным или встречным потоком воздуха.

Жидкостное охлаждение подразумевает охлаждение цилиндров при помощи охлаждающей жидкости, которая циркулирует в толще блока снаружи цилиндров. Нагретые элементы отдают часть тепла ОЖ, которая затем попадает в радиатор, охлаждается и заново поступает к цилиндрам.

Если внутри цилиндра отсутствует смазочный материал, поршень будет заклинивать, что со временем приведет к поломке двигателя. Для удержания моторного масла на внутренних поверхностях цилиндров на них наносят микросетку при помощи хонингования.

Благодаря этому на стенках всегда находится некоторое количество масла, что снижает трение между поршнем и цилиндром, а также способствует отведению излишков тепла внутри ЦПГ.

Даже, если эксплуатация автомобиля была правильной и все жидкости менялись вовремя, со временем все равно могут возникнуть проблемы с цилиндро-поршневой группой. Их основная причина заключается в сложных условиях работы ЦПГ.

Высокие нагрузки и температуры приводят к:

• 
  Деформации посадочных мест под гильзу

• 
  Разрушению, залеганию, закоксовыванию колец

• 
  Задирам на юбках поршней из-за сужения зазора между поршнем и цилиндром

• 
  Возникновению пробоин, трещин, сколов на рабочих поверхностях цилиндров

• 
  Оплавлению или прогару днища поршней

• 
  Различным деформациям на теле поршней

Эти и другие неисправности ЦПГ неизбежно возникают при перегреве ДВС, который может быть вызван неисправностью термостата, помпы или разгерметизацией системы охлаждения, сбоями в работе вентилятора охлаждения радиатора, самого радиатора или его датчика.

Определить проблемы в работе цилиндро-поршневой группы можно отметив увеличение расхода масла, ухудшение запуска двигателя, снижение мощности, возникновение стука и шума при работе ДВС. Подобные моменты не следует игнорировать, так как неисправности в ЦПГ неизбежно приведут к дорогостоящему ремонту.

Точно определить состояние поршней и цилиндров позволяет разборка ЦПГ, а также осмотр других систем автомобиля, например, воздушного фильтра. Помимо этого, в ходе диагностики производится замер компрессии в цилиндрах, берутся пробы масла из картера и т.п.

Ресурс ЦПГ зависит от типа двигателя, его режима эксплуатации, сервисного обслуживания и других параметров. В среднем для отечественных автомобилей он составляет около 200 тыс. км, для иномарок – до 500 тыс. км. Существуют так называемые «двигатели-миллионники», ресурс которых может превышать 1 млн. км пробега.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя включает в себя замену компрессионных и маслосъемных колец, восстановление и расточку цилиндров, установку новых шатунов и поршней.

Износ цилиндров определяется при помощи специального прибора – индикаторного нутрометра. Сколы и трещины на стенках заваривают или заделывают эпоксидными пастами.

Новые поршни подбираются по массе и диаметру к гильзам, а поршневые пальцы – к втулкам верхних головок шатунов и поршням. Шатуны предварительно проверяют на предмет повреждений и при необходимости восстанавливают или заменяют.

Возврат к списку

Поршни и шатуны двигателей

Функция поршня состоит в том, чтобы действовать как подвижная заглушка в цилиндре, образуя нижнюю часть камеры сгорания. Между поршнем и стенкой цилиндра имеется газонепроницаемое уплотнение, так что единственный способ расширить горячие газы сгорания — это заставить поршень опуститься. Это тот же принцип, что и у пушечного ядра, но вместо того, чтобы лететь в чей-то любимый пиратский корабль, поршень выталкивается обратно вверх по цилиндру вращающимся коленчатым валом, и цикл повторяется.

Более 60 % трения внутри двигателя возникает из-за движения поршня в сборе, поэтому это основное направление для повышения эффективности двигателей. Поршень все еще находится в стадии разработки и исследований, как мы вскоре увидим более подробно.

При изменении направления движения поршня вверх и вниз возникают огромные силы. Более легкий поршневой узел имеет меньший импульс, поэтому он оказывает меньшее усилие и позволяет использовать двигатели с более высокими оборотами. Это означает, что существует постоянный толчок к уменьшению веса шатуна и поршня.

Поршень соединен с коленчатым валом через
шатун
, часто сокращается до
стержень
или
шатун
. Эти части вместе называются
поршень в сборе
. Оба конца шатуна могут свободно поворачиваться: часть шатуна, которая соединяется с поршнем, называется
маленький конец
, а конец, который крепится к коленчатому валу, называется
большой конец
. Большой конец будет иметь
вкладыши подшипников
которые минимизируют трение и поддерживают точный масляный зазор с шатунной шейкой на коленчатом валу. Шатун разделен на две части — с
крышка штока
используется для зажима вокруг подшипника шатуна и коленчатого вала.

Компоненты сборки поршня

Поршень

Вся мощность в двигателе создается за счет силы, действующей на верхнюю часть поршня. Эта сила определяется как произведение площади поршня на давление газа. Большие поршни и более высокое давление газа обеспечат большую мощность. В целом размер поршня ограничен конструкцией двигателя, но поршень играет жизненно важную роль в поддержании высокого давления газа, создавая газонепроницаемое уплотнение со стенкой цилиндра.

Верхняя поверхность поршня называется
корона
(также
головка
или
купол
). В серийных двигателях существуют различные формы короны, но обычно она бывает плоской, выпуклой или выпуклой.

[Различные формы коронок]

Почти все современные поршни включают
предохранительные клапаны
которые обеспечивают зазор вокруг клапанов в верхней части хода поршня.

Головка, являющаяся областью непосредственного контакта с горячими дымовыми газами, сильно нагревается. Именно эта область расширяется больше всего, поэтому от нижней части поршня будет небольшой конус внутрь, чтобы обеспечить больший зазор вокруг этой верхней площадки между головкой и верхним поршневым кольцом.

Хотя нам нужно газонепроницаемое уплотнение, нам также нужно, чтобы поршень плавно двигался по цилиндру с минимальным трением, поэтому поршню требуется некоторое
зазор
. Типичный поршень имеет зазор 0,1 мм (0,004 дюйма) между собой и стенкой цилиндра, что примерно равно ширине человеческого волоса. Чтобы сохранить этот зазор, поршень должен быть точно обработан, а сплав, из которого он сделан, точно рассчитан с учетом теплового расширения.

Небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра перекрывается
поршневые кольца
, которые входят в канавки на поршне в области, известной как
поршневой ремень
. Промежутки между этими бороздками называются
кольцевые земли
.

Поршень прикреплен к шатуну короткой полой трубкой, называемой
штифт на запястье
, или
поршневой палец
. Этот штифт на запястье несет всю силу горения.

На поршень действуют не только вертикальные силы во время сгорания, но и боковые силы, вызванные постоянно изменяющимся углом наклона шатуна. Из-за этих боковых сил поршень нуждается в гладких поверхностях, чтобы прижиматься к стенке цилиндра и удерживать поршень в вертикальном вертикальном положении. Боковые поверхности поршня называются
юбка поршня
.

[Полная юбка против юбки-тапочки]

Есть два типа юбок. Самым основным является
пышная юбка
или сплошная юбка, представляющая собой поршень классической трубчатой ​​формы. Эта конструкция до сих пор используется в двигателях грузовиков и больших коммерческих автомобилей, но уже давно заменена на легковых автомобилях и мотоциклах более легкой конструкцией, известной как
скользящий поршень
.

У плунжерного поршня срезана часть юбки, оставлены только поверхности, которые опираются на переднюю и заднюю стенки цилиндра. Это удаление минимизирует вес и уменьшает площадь контакта между поршнем и стенкой цилиндра, тем самым уменьшая трение.

Современные серийные двигатели дополнительно снижают трение между поршнем и стенкой цилиндра за счет использования
покрытия поршня с низким коэффициентом трения
, похоже на тефлон в сковороде с антипригарным покрытием. Эти покрытия обычно наносят методом трафаретной печати на юбки поршней, например, как показано на рисунке покрытие на основе графита на двигателе Ford Fiesta Ecoboost.

[Поршень Ford]

Когда поршень толкается вниз во время такта сгорания, он оказывает боковое усилие в направлении, противоположном наклонному шатуну. Направление цилиндра, на которое действует эта сила, известно как сторона тяги, и и поршень, и стенка цилиндра будут подвергаться большему износу в этой области.

[Диаграмма тяги]

Поршень сильно нагревается и должен эффективно рассеивать это тепло. Тепло от поршня поступает в три места: в виде лучистого тепла в камеру сгорания, в стенки цилиндра через поршневые кольца и вниз по шатуну. Кроме того, во многих двигателях поршень охлаждается за счет распыления масла на его нижнюю часть.

Поршневые кольца

Поршневые кольца устанавливаются вокруг поршня, перекрывая небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра. На поршне обычно три поршневых кольца, и они выполняют разные функции.

Компрессионные кольца

Два верхних кольца называются
компрессионные кольца
(также известен как
прижимные кольца
или
газовые кольца
) и их основная роль заключается в предотвращении попадания газов через небольшой зазор между поршнем и стенкой цилиндра. Этот проход газа мимо поршня в картер известен как
продувка
и должно быть сведено к минимуму для поддержания сжатия.

Компрессионные кольца обычно изготавливаются из цельного чугуна и оказывают внешнее давление на стенку цилиндра. Это внешнее давление возникает из-за естественной упругости колец, но на такте сгорания дополняется давлением газа за кольцами, которое более плотно прижимает их к стенке цилиндра.

[Давление газа за компрессионными кольцами]

Важно отметить, что компрессионные кольца не оказывают бокового давления на поршень и не служат для него направляющими. Канавка в поршне будет глубже, чем ширина поршневого кольца, что позволит кольцу двигаться по масляной пленке.

Компрессионные кольца также передают тепло от поршня к стенке цилиндра, где оно рассеивается в охлаждающей жидкости, протекающей через водяные рубашки.

Эти кольца разбиты с небольшим зазором, что позволяет устанавливать и снимать их над поршнем. Ширина этого
Зазор поршневых колец
будет указан производителем и может быть измерен путем помещения кольца внутрь цилиндра и измерения зазора щупом. На этой иллюстрации зазоры сильно преувеличены, в действительности они будут очень тонкими — 0,2 мм или меньше.

Маслосъемные кольца

Кольцо нижнее на поршень
маслосъемное кольцо
. Масло постоянно разбрызгивается на стенки цилиндров либо из отверстий в шатунах, либо форсунками, установленными в картере. Для минимального трения нам нужна тонкая масляная пленка, а функция маслосъемного кольца состоит в том, чтобы удалять излишки масла и оставлять идеальную масляную пленку для скольжения компрессионных колец и юбки поршня.

Нам определенно не нужно масло в камере сгорания: присутствие масла может вызвать плохое сгорание, высокие выбросы, избыточное нагарообразование на клапанах и поршнях и сизый дым — все это плохие новости для плавно работающего двигателя.

Маслосъемное кольцо обычно состоит из двух тонких хромированных скребковых колец с прокладкой между ними, позволяющей удалять масло. Он предназначен для скольжения по маслу при движении вверх и соскребания его при движении вниз. Это известно как сегментированный дизайн. В канавке управления маслом будут просверлены отверстия, позволяющие лишнему маслу легко стекать обратно в картер.

Установка новых поршневых колец

Область стенки цилиндра над верхним компрессионным кольцом не задевается кольцами и меньше изнашивается. Это может привести к образованию гребня в течение всего срока службы двигателя. Если новые кольца устанавливаются на цилиндр, который не подвергался повторной расточке, то может потребоваться кольцо с удаленной выемкой, известное как обводной выступ, чтобы гарантировать, что новое кольцо не соприкасается с этим гребнем материала.

[Схема смещения колец]

При установке новых колец зазоры должны быть смещены и никогда не должны находиться на одной линии друг с другом, чтобы предотвратить прямой выход газов.

булавка на запястье

Поршень крепится к шатуну через полую трубку из закаленной стали, известную как
штифт на запястье
или
поршневой палец
. Этот штифт проходит через малый конец шатуна и позволяет ему поворачиваться на поршне.

Существует два способа крепления штифта на запястье. А
полуплавающий
В конструкции штифт закреплен в шатуне, но может свободно вращаться в отверстиях в поршне. А
полностью плавающий
поршневой штифт будет свободно вращаться как в малом конце, так и в поршне, и будет закреплен на месте с помощью стопорных колец или тефлоновых кнопок на концах штифта. Для полностью плавающего штифта внутри маленького торцевого отверстия предусмотрена сменная втулка.

Поршневой палец может быть немного смещен в сторону, а не точно по центру поршня. Это известно как
штифт на запястье со смещением
и используется для уменьшения поперечного движения поршня внутри цилиндра. Чрезмерное движение из стороны в сторону известно как стук поршня из-за производимого им стука.

Шатун

шатун
передает усилие от поршня к коленчатому валу, он постоянно подвергается растягивающим, сдавливающим и изгибающим силам, так как действует как посредник в этих двухтактных отношениях. Шатун должен быть конструктивно прочным, и не случайно он имеет форму миниатюрной стальной двутавровой балки, похожей на своих больших братьев, поддерживающих небоскребы и мосты. Профиль двутавровой балки обеспечивает максимальную прочность конструкции при минимальных затратах веса, и, как и в случае с поршнем, мы хотим максимально снизить вес шатуна.

Требуемая прочность шатуна означает, что он изготовлен из кованой стали или порошковой стали. Экзотические двигатели могут иметь титановые шатуны. Чугун не используется из-за его веса.

Верхняя часть шатуна, прикрепленная к поршню, называется
маленький конец
. Он не всегда будет иметь подшипники. От малого конца стержень проходит по профилю в форме двутавровой балки вниз к
большой конец
который разделен на две части, чтобы он мог поместиться вокруг шейки коленчатого вала. Нижняя часть стержня называется
крышка штока
и он будет прикреплен либо шпильками, либо болтами к самому стержню.

В настоящее время стержень обычно изготавливается как единое целое, а затем колпачок стержня надрезается и отламывается. Это оставляет неровную поверхность на сопрягаемой поверхности, но придает большую прочность. Крайне важно, чтобы крышки шатунов не перепутались с другими шатунами — они входят в комплект.

Шатунная шейка будет иметь вкладыши подшипника, разделенные на две половины, эти вкладыши подшипника будут изготовлены из того же материала, что и коренные шейки. Подшипники шатуна смазываются маслом, поступающим под давлением через каналы в коленчатом валу.

Во многих шатунах просверлено отверстие от большого конца вверх через вал к выходному отверстию где-то по всей длине. Этот канал позволяет маслу проходить вверх по шатуну от большой головки и распыляться на упорную область стенки цилиндра, где трение максимально.

Неисправности

Шлепок поршня

Износ стенки цилиндра или юбки поршня может привести к слишком большим зазорам между поршнем и стенкой цилиндра. Это допускает чрезмерное перемещение поршня из стороны в сторону. Когда поршень меняет направление в верхней и нижней части своего хода, это может привести к его ударам о стенку цилиндра, вызывая шум, известный как
стук поршня
.

Стук поршня обычно усиливается, когда двигатель холодный, до того, как поршень успел нагреться и расшириться. Его можно вылечить путем механической обработки цилиндра и использования поршня увеличенного размера.

Модификации и обновления

Модернизированные поршни и шатуны

Установка комплекта более прочных и легких шатунов и поршней сделает двигатель более мощным. Это может быть важно для турбонаддува или наддува двигателя. Переход от кованых стержней к титану или порошковой (спекшейся) стали приведет к более прочному двигателю.

Покрытия поршней

Как обсуждалось выше, недавно разработанные двигатели часто имеют антифрикционное покрытие, наносимое на поршни на заводе. Но эти покрытия также доступны на вторичном рынке для снижения трения и увеличения (или уменьшения) теплопередачи.

[Примеры покрытий]

• Покрытия наносятся на юбку для уменьшения трения между ней и стенкой цилиндра.
  

Керамическое покрытие

• может быть нанесено на головку и предназначено для отражения тепла обратно в камеру сгорания и уменьшения его количества, передаваемого поршню.
  
• Нижняя сторона поршня может иметь нескользящее покрытие, известное как
  маслоотталкивающее покрытие
  который отталкивает масло, тем самым уменьшая вес узла и обеспечивая более эффективное охлаждение масла.
  

Все, что вы хотели знать о поршнях – Статья – Автомобиль и водитель 9

Автомобиль и водитель

Кусочки алюминия внутри вашего двигателя живут в огненном аду. При полностью открытой дроссельной заслонке и 6000 об/мин поршень бензинового двигателя подвергается воздействию силы почти в 10 тонн каждые 0,02 секунды, поскольку повторяющиеся взрывы нагревают металл до более чем 600 градусов по Фаренгейту.

В наши дни этот цилиндрический Аид горячее и интенсивнее, чем когда-либо, и для поршней, скорее всего, станет только хуже. Поскольку автопроизводители стремятся к повышению эффективности, производители поршней готовятся к будущему, в котором самые мощные безнаддувные бензиновые двигатели будут производить 175 лошадиных сил на литр по сравнению со 130 сегодняшними. С турбонаддувом и повышенной мощностью условия становятся еще более жесткими. За последнее десятилетие рабочая температура поршня поднялась на 120 градусов, а пиковое давление в цилиндре увеличилось с 1500 фунтов на квадратный дюйм до 2200 фунтов на квадратный дюйм.

Поршень рассказывает историю о двигателе, в котором он находится. Коронка может показать отверстие, количество клапанов и то, впрыскивается ли топливо непосредственно в цилиндр. Тем не менее, конструкция и технология поршня также могут многое сказать о более широких тенденциях и проблемах, стоящих перед автомобильной промышленностью. Выдумывая максиму: как движется автомобиль, так работает и двигатель; и как движется двигатель, так движется и поршень. В поисках лучшей экономии топлива и снижения выбросов автопроизводители требуют более легких поршней с меньшим коэффициентом трения и выносливостью, чтобы выдерживать более жесткие условия эксплуатации. Именно эти три проблемы — долговечность, трение и масса — поглощают рабочие дни поставщиков поршней.

Во многих отношениях развитие бензиновых двигателей идет по пути, проложенному дизелями 15 лет назад. Чтобы компенсировать 50-процентное увеличение пикового давления в цилиндре, некоторые алюминиевые поршни теперь имеют вставку из железа или стали для поддержки верхнего кольца. Самые горячие бензиновые двигатели скоро потребуют охлаждающей галереи или закрытого канала на нижней стороне головки, который более эффективен для отвода тепла, чем сегодняшний метод простого распыления масла на нижнюю часть поршня. Разбрызгиватели стреляют маслом в маленькое отверстие в нижней части поршня, которое питает галерею. Однако кажущаяся простой технология непроста в производстве. Создание полого канала означает отливку поршня из двух частей и их соединение трением или лазерной сваркой.

На поршни приходится не менее 60 процентов трения двигателя, и улучшения здесь напрямую влияют на расход топлива. Снижающие трение пропитанные графитом смоляные накладки, нанесенные трафаретной печатью на юбку, теперь почти универсальны. Поставщик поршней Federal-Mogul экспериментирует с конической поверхностью маслосъемного кольца, что позволяет уменьшить натяжение кольца без увеличения расхода масла. Трение нижнего кольца может разблокировать до 0,15 лошадиных сил на цилиндр.

Автопроизводители также жаждут новых покрытий, снижающих трение между деталями, которые трутся или вращаются друг о друга. Твердое и скользкое алмазоподобное покрытие, или DLC, перспективно для гильз цилиндров, поршневых колец и поршневых пальцев, где оно может устранить необходимость в подшипниках между пальцем и шатуном. Но это дорого и мало применимо в современных автомобилях.

«[Производители] часто обсуждают DLC, но попадут ли они в серийные автомобили — это знак вопроса», — говорит Йоахим Вагенбласт, старший директор по разработке продуктов в Mahle, немецком поставщике автозапчастей.

Все более сложное компьютерное моделирование и более точные методы производства также позволяют создавать более сложные формы. В дополнение к чашам, куполам и углублениям клапана, необходимым для зазора и достижения определенной степени сжатия, асимметричные юбки имеют меньшую и более жесткую область на упорной стороне поршня, чтобы уменьшить трение и концентрацию напряжения. Переверните поршень, и вы увидите конические стенки толщиной едва ли более 0,1 дюйма. Более тонкие стенки требуют более жесткого контроля за допусками, которые уже измеряются в микронах или тысячных долях миллиметра.

Тонкие стены также требуют лучшего понимания теплового расширения объекта, который иногда должен нагреваться от нуля до нескольких сотен градусов за считанные секунды. Металл в вашем двигателе неравномерно расширяется при нагревании, поэтому оптимизация допусков требует опыта проектирования и точных возможностей обработки для создания небольших эксцентриситетов в деталях.

«Ничто из того, что мы делаем, не является прямым или круглым, — говорит Кери Уэстбрук, директор по разработкам и технологиям в Federal-Mogul. «Мы всегда строим некоторую компенсацию».

Поршни дизельных двигателей претерпевают собственную эволюцию по мере того, как пиковое давление в цилиндрах возрастает до 3600 фунтов на квадратный дюйм. Mahle и Federal-Mogul предсказывают переход от литого алюминия к поршням из кованой стали. Сталь плотнее алюминия, но в три раза прочнее, благодаря чему поршень более устойчив к более высоким давлениям и температурам без увеличения веса.

Сталь позволяет заметно изменить геометрию за счет уменьшения высоты сжатия поршня, определяемой как расстояние от центра поршневого пальца до вершины головки. На эту площадь приходится 80 процентов веса поршня, поэтому короче обычно означает легче. Важно отметить, что более низкая компрессионная высота не только сжимает поршни. Это также позволяет использовать более короткий и легкий блок двигателя, поскольку высота платформы уменьшена.

Mahle производит стальные поршни для передовых турбодизельных двигателей, таких как Audi R18 TDI, четырехкратный победитель Ле-Мана, и двигатель Mazda LMP2 Skyactiv-D. В конце этого года компания начнет поставки своих первых стальных поршней для серийного дизельного двигателя малой грузоподъемности — 1,5-литрового четырехцилиндрового двигателя Renault.

Непреходящая актуальность двигателя внутреннего сгорания обусловлена ​​постоянной эволюцией его компонентов. Поршни не сексуальны. Они не такие модные, как литий-ионный аккумулятор, не такие сложные, как коробка передач с двойным сцеплением, и не такие интересные, как дифференциал с вектором крутящего момента. Тем не менее, после более чем столетия автомобильного прогресса поршни с возвратно-поступательным движением продолжают производить большую часть движущей силы.

1. Ferrari F136

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применения: 900 10. Ferrari 458 Italia (на фото) , 458 Spider

Тип двигателя: DOHC V-8

Рабочий объем: 274 ​​куб. дюйма, 4497 ​​см3

Удельная мощность: 125,0 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 9000 об/мин

Отверстие: 3,70 дюйма

Вес: 2,1 фунта

2. Ford Fox

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применение: Форд Фиеста (показан) , Фокус

Тип двигателя : рядный 3-цилиндровый DOHC с турбонаддувом

Рабочий объем: 61 куб. дюйм, 999 см3

Удельная мощность: 123,1 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин

Отверстие: 2,83 дюйма

Вес: 1,5 фунта

3. Cummins ISB 6.7

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

: Ram Heavy Duty (на фото)

Тип двигателя : рядный шестицилиндровый дизельный двигатель с толкателем и турбонаддувом

Рабочий объем: 408 куб. дюймов, 6690 куб.см

Удельная мощность: 55,3 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 3200 об/мин

Отверстие: 4,21 дюйма

Вес: 8,9 фунта

4. Ford Coyote

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применения: 900 10 Ford F-150, Mustang (на фото)

Тип двигателя: DOHC V-8

Рабочий объем: 302 куб. дюйма, 4951 куб.см

Удельная мощность: до 84,8 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 7000 об/мин

Отверстие: 3,63 дюйма

Вес: 2,4 фунта

5. Fiat Fire 1.4L Turbo

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применение с: Додж Дарт; Фиат 500 Абарт (на фото) , 500 л, 500 Turbo

Тип двигателя: рядный четырехцилиндровый SOHC с турбонаддувом

Рабочий объем: 83 куб. дюйма, 1368 куб.см

Удельная мощность: до 117,0 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин

Отверстие: 2,83 дюйма

Вес: 1,5 фунта

6. Cummins ISX15

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применение: большегрузные автомобили (показан International Prostar)

Тип двигателя: рядный шестицилиндровый дизель SOHC с турбонаддувом

Рабочий объем: 912 куб. дюймов, 14 948 куб.

Удельная мощность: до 40,1 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 2000 об/мин

Отверстие: 5,39 дюйма

Вес: 26,4 фунта

7. Chrysler LA-серии Magnum V-10

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применение: Dodge Viper (на фото) 90 003

Тип двигателя: толкатель V-10

Рабочий объем: 512 куб. дюймов, 8382 куб. см

Удельная мощность: 76,4 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 6400 об/мин

Отверстие: 4,06 дюйма

Вес: 9 шт.0010 2,8 фунта

8. Ford EcoBoost 3.5L

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

: Ford Expedition, Explorer Sport, F-150 (на фото) , Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator

Тип двигателя: с двойным турбонаддувом DOHC V-6

Рабочий объем: 213 куб. дюймов, 3496 куб. см

Конкретный выход: до 105,8 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин

Отверстие: 3,64 дюйма

Вес: 2,6 фунта

9. Toyota 2AR-FE

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применений: 9 0010 Scion TC (показан) ; Toyota Camry, RAV4

Тип двигателя: DOHC, рядный, четыре

Рабочий объем: 152 куб.дюйма, 2494 куб.см

Удельная мощность: до 72,2 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин

Отверстие: 3,54 дюйма

Вес: 2,5 фунта

10. Цепная пила Stihl MS441

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применение: MS441 Цепная пила C-M Magnum (на фото) , MS441 Цепная пила C-MQ Magnum

Тип двигателя: двухтактный одноцилиндровый

Рабочий объем: 4 куб. дюйма, 71 см3

Удельная мощность: 79,7 л.с./л

Максимальная частота вращения двигателя: 13 500 об/мин

Отверстие: 1,97 дюйма

Вес: 0,4 фунта

11. Chrysler Hellcat 6.2L

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Применение: Dodge Challenger SRT Hellcat

Тип двигателя: толкатель V-8 с наддувом

Рабочий объем: 376 куб. дюймов, 6166 куб. см

Удельная мощность: 114,7 л.с./л

Максимальная скорость двигателя: 6200 об/мин

Отверстие: 4,09 дюйма

Вес: 3,0 фунта

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

По мере увеличения нагрузки на поршни растут и требования к шатунам. Более высокое давление сгорания приводит к большим нагрузкам на стержни, соединяющие поршни с кривошипом. За редким исключением экзотических деталей из титана, шатуны обычно либо изготавливаются из порошковой стали, прессуются и нагреваются в форме, либо выковываются из стальной заготовки для более высокопроизводительных приложений. Основным технологическим сдвигом является растрескивание крышек шатунов как для порошковых, так и для кованых шатунов. Раньше шатун и торцевая крышка шатуна изготавливались как отдельные детали. Стержни с треснутыми крышками выходят из формы как единое целое в форме накидного ключа. Конец шатунной шейки травится, а затем защелкивается пополам с помощью пресса. Полученная неровная поверхность улучшает выравнивание; обеспечивает более надежное соединение крышки со стержнем; и позволяет использовать более тонкий и легкий шатун в сборе.

РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Неметаллические поршни: Керамика и композиты обеспечивают привлекательность более низкого теплового расширения, меньшего веса, более высокой прочности и жесткости по сравнению с алюминий. В 1980-х Mercedes-Benz использовал грант правительства Германии для создания двигателя 190E с поршнями из углеродного композита, который без проблем проехал 15 000 миль. В то время как технология надежна, производство было ограничивающим фактором. А 1990 Исследование НАСА показало, что обработка одного поршня из углерод-углеродной заготовки стоит 2000 долларов. Альтернативой был трудоемкий процесс ручной укладки.

Роторы Ванкеля: Хорошо, хорошо, мы знаем, что это не возвратно-поступательный поршень, но чугунный треугольный ротор является аналогом поршня двигателя Ванкеля, потому что он преобразует энергию сгорания в крутящий момент. Пока новой Mazda RX не предвидится, нашей единственной надеждой на возрождение роторного двигателя остается Audi, которая дразнила нас расширителем диапазона Ванкеля в своей гибридной концепции Audi A1 e-tron 2010 года.

Овальные поршни: В то время, когда двухтактные мотоциклетные двигатели были нормой, в 1979 году Honda представила на Всемирном Гран-при мотоциклов четырехтактный двигатель. Это один из самых странных двигателей в истории. Мотоцикл Honda NR500 GP был оснащен двигателем V-4 с углом V-образного сечения 100 градусов, овальными цилиндрами с восемью клапанами на каждом и двумя шатунами на поршень. Герметизация овальных поршней оказалась сложной задачей (первоначальный бизнес Соитиро Хонды заключался в поставке поршневых колец для Toyota), но это было одной из меньших забот команды.