Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы. Поршневой двигатель Как работает поршневая система

Большинство автомобилей заставляет перемещаться поршневой двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом. Такая конструкция получила массовое распространение в силу малой стоимости и технологичности производства, сравнительно небольших габаритов и веса.

По виду применяемого топлива ДВС можно разделить на бензиновые и дизельные. Надо сказать, что бензиновые двигатели великолепно работают на . Такое деление непосредственно сказывается на конструкции двигателя.

Как устроен поршневой двигатель внутреннего сгорания

Основа его конструкции — блок цилиндров. Это корпус, отлитый из чугуна, алюминиевого или иногда магниевого сплава. Большинство механизмов и деталей других систем двигателя крепятся именно к блоку цилиндров, или располагаются внутри его.

Другая крупная деталь двигателя, это его головка. Она находится в верхней части блока цилиндров. В головке также располагаются детали систем двигателя.

Снизу к блоку цилиндра крепится поддон. Если эта деталь воспринимает нагрузки при работе двигателя, её часто называют поддоном картера, или картером.

Все системы двигателя

кривошипно-шатунный механизм;
механизм газораспределения;
система питания;
система охлаждения;
система смазки;
система зажигания;
система управления двигателем.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из поршня, гильзы цилиндра, шатуна и коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм:
1. Расширитель маслосъёмного кольца. 2. Кольцо поршневое маслосъёмное. 3. Кольцо компрессионное, третье. 4. Кольцо компрессионное, второе. 5. Кольцо компрессионное, верхнее. 6. Поршень. 7. Кольцо стопорное. 8. Палец поршневой. 9. Втулка шатуна. 10. Шатун. 11. Крышка шатуна. 12. Вкладыш нижней головки шатуна. 13. Болт крышки шатуна, короткий. 14. Болт крышки шатуна, длинный. 15. Шестерня ведущая. 16. Заглушка масляного канала шатунной шейки. 17. Вкладыш подшипника коленчатого вала, верхний. 18. Венец зубчатый. 19. Болты. 20. Маховик. 21. Штифты. 22. Болты. 23. Маслоотражатель, задний. 24. Крышка заднего подшипника коленчатого вала. 25. Штифты. 26. Полукольцо упорного подшипника. 27. Вкладыш подшипника коленчатого вала, нижний. 28. Противовес коленчатого вала. 29. Винт. 30. Крышка подшипника коленчатого вала. 31. Болт стяжной. 32. Болт крепления крышки подшипника. 33. Вал коленчатый. 34. Противовес, передний. 35. Маслоотрожатель, передний. 36. Гайка замковая. 37. Шкив. 38. Болты.

Поршень расположен внутри гильзы цилиндра. При помощи поршневого пальца он соединен с шатуном, нижняя головка которого крепится к шатунной шейке коленчатого вала. Гильза цилиндра представляет собой отверстие в блоке, или чугунную втулку, вставляемую в блок.

Гильза цилиндров с блоком

Гильза цилиндра сверху закрыта головкой. Коленчатый вал также крепится к блоку в нижней его части. Механизм преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. То самое вращение, которое, в конечном счете, заставляет крутиться колеса автомобиля.

Газораспределительный механизм отвечает за подачу смеси паров топлива и воздуха в пространство над поршнем и удаление продуктов горения через клапаны, открываемые строго в определенный момент времени.

Система питания отвечает в первую очередь за приготовление горючей смеси нужного состава. Устройства системы хранят топливо, очищают его, смешивают с воздухом так, чтобы обеспечить приготовление смеси нужного состава и количества. Также система отвечает за удаление из двигателя продуктов горения топлива.

При работе двигателя образуется тепловая энергия в количестве большем, чем двигатель способен преобразовать в механическую энергию. К сожалению, так называемый термический коэффициент полезного действия, даже лучших образцов современных двигателей не превышает 40%. Поэтому приходится большое количество «лишней» теплоты рассеивать в окружающем пространстве. Именно этим и занимается , отводит тепло и поддерживает стабильную рабочую температуру двигателя.

Система смазки . Это как раз тот случай: «Не подмажешь, не поедешь». В двигателях внутреннего сгорания большое количество узлов трения и так называемых подшипников скольжения: есть отверстие, в нем вращается вал. Не будет смазки, от трения и перегрева узел выйдет из строя.

Система зажигания призвана поджечь, строго в определенный момент времени, смесь топлива и воздуха в пространстве над поршнем. такой системы нет. Там топливо самовоспламеняется при определенных условиях.

Видео:

Система управления двигателем при помощи электронного блока управлении (ЭБУ) управляет системами двигателя и координирует их работу. В первую очередь это приготовление смеси нужного состава и своевременное поджигание её в цилиндрах двигателя.

В кривошипно-шатунном механизме поршень выполняет несколько функций, среди которых восприятие давления газов и передача усилий на шатун, герметизация камеры сгорания и отвод от нее тепла. Поршень является наиболее характерной деталью двигателя внутреннего сгорания , т.к. именно с его помощью реализуется термодинамический процесс двигателя.

Условия, в которых работает поршень, экстремальны и характеризуются высоким давлением, температурой и инерционными нагрузками. Поэтому поршни на современных двигателях изготавливаются из легкого, прочного и термостойкого материала – алюминиевого сплава, реже из стали. Поршни изготавливаются двумя способами – литьем под давлением или штамповкой, т.н. кованые поршни.

Поршень цельный конструктивный элемент, который условно разделяют на головку (в некоторых источниках ее называют днище) и юбку. Форма и конструкция поршня в значительной степени определяются типом двигателя, формой камеры сгорания и процессом сгорания, протекающим в ней. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую или близкую к плоской поверхность головки. В ней могут быть выполнены канавки для полного открытия клапанов. Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют более сложную форму. В головке поршня дизельного двигателя выполняется камера сгорания определенной формы, которая обеспечивает хорошее завихрение и улучшает смесеобразование.

Ниже головки поршня выполняются канавки для установки поршневых колец. Юбка поршня имеет конусообразную или криволинейную (бочкообразную ) форму. Такая форма юбки компенсирует температурное расширение поршня при нагреве. При достижении рабочей температуры двигателя поршень принимает цилиндрическую форму. Для снижения потерь на трение на боковую поверхность поршня наносится слой антифрикционного материала (дисульфид молибдена, графит ). В юбке поршня выполнены отверстия с приливами (бобышки ) для крепления поршневого пальца.

Охлаждение поршня осуществляется со стороны внутренней поверхности различными способами:

масляный туман в цилиндре;
разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
разбрызгивание масла специальной форсункой;
впрыскивание масла в специальный кольцевой канал в зоне колец;
циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.

Поршневые кольца образуют плотное соединение поршня со стенками цилиндра. Они изготавливаются из модифицированного чугуна. Поршневые кольца основной источник трения в двигателе внутреннего сгорания. Потери на трение в кольцах достигают до 25% всех механических потерь в двигателе.

Число и расположение колец зависит от типа и назначения двигателя. Самая распространенная схема – два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов из камеры сгорания в картер двигателя. Первое компрессионное кольцо работает в наиболее тяжелых условиях. Поэтому на поршнях дизельных и ряда форсированных бензиновых двигателей в канавке кольца устанавливается стальная вставка, повышающая прочность и позволяющая реализовать максимальную степень сжатия. Компрессионные кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную, коническую форму, некоторые выполняются с порезом (вырезом).

Маслосъемное кольцо удаляет излишки масла с поверхности цилиндра и препятствует попаданию масла в камеру сгорания. Кольцо имеет множество дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

Соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Имеется несколько способ установки поршневого пальца. Самый популярный т.н. плавающий палец , который имеет возможность проворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время работы. Для предотвращения смещения пальца он фиксируется стопорными кольцами. Значительно реже применяется жесткое закрепление концов пальца в поршне или жесткое закрепление пальца в поршневой головке шатуна.

Поршень, поршневые кольца и поршневой палец носят устоявшееся название поршневая группа.

В настоящее время на ТС применяются в основном четырехтактные поршневые ДВС.

Одноцилиндровый двигатель (рис. а) содержит следующие основные детали: цилиндр 4, картер 2, поршень 6, шатун 3, коленчатый вал 1 и маховик 14. Одним своим концом шатун соединяется шарнирно с поршнем при помощи поршневого пальца 5, а другим концом - также шарнирно с кривошипом коленчатого вала.

При вращении коленчатого вала происходит возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре. За один оборот коленчатого вала поршень совершает по одному ходу вниз и вверх. Изменение направления движения поршня происходит в мертвых точках - верхней (ВМТ) и нижней (НМТ).

Верхней мертвой точкой называется самое удаленное от коленчатого вала положение поршня (крайнее верхнее при вертикальном расположении двигателя), а нижней мертвой точкой - самое близкое к коленчатому валу положение поршня (крайнее нижнее при вертикальном расположении двигателя).

Рис. Принципиальная схема (а) одноцилиндрового четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания и его схема (б) для определения параметров:
1 - коленчатый вал; 2 - картер; 3 - шатун; 4 - цилиндр; 5 - поршневой палец; 6 - поршень; 7 - впускной клапан; 8 - впускной трубопровод; 9 - распределительный вал; 10 - свеча зажигания (бензиновые и газовые двигатели) или топливная форсунка (дизели); 11 - выпускной трубопровод; 12 - выпускной, клапан; 13 - поршневые кольца; 14 - маховик; D - диаметр цилиндра; r - радиус кривошипа; S - ход поршня

Расстояние S (рис. б) между ВМТ и НМТ называется ходом поршня. Его рассчитывают по формуле:

S = 2r,
где r - радиус кривошипа коленчатого вала.

Ходом поршня и диаметром цилиндра D определяются основные размеры двигателя. В транспортных двигателях отношение S/D составляет 0,7 -1,5. При S/D < 1 двигатель называется короткоходным, а при S/D > 1 - длинноходным.

При перемещении поршня вниз из ВМТ в НМТ объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем цилиндра над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при его перемещении из ВМТ в НМТ, называется рабочим. Сумма рабочих объемов всех цилиндров представляет собой рабочий объем двигателя. Выраженный в литрах, он называется литражом двигателя. Полный объем цилиндра определяется суммой его рабочего объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ.

Важной характеристикой двигателя является степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступивший в цилиндр заряд (воздух или топливо-воздушная смесь) при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия составляет 6 - 14, а у дизелей - 14 - 24. Принятая степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Работа поршневого ДВС основана на использовании давления на поршень газов, образующихся при сгорании в цилиндре смесей топлива и воздуха. В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания 10, а в дизелях - вследствие сжатия. Различают понятия горючей и рабочей смесей. Горючая смесь состоит из топлива и чистого воздуха, а рабочая включает в себя также оставшиеся в цилиндре отработавшие газы.

Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех процессов, каждый из которых происходит за один ход поршня (такт), или пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала. Следует отметить, что в общем случае понятия «рабочий процесс» и «такт» не являются синонимами, хотя для четырехтактного поршневого двигателя они практически совпадают.

Рассмотрим рабочий цикл бензинового двигателя.

Первый такт рабочего цикла - впуск. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ, при этом впускной клапан 7 открыт, а выпускной 12 закрыт, и горючая смесь под действием разрежения поступает в цилиндр. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается, и цилиндр оказывается заполненным рабочей смесью. У большинства бензиновых двигателей горючая смесь формируется вне цилиндра (в карбюраторе или впускном трубопроводе 8).

Следующий такт - сжатие. Поршень перемещается обратно из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. Это необходимо для ее более быстрого и полного сгорания. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия зависит от свойств применяемого бензина, и в первую очередь от его антидетонационной стойкости, характеризуемой октановым числом (у бензинов оно составляет 76 - 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топлива. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может произойти детонационное (в результате сжатия) воспламенение смеси и нарушиться нормальная работа двигателя. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8… 1,2 МПа, а температура достигает 450…500°С.

За тактом сжатия следует расширение (рабочий ход), когда поршень из ВМТ перемещается обратно вниз. В начале этого такта, даже с некоторым опережением, горючая смесь воспламеняется от свечи зажигания 10. При этом впускной и выпускной клапаны закрыты. Смесь сгорает очень быстро с выделением большого количества теплоты. Давление в цилиндре резко возрастает, и поршень перемещается до ЦМТ, приводя во вращение через шатун 3 коленчатый вал 1. В момент сгорания смеси температура в цилиндре повышается до 1800… 2 000 °С, а давление - до 2,5…3,0 МПа.

Последний такт рабочего цикла - выпуск. В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь вверх от НМТ к ВМТ, выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной трубопровод 11. Затем рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл дизеля имеет некоторые отличия от рассмотренного цикла бензинового двигателя. При такте впуска по трубопроводу 8 в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух, который во время следующего такта сжимается. В конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство - форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, под большим давлением впрыскивается дизельное топливо в мелкораспыленном состоянии. Соприкасаясь с воздухом, имеющим вследствие сжатия высокую температуру, частицы топлива быстро сгорают. Выделяется большое количество теплоты, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700…2000 °С, а давление - до 7…8 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается вниз - происходит рабочий ход. Такты выпуска у дизеля и бензинового двигателя аналогичны.

Для того чтобы рабочий цикл в двигателе происходил правильно, необходимо согласовать моменты открытия и закрытия его клапанов с частотой вращения коленчатого вала. Это осуществляется следующим образом. Коленчатый вал с помощью зубчатой, цепной или ременной передачи приводит во вращение еще один вал двигателя - распределительный 9, который должен вращаться вдвое медленнее коленчатого. На распределительном валу имеются профилированные выступы (кулачки), которые непосредственно или через промежуточные детали (толкатели, штанги, коромысла) перемещают впускные и выпускные клапаны. За два оборота коленчатого вала каждый клапан, впускной и выпускной, открывается и закрывается только один раз: во время такта впуска и выпуска соответственно.

Уплотнение между поршнем и цилиндром, а также удаление со стенок цилиндра излишнего масла обеспечивают специальные поршневые кольца 13.

Коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается неравномерно: с ускорением во время рабочего хода и замедлением при остальных, вспомогательных тактах (впуск, сжатие и выпуск). Для повышения равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают массивный диск - маховик 14, который во время рабочего хода накапливает кинетическую энергию, а в течение остальных тактов отдает ее, продолжая вращаться по инерции.

Однако несмотря на наличие маховика, коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается недостаточно равномерно. В моменты воспламенения рабочей смеси картеру двигателя передаются значительные толчки, что быстро выводит из строя сам двигатель и детали его крепления. Поэтому одноцилиндровые двигатели применяются редко, в основном на двухколесных ТС. На других машинах устанавливают многоцилиндровые двигатели, которые обеспечивают более равномерное вращение коленчатого вала за счет того, что рабочий ход поршня в разных цилиндрах совершается неодновременно. Наиболее широкое распространение получили четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели, хотя на некоторых ТС используются также трех- и пятицилиндровые.

Многоцилиндровые двигатели обычно имеют рядное или V-образное расположение цилиндров. В первом случае цилиндры установлены в одну линию, а во втором - в два ряда под некоторым углом друг к другу. Этот угол для различных конструкций составляет 60… 120°; у четырех- и шестицилиндровых двигателей он обычно равен 90°. По сравнению с рядными V-образные двигатели такой же мощности имеют меньшую длину, высоту и массу. Нумерация цилиндров производится последовательно: сначала с передней части (носка) нумеруются цилиндры правой (по ходу движения машины) половины двигателя, а затем, также начиная с передней части, левой половины.

Равномерная работа многоцилиндрового двигателя достигается в том случае, если чередование рабочего хода в его цилиндрах происходит через равные углы поворота коленчатого вала. Угловой интервал, через который будут равномерно повторяться одноименные такты в разных цилиндрах, можно определить делением 720° (угол поворота коленчатого вала, при котором совершается полный рабочий цикл) на число цилиндров двигателя. Например, у восьмицилиндрового двигателя угловой интервал равен 90°.

Последовательность чередования одноименных тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. Порядок работы должен быть таким, чтобы в наибольшей степени уменьшить отрицательное влияние на работу двигателя инерционных сил и моментов, возникающих из-за того, что поршни движутся в цилиндрах неравномерно и их ускорение меняется по величине и направлению. У четырехцилиндровых рядных и V-образных двигателей порядок работы может быть такой: 1 - 2 - 4 - 3 или 1 - 3 - 4-2, у шестицилиндровых рядных и V-образных двигателей - соответственно 1 - 5—3 - 6 - 2-4 и 1 - 4 - 2 - 5 - 3 - 6, а у восьмицилиндровых V-образных двигателей - 1 - 5 - 4 - 2- 6 - 3 - 7 - 8.

С целью более эффективного использования рабочего объема цилиндров и повышения их мощности в некоторых конструкциях поршневых двигателей осуществляют наддув воздуха с соответствующим увеличением количества впрыскиваемого топлива. Для обеспечения наддува, т. е. создания на входе в цилиндр избыточного давления, чаще всего применяют газотурбинные компрессоры (турбокомпрессоры). В этом случае для нагнетания воздуха используется энергия отработавших газов, которые, выходя с большой скоростью из цилиндров, вращают турбинное колесо турбокомпрессора, установленное на одном валу с насосным колесом. Кроме турбокомпрессоров применяют также механические нагнетатели, рабочие органы которых (насосные колеса) приводятся во вращение от коленчатого вала двигателя с помощью механической передачи.

Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью (бензиновые двигатели) или чистым воздухом (дизели), а также более полной их очистки от отработавших газов клапаны должны открываться и закрываться не в моменты нахождения поршней в ВМТ и НМТ, а с некоторым опережением или запаздыванием. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах через углы поворота коленчатого вала относительно ВМТ и НМТ, называются фазами газораспределения и могут быть представлены в виде круговой диаграммы.

Впускной клапан начинает открываться во время такта выпуска предыдущего рабочего цикла, когда поршень еще не достиг ВМТ. В это время отработавшие газы выходят через выпускной трубопровод я вследствие инерции потока увлекают за собой из открывшегося впускного трубопровода частицы свежего заряда, которые начинают наполнять цилиндр даже при отсутствии разрежения в нем. К моменту прихода поршня в ВМТ и началу его движения вниз впускной клапан уже открыт на значительную величину, и цилиндр быстро наполняется свежим зарядом. Угол а опережения открытия впускного клапана у различных двигателей колеблется в пределах 9…33°. Впускной клапан закроется тогда, когда поршень пройдет НМТ и начнет двигаться вверх на такте сжатия. До этого времени свежий заряд заполняет цилиндр по инерции. Угол р запаздывания закрытия впускного клапана зависит от модели двигателя и составляет 40… 85°.

Рис. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя:
а - угол опережения открытия впускного клапана; р - угол запаздывания закрытия впускного клапана; у - угол опережения открытия выпускного клапана; б - угол запаздывания закрытия выпускного клапана

Выпускной клапан открывается во время рабочего хода, когда поршень еще не достиг НМТ. При этом работа поршня, необходимая для вытеснения отработавших газов, уменьшается, компенсируя некоторую потерю работы газов из-за раннего открытия выпускного клапана. Угол Y опережения открытия выпускного клапана составляет 40…70°. Выпускной клапан закрывается несколько позднее прихода поршня в ВМТ, т. е. во время такта впуска следующего рабочего цикла. Когда поршень начнет опускаться, оставшиеся газы по инерции еще будут выходить из цилиндра. Угол 5 запаздывания закрытия выпускного клапана составляет 9… 50°.

Угол а + 5, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты, называется углом перекрытия клапанов. Вследствие того что этот угол и зазоры между клапанами и их седлами в данном случае малы, утечки заряда из цилиндра практически нет. Кроме того, наполнение цилиндра свежим зарядом улучшается за счет большой скорости потока отработавших газов через выпускной клапан.

Углы опережения и запаздывания, а следовательно, и продолжительность открытия клапанов должны быть тем больше, чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя. Это связано с тем, что у быстроходных двигателей все процессы газообмена происходят быстрее, а инерция заряда и отработавших газов не изменяется.

Рис. Принципиальная схема газотурбинного двигателя:
1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - турбина компрессора; 4 - силовая турбина; М - вращающий момент, передаваемый к трансмиссии машины

Принцип действия газотурбинного двигателя (ГТД) поясняет рисунок. Воздух из атмосферы засасывается компрессором 2, сжимается в нем и подается в камеру сгорания 2, куда также подается топливо через форсунку. В этой камере происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают р турбину компрессору 3, где часть их энергии затрачивается на приведение в действие компрессора, нагнетающего воздух. Оставшаяся часть энергии газов преобразуется в механическую работу вращения свободной или силовой турбины 4, которая через редуктор связана с трансмиссией машины. При этом в турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления от максимального значения (в камере сгорания) до атмосферного.

Рабочие части ГТД в отличие от аналогичных элементов поршневого двигателя постоянно подвергаются воздействию высокой температуры. Поэтому для ее снижения в камеру сгорания ГТД необходимо подавать значительно больше воздуха, чем это требуется для процесса сгорания.

Самые известные и широко применяемые во всем мире механические устройства — это двигатели внутреннего сгорания (далее ДВС). Ассортимент их обширен, а отличаются они рядом особенностей, например, количеством цилиндров, число которых может варьироваться от 1 до 24, используемым топливом.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания

Одноцилиндровый ДВС можно считать самым примитивным, несбалансированными и имеющими неравномерный ход, несмотря на то, что он является отправной точкой в создании многоцилиндровых двигателей нового поколения. На сегодняшний день они применяются в авиамоделировании, в производстве сельскохозяйственных, бытовых и садовых инструментов. Для автомобилестроения массово применяются четырехцилиндровые двигатели и более солидные аппараты.

Как функционирует и из чего состоит?

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет сложное строение и состоит из:

Корпуса, включающего в себя блок цилиндров, головку блока цилиндров;
Газораспределительного механизма;
Кривошипно-шатунного механизма (далее КШМ);
Ряда вспомогательных систем.

КШМ является связующим звеном между энергией выделяемой при сгорании топливо-воздушной смеси (далее ТВС) в цилиндре и коленвалом, обеспечивающим движение автомобиля. Газораспределительная система отвечает за газообмен в процессе функционирования агрегата: доступ атмосферного кислорода и ТВС в двигатель, и своевременное выведение газов, образовавшихся во время горения.

Устройство простейшего поршневого двигателя

Вспомогательные системы представлены:

Впускной, обеспечивающей поступление кислорода в двигатель;
Топливной, представленной системой впрыска топлива ;
Зажигание, обеспечивающее искру и воспламенение ТВС для двигателей, работающих на бензине (дизельные двигатели отличаются самовоспламенением смеси от высокой температуры);
Системой смазки, обеспечивающую уменьшение трения и износа соприкасающихся металлических деталей с помощью машинного масла;
Системой охлаждения , которая не допускает перегрева рабочих деталей двигателя, обеспечивая циркуляцию специальных жидкостей типа тосол;
Выпускной системой, обеспечивающей выведение газов в соответствующий механизм, состоящей из выпускных клапанов;
Системой управления, обеспечивающей наблюдение за функционирование ДВС на уровне электроники.

Основным рабочим элементом в описываемом узле считается поршень двигателя внутреннего сгорания , который и сам является сборной деталью.

Устройство поршня ДВС

Пошаговая схема функционирования

Работа ДВС основывается на энергии расширяющихся газов. Они являются результатом сгорания ТВС внутри механизма. Это физический процесс принуждает поршень к движению в цилиндре. Топливом в этом случае могут служить:

Жидкости (бензин, ДТ);
Газы;
Монооксид углерода как результат сжигания твердого топлива .

Работа двигателя — это непрерывный замкнутый цикл, состоящий из определенного количества тактов. Наиболее распространены ДВС двух видов, различающихся количеством тактов:

Двухтактные, производящие сжатие и рабочий ход;
Четырехтактные – характеризуются четырьмя одинаковыми по продолжительности этапами: впуск, сжатие, рабочий ход, и завершающий – выпуск, это свидетельствует о четырехкратном изменении положения основного рабочего элемента.

Начало такта определяется расположением поршня непосредственно в цилиндре:

Верхняя мертвая точка (далее ВМТ);
Нижняя мертвая точка (далее НМТ).

Изучая алгоритм работы четырехтактного образца можно досконально понять принцип работы двигателя автомобиля .

Принцип работы двигателя автомобиля

Впуск происходит путем прохождения из верхней мёртвой точки через всю полость цилиндра рабочего поршня с одновременным втягиванием ТВС. Основываясь на конструкционных особенностях, смешивание входящих газов может происходить:

В коллекторе впускной системы, это актуально, если двигатель бензиновый с распределенным или центральным впрыском;
В камере сгорания, если речь идет о дизельном двигателе, а также двигателе, работающем на бензине, но с непосредственным впрыском.

Первый такт проходит с открытыми клапанами впуска газораспределительного механизма. Количество клапанов впуска и выпуска, время их пребывания в открытом положении, их размер и состояние износа являются факторами, влияющими на мощность двигателя. Поршень на начальном этапе сжатия размещён в НМТ. Впоследствии он начинает перемещаться вверх и сжимать накопившуюся ТВС до размеров, определенных камерой сгорания. Камера сгорания – это свободное пространство в цилиндре, остающееся между его верхом и поршнем в верхней мертвой точке.

Второй такт предполагает закрытие всех клапанов двигателя. Плотность их прилегания напрямую влияет на качество сжатия ТВС и ее последующее возгорание. Также на качество сжатия ТВС оказывает большое влияние уровень износа комплектующих двигателя. Она выражается в размерах пространства между поршнем и цилиндром, в плотности прилегания клапанов. Уровень компрессии двигателя является главным фактором, оказывающим влияние на его мощность. Он измеряется специальным прибором компрессометром.

Рабочий ход начинается когда к процессу подключается система зажигания , генерирующая искру. Поршень при этом находится в максимальной верхней позиции. Смесь взрывается, выделяются газы, создающие повышенное давление, и поршень приводится в движение. Кривошипно-шатунного механизм в свою очередь активирует вращение коленвала, обеспечивающего движение автомобиль. Все клапаны систем в это время находятся в закрытом положении.

Выпускной такт является завершающим в рассматриваемом цикле. Все выпускные клапаны находятся в открытом положении, давая возможность двигателю «выдохнуть» продукты горения. Поршень возвращается в исходную точку и готов к началу нового цикла. Это движение способствует выведению в выпускную систему, а затем в окружающую среду, отработанных газов.

Схема работы двигателя внутреннего сгорания , как уже говорилось выше, основана на цикличности. Рассмотрев детально, как работает поршневой двигатель , можно резюмировать, что КПД такого механизма не более 60%. Обусловлен такой процент тем, что в отдельно взятый момент рабочий такт выполняется лишь в одном цилиндре.

Не вся энергия, полученная в это время, направлена на движение автомобиля. Часть её расходуется на поддержание в движении маховика, который по инерции обеспечивает работу автомобиля во время трех других тактов.

Некоторое количество тепловой энергии невольно тратится на нагревание корпуса и отработанных газов. Вот почему мощность двигателя автомобиля определяется количеством цилиндров, и как следствие, так называемым объемом двигателя, рассчитанным по определенной формуле как суммарный объем всех рабочих цилиндров.

Когда мы садимся за руль автомобиля, поворачиваем ключ в замке зажигания и нажимаем педаль газа, под капотом начинает происходить множество очень сложных механизмов, которые и производят движение. Эти все механизмы нас совсем не интересуют, главное чтобы автомобиль ехал. Но вот когда происходит поломка – мы начинаем ломать голову над тем, в чем же кроется причина и нам приходится осваивать всю необходимую информацию об устройстве и функционировании каждой отдельной детали. Но чтобы не тратить на это время, когда этого времени у Вас не будет, перед тем как садиться за руль, следует хорошо разобраться в особенностях автомобильных деталей.

В частности, сегодня мы поговорим с вами о поршне. Ведь эта деталь является центральной в процессе переработки топливной энергии в тепловую и механическую. Разберемся с Вами, что такое поршень, его назначение, основные требования к нему и особенности его конструкции.

1. Поршень двигателя и его основные характеристики

Мы конечно надеемся, что опытным автомобилистам не нужно долго объяснять, что же такое поршень двигателя. Однако, если среди наших читателей есть «начинающие», то специально для них мы объясним, что поршень является деталью автомобиля, которая преобразует изменения давление газа, пара и жидкости внутри двигателя в механическую силу. Поршень имеет форму цилиндра, внутри которого постоянно совершаются возвратно-поступательные движения, благодаря которым и образуется механическая сила.

Обязанность у этой детали очень ответственная и от того, насколько он хорошо с нею справляется и зависит его эффективность. На самом деле он является наиболее сложной деталью автомобиля, разобраться в особенностях и противоречивых свойствах которой неподготовленному уму довольно трудно. Мало кто знает, но практически ни один автомобильный концерн не занимается самостоятельным изготовлением поршней для своих автомобилей, а заказывают их специально под свои моторы. Усложняет ситуацию для простых автомобилистов и тот факт, что на сегодняшний день существует большое количество разных форм и размеров поршней. Поэтому, обслуживание и ремонт этой детали может всегда проводиться по-разному.

Каким требованиям должен соответствовать надежный поршень?

Поскольку поршень – деталь довольно сложная, то и требований к ней выставляется великое множество. В связи со сложностями производства, изготовителей поршней двигателей не так уж и много, да и стоит эта деталь на авторынке совсем не мало. И так, давайте разберемся, каким требованиям должен соответствовать хороший поршень:

1. Перемещаясь внутри цилиндра, именно поршень двигателя обеспечивает расширение сжатых газов, которые являются продуктом горения топлива. Благодаря этому газы могут выполнять механическую работу – приводить в действие все остальные механизмы автомобиля. Как следствие, основное требование к поршням – возможность сопротивляться высокой температуре при которой проходят все эти процессы, высокому давлению газов и хорошо уплотнять канал цилиндра (иначе он не сможет влиять на давление газов).

2. Поршень не является одиночным устройством, он действует вместе с цилиндром и поршневыми кольцами. Вместе эти детали образуют линейный подшипник скольжения. В связи с этим подшипник обязательно должен отвечать всем требованиям и особенностям пары трения. Если все требования будут учтены с самой высокой точностью, то это не только поможет минимизировать механические потери при сгорании топлива, но и износ всех деталей.

3. Поршень постоянно находится под сильными нагрузками, самыми сильными из которых являются нагрузки от камеры сгорания топлива и реакции от Его конструкция обязательно должна учитывать все эти факторы и выдерживать такое сильное механическое воздействие.

4. Не смотря на то, что поршень в процессе работы движется с довольно большой скоростью, он не должен сильно нагружать инерционными силами кривошипно-шатунный механизм автомобиля, иначе это может привести к поломке.

2. Назначение поршней или их функциональные обязанности

Мы уже неоднократно упоминали, что поршень выполняет очень важную роль во всей работе автомобильного двигателя. Так, основное назначение поршней заключается в том, чтобы:

- принимать давления газов из камеры сгорания и передавать эти давления на двигателя в виде механической силы;

Уплотнять полость цилиндра двигателя, которая находится над поршнем. Таким образом, он предохраняет весь автомобильных механизм от прорыва газов в кратер и от того, чтобы в него проникало смазочное масло.

Причем вторая функция является более важной, поскольку именно благодаря этому поршень сам себе обеспечивает нормальные условия для работы. Даже о том, в каком техническом состоянии находится двигатель специалисты делают вывод только после осмотра поршневой группы и проверки ее уплотняющей способности. Ведь если расход масла превышает 3% от расхода топлива (а происходит это по причине его угара при проникновении в камеру сгорания), то весь автомобильный двигатель необходимо срочно отправлять в ремонт иле же он вообще может быть снят с эксплуатации. Понять, что с Вашим двигателем происходит что-то не то, можно по дымности отработанных газов. Но такого лучше не допускать.

Наверное, читая о том, что поршень и его элементы работают в условиях с очень высокими температурами, Вы удивляетесь, как это устройство само не выходит из строя? Добавим к этому, что кроме сложных температурных условий работу поршня постоянно сопровождают циклические, резко изменяющиеся, нагрузки. При всем этом элементам описываемой детали даже не всегда хватает смазки. Но об этом все конечно же подумали конструкторы и разработчики поршней.

Во-первых , конструируются они с учетом назначение и типа двигателя, на который они будут устанавливаться (стационарный, дизельный, двухтактный, форсированный или транспортный), поэтому для этого используются только самые устойчивые материалы.

Во-вторых , существует несколько путей, благодаря которым осуществляется охлаждение данной детали. Но сначала немного о том, как и куда перетекает тепло (или даже жар) из камеры сгорания. Оно выходит в окружающий холодный воздух, который омывает радиатор и двигатель, а также блок цилиндров. Но какими же путями поршень одает тепло блоку и антифризу?

1. Через поршневые кольца. Самое главное из них – первое, поскольку оно располагается ближе всего к днищу поршня. Так как кольца одновременно прижимаются и к поршневым канавкам и к стенке цилиндра, то благодаря им отдается около 50% всего потока тепла от поршня.

2. Благодаря второй «охлаждающей жидкость», роль которой выполняет моторное масло. Поскольку масло подступает к самым нагретым частям двигателя, то именно ему удается унести в картерный поддон очень большое количество тепла с наиболее разогретых точек. Однако, чтобы масло могло охлаждать поршни, оно также должно охлаждаться, иначе его очень скоро придется менять.

3. Тепло проходит через бобышки в палец, в шатун и в масло. Менее эффективный путь, однако, и он играет свою важную роль.

4. Как не странно, но топливо также помогает охлаждаться поршню и двигателю в целом. Так, когда в камеру сгорания поступает свежая смесь из топлива и воздуха, она перетягивает на себя довольно много тепла, хотя потом отдает его в еще больших количествах. Однако, количество смеси и тепла, которое она сможет поглотить, напрямую зависит от режима работы автомобиля и того, насколько открыт дроссель. Преимущество данного пути заключается в том, что смесь поглощает тепло именно с той стороны, с которой поршень больше всего и нагревается.

Однако, мы немного забежали наперед, поскольку начали говорить о функционировании поршня, не разобравшись до конца в конструктивных особенностях данной детали. Этому и посвятим следующий раздел.

3. Конструкция поршня: все, что необходимо знать о детали обычному автолюбителю

Вообще говорить о поршне в одиночку – все равно, что говоря о хлебе, обсуждать только свойства муки. Более логично ознакомиться со всей поршневой группой двигателя, которая представлена такими деталями:

- непосредственно сам поршень;

Поршневые кольца;

Поршневой палец.

Подобная конструкция поршневой группы является неизменной еще с момента появления самых первых двигателей внутреннего сгорания. Поэтому, данное описание будет общим практически для всех двигателей.

Естественно, самые важные функции выполняет поршень, конструкция которого не меняется вот уже как 150 лет. Если Вы не желаете стать профессиональным механиком, то Вам необходимо знать только о таких важных зонах поршня и их функциональных предназначениях:

1. Днище поршня. Поверхность детали, которая непосредственно обращена к камере сгорания двигателя. Своим профилем днище и определяет нижнюю поверхность этой самой камеры. Зависть эта форма может от: формы камеры сгорания, от ее объема, особенностей подачи в нее топливно-воздушной массы, от расположения клапанов. Бывают случаи, когда на днище имеется углубление за счет которого увеличивается объем камеры сгорания. Но, поскольку подобное является не желательным, то для уменьшения объема камеры приходится применять специальные вытеснители – определенный объем металла, расположенный выше плоскости днища.

2. «Жаровой (огневой) пояс». Таким термином обозначается расстояние, которое пролегает от днища поршня до его первого кольца. Важно знать, что чем меньше расстояние от днища до колец, тем более высокая тепловая нагрузка будет попадать на эти самые элементы, и тем сильнее они будут изнашиваться.

3. Уплотняющий участок. Речь идет о канавках, которые располагаются на боковой поверхности цилиндрообразного поршня. Эти канавки являются непосредственным путем установки колец, которые, в свою очередь, обеспечивают подвижность уплотнения. Также, в канавке для маслосъемного кольца обязательно должно быть отверстие, благодаря которому излишки масла могут выводиться во внутреннюю полость поршня.

Еще одна функция уплотняющего участка – отводить часть тепла от поршня двигателя используя для этого, как мы уже упоминали, поршневые кольца. Однако, для эффективного отвода тепла очень важно, чтобы поршневые кольца плотно прилегали как к канавкам, так и к поверхности цилиндра. Так, торцевой зазор первого компрессионного кольца должен составлять о 0,045 до 0,070 миллиметра, для второго – от 0,035 до 0,06 миллиметра, а для маслосъемного – от 0,025 до 0,005 миллиметра. А вот между кольцами и канавками показатель радиального зазора может составлять от 1,2 до 0,3 миллиметра. Но и эти показатели не являются значительными для человеческого глаза, их можно определить только при помощи специального оборудования.

4. Головка поршня. Это обобщенный участок, который включает в себя уже описанные выше днище и уплотняющую часть.

5. Компрессионная высота поршня. Расстояние, которое рассчитывается от оси поршневого пальца до днища поршня.

6. «Юбка». Нижняя часть поршня. Включает в себя бобышки с отверстиями, в которые устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность этого участка является опорной и направляющей поверхностью для поршня. Благодаря ей обеспечивается правильное соотношение оси поршня и оси цилиндра двигателя. Не менее важную роль играет и боковая поверхность «юбки», благодаря которой к цилиндру передаются поперечные усилия, возникающие периодически в поршневой группе двигателя. А специально для того, чтобы улучшить прорабатываемость поверхности юбки и уменьшить трение, она покрывается специальным защитным покрытием из олова (в основе покрытия может также использоваться графит и дисульфид молибдена. Или же вместо покрытия на юбку могут наноситься канавки специального профиля, которые удерживают масло и создают гидродинамическую силу, препятствующую контакту со стенками цилиндра.

Как и из чего: особенности изготовления автомобильных поршней

Понятно, что для выполнения таких функций, которые выполняет поршень, требуется достаточно «выносливый» металл. Однако, это далеко не сталь. Изготавливают поршни из сплавов алюминия, в состав которого всегда добавляют кремний. Делается это для того, чтобы снизить коэффициент расширения под воздействием высоких температур и увеличить стойкость детали к износу.

Однако, для изготовления поршней могут использовать сплав с разным процентом содержания кремний. К примеру, чаще всего для этой цели используют 13%-кремневые сплавы, которые называют эвтектическими. Есть сплавы и с более высоким содержанием кремния, которые называются заэвтектическими. И чем больше показатель этого процента, тем выше теплопроводные характеристики сплава. Но это не делает такой материал идеальным для изготовления поршней.

Дело в том, что при охлаждении такой материал начинает выделять зерна кремния, размерами от 0,5 до 1 миллиметра. Очевидно, что подобный процесс отражается на литейных и механических свойствах как материала, так и детали, которая из него изготовлена. По этой причине, кроме кремния в подобные сплавы вводят и следующий перечень регулирующих добавок:

- марганец;

Как же изготавливается основная часть автомобильного поршня? Существует даже два способа, благодаря котором можно получить заготовку этой детали. Первый из них предполагает заливку горячего сплава в специальную форму под названием «кокиль». Данный способ является наиболее распространенным. Второй же вариант изготовления заготовки – это горячая штамповка. Но после механической обработки формы, будущий поршень также подвергают различным термическим обработкам, что позволяет повысить твердость металла, прочность и стойкость к износам. Также, подобные процедуры позволяют снять остаточное напряжение в металле.

Не смотря на то, что благодаря использованию кованого металла повышается прочность детали, у них есть и свои недостатки. Подобные изделия обычно изготавливаются в классическом варианте с высокой «юбкой», из-за чего они получаются слишком тяжелыми. Также, подобные изделия не позволяют использовать вместе с ними термокомпенсирующие кольца или же пластины. По причине увеличенного веса такого поршня, увеличивается и его тепловая деформация, как следствие – приходится увеличивать размер зазора между поршнем и цилиндром.

Последствия подобного совсем не порадуют водителя, поскольку ими являются повышенный шум работы двигателя, быстрый износ цилиндров и высокий расход масла. Оправдывает себя использование кованых поршней только в тех случаях, если автомобиль регулярно эксплуатируется на самых придельных режимах.

На сегодняшний день конструкторы и физики направляют все усилия на то, чтобы сделать конструкцию поршней как можно более идеальной и точной. В частности, самые главные тенденции направлены на следующий перечень:

- уменьшение веса детали;

Использование на поршне только «тонких» колец;

Уменьшение компрессионной высоты поршня;

Уменьшение поршневых пальцев и использование в конструкции поршня только самых коротких;

Усовершенствование защитных покрытий и применение их по всех поверхностях детали.

Подобные достижение сегодня можно увидеть на Т-образной конструкции поршней последнего поколения. называют данную конструкцию Т-образной именно благодаря внешнему сходству детали с буквой «Т». Главное отличие таких поршней – уменьшенная высота юбки и площадь ее направляющей части. Изготавливаются такие поршни из заэвтектического сплава, который содержит в себе достаточно большое количество кремния. А изготавливаются они преимущественно путем горячей штамповки.

Однако, какую именно конструкцию поршня двигателя захотят поставить на автомобиль его разработчики будет зависеть от многих факторов. Такому решению всегда предшествует длительный период подсчетов и анализа поведения всех узлов шатунно-поршневой группы под влиянием новой детали. Расчет всех деталей проводится на их самых предельных возможностях их конструкций и тех материалов, из которых они изготовлены. Однако, как это ни печально, но в этом случае производитель не будет переплачивать. Он выберет тот вариант, который как раз «в пору» обеспечивает необходимый ресурс, и не будет тратиться на его повышение.

Как бы там ни было, но обычным автомобилисту приходится разбираться и эксплуатировать то, что уже было установлено на его автомобиль. Надеемся, что наша статья помогла Вам лучше узнать о том, каким образом функционирует и в чем заключается назначение поршней. Желаем Вам, чтобы с этой деталью у Вас никогда не возникало проблем, для чего необходимо обеспечивать ей правильные условия эксплуатации – слишком не «гонять» и вовремя менять моторное масло.