|
|
Поршни, поршневые кольца и поршневые
пальцы
Поршни: основные части
На рис. 7.1 изображены основные части поршня. Головка поршня
образует верхнюю поверхность, на которую действует давление
газа, и сила, создаваемая этим давлением, равна давлению
газа, умноженному на площадь поперечного сечения цилиндра.
Эта сила, действующая вдоль средней линии цилиндра,
передается через структуру поршня к бобышкам поршневого
пальца и действует через поршневой палец на шатун.
На протяжении большей части хода, шатун действует под углом
к средней линии цилиндра. Это создает боковое усилие,
которым поршень воздействует на стенку цилиндра (рис. 7.2),
и необходимо, чтобы опорные поверхности поршня выдерживали
это боковое усилие: эти опорные поверхности формуются на
юбке поршня.
Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре,
должен иметься некоторый зазор. Это в свою очередь будет
допускать утечку газа из камеры сгорания через этот зазор.
Поскольку наибольшие утечки возникают при максимальном
давлении и тогда, когда газ наиболее горячий, большая часть
масляной пленки, смазывающей поршень, сгорит или окислится.
При сгорании газов, содержащих водяной пар, двуокись
углерода и, возможно, небольшое количество двуокиси серы,
которая может загрязнять смазочное масло, может иметь место
коррозия деталей двигателя. Чтобы уменьшить утечки насколько
это возможно, в кольцевых проточках на поршне,
непосредственно на головке поршня, устанавливаются поршневые
кольца.
Головка поршня непосредственно подвергается нагреву от газов
во время их горения. Эти газы еще чрезвычайно горячи во
время рабочего такта и такта выпуска: поршень поглощает
значительную часть тепла этих горячих газов и будет
разогреваться до очень высокой температуры, если только
тепло не будет отводиться от поршня достаточно быстро, чтобы
поддерживать температуру в допустимых пределах. Поршень
может проводить тепло к стенкам цилиндра через поршневые
кольца и юбку поршня, и он будет делать это лучше, если
металл, из которого изготовлен поршень, будет хорошим
проводником тепла.
Большинство металлов расширяются при росте температуры, и
поскольку поршень нагревается во время работы двигателя
сильнее, чем цилиндр (который может охлаждаться более
эффективно), он будет расширяться больше и зазор между
цилиндром и поршнем будет уменьшаться, когда детали
двигателя будут нагреваться. Таким образом, зазор,
допускаемый при сборке двигателя, должен быть достаточно
большим, чтобы допустить уменьшение зазора при росте
температуры, а материал, используемый для изготовления
поршня, должен иметь малый коэффициент термического
расширения. Большой зазор будет допускать перемещение поршня
из стороны в сторону, когда он будет проходить через мертвые
точки с изменением углов соединения с шатуном и это будет
приводить к появлению шума, который называется стуком поршня
и является нежелательным.
Материалы
Чугун
Прежде в двигателях применялись поршни, изготовленные из
чугуна. Они имели хорошую прочность на разрыв и твердость
при рабочих температурах и образовывали хорошую опорную
поверхность при контакте со стенками цилиндров. Но они были
относительно тяжелыми, довольно хрупкими, склонными к
образованию трещин, а также недостаточно хорошо проводили
тепло. Поршни из чугуна имели коэффициент термического
расширения сравнимый с таким же параметром у цилиндра, что
допускало использование довольно малого зазора в холодном
состоянии, а это в свою очередь помогало избежать стука
поршня.
Алюминий
В чистом виде алюминий имеет высокий коэффициент
термического расширения, относительно малую твердость и
прочность. Добавление приблизительно 12 процентов кремния и
небольших количеств других элементов позволяет получить
прочный сплав с низким коэффициентом термического
расширения.
Главные преимущества использования алюминиевых сплавов для
изготовления поршней следующие:
1. Улучшенная термическая проводимость, которая обеспечивает
более низкую температуру головки поршня. Это в свою очередь
обеспечивает меньший нагрев
свежей горючей смеси при такте впуска, благодаря чему
заполняющая цилиндр смесь более холодная и густая, что
обеспечивает улучшенную отдачу мощности двигателем.
2 Уменьшение массы поршня, которое достигается благодаря
низкой плотности алюминия, позволяет двигателю работать на
более высоких оборотах и развивать большую мощность.
3 Благодаря низкой температуре плавления алюминий можно
отливать в стальные формы. Это позволяет получить большую
точность отливок и уменьшает стоимость отливок, если поршни
изготавливаются в большом количестве.
4 Алюминиевые сплавы обычно менее твердые, чем чугун, и их
легче обрабатывать.
Основными недостатками являются следующие:
1 Более высокий коэффициент термического расширения. Это
приводит к необходимости использовать большие зазоры в
холодном состоянии, что ведет к стуку поршней. Этот
недостаток можно минимизировать, применяя специальную
конструкцию юбки поршня и путем использования сплавов,
имеющих относительно низкий коэффициент термического
расширения.
2 Алюминий не такой прочный, как чугун, в особенности при
высоких температурах. Чтобы избежать деформации при
нагрузках, приходится использовать металл большей толщины.
Это уменьшает экономию массы из-за меньшей плотности, но, с
другой стороны, это увеличивает способность поршня проводить
тепло.
3 Алюминий является более мягким материалом, чем чугун, в
особенности при высокой температуре; это ведет к ускоренному
износу кольцевых канавок. В настоящее время разработаны
сплавы с улучшенными характеристиками, а в некоторых случаях
применяются дополнительные меры для того, чтобы преодолеть
этот недостаток.
4 Алюминий более дорогой, чем чугун, хотя этот недостаток
компенсируется легкостью литья и его последующей обработки.
Композитные конструкции
Попытки комбинировать малый вес и хорошую теплопроводность
алюминия с обеспечением малых зазоров в холодном состоянии,
которое достигается при использовании чугуна или стали,
привели к созданию конструкций, состоящих из двух частей, в
которых головка и бобышки поршневого пальца изготавливаются
из алюминия, а юбка поршня — из чугуна или стали.
назад
>> |
|
