Что такое поршень двигателя? Основное назначение
Поршень занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива в тепловую и механическую. В данной статье поговорим про поршни двигателя внутреннего сгорания, что это такое и основное назначение в работе.
Что такое поршень двигателя?
Поршень двигателя — это деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления.
Насколько хорошо поршни двигателя справляется с возложенными обязанностями — зависят его эффективность и надежность. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов.
Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему много тайн и секретов распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла.
Требования к поршням двигателя
Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ.
В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.
В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.
Основное назначение поршней в работе двигателя
Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если мы не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.
Еще раз повторим известный факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается.
Наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания.
Совершенно понятно, что 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 для этого четыре пути.
Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это 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 и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.
Второй путь менее очевиден. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%.
Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя.
Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности.
Четвертый путь. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит импульсный характер, отличается скоротечностью и высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.
В силу большей значимости следует уделить более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Совершенно понятно, что если этот путь мы перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.
Тут хочу упомянуть такую характеристику, как компрессия. Давайте представим, что кольцо не прилегает по всей своей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.
Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке».
Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Поэтому всегда уделяется много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки.
Сколько колец будет у нового поршня? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.
Нужно одновременно, чтобы кольца были и узкие и широкие. И два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора.
Что такое поршень двигателя. Особенности, принцип работы и предназначение
Cегодня мы узнаем, что называется автомобильным поршнем двигателя, каково его основное предназначение и принцип работы, а также, из каких материалов изготавливаются эти ключевые компоненты
ЧТО ТАКОЕ ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ.
ОСОБЕННОСТИ, ПРИНЦИП РАБОТЫ И ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ
Добрый день, сегодня мы узнаем, что называется автомобильным поршнем двигателя, каково его основное предназначение и принцип работы, а также, из каких материалов изготавливаются эти ключевые компоненты любой силовой установки. Кроме того, расскажем про то, какие требования на современном этапе предъявляются к поршням двигателя и какими конструкторскими особенностями обладают данные детали силовой установки. В заключении поговорим о том, в совокупности с какими узлами двигателя функционируют поршни и каковы их технические характеристики, а также, какую роль играют эти незаменимые элементы мотора транспортного средства.
Итак, что же такое автомобильный поршень двигателя и какую роль он играет в силовой установке? Поршнем двигателя называется специальная деталь цилиндрической формы, которая осуществляет возвратно-поступательные движения внутри рабочей области цилиндра и служит для преобразования топливно-воздушной смеси с целью изменения давления (газа, пара, жидкости) и превращение его в механическую работу.
Другими словами, поршень силовой установки совершает возвратно-поступательные движения для изменения показателя давления в цилиндре. Таким образом, можно уверенно утверждать, что поршень занимает центральное место в процессе преобразования топлива в механическую энергию. Чтобы понимать, каков принцип работы поршня двигателя, необходимо знать его назначение и задачи, которые он выполняет в процессе функционирования силовой установки. Этот вопрос мы подробно разберем в нашей статье, чтобы получить исчерпывающее понятие о поршне и его роли в системе двигателя автомобиля.
ЧТО ТАКОЕ ТУРБОНАДДУВ. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
Справочно заметим, что еще совсем недавно производители автомобильных деталей изготавливали (отливали) поршни силовых установок из чугуна.
Как все мы знаем технологии не стоят на месте и замена тяжелому, а также довольно хрупкому чугуну нашлась, им стал алюминий. Поршни из алюминия обладают рядом достоинств по сравнению с чугуном, например при использовании этого материала, автопроизводители добились роста оборотов с мощностью двигателя, а также снизили нагрузку на детали мотора, повысилась теплоотдача и как следствие увеличился ресурс силовой установки. С того момента, как производители начали использовать в деталях двигателя алюминий, мощность моторов начала расти, причем стремительно, температура и давление в цилиндрах на большинстве современных силовых установках, на примере дизельных стала предельной для прочности алюминия. Поэтому производители стали снова искать альтернативу алюминию. И нашли, ею оказалась сталь.
На сегодняшний день большинство современных двигателей оснащаются стальными поршнями, которые надежно и уверенно выдерживают постоянно возрастающие нагрузки.
Стальные поршни в сравнении с алюминиевыми и чугунными обладают меньшим весом, благодаря более тонким стенкам, а также меньшей компрессионной высотой, то есть расстоянием от днища детали до оси алюминиевого пальца. Кроме того, поршни из стали идут не литыми по конструкции, а сборные.
Также отметим, что благодаря уменьшению вертикальных габаритов стального поршня при неизменном блоке цилиндров это дает возможность производителю удлинять шатуны. Это позволяет в свою очередь снизить нагрузку на рабочую пару, то есть на цилиндр и поршень, что довольно положительно сказывается на оптимизации расхода топлива, а также на ресурсе силовой установки. Кроме того, при замене шатунов и коленчатого вала, можно довольно просто укоротить блок цилиндров, что даст возможность облегчить по массе двигатель.
1. Требования предъявляемые к поршням двигателя
На сегодняшний день существует 4 основных требования, которые предъявляются к поршням двигателя транспортного средства и все они так или иначе сводятся к единственному, а также самому ключевому параметру — сроку службы детали. Справочно заметим, что требования, которые мы сейчас перечислим, предъявляются современными условиями эксплуатации автомобилей.
Требования предъявляемые к современным поршням силовой установки:
— Первое требование относится к сопротивляемости поршня высокой температуре, давлению газов и надежной герметизации канала цилиндра. Происходит это благодаря перемещению поршня в цилиндре, что позволяет расширять сжатые газы и продукты горения топлива, что обеспечивает высвобождение механической энергии.
— Второе требование заключается в том, что цилиндр с поршнем и кольцами (поршневыми) обеспечивает оптимальное скольжение линейного подшипника, который минимизирует механические потери во время трения деталей в цилиндре, что как следствие выливается в более долгий срок службы узлов.
— Третье требование заключается в том, что поршень двигателя постоянно испытывает высокие нагрузки со стороны камеры сгорания топливно-воздушной смеси и удары от шатуна, поэтому деталь должна выдерживать любые механические воздействия на нее.
— Четвертое требование заключается в том, что поршень двигателя совершая возвратно-поступательные движения на высокой скорости, не должен создавать нагрузку на кривошипно-шатунный узел своими инерционными воздействиями.
На самом деле требований к поршням двигателя, да и к другим ключевым деталям силовой установки насчитывается более десятка, однако по мнению большинства специалистов по ремонту транспортных средств, данная группировка является одной из самых точных. Вышеописанные требования наиболее четко описывают и показывают, какую важную роль в функционировании двигателя играют поршни.
2. Основное назначение и принцип работы поршней двигателя
Справочно заметим, что в процессе функционирования двигателя, топливо сгорает в камере над поршнем и выделяет при этом большое количество тепла, причем происходит это при каждом цикле работы силовой установки. Температура сгоревших газов порой составляет около 2 тысяч градусов по Цельсию, причем только часть энергии передается движущимся узлам мотора, а остальная реакция остается в двигателе сильно его нагревая.
Определенные остатки тепла также выходят в выхлопную трубу с отработанными газами. Таким образом, если поршень не будет подвергаться охлаждению, то он через какое то время просто расплавиться, из какого материала он не был бы изготовлен. Выше описанная процедура является очень важным нюансом, который раскрывает всю сложность условий работы поршневой группы.
Все мы прекрасно знаем, что образовавшийся тепловой поток всегда направлен от более нагретых элементов к деталям с меньшей температурой. Данный физический процесс позволяет увидеть распределение температур по поршню во время его активной рабочей фазы. Кроме того, это позволит определить конструктивные особенности и нюансы, которые влияют на его температурный режим, то есть понять благодаря, каким факторам он охлаждается.
Что касается наиболее нагреваемых участков во время функционирования двигателя, то наивысшая температура образуется в камере сгорания у топливно-воздушной смеси.
Исходя из ранее сказанного, тепло будет передаваться самой холодной поверхности или воздуху. Если тепло передается окружающему воздуху в моторе, то он омывая радиатор, а также корпус силовой установки, остудит в жидкость охлаждающего типа, блок цилиндров и корпус головки. Однако мы забыли про поршень, как же он остывает? А для него необходим специальный, так называемый тоннель, по которому будет передаваться тепло детали на блок цилиндров, а затем направляться в охлаждающую жидкость. Процедура по охлаждению поршня происходит благодаря дополнительным элементам и жидкостям, которые помогают эффективно осуществить этот процесс.
Первый элемент, который обеспечивает охлаждение поршню — это поршневые кольца. Главная функция в этом процессе отведена первому кольцу, которое расположено ближе к днищу поршня, так как это место на детали является наиболее коротким путем к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра.
Справочно заметим, что компрессионное и маслосъемное кольцаодновременно прижаты к специальным канавкам, а также к стенке цилиндра. Таким образом, кольца обеспечивают примерно 40-50 процентов теплового потока.
Следующим элементом обеспечивающим охлаждение поршней является моторное масло. Благодаря тому, что масло имеет прямой контакт с наиболее нагретыми участками двигателя, образующийся в процессе работы масляный туман забирает с собой в поддон картера значительную часть тепла от наиболее горячих областей. Если силовая установка оборудована масляными форсунками, которые направляют струю технической жидкости на внутреннюю поверхность днища поршня, доля моторного масла в процессе теплообмена порой достигает 35 процентов от общего показателя охлаждения детали. Следовательно нагружая масло дополнительной функцией по охлаждению поршней, необходимо понимать, что оно также нуждается в понижении своей температуры, потому что перегретая жидкость будет мгновенно терять свои полезные свойства.
Кроме того, чем выше рабочая температура масла, тем следовательно меньше тепла возьмет на себя эта жидкость.
Кроме поршневых колец и моторного масла, охлаждение поршней осуществляется также при помощи специальных бобышек расположенных в пальце, которые затем вставляются в шатуны, а оттуда уже в моторное масло. Этот способ охлаждения является чуть менее эффективным ранее описанных, однако в совокупности они образуют оптимальный температурный режим деталей двигателя, в том числе и поршней. Справочно заметим, что по пути охлаждения встречаются серьезные тепловые сопротивления, на примере различных зазоров, стальных деталей, которые обладают существенной длиной и низким коэффициентом теплопроводности.
Заключительный способ охлаждения поршней заключается в том, что часть тепла забирается топливно-воздушной смесью на свой нагрев, которая поступает в камеру сгорания.
Доля тепла, которую заберет образованная смесь, напрямую зависит от режима функционирования и степени открытия дроссельной заслонки. Как правило, тепло образованное при сгорании, прямо пропорционально заряду. Таким образом, охлаждающий путь носит импульсный характер. Как правило, данное охлаждение отличается от других, ранее описанных своей скоротечностью и высокой эффективностью. Это происходит благодаря тому, что тепло отбирается с того участка, где поршень больше нагревается.
3. Что влияет на оптимальную работу поршней двигателя
На оптимальную, надежную и долговечную работу поршней двигателя влияет в первую очередь их быстрое охлаждение. Из всех способов, которые мы перечислили ранее, большую значимость следует уделять передаче тепла через кольца поршня.
Если представить, что мы снимем кольца с поршня и запустим силовую установку, то навряд ли двигатель сможет пережить различные форсированные режимы. В итоге произойдет сильный нагрев деталей установки, а затем материал поршня просто начнет разрушаться.
Кроме того, в случае отсутствия колец или их неплотного прилегания друг другу образуется еще одна проблема, которая называется компрессией. Например одно из колец поршняне прилегает по своей длине к стенке цилиндра, тогда образовавшиеся сгоревшие газы в камере будут прорываться в появившуюся щель. Этот процесс создаст определенный барьер, который начнет препятствовать передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это примерно тоже самое, если бы мы взяли и закрыли участок радиатора, тем самым лишили бы его способности охлаждаться поступающим воздухом.
Наиболее страшная ситуация для поршня, если кольцо не обладает плотным контактом с канавкой. Дело в том, что в тех местах, где появляется возможность газам протекать мимо колец через канавку, у определенной области поршня просто пропадает возможность охлаждаться. Таким образом, появляется известное в народе понятие, как «тепловой мешок«. Результатом такого процесса становится всем известный прогар, а также выкрашивание стенок огневым поясом, который прилегает к участку утечки газов. Вот поэтому большинством специалистов по ремонту и обслуживанию транспортных средств особое внимание уделяется геометрии цилиндра, кольцам, а также износу канавок.
В заключении отметим, что отвечая на распространенный вопрос автолюбителей: «Сколько колец должно быть у нового поршня?», скажем так, что с точки зрения устройства двигателей по теории механики, чем меньше колец у поршня, тем лучше.
Справочно заметим, что если кольца узкие, то будут меньше потерь в цилиндро-поршневой группе. Однако при сокращении количества колец с их высотой, мы однозначно ухудшим оптимальное условие охлаждения поршня, которое выглядит, как: днище детали, затем кольцо и стенка цилиндра. Таким образом, выбор оптимальной конструкции той или иной детали двигателя — это всегда своего рода компромисс.
БОЛЬШОЕ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ. ОСТАВЛЯЙТЕ СВОИ КОММЕНТАРИИ, ДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ.
ЖДЕМ ВАШИХ ОТЗЫВОВ И ПРЕДЛОЖЕНИЙ.
Что такое поршень и как он работает?
двигатель
Обновлено 9 окт. 2019 г.
Одна из самых узнаваемых деталей по названию — это поршень.
Хотя вы слышали о его важности, вы, вероятно, не можете объяснить, что он делает, верно?
Давайте рассмотрим роль поршня в двигателе автомобиля и что может с ним случиться.
Что такое поршень?
Поршень — это металлический компонент, который перемещается внутри цилиндра наподобие тарана.
Край поршня снабжен кольцами, которые плотно прилегают к стенке цилиндра.
Изготовленный из литого алюминия или чугуна, поршень крепится к коленчатому валу с помощью шатуна и поворачивается на шатуне с помощью поршневого пальца.
На каждый цилиндр двигателя приходится один поршень.
Когда поршень движется вверх и вниз в цилиндре, шатун заставляет коленчатый вал вращаться.
Эта постоянная двухтактная сила преобразуется в мощность для всех функций вашего автомобиля, от вращения генератора и насоса гидроусилителя руля до передачи крутящего момента на ведущие колеса.
Что делает поршень?
В любом двигателе внутреннего сгорания (кстати, таковы все автомобильные двигатели) поршень выполняет четыре роли в каждом цикле.
- Во-первых, когда поршень опускается, он всасывает воздух и топливо в цилиндр или камеру сгорания.
- Во-вторых, при подъеме он сжимает воздух и топливо в цилиндре, так что при воспламенении он взрывается.
- В-третьих, свеча зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь, и сила отбрасывает поршень обратно вниз.
- В-четвертых, поршень возвращается в верхнюю часть цилиндра, вытесняя сгоревшие газы (выхлоп) из цилиндра.
- Затем цикл повторяется снова и снова, сотни или тысячи раз в минуту.
Что может пойти не так?
Как вы понимаете, поршень должен быть чрезвычайно прочным, чтобы выдерживать всю эту энергию.
Тем не менее, могут возникнуть проблемы, которые могут быть незначительными и раздражающими или серьезными и катастрофическими.
Удар поршня
Когда поршень изношен и может раскачиваться из стороны в сторону, а не двигаться вертикально, нижний край поршня или юбка касается стенки цилиндра.
Это признак износа поршня.
Горящее масло
Это серьезная проблема для старых автомобилей.
Двигатель, который сжигает масло, является очевидным признаком того, что поршневые кольца плохо герметизируют цилиндр и масло попадает в камеру сгорания.
Сломанный соединительный стержень
В результате дефекта, неправильного обращения или отсутствия смазки шатун может оторваться от поршня или коленчатого вала.
Обычно это заканчивается тем, что снимается и остальная часть двигателя.
Ослабленный поршневой палец
Стук в двигателе может означать, что поршневой или поршневой палец имеет чрезмерный люфт в месте соединения с поршнем.
Сгоревший поршень
Неподходящая топливно-воздушная смесь может быть крайне вредной для здоровья внутри двигателя, даже приводя к расплавлению верхней части поршня из-за высоких температур!
Можно ли заменить поршень?
Хорошей новостью является то, что поршень можно заменить в большинстве автомобилей, если не поврежден сам блок цилиндров.
И почти в каждом случае требуется не только замена одного поршня, но и полная переборка двигателя.
Для многих марок и моделей замена двигателя так же рентабельна, как ремонт двигателя при проблемах с поршнем.
Вы можете ожидать, что ремонт будет стоить от 3100 до 7400 долларов США для среднего двигателя и легко вдвое больше, если это дизельный двигатель.
Если вы подозреваете, что у вас проблемы с поршнем, обязательно проверьте двигатель у квалифицированного механика.
Вы можете легко сделать это, найдя и забронировав высококвалифицированного местного механика на AutoGuru!
Автор:
Джейсон Унрау
Джейсон — канадский автор автомобильных статей, работавший в сфере автосервиса, но с детства увлеченный автомобилями и механикой.
Одной из его первых машин была Mazda RX-7 80-го года выпуска, которой очень не хватает до сих пор. Ford Torino GT 68-го года, универсал Ford Country Squire Woodie 1966 года и 9-й6 Suzuki GSX-R 750 провел много времени в своем парке автомобилей, мотоциклов и грузовиков за последние два десятилетия.
Гордость и радость Джейсона находится в стадии сборки — кабриолет Mazda RX-7 88 года выпуска с турбонаддувом. Также в его резюме есть официальная сертификация CASCAR.
Что такое поршень: все, что вам нужно знать
Поршни — это компонент, передающий усилия от расширяющегося газа на коленчатый вал поршневого двигателя. Он перемещается вверх и вниз внутри цилиндра и выполнен газонепроницаемым с помощью поршневых колец.
Автомобили, использующие двигатели внутреннего сгорания или внутреннего сгорания, работают за счет силы, создаваемой расширением топливно-воздушной смеси внутри камеры сгорания. Затем поршни передают эту силу на шатун, который затем вращает коленчатый вал. Поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое затем с помощью шатуна преобразуется во вращательное.
В зависимости от назначения, условий работы и требуемой производительности форма и пропорции поршня могут различаться. Например, в старых американских маслкарах головка поршня будет иметь полукруглую форму. Это, наряду с различными другими факторами, сделало сгорание очень эффективным и, следовательно, более высокой мощностью.
Поршень должен выдерживать высокие колебания температуры и давления, а также механические нагрузки. Материал поршня и его долговечность способствуют общей долговечности двигателя. Поршни обычно отливают из алюминиевых сплавов, а в случае некоторых гоночных двигателей они могут быть коваными. Алюминий используется из-за его превосходной теплопроводности и легкости. Поршень должен иметь надлежащие допуски на расширение. Они расширяются при высокой температуре, и если не соблюдать надлежащий допуск, поршень может заклинить в цилиндре. Слишком большой допуск также может привести к утечке компрессионных газов и шуму поршня.
Верхняя часть поршня называется головкой, а нижняя — юбкой. Головка поршня — это область, которая сталкивается с огромным количеством тепла и давления во время нормальной работы двигателя. Несмотря на то, что поршень выглядит круглым, на самом деле он немного овальной формы с небольшим сужением к юбке.