Поршень

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поршень мощного быстроходного дизеля со вставкой под верхнее кольцо

По́ршень — основная деталь насосов, компрессоров и поршневых двигателей внутреннего сгорания, служащая для преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения (в компрессорах - наоборот). Для дальнейшего преобразования энергии в крутящий момент служат остальные детали КШМ — шатуны и коленчатый вал. Первый поршневой ДВС создан французским инженером Ленуаром в 1861 году[1], до этого поршни применялись в паровых машинах и насосах.

Устройство поршня[править | править код]

Автомобильный поршень

Поршень тронкового двигателя или компрессора имеет три части, выполняющие свои функции[2]:

  • днище (воспринимает газовые силы и тепловую нагрузку);
  • уплотняющая часть (препятствует прорыву газов, передаёт большую часть тепла от поршня цилиндру);
  • направляющая часть (тронк) — передаёт боковую силу на стенку цилиндра, поддерживает положение поршня.

Головкой поршня называют днище заодно с уплотняющей частью. Для передачи усилия от поршня может использоваться шток в крейцкопфных двигателях, либо шатун, соединяемый с поршнем посредством пальца[3]. Другие варианты соединения (СПГГ, шайбовые и двигателях Баландина) используют редко. Кроме тронка или крейцкопфа, боковые усилия может воспринимать сам шток.

В крейцкопфных двигателях могут применяться двусторонние поршни. Такой поршень имеет два днища, и тепловой режим его более напряжённый[4]. Но в случае использования подпоршневого пространства как продувочного насоса тепловая напряжённость не возрастает. Теплонапряжённость растёт в 2-тактных двигателях, особенно при использования поршня как золотника выпуска[5].

Поршневой палец, при его наличии (тронковые поршни), всегда стальной, ограничен в перемещении в бобышках стопорными кольцами, либо пластиковыми упорами (Mercedes), либо его положение определено запрессовкой в шатуне (ранние модели ВАЗ). Чаще всего применяют плавающий палец со стопорными кольцами.

Днище[править | править код]

Формы камеры сгорания в поршне дизельного двигателя (показана форсунка и распыл)

Его форма зависит от типа двигателя, смесеобразования, расположения свечей, форсунок, клапанов, метода организации газообмена в цилиндре. 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[6], 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. 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. Снижение 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[7]. 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[8].

Уплотняющая часть[править | править код]

Поршень имеет установленные в канавках компрессионные и маслосъёмные кольца. Типичное количество колец на автомобильных моторах — 3, ранее применялись конструкции с 4—6 кольцами[9]. 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[10] (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[11].

Решающее значение для уплотнения поршня имеет качество колец: хорошее прилегание к зеркалу без просветов[12], чистота обработки по наружному диаметру и высоте, зазор в замке, и покрытие колец износостойкими материалами[13]. Чугунные маслосъёмные кольца надёжнее составных, потому что вероятность ошибок при их установке меньше[14]. В автомобильных ДВС до 80 % тепла отводится от поршня через кольца[15], 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[16]. Теплоотдача от поршня достигает расчётной, когда сотрутся следы хона в цилиндре, и притрутся кольца.

Направляющая часть[править | править код]

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, 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 второе маслосъёмное кольцо может быть расположено ниже оси пальца, в юбке[17].

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

Поршни быстроходных ДВС 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)[18].

Материалы[править | править код]

Требования к материалу поршней:

  • высокая механическая прочность;
  • малая плотность;
  • теплостойкость, в том числе термоциклическая;
  • хорошая теплопроводность (важнее в искровых ДВС);
  • малый коэффициент линейного расширения (оптимально — совпадающий с таковым у гильзы);
  • высокая коррозионная стойкость (для дизелей — стойкость к серосодержащим газам);
  • хорошие антифрикционные свойства, обеспечивающие ресурс;
  • для поршней в жидкостных насосах — коррозионная/химическая стойкость;
  • умеренная цена.

Не существует материала, оптимального по всем этим требованиям. Для изготовления автомобильных поршней применяются серый чугун и силумин. В мощных дизелях с большим ресурсом, многотопливных (включая работающие на растительных маслах) применяют составные поршни — днище и уплотняющая часть из жаропрочной стали, тронк из чугуна или силумина. Существуют автомобильные поршни с покрытием керамикой, поршни из жаропрочных сплавов (двигатели Стирлинга).

Чугун[править | править код]

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[править | править код]

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют силуминовые[19] 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[20] 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[21]. Силуминовые поршни для облегчения приработки обычно электролитически покрывают оловом[22]. 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[23];
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)[24];
  • Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью (тихоходные ДВС)[25];
  • компенсационные вставки из инвара, уменьшающие тепловое расширение;
  • повышение содержания кремния в материале поршня[26] (минусом является резкое снижение ресурса отливочных форм).

Составные поршни — головка из жаропрочной стали[править | править код]

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[27]. 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[28]. 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[29].

Ресурс поршня[править | править код]

Две основные проблемы, решаемые в поршневых ДВС: износ и прогар поршня.

Для устранения первой организуют принудительное (обычно масляное) охлаждение поршня[30], повышают твёрдость увеличением доли кремния, используют надёжные воздухоочистители для уменьшения абразивного износа[31], изменяют параметры цикла двигателя для снижения температуры поршня в центре и районе верхнего кольца (напр., увеличивают коэффициент избытка воздуха или увеличивают перекрытие клапанов в наддувных дизелях), применяют вставки под верхнее кольцо, качественные поршневые кольца для хорошего прилегания сразу после обкатки, ускоряют заводскую обкатку применением специальных масел[32], повышают качество моторных масел для устранения закоксовывания колец и надёжной отдачи тепла от днища[33], иногда — используют покрытия для поршня или композитные материалы. В японской практике были варианты пластмассовых поршней с покрытием керамикой. Для продления ресурса применяют антифрикционное покрытие направляющей и даже жаровой поверхности поршня[34]. Ускоренный или аварийный износ контрафактных поршней вызывается нарушением размеров и/или качества поковки/отливки, её материала. Погиб шатуна, перекос гильзы или её посадочного гнезда ведёт к быстрому задиру поршня[35]. В двухтактных ДВС причиной заклинивания может быть нехватка масла в топливе.

Прогар поршня может вызываться конструктивными или эксплуатационными причинами. В первом случае превышена расчётная допустимая температура днища[36], и все двигатели этой модели будут быстро выходить из строя (возможна другая причина — контрафактные поршни[37]: они не могут выдержать нагрузок). Для устранения опасности прогара в этих случаях применяют снижение механических напряжений и температуры поршня[38] (увеличение оребрения, охлаждение, снижение теплоотдачи в поршень изменением параметров цикла)[39]. Для снижения температуры сгорания может применяться даже подача воды в цилиндр[40].

Эксплуатационными причинами прогара могут быть: нарушение угла опережения впрыска/зажигания[41], отказ (заклинивание) форсунки, детонация (бензиновые)[42], чрезмерная форсировка, общий перегрев из-за отказа термостата, потери тосола, зажатых клапанов, бензина с низким октановым числом[43], вызывающим детонацию, длительное калильное зажигание. Это приводит к превышению температуры днища и возможному его прогару. При детонационном сгорании, кроме того, может возникать выкрашивание поверхности, ведущее к дальнейшему её развитию, прогару поршня или вылому перегородок между кольцами, поломке колец. Следовательно, необходимо соблюдать инструкцию — применять нужное топливо, правильно выставлять угол опережения зажигания/впрыска, немедленно прекращать работу неисправного дизеля со стучащей форсункой, или перегретого мотора. Высококачественные форсунки и другие дозирующие элементы топливной аппаратуры значительно продлевают ресурс поршней.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Краткая история создания поршневых двигателей внутреннего сгорания. headinsider.info. Проверено 28 февраля 2018.
  2. Анатолий Дружинин. Модернизация двигателей внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа нового поколения. — Litres, 2017-09-05. — 151 с. — ISBN 9785040749591.
  3. Шатунный и крейцкопфный механизмы — Энциклопедия по машиностроению XXL. mash-xxl.info. Проверено 18 февраля 2018.
  4. Двигатели двойного действия. dvstheory.ru. Проверено 18 февраля 2018.
  5. Теплонапряжённость поршня.
  6. Введение, Определение параметров такта сжатия - Определение параметров такта сжатия и механического шума двигателя автомобиля. studbooks.net. Проверено 26 февраля 2018.
  7. Двигатель УТД-20С1 БМП-2 (методическая разработка) - 2011 год. zinref.ru. Проверено 26 февраля 2018.
  8. Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания. — 1971.
  9. Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания. — 1992.
  10. Кованые поршни. freedocs.xyz. Проверено 8 марта 2018.
  11. Поршень — Энциклопедия журнала "За рулем" (рус.). wiki.zr.ru. Проверено 3 марта 2018.
  12. Функции и свойства поршневых колец. axela-mazda.ru. Проверено 18 февраля 2018.
  13. Goncharov Oleg Gavrilovich. Поршневые кольца двигателя внутреннего сгорания.. k-a-t.ru. Проверено 18 февраля 2018.
  14. В. Г. Александров. Основные вопросы развития быстроходных двигателей внутреннего сгорания. — Рипол Классик, 2013-06. — 261 с. — ISBN 9785458382380.
  15. Модификации поршней форсированного двигателя.
  16. Стык — поршневое кольцо — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1. www.ngpedia.ru. Проверено 26 февраля 2018.
  17. Устройство ЦПГ дизелей А-01, А-41.
  18. Поршень. Часть 1 ― Autopribor.Ru. autopribor.ru. Проверено 8 марта 2018.
  19. Поршневые силумины. www.rudmet.ru. Проверено 29 января 2018.
  20. Показать содержимое по тегу: контрафактные запчасти. transportrussia.ru. Проверено 29 января 2018.
  21. Тепловое расширение доэвтектических поршневых силуминов // Ключевые аспекты научной деятельности. — 2012-01-07. — Т. 17, вып. 2012.
  22. ПОКРЫТИЕ ПОРШНЕЙ ОЛОВОМ - Январь 1934 года - архив За рулем. www.zr.ru. Проверено 22 февраля 2018.
  23. Поршень - это деталь двигателя автомобиля. Устройство, замена, установка поршня, FB.ru. Проверено 26 февраля 2018.
  24. gorysla. Поршни, поршневые кольца и пальцы в двигателе трактора. www.ya-fermer.ru (2 марта 2012). Проверено 26 февраля 2018.
  25. Строительная техника. Поршневая группа (англ.). stroy-technics.ru. Проверено 26 февраля 2018.
  26. Попова М.В., Кибко Н.В. Особенности изменения параметров микроструктуры и теплового расширения силуминов в зависимости от содержания в них кремния // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. — 2013. — Вып. 3 (5). — ISSN 2304-4497.
  27. Конструкция поршней - Моряк. seaspirit.ru. Проверено 22 февраля 2018.
  28. MAFiASCRiPTS. Поршневая группа. dizelagro.com. Проверено 22 февраля 2018.
  29. Л.р№2.суд.дизеля. StudFiles. Проверено 22 февраля 2018.
  30. Применение масляного охлаждения поршня с целью снижения его температур, страница 5. vunivere.ru. Проверено 5 февраля 2018.
  31. Чрезмерный расход масла вследстие дефектов поршневой системы. opelastra10.ru. Проверено 5 февраля 2018.
  32. Обкаточное масло — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2. www.ngpedia.ru. Проверено 18 февраля 2018.
  33. Влияние качества масел на работу двигателя - Справочник химика 21. chem21.info. Проверено 18 февраля 2018.
  34. Двигатель внутреннего сгорания. www.findpatent.ru. Проверено 26 февраля 2018.
  35. Расчет шатуна, Инжзащита - библиотека материалов по инженерной защите, геодезии, литогологии.. Проверено 5 февраля 2018.
  36. Температура поршня. enginepower.pro. Проверено 18 февраля 2018.
  37. Поршни под микроскопом - журнал За рулем. Проверено 18 февраля 2018.
  38. Д. М. Марьин, А. Л. Хохлов, Е. Н. Прошкин Способы снижения теплонапряженности поршней // Наука В Современных Условиях: От Идеи До Внедрения. — 2012. — Вып. 1. — С. 87–90.
  39. Снижение теплонапряженности поршневых групп судовых дизелей. www.dslib.net. Проверено 5 февраля 2018.
  40. Мохамад Ассад, Олег Пенязьков. Продукты сгорания жидких и газообразных топлив. — Litres, 2017-09-05. — 307 с. — ISBN 9785457634473.
  41. Топливная система дизелей (неисправности / причины). www.pajero.us. Проверено 18 февраля 2018.
  42. Повреждения поршней и их причины. Technipedia. Проверено 22 февраля 2018.
  43. Aston. Моторный центр ::АБ-Инжиниринг:: Неправильное сгорание. www.ab-engine.ru. Проверено 18 февраля 2018.