Поршни

Поршень двигателя внутреннего сгорания (Piston) является наиболее нагруженной деталью двигателя.
Во время работы двигателя на поршень оказываются комбинированные механические и тепловые нагрузки, постоянно изменяющиеся как по направлению, так и по величине.
Даже во время неспешного движения автомобиля при оборотах двигателя в 3 000 оборотов в минуту, в течение одной секунды поршень должен разогнаться до высокой скорости, остановиться и опять разогнаться в противоположном направлении 100 раз в секунду.
Если учесть, что максимальные нагрузки, особенно в спортивных автомобилях в разы превосходят обычные, можно представить какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень.
Давление в камере сгорания обычного автомобиля достигает 60 атмосфер, а максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 100 атмосфер.
И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5 до 7 тонн.
Так что можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипно-шатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки.
Однако кроме механических экстремальных воздействий не стоит забывать, что поршень непосредственно контактирует с камерой сгорания - основным источником тепла двигателя, где температура горящих газов достигает 2 000-2 500ºС.
Интересно знать также, что до 60% трения при работе двигателя внутреннего сгорания приходится на взаимодействие поршневых колец со стенкой цилиндра, что также является мощным источником тепловыделения.
Самая горячая часть поршня - это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами.
Тепло от поршня отводится тремя способами:
- основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя;
- часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя;
- часть тепла отводится от поршня холодной топливовоздушной смесью, поступающей в цилиндры двигателя.
Без необходимого отвода тепла сделанный из алюминиевого сплава поршень расплавится всего через несколько минут работы двигателя.
Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно больше половины отводится поршневыми кольцами, это накладывает очень высокие требования к конструкции и точности изготовления поршневых колец.
При этом из всего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 45% отводится первым компрессионным кольцом, по причине того, что это кольцо всего ближе расположено к самой горячей части поршня, 20% отводится вторым компрессионным кольцом и только 5% отводится маслосъёмным кольцом.
При неисправности системы охлаждения первое, что разрушается в двигателе - это поршень.
У поршня или прогорает днище или поршень заклинивается в цилиндре.
Поршень, кажущийся на первый взгляд простым цилиндром, имеет довольно сложную форму.
Для уменьшения сил инерции конструкторы стремятся сделать поршень как можно легче.
Но сделать все стенки поршня одинаковой толщины не удастся.
Днище поршня, для восприятия больших нагрузок, всегда делается толще, чем стенки юбки.
Но и юбка в различных местах имеет различную толщину.
В местах бобышек под поршневой палец юбка имеет значительное утолщение, а, учитывая то, что различные части поршня имеют различную температуру, можно предположить, что при нагреве в разных местах поршень расширяется не одинаково.
Поскольку во время рабаты двигателя головка поршня имеет более высокую температуру, следовательно, расширяется больше юбки поршня, головка поршня имеет несколько меньший диаметр по сравнению с юбкой поршня.
Под воздействием тепловых деформаций поршня, сложенных с боковыми усилиями, действующими на поршень в перпендикулярно оси поршневого пальца, цилиндрический поршень может приобрети овальную форму.
Для устранения этого явления поршень изначально изготавливается овальным, но в противоположном направлении, по мере прогрева двигателя поршень под воздействием боковых сил приобретает круглую форму.
Другим способом терморегулирования поршня, то есть направленное изменение формы поршня под воздействием температуры является вплавление в алюминиевое тело стальных термостабилизирующих пластин.
Термостабилизирующие пластины при полном прогреве поршня позволяют снизить радиальное расширение поршня приблизительно в два раза по сравнению с поршнем, полностью изготовленным из алюминиевого сплава.
Так как к поршням, как к изделию, предъявляются очень высокие требования, такие же высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются поршни:
- для снижения инерционных нагрузок материал должен иметь как можно меньший удельный вес, но при этом быть достаточно прочным;
- иметь низкий коэффициент температурного расширения;
- не изменять своих физических свойств и прочности под воздействием высоких температур;
- иметь высокую теплопроводность и теплоёмкость;
- иметь низкий коэффициент трения в паре с материалом, из которого изготовлены стенки цилиндров;
- иметь высокую сопротивляемость износу;
- не изменять своих физических свойств под воздействие нагрузок, вызывающих усталостное разрушение материала;
- быть недорогим, общедоступным и легко поддаваться механической и другим видам обработки в процессе производства.
В природе не существует материала, полностью соответствующих такому комплексу требований.
Поэтому на сегодняшний день практически все поршни двигателей внутреннего сгорания изготавливаются из алюминиевых сплавов - силуминов.