Поршень

Устройство поршня

Поршень тронкового двигателя или компрессора имеет три части, выполняющие свои функции[2]:

• днище (воспринимает газовые силы и тепловую нагрузку);
• уплотняющая часть (препятствует прорыву газов, передаёт большую часть тепла от поршня цилиндру);
• направляющая часть (тронк) — передаёт боковую силу на стенку цилиндра, поддерживает положение поршня.

Головкой поршня называют днище заодно с уплотняющей частью. Для передачи усилия от поршня может использоваться шток в крейцкопфных двигателях, либо шатун, соединяемый с поршнем посредством пальца[3]. Другие варианты соединения (СПГГ, шайбовые и двигателях Баландина) используют редко. Кроме тронка или крейцкопфа, боковые усилия может воспринимать сам шток.

В крейцкопфных двигателях могут применяться двусторонние поршни. Такой поршень имеет два днища, и тепловой режим его более напряжённый[4]. Но в случае использования подпоршневого пространства как продувочного насоса тепловая напряжённость не возрастает. Теплонапряжённость растёт в 2-тактных двигателях, особенно при использования поршня как золотника выпуска[5].

Поршневой палец, при его наличии (тронковые поршни), всегда стальной, ограничен в перемещении в бобышках стопорными кольцами, либо пластиковыми упорами (Mercedes), либо его положение определено запрессовкой в шатуне (ранние модели ВАЗ). Чаще всего применяют пустотелый плавающий палец со стопорными кольцами, наружный диаметр которого цементован или хромирован[6].

Его форма зависит от типа двигателя, смесеобразования, расположения свечей, форсунок, клапанов, метода организации газообмена в цилиндре[7]. Вогнутое днище поршня образует компактную форму камеры сгорания (дизеля, бензиновые с высокой степенью сжатия и хорошей топливной экономичностью), однако при этом есть склонность к образованию нагара.

При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, однако камера сгорания приобретает линзовидную форму, что увеличивает теплоотдачу. Однако в искровых ДВС увеличение теплоотдачи может позволить увеличить допустимую степень сжатия[8], что частично компенсирует потери.

Плоское днище — промежуточное по форме, и самое простое в изготовлении — популярно в бензиновых ДВС и вихрекамерных/предкамерных дизелях. В устаревших двухтактных ДВС днище имело выступ-дефлектор для отклонения горючей смеси при продувке и уменьшения её выброса[9].

В дизелях с объёмным смесеобразованием форма днища обеспечивает подачу топлива в объём воздуха, с плёночным — большая часть топлива подаётся на стенку поршня (распространение в последние годы системы впрыска Common rail решило спор о смесеобразовании в автомобильных дизелях в пользу объёмного).

Жаровым поясом называют расстояние от канавки верхнего кольца до днища поршня. При увеличении его высоты облегчаются работа верхнего кольца, однако растёт масса поршня и увеличиваются выбросы углеводородов[10]. Уменьшение высоты жарового пояса ниже допустимого влечёт прогар поршня и/или разрушение области верхнего кольца.

Уплотняющая часть поршня имеет важнейшее значение для работы поршневых ДВС, их состояние определяют по компрессии и угару масла, зависящих от состояния поршневой группы. В автомобильных ДВС угар масла не должен превышать 1—3 % от расхода топлива. В современных бензиновых моторах этот процент ещё меньше, в устаревших моделях дизелей — 5 % и выше[11].

Разброс величины компрессии по цилиндрам обычно не должен превышать 0,5 кгс/см2 у бензиновых ДВС и 1 кгс/см2 у дизельных. При превышении угара масла двигатель выходит за пределы разрешённых выбросов, наблюдаются отказы свечей, осмоление форсунок, залегание колец, и потому он должен быть снят с эксплуатации[12].

Уплотняющая часть

Поршень имеет установленные в канавках компрессионные и маслосъёмные кольца. Типичное количество колец на автомобильных моторах — 3, ранее применялись конструкции с 4—6 кольцами[13]. На тихоходных двигателях колец больше для уменьшения пропуска масла и газов, улучшения охлаждения поршня.

Уменьшение числа и высоты колец снижает потери на трение, а сохранение уплотнения достигается надёжным их прилеганием и износостойкостью. Канавки маслосъёмных колец имеют радиальные отверстия для возврата масла в поддон. По мере износа колец зазор их стыках и канавках растёт, увеличивается угар масла.

Диаметр уплотняющей части меньше, чем в районе юбки, так как нагрев этой части поршня выше. Чтобы избежать задира с последующим заклиниванием колец в своих канавках, жаровый пояс имеет ещё меньший диаметр. Уплотняющая часть имеет в сечении круглый диаметр, а не овальный, как юбка.

Решающее значение для уплотнения поршня имеет качество колец: хорошее прилегание к зеркалу без просветов[16], чистота обработки по наружному диаметру и высоте, зазор в замке, и покрытие колец износостойкими материалами[17]. Чугунные маслосъёмные кольца надёжнее составных, потому что вероятность ошибок при их установке меньше[18].

В автомобильных ДВС до 80 % тепла отводится от поршня через кольца[19], поэтому при плохом прилегании колец отвод тепла идёт через юбку поршня, а при росте её температуры неизбежен задир. Из-за этого на обкатке двигателя ограничивают его мощность. Непритёртые кольца перегреваются и сами и потому «садятся» — упругость их уменьшается, вслед за этим быстро растёт пропуск газов в картер, выброс масла, и т. д.

Направляющая часть

В тронковых двигателях направляющей частью поршня является юбка (тронк). Бобышки юбки передают большие нагрузки от газовых и инерционных сил, поэтому соединены массивными литыми рёбрами с днищем поршня (в штампованых поршнях вместо рёбер имеется массивное соединение с днищем).

В районе бобышек формируют литьём или фрезеруют снаружи прямоугольные углубления, называемые условно «холодильниками». На деле, эти так называемые «холодильники» снижают массу благодаря укорочению поршневого пальца и передаче газовых сил ближе к оси шатуна, что разгружает днище поршня.

Чтобы сократить тепловой зазор без риска задира, юбку поршня изготовляют овальной: зазор в плоскости качания шатуна минимальный, а по оси поршневого пальца больше на 0,5—1,5 мм. Обычно кольца располагают в головке поршня, но нижнее маслосъёмное кольцо может быть расположено ниже оси пальца, в юбке[21].

В зависимости от способа фиксации пальца, на поршне могут иметься канавки под стопорное кольцо.

Большинство поршней имеют смещение оси поршневого пальца, чтобы уравнять боковые давления на юбку при ходе сжатия и рабочем ходе поршня. Поэтому поршень монтируется не произвольно, а по метке (обычно надписью на холодильнике либо стрелкой на днище в сторону свободного конца коленвала)[22].

Его форма зависит от типа двигателя, смесеобразования, расположения свечей, форсунок, клапанов, метода организации газообмена в цилиндре[7]. Вогнутое днище поршня образует компактную форму камеры сгорания (дизеля, бензиновые с высокой степенью сжатия и хорошей топливной экономичностью), однако при этом есть склонность к образованию нагара.

При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, однако камера сгорания приобретает линзовидную форму, что увеличивает теплоотдачу. Однако в искровых ДВС увеличение теплоотдачи может позволить увеличить допустимую степень сжатия[8], что частично компенсирует потери.

Плоское днище — промежуточное по форме, и самое простое в изготовлении — популярно в бензиновых ДВС и вихрекамерных/предкамерных дизелях. В устаревших двухтактных ДВС днище имело выступ-дефлектор для отклонения горючей смеси при продувке и уменьшения её выброса[9].

В дизелях с объёмным смесеобразованием форма днища обеспечивает подачу топлива в объём воздуха, с плёночным — большая часть топлива подаётся на стенку поршня (распространение в последние годы системы впрыска Common rail решило спор о смесеобразовании в автомобильных дизелях в пользу объёмного).

Направляющая часть

Материалы

Требования к материалу поршней:

• высокая механическая прочность;
• малая плотность;
• теплостойкость, в том числе термоциклическая;
• хорошая теплопроводность (важнее в искровых ДВС);
• малый коэффициент линейного расширения (оптимально — совпадающий с таковым у гильзы);
• высокая коррозионная стойкость (для дизелей — стойкость к серосодержащим газам);
• хорошие антифрикционные свойства, обеспечивающие ресурс;
• для поршней в жидкостных насосах — коррозионная/химическая стойкость;
• умеренная цена.

Не существует материала, оптимального по всем этим требованиям. Для изготовления автомобильных поршней применяются серый чугун и алюминиевые сплавы типа Al-Si. В мощных дизелях с большим ресурсом, многотопливных (включая работающие на растительных маслах) применяют составные поршни — днище и уплотняющая часть из жаропрочной стали, тронк из чугуна или силумина. Существуют автомобильные поршни с покрытием керамикой, поршни из жаропрочных сплавов (двигатели Стирлинга).

Достоинства

• Чугун дешевле других материалов;
• Чугунные поршни прочнее, жаростойки и износостойки, имеют антифрикционные свойства;
• Благодаря малому температурному коэффициенту расширения уменьшается зазор по юбке.

Недостатки

• Большой удельный вес. Поэтому чугунные поршни применяют в тихоходных двигателях, где газовые силы значительно больше инерционных, и этот недостаток нивелируется;
• Низкая теплопроводность, из-за чего нагрев днища поршней достигает 350—400 °C. Это недопустимо в бензиновых двигателях, так как он может привести к возникновению калильного зажигания. Коэффициент наполнения при этом также снижается.

Алюминиевый сплав

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют силуминовые[23] поршни с содержанием кремния 13 % и более, то есть заэвтектоидные сплавы типа АК-4, АК-18. Ранее применялись сплавы АЛ1, АК2, имеющие меньшее содержание кремния. Контрафактные поршни часто изготовлялись из обычного алюминия[24] Ресурс поршней с недостаточным количеством кремния резко снижен, из-за повышенного коэффициента теплового расширения происходит задир ещё на обкатке.

Отличить поддельный легко — расширение силуминового поршня при нагреве от 0 до 100 °C составляет 0,1—0,12 мм на 100 мм диаметра юбки. Если измерения дадут увеличение размера по юбке поршня 0,22 мм/100 мм диаметра — это уже чистый алюминий. Чем выше содержание кремния, тем больше ресурс поршня, но пластичность сплава меньше[25].

Литые поршни часто изготовляют из доэвтектоидных сплавов, упрощающих литьё, а тепловое расширение юбки ограничено в этом случае вставкой. При штамповке поршня закладка термовставок невозможна, потому ограничить их тепловое расширение можно лишь достаточным содержанием кремния.

Достоинства силумина

• малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
• высокая теплопроводность (в 3—4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что увеличивает коэффициент наполнения и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях^[27];

Недостатки

• больший коэффициент линейного расширения, чем у чугуна;
• меньшая твёрдость и износостойкость поршневых канавок;
• значительное снижение прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50—55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и силуминовыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями:

• придание юбке поршня в овально-бочкообразной или овально-конусной формы;
• изоляция тронковой (направляющей) части поршня кольцом от наиболее нагретой его части (головки) в составных поршнях;
• косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок (тихоходные ДВС)^[28];
• Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью (тихоходные ДВС)^[29];
• компенсационные вставки из инвара, уменьшающие тепловое расширение;
• повышение содержания кремния в материале поршня^[30] (минусом является резкое снижение ресурса отливочных форм).

Составные поршни — головка из жаропрочной стали

Применяются обычно в дизелях среднего или крупного размера, а также во всех дизелях, работающих на растительных маслах в качестве топлива. Юбка обычно из серого чугуна, либо алюминиевого сплава. Преимущества — уменьшение теплоотдачи в поршень, то есть повышение индикаторного КПД, максимальный ресурс, возможность использования различных топлив[31].

Недостатки — более высокая цена, вес, применение только в дизельном цикле, более дорогие поршневые кольца, стойкие к особо высоким температурам, большие осевые размеры поршня, необходимость увеличения противовесов, удлинение гильзы с ростом габаритов двигателя и его массы[32].

В крупноразмерных двигателях, таких как тепловозные и главные судовые, работающие на полной мощности с высоким давлением наддува по двухтактному циклу, невозможно добиться нужного ресурса (30 000 часов и более) с чугунными или силуминовыми поршнями.

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

• возможность использования только в дизельных двигателях;
• больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
• необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
• более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

Достоинства

Недостатки

Алюминиевый сплав

Достоинства силумина

Недостатки

Ресурс поршня

Две основные проблемы, решаемые в поршневых ДВС: износ и прогар поршня.

Для устранения первой организуют принудительное (обычно масляное) охлаждение поршня[34], повышают твёрдость увеличением доли кремния, используют надёжные воздухоочистители для уменьшения абразивного износа[35], изменяют параметры цикла двигателя для снижения температуры поршня в центре и районе верхнего кольца (напр.

, увеличивают коэффициент избытка воздуха или увеличивают перекрытие клапанов в наддувных дизелях), применяют вставки под верхнее кольцо, качественные поршневые кольца для хорошего прилегания сразу после обкатки, ускоряют заводскую обкатку применением специальных масел[36], повышают качество моторных масел для устранения закоксовывания колец и надёжной отдачи тепла от днища[37], иногда — используют покрытия для поршня или композитные материалы.

В японской практике были варианты пластмассовых поршней с покрытием керамикой. Для продления ресурса применяют антифрикционное покрытие направляющей и даже жаровой поверхности поршня[38]. Ускоренный или аварийный износ контрафактных поршней вызывается нарушением размеров и/или качества поковки/отливки, её материала.

Прогар поршня может вызываться конструктивными или эксплуатационными причинами. В первом случае превышена расчётная допустимая температура днища[40], и все двигатели этой модели будут быстро выходить из строя (возможна другая причина — контрафактные поршни[41]: они не могут выдержать нагрузок).

Для устранения опасности прогара в этих случаях применяют снижение механических напряжений и температуры поршня[42] (увеличение оребрения, охлаждение, снижение теплоотдачи в поршень изменением параметров цикла)[43]. Для снижения температуры сгорания может применяться даже подача воды в цилиндр[44].

Эксплуатационными причинами прогара могут быть: нарушение угла опережения впрыска/зажигания[45], отказ (заклинивание) форсунки, детонация (бензиновые)[46], чрезмерная форсировка, общий перегрев из-за отказа термостата, потери тосола, зажатых клапанов, бензина с низким октановым числом[47], вызывающим детонацию, длительное калильное зажигание.

Это приводит к превышению температуры днища и возможному его прогару. При детонационном сгорании, кроме того, может возникать выкрашивание поверхности, ведущее к дальнейшему её развитию, прогару поршня или вылому перегородок между кольцами, поломке колец.

Следовательно, необходимо соблюдать инструкцию — применять нужное топливо, правильно выставлять угол опережения зажигания/впрыска, немедленно прекращать работу неисправного дизеля со стучащей форсункой, или перегретого мотора. Высококачественные форсунки и другие дозирующие элементы топливной аппаратуры продлевают ресурс поршней.