Поршень двигателя — что это такое и для чего нужен

Современные двигатели внутреннего сгорания имеют сложную конструкцию по сравнению с аналогами, изготавливаемыми на заре автомобилестроения. Это обусловлено тем, что для обеспечения стабильности, экономичности и эффективности производители устанавливают на силовой агрегат дополнительные электронные системы.

Несмотря на тонкость электросистем, устройство ДВС практически не изменилось. Основными элементами агрегата являются:

• Кривошипно-шатунный механизм;
• Цилиндропоршневая группа;
• Впускной и выпускной коллектор;
• Газораспределительный механизм;
• Система смазки мотора.

Такие механизмы, как кривошипно-шатунный и газораспределительный должны быть синхронизированы. Это достигается благодаря приводу. Он может быть ременным или цепным.

Каждый узел двигателя выполняет важную функцию, без которой невозможна стабильная работа (или вообще работоспособность) силового агрегата. Рассмотрим, какую функцию выполняет поршень в моторе, а также его устройство.

Что такое поршень двигателя?

Эта деталь устанавливается во всех двигателях внутреннего сгорания. Без него невозможно обеспечить вращение коленчатого вала. Независимо от модификации агрегата (двух- или четырехтактный), работа поршня неизменна.

Эта цилиндрическая деталь крепится к шатуну, который, в свою очередь, зафиксирован на кривошипе коленвала. Она позволяет преобразовать энергию, высвободившуюся в результате сгорания.

Пространство над поршнем называется рабочей камерой. В ней происходят все такты двигателя автомобиля (пример четырехтактной модификации):

• Впускной клапан открывается и происходит всасывание воздуха, смешанного с топливом (в атмосферных карбюраторных моделях) или самого воздуха (например, в дизельном моторе всасывается воздух, а топливо подается после сжатия объема до нужной степени);
• Когда поршень движется вверх, все клапаны закрыты, смеси некуда деваться, она сжимается;
• В самой верхней точке (еще она называется мертвой) в сжатую воздушно-топливную смесь подается искра. В полости образуется резкое высвобождение энергии (смесь воспламеняется), из-за чего происходит расширение, которое перемещает поршень вниз;
• Как только он достигнет крайней нижней точки, открывается выпускной клапан и отработанные газы удаляются через выпускной коллектор.

Идентичные циклы выполняются всеми элементами поршневой группы двигателя, только с определенным смещением, благодаря чему обеспечивается плавное вращение коленчатого вала.

Благодаря герметичности между стенками цилиндра и уплотнительными кольцами поршня создается давление, из-за которого данный элемент движется к нижней мертвой точке. Так как поршень соседнего цилиндра продолжает вращать коленчатый вал, первый перемещается в цилиндре к верхней мертвой точке. Так возникает возвратно-поступательное движение.

Конструкция поршня

Некоторые под поршнем подразумевают совокупность деталей, которые закреплены на коленвалу. На самом деле это элемент с цилиндрической формой, который воспринимает на себя механическую нагрузку при микровзрыве смеси топлива и воздуха в конце такта сжатия.

В устройство поршня входит:

• днище;
• канавки для уплотнительных колец;
• юбка.

К шатуну поршень крепится при помощи стального пальца. У каждого элемента есть своя функция.

Днище

Эта часть детали воспринимает на себя механическую и тепловую нагрузку. Она является нижней границей рабочей камеры, в которой происходят все перечисленные выше такты. Днище не всегда ровное. Его форма зависит от модели мотора, в котором устанавливается.

Уплотняющая часть

В этой части установлены маслосъемные и компрессионные кольца. Они обеспечивают максимальную герметичность между цилиндром блока цилиндров, благодаря чему со временем изнашиваются не основные элементы мотора, а именно сменные кольца.

Самая распространенная модификация – на три уплотнительных кольца: два компрессионных и одно маслосъемное. Последнее регулирует смазку стенок цилиндра. Совокупность днища и уплотняющей части нередко автомеханиками называется головкой поршня.

Юбка

Эта часть детали обеспечивает стабильно вертикальное положение. Стенки юбки направляют поршень и не дают ему переворачиваться, из-за чего механическая нагрузка не распределялась бы равномерно по стенкам цилиндра.

Основные функции поршня

Основной функцией поршня является приведение в движение коленвала при помощи толкания шатуна. Это действие возникает при воспламенении смеси топлива и воздуха. Плоская поверхность днища принимает на себя всю механическую нагрузку.

Помимо этой функции данная деталь обладает еще некоторыми свойствами:

• Уплотняет рабочую камеру в цилиндре, благодаря чему КПД от взрыва имеет максимальный процент (этот параметр зависит от степени сжатия и величины компрессии). Если уплотнительные кольца изношены, герметичность страдает, а вместе с тем падает производительность силового агрегата;
• Охлаждает рабочую камеру. Эта функция заслуживает отдельной статьи, но если коротко, то при воспламенении внутри цилиндра температура резко повышается до 2 тыс. градусов. Чтобы деталь не расплавилась от нее крайне важно отвести тепло. Эту функцию выполняют кольца уплотнения, поршневой палец вместе с шатуном. Но основными теплоотводящими элементами являются масло и свежая порция воздушно-топливной смеси.

Типы поршней

На сегодняшний день производителями разработано большое количество разных модификаций поршней. Основная задача при этом – достичь «золотой середины» между уменьшением износа деталей, производительностью агрегата и достаточным охлаждением контактных элементов.

Чтобы поршень лучше охлаждался, требуется большее количество широких колец. Но с этим снижается эффективность мотора, так как часть энергии будет уходить на преодоление большей силы трения.

По конструкции все поршни делятся на две модификации:

• Для двухтактных двигателей. Днище в них имеет сферическую форму, благодаря чему улучшается удаление продуктов сгорания и наполнение рабочей камеры.
• Для четырехтактных двигателей. В таких модификациях днище будет вогнутым или плоским. Первая категория более безопасна при смещении фаз газораспределении – даже при открытом клапане поршень не столкнется с ним, так как в нем есть соответствующие углубления. Также эти элементы обеспечивают лучшее смешивание смеси в рабочей камере.

Поршни для дизельных моторов – отдельная категория деталей. Во-первых, они намного прочнее, чем аналоги для бензиновых ДВС. Это необходимо, потому что внутри цилиндра должно создаваться давление, превышающее 20 атмосфер. Из-за высоких температур и огромного давления обычный поршень легко разрушится.

Во-вторых, такие поршни часто имеют специальные углубления, которые называются поршневыми камерами сгорания. На такте впуска они создают завихрения, обеспечивая улучшенное охлаждение раскаленного днища, а также более эффективное смешивание топлива с воздухом.

Существует также еще одна классификация этих элементов:

• Литые. Изготавливаются путем литья в сплошную болванку, которая потом обрабатывается на токарных станках. Такие модели используются в легковом транспорте;
• Сборные. Эти детали собираются из разных частей, что дает возможность комбинировать материалы для отдельных элементов поршня (например, юбка может быть из алюминиевого сплава, а днище – из чугуна или стали). Из-за дороговизны и сложности конструкции такие поршни не устанавливаются в обычных моторах. Основное применение такой модификации – крупные ДВС, работающие на дизельном топливе.

Требования к поршням двигателя

Чтобы поршень справлялся со своей задачей, при его изготовлении должны быть соблюдены следующие требования:

1. Должен выдерживать высокие температурные нагрузки, при этом не деформироваться при механической нагрузке, а чтобы эффективность мотора не падала с изменением температурного режима, материал не должен иметь высокий коэффициент расширения;
2. Материал, из которого изготавливается деталь не дожжен быстро изнашиваться в результате выполнения функции подшипника скольжения;
3. Поршень должен быть легким, потому что с увеличением массы в результате инерции нагрузка на шатун и кривошип увеличивается в несколько раз.

При выборе нового поршня крайне важно учитывать рекомендации производителя, в противном случае двигатель будет испытывать дополнительные нагрузки или вообще потеряет стабильность.

Вопросы и ответы:

Что делают поршни в двигателе? В цилиндрах они выполняют возвратно-поступательные движения за счет сжигания воздушно-топливной смеси и воздействия на кривошип от соседних поршней, перемещающихся вниз.

Какие поршни бывают? С симметричной и асимметричной юбкой с разной толщиной днища. Бывают поршни управляемого расширения, авто термические, autotermatic, duoterm, с перегородками, со скошенной юбкой, Evotec, кованные алюминиевые.

Какие существуют особенности конструкции поршня? Поршни отличаются не только формой, но и количеством прорезей для установки уплотнительных колец. Юбка поршня может быть конусной или бочкообразной.