Общая информация о поршнях

Поршень - одна из важнейших деталей двигателя внутреннего сгорания. Он передает энергию сгорания топлива через палец и шатун коленчатому валу. Он вместе с кольцами уплотняет цилиндр от попадания продуктов сгорания в картер. Во время работы на поршень действуют высокие механические и тепловые нагрузки.

 Максимальное давление в цилиндре, возникающее при сгорании топливно-воздушной смеси, может достигать 65-80 бар в бензиновом двигателе и 80-160 бар в дизеле. Это эквивалентно силе в несколько тонн, действующей на поршень двигателя легкового автомобиля и в десятки тонн - на поршень тяжелого дизеля.

Во время работы поршень совершает возвратно-поступательное движение, периодически ускоряясь до скорости более 100 км/час, а затем замедляясь до нуля. Такой цикл происходит с удвоенной частотой вращения коленвала, т.е. при 6000 об/мин цикл ускорение-замедление происходит с частотой 200 Гц.

Максимальная величина ускорений, приходящаяся на верхнюю и нижнюю мертвые точки, может достигать 15000-20000 м/с², что соответствует перегрузке 1500-2000g. Космонавт при выводе ракеты в космос кратковременно испытывает перегрузки в 150 раз меньше. От действия ускорений возникают инерционные силы по величине соизмеримые с теми, что действуют от давления при сгорании.

Сгорание топливовоздушной смеси происходит при температуре 1800-2600°С. Эта температура значительно превышает температуру плавления поршневого сплава на основе алюминия (~700°С). Чтобы не расплавиться, поршень должен эффективно охлаждаться, передавая тепло от камеры сгорания через кольца, юбку, стенки цилиндра, палец и внутреннюю поверхность охлаждающей жидкости и маслу. При нагревании поршня происходит снижение предела прочности материала, возникают термонапряжения от перепадов температуры по его телу, которые накладываются на напряжения от сил давления газов и инерционных сил. Таким образом, условия работы поршня можно определить как очень сложные.

Чтобы поршень противостоял этим воздействиям, он должен быть легким, прочным, износостойким, хорошо проводить тепло. Все перечисленные условия должны быть учтены при проектировании. Форма внутренних поверхностей и конструктивных элементов поршня должна обеспечивать заданную прочность и работоспособность за счет рационального распределения и использования материала.

Особое внимание уделено форме наружной поверхности. Внешний профиль боковой поверхности поршня формируется с учетом деформаций от механических нагружений (давления газов и инерционных сил) и теплового воздействия от сгорания топливовоздушной смеси таким образом, чтобы ни при каких условиях не произошло заклинивание в цилиндре, прорыв горячих газов в картер, прогорание камеры сгорания.

Температура поршня в зоне камеры сгорания (на днище) выше, чем на юбке, температурное расширение головки больше чем юбки, поэтому поршень в холодном состоянии – бочкообразный, с уменьшением диаметра от юбки к головке.

Сила давления газов, силы инерции и боковая сила деформируют поршень так, что юбка овализируется. Для компенсации этой деформации поршень изначально выполняется с «противоэллипсом», большая ось которого расположена в перпендикулярно оси пальцевого отверстия.

Зазоры между поршнем и цилиндром должны быть сведены к минимуму для предотвращения шума, особенно в холодном двигателе. Но они должны быть достаточными для предотвращения заклинивания при работе прогретого двигателя.

Бочкообразная и овальная форма внешней поверхности кроме компенсации соответствующих деформаций от силового и теплового воздействия обеспечивает образование масляной пленки между поршнем и цилиндром (гидродинамическая смазка)

Конструктивные особенности поршня 

Подробности, связанные с конструктивными элементами поршней, позволят глубже понять сложность задач, стоящих перед производителями.

Головка поршня - это его верхняя часть, которая включает днище и зону канавок под поршневые кольца. Вместе с головкой цилиндра днище поршня образует камеру сгорания. Камера сгорания может быть выполнена и в головке. На днище действуют давление газов и тепло от сгорания топлива. Головка поршня должна:

-обеспечивать хорошее смесеобразование и полноту сгорания топлива;

-сохранять прочность при высокой температуре;

-обеспечивать отвод тепла от днища;

-передавать усилие на поршневой палец и шатун через бобышки;

-обеспечивать заданный ресурс по износу канавок под поршневые кольца.

В дизельных двигателях с непосредственным впрыском камера сгорания, как правило, выполняется в поршне и оказывает большое влияние на процессы смесеобразования и горения.

В дизельных двигателях с предкамерным впрыскиванием и бензиновых двигателях днище поршня плоское или имеет небольшие выборки.

Головка алюминиевых поршней может быть анодирована (нанесено защитное окисное покрытие). В дизельных двигателях камера сгорания может быть упрочнена путем армирования металлокерамическим волокном в процессе литья под давлением.

Канавки под поршневые кольца располагаются на боковой поверхности головки поршня. Обычно их три: две под компрессионные и одна под маслосъемное кольца. Поршневые кольца образуют уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра, не допуская прорыва горячих газов в картер и масла в камеру сгорания.

Перемычки между канавками (особенно между первой и второй для компрессионных колец) подвергаются высоким механическим и тепловым нагрузкам - 50-60% тепла отводится в цилиндр через компрессионные кольца.

Неравномерный нагрев и тепловое расширение головки может привести к нарушению формы канавок. Это отрицательно влияет на расход масла и вызывает износ стенки цилиндра и самой канавки. Для устранения этого явления кольцевые канавки выполняются под небольшим углом так, чтобы наружные кромки были выше внутренних. Это препятствует появлению нежелательного наклона поперечного сечения канавки вниз на рабочих режимах.

К канавкам верхних компрессионных колец предъявляются особо жесткие требования, в особенности в дизельных двигателях с высокой степенью сжатия. Для упрочнения эти канавки часто армируются специальными вставками, изготовленными из нирезиста (легированный никелем чугун), или зона канавки упрочняется путем плазменного переплава с присадкой легирующих компонентов. Эти мероприятия повышают износостойкость и снижают шум в дизельном двигателе.

Имеются наиболее распространенные типы вставок с параллельными сторонами и вставки с конусообразными сторонами. Существуют нирезистовые вставки с одной канавкой или, в некоторых высокофорсированных дизельных двигателях, с двумя канавками под компрессионные кольца. Иногда к нижней торцевой поверхности канавки первого компрессионного кольца прикрепляется полоска из нержавеющей стали, выполняющая ту же функцию, что и нирезистовая вставка.

Через поршневой палец в процессе работы передаются значительные переменные усилия и тепловые потоки. Поэтому поверхности пальцевых отверстий в поршне должны быть обработаны с высокой точностью, при этом шероховатость поверхности может достигать 0,1 мкм. Для снижения напряжений на кромках бобышек и в пальце с внутренней стороны отверстий иногда выполняется конус с небольшим углом (менее 1 градуса).

Важным конструктивным приемом для снижения шума, возникающего при перекладке поршня вблизи верхней мертвой точки, является смещение пальцевого отверстия от оси поршня в направлении той стороны юбки поршня, которая воспринимает боковую силу при рабочем ходе. В этом случае на поршень обязательно наносится метка для правильной установки в двигатель.

 Покрытия

Для улучшения работы поршней в двигателе их поверхность часто подвергается различным видам обработки, в частности, на нее наносятся покрытия. Эти покрытия выполняют две главные функции:

-        улучшение приработки поршня. Обычно их наносят на юбку, и они изнашиваются через определенное время на этапе обкатки двигателя;

-        улучшение механических свойств поверхности поршня (твердость, износостойкость). Некоторые покрытия остаются на поршне на все время эксплуатации, предотвращая эрозию, растрескивание и улучшая антифрикционные свойства.

Головка поршня дизельных двигателей иногда подвергается анодированию (покрывается окисью алюминия) для уменьшения температуры основного материала и опасности растрескивания головки, вызываемого высокими термическими нагрузками при работе.

[1] Микрорельеф не является покрытием, но выполняет как приработочную, так и противоизносную функцию.