Поршень ДВЗ. Пристрій та призначення

Паливна суміш, що згорає в циліндрі ДВЗ, виділяє теплову енергію. Далі вона перетворюється на механічну дію, що змушує обертатися колінвал. Ключовий елемент цього процесу – поршень.

Ця деталь не така примітивна, як може здатися на перший погляд. Було б великою помилкою розглядати його як простий штовхач.

Поршень розміщується в циліндрі, де і відбуваються його зворотно-поступальні рухи.

Під час просування у бік верхньої мертвої точки (ВМТ) поршень стискає горючу суміш. У бензиновому ДВС вона займається за допомогою в момент, близький до максимального тиску. У дизелі займання відбувається безпосередньо через сильне стискування.

Збільшений тиск газів, що утворюються при згорянні, штовхає поршень у зворотний бік. Разом з поршнем рухається зчленований з ним шатун, який змушує обертатися. Так енергія стиснутих газів перетворюється на обертальний момент, що передається за допомогою трансмісії на колеса автомобіля.

Під час згоряння температура газів сягає 2 тисяч градусів. Оскільки горіння має вибуховий характер, то поршень піддається сильним ударним навантаженням.

Надзвичайна навантаженість та близькі до екстремальних умови роботи припускають особливі вимоги до конструкції та використовуваних для його виготовлення матеріалів.

При розробці поршнів доводиться враховувати набір важливих моментів:

• необхідність забезпечити тривалий термін роботи, а значить, максимально знизити знос деталі;
• запобігти прогарі поршня в умовах функціонування у високотемпературному режимі;
• забезпечити максимальне ущільнення для виключення прориву газів;
• мінімізувати втрати, що виникають через тертя;
• забезпечити ефективне охолодження.

Матеріал для поршнів повинен мати ряд специфічних властивостей:

• значна міцність;
• максимально можлива теплопровідність;
• термостійкість та здатність витримувати різкі перепади температури;
• коефіцієнт теплового розширення повинен мати невелику величину і бути максимально близьким до відповідного коефіцієнта циліндра, щоб забезпечити хороше ущільнення;
• антикорозійна стійкість;
• антифрикційні властивості;
• невисока щільність, щоб деталь була занадто важкої.

Оскільки матеріал, який ідеально відповідає всім цим вимогам, поки не створений, доводиться користуватися компромісними варіантами. Поршні для ДВС виготовляють із сірого чавуну та сплавів алюмінію з кремнієм (силумін). Буває, що роблять голівку зі сталі.

Чавун досить міцний і зносостійкий, добре переносить сильне нагрівання, має антифрикційні властивості і невелике температурне розширення. Але через низьку теплопровідність чавунний поршень здатний нагріватися до 400°C. У бензиновому двигуні це неприйнятно, оскільки може спричинити гартальне запалювання.

Тому в більшості випадків поршні для автомобільних ДВС виготовляють способом штампування або лиття з силуміну, що містить не менше 13% кремнію. Чистий алюміній не годиться, тому що занадто сильно розширюється при нагріванні, що призводить до підвищеного тертя та задирок. Такими можуть бути підробки, на які можна нарватися, купуючи запчастини у сумнівних місцях. Щоб цього не сталося, звертайтеся до надійних .

Поршень з алюмінієвого сплаву легкий і добре проводить тепло, завдяки чому його нагрівання не перевищує 250 °C. Це цілком годиться для ДВЗ, що працюють на бензині. Антифрикційні властивості силуміну також досить добрі.

У той самий час цей матеріал позбавлений недоліків. З підвищенням температури він стає менш міцним. А через значне лінійне розширення при нагріванні доводиться застосовувати додаткові заходи, щоб зберегти ущільнення по периметру головки і не знизити компресію.

Дана деталь має форму склянки і складається з голівки та напрямної частини (спідниці). У головці, у свою чергу, можна виділити днище та ущільнюючу частину.

днище

Є головною робочою поверхнею поршня, саме воно сприймає тиск газів, що розширюються. Його поверхня визначається типом агрегату, розміщенням форсунок, свічок, клапанів та конкретним пристроєм ЦПГ. Для ДВСів, що використовують бензин, вона робиться плоскою або увігнутою форми з додатковими вирізами, що дозволяють уникнути дефектів клапанів. Випукло днище дає підвищену міцність, але збільшує тепловіддачу, тому застосовується рідко. Увігнуте дозволяє організувати невелику камеру згоряння та забезпечити високий рівень стиснення, що особливо актуально в дизельних агрегатах.

ущільнююча частина

Це бічний бік головки. У ньому по колу виконані борозенки для поршневих кілець.

Компресійні кільця відіграють роль ущільнення, запобігаючи витоку стиснутих газів, а маслознімні видаляють зі стінки мастило, не даючи їй потрапити в камеру згоряння. Олія стікає під поршень через отвори в борозенці і далі повертається в масляний картер.

Ділянка бокової сторони між краєм днища та верхнім кільцем називається вогневим або жаровим поясом. Саме він зазнає максимального термічного впливу. Для виключення прогорання поршня цей пояс стає досить широким.

Напрямна частина

Не дозволяє поршню перекоситися під час зворотно-поступального руху.

З метою компенсації термічного розширення спідниця робиться криволінійною або конусоподібною. Збоку зазвичай наноситься антифрикційне покриття.

Зсередини є боби - два напливи з отворами під поршневий палець, на який надівається головка.

З боків у районі розташування бобишок робляться невеликі заглиблення, що перешкоджають термічним деформаціям та виникненню задир.

Оскільки температурний режим роботи поршня дуже напружений, питання його охолодження дуже важливий.

Головний шлях видалення тепла – поршневі кільця. Через них відводиться не менше половини надлишків теплової енергії, яка передається стінці циліндра і далі сорочці охолодження.

Інший важливий канал тепловідведення - мастило. Використовується масляний туман у циліндрі, надходження мастила через отвір у шатуні, примусове розбризкування масляною форсункою та інші способи. За допомогою циркуляції олії може видалятися більше однієї третини тепла.

Крім того, частина теплової енергії йде на нагрівання свіжої порції паливної суміші, що надійшла в циліндр.

Кільця підтримують у циліндрах потрібну величину компресії та відводять левову частку тепла. А ще на них припадає близько чверті всіх втрат на тертя у ДВС. Тому значення якості та стану поршневих кілець для стабільної роботи ДВЗ важко переоцінити.

Зазвичай кілець три - два компресійні зверху і одне маслознімні знизу. Але бувають варіанти і з іншою кількістю кілець від двох до шести.

Буває, що робиться зі сталевою вставкою, що підвищує зносостійкість.

Виробляють кільця із спеціальних марок чавуну. Такі кільця відрізняються високою міцністю, пружністю, зносостійкістю, низьким коефіцієнтом тертя та зберігають свої властивості протягом тривалого часу. Додаткову термостійкість поршневим кільцям надають добавки молібдену, вольфраму та деяких інших металів.

Нові потребують притирання. Якщо ви замінили кільця, обов'язково обкатайте ДВЗ деякий час, уникаючи напружених режимів роботи. В іншому випадку не притерті кільця можуть перегрітися і втратити пружність, а в деяких випадках навіть зламатися. Підсумком може стати порушення ущільнення, втрата потужності, попадання мастила в камеру згоряння, перегрів та прогоряння поршня.