Поршні

Поршень двигуна внутрішнього згоряння (Piston) є найбільш навантаженою деталлю двигуна.
Під час роботи двигуна на поршень прикладаються комбіновані механічні та теплові навантаження, що постійно змінюються як у напрямку, так і за величиною.
Навіть під час повільного руху автомобіля при обертах двигуна в 3 000 обертів на хвилину, протягом однієї секунди поршень повинен розігнатися до високої швидкості, зупинитися і знову розігнатися в протилежному напрямку 100 разів на секунду.
Якщо врахувати, що максимальні навантаження, особливо у спортивних автомобілях у рази перевищують звичайні, можна уявити, які великі інерційні навантаження діють на поршень.
Тиск у камері згоряння звичайного автомобіля досягає 60 атмосфер, а максимальний тиск у камері згоряння високофорсованого двигуна досягає 100 атмосфер.
І якщо прийняти, що діаметр поршня середнього автомобіля дорівнює 92 мм, у момент максимального тиску поршень зазнає зусилля від 5 до 7 тонн.
Так що можна сказати, що поршень автомобіля, як і інші деталі кривошипно-шатунного механізму, зазнає величезних механічних навантажень.
Однак крім механічних екстремальних впливів не варто забувати, що поршень безпосередньо контактує з камерою згоряння - основним джерелом тепла двигуна, де температура газів, що горять, досягає 2 000-2 500ºС.
Цікаво знати також, що до 60% тертя при роботі двигуна внутрішнього згоряння посідає взаємодію поршневих кілець зі стінкою циліндра, що також є потужним джерелом тепловиділення.
Найгарячіша частина поршня - це його днище, оскільки воно безпосередньо стикається з гарячими робочими газами.
Тепло від поршня відводиться трьома способами:
- основна частина тепла передається поршневими кільцями та спідницею поршня стінкам циліндра і далі відводиться системою охолодження двигуна;
- частина тепла відводиться внутрішньою порожниною поршня і через поршневий палець і шатун, а також оливою, що циркулює в системі змащування двигуна;
- частина тепла відводиться від поршня холодною паливоповітряною сумішшю, що надходить у циліндри двигуна.
Без необхідного відведення тепла зроблений з алюмінієвого сплаву поршень розплавиться через кілька хвилин роботи двигуна.
Із загальної кількості тепла, що відводиться від поршня, приблизно більше половини відводиться поршневими кільцями, це накладає дуже високі вимоги до конструкції та точності виготовлення поршневих кілець.
При цьому з усієї кількості тепла, що відводиться від поршня, приблизно 45% відводиться першим компресійним кільцем, тому що це кільце всього ближче розташоване до гарячої частини поршня, 20% відводиться другим компресійним кільцем і тільки 5% відводиться маслознімним кільцем.
При несправності системи охолодження перше, що руйнується у двигуні - це поршень.
У поршня або прогоряє днище або поршень заклинюється в циліндрі.
Поршень, що здається здавалося б простим циліндром, має досить складну форму.
Для зменшення сил інерції конструктори прагнуть зробити поршень якнайлегше.
Але зробити всі стінки поршня однакової товщини не вдасться.
Днище поршня, для сприйняття великих навантажень, завжди робиться товщі, ніж стінки спідниці.
Але й спідниця у різних місцях має різну товщину.
У місцях бобишок під поршневий палець спідниця має значне потовщення, а з огляду на те, що різні частини поршня мають різну температуру, можна припустити, що при нагріванні в різних місцях поршень розширюється не однаково.
Оскільки під час роботи двигуна головка поршня має більш високу температуру, отже, розширюється більше спідниці поршня, головка поршня має трохи менший діаметр порівняно зі спідницею поршня.
Під впливом теплових деформацій поршня, складених з бічними зусиллями, що діють на поршень перпендикулярно до осі поршневого пальця, циліндричний поршень може набути овальну форму.
Для усунення цього явища поршень спочатку виготовляється овальним, але в протилежному напрямку, у міру прогріву двигуна поршень під впливом бічних сил набуває круглої форми.
Іншим способом терморегулювання поршня, тобто спрямована зміна форми поршня під впливом температури, є вплавлення в алюмінієве тіло сталевих термостабілізуючих пластин.
Термостабілізуючі пластини при повному прогріванні поршня дозволяють знизити радіальне розширення поршня приблизно вдвічі в порівнянні з поршнем, повністю виготовленим з алюмінієвого сплаву.
Так як до поршня, як до виробу, пред'являються дуже високі вимоги, такі ж високі вимоги до матеріалів, з яких виготовляються поршні:
- для зниження інерційних навантажень матеріал повинен мати якнайменшу питому вагу, але при цьому бути досить міцним;
- мати низький коефіцієнт температурного розширення;
- не змінювати своїх фізичних властивостей та міцності під впливом високих температур;
- мати високу теплопровідність та теплоємність;
- мати низький коефіцієнт тертя у парі з матеріалом, з якого виготовлені стінки циліндрів;
- мати високу опірність зносу;
- не змінювати своїх фізичних властивостей під вплив навантажень, що викликають втомливе руйнування матеріалу;
- бути недорогим, загальнодоступним та легко піддаватися механічній та іншим видам обробки у процесі виробництва.
У природі немає матеріалу, що повністю відповідають такому комплексу вимог.
Тому на сьогоднішній день практично всі поршні двигунів внутрішнього згоряння виготовляються з алюмінієвих сплавів - силумінів.