Поршень в двигателе: Поршни двигателя внутреннего сгорания | ЖЕЛЕЗНЫЙ-КОНЬ.РФ

Поршни двигателя внутреннего сгорания | ЖЕЛЕЗНЫЙ-КОНЬ.РФ

Поршень предназначен для восприятия давления газов и его передачи на кривошип коленчатого вала (через поршневой палец и шатун). Поршень подвержен максимальному воздействию тепловых и механических нагрузок, которые возникают в процессе работы двигателя внутреннего сгорания. Ввиду того, что поршень движется возвратно-поступательно, создаются значительные дополнительные циклические инерционные нагрузки, а также существенные силы трения о цилиндр боковой поверхности поршня. Поршень одновременно выполняет функции уплотняющего элемента КШМ (кривошипно-шатунный механизм) и отводит тепло от горячих газов, расположенных в надпоршневом пространстве. Всё это предъявляет к конструкции поршня высокие требования. Поршень должен обладать достаточной жёсткостью и прочностью при минимальной массе, его перемещение в цилиндре должно происходить с минимальным трением, также он должен иметь высокий ресурс и обеспечивать герметичность рабочей полости.

Поршень [рис. 1, а)] включает в себя днище (1), уплотняющую часть (3) и направляющую часть/юбку (4). На внутренней стороне юбки располагается пара массивных приливов – бобышек (8). Бобышки соединяются с днищем посредством рёбер, за счёт чего прочность поршня увеличивается. В бобышках имеются отверстия для монтажа поршневого пальца (10), а в этих отверстиях, в свою очередь, выполнены кольцевые канавки, предназначенные для стопорных колец (11). Головка поршня образована днищем и уплотняющим поясом. На внешних поверхностях юбки и головки проточены канавки (9) и (12) для установки маслосъёмных и компрессионных колец соответственно. Верхняя часть поршня называется уплотнительный пояс, так как расположенные здесь поршневые кольца предназначены для предотвращения прорыва газов через зазоры между цилиндром и поршнем. По окружности канавок (9) и (13) просверлены сквозные отверстия (14), которые служат для отвода масла в картер двигателя.

Рис. 1. Поршень двигателя внутреннего сгорания.

а) – Поршень дизельного двигателя А-41:

1) – Днище поршня;

2) – Камера сгорания;

3) – Уплотняющая часть поршня;

4) – Юбка (направляющая часть) поршня;

5) – Канал в стержне шатуна;

6) – Шатун;

7) – Втулка верхней головки шатуна;

8) – Бобышка поршня;

9) – Канавка для маслосъёмного кольца;

10) – Поршневой палец;

11) – Стопорное кольцо;

12) – Канавки для компрессионных колец;

13) – Кольцевая канавка;

14) – Отверстие для стока масла;

б) – Головки поршней:

1) – Д-21А1, Д-144;

2) – А-41, СМД-60, А-01, двигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ;

3) – Д-160, Д-240;

в) – Поршень бензинового двигателя ЗМЗ-53.

Как правило, поршни современных дизельных двигателей изготавливаются с фигурным днищем [рис. 1, б)]. Это даёт возможность придать расположенной в поршне камере сгорания форму, требуемую для качественного смесеобразования, а также сгорания топлива.

Поршни с плоским днищем нашли широкое применение не только в карбюраторных двигателях [рис. 1, в)], но и в вихрекамерных и предкамерных дизельных двигателях, что обуславливается их меньшим нагревом в процессе работы и простотой изготовления.

Число устанавливаемых на поршне колец имеет прямую зависимость от частоты вращения коленчатого вала и от типа двигателя. В карбюраторных и дизельных двигателях широкое распространение получили укороченные поршни, имеющие пару компрессионных и одно маслосъёмное кольцо, которые расположены выше поршневого пальца. В случае уменьшения числа компрессионных колец (с трёх до двух) иногда между ними вводится промежуточная канавка на поршне. В процессе выбора оптимальной формы и объёма кольцевой канавки требуется достигнуть аналогичного температурного состояния и уплотняющей способности поршневой группы при двух компрессионных кольцах, как и при трёх.

Юбка является направляющей частью поршня, передающей при его движении боковую силу стенкам цилиндра от шатуна. В процессе нагрева от горячих газов поршень расширяется больше чем цилиндр, который охлаждается воздухом либо жидкостью, вследствие чего велика вероятность его заклинивания. Во избежание этого, и для обеспечения нормальной работы двигателя, диаметр поршня должен быть меньше диаметра цилиндра. Также в процессе работы двигателя большему нагреву подвержена именно головка поршня, поэтому её диаметр делается меньше, чем диаметр юбки, то есть поршень имеет форму усечённого конуса. Разность между осями верхнего и нижнего основания конуса поршней двигателя ЗМЗ-53 составляет 0,013-0,038 мм, а двигателя ЗИЛ-130 – 0,35-0,05 мм.

Тепловая деформация поршня (в радиальном направлении) складывается с деформациями, которые вызваны овализацией поршня при его нагрузке нормальными силами. Поэтому поперечное сечение юбки поршня выполняется овальным таким образом, чтобы большая часть овала совпала с направлением действия нормальной силы, а малая часть – с продольной осью пальца. У основной массы поршней разность между большой и малой осями овальной юбки составляет 0,14-0,52 мм.

Чтобы получить минимальный зазор между стенкой цилиндра и юбкой поршня в холодном состоянии, а также устранить заедание поршня при его нагревании, в некоторых случаях снимают часть металла на наружной поверхности поршня (в зоне расположения бобышек), формируя неглубокие «холодильники» (вырезы прямоугольной формы). Аналогичная цель преследуется при выполнении разрезов на юбке поршней некоторых двигателей [рис. 1, в]. Разрезы придают пружинящие свойства направляющей части поршня и способствуют плотному их прилеганию к стенкам цилиндров в условиях различных температур. Поршни с разрезанной юбкой обладают повышенным трением и применяются только для карбюраторных двигателей с небольшим давлением газов и малым диаметром цилиндра. Данные поршни устанавливаются в цилиндры таким образом, чтобы ослабленная разрезом сторона испытывала воздействие меньшей нормальной силы.

На некоторых двигателях (ЗИЛ, ЯМЗ, ВАЗ) поршни изготавливаются овально-бочкообразного профиля. Данный профиль сложнее в производстве, но он позволяет уменьшить зазор между цилиндром и юбкой, а также исключить кромочный контакт цилиндра и поршня и соответствует лучшему смазыванию поверхностей в процессе центровки поршня подъёмными гидродинамическими силами.

В двигателях СМД-60 и ЗМЗ-53 [рис. 1, в)] удаляется часть юбки под бобышками для облегчения поршня, а также для прохода противовесов коленчатого вала (при нижнем положении поршня).

В качестве материала для изготовления поршней широкое распространение получили сплавы алюминия с кремнием (легируемые присадки медь и никель). Применение для отливки поршня алюминиевого сплава позволяет уменьшить потери на трение, снизить массогабаритные характеристики двигателя, даёт возможность форсировать его по скоростному режиму. Основным недостатком алюминиевого сплава в качестве материала для изготовления поршня является относительно большой коэффициент линейного расширения, величина которого больше чем у чугуна. Вследствие этого поршни из данных сплавов устанавливаются в цилиндры со значительно большим сравнительным зазором. Из-за увеличенных зазоров не только затрудняется пуск двигателя, но и вызываются стуки в процессе работы непрогретого двигателя (и при работе с малыми нагрузками).

Зазор между юбкой поршня и цилиндром находится в пределах 0,05-0,10 мм при овальном профиле юбки либо наличии у неё разреза, и 0,18-0,26 мм, если юбка поршня имеет цилиндрическую форму (без разреза).

В современных автомобильных и тракторных двигателях внутреннего сгорания используются не только литые, но и штампованные поршни, выполненные из алюминиевого сплава. Использование литых поршней с нирезистовой вставкой под первое компрессионное кольцо позволяет повысить (более чем в 2 раза) износостойкость сопряжения поршня с верхним компрессионным кольцом. Данные поршни применяются в двигателях СМЗ, КамАЗ, ЯМЗ, ЗИЛ и прочих. С целью улучшения приработки с цилиндром трущиеся поверхности поршней в некоторых двигателях (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 и прочих) покрываются тонким слоем (0,004-0,006 мм) олова.

С целью предупреждения возникновения стуков в некоторых двигателях выполняется незначительное смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня. Данное смещение оси пальца, как правило, в сторону более нагруженной поверхности поршня приводит к тому, что момент перекладки поршня (от одной стенки цилиндра к другой) не совпадает с моментом резкого возрастания момента сгорания. К примеру, в дизельном двигателе Д-60 смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня выполнено на 3 мм в сторону вращения коленчатого вала.

Эффективным способом решения проблемы сохранения подвижности поршня при минимальном зазоре является использование терморегулируемых поршней с принудительным охлаждением.

Терморегулируемые поршни карбюраторных двигателей ВАЗ и прочих имеют ограниченное расширение юбки, которое достигается путём заливки в её тело вставок из материала, имеющего меньший, чем у основного металла поршня, коэффициент расширения.

В процессе остывания отливки данного поршня вставками создаётся напряжённое состояние, которое препятствует значительному сокращению диаметра юбки. В процессе нагрева поршня до рабочей температуры вставками наоборот, создаётся ограничение его теплового расширения. В итоге общий диапазон температурного изменения диаметральных размеров поршня, снабжённого вставками, значительно снижается.

В высокофорсированных дизельных двигателях используется принудительное охлаждение поршней посредством опрыскивания маслом внутренней поверхности днища поршня либо организованной циркуляцией масла. Кольцевая полость для циркуляции охлаждающего масла выполняется при отливке поршня посредством введения специальных солевых стержней (растворяются после застывания металла и формируют требуемую полость) либо с помощью соответствующей механической обработки и изготовлением поршня из двух частей (с последующей сваркой половинок).

Чтобы снизить теплонапряжённость алюминиевых поршней применяется нанесение теплоизоляционных керамических покрытий, а также твёрдое анодирование поверхности камеры сгорания в поршне и поверхности днища поршня. Для эффективной защиты камеры сгорания в поршне от формирования термических трещин выполняется армирование её кромки жаропрочным материалом.

17*

Похожие материалы:

Как работает двигатель автомобиля?

03.02.2019 Автомобильный двигатель: большой, грозный, но не такой уж сложный

Если бы кто-то сказал заглянуть под капот и найти там мотор, у большинства из нас не было бы больших проблем с ним. Вы просто показываете на самую большую деталь, здесь сомнений нет – силовой агрегат – самая огромная часть автомобиля. Но что на самом деле скрыто под этим чугунным или алюминиевым корпусом? Достижение поколений — это точно. Говорят, что двигатель — это сердце автомобиля — и это правильно — без него машина не поедет.

Так как же это работает и почему? Что заставляет автомобиль воспроизводить приятную симфонию звуков после поворота ключа в замке зажигания? Как получилось, что двигатель способен привести в движение колеса? Было бы сложно описать последовательно все существующие типы двигателей в мире. Однако существует схема, которая, за исключением нескольких случаев, остается неизменной и на которой проще всего объяснить, как работает двигатель автомобиля, то есть тот тип моторов, который сжигает бензин, дизельное топливо или масло.

Поршень: отсюда начинается всё

Вообще всю работу в двигателе выполняет поршень. Именно он движется в цилиндре по принципу «скольжения» — прямолинейно и поступательно. Последовательно — один раз вверх, один раз вниз. Задача поршня, как следует из названия, заключается в нажатии. Если не один, то другой путь.

Чтобы выполнить работу, привести к появлению полезной энергии (КПД больше нуля), поршень должен немного поработать и сделать четыре движения в цилиндре — первоначально он всасывает воздух или смесь через открытый всасывающий клапан, скользя вниз до самого дна цилиндра. Когда он располагается на дне цилиндра, наполненного воздухом, клапан закрывается. Когда цилиндр наполняется воздухом «до зубов», поршень крепко сжимает его, поднимаясь вверх. Специально для такого сжатого воздуха топливо впрыскивается сверху (в дизельном двигателе) или возникает искра (вариант с бензиновым вариантом), которая вызывает взрыв. Независимо от силы взрыва (бывает, что из-за простоя автомобиля, первая искра недостаточно сильна) поршень отправляется вниз. Когда поршень заканчивает свой путь, цикл может считаться оконченным, затем он совершает еще один ход — вверх. Его уже ждет открытый выпускной клапан, через который поршень выталкивает весь этот ненужный мусор (выхлопной газ) наружу.

Поршневой цикл: схема

Это тот самый дым, который в конечном итоге выходит из выхлопной трубы под вашей машиной. И так продолжается снова и снова: всасывание воздуха — поршень опускается, сжатие воздуха – поршень уходит вверх. Взрыв — поршень опущен, выталкивание выхлопа — поршень вверх. И все время снова и снова.

Таким образом, энергия взрыва превращается в работу, потому что движение поршня, соединенного с шатуном, вызывает вращение коленчатого вала, что приводит в движение силовой агрегат, который перемещает колесо автомобиля. Конечно, двигатель обычно имеет несколько поршней и цилиндров. В целом, чем они больше, тем больше работа двигателя и чем больше мощность этих цилиндров, тем больше потенциал двигателя и, следовательно, — лучшее ускорение, лучшая динамика, но также и большая потребность в топливе.

Предлагаем вам посмотреть занимательное видео, в котором подробно рассказывается и показывается каким именно образом работаем двигатель внутреннего сгорания автомобиля:

Например, когда указатель тахометра в вашей машине приближается к 2000 об./мин. (2 тысячи оборотов коленвала), это означает, что поршень совершает 4000 ходов в это время, и смесь попадает в цилиндр 1000 раз! Все это за минуту. И всего на один цилиндр. Теперь подумайте, сколько топлива нужно двигателю, если вы «стреляете» в него все время, разгоняя до 6000 оборотов при нажатой педали газа в пол!

Важность моторного масла

Чтобы двигатель работал исправно, очень важно наличие в картере масла. Каждый из нас отлично знает, что, чем лучше скольжение, тем более плавным является движение (вспомните фигурное катание). В принципе, там, где есть движение в двигателе, где одна деталь соприкасается с другой, туда и попадает масло. Его путь начинается с масляного поддона, который расположен под двигателем, масло всасывается специальным насосом, затем масляный насос вдавливает его в трубчатую сборку, которая направляет смазочный растовр в множество мест двигателя.

Представьте, что случилось бы, если бы в течение длительного времени все компоненты двигателя двигались «всухую». Теперь вы, наверное, понимаете, почему так важно время от времени проверять уровень масла в двигателе.

Бензиновый и дизельный моторы: в чем принципиальные отличия?

В чем главное отличие бензинового двигателя от дизельного? Речь идет о принципе зажигания. Бензиновые двигатели имеют искровое зажигание, дизель является самоходным. Что означают эти слова?

Бензиновые двигатели для взрыва в цилиндре используют искру, генерируемую на свече зажигания. В дизельных двигателях всё совсем иначе. В дизельном моторе воздух в цилиндре сжимается поршнем гораздо сильнее. Настолько, что внутри создается высокая температура, достаточная для взрыва смеси в цилиндре без искры. Бензин не возгорается из-за большого давления, соляра (дизельное топливо), наоборот, не горит при нормальных условиях от обычной искры.

Двигатели также различаются по расположению и количеству цилиндров. В Европе наиболее популярными являются рядные двигатели — как можно заключить из названия, цилиндры, в которых движутся поршни, в них расположены в ряд. Рядный четырехцилиндровый двигатель будет отмечается символом R4, шестицилиндровый R6 и т. д. Теперь представьте, что Lamborghini собирается смонтировать большой 12-цилиндровый двигатель под капотом своей модели. Если бы производитель хотел установить все цилиндры в один ряд, двигатель занял бы много места. Таким образом, было изобретено другое решение — разветвленное расположение цилиндров в два ряда, под углом 60, 90 и даже 180 градусов (оппозитный мотор). Все двигатели этого типа обозначены буквой V, в данном случае это будет двигатель V12. Однако более популярными являются установки V6 и V8. Такие автомобили изготавливались в середине прошлого века в США, после финансового кризиса их посчитали недостаточно оправданными.

Эти «демонические», действительно мощные, производительные моторы, встречаются реже, их можно обнаружить, чаще всего, в Subaru или Porsche. Здесь поршни расположены с обеих сторон коленчатого вала, лицом друг к другу, что делает весь двигатель, по сравнению с другими, очень плоским, но не менее объемным.

Рядный двигатель

Когда дело доходит до поршневого устройства, существует еще один тип двигателя, который сильно отличается от остальных. Это двигатель с одним вихревым поршнем, так называемый Двигатель Ванкеля. Также существуют специальные роторные моторы (цилиндры расположены по кругу), сферические моторы (поршень двигается не поступательно, а описывает сферу) и многие другие изобретения.

Повышение эксплуатационного ресурса поршневого двигателя

Поршневые двигатели широко используются для получения энергии в различных областях науки и техники, в первую очередь в автомобильной промышленности. В процессе проектирования, крайне важно быть уверенным в том, что все части двигателя способны выдерживать высокие напряжения и нагрузки, что в свою очередь продлевает срок его эксплуатации. В данной статье мы проанализируем износ шатунов двигателя.

Преобразование давления во вращательное движение

Большинство двигателей современных средств передвижения используют возвратно-поступательный поршневой механизм в качестве источника своей энергии. В поршневом двигателе внутреннего сгорания, топливо смешивается с окислителем в камере сгорания. Сгорание заставляет газы расширяться, оказывая давление на поршень двигателя и выталкивая его из камеры. Линейное перемещение поршня преобразуется во вращательное движение посредством шатуна, который соединяет поршень с коленчатым валом. Это непрерывное движение вызывает большие напряжения в шатуне — нагрузка, которая возрастает с увеличением оборотов двигателя.

В поршневых двигателях, решающее значение имеет анализ работы каждого компонента, поскольку отказ одной части часто означает замену всего двигателя. Для оптимизации конструкции двигателя и гарантии длительного срока его эксплуатации, можно проанализировать работу шатунов с точки зрения их износостойкости.

Механические напряжения и усталость поршневого двигателя

В модели расчета многоцикловой усталости при возвратно-поступательном движении поршня рассматривается пример трех-цилиндрового поршневого двигателя, собранный в модуле Динамика многотельных систем. В этом двигателе маховик установлен в коленвале, и эта сборка поддерживается с обоих концов подшипниками скольжения. Данная модель содержит три комплекта цилиндров, поршни и идентичные шатуны. Шарнирные стыки используются для соединения нижних концов шатунов к общему коленвалу, а также для соединения поршней и шатунов в вершней части. Призматическое соединение используется для соединения каждого из цилиндров с поршнем.

Геометрия двигателя.

Предполагается, что кроме подвижной центральной части шатуна, все остальные компоненты двигателя являются жесткими. Цилиндры закреплены, а другие части двигателя имеют возможность свободно перемещаться в пространстве. Двигатель в сборке работает в режиме 1000 оборотов в минуту, при этом данные для конструкционной стали показывают, что предел усталости наступает при 210 МПа.

Наш анализ начинается с расчета временной зависимости напряжения в центральной части шатуна, так как концентрация напряжений, в силу геометрических соображений, предполагается именно в этой области. После нескольких оборотов, двигатель выходит на стационарный режим. Начиная с третьего цикла, зависимость напряжения от времени практически повторяется для каждого цикла, как показано на графике ниже. Третье главное напряжение преобладает во временной зависимости напряжения шатуна, так как часть его подвергается сжатию все время. Поскольку значения первого и второго главных напряжений малы по сравнению с третьим, мы можем рассматривать напряженное состояние в центральной части шатуна, как одноосное. Так как напряжения по Мизесу больше подходят для многоосной нагрузки, мы используем главное напряжение в качестве амплитуды напряжения в соотношении Баскина.

Временная зависимость напряжения в центральной части шатуна.

Следующий рисунок связан с прогнозом усталостной долговечности шатуна — времени до его усталостного разрушения. Сфокусируем наше внимание на центральной части около верхнего конца шатуна. Согласно модели Баскина, усталостная долговечность предсказывается на уровне двадцати пяти миллиардов циклов, что является чрезвычайно хорошим показателем. Хотя предел прочности не определяется в модели Баскина, соотношение может быть использовано для обратного расчета усталостной долговечности исходя из напряжения выносливости — 245 миллионов циклов. Поскольку прогноз модели дает большее значение времени жизни, чем обратные вычисления усталостной долговечности при пределе выносливости, мы можем предположить, что напряжение внутри сборки двигателя лежит ниже предела усталости, которое, как мы отмечали ранее, составляет величину 210 МПа для используемого материала, и, таким образом, шатун имеет неограниченный срок эксплуатации.

Прогноз усталостной долговечности шатуна.

Первоначальный график временной зависимости напряжения также показывает, что шатун спроектирован с неограниченным ресурсом эксплуатации. С диапазоном главного напряжения около 110 МПа, амплитуда напряжения имеет значение близкое к 55 МПа, что ниже усталостного предела для материала.

Попробуйте сами

ОВАЛЬНЫЕ ПОРШНИ, ТРЕУГОЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРЫ | Наука и жизнь

В тот момент, когда кто-то из людей догадался приспособить колесо для перевозки груза, возникла очередная задача — разработать адекватный механизм для приведения получившейся повозки в движение. Справедливости ради заметим, что долгое время эта задача не формулировалась именно так (это не означает, что её не было), поскольку с перемещением вполне успешно справлялись биологические источники движущей силы — имевшиеся в достаточном количестве рабы и тягловые животные. Однако со временем возникла необходимость перемещать поклажу на большие расстояния с более или менее высокой скоростью. Живые двигатели с такой задачей справиться не могли, пришлось придумывать моторы.

Рис.1. В двигателе Ванкеля треугольный поршень вращается в камере, напоминающей распухшую восьмёрку.

Рис. 2. Схема роторно-поршневого двигателя RKM: 1 — стационарный корпус; 2 — вращающийся поршень; 3 — зубчатое колесо приводного вала; 4 — внутренняя шестерня поршня.

Рис. 3. Внутри вращающегося поршня расположены жёстко связанная с ним разрывная шестерня (4) и зубчатое колесо (3) приводного вала двигателя.

Рис. 4 Роторно-поршневые машины типа RKM могут иметь один или два приводных вала. Если вал один, то рабочая камера имеет на одну грань больше, чем поршень (варианты а, в), если же валов два — то на одну грань меньше (варианты б, г).

Рис. 5. Принцип работы роторно-поршневого двигателя RKM: а — запуск двигателя; б — рабочий режим. За 1/3 полного оборота поршня цикл работы мотора с биов альным поршнем повторяется.

Рис. 6. Действующая демонстрационная модель компрессора типа RKM.

‹

›

Многие исследователи истории техники склонны считать, что большинство современных механизмов впервые появилось в Китае. Так ли это на самом деле, сказать трудно, но то, что первые поршневые компрессоры возникли в Поднебесной, пожалуй, факт. Известно, во всяком случае, что трубки из бамбука с намотанной на палку пробкой из травы и смазкой из животного жира ещё в бронзовом веке использовались в китайских кузницах в качестве мехов для раздувания огня. Поршень толкали туда-сюда вручную, но довольно быстро кузнецы догадались приспособить к палке кривошип, и дело пошло куда веселее. До изобретения поршневого двигателя оставался всего шаг, нужно было суметь заставить поршень двигаться внутри цилиндра самостоятельно и крутить кривошип или коленчатый вал. Но прошло около двух тысячелетий, прежде чем эта мысль получила практическое воплощение.

Идея оказалась конструктивно довольно легко выполнимой, и поршневые двигатели с момента своего появления надолго заняли место в технике. Бегающие взад-вперёд поршни через коленчатые валы и шестерёнчатые передачи крутят колёса, вращают гребные винты, работают в компрессорах и насосах, то есть практически во всех типах промышленных и бытовых силовых машин. А почему? Да потому, что за тысячелетия своей истории люди не придумали ничего лучше.

Впрочем, почему же не придумали? Есть, например, турбины, есть, наконец, реактивные двигатели, есть и электромоторы. Правда, сферы их применения всё же ограничены. Турбины и реактивные двигатели приспособить к небольшим машинам довольно сложно и дорого, электромоторы требуют источников питания, пока ещё не отработанных настолько, чтобы сравниться по энергоёмкости с элементарным бензобаком.

Есть ли выход? Оказывается, есть. И, по всей видимости, он в использовании так называемых роторных, или роторно-поршневых, двигателей. Самый известный из них — двигатель немецкого инженера Феликса Ванкеля. Действующий образец его роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания (РПД) был испытан в феврале 1957-го, а задолго до этого, в двадцатых годах ХХ века (точнее — в 1929-м), он получил патент на роторно-поршневой компрессор. Патент на двигатель Ванкель оформил в 1936-м. И это объяснимо: сделать компрессор, то есть «холодную» машину, намного проще, чем мотор — машину «горячую».

Суть изобретения Ванкеля заключалась в том, что в корпусе двигателя на эксцентрике вращается поршень треугольного сечения (рис. 1). За один оборот кромки поршня описывают поверхность, напоминающую распухшую восьмёрку. Поршень постоянно делит внутреннюю полость мотора на три камеры. По мере вращения поршня камеры постоянно меняют свой объём. Когда объём одной камеры растёт, в неё засасывается горючая смесь; в это же время объём другой камеры уменьшается, смесь сжимается, происходит зажигание; под действием возросшего в этой камере давления поршень проворачивается, заставляя отработавшую смесь из третьей камеры уйти в выхлопной тракт. Таким образом, за один полный оборот в двигателе Ванкеля происходят три вспышки топлива, в то время как в обычном поршневом моторе одна вспышка приходится на два оборота коленчатого вала. Поршень в РПД вращается с более или менее постоянной скоростью, не меняя направления движения, а в обычном моторе он совершает возвратно-поступательные движения. Всё это создаёт большие преимущества роторных моторов, они работают значительно плавнее обычных, для их изготовления требуется почти на треть меньше деталей, они существенно (даже очень существенно) легче и меньше своих поршневых собратьев. Но… на кромках поршня в реальном моторе Ванкеля устанавливают специальные уплотнения, которые препятствуют порыву газов из одной камеры мотора в другую. В этих уплотнениях (хотя и не только в них) кроется причина того, что РПД не получили широкого распространения. Практически только японская компания «Мазда» продолжает серийно выпускать автомобили с роторными моторами. Нужно отдать должное этим механизмам. При сравнительно небольшом рабочем объёме они обладают значительной мощностью, могут работать на высоких оборотах, и снабжённые ими машины ездят очень быстро. Но топливная экономичность их ниже всякой критики, да и расход масла не идёт ни в какое сравнение с обычными поршневыми моторами.

У двигателей Ванкеля есть и ещё один весьма существенный минус: по этой схеме невозможно сделать дизельный мотор, уплотнения по кромке поршня не способны удержать давление в камере сгорания, достаточное для работы дизеля.

И что же? Опять нет выхода? Выход, кажется, найден. И найден он нашим сооте-чественником, физиком и математиком Борисом Шапиро, работающим сейчас в Германии.

Сформулировав и решив сложную математическую задачу, он предложил новый класс машин с вращающимся поршнем. Шапиро назвал такие машины RKM (от немецкого Rotationskolben-maschinen), а его немецкие коллеги «по цеху» упростили название до Schapiromotor, то есть мотор Шапиро.

Внешне RKM напоминает двигатель Ванкеля, однако даже при беглом взгляде видно (рис. 2), что у этих машин принципиально разные формы поршней: в моторе Ванкеля — треугольный с острыми кромками, в двигателе Шапиро — скруглённый. В двигателе Ванкеля поршень своими кромками только скользит по поверхности камеры, создавая уплотнения по линии соприкосновения, а в двигателе Шапиро контакт осуществляется при скольжении поверхности по поверхности. Контакт между овальными поверхностями поршня и камеры оказывается значительно более плотным, что обеспечивает возможность развивать в образующихся рабочих камерах весьма высокое давление (дизель возможен).

Главные компоненты RKM — это специальный стационарный корпус с криволинейной рабочей камерой и вращающийся внутри него овальный (если быть более точным, то в простейшем случае биовальный, а в более сложных — полиовальный) поршень. Во внутренней части поршня встроено оригинальное зубчатое устройство, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом приводного вала. Через это зацепление вращение поршня передаётся на вал, или, наоборот, вращение вала заставляет поршень крутиться. Это, кстати, даёт возможность использовать RKM и как двигатель, и как компрессор или насос. Поршень вращается вокруг оси, названной авторами «прыгающей». На рис. 2 поршень показан в крайнем левом положении. Вращаясь по часовой стрелке относительно оси а, он переходит в нижнее положение, касается стенки по линии А-В, и в этот момент начинается вращение относительно оси b. Ось как бы перепрыгивает из одного положения в другое. Легко видеть, что положение мгновенной оси вращения перемещается навстречу самому поршню.

Из схемы (рис. 3) видно, что зубчатое колесо 3 приводного вала находится в зацеплении с внутренней шестернёй поршня 4. Центр делительной окружности шестерни располагается в точке, относительно которой вращается поршень.

Представим себе, что в рассматриваемом механизме вращается не поршень, а корпус. Тогда легко увидеть, что траектория оси приводного вала имеет особые точки, которые соответствуют крайним положениям самого поршня в корпусе механизма. Пройти эти особые точки непросто. Авторам новой машины удалось решить эту задачу. Они смогли рассчитать, а затем и построить геометрическую модель разрывной зубчатой передачи, которая полностью компенсирует особые точки траектории оси приводного вала.

Во внутренней полости поршня можно установить один приводной вал, но можно и два.

От того, один или два приводных вала имеются в двигателе, зависит соотношение количества условных граней в поршне-роторе и корпусе (рис. 4). Если приводной вал один, то число граней в камере корпуса составляет n + 1, где n — число граней ротора; если же валов два, то число граней в камере составит n — 1. Впрочем, от количества установленных валов зависит не только внешний профиль поршня, но и форма его внутренней полости. Так, если вал один, то внутренняя полость повторяет контур поршня, но повёрнута по отношению к нему на 90 град., а если два — то она просто повторяет профиль поршня. В трёхгранном поршне полость содержит три грани, в пятигранном — пять и т.д.

Как же работает RKM? Рассмотрим последовательность тактов на примере биовального поршня в «треугольной» камере (рис. 5). Предположим, что поршень вращается по часовой стрелке. Тогда объём камеры слева от поршня увеличивается, в неё засасывается горючая смесь. В момент «прыжка» мгновенной оси вращения поршня объём камеры начинает уменьшаться, смесь сжимается. Одновременно в камеру, расположенную на рисунке ниже поршня, засасывается следующая порция горючей смеси. При максимальном сжатии смеси (или на несколько мгновений раньше) смесь поджигается. Сгорающая смесь расширяется и толкает поршень, который, во-первых, заставляет вращаться приводной вал, во-вторых, сокращая объём левой камеры, сжимает горючую смесь в ней. Теперь поджигается смесь в камере слева от поршня, начинает сокращаться в объёме камера справа. Отработавшие газы из неё удаляются. Через каждую треть полного оборота поршня такты всасывания, сжатия, сгорания и выхлопа полностью повторяются.

Двигатель RKM будет обладать усовершенствованным процессом поджига в оптимизированной камере сгорания (предкамере), отделённой от рабочих камер. Это существенно улучшает коэффициент полезного действия. Конструкторы новой машины столкнулись также с несколькими серьёзными проблемами. Например, достигая крайнего положения, поршень двигателя RKM может ударяться в стенку камеры. Впрочем, все проблемы тем или иным способом удаётся решить. Важно и то, что для изготовления машин типа RKM можно применить существующие машиностроительные технологии и материалы. Ничего нового специально создавать не требуется.

Машины RKM состоят из небольшого числа деталей. Предварительные расчёты показывают, например, что сконструированный по технологии RKM компрессор на 20 атм будет иметь почти на две трети меньше деталей, чем выпускаемые сегодня, и в результате себестоимость уменьшится на 30%. Кроме того, малое количество деталей существенно повышает надёжность: каждому начинающему механику известно, что чем меньше в машине компонентов, тем реже она ломается.

Интересно то, что если говорить о теории машин и механизмов, возвратно-поступательное движение поршня является частным случаем принципа действия машин RKM, обладающих всеми преимуществами «классических» поршневых машин — надёжным уплотнением между рабочей камерой и поршнем и возможностью высокой степени сжатия в рабочей камере.

Моторы RKM могут быть карбюраторными или дизельными и работать на продуктах перегонки нефти, сжиженном природном газе, водороде или любом другом топливе. Причём сгорание топлива в них благодаря наличию предкамеры оказывается существенно более полным, а выхлоп более чистым.

Наконец, машины RKM обладают более высоким КПД, чем существующие. Подсчитано, что применение принципа RKM даже в паровой машине повысит её КПД как минимум до 35%, то есть сделает архаичное по сегодняшним меркам устройство сравнимым по эффективности работы с современным автомобильным мотором.

Новаторская механика RKM может быть использована в тысячах вариантов, многие из которых сегодня трудно себе представить. Например, автомобиль, каждое из колёс которого крутит индивидуальный мотор величиной с трёхлитровую банку. Или портативный компьютер, работающий без перерыва 60 часов от миниатюрного электрогенератора с крохотным моторчиком внутри. Ведь есть же двигатель Ванкеля величиной с монету в один цент… Сменил в таком генераторе пустой топливный бачок размером с толстый карандаш на полный, и работай дальше.

Однако разработчики считают, что наиболее реально сейчас применять RKM в качестве компрессоров и насосов. Исследования, проведённые группой инженеров и студентов Политехнического университета в Ингольштадте (Германия), показали, что такие насосы, будучи использованными вместо известных типов, могут иметь заметные технико-экономические преимущества.

Пробиться с новым классом машин на рынок моторов очень трудно. В мире всего около десятка независимых производителей моторов. Остальные в той или иной степени связаны с ними и зависят от них. Вложившие в усовершенствование и производство «классических» моторов многие миллиарды долларов, автостроители вовсе не горят желанием сменить направление работы. Несмотря на то, что двигатели RKM будут экономичнее, мощнее, меньше, легче, надёжнее и дешевле в производстве и обслуживании.

Рынки насосов и компрессоров столь же огромны, как и рынки моторов, но значительно менее монополизированы. Такую технику производят по всему миру сотни тысяч почти независимых компаний. В то же время в одной только Германии ежегодный объём продаж насосов различных типов оценивается в 4,5 млрд евро, а во всём мире достигает 315 млрд евро. Вероятно, именно на рынке насосов и начнётся история реального использования машин RKM.

Поршень – из чего состоит, как работает, почему прогорает

Прогар поршня – довольно распространенное явление, особенно на современных высокофорсированных дизельных моторах. Случаи прогара поршня случаются и на бензиновых двигателях. Однако такую неисправность почти всегда можно предупредить.

Прогоревший поршень – это всегда следствие неправильной работы одной или нескольких систем двигателя. Если двигатель исправен и работает как надо – поршни в нем не прогорают.

Читайте также: Двигатель внутреннего сгорания может быть экологически чистым: инженеры

Строение

Несмотря на довольно простой вид, поршни имеют сложное строение и очень точные размеры. Самое сложное строение в современных поршнях дизельных моторов, ведь они содержат в себе и камеру сгорания, и масляную галерею для охлаждения.

Мы не будем глубоко разбирать строение поршня, отметим лишь, что каждый поршень имеет днище – часть, которая непосредственно контактирует с рабочими газами, и юбку – которая по сути является направляющим элементом, трущуюся о стенки цилиндра.

Поршневые кольца устанавливаются ближе к верхней части поршня, то есть ближе к днищу. Именно в районе поршневых колец чаще всего прогорают поршни, ведь эта часть имеет наибольшие тепловые нагрузки.

Как работает

Условия работы поршня очень непростые из-за высоких температур, значительных нагрузок, а также больших скоростей передвижения. Более того, поршни является одним из основных элементов, которые ограничивают производительность двигателя – ведь их нужно постоянно разгонять и останавливать в цилиндрах. Следовательно, их вес стремятся сделать как наименьшей.

Одной из задач поршня является принятие на днище огромной температуры и отдача ее через юбку на стенки цилиндра. В подавляющем большинстве высоконагруженных двигателей существует дополнительная система охлаждения поршней моторным маслом. С помощью форсунок оно подается снизу и охлаждает поршень.

Почему прогорает

Прогоревший поршень – всегда следствие неисправности какой-то из систем. Чаще всего причину стоит искать в системе подачи смазки для охлаждения днища поршня. Но бывают и другие. Наиболее распространенная, особенно у дизельных и высокофорсированных бензиновых турбодвигателей – попадание масла во впускной тракт (например, из-за неисправного турбонагнетателя или из-за системы вентиляции картера). В таком случае температура горения горючего значительно возрастает и это может привести к прогару поршня.

Также к прогару может привести тюнинг, который связан с повышением давления турбонагнетателя. Нередко приводят к прогару поршня и проблемы со смесью и зажиганием. Даже горючее неподходящего качества может нанести вред поршням.

Перегрев двигателя почти всегда приводит к проблемам с поршнями. Чаще всего из-за перегрева они сильно расширяются и прикипают к стенкам цилиндра. На поршнях возникают задиры, а поршневые кольца теряют упругость и подвижность.

Что делать, чтобы не прогорел

Во-первых, нужно вовремя и правильно обслуживать двигатель. Не стоит сводить плановые ТО к одной лишь замене масла. При каждом ТО специалист должен осмотреть двигатель, ведь очень часто опытный мастер способен найти и устранить небольшую проблему еще до того, пока она приведет к серьезным последствиям. Если вам показалось, что в работе двигателя произошли какие-то изменения, – не медлите, обращайтесь к специалистам.

Во-вторых, если хотите, чтобы ресурс двигателя не пострадал, не стоит увлекаться тюнингом, целью которого является увеличение мощности. Даже лучшие тюнговые центры не имеют такого опыта, как инженеры на заводе-изготовителе. В огромных конструкторских бюро, которые занимаются разработкой двигателей, работают лучшие инженеры мира. Вряд ли специалисты по тюнингу смогут показать лучшие результаты при условии сохранения ресурса двигателя.

В-третьих, используйте только качественные горюче-смазочные материалы. Не стоит экспериментировать с моторным маслом, заливая малоизвестные бренды и тем более подделку. Также не стоит заправляться на заправках сомнительного качества.

Резюме Авто24:

Прогар поршня – очень серьезная неисправность, устранение которой стоит дорого. Но хорошая новость в том, что поршня не прогорают врасплох, о наступлении такой поломки двигатель обычно предупреждает изменениями в работе. Хороший специалист, в подавляющем большинстве случаев, сможет распознать такую неисправность на ранних стадиях. Поэтому даже для прохождения обычного ТО стоит обращаться только в проверенный автосервис.

Справочная и техническая информация о деталях двигателей

При расточке блока и установке поршней в блок цилиндров, требуется следовать рекомендациям производителя поршней по обработке цилиндров, монтажу и установке деталей цилиндропоршневой группы. Основная информация нанесена на верней части поршня. Если какая либо информация не указана производителем поршней, ни на упаковке, ни на самом поршне, то необходимо следовать рекомендациям производителя автомобиля. Расшифровка символов и значений приведена ниже.

Информация на верхней части.

• Размер поршня. Некоторые производителей поршней наносят на днище поршня размер самого поршня в сотых долях миллиметра, этот контрольный параметр позволяет проверить качество изготовления поршней и точность размеров, пред непосредственной установкой. Например: 83.93. Это означает, что в измеряемых точках размер поршня не превышает указанного размера (с учетом поля допуска). Измерение следует производить при температуре поршня (+20 градусов), с помощью микрометра или аналогичного измерительного инструмента, с точностью измерения до одной сотой доли миллиметра (0,01мм).
• Монтажный зазор. Для того, что бы обеспечить уплотнение рабочей полости цилиндра и минимальную работу трения поршня, а так же предотвратить горячий поршень от заклинивания, между поршнем и стенкой цилиндра предусматривается монтажный (температурный) зазор ( Sp ). При повышенном зазоре между поршнем и стенкой цилиндра работа двигателя заметно ухудшается — имеет место прорыв газов в картер двигателя, ухудшается из-за этого качество масла, закоксовываются кольца и снижается мощность двигателя. Величина этого зазора задается производителем поршней для начальной температуры деталей цилиндропоршневой группы (обычно +20 градусов), и зависит в основном от разности температур, массы поршня и свойств материалов соприкасающихся деталей. Пример: Sp=0.04. Это означает, что зазор между поршнем  (по максимальному размеру юбки поршня) и цилиндром должен быть 0,04 мм (с учетом поля допуска).
• Товарный знак. Каждый серьезный производитель поршней маркирует свою продукцию своим фирменным товарным знаком. Во первых, это часть борьбы с подделок своей продукции, а во вторых демонтировав при ремонте старый поршень сразу становится возможным идентифицировать его, с помощью номера отливки на днище поршня.
• Направление установки. Поршни современных двигателей имеют строго определенное положение в двигателе, в частности, это связано с тем ось поршневого пальца имеет некоторое смещение, относительно центрально оси симметрии поршня. Это сделано для уменьшения шума при работе двигателя, а точнее ударных нагрузок на стенки цилиндра при перекладке поршня в крайнем положении. Как правило, производители используют два способа изображения направления установки– (для двигателей размещаемых спереди и сзади автомобиля). На днище наносится либо стрелка, указывающее направление передней части автомобиля (направление движения), либо схематично изображается коленчатый вал с маховиком.

 

Направление установки поршней для двигателя, установленного в передней части автомобиля

Направление установки поршней для двигателя, установленного в задней части автомобиля

Номер отливки на внутренней части поршня.

Пример расположения номера отливки для поршней, фирмы Kolbenschmidt

Пример расположения номера отливки для поршней, фирмы MAHLE

Опытные мотористы часто сталкиваются в своей работе с трудностью, когда в ремонт поступает очень старый автомобиль, и нет какой либо возможности точно идентифицировать тип его двигателя. Часто просто бывает не корректная информация в документах, на автомобиль, например ошибка (опечатка) в VIN коде или в графе «ТИП ДВИГАТЕЛЯ». Но ремонтировать нужно, и необходимо правильно подобрать ремонтные поршни.
Тогда на помощь приходит информация о номере отливки на внутренней части поршня. Следует извлечь поршень из блока цилиндров, очистить от нагара внутреннюю полость и прочесть отлитые цифры и буквы. Подобный способ подходит не для всех поршней, но основные поставщики конвейеров европейских автомобилей MAHLE, Kolbenschmidt, AE, Nural позволяют расшифровать эти данные.
Что же такое «номер отливки»? Поршни, имеющие одинаковые основные параметры изготавливаются на одном и том же технологическом оборудовании (в частности в одной литьевой форме), затем подвергаются последующей механической обработке в зависимости от требуемого ремонтного размера и модификации. То есть для поршней имеющие STD и ремонтные размеры номера отливок совпадают. Как правило, одному номеру отливки соответствуют несколько поршней на один двигатель, это стандартный поршень и его последующие ремонты. Но есть исключения (когда номер отливки совпадет с несколькими модификациями поршня) тогда необходимо замерить контролируемые геометрические параметры.
Как расшифровать? Мы рекомендуем проверять ваши номера отливок через бумажные каталоги соответствующих производителей. Помимо этого вы можете расшифровать эти данные и с помощью on-line каталогов наших поставщиков. 

Следует определить изготовителя старого поршня по торговой маркировке, а затем, используя его каталог (бумажный или электронный) ввести найденный номер. Значение номера отливки необходимо вводить непосредственно в поле поиска по артикулу детали ( Artikel # ) или поиска по замене номера (Reference No:). Не забывайте проверять полученные результаты по основным геометрическим размером со старыми деталями.

Почему заклинивают поршни

Поршни не единственные детали, которым при работе двигателя достается по полной программе и от высоких температур, и от механических нагрузок. У клапанов газораспределительного механизма, например, жизнь не слаще, но не всегда устранение проблем, связанных с клапанами, сулит такие же немалые денежные затраты, как это практически гарантированно бывает, если выйдет из строя поршень.

Особенно опасен для кошелька владельца автомобиля выход поршня из строя в моторе, технология изготовления которого исключает возможность восстановительного ремонта, чем страдает большинство современных двигателей, ведь последствия проблемы в большинстве случаев распространяются на рабочие поверхности цилиндров. Случись что с поршнями в таких силовых агрегатах, придется думать, что лучше — покупка нового шорт-блока, представляющего собой блок цилиндров в сборе с кривошипно-шатунным механизмом, либо поиск для замены «бэушного» мотора. Но что губительно для поршней?

Функциональное назначение поршня — быть подвижной стенкой камеры сгорания. Поршень воспринимает давление продуктов сгорания топлива и под его действием перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю, приводя тем самым в движение шатун и коленчатый вал. Так в двигателе тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу.

Однако на поршень помимо давления воздействует и высокая температура продуктов сгорания. От вызываемого нагревом температурного расширения, которое могло бы привести к заклиниванию поршня в цилиндре, поршень защищают конструктивно, придавая боковой поверхности поршня бочкообразную форму с максимальным диаметром, смещенным к нижней части юбки. В нормально работающем поршне на обеих сторонах юбки в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца, всегда имеются небольшие матовые натиры.

Другими словами, форма учитывает, что головка поршня, расположенная выше зоны канавок под поршневые кольца, нагревается сильнее, чем юбка. Помимо этого, на днище может быть нанесено теплоизоляционное покрытие, а также предусмотрено охлаждение внутренней поверхности поршней моторным маслом.

Когда термическая нагрузка по каким-то причинам превысит расчетную величину, жди беды. Зазор между поршнем и стенками цилиндра станет меньше, чем должен быть. На случай трения на юбки многих поршней наносится специальное антифрикционное покрытие, но и оно, если выдавливание из зазора масла приведет к полусухому трению поршня о стенки цилиндра, не спасает от появления дополнительного источника тепла, нагревающего поршень и вызывающего дальнейшее увеличение его размеров. Закончиться этот процесс может возникновением задиров на трущихся поверхностях, а то и вовсе заклиниванием поршня.

Характер задиров может подсказать, что их вызвало. Например, в случаях, когда задиры появились на обеих сторонах юбки и распространяются на всю поверхность юбки в стороны от плоскости, проходящей через центр поршня перпендикулярно оси поршневого пальца, высока вероятность, что виновником случившегося был общий перегрев двигателя.

Причин у перегрева — воз и маленькая тележка: убыль охлаждающей жидкости из-за течи, наружное загрязнение радиатора и внутреннее засорение рубашки охлаждения накипью, неисправности водяного насоса, термостата, электродвигателя вентилятора, клапанов в пробке расширительного бачка…

Во избежание повторения эксцесса после ремонта первопричину перегрева необходимо найти и устранить.

Однако если на поверхности юбки в зоне плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца, задиров нет, а они появились в виде полос, расположенных примерно напротив бобышек под поршневой палец, сам палец к тому же посинел, это указывает на проблемы со смазкой пальца, предназначенного для шарнирного соединения поршня с шатуном.

В зависимости от конструкции мотора пальцы бывают плавающими либо установленными в верхнюю головку шатуна с натягом. Обычно указанному характеру задиров на юбке поршня предшествует заклинивание плавающего пальца во втулке шатуна, следствием чего становится локальный перегрев бобышек поршня и появление задиров напротив них на юбке.

Появление задиров на поверхности между днищем и канавкой для верхнего компрессионного кольца, называемой огневым, или жаровым, поясом, свидетельствует о перегреве головки поршня. Предшествовать такому перегреву могут нарушения в процессе сгорания. У бензиновых двигателей аномалиями, вызывающими перегрев головки поршня, являются детонация или преждевременное воспламенение смеси вследствие калильного зажигания. 

Способствовать детонационному сгоранию и калильному зажиганию может общий перегрев двигателя, однако хватает и других причин: использование бензина с низким октановым числом, применение свечей, калильное число которых не соответствует рекомендациям фирмы-изготовителя двигателя, неправильная регулировка угла опережения зажигания, неисправность датчика детонации, излишнее обеднение или обогащение горючей смеси…

У дизелей виновниками перегрева головки поршня чаще всего бывают льющие топливные форсунки.

Однако поскольку в таких случаях перегреваются отдельные зоны днища поршня, рост температуры в них может вызвать не задиры на огневом поясе, а появление трещин на острых кромках камеры сгорания, выполненной в днище, и плавление материала поршня.

В запущенных случаях поршень способен прогореть насквозь. 

Если детонации и калильному зажиганию в бензиновом двигателе вовремя не «укоротить руки», они тоже могут выступить в роли плавщиков кромок днища поршня и разрушителей поршневых колец и перемычек между канавками под кольца в поршне. 

На поршнях дизелей поломка колец и межкольцевых перемычек указывает на жесткое сгорание рабочей смеси, вызывающее большие ударные нагрузки. Причинами подобного явления могут быть неправильный угол опережения впрыска, использование дизельного топлива с низким цетановом числом либо регулярное и неумеренное разбавление топлива бензином или керосином, практикуемое в зимний период эксплуатации, а также применение препаратов, которые предназначены для облегчения запуска зимой.

Продолжительные неудачные попытки запуска холодного двигателя, льющие топливные форсунки, безрезультативные и из-за этого часто повторяющиеся регенерации сажевого фильтра, перебои с зажиганием и воспламенением в одном или нескольких цилиндрах — все это причины разжижения масла и смывания его пленки топливом со стенок цилиндра. Чем помимо износа может закончиться полусухое трение юбки поршня, говорилось выше.

При отсутствии причин, ускоряющих механический износ, регламентирующими срок службы поршня является, как правило, размеры и состояние канавок под поршневые кольца.

А как канавка в поршне может вызвать преждевременный выход поршня из строя, мы рассказывали в статье «Разборка ABW.BY. Необычный виновник большого расхода моторного масла».

Однако, как показывает практика клиентских обращений на СТО для ремонта, связанного с выходом поршней из строя, самая распространенная причина поломки поршня — механическое повреждение днища. Главные «обидчики» поршней — клапаны ГРМ в случаях, когда рвется ремень или цепь их привода, на ремне обрезаются зубья, ремень или цепь перепрыгивают через зубья звездочек, ломается распредвал.

В статье «Почему из свечей зажигания вывалились электроды?» мы рассказывали о том, как виновниками повреждения днища поршня могут оказаться свечи зажигания.

А на этом фото представлен поршень, в котором льющая форсунка не только начала оплавлять кромки камеры сгорания, но и вызвала перегрев и разрушение калильного штифта свечи накаливания, остатки которого затем внесли свою лепту в повреждение днища поршня.

Познакомить владельца с тем, как выглядят поршни в двигателе его автомобиля, могут и другие причины, ведь безупречно исполнять свои обязанности поршень способен только в паре с поршневыми кольцами, а они тоже горазды на «сюрпризы». Самый вероятный из них — износ колец, ведущий к потере компрессии, увеличению расхода масла на угар и прорыву отработавших газов в картер.

Помимо этого, из-за сильного нагрева масло, особенно если оно не отличается качеством, способно коксоваться в канавках поршня, из-за чего кольца теряют подвижность в канавках и перестают эффективно уплотнять надпоршневое пространство, что опять-таки ведет к проблемам с компрессией, а затем к ухудшению запуска, потере мощности, сильному дымлению.

Известны случаи, когда поршням и кольцам приходилось страдать от крошек керамики, забрасываемой в цилиндры из катализатора, от воздушных заслонок, оборвавшихся и прилетевших из впускного тракта… Как видим, причин, способных досрочно прервать карьеру поршня, немало. А избежать проблем можно единственным способом — следить за состоянием всех систем, которые обеспечивают нормальную работу двигателя, ибо даже то, что кажется пустяком, может нанести поршню ущерб, от которого он не оправится.

Сергей БОЯРСКИХ
Фото автора
ABW.BY

Основы работы поршневого двигателя

Многие люди проводят всю свою жизнь за рулем автомобиля, так и не поняв механики их работы. Обладание этими знаниями дает много преимуществ. Курсы обучения водителей отлично подходят для обучения людей правилам дорожного движения, но многие даже не охватывают основы механики.

Большинство современных автомобилей оснащены двигателями внутреннего сгорания. Это тип поршневого двигателя, в котором поршни используются для преобразования давления в движение.Хотя это может показаться сложным, самый простой способ понять ваш двигатель — изучить его различные части и то, что они делают во время этих циклов.

Преимущества понимания вашего двигателя  

Есть много причин, по которым нужно иметь фундаментальное представление о том, как работает двигатель вашего автомобиля. Во-первых, это даст вам преимущество при покупке автомобиля, потому что вы сможете сравнивать разные автомобили на основе того, что находится под капотом. Когда у вас есть собственный автомобиль, знание устройства двигателя облегчит обслуживание автомобиля и устранение механических проблем.

Точно так же, если вам когда-нибудь понадобится отвезти машину на ремонт, знакомство с двигателем поможет вам понять, какие работы необходимо выполнить и почему. Вы также можете определить, действительно ли некоторые предлагаемые ремонтные работы не нужны.

Основные компоненты двигателя внутреннего сгорания  

Сердцем двигателя автомобиля являются цилиндры. У большинства автомобилей их четыре, шесть или восемь. Внутри каждого цилиндра находится поршень, который скользит вверх и вниз и при этом вращает коленчатый вал, прикрепленный к коробке передач, которая, в свою очередь, приводит в движение колеса автомобиля.Цилиндры также оснащены клапанами, которые впускают воздух и топливо и позволяют выхлопным газам выходить. Топливо внутри двигателя воспламеняется свечами зажигания, и это сгорание приводит в движение поршни.

Четырехтактный цикл

 

Двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащены многие современные легковые и грузовые автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу, и эти четыре стадии включают впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Поскольку автомобили обычно имеют по крайней мере четыре цилиндра, которые срабатывают последовательно, цилиндры всегда проходят разные этапы цикла, а это означает, что всегда есть поршень, движущийся для приведения в действие коленчатого вала.

• Цикл впуска : Во время цикла впуска впускной клапан цилиндра открывается, когда поршень движется вниз по цилиндру, и вакуум, создаваемый движением поршня вниз, всасывает воздух и топливо в камеру сгорания цилиндра.
• Цикл сжатия : Как только поршень достигает дна цилиндра, впускной клапан закрывается и сжимает воздух и топливо внутри камеры сгорания.
• Цикл сгорания : Поршни всегда движутся вверх и вниз, когда поршень движется вверх, он сжимает воздух и топливо в камере сгорания.Как только это происходит, свеча зажигания используется для воспламенения топлива и воздуха, и возникающий в результате взрыв толкает поршень обратно вниз.
• Выпускной цикл : На заключительном этапе цикла выпускной клапан открывается, когда поршень достигает дна цилиндра, и остатки топлива и воздуха из камеры сгорания выпускаются.

Знание основ работы двигателя автомобиля полезно при покупке и обслуживании автомобиля, а также может помочь в диагностике проблем, когда что-то идет не так.Изучение двигателя вашего автомобиля — это лишь один из компонентов комплексной подготовки водителей, но во многих случаях эти знания могут помочь вам выбраться из затруднительного положения.

Чтобы узнать больше о своем автомобиле и получить навыки вождения, которые обезопасят вас и других на дороге, запишитесь на занятия в автошколу Western Slope в Литтлтоне. Мы являемся лучшим автошколом в регионе как для новичков, так и для опытных водителей.

Музей поршневых колец | Функция поршневого кольца | Базовая функция звонка

Функция поршневого кольца

B-2 Базовая функция звонка

Цитируется по «Enjin ha kounatteiru エ ン ジ ン は こ う な っ て い る» (Grand Prix BOOK PUBLISHING CO.ООО,)

Функция газового уплотнения

Это означает, что камера сгорания должна быть максимально газонепроницаемой, чтобы давление, создаваемое быстро сгорающими газами сгорания, перемещало поршень в цилиндре, вызывая вращение коленчатого вала, предоставляя мощность. Газонепроницаемость важна не только для такта сгорания/расширения, но и для тактов впуска, сжатия и выпуска. Эту общую функцию можно просто назвать «газовая герметизация».

Функция теплопередачи

Поршневые кольца отводят тепло от горячего поршня к охлажденной стенке цилиндра/блоку двигателя. Тепловая энергия поступает из канавки поршня в поршневое кольцо, а затем в стенку цилиндра, где в конечном итоге передается охлаждающей жидкости двигателя. Эта функция теплопередачи очень важна для поддержания приемлемой температуры и стабильности поршня и поршневых колец, чтобы не ухудшилась уплотняющая способность.

Функция контроля масла

Для смазки поршневых колец требуется некоторое количество масла, однако желательно, чтобы это количество было минимальным. Кольца действуют скребковым образом, не давая лишнему маслу попасть в камеру сгорания. Таким образом, расход масла поддерживается на приемлемом уровне, а вредные выбросы снижаются.

В трех приведенных выше блоках показаны основные функции, выполняемые поршневыми кольцами. Почти во всех случаях каждое отдельное кольцо в наборе из трех колец будет спроектировано таким образом, чтобы оптимизировать или помогать функциям двух других колец.Таким образом, легко понять, что хотя каждое кольцо в наборе из трех колец уникально, набор колец в целом на самом деле разработан как «система», где каждое кольцо «настроено» так, чтобы сделать полный комплект из трех частей. установка наиболее эффективно работает в двигателе.

Цитируется по «Enjin ha kounatteiru エ ン ジ ン は こ う な っ て い る» (Grand Prix BOOK PUBLISHING CO.LTD.,)

Поршни двигателя – обзор

3.2 Силовые установки на природном газе с поршневым двигателем

Поршневой или поршневой двигатель имеет долгую историю использования в производстве электроэнергии.Некоторые из самых первых угольных электростанций, построенных в 19 веке, использовали паровые поршневые двигатели для привода генераторов. Современные поршневые двигатели используются в основном для транспорта. Небольшие двигатели используются в отечественных транспортных средствах, а более крупные — в грузовых автомобилях, локомотивах и кораблях. Эквивалентные двигатели могут быть адаптированы для рынка производства электроэнергии. Что касается выходной мощности, размеры могут варьироваться от 0,5 кВт до 65 МВт.

Существует две основные категории поршневых двигателей, подходящих для выработки электроэнергии, двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия, но только первый из них может работать на природном газе.Двигатели с воспламенением от сжатия обычно работают на дизельном топливе. Существуют также различные циклы, в которых может работать поршневой двигатель. Двумя наиболее распространенными являются двухтактный и четырехтактный двигатель. Двигатели, использующие оба типа цикла, могут работать на природном газе.

Еще одной переменной является соотношение воздуха и топлива в камере сгорания (цилиндре) двигателя. Некоторые работают с примерно стехиометрическим соотношением кислорода из воздуха и топлива, так что кислорода как раз достаточно для сгорания всего топлива.Такие двигатели относятся к двигателям с богатым горением. Эти двигатели, как правило, работают при высоких температурах сгорания, что может привести к образованию относительно высоких уровней оксидов азота, а также других загрязняющих веществ. Альтернативой является двигатель с обедненной смесью, в котором воздуха (и кислорода) гораздо больше, чем требуется для сгорания. Избыток воздуха приводит к снижению температуры сгорания в цилиндрах двигателя и снижению уровня загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателя. В нормальных условиях двигатель с обогащенным горением обычно обеспечивает более высокий КПД, чем двигатель с обедненной смесью.Однако современная конструкция двигателей, работающих на обедненной смеси, позволяет им достигать столь же высокого уровня эффективности при сохранении более низких уровней выбросов.

Как и в случае с паротурбинными установками, работающими на природном газе, основным экологическим аспектом является NO _x . Двигатели с богатым горением, работающие на природном газе, обычно требуют какой-либо системы каталитического восстановления для удаления NO _x и приведения уровня выбросов в соответствие с местными нормами. Некоторые двигатели, работающие на обедненной смеси, могут соответствовать экологическим нормам без необходимости в дополнительных системах контроля выбросов.Двигатели также производят двуокись углерода, но маловероятно, что применение технологии улавливания углерода к поршневым двигателям будет рентабельным, за исключением самых крупных установок.

Поршневые двигатели, работающие на природном газе, доступны в размерах от 0,5 кВт до примерно 6 МВт. Для электростанций большего размера обычно требуется несколько двигателей. Хотя можно построить более крупные поршневые двигатели, они обычно работают на мазуте в качестве топлива, а не на природном газе. Скорость поршневого двигателя зависит от его размера.Двигатели, работающие на природном газе, могут быть либо высокоскоростными (1000–3000 об/мин) мощностью от 0,5 кВт до 6 МВт, либо среднескоростными (275–1000 об/мин), мощность которых обычно начинается с 1 МВт. Двигатели большего размера с меньшей скоростью обычно более надежны и обычно выбираются для непрерывной работы. Там, где требуется прерывистая работа, часто выбирают меньшие по размеру высокоскоростные двигатели, потому что они, как правило, дешевле, хотя и менее надежны.

Двигатели, работающие на природном газе, используются для производства электроэнергии по-разному.Многие из них используются для приложений распределенной генерации, где они поставляют электроэнергию непосредственно местным потребителям. Некоторые из этих двигателей используются в режиме когенерации, при котором отработанное тепло двигателя используется для нагрева воды. Это может привести к очень высокой общей эффективности. Другое распространенное применение — резервирование сети, при этом системы спроектированы таким образом, что они запускаются, как только происходит перебой в электроснабжении. Двигатели, работающие на природном газе, также могут использоваться в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра или солнечная энергия, в приложениях типа микросетей, где они также используются в качестве резервного источника питания.

Поршень: определение, части, функции, материалы, выпуск, работа

В двигателе внутреннего сгорания поршень является одним из важнейших компонентов, помогающих работе цикла сгорания. Часть двигателя заключена в блок цилиндров, в котором используется поршневое кольцо, не оставляющее места для утечки газа.

Поршни помогают в преобразовании тепловой энергии в механическую работу и наоборот. Он движется вверх и вниз внутри цилиндра, расширяя и сжимая топливовоздушную смесь.По этой причине поршень в двигателе внутреннего сгорания неизбежен.

Сегодня мы рассмотрим определение, функции, работу, типы, детали, материалы и схему автомобильного поршня.

Читать: Компоненты автомобильного двигателя

Что такое поршень?

Поршень представляет собой механическое устройство, которое перемещается вверх для сжатия газа и вниз за счет взрыва в цилиндре для преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Поршень следует циклическому процессу для продолжения процесса преобразования тепла. процесс достигается тремя способами:

• Обеспечение теплом газа внутри цилиндра для полезной работы
• Отвод тепла от баллона для снижения давления, чтобы газ можно было легко сжать.
• Приложение работы к поршню, когда он находится в исходном состоянии, готовом к повторному выполнению цикла.

Функции поршня в двигателях внутреннего сгорания

Поршни играют жизненно важную роль в автомобильном двигателе, включая бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия.Процесс этих двух двигателей внутреннего сгорания отличается, но они используют поршень для своих процессов. Ниже приведены функции поршня автомобильного двигателя:

• Основной функцией поршня является передача усилия взрыва небольшого газа в цилиндре на коленчатый вал. Это обеспечивает вращательный момент маховику.
• Он движется вперед, так что газы могут сжиматься и может произойти взрыв при обратном движении.
• Поршень содержит штифт, называемый поршневым пальцем, который позволяет газу в камере не выходить.
• Шатун, прикрепленный к днищу поршня, позволяет передавать механическую работу.
• Поршни помогают переносить топливовоздушную смесь в период цикла сгорания.
• Поршни помогают контролировать поток масла в стенках цилиндра с помощью маслосъемного кольца.

Как работает поршень?

Спросив, как работает поршень, вы узнаете весь принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Это связано с тем, что поршень выполняет основную работу во время четырехтактного цикла.

Как упоминалось ранее, двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов, и они работают по-разному. Один из них работает со свечой зажигания, поэтому он называется «двигатель с искровым зажиганием», а другой — «двигатель с воспламенением от сжатия». Работа у них совсем другая. Что ж, работа этого двигателя была описана в другой статье.

Читать: Применение дизельного двигателя

Видео ниже показывает работу поршня в двигателе внутреннего сгорания en gine:

Материал поршня

Чугун — самый ранний материал, из которого изготавливали поршень.Однако современный двигатель выигрывает от более легких материалов для балансировки двигателя. Хорошие поршни должны выдерживать температуру сгорания двигателя. Сплавы, такие как Y-сплавы и гидуминий, специально используются для получения таких свойств.

Поршни изготовлены из алюминиевых сплавов методом литья. Некоторые поршни, используемые в гоночных автомобилях, требуют большей прочности и усталостной долговечности, поэтому они кованые.

Поршни из заготовки

также используются в гоночных двигателях, потому что они не зависят от размера и архитектуры доступных поковок, что позволяет менять конструкцию в последние минуты.Хотя обычно невооруженным глазом это не видно.

ниже схема поршня:

Основные части поршней и их функции

Ниже приведены пояснения к основным частям поршня:

Юбка поршня:

Юбка поршня представляет собой цилиндрический материал, прикрепленный к круглой части поршня. Обычно он изготавливается из чугуна, чтобы противостоять износу и обладает самосмазывающимися свойствами.На юбке имеются канавки, что позволяет идеально сесть поршневым кольцам. Функция юбки поршня заключается в движении вверх и вниз по цилиндру.

Поршневые кольца:

Кольца поршневые представляют собой отрезки разрезных колец, устанавливаемые в углублении поршня. В двигателе обычно три поршневых кольца. Иногда кольцо может быть и одно, в зависимости от типа двигателя.

Подшипники поршня:

Подшипники — это отличные детали поршня, которые повышают эффективность движения.Он расположен в точках, где происходит осевое вращение. Эти подшипники обычно представляют собой полукруглые металлические детали, которые входят в отверстия этих точек.

Поршневой палец:

Поршневой палец — это часть поршня, также известная как поршневой палец или поршневой палец. Этот штифт представляет собой полый или сплошной вал в секции юбки. На этом пальце шарнирно закреплен поршневой шток, удерживаемый во втулке поршневого кольца. Функция поршневого пальца состоит в том, чтобы обеспечивать поддержку подшипника, чтобы поршень мог нормально функционировать.

Головка поршня:

Эта часть поршня, также известная как головка или купол, представляет собой верхнюю поверхность. Это часть, которая контактирует с дымовыми газами, из-за чего она подвергается чрезвычайно высокой температуре. Функция поршня состоит в том, чтобы воспринимать давление, температуру и другие напряжения расширяющегося газа.

Болт шатуна:

Еще одна деталь поршня, которую нельзя оставить без внимания, это шатунный болт. Он используется для крепления шатуна к коленчатому валу.На нижнем конце шатунных болтов есть крышки и подшипники. Затем гайка используется для фиксации компонентов вместе с болтом.

Соединительный стержень:

Шатун является одной из основных частей поршня, который чаще всего укорачивается как шатун или шатун. Он соединяет поршень с коленчатым валом двигателя и обеспечивает движение поршня в камере. Компонент рассчитан на механическую нагрузку, поэтому он достаточно прочен. Детали поршня изготавливаются методом ковки, а иногда и литья.

Читайте: Четырехтактный двигатель: все, что вам нужно знать

Типы поршней

Ниже приведены три типа поршней:

Тарельчатые поршни: Тарельчатые поршни имеют форму пластины со слегка загнутыми вверх внешними краями. Это легко и просто, а также доставляет меньше проблем инженерам. Он часто используется в приложениях с наддувом, которые не требуют высокого подъема распределительного вала или высокой степени сжатия.

Поршни с плоской вершиной: поршень с плоской вершиной имеет плоскую верхнюю часть.У него наименьшая площадь поверхности, что дает возможность создать наибольшую силу. Он идеально подходит для создания эффективного сгорания.

Поршни с плоским верхом создают сильный взрыв в камере, но сжатие может быть слишком большим для меньших камер сгорания.

Купольные поршни: Концепция тарельчатых поршней полностью противоположна тарельчатому типу. Средний пузырек для увеличения площади поверхности остается на верхней части поршня. Что ж, большая площадь поверхности означает меньшее сжатие, в то время как большее сжатие означает большее создаваемое усилие.

Камера сгорания имеет верхний предел, который она может выдержать, поэтому снижение степени сжатия является лучшим способом предотвратить поломку двигателя.

Прочитайте все, что вам нужно знать о системе передачи

Общая проблема с поршнем

Проблема развития поршня не что иное, как трещина. Эта трещина возникает в верхней части головки поршня, известной как головка. Обычно это вызвано чрезмерной компрессией или опережением опережения зажигания из-за давления сгорания в бензиновых двигателях.Головка поршня трескается, потому что она работает за пределами рабочего давления.

В дизельном двигателе поршень выходит из строя из-за состояния, известного как термическая усталость. Термическая усталость возникает, когда двигатель работает под большой нагрузкой наряду с легкой нагрузкой. Эти постоянные резкие изменения температуры сгорания внезапно приводят к термическим трещинам в головке поршня.

Трещина бывает и в юбке поршня из-за постоянной перегрузки двигателя и усталости от большого пробега.В некоторых случаях причиной является конструкция поршня. В большинстве случаев производитель исправляет последнюю, поставляя замененную деталь.

Юбка поршня может треснуть на ранней стадии ремонта двигателя, когда поршень неправильно установлен на шатунах. Это вызывает усталостные переломы, которые вызывают серьезные трещины на юбке.

Читайте: Как работает автомобильный двигатель

Именно для этой статьи выделите определение, работу, детали, типы, материал, проблему поршня.Я надеюсь, что знания достигнуты, если это так, дайте знать свою мысль и не забудьте поделиться. Спасибо!

Что такое поршни и что может привести к их повреждению?

Дизельный поршень является очень важным компонентом любого двигателя, поэтому мы создали краткое руководство, объясняющее, что такое дизельный поршень, как он работает, что вызывает повреждение деталей поршня и как этого избежать.

Что такое дизельный поршень и как он работает?

Дизельный поршень представляет собой металлический цилиндр, который перемещается вверх и вниз внутри цилиндра двигателя на различных стадиях цикла сгорания и соединен с коленчатым валом двигателя через шатун. Когда поршень движется вниз, он всасывает воздух и топливо в цилиндр, а когда поршень движется вверх, этот воздух и топливо затем сжимаются.
Поршень также выполняет важную функцию создания области низкого давления внутри цилиндра, противодействующей более высокому уровню давления воздуха снаружи цилиндра. Поскольку поршень образует нижнюю часть камеры сгорания в дизельном двигателе, он также поглощает тепло, возникающее при сгорании, и отводит его от температуры металла, чтобы поддерживать ее в безопасных пределах.

Что вызывает повреждение деталей поршня двигателя?

Чтобы вы могли принять меры до того, как какое-либо повреждение повлияет на двигатель, мы составили список наиболее распространенных и конкретных причин повреждения поршня, чтобы вы могли легко распознать проблему.

Распространенные причины повреждения поршня

1. Прогоревший поршень
Обгоревший поршень можно увидеть сразу после снятия верхней части двигателя. Вы должны быть в состоянии распознать видимые признаки плавления, а иногда и прогоревшее отверстие в поршне. Сгоревший дизельный поршень обычно возникает из-за использования грязных топливных форсунок.

2. Треснувший поршень
Причинами треснувшего поршня может быть продолжительное использование низкокачественного топлива. Или треснувший поршень может быть следствием выхода из строя системы рециркуляции отработавших газов.

3. Обрыв ремня ГРМ
Ремень ГРМ играет ключевую роль, поскольку он поддерживает движение поршней и клапанов в точном чередовании. Как только ремень оборвется, это может привести к столкновению между ними, что может привести к дальнейшему повреждению.Чтобы предотвратить обрыв ремня ГРМ, важно менять ремень ГРМ в соответствии с инструкциями производителя автомобиля.

Конкретные причины повреждения поршня  

1. Износ поршневых колец дизельного двигателя    
Если вы заметили белый дым, исходящий из выхлопной трубы, низкую мощность при ускорении, общую потерю мощности, а также значительное падение уровня моторного масла, являются ключевыми признаками износа дизельных поршневых колец.

В вашем двигателе могут наблюдаться эти признаки повреждения поршневых колец, поскольку уплотнение между поршнем и цилиндром больше не является герметичным, а это означает, что масло будет просачиваться в картер и камеру сгорания.

Изношенные поршневые кольца дизельных двигателей являются очень распространенной причиной повреждения поршней, так как дизельные кольца вращаются вокруг поршня и действуют как буфер между камерой сгорания и картером, окружающим коленчатый вал. Дизельные кольца отвечают за отвод тепла к стенке цилиндра, регулируя при этом температуру масла.

К сожалению, поршневые кольца изнашиваются, и вы мало что можете сделать, чтобы предотвратить это. Однако, если вы регулярно заменяете их до того, как они изнашиваются, это может сыграть большую роль в предотвращении повреждения двигателя.

2. Повреждение юбки поршня
Основной причиной повреждения юбки поршня является попадание мусора через систему фильтрации воздуха. Это может привести к тому, что качание поршня внутри цилиндра изнашивает юбку, делая юбку тоньше и слабее, что в конечном итоге может привести к поломке поршня.

3. Защелка поршня
Если ваш автомобиль начинает издавать дребезжащие или стучащие звуки, которые остаются после прогрева автомобиля, это может означать наличие большого зазора между поршнем и стенкой цилиндра.

Как предотвратить повреждение и отказ дизельного поршня?

Повреждение поршня может быть очень дорогостоящим из-за интенсивного труда, необходимого для обеспечения фиксации частей поршня двигателя. Эта стоимость обычно высока, поскольку для решения любой проблемы необходимо разобрать весь двигатель.

Чтобы предотвратить повреждение и отказ поршня, будь то дизельные поршневые кольца или другие детали поршня конкретного двигателя, убедитесь, что вы используете правильное моторное масло и что масло и фильтр заменяются через рекомендуемые производителем интервалы.Вы также должны убедиться, что охлаждающая жидкость двигателя находится в хорошем состоянии, что можно проверить, открыв крышку радиатора или взглянув на воду в бачке охлаждающей жидкости.

Важно помнить, что дизельные поршни являются частью общего двигателя, и все дизельные двигатели разные. К сожалению, не существует универсального решения для всех, у кого возникли проблемы с дизельным двигателем или проблемы с его дизельными кольцами. Также крайне важно определить причину проблемы и устранить ее, прежде чем просто заменить поврежденные детали и собрать двигатель.

Свяжитесь с Foxwood Diesel сегодня, сообщите номер вашего двигателя и точно укажите, с какими трудностями вы столкнулись, чтобы мы могли вам помочь. Foxwood Diesel — это специалисты в области ремонта и ремонта дизельных двигателей с более чем 30-летним опытом. У нас есть большое количество запасных частей для дизельных двигателей, многие из которых доступны для отправки в тот же день и предназначены для ряда производителей автомобилей, включая Mercedes, Volvo и всех других крупных производителей дизельных двигателей. Обладая экспертными знаниями в области дизельных систем, мы предлагаем высокоэффективные решения по ремонту и восстановлению изношенных двигателей, требующих профессионального ухода, в нашем обрабатывающем центре для двигателей.

Очевидное и не столь очевидное, EPI, Inc.

Перемещение, скорость, ускорение, вибрация

ПРИМЕЧАНИЕ. Все наши продукты, разработки и услуги являются УСТОЙЧИВЫМИ, ОРГАНИЧЕСКИМИ, БЕЗГЛЮТЕНОВЫМИ, ГМО и не огорчают чьи-либо драгоценные ЧУВСТВА или деликатные ЧУВСТВА

Коленчатый вал, шатуны, поршневые пальцы и поршни в двигателе представляют собой механизм, который улавливает часть энергии, выделяемой при сгорании, и преобразует эту энергию в полезное вращательное движение, способное совершать работу.На этой странице описываются характеристики возвратно-поступательного движения, которое коленчатый вал и узел шатуна сообщают поршням.

Коленчатый вал содержит две или более центрально расположенных соосных цилиндрических («коренных») шейки и одну или несколько смещенных цилиндрических шатунных («шатунных») шеек. Коленчатый вал V8, изображенный на рисунке , имеет пять коренных и четыре шатунных шейки.

Рисунок 1

Коренные шейки коленчатого вала вращаются в комплекте опорных подшипников («коренные подшипники»), вызывая смещение шатунных шеек вращаться по круговой траектории вокруг центров коренных шеек, диаметр которых в два раза больше смещения шатунных шеек.То диаметр этого пути — это «ход» двигателя, то есть расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца до другого конца его цилиндр. Большие концы шатунов («шатуны») содержат подшипники («шатунные подшипники»), которые на смещенных шатунных шейках.

Подробнее о работе подшипников коленчатого вала см. на странице ПОДШИПНИКИ ДВИГАТЕЛЯ. Для получения подробной информации о конструкции и реализации коленчатого вала см. Страница CRANKSH\\HAFT DESIGN.

Малый конец шатуна прикреплен к поршню с помощью плавающего цилиндрического штифта («шпилька», или в британском , «поршневой палец»).Вращение большого конца шатуна на шатунной шейке приводит к совмещению малого конца, который удерживается поршнем. с осью цилиндра, чтобы перемещать поршень вверх и вниз по оси цилиндра.

Рисунок 2: ВЦП

Следующее описание объясняет не столь очевидные характеристики движения, которое придает механизм коленчатого вала/шатуна. к поршню.

На рис. 2 показан вид с торца в разрезе механизма коленчатого вала, шатуна и поршня (CCP), когда поршень в самой дальней части его хода вверх (от коленчатого вала), который известен как положение верхней мертвой точки (ВМТ) (даже в перевернутых и горизонтальных двигателях).

Наибольшее расстояние перемещения поршня вниз (по направлению к коленчатому валу) известно как положение нижней мертвой точки (НМТ).

В показанном механизме CCP коленчатый вал имеет ход 4000 дюймов, а расстояние между центрами шатуна составляет 6100 дюймов. То отношение шатуна к ходу (R/S) — это длина шатуна от центра к центру, деленная на ход. В этом примере R/S составляет 6,100/4,000 = 1,525.

Это соотношение важно, поскольку оно оказывает значительное влияние на асимметрию движения поршня (поясняется ниже) и на результирующую вибрацию. и балансовые характеристики, а также некоторые ТТХ.

(ПРИМЕЧАНИЕ: если вы считаете, что установка более длинных шатунов увеличит ход двигателя, вам не нужно идти дальше на этой странице или на всем сайте, если уж на то пошло.)

Для целей данного обсуждения удлиненная осевая линия отверстия цилиндра пересекает центр коренного подшипника коленчатого вала, и штифт совпадает с осевой линией цилиндра (определяется как нулевое смещение штифта) . Хотя применимы следующие описания строго для конфигураций с нулевым смещением запястья, общие замечания применимы и к конфигурациям с ненулевым смещением.

Рис. 3: 90° после ВМТ

Важно понимать, что движение поршня в пределах 90° до и после ВМТ не является симметричным с движение на 90° до и после НМТ. Вращение коленчатого вала при перемещении шатунной шейки из положения ВМТ на 90° после ВМТ (и из 90° от ВМТ до ВМТ) перемещает поршень существенно БОЛЕЕ половины длины хода. И наоборот, поворот коленчатого вала от 90° ATDC (или 90° BBDC) в положение BDC перемещает поршень существенно МЕНЬШЕ, чем половина значения хода.Эта асимметрия движения важна потому что это источник нескольких интересных свойств, связанных с работой, производительностью и долговечностью поршневого двигателя.

На рис. 3 показан рассматриваемый CCP с шатунной шейкой, повернутой на 90° после ВМТ. Обратите внимание, что поршень переместился более чем на 58% от своего полного ход (2,337 дюйма). Это связано с тем, что в дополнение к движению шатунной шейки вниз на 2000 дюймов (полухода) (движение, проецируемое на вертикальной плоскости), шатунная шейка также сместилась горизонтально наружу на 2.000″, поставив шатун под углом к ​​вертикальной плоскости.

Эффект косинуса угла между осью шатуна и вертикальной плоскостью сокращает проекцию длины шатуна в вертикальной плоскости на 0,337 дюйма с фактических 6,100 дюймов до 5,763 дюймов, показанных на рисунке. Это динамическое «укорочение» шатуна имеет эффект добавления 0,337 дюйма движения вниз к 2,000 дюймам движения вниз, вызванного вращением шатунной шейки, как показано двумя вертикальные синие линии в Рисунок 3 .

Для всех, кто интересуется, вот как вычисляется эта «эффективная длина». Фактическая длина шатуна {6,100 дюймов}, прогнозируемая длина в вертикальной плоскости и горизонтальное перемещение в 2,00 дюйма, вызванное вращением коленчатого вала, образуют прямоугольный треугольник, в котором 6,100 Размерность длины шатуна равна гипотенузе , а половина хода 2,00″ является одной из сторон этого прямоугольного треугольника. Теорема Пифагора { средняя школа геометрия} утверждает, что для прямоугольного треугольника гипотенуза равна квадратному корню из суммы квадратов двух перпендикулярных катетов, в виде уравнения:

А² + В² = С²

где А — один катет прямоугольного треугольника, В — другой катет, а С — гипотенуза.

Решение этого уравнения для неизвестного плеча («эффективная длина» шатуна) дает следующее решение:

B = SQRT(C² — A²)

или

SQRT (6,1²-2,0²) = 5,763

Обратите внимание, что в положениях вращения кривошипа, отличных от 0, 90, 180 и 270, расчет немного сложнее, требуя расчета угла между вертикальной плоскостью и осевой линией шатуна, затем умножая длину осевой линии шатуна на косинус этого угла (снова , простая тригонометрия средней школы ).

Рис. 4: 180° после ВМТ

 

 

Теперь вернемся к движению поршня.

Поскольку поршень уже прошел около 58% хода в течение первых 90° поворота кривошипа, это само собой разумеющееся. что в течение следующих 90 ° поворота кривошипа (до НМТ) поршень должен будет пройти только оставшиеся 42% хода, чтобы достичь НМТ, как показано на Рисунок 4 .

Причина в том, что при вращении кривошипа в направлении НМТ шатунная шейка также перемещается горизонтально назад к центру цилиндра и «восстанавливает» эффективную длину стержня. Это косинусное «удлинение» шатуна противостоит нисходящему движение поршня, вычитая 0,337 из полухода вертикального движения, произведенного от 90 ° до НМТ. Этот эффект иллюстрируется нижние две вертикальные синие линии в Рисунок 4 .

 

 

Рисунок 5: Половина хода

Очевидно, что когда коленчатый вал находится в любом положении, отличном от ВМТ или НМТ, ось шатуна больше не параллельна центральная линия цилиндра (линия, вдоль которой вынуждены двигаться поршень, поршневой палец и маленький конец штока).Следовательно «эффективная длина» шатуна в любой точке, отличной от ВМТ или НМТ, представляет собой фактическую длину шатуна от центра до центра, умноженную на косинус угла между стержнем и осевой линией цилиндра. Понятно, что динамическое изменение эффективной длины шатуна увеличивает и вычитает чисто синусоидальное движение, вызванное вращением шатунной шейки.

На рис. 5 показано, что при R/S в этом примере ККТ (1. 525) положение полухода поршня происходит примерно при Поворот коленвала на 81° после ВМТ.Быстрое изменение объема камеры сгорания после положения ВМТ имеет некоторые интересные последствия. относительно диаграммы PV и теплового КПД (обсуждается на другой странице).

 

 

СКОРОСТЬ ПОРШНЯ

Скорость по определению представляет собой мгновенную скорость изменения положения относительно опорной переменной. Скорость поршня — это просто измерение того, насколько быстро положение поршня изменяется по отношению к эталонной переменной.Это скорость изменения положения широко известен как « первая производная кривой положения «. (Для более подробного объяснения скорость и ускорение и производные, см. наши СКОРОСТЬ и УСКОРЕНИЕ страница или любой базовый текст исчисления, например ref-1:2:39) .)

Рисунок 6: Максимальная скорость

Для простоты я решил использовать вращение кривошипа в качестве эталона для этих графиков. Как правило, человек заинтересован в скорости изменения положения поршня по отношению к времени , что дает скорость в дюймах или футах в секунду, и значение будет зависеть от скорости вращения коленчатого вала.

Очевидно, что при движении поршня от ВМТ к НМТ и обратно скорость постоянно меняется, и что скорость поршня равна нулю в ВМТ и ВМТ. Значение и положение максимальной скорости относительно вращения кривошипа (максимальный наклон кривой положения) зависит от отношения R/S.

На рис. 6 показано положение точки максимальной скорости поршня в градусах коленчатого вала до и после ВМТ для конфигурация, используемая в этом примере (4-дюймовый ход, 6.Длина штока 100 дюймов, R / S = 1,525). В этом положении (73,9° до и после ВМТ) поршень прошел только 43,9% (1,756 дюйма) от общего хода (4,000 дюйма). Для этой конфигурации (R/S = 1,525) при 4000 об/мин пик скорость поршня 4390 футов в минуту. Для более длинного хода с тем же R / S положение пиковой скорости поршня было бы таким же, но фактическое значение этой скорости было бы выше (конечно, при тех же оборотах).

На рис. 7 показаны графики зависимости положения поршня и мгновенной скорости от вращения коленчатого вала.Синяя линия («положение») показывает положение поршня (в % хода) в любой точке во время одного оборота коленчатого вала. Синяя линия искусственно ориентированы так, чтобы показать положение в интуитивном смысле (верх, низ), поэтому знаки «-» следует игнорировать по отношению к положению. Зеленая линия скорости показывает относительную скорость поршня (в % от максимальной) в любой точке. Скорость со знаком «плюс» — это движение К коленчатому валу; скорость со знаком «минус» — это движение ОТ коленчатого вала.

Еще раз обратите внимание, что в ВМТ и снова в НМТ скорость поршня равна нулю, потому что поршень меняет направление в этих точках, и для того, чтобы изменить направление, поршень должен быть остановлен в какой-то момент.

Обратите также внимание на то, что график положения (синий) показывает, что для этого отношения R/S (1,525) положения 50% хода происходят приблизительно при 81°. до и после ВМТ (как показано на рис. 5 выше). График скоростей (зеленая линия) показывает максимальные скорости поршня происходят примерно при 74° до и после ВМТ (как показано на рис. 6 выше).Линия скорости также показывает, что скорость поршня в любой точке вращения от ВМТ до максимальной скорости больше, чем при том же числе градусов до НМТ. Например, сравните скорость в 30° после ВМТ (62%) со скоростью в 30° до НМТ (34%).

Рисунок 7

На профиль кривой скорости и, следовательно, на положение максимальной скорости влияет отношение R/S. Как стержень становится короче по отношению к ходу (меньшее отношение R/S), происходят две интересные вещи, которые могут оказать важное влияние на наполнение цилиндра: (1) точка максимальной скорости поршня приближается к ВМТ, и (2) поршень быстрее удаляется от ВМТ, создавая более сильный импульс впуска.Расположение максимальной скорости поршня влияет на конструкцию профилей кулачков распределительного вала (особенно на впуске) для оптимизации процесса впуска. в определенном диапазоне скоростей и может влиять на характеристики впуска в отношении силы и формы впуска импульс для настройки барана.

СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ПОРШНЯ

Существует еще одна скорость поршня, которая используется скорее как «эмпирическое правило» при оценке двигателя. Это называется «средний поршень» скорость», которая представляет собой расчетное значение, показывающее среднюю скорость поршня при известном числе оборотов в минуту в двигателе с известной длиной хода.

Имея в виду, что за каждый оборот коленчатого вала поршень перемещается на расстояние, равное удвоенной длине хода, тогда средний поршень Скорость ( MPS ) рассчитывается как:

MPS (футов в минуту)   =   Об/мин x 2 x ход (дюймы) / 12 (дюймы на фут)   = об/мин х ход / 6

Средняя скорость поршня при 4000 об/мин для примера с ходом 4000 дюймов:

MPS (футов в минуту)   =   4000 x 4 / 6     = 2667 футов в минуту.

Для практических целей общепризнано, что для авиационного двигателя 3000 футов в минуту является комфортным максимальным MPS и опыт показал, что двигатели с MPS, значительно превышающим это значение, испытывают проблемы с надежностью. Обратите внимание, что R / S не имеет влияет на MPS, хотя и влияет на ПИКОВУЮ скорость поршня (4390 футов в минуту для примера двигателя {R / S = 1,525} при 4000 об/мин).

ПОРШЕНЬ УСКОРЕНИЯ

Сила, необходимая для ускорения объекта, пропорциональна произведению веса объекта на ускорение.Отсюда ясно, что ускорение поршня важно, потому что многие из значительных сил воздействуют на поршни, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, подшипники, и блок напрямую связаны с ускорением поршня. Ускорение поршня также является основным источником некоторых внешних вибраций, создаваемых двигателем. двигатель.

Крутильная вибрация коленчатого вала вызывается в основном силами сгорания в сочетании с силами ускорения поршня, когда они становятся большими (думаю, высокие обороты). Крутильные колебания обсуждаются отдельно на нашей странице КРУТИТЕЛЬНЫЕ ВИБРАЦИИ.

Ускорение по определению является первой производной кривой скорости и второй производной кривой положения. Другими словами, ускорение — это (мгновенный) наклон кривой скорости в любой заданной точке вдоль оси отсчета. Проще говоря, это мера насколько быстро изменяется скорость, обычно выражаемая по отношению ко времени. Если скорость не меняется по отношению к эталону, то нет ускорения. И наоборот, если скорость изменяется очень быстро по отношению к эталону, имеет место большое ускорение.(См. нашу страницу СКОРОСТЬ и УСКОРЕНИЕ для более подробного объяснения.)

Из рис. 7 видно, что скорость поршня постоянно меняется по отношению к постоянному изменению углового положение коленчатого вала (вращение). Следовательно, чтобы перейти от точки нулевой скорости (ВМТ) к точке максимальной скорости, поршень должен подвергаться большой функции ускорения, которая зависит от угла поворота коленчатого вала.

На рис. 8 показаны графики ускорения, скорости и положения для обсуждаемого примера CCP.(Все числовые значения представлены для 1,525 об/с в этом примере.)

ПРИМЕЧАНИЕ. Для данной конфигурации двигателя значения скорости и ускорения зависят от мгновенной угловой скорости коленчатого вала (об/мин). Поэтому на следующих диаграммах кривые скорости и ускорения показаны в процентах от максимального значения, которое будет иметь место при любых оборотах в минуту. Величины будут меняться с RPM, но процент пика не изменится.

Рисунок 8

Максимальное положительное значение ускорения (100%) происходит в ВМТ.Между ВМТ и максимальной скоростью поршня (в данном случае 74°) ускорение положительна, но уменьшается к нулю (скорость поршня все еще увеличивается, но менее быстро). При максимальной скорости поршня (74° при этом R/S), поршень перестает ускоряться и начинает замедляться. В этот момент ускорение меняет направление (с плюса на «минусовое» число), и при этом на мгновение проходит через нуль.

При этом R/S максимальное отрицательное ускорение возникает не в НМТ, а примерно по 40° в обе стороны от НМТ.Значение этого максимального отрицательного ускорение составляет всего около 53% от максимального положительного ускорения, наблюдаемого в ВМТ. Ускорение в НМТ составляет всего 49% от максимума ВМТ. То ускорение от максимальной скорости поршня (74°) до НМТ отрицательно, и это ускорение замедляет поршень до нулевой скорости. Следовательно, это может быть (неправильно) называть замедлением. Однако такое же отрицательное ускорение прикладывается к поршню после НМТ и вызывает увеличение его скорости.

Точка нулевого ускорения возникает (по определению) в точке максимальной скорости поршня (74° B/A ВМТ), где скорость имеет обратное направление, но скорость изменения скорости (наклон кривой) равна нулю.

Несколько странная форма в нижней части кривой полного ускорения поршня (пурпурная) является результатом того факта, что общее ускорение поршня представляет собой сумму нескольких порядков ускорения, причем первые два являются наиболее значительными. Два основных заказа, которые объединяются, чтобы произвести эту общую сумму профиль ускорения важен, потому что он может создавать серьезные проблемы с вибрацией для конструктора двигателя. (прикрытые КОЛЕНВАЛАМИ).

На рис. 8 показана та же кривая общего ускорения поршня (пурпурная линия), что и на , рис. 7 , наряду с двумя значительными порядками ускорений поршня (первого и второго порядка), которые в совокупности образуют эту кривую.Кривая полного ускорения поршня (пурпурный цвет) представляет собой сумму двух отдельных порядков ускорения: первичного (синий) и вторичного (зеленый).

Рисунок 8

Как объяснялось в разделе «Движение поршня» выше, движение поршня в первые 90° поворота состоит из суммы эффектов движения на полхода шатунной шейки в проекции на вертикальную плоскость (2,000 дюйма) и эффект кажущегося «укорочения» на 0,337 дюйма длины шатуна проецируется на вертикальную плоскость. Второй поворот на 90° также вызывает движение в вертикальной плоскости на половину хода, но косинусный эффект удлинение шатуна в вертикальной плоскости дает 0. 337-дюймовое движение, которое вычитается из половины хода.

Первичное ускорение (синяя линия) является результатом движения поршня, вызванного составляющей движения шатунной шейки, спроецированной на вертикальная плоскость. Эта кривая представляет собой синусоиду, которая повторяется один раз за один оборот коленчатого вала (первый порядок) и составляет большую часть ускорение. Обратите внимание, что кривая основного ускорения пересекает ноль в точках поворота на 90° и достигает максимума в ВМТ и НМТ.

Вторичное ускорение (зеленая линия) является результатом дополнительного движения поршня, вызванного косинусным динамическим изменением эффективной длины шатун.Это движение добавляется к движению поршня между ВМТ и точкой максимальной скорости и вычитается из движения поршня между максимальной скоростью. точка и БДК. Эта кривая также является синусоидальной и повторяется дважды за один оборот коленчатого вала (второй порядок) и пересекает нуль при 45°, 135°, 225° и 315°. точки вращения. Полное ускорение поршня в любой точке равно сумме значений первичной и вторичной кривых ускорения.

Современные поршневые двигатели, как правило, имеют отношение R/S примерно в диапазоне 1.5 до 2.0. Обратите внимание, что отношение шток/ход менее 1,3 соответствует практическое применение, невозможное из-за физических ограничений, таких как необходимость поршневых колец и поршневого пальца, достаточная длина юбки поршня, и неудобство, связанное с тем, что поршень не соприкасается с противовесом коленчатого вала, не говоря уже о чрезмерной боковой нагрузке, которую может создать такое маленькое соотношение.

Вот два практических примера, сравнивающих влияние R/S на ускорение и скорость. Двигатель 1 («Е1») представляет собой Lycoming IO-360 (или IO-540) с длиной шатуна 6.75 дюймов, а ход 4,375 дюйма для отношения R/S 1,543, что близко к нижнему пределу спектра в современный дизайн. На другом конце этого спектра находится двигатель 2 («E2») — типичный (примерно 2007 г. ) 2,4-литровый двигатель V8 Формулы-1 мощностью 755 л. назовите « очень короткий шток «). Тем не менее, ход в этом двигателе F1 составляет 1,566 дюйма. что дает очень большое отношение R/S 2,56. Влияние этих двух экстремальных отношений R/S показано на Рис. 9 ниже

Рисунок 9

В рис. 9, красные линии представляют ускорение поршня (в % от пикового значения) для двигателя 1 (1.543 R/S): Первичный (большие штрихи), Вторичный (маленькие штрихи) и Итого (сплошные). Синие линии показывают ускорение поршня для двигателя 2 с 2,560 об/с (в % от пикового значения): первичное (большие штрихи), вторичное (маленькие штрихи) и общее (сплошная линия).

Из этого графика совершенно ясно, что двигатель с очень маленькое отношение R/S 1,543 («длинный» 6,75-дюймовый шатун ) имеет существенно более низкое пиковое первичное ускорение (76 против 84%), но более высокое вторичное ускорение (24 против 16%), и очень четкое изменение направления ускорения вокруг НМТ, подтверждающее существенную вторичную составляющую вибрации.

Сравните это с большими синими линиями отношения R / S 2,56 («короткий» 4,01-дюймовый шатун), показывающими значительно более высокий пик. первичное ускорение (84 против 76%), но более низкое вторичное ускорение (16 против 24%), а кривая общего ускорения ближе к симметричный, что подтверждает существенное снижение вторичной составляющей вибрации.

Рисунок 9 также наглядно демонстрирует абсурдность обсуждения длины шатуна как абсолюта.

Рисунок 10. представляет собой диаграмму, на которой перечислены основные эффекты отношения R/S в диапазоне от 1.от 40 до 2,55. Я выбрал R / S = 2,0 в качестве эталона. точка для этих сравнений Vmax % , PPA max-положительный % и PPA max-отрицательный % , потому что это соотношение является самым низким в максимальное отрицательное ускорение которого происходит в НМТ. Обратите внимание, что при отношении R/S выше 2,00 кривая ускорения становится более симметричной, но максимальная скорость практически не меняется.

Рисунок 10
Влияние отношения R/S

ПРИМЕЧАНИЕ: Все расчеты и пояснения на этой и следующей страницах предполагают нулевое смещение поршневого пальца.Ненулевое смещение будет немного изменить расчеты, НЕМНОГО являясь оперативным словом.

Объясняются вибрационные эффекты, которые производят эти первичные и вторичные силы

Типы поршневых колец и обслуживание поршневых колец

Поршневые кольца производятся и классифицируются на основе функций и удобства использования. Основное использование поршневого кольца заключается в герметизации камеры (где движется поршень), которая может быть камерой сгорания двухтактного или четырехтактного двигателя.Судовые двигатели имеют три или более типов колец, установленных по окружности поршня.

Поршневое кольцо является важной частью поршня, и его количество и функциональность различаются в зависимости от типа и мощности двигателя.

В двухтактных двигателях большой мощности поршневые кольца компрессионного типа используются для герметизации камеры сгорания, а под ними устанавливаются грязесъемные кольца для стирания отложений с гильзы и распределения масла по поверхности гильзы.

Связанное чтение: Причины износа гильзы цилиндра и способы его измерения

Однако в небольших судовых двигателях для специальных целей используются различные типы поршневых колец.Например. маслосъемное кольцо используется в 4-тактном двигателе, поскольку это двигатель магистрального типа, а масло в картере имеет прямой доступ к гильзе цилиндра и поршню. В этой статье мы рассмотрим различные типы поршневых колец, используемых в судовых двигателях.

Типы и функции поршневых колец

Компрессионные кольца или прижимные кольца

Компрессионные кольца обеспечивают уплотнение над поршнем и предотвращают утечку газа со стороны сгорания.Компрессионные кольца расположены в первых канавках поршня.

Однако это может отличаться в зависимости от конструкции двигателя. Основная функция этих колец заключается в герметизации продуктов сгорания и передаче тепла от поршня к стенкам поршня.

Масло контролируется путем срезания слоя масла, оставленного маслосъемным кольцом, что обеспечивает достаточную смазку верхних компрессионных колец. Кроме того, он также помогает верхнему компрессионному кольцу в герметизации и теплопередаче.

Грязесъемное кольцо

Грязесъемное кольцо, также называемое кольцом Нейпира или резервным компрессионным кольцом, устанавливается под компрессионным кольцом. Их основная функция заключается в очистке поверхности гильзы от избыточного масла и в качестве опорного кольца при остановке любой утечки газа вниз, вышедшей из верхнего компрессионного кольца. Большинство грязесъемных колец имеют коническую угловую поверхность, расположенную внизу, чтобы обеспечить грязесъемное действие при движении поршня к коленчатому валу.

Прочтите по теме:  Как внутренние силы в судовых двигателях влияют на их работу?

Если грязесъемное кольцо неправильно установлено с коническим углом, ближайшим к компрессионному кольцу, это приводит к чрезмерному расходу масла. Это вызвано тем, что грязесъемное кольцо вытирает избыток масла в сторону камеры сгорания.

Маслосъемные / маслосъемные кольца

Масляные кольца контролируют количество смазочного масла, проходящего вверх или вниз по стенкам цилиндра.Эти кольца также используются для равномерного распределения масла по окружности гильзы.

Масло разбрызгивается на стенки цилиндра. Эти кольца также называют маслосъемными, так как они снимают масло со стенок цилиндров и направляют его обратно в картер.

Эти кольца не пропускают масло из пространства между торцом кольца и цилиндром.

Связанные материалы:   Интеллектуальная система смазки цилиндров современных судовых двигателей

В маслосъемном кольце отверстия или прорези прорезаны в радиальном центре кольца, что позволяет избыточному маслу стекать обратно в резервуар.

Маслосъемные кольца

могут быть цельными или двухкомпонентными. Для увеличения контактного давления между кольцом и поверхностью гильзы кольца могут иметь скошенные кромки либо на внешней стороне посадочных площадок, либо на стороне, обращенной к камере сгорания, для снижения расхода масла за счет улучшенного соскабливания масла из канала ствола.

Маслосъемные кольца, состоящие из двух частей, состоят из кольца из чугуна или профилированной стали и спиральной пружины, изготовленной из жаропрочной пружинной стали, которая действует по всей окружности кольца для поддержания давления и контакта.

Материал поршневых колец

Одним из наиболее известных материалов, используемых при изготовлении поршневых колец, является чугун. Это связано с тем, что он содержит графит в пластинчатой ​​форме, который сам по себе действует как смазка, способствующая скользящему движению между кольцами и вкладышем.

Сплавы и покрытия наносятся на поршневые кольца, и они будут различаться в зависимости от типа кольца, поскольку функции этих колец отличаются друг от друга.

Наиболее распространенной формой легирования чугуна является хром, молибден, ванадий, титан, никель и медь.

Материал поршневых колец более твердый, чем гильза цилиндра, что обеспечивает максимальный срок службы.

Связанное чтение:    Как изготавливаются поршневые кольца?

Поршень главного двигателя

Камера сгорания двухтактного судового двигателя представляет собой большое пространство, производящее огромное количество тепла и напряжений.

Верхние кольца поршня непосредственно соприкасаются с камерой сгорания, поэтому они нуждаются в лучшей защите и покрытии для снижения термической нагрузки и обеспечения надлежащей герметизации.

Многие новые конструкции были введены специально для больших двухтактных судовых двигателей. Некоторые из важных представленных дизайнов:

Двигатель MAN

Самое верхнее поршневое кольцо относится к типу регулируемого сброса давления, в котором на поверхности имеется несколько косых неглубоких канавок (покрытых твердым хромом), позволяющих некоторому давлению газа проходить через 2-е кольцо, тем самым снижая нагрузку на верхнее кольцо. Он имеет S-образное соединение на концах кольца.

Недавно был также представлен новый дизайн, представляющий собой модифицированную версию колец CPR, известную как кольца CPR Port on Plane (CPR POP).

Изменение положения канавок, которые теперь расположены на нижней стороне кольца, так как было отмечено, что износ канавок колец CPR на рабочей стороне был быстрее, чем обычно.

Второе или промежуточное кольца

Остальные кольца имеют косой срез на концах колец. Все поршневые кольца имеют алюминиевое покрытие на внешней поверхности для облегчения приработки.

Двигатель Wartsila

В двухтактном двигателе Wartsila канавки для поршневых колец на поверхности поршня закалены для превосходной износостойкости. Верхнее поршневое кольцо (также известное как газонепроницаемое кольцо (GT) в Wartsila) имеет перекрывающиеся концы, чтобы избежать утечки газа с асимметричной бочкообразной формой. Они имеют хромокерамическое (ХК) покрытие с приработочным покрытием (ХК).

Количество поршневых колец зависит от размера двигателя. Например. RTflex 35 будет иметь очень короткую юбку и оснащен тремя поршневыми кольцами, но двигатель RTA может иметь 5 поршневых колец.3

Четырехтактный двигатель

Требования к поршневым кольцам в 4-тактном двигателе отличаются, поскольку узел гильзы поршня открыт в поддон картера. Следовательно, маслосъемные кольца дополнительно необходимы в пакете поршневых колец для 4-тактных поршней. Обычно он состоит из 2-5 колец в зависимости от типа и спецификации двигателя. Обычно предусмотрено 2-4 компрессионных кольца для герметизации газов из камеры сгорания и 1-3 маслосъемных кольца для предотвращения попадания масла в камеру сгорания.

Кольца компрессора обычно имеют бочкообразную форму с конической поверхностью для эффективного уплотнения газа. Профили маслосъемного кольца состоят из двух площадок и вставленной винтовой пружины для поддержки предварительного натяжения кольца.

Как работают поршневые кольца?

Как объяснялось, в поршне на разных уровнях предусмотрены различные типы колец, которые выполняют разные задачи.
Самая верхняя канавка поршня состоит из компрессионного кольца, основной функцией которого является герметизация любых утечек внутри камеры сгорания во время процесса сгорания.

При воспламенении воздушно-топливной смеси давление продуктов сгорания воздействует на головку поршня, прижимая поршень к коленчатому валу.

Газы под давлением проходят через зазор между стенкой цилиндра и поршнем и попадают в канавку поршневого кольца.

В процессе сгорания сила газов под высоким давлением прижимает поршневое кольцо к стенке гильзы цилиндра, что способствует формированию эффективного уплотнения. Это давление, толкающее поршневое кольцо, пропорционально давлению дымовых газов.

Следующий набор колец в поршне, которые располагаются ниже компрессионного кольца и выше маслосъемных колец, называются грязесъемными кольцами.

Имеют коническую лицевую часть и служат для дополнительного уплотнения камеры сгорания. Как следует из названия, они помогают очистить стенку гильзы от излишков масла и загрязнений. Если какой-либо из продуктов сгорания смог пройти через компрессионное кольцо, эти газы будут заблокированы грязесъемным кольцом в хорошем состоянии.

Последний комплект колец — это маслосъемные кольца, которые располагаются в нижних канавках поршня, ближайших к картеру. Основная функция маслосъемного кольца — снимать излишки масла со стенок гильзы цилиндра при движении поршня.

Большая часть протертого масла направляется в картер обратно в масляный картер. Эти маслосъемные кольца поставляются с пружиной, установленной сзади в 4-тактном двигателе, чтобы обеспечить дополнительный толчок для очистки вкладыша.

Почему поршневые кольца выходят из строя?

Камера сгорания оказывает огромное давление на поршневые кольца. Если давление сгорания газа, образующегося внутри камеры, выше обычного, это может повлиять на работу кольца.

Это может быть связано с детонацией и стуком топлива из негерметичной форсунки или при смешивании топлива с грязным воздухом.

Загрязненное дизельное топливо или неправильный сорт цилиндрового масла также влияют на работу кольца. Когда кольцо начнет изнашиваться, станет очевидной их способность герметизировать дымовые газы.

Плохое качество топлива или цилиндрового масла, плохой процесс сгорания, неправильная синхронизация подачи топлива, изношенная гильза и т. д. являются нормальной причиной износа поршневых колец. Наиболее распространенным признаком или признаком изношенного кольца является попадание газа в картер или под поршень, известное как прорыв газов.

Липкое кольцо из-за отложений нагара или шлама, поломка или трещина на кольце могут возникнуть из-за износа.

Элементы, подлежащие проверке при осмотре поршневого кольца

Осмотр поршневых колец является важной задачей для определения правильной работы поршневых колец с последующей очисткой или заменой поршневых колец (если они сломаны или изношены).

В двигателях с 2-тактным циклом отверстие, содержащее верхнее кольцо, обычно находится выше, чем канавка для верхнего кольца 4-тактного двигателя.

Во время планового осмотра

При обычном осмотре продувочного пространства поршневые кольца прижимаются с помощью отвертки. Это делается для проверки действия пружины или натяжения колец. Это также говорит о том, сломано кольцо или нет. Если кольцо сломано, пружины не будет.

Кольца проверяются на свободность в канавках, так как они могут застрять из-за нагара и в итоге могут разрушиться, что сильно повредит гильзу.

Также проверяется зазор между кольцом и канавкой и рассчитывается износ. Кольцо проверяется на наличие потертостей и повреждений, а также оценивается общее состояние.

Прочтите также:  Основное руководство по техническому обслуживанию судового двигателя для судовых инженеров

При капитальном ремонте

При капитальном ремонте поршневые кольца меняются полностью новым комплектом. Но необходимо учитывать следующие шаги для утилизации колец:-

1) Если поршневое кольцо застряло в канавке.
2) Если осевая высота колец уменьшена, а зазор в кольцах и канавках большой.
3) Если хромовый слой отслоился или поврежден.

При капитальном ремонте канавки должны быть тщательно очищены от нагара и проверены на наличие повреждений в кольцевых канавках.

Перед тем, как ставить поршневые кольца, их следует предварительно закруглить в канавках. При этом кольцо полностью перемещается внутри канавок.

С помощью этого теста мы можем проверить, что канавки имеют большую глубину, чем радиальная ширина кольца.

Вставляя поршень с замененными кольцами в гильзу, используйте приспособление для сжатия поршневых колец с соответствующей смазкой, которое гарантирует, что кольца не прилипнут к поверхности гильзы при входе в камеру сгорания.

Внутрь изношенной гильзы вставляют поршневые кольца, также проверяют стыковый зазор. Для колец малого поршня (например, компрессора) торцы можно обработать с помощью напильника для поршневых колец, но для судовых двигателей кольца должны быть отправлены в береговую мастерскую для восстановления, если стыковый зазор необычен.При установке колец следует проверять маркировку того, какая часть находится вверху или внизу, а также проверять различную маркировку для разных положений.

Кольца ставить с помощью надлежащего набора, т.е. с помощью расширителя колец. Зазор между кольцом и канавкой проверяют щупом.

Осевой и радиальный зазоры старого кольца проверяются и регистрируются для оценки степени износа за определенное количество часов работы.

Как выполняется установка поршневых колец?

Перед установкой поршневого кольца новое или запасное кольцо проверяют на маркировку и сравнивают со старым на тот же класс или положение.Если старая маркировка поршневого кольца стерта, проверьте в руководстве идентификацию поршневого кольца, чтобы его можно было поместить в соответствующую канавку.

Канавка должна быть тщательно очищена, чтобы в ней не было отложений нагара и шлама. При очистке следует помнить, что некоторые канавки поршня покрыты специальной защитной пленкой. Они не должны быть повреждены при использовании рубильного или шлифовального инструмента.

После правильной очистки канавки поршневое кольцо устанавливается с помощью приспособления для поршневых колец, которое расширяет кольцо для вставки в канавку, сдвигая его с верхней части головки поршня. Убедитесь, что вставляете кольцо, сохраняя верхнюю маркировку на верхней стороне.

Большинство поршневых колец снабжены маркировкой «ВЕРХ», или поверхность с выбитым идентификационным номером считается верхней поверхностью, если нет специальной маркировки.

Чрезвычайно важно правильно использовать инструмент для расширения колец, так как неправильное использование может повредить кольцо или причинить вред оператору, так как кольцо находится под постоянным натяжением.

В небольших 4-тактных двигателях, в случае отсутствия инструмента, кольцо можно расширить с помощью одежды или тряпок, имеющихся в машинном отделении.

Две ветоши помещаются с каждой стороны торцов колец и вытягиваются так, чтобы кольца можно было расширить и вставить сверху поршня.

После установки всех поршневых колец убедитесь, что отверстие или торец всех поршневых колец не выровнены во избежание утечки газа из камеры.

Срок службы поршневых колец

Как и все другие детали машин, поршневое кольцо также подлежит капитальному ремонту и замене в течение определенного периода времени. Срок службы поршневого кольца полностью зависит от типа поршневого кольца, размера двигателя, на котором оно установлено, и рабочего состояния кольца и гильзы.

Для большого двухтактного поршневого кольца с диаметром отверстия около 900 мм общий срок службы кольца может составлять до 24 000 часов, а для двигателей меньшего размера с диаметром отверстия 500 мм — до 16 000 часов.

Для вспомогательных морских 4-тактных двигателей с высокими оборотами срок службы поршневых колец обычно меньше, чем у 2-тактных двигателей.Средний срок службы морского 4-тактного высокоскоростного двигателя составляет примерно 8000 часов, после чего требуется замена.

Вы также можете прочитать:

Отказ от ответственности:  Мнения авторов, выраженные в этой статье, не обязательно отражают взгляды Marine Insight. Данные и диаграммы, если они используются в статье, были получены из доступной информации и не были подтверждены каким-либо установленным законом органом.