Не буду растягивать вступление, кратко расскажу, о чем будет этот большой пост. И так речь идет о типах поршней, четырех тактные бензиновые, дизельные и двух тактные, Основная задача всех рассмотренных типов поршней, это контролировать тепловое расширение и противостоять определенной нагрузке, ниже разберемся как это решается.
Поршни для четырехтактных бензиновых двигателей
В современных бензиновых двигателях используют поршни с симметричной или асимметричной юбкой с различной толщиной днища и юбки поршня.
Поршни управляемого расширенияПоршни с кольцевой вставкой, которая управляет тепловым расширением. Вставки выполнены из серого чугуна. Главная цель этого кольца уменьшить тепловое расширение алюминиевого сплава поршня, так как чугун имеет относительно небольшое расширение и малую теплопроводность, вставка тем самым сдерживает металл сохраняя форму. Производство таких поршней более затратное, соответственно и выше цена готового продукта. Основной недостаток, это невозможность изготовления кованного поршня, так необходимого для турбированых двигателей, большая масса поршня. Такой тип поршней больше уходит в далекое прошлое.
Авто термические поршни, имеют разделение(пропил) между кольцевым поясом и юбкой в канавке маслосъемного кольца, юбка держится в районе бобышек. Это позволяет снизить теплопередачу от кольцевого пояса поршня к его юбке, тем самым достигается более стабильная форма юбки. Стальная вставка в районе бобышек, контролирует тепловое расширение и увеличивает прочность. Такие поршни не способны выдерживать огромные нагрузки из-за «пропила», в работе отличаются низким шумом и относятся к более современным типам.
Поршни Autothermatik
Действуют по такому же принципу, как и авто термические поршни, но не имеют пропила в маслосъемной канавке. Так же имеют стальные пластины в районе бобышек. Более прочные из-за целостности кольцевого пояса и юбки, лучше выдерживают боковые нагрузки по сравнению с первым вариантом. Применяются как в бензиновых, так и частично в дизельных двигателях.
Чем- то похожи на авто термические, но вместо пропила в юбке имеют стальную вставку по всему диаметру. Таким образом ограничивая температурный переход от кольцевого пояса к юбке и контролирую форму по всей окружности.
Поршни с перегородками
Этот тип поршней имеет большой холодильник и узкую часто овальную форму юбки. Поршень спроектирован так что при тепловом расширении он меняет свою форму из овальной в правильную круглую.
В дополнение к такому типу поршней еще есть вариант со скошенной юбкой к вершине поршня. имеет более широкую часть юбки снизу сужаясь к кольцевому поясу.
У поршней для двигателей с очень высокой выходной мощностью (больше, чем 100 кВт/л) может быть выполнен охлаждающий канал.
Поршни EVOTEC®
Самый большой потенциал для того, чтобы уменьшить поршневую массу в четырехтактных бензиновых двигателях несут в себе поршни EVOTEC®, в котором прежде всего стоит отметить трапециевидные поддержки бобышек, что позволяет расположить палец особенно глубоко, близко к днищу, сократив всю длину и массу поршня. В посте Масса поршня мы уже говорили о достоинстве такого расположения пальца. Такое расположение стенок юбки позволяет очень хорошо усилить верхнюю часть бобышек имея небольшую толщину перегородок и облегчить нижнюю выполнив поршень асимметричной формы. Юбка достаточно узкая и на краях имеет прочные перегородки, переходящие к бобышкам, это тоже является большим плюсом. Такая компоновка поршня очень хорошо препятствует боковым нагрузкам, мала вероятность деформации юбки, при этом толщина юбки намного меньше чем в обычном поршне, что тоже сокращает общий вес. На всем фоне отмеченных выше достоинств поршень значительно похудел, это позволяет сделать бобышки тоньше, так как инерционная нагрузка на нижние стенки бобышек стала меньше.
В двигателях с очень большими удельными нагрузками - такими как турбонадув или впрыск закиси азота используют кованные поршни. Преимуществом несомненно является прочность кованного алюминиевого сплава. Выдерживают более высокую температуру и лучше противостоят детонации. Из недостатков отмечается более высокая цена, невозможность применения некоторых технологий, например, некоторые из тех что описаны выше из-за технологического процесса изготовления.
Кованный поршень для Формулы 1
В следующем посте поговорим о поршнях для двухтактных и дизельных двигателей, где нагрузки и температуры еще больше. Поршни дизельных двигателей
enginepower.pro
Поршни должны противостоять очень высокой температуре и высокому давлению на протяжении всех четырех тактов. Поршни испытывают высокие нагрузки, особенно в форсированных и гоночных двигателях. Двигателя с турбо надувом, механическими нагнетателями или впрыском закиси азота, более требовательны к прочности поршня. Добавьте к этому возможность взрыва, и Вы спрашиваете слишком много от этих слизняков. При высокой форсировке двигателя, где поставлена задача добиться максимума мощности использование литых поршней недостаточно. Все детали поршня показаны на рисунке ниже. 
На примере поршень дизельного двигателя.
Производство поршней
Обычно OEM поршни изготавливают из эвтектического сплава, обеспечивающего точность литья, и имеют состав с высоким содержанием диоксида кремния. Такие поршни гораздо прочнее и стабильнее, чем обычные литые и их применение возможно до примерно 400 лошадиных сил.
Кованные поршни имеют более сложную технологию производства, но и обладают лучшими характеристиками. На первой стадии кусок горячего сплава алюминия подвергают ковке, а затем проводится механическая обработка для придания формы. Заготовка поршня попадает на станок ЧПУ, после чего получается высокоточная деталь. Кованные поршни стоят дороже в основном из-за большого количества отходов и обработки на ЧПУ станке.
Эти макеты показывают толщину металла поршня для турбо надуву (слева) и для впрыска закиси азота (справа)
Постройка двигателя, рассчитанного на высокую степень сжатия или использование надува подразумевает использование кованных поршней, способных лучше противостоять высоким температурам и повышенному давлению.
Вертикальные газовые отверстия
Эти небольшие, вертикальные дыры в донышке поршня по всему периметру позволяют давлению при сгорании топливной смеси проникать за первое компрессионное кольцо. Это увеличивает герметичность камеры сгорания но и повышает износ кольца (давление сильно прижимает кольцо к стенкам цилиндра). Во время работы, кроме рабочего хода, первое компрессионное кольцо подвергается обычному давлению, как в обычном поршне и соответственно меньшую силу трения, собственно в этих режимах нет необходимости сильно прижимать кольцо к цилиндру.
Такие схемы поршней часто применяются в драг рейсинге.
Вертикальные отверстия благодаря давлению в режиме рабочего хода, позволяют прижимать верхнее компрессионное кольцо к цилиндру, чтобы обеспечить лучшую герметичность.
Боковые газовые отверстия в канавках колец
Эти очень мелкие углубления, сделанные в верхней части канавки верхнего поршневого кольца по всей окружности поршня, что позволяет прижимать кольцо газами к нижней плоскости канавки поршневого кольца и увеличить тем самым герметичность.
Этот тип часто используется в кольцевых гонках.
Мелкие канавки от верхнего кольца до кромки дна поршня-жаровой пояс.
Крупно выполненные канавки, некоторые делают едва заметный жаровой пояс.
Некоторые поршни имеют серию узких канавок, нанесенных вокруг поршня между первым компрессионным кольцом и кромкой дна поршня. Эти углубления сделаны для уменьшения контактирующей площади с цилиндром, когда поршень находится в верхней или нижней мертвой точке. Так же эти канавки служат для гашения пламени на подходе к кольцу
Компенсационная канавка
Компенсационная канавка выполняется на перемычке между компрессионными кольцами. Это углубление создает дополнительный объем для прорвавшихся газов через первое кольцо тем самым уменьшая давление между кольцами и это обеспечивает меньшее колебание первого кольца, оно лучше удерживается на дне своей канавки сохраняя герметичность камеры сгорания.
Так же посмотрите следующие материалы конструктивные особенности Типы поршней
enginepower.pro
Функция поршня
Поршень как элемент механической передачи
В цилиндре двигателя энергия, находящаяся в топливе, быстро преобразовывается в высокую температуруи давление во время цикла сгорания. Высокая температура и давление возникаютв очень короткий период времени. Поршень, как движущаяся часть камеры сгорания,имеет задачу преобразования этой выпущенной энергии в механическую работу.
Базовая структура поршня - полый цилиндр, закрытый с одной стороны, образует дно поршня, кольцевой пояс, крепление пальца, юбку поршня. рисунок 1.1. Дно поршня принимает усилие расширяющихся газов в следствии сгорания топливной смеси, затем передается усилие на поршневой палец и через него на шатун, который передает усилие на коленчатый вал.
Рисунок 1.1: поршни бензинового двигателя
Рисунок 1.2: Силы на поршне
При движение поршня возникают различные силы в том числе и инерционные как самого поршня так и шатуна и образуют параллелограмм. Сила поршня Fk рисунок 1.2. При перемещении поршня сообщается сила между центрами поршневого пальца и шейки шатуна(сила шатуна Fst). дополнительной составляющий образующую параллелограмм силы -а именно, боковая Фс сила, также известная как нормальная сила. Эта сила прижимает юбку поршня
Рисунок 1.3:
Кривые силы
к стенке цилиндра. Во время цикла сгорания боковая сила изменяет направлениенесколько раз, прижимая поршень то к одной стенке цилиндра, то к другой. Рисунок 1.3 показывает силу поршня и боковые кривые силы.
Герметичность и теплоотдача
При перемещении поршень, вместе с поршневыми кольцами,должен обеспечивать достаточную герметичность камеры сгорания и противостоять прорыву газов через поршневые кольца а так же попадания масла в камеру сгорания. Эта задача должна выполняться с гидродинамическим явлением (об этом подробнее в теме о кольцах), то есть обязательно должна быть масляная пленка на поверхности цилиндра, обеспечивающая смазку юбки поршня. Поршневые кольца недолжны быстро изнашиваться.
Поршень должен эффективно рассеивать тепло полученное от сгорания топлива, теплоотдача происходит в большей степени через кольца, а так же юбку поршня, охлаждается и внутренняя часть поршня как воздухом из картера так и маслом, применяются дополнительные масляные каналы для охлаждения внутренней поверхности поршня. В общих чертах это выглядит так, позже разберем охлаждение подробнее.
Разнообразие задач
Самые важные задачи, которые должен выполнить поршень:
Выполнять рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие (четырехтактные двигатели)
Герметизировать камеру сгорания (поршневые кольца)
Требования к поршню
Выполнение различных задач таких как
низкий уровень загрязнения
Сочетать все требования крайне сложно в виду использованных материалов и форм, чем- то приходится жертвовать. Оптимальное решение может очень отличайтесь для каждого отдельного случая.
enginepower.pro
