Kolbengruppe eines Verbrennungsmotors. Kolbengruppe VAZ

Die berühmteste und am weitesten verbreitete auf der ganzen Welt mechanische Geräte sind die Motoren Verbrennungs(im Folgenden DVS). Ihr Angebot ist umfangreich und sie unterscheiden sich in einer Reihe von Merkmalen, beispielsweise in der Anzahl der Zylinder, deren Anzahl von 1 bis 24 variieren kann, dem verwendeten Kraftstoff.

Der Betrieb eines Kolben-Verbrennungsmotors

Einzylinder-Verbrennungsmotor kann als der primitivste, unausgewogenste und ungleichmäßigste Hub angesehen werden, obwohl er der Ausgangspunkt für die Schaffung einer neuen Generation von Mehrzylindermotoren ist. Heute werden sie im Flugzeugmodellbau, bei der Herstellung von Landwirtschafts-, Haushalts- und Gartenwerkzeugen eingesetzt. Weit verbreitet in der Automobilindustrie Vierzylindermotoren und solidere Geräte.

Wie funktioniert es und woraus besteht es?

Hubkolben-Verbrennungsmotor ist komplex aufgebaut und besteht aus:

• Gehäuse, einschließlich eines Zylinderblocks, eines Zylinderkopfs;
• Gasverteilungsmechanismus;
• Kurbelmechanismus (im Folgenden KShM);
• Eine Reihe von Hilfssystemen.

KShM ist ein Bindeglied zwischen der bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (im Folgenden als FA bezeichnet) im Zylinder freigesetzten Energie und der Kurbelwelle, die die Bewegung des Autos sicherstellt. Das Gasverteilungssystem ist für den Gasaustausch während des Betriebs der Einheit verantwortlich: den Zugang von Luftsauerstoff und Brennelementen zum Motor und die rechtzeitige Entfernung von Gasen, die während der Verbrennung entstehen.

Das Gerät der einfachsten Kolbenmaschine

Hilfssysteme werden vorgestellt:

• Einlass, der den Motor mit Sauerstoff versorgt;
• Kraftstoff, dargestellt durch ein Kraftstoffeinspritzsystem;
• Zündung, die einen Funken und eine Zündung von Brennelementen für mit Benzin betriebene Motoren liefert (Dieselmotoren zeichnen sich durch Selbstentzündung des Gemisches bei hoher Temperatur aus);
• Ein Schmiersystem, das die Reibung und den Verschleiß berührender Metallteile mithilfe von Motoröl reduziert;
• Kühlsystem, das eine Überhitzung der Arbeitsteile des Motors verhindert und für Zirkulation sorgt spezielle Flüssigkeiten Frostschutztyp;
• Ein Abgassystem, das die Entfernung von Gasen in den entsprechenden Mechanismus gewährleistet, bestehend aus Auslassventilen;
• Ein Steuersystem, das die Überwachung des Betriebs des Verbrennungsmotors auf elektronischer Ebene bereitstellt.

Das Hauptarbeitselement im beschriebenen Knoten wird betrachtet Kolben eines Verbrennungsmotors, das selbst ein Fertigteil ist.

ICE-Kolbengerät

Schritt-für-Schritt-Betriebsdiagramm

Der Betrieb eines Verbrennungsmotors basiert auf der Energie expandierender Gase. Sie sind das Ergebnis der Verbrennung von Brennelementen innerhalb des Mechanismus. Dieser physikalische Vorgang zwingt den Kolben, sich im Zylinder zu bewegen. Der Kraftstoff kann in diesem Fall sein:

• Flüssigkeiten (Benzin, Dieselkraftstoff);
• Gase;
• Kohlenmonoxid als Folge der Verbrennung fester Brennstoffe.

Der Motorbetrieb ist ein kontinuierlicher geschlossener Zyklus, der aus einer bestimmten Anzahl von Zyklen besteht. Die gebräuchlichsten Verbrennungsmotoren sind zwei Typen, die sich in der Anzahl der Zyklen unterscheiden:

1. Zweitakt, erzeugt Kompression und Hub;
2. Viertakt - zeichnen sich durch vier gleich lange Phasen aus: Ansaugen, Verdichten, Arbeitshub und endgültiges Lösen. Dies weist auf eine vierfache Änderung der Position des Hauptarbeitselements hin.

Der Hubbeginn wird durch die Lage des Kolbens direkt im Zylinder bestimmt:

• Oberer Totpunkt (im Folgenden als TDC bezeichnet);
• Unterer Totpunkt (im Folgenden BDC).

Wenn Sie den Algorithmus der Viertaktprobe studieren, können Sie ihn gründlich verstehen Funktionsprinzip eines Automotors.

Das Funktionsprinzip eines Automotors

Der Ansaugvorgang erfolgt durch Durchlaufen des gesamten Hohlraums des Zylinders des Arbeitskolbens vom oberen Totpunkt bei gleichzeitigem Einfahren des Brennelements. Bezogen auf Strukturmerkmale, kann es zu einer Vermischung einströmender Gase kommen:

• Im Kollektor Ansaugsystem, dies gilt, wenn der Motor ein Benzinmotor mit verteilter oder zentraler Einspritzung ist;
• In der Brennkammer, wenn es sich um einen Dieselmotor handelt, sowie um einen Motor, der mit Benzin betrieben wird, aber mit direkte Injektion.

Erste Maßnahme läuft bei geöffneten Einlassventilen des Gasverteilungsmechanismus. Die Anzahl der Ein- und Auslassventile, ihre Öffnungszeit, ihre Größe und ihr Verschleißzustand sind Faktoren, die die Motorleistung beeinflussen. Der Kolben in der Anfangsstufe der Kompression wird am BDC platziert. Anschließend beginnt es, sich nach oben zu bewegen und das angesammelte Brennelement auf die von der Brennkammer bestimmten Abmessungen zu komprimieren. Der Brennraum ist der freie Raum im Zylinder, der zwischen seiner Oberseite und dem Kolben darin verbleibt oben tot Punkt.

Zweite Maßnahme beinhaltet das Schließen aller Ventile des Motors. Die Dichte ihrer Passung wirkt sich direkt auf die Qualität der Brennelementkompression und ihrer anschließenden Zündung aus. Auch die Komprimierungsqualität des TVS hat großen Einfluss der Verschleißgrad der Motorkomponenten. Sie drückt sich in der Größe des Raumes zwischen Kolben und Zylinder, in der Dichtigkeit der Ventile aus. Das Kompressionsniveau eines Motors ist der Hauptfaktor, der seine Leistung beeinflusst. Es wird mit einem speziellen Gerätekompressionsmessgerät gemessen.

Arbeitstakt beginnt, wenn es mit dem Prozess verbunden ist Zündanlage das erzeugt einen Funken. Der Kolben befindet sich in der maximalen oberen Position. Das Gemisch explodiert, Gase werden freigesetzt und entstehen Bluthochdruck und der Kolben wird in Bewegung gesetzt. Der Kurbelmechanismus wiederum aktiviert die Drehung der Kurbelwelle, die die Bewegung des Autos sicherstellt. Alle Systemventile befinden sich zu diesem Zeitpunkt in geschlossener Position.

Abschluss Schlaganfall ist die letzte im betrachteten Zyklus. Alle Auslassventile sind in der offenen Position, wodurch der Motor die Verbrennungsprodukte "ausatmen" kann. Der Kolben kehrt zu seinem Ausgangspunkt zurück und ist bereit, einen neuen Zyklus zu beginnen. Diese Bewegung trägt zur Freisetzung von bei Abgassystem und dann hinein Umfeld, Gase verschwenden.

Betriebsschema eines Verbrennungsmotors, wie oben erwähnt, basiert auf Zyklizität. Betrachtet man im Detail, Wie funktioniert es Kolbenmotor lässt sich zusammenfassen, dass der Wirkungsgrad eines solchen Mechanismus nicht mehr als 60 % beträgt. Dieser Prozentsatz ist darauf zurückzuführen, dass der Arbeitszyklus zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in einem Zylinder ausgeführt wird.

Nicht die gesamte zu diesem Zeitpunkt empfangene Energie wird auf die Bewegung des Autos gerichtet. Ein Teil davon wird dafür aufgewendet, das Schwungrad in Bewegung zu halten, das durch Trägheit den Betrieb des Autos während der anderen drei Zyklen sicherstellt.

Unwillkürlich wird eine gewisse Menge an Wärmeenergie für die Erwärmung des Gehäuses und der Abgase aufgewendet. Deshalb wird die Motorleistung eines Autos durch die Anzahl der Zylinder bestimmt und daraus resultierend der sogenannte Hubraum, berechnet nach einer bestimmten Formel als Gesamtvolumen aller arbeitenden Zylinder.

IN Kurbelmechanismus Der Kolben erfüllt mehrere Funktionen, darunter die Wahrnehmung des Gasdrucks und die Übertragung von Kräften auf die Pleuelstange, die Abdichtung des Brennraums und die Ableitung von Wärme aus ihm. Der Kolben ist am meisten charakteristisches Detail Verbrennungsmotor, tk. Mit seiner Hilfe wird der thermodynamische Prozess des Motors realisiert.

Die Bedingungen, unter denen der Kolben arbeitet, sind extrem und sind gekennzeichnet durch hoher Druck, Temperatur und Trägheitslasten. Daher bestehen Kolben moderner Motoren aus leichtem, haltbarem und hitzebeständigem Material - einer Aluminiumlegierung, seltener aus Stahl. Kolben werden auf zwei Arten hergestellt - Spritzgießen oder Stanzen, das sogenannte. geschmiedete Kolben.

Der Kolben ist ein einteiliges Strukturelement, das bedingt in einen Kopf (in einigen Quellen als Boden bezeichnet) und eine Schürze unterteilt ist. Die Form und Gestaltung des Kolbens wird maßgeblich durch den Motortyp, die Form des Brennraums und den darin ablaufenden Verbrennungsprozess bestimmt. Der Kolben eines Benzinmotors hat eine flache oder nahezu flache Kopffläche. Rillen können darin angebracht werden, um die Ventile vollständig zu öffnen. Die Kolben von Motoren mit Direkteinspritzung haben eine komplexere Form. Die Brennkammer einer bestimmten Form wird im Kolbenkopf eines Dieselmotors hergestellt, was für einen guten Drall sorgt und die Gemischbildung verbessert.

Unter dem Kolbenkopf sind Nuten zum Einbau von Kolbenringen angebracht. Kolbenschürze hat eine konische oder krummlinige ( fassförmig) form. Diese Schaftform kompensiert die Wärmeausdehnung des Kolbens bei Erwärmung. Wenn die Betriebstemperatur des Motors erreicht ist, nimmt der Kolben eine zylindrische Form an. Zur Verringerung der Reibungsverluste wird auf der Seitenfläche des Kolbens eine Schicht aus Gleitmaterial aufgebracht ( Molybdändisulfid, Graphit). Im Kolbenhemd befinden sich Löcher mit Gezeiten ( Chefs) zum Befestigen des Kolbenbolzens.

Kolbenkühlung von der Innenfläche ausgeführt verschiedene Wege:

1. Ölnebel im Zylinder;
2. Spritzen von Öl durch ein Loch in der Pleuelstange;
3. Sprühen von Öl mit einer speziellen Düse;
4. Öleinspritzung in einen speziellen Ringkanal im Bereich der Ringe;
5. Ölkreislauf durch eine Rohrschlange im Kolbenboden.

Kolbenringe bilden eine dichte Verbindung zwischen dem Kolben und den Zylinderwänden. Sie bestehen aus modifiziertem Gusseisen. Kolbenringe sind die Hauptreibungsquelle in einem Verbrennungsmotor. Reibungsverluste in den Ringen erreichen bis zu 25 % aller mechanischen Verluste im Motor.

Die Anzahl und Anordnung der Ringe hängt von der Art und dem Einsatzzweck des Motors ab. Das gebräuchlichste Schema ist zwei Komprimierungen und eine Ölabstreifring. Kompressionsringe verhindern den Durchbruch von Gasen aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse. Der erste Kompressionsring funktioniert am meisten schwierige Bedingungen. Daher auf Dieselkolben und eine Reihe von Zwängen Benzinmotoren In die Nut des Rings ist ein Stahleinsatz eingebaut, der die Festigkeit erhöht und die Realisierung ermöglicht Höchstgrad Kompression. Kompressionsringe können eine trapezförmige, tonnenförmige, konische Form haben, einige werden mit einem Schnitt (Schnitt) hergestellt.

Ölabstreifring entfernt überschüssiges Öl von der Oberfläche des Zylinders und verhindert, dass Öl in den Brennraum gelangt. Der Ring hat viele Drainagelöcher. Einige Ringdesigns haben einen Federexpander.

Die Verbindung des Kolbens mit der Pleuelstange erfolgt über einen rohrförmigen Kolbenbolzen aus Stahl. Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Kolbenbolzen zu montieren. Die beliebtesten sog. schwimmender Finger, der sich während des Betriebs in den Naben und im Kolbenkopf der Pleuelstange drehen kann. Um ein Verschieben des Fingers zu verhindern, wird dieser mit Sicherungsringen fixiert. Viel seltener wird eine starre Befestigung der Stiftenden im Kolben oder eine starre Befestigung des Stifts im Kolbenkopf der Pleuelstange verwendet.

Kolben, Kolbenringe und der Kolbenbolzen sind die etablierten Namen der Kolbengruppe.

Jeder Motor moderne Maschine gekennzeichnet durch hohe Designkomplexität und eine große Anzahl von Bestandteile. Trotz dieser hohen Komplexität basiert es auf grundlegenden Konzepten, die für ein Auto jeder Klasse und jedes Baujahrs relevant sind. In diesem Artikel werden wir uns eine davon ansehen Schlüsselelemente- der Kolben eines Verbrennungsmotors - und wir werden darüber sprechen, wozu er dient und woraus er besteht.

Struktur

Der Kolben eines 4-Takt-Motors hat eine ziemlich komplexe Struktur und somit umfasst die gesamte Vorrichtung mehrere Bestandteile. Dadurch können Sie die Maschine optimal ausstatten technische Eigenschaften, und machen den 4-Takt-Motor außerdem widerstandsfähiger gegen Belastungen und damit langlebiger.

Der Hauptteil, aus dem der Kolben besteht Viertakt-Verbrennungsmotor, ist sein Boden. Der Durchmesser des Bodens ist etwas kleiner als der Durchmesser des Zylinders, was durch das Vorhandensein von Kompressions- und Ölabstreifringen erklärt wird. Der Kolbenboden kann beliebige Durchmesser haben andere Form und Beschreibung. Somit kann es eine konkave Form haben und die Vertiefung selbst kann eine andere Konfiguration haben.

Der Hauptzweck des Bodens in der Kolbenvorrichtung in der Konstruktion ist die Wechselwirkung mit Kraftstoffdämpfen, die während der Verbrennung den Kolben drücken und ihn während der gesamten Betriebsdauer bewegen. Die Form des Bodens im Kolben eines 4-Takt-Motors ist vorgegeben Große anzahl Faktoren. Normalerweise hängt es von der Anzahl der Kerzen, der Leistung, dem Kolbendurchmesser und vielen anderen Nuancen ab.

Neben dem Boden befindet sich im Kolben, egal wie viele Millimeter er im Durchmesser hat, immer ein Dichtungsteil, das Vorrichtungen wie Kompressions- und Ölabstreifringe umfasst. Kompressionsringe werden in speziell bearbeitete Nuten eingesetzt, deren Durchmesser sich geringfügig vom Durchmesser des Kolbenkopfes unterscheiden. Ihre Aufgabe ist es, das gebrauchte und frische Gemisch nicht zu vermischen und den Druck während der Kraftstoffverbrennung aufrechtzuerhalten.

Wozu dienen Kompressionsringe? Die Kompression eines 4-Takt-Motors ist notwendig, damit der Wirkungsgrad des Motors maximal ist und die gesamte Energie des verbrannten Kraftstoffs auf die Bewegung des Kolbens gerichtet ist. Aus diesem Grund werden ernsthafte und strenge Anforderungen an die Materialien gestellt, aus denen solche Ringe in einem Viertaktmotor hergestellt werden.

Neben der Verdichtung ist der Kolben eines 4-Takt-Motors in ohne Fehler ausgestattet mit Strukturen wie Ölabstreifringen, die einen etwas größeren Durchmesser als der Kolben selbst haben. Sie sind notwendig, damit der Schmierstoff, der ständig im Motor zirkuliert, um Reibung und Überhitzung zu vermeiden, an den Reibflächen verbleibt die richtige Menge und sammelten sich nicht im Brennraum an. Dadurch werden Ölkohleablagerungen vermieden und der Schmierstoffverbrauch drastisch reduziert.

Wie es funktioniert?

Der Hub eines Viertaktmotors ist der Zyklus, in dem die Kurbelwelle des Motors eine vollständige Umdrehung macht. während dieser Zeit Kraftstoffgemisch, das von einem Vergaser oder Einspritzer versorgt wird, verbrennt vollständig und wird in den Schalldämpfer abgegeben, wo es durch den Schalldämpfer strömt und in die Umgebung abgeführt wird.

Der Hub des Kolbens ist ausschließlich durch die Bewegung nach oben und unten gekennzeichnet. Dieser Sachverhalt gilt für Viertaktmotoren und alle anderen Arten von Motoren. Wie schon gesagt, Vorwärtsbewegung Sie wird ausschließlich durch Verbrennungsprozesse verursacht, die bei hohen Temperaturen ablaufen.

Wenn der Kolbenhub in vertikaler Richtung verläuft, dreht sich die Kurbelwelle, mit der er verbunden ist. Aus diesem Grund haben Designer und Ingenieure eine Kurbel eingeführt, mit der Sie die Welle in Bewegung setzen und die Räder ständig drehen lassen können, während der Viertaktmotor läuft.

Üblicherweise ist die Kurbel am Kolbenboden angelenkt: Der Kolbenhub ist so frei, dass sich die Kurbel in einem spitzen Winkel zur Symmetrieachse bewegt und in ständiger Bewegung ist. Die Verbindungsstange ist ein kleiner Metallstab, der an beiden Enden mit Scharniereinsätzen ausgestattet ist. Einerseits bewegt sich die Pleuelstange relativ zum Kolben, der sich auf und ab bewegt.

An dem gegenüberliegenden Ende ist die Verbindungsstange beweglich befestigt Kurbelwelle. Zwischen der Pleuelstange und der Welle befinden sich die sogenannten Laufbuchsen, mit deren Hilfe Sie hohe Temperaturen aushalten und sich auch bei Spitzenlasten nicht abnutzen. Wenn es Zeit für eine Reparatur ist, werden die Auskleidungen durch neue ersetzt, und solche Wartungszyklen bis zum Austausch Kurbelwelle es können mehrere sein.

Produktionsmaterial

Der Kolben eines 4-Takt-Motors bzw. das Material, aus dem er besteht, muss eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Beispielsweise muss das Material gegen starke Temperaturüberlastungen beständig sein, da die Kraftstoffverbrennung eine starke Überhitzung verursacht, für die die meisten vorhandenen Materialien nicht bereit sind.

Außerdem sollten solche Materialien eine geringe Dichte aufweisen. Dies ist notwendig, um den Kolben so leicht wie möglich zu machen, um die Belastung der Teile und den Gesamtkraftstoffverbrauch zu reduzieren.

Welche Materialien erfüllen diese Anforderungen und sind weit verbreitet? Viertaktmotoren Verbrennungs? Das gebräuchlichste Material dieser Art ist Gusseisen. Da es relativ günstig ist, erfüllt es alle seine Aufgaben hervorragend und hält hohen Temperaturen stand. Wie die Praxis zeigt, ist die Ressource eines solchen Teils ziemlich hoch und die Zuverlässigkeit erfüllt alle Anforderungen, sodass bei den meisten Autos ein Gusseisenkolben zu finden ist.

Trotzdem bleibt der Fortschritt nicht stehen, und Aluminium hat Gusseisen ersetzt, oder besser gesagt, es besondere Sorte. Der Vorteil dieses Materials liegt darin, dass es merklich leichter ist, aber in Sachen Festigkeit dem üblichen Gusseisen in nichts nachsteht. Aus diesem Grund weiter Sportwagen v Viertaktmotoren Alukolben setzen. Diese Entscheidung ermöglichte es, die Leistung zu erhöhen, die Ressourcen zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Es ist erwähnenswert, dass Aluminiumkolben häufig auch in gewöhnliche Zivilfahrzeuge eingebaut werden, was auf ihre offensichtlichen Vorteile hinweist.

Zusammenfassung

Der Motorkolben ist wichtiges Detail, ohne welches normale Arbeit Motor wäre unmöglich. In dieser Hinsicht versuchen globale Autohersteller, bestehende Lösungen der Perfektion näher zu bringen. Dies ermöglicht es zu erreichen Der beste Auftritt bei mehr hohe Ressource, was darauf hindeutet, dass der Fortschritt nicht stillsteht.

Ich werde die Einführung nicht in die Länge ziehen, ich werde Ihnen kurz sagen, worum es in dieser geht. guter Eintrag. Und so sprechen wir über die Kolbentypen Viertakt-Benziner, Diesel und Zweitakter, die Hauptaufgabe aller betrachteten Kolbentypen, es soll die Wärmeausdehnung kontrollieren und einer bestimmten Belastung standhalten, unten werden wir herausfinden, wie dies gelöst wird.

Kolben für Viertakt-BenzinerMotoren

Moderne Benzinmotoren verwenden symmetrische oder asymmetrische Schaftkolben.
mit unterschiedlichen Dicken von Boden und Kolbenschaft.

Gesteuerte Expansionskolben

Kolben mit ringförmigem Einsatz, der die Wärmeausdehnung steuert.
Die Einsätze sind aus Grauguss. Der Hauptzweck dieses Rings besteht darin, die Wärmeausdehnung des Aluminiumlegierungskolbens zu verringern, da Gusseisen eine relativ geringe Ausdehnung und eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, der Einsatz dadurch das Metall in Form hält. Die Herstellung solcher Kolben ist teurer und entsprechend höher ist der Preis des fertigen Produkts. Der Hauptnachteil ist die Unmöglichkeit der Herstellung eines geschmiedeten Kolbens, der für aufgeladene Motoren eine große Masse des Kolbens benötigt. Dieser Kolbentyp gehört eher einer fernen Vergangenheit an.

Automatische thermische Kolben

Autothermische Kolben haben eine Trennung (Propyl) zwischen Ringband und Schaft in der Ölabstreifringnut, der Schaft wird im Nabenbereich gehalten. Dadurch wird die Wärmeübertragung vom Kolbenring zum Kolbenschaft reduziert und dadurch eine stabilere Schaftform erreicht. Stahleinsatz im Nabenbereich kontrolliert die Wärmeausdehnung und erhöht die Festigkeit. Solche Kolben können großen Belastungen durch „Schneiden“ nicht standhalten, zeichnen sich durch einen geräuscharmen Betrieb aus und sind modernere Typen.

Kolben

Sie funktionieren wie ein Auto.
Thermokolben, haben aber keinen Einschnitt in der Ölabstreifnut. Sie haben auch Stahlplatten im Bereich der Bosse. Sie sind aufgrund der Integrität des ringförmigen Gürtels und der Schürze langlebiger und halten seitlichen Belastungen im Vergleich zur ersten Option besser stand. Sie werden sowohl in Benzin- als auch teilweise in Dieselmotoren eingesetzt.

Sie ähneln in gewisser Weise den Autothermen, haben jedoch anstelle eines Schnitts im Rock einen Stahleinsatz entlang des gesamten Durchmessers. Dadurch wird der Temperaturübergang vom Ringband zum Schaft begrenzt und die Form über den gesamten Umfang kontrolliert.

Dieser Kolbentyp hat einen großen Kühler und eine schmale, oft ovale Schaftform. Der Kolben ist so konstruiert, dass er bei Wärmeausdehnung seine Form von oval zu regelmäßig rund ändert.

Zusätzlich zu diesem Kolbentyp gibt es auch eine Option mit einem schrägen Schaft zum oberen Ende des Kolbens. hat einen breiteren Teil des Rocks von unten, der sich zum ringförmigen Gürtel verjüngt.

Bei Kolben für Motoren mit sehr hoher Leistung (größer 100 kW/l) kann ein Kühlkanal vorgesehen werden.

Das größte Potenzial zur Reduzierung des Kolbengewichts bei Viertakt-Ottomotoren bieten EVOTEC®-Kolben, die vor allem über trapezförmige Nabenaufnahmen verfügen, die eine besonders tiefe, bodennahe Positionierung des Bolzens ermöglichen und so die Baulänge und das Gewicht des Kolbens reduzieren. In der Post Die Masse des Kolbens, wir haben bereits über die Würde einer solchen Anordnung des Fingers gesprochen. Diese Anordnung der Wände der Schürze ermöglicht es Ihnen, den oberen Teil der Vorsprünge mit einer geringen Dicke der Trennwände sehr gut zu verstärken und den Boden leichter zu machen, indem Sie dem Kolben eine asymmetrische Form verleihen. Der Rock ist ziemlich schmal und hat starke Trennwände an den Rändern, die zu den Bossen übergehen, das ist auch ein großes Plus. Diese Anordnung des Kolbens widersteht seitlichen Belastungen sehr gut, es besteht kaum die Möglichkeit einer Schaftverformung, während die Dicke des Schafts viel geringer ist als bei einem herkömmlichen Kolben, was auch das Gesamtgewicht reduziert. Vor dem Hintergrund der oben genannten Vorteile hat der Kolben erheblich an Gewicht verloren, wodurch Sie die Vorsprünge dünner machen können, da die Trägheitslast an den Bodenwänden der Vorsprünge geringer geworden ist.

Kolben aus geschmiedetem Aluminium

Bei Motoren mit sehr hohen spezifischen Belastungen, wie Turboaufladung oder Lachgaseinspritzung, geschmiedete Kolben. Der Vorteil liegt zweifellos in der Festigkeit der geschmiedeten Aluminiumlegierung. Halten Sie mehr aus hohe Temperatur und einer Detonation besser widerstehen. Von den Mängeln mehr hoher Preis, die Unmöglichkeit der Anwendung einiger Technologien, zum Beispiel einiger der oben beschriebenen aufgrund technologischer Prozess Herstellung.

Schmiedekolben für die Formel 1

Im nächsten Beitrag werden wir über Kolben für Zweitakt und sprechen Dieselmotoren, wo Belastung und Temperatur noch größer sind.

Kolbengruppe

Kolbengruppe bildet eine bewegliche Wand des Arbeitsvolumens des Zylinders. Die Bewegung dieser „Wand“, also des Kolbens, ist ein Indikator für die Arbeit der verbrannten und expandierenden Gase.
Die Kolbengruppe des Kurbeltriebs umfasst einen Kolben, Kolbenringe (Verdichtungs- und Ölabstreifringe), einen Kolbenbolzen und seine Befestigungsteile. Manchmal wird die Kolbengruppe zusammen mit dem Zylinder betrachtet und als Zylinder-Kolben-Gruppe bezeichnet.

Kolben

Anforderungen an die Kolbenkonstruktion

Der Kolben nimmt die Kraft des Gasdrucks auf und überträgt sie über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange. Gleichzeitig führt es eine geradlinige Hin- und Herbewegung aus.

Die Bedingungen, unter denen der Kolben arbeitet:

• hoher Gasdruck ( 3,5…5,5 MPa für Benzin u 6,0…15,0 MPa für Dieselmotoren);
• Kontakt mit heißen Gasen (bis zu 2600 ˚С);
• Bewegung mit Richtungs- und Geschwindigkeitswechsel.

Die Hin- und Herbewegung des Kolbens verursacht erhebliche Trägheitsbelastungen in den Durchgangsbereichen tote Stellen, wo der Kolben die Bewegungsrichtung in die entgegengesetzte Richtung ändert. Trägheitskräfte hängen von der Geschwindigkeit des Kolbens und seiner Masse ab.

Der Kolben nimmt erhebliche Kräfte wahr: mehr 40 kN bei Benzinmotoren u 20 kN- bei Dieseln. Durch den Kontakt mit heißen Gasen erwärmt sich der zentrale Teil des Kolbens auf eine Temperatur 300…350 ˚С. Eine starke Erwärmung des Kolbens ist wegen der Möglichkeit des Verklemmens im Zylinder gefährlich Wärmeausdehnung, und sogar den Kolbenboden verbrennen.

Die Bewegung des Kolbens wird begleitet erhöhte Reibung und als Folge Verschleiß seiner Oberfläche und der Oberfläche des Zylinders (Hülse). Bei der Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und zurück ändert sich die Druckkraft der Kolbenfläche auf die Oberfläche des Zylinders (Hülse) in Abhängigkeit von dem im Zylinder auftretenden Hub sowohl in Größe als auch in Richtung.

Der Kolben übt während des Hubs maximalen Druck auf die Zylinderwand aus, in dem Moment, in dem die Pleuelstange beginnt, von der Kolbenachse abzuweichen. Gleichzeitig wird die Kraft des Gasdrucks, kolbenübertragen Pleuel, verursacht eine Reaktionskraft im Kolbenbolzen, die in dieser Fall ist ein zylindrisches Gelenk. Diese Reaktion wird vom Kolbenbolzen entlang der Linie der Pleuelstange gerichtet und kann in zwei Komponenten zerlegt werden - eine entlang der Kolbenachse gerichtet, die zweite (Querkraft) senkrecht dazu und entlang der Normalen zum Zylinder gerichtet Oberfläche.

Es ist diese (Seiten-)Kraft, die eine erhebliche Reibung zwischen den Oberflächen des Kolbens und des Zylinders (Hülse) verursacht, was zu deren Verschleiß, zusätzlicher Erwärmung der Teile und einer Verringerung des Wirkungsgrads aufgrund von Energieverlusten führt.

Versuche, die Reibungskräfte zwischen dem Kolben und den Zylinderwänden zu verringern, werden dadurch erschwert, dass zwischen dem Zylinder und dem Kolben ein Mindestspiel erforderlich ist, das eine vollständige Abdichtung des Arbeitsraums gewährleistet, um einen Gasdurchbruch und ein Eindringen von Öl in den zu verhindern Arbeitsraum des Zylinders. Das Spiel zwischen dem Kolben und der Zylinderoberfläche wird durch die Wärmeausdehnung der Teile begrenzt. Wird er entsprechend den Dichtheitsanforderungen zu klein ausgeführt, kann der Kolben durch Wärmeausdehnung im Zylinder klemmen.

Wenn sich die Bewegungsrichtung des Kolbens und die im Zylinder ablaufenden Prozesse (Zyklen) ändern, ändert die Reibungskraft des Kolbens gegen die Zylinderwände ihren Charakter - der Kolben wird im Leerlauf gegen die gegenüberliegende Wand des Zylinders gedrückt Punkt Übergangszone Der Kolben schlägt aufgrund einer starken Wert- und Belastungsrichtungsänderung auf den Zylinder auf.

Konstrukteure müssen bei der Entwicklung von Motoren eine Reihe von Problemen lösen, die mit den oben beschriebenen Betriebsbedingungen von Teilen der Zylinder-Kolben-Gruppe verbunden sind:

• hohe thermische Belastungen, die Wärmeausdehnung und Korrosion von Metallen von KShM-Teilen verursachen;
• enorme Druck- und Trägheitslasten, die Teile und ihre Verbindungen zerstören können;
• erhebliche Reibungskräfte, die zusätzliche Erwärmung, Verschleiß und Energieverlust verursachen.

Daraus ergeben sich folgende Anforderungen an die Kolbenkonstruktion:

• ausreichende Steifigkeit, um Leistungsbelastungen standzuhalten;
• thermische Stabilität und minimale Temperaturverformungen;
• die Mindestmasse zur Reduzierung von Trägheitslasten, während die Masse der Kolben in Mehrzylindermotoren gleich sein sollte;
• Sicherheit hochgradig Abdichten des Arbeitshohlraums des Zylinders;
• minimale Reibung an den Zylinderwänden;
• hohe Lebensdauer, da der Austausch von Kolben mit arbeitsintensiven Reparaturarbeiten verbunden ist.

Konstruktionsmerkmale des Kolbens

Moderne Kolben Automobilmotoren haben eine komplexe räumliche Form, die auf verschiedene Faktoren und Bedingungen zurückzuführen ist, unter denen dieser kritische Teil arbeitet. Viele Elemente und Merkmale der Kolbenform sind mit bloßem Auge nicht sichtbar, da Abweichungen von Zylindrizität und Symmetrie minimal sind, jedoch vorhanden sind.
Betrachten wir genauer, wie der Kolben eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und welche Tricks Konstrukteure anwenden müssen, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen.

Der Kolben eines Verbrennungsmotors besteht aus einem oberen Teil - einem Kopf und einem unteren Teil - einer Schürze.

Der obere Teil des Kolbenkopfes - der Boden nimmt direkt die Kräfte der Arbeitsgase wahr. Bei Ottomotoren ist der Kolbenboden üblicherweise flach ausgeführt. In den Kolbenböden von Dieselmotoren wird häufig eine Brennkammer hergestellt.

Der Boden des Kolbens ist eine massive Scheibe, die durch Rippen oder Zahnstangen mit Fluten verbunden ist, die Löcher für die Kolbenbolzen - Vorsprünge aufweisen. Die Innenfläche des Kolbens ist in Form eines Bogens ausgeführt, der für die notwendige Steifigkeit und Wärmeableitung sorgt.

Auf der Seitenfläche des Kolbens sind Nuten für Kolbenringe geschnitten. Die Anzahl der Kolbenringe hängt vom Druck der Gase und der Durchschnittsgeschwindigkeit des Kolbens (dh der Motordrehzahl) ab - je weniger Durchschnittsgeschwindigkeit Kolben, desto mehr Ringe werden benötigt.
Bei modernen Motoren besteht neben einer Erhöhung der Drehfrequenz der Kurbelwelle die Tendenz, die Anzahl der Kompressionsringe an den Kolben zu verringern. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, die Masse des Kolbens zu verringern, um Trägheitslasten zu verringern und Reibungskräfte zu verringern, die einen erheblichen Teil der Motorleistung einnehmen. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit eines Gasdurchbruchs in das Kurbelgehäuse Hochgeschwindigkeitsmotor weniger angesehen aktuelles Thema. Daher in den Motoren moderner Autos und Rennautos Sie können Designs mit einem Kompressionsring am Kolben finden, und die Kolben selbst haben einen verkürzten Schaft.

Zusätzlich zu den Kompressionsringen sind am Kolben ein oder zwei Ölabstreifringe verbaut. Die im Kolben angebrachten Nuten für Ölabstreifringe haben Abflusslöcher zum Ablassen von Motoröl in den inneren Hohlraum des Kolbens, wenn der Ring von der Oberfläche des Zylinders (Hülse) entfernt wird. Dieses Öl wird normalerweise verwendet, um die Innenseite des Kolbenbodens und -schafts zu kühlen, und läuft dann in die Ölwanne ab.

Die Form des Kolbenbodens hängt vom Motortyp, der Art der Gemischbildung und der Form des Brennraums ab. Die häufigste flache Form des Bodens, obwohl es konvex und konkav ist. In einigen Fällen werden Aussparungen in den Boden des Kolbens für Ventilplatten eingebracht, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt (OT) befindet. Wie oben erwähnt, werden in den Böden der Kolben von Dieselmotoren häufig Brennkammern hergestellt, deren Form variieren kann.

Der Boden des Kolbens - die Schürze führt den Kolben hinein geradlinige Bewegung, während er auf die Zylinderwand eine Seitenkraft überträgt, deren Größe von der Stellung des Kolbens und den im Arbeitsraum des Zylinders ablaufenden Vorgängen abhängt. Die Größe der vom Kolbenschaft übertragenen Seitenkraft ist viel geringer als die maximale Kraft, die vom Boden von der Seite der Gase wahrgenommen wird, so dass der Schaft relativ dünnwandig ausgeführt ist.

Bei Dieselmotoren wird häufig ein zweiter Ölabstreifring im unteren Teil der Schürze installiert, wodurch die Zylinderschmierung verbessert und die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass Öl in den Arbeitshohlraum des Zylinders gelangt. Um die Masse des Kolbens und die Reibungskräfte zu reduzieren, werden die unbelasteten Teile des Schafts im Durchmesser geschnitten und in der Höhe gekürzt. Innerhalb des Rocks werden normalerweise technologische Vorsprünge hergestellt, mit denen die Kolben nach Gewicht angepasst werden.

Die Konstruktion und Abmessungen der Kolben hängen hauptsächlich von der Drehzahl des Motors sowie von der Größe und Geschwindigkeit des Anstiegs des Gasdrucks ab. So sind die Kolben schnelllaufender Benzinmotoren möglichst leicht und die Kolben von Dieselmotoren massiver und steifer ausgelegt.

In dem Moment, in dem der Kolben den OT passiert, ändert sich die Richtung der Seitenkraft, die eine der Komponenten der Gasdruckkraft auf den Kolben ist. Dadurch bewegt sich der Kolben von einer Wand des Zylinders zur anderen - der Kolben wird verschoben. Dadurch schlägt der Kolben an der Zylinderwand an, begleitet von einem charakteristischen Klopfen. Um dieses schädliche Phänomen zu verringern, werden die Kolbenbolzen dadurch verschoben 2…3 mm in Richtung der maximalen Querkraft; in diesem Fall wird die seitliche Druckkraft des Kolbens auf den Zylinder deutlich reduziert. Diese Fehlausrichtung des Kolbenbolzens wird Desaxage genannt.
Die Verwendung von Desoxidation bei der Konstruktion des Kolbens erfordert die Einhaltung der Regeln für die Montage der Kurbelwelle - der Kolben muss streng nach den Markierungen eingebaut werden, die angeben, wo sich der vordere Teil befindet (normalerweise ein Pfeil auf der Unterseite).

Die ursprüngliche Lösung zur Reduzierung der Seitenkraftwirkung wurde von den Konstrukteuren der Volkswagen-Motoren angewendet. Der Kolbenboden solcher Motoren ist nicht rechtwinklig zur Zylinderachse, sondern leicht abgeschrägt. Laut den Konstrukteuren können Sie so die Belastung des Kolbens optimal verteilen und den Prozess der Gemischbildung im Zylinder während des Ansaug- und Kompressionshubs verbessern.

Um den widersprüchlichen Anforderungen an die Dichtheit des Arbeitsraumes gerecht zu werden, was das Vorhandensein minimaler Spalte zwischen Kolbenschaft und Zylinder voraussetzt, und um ein Verklemmen des Teils infolge Wärmeausdehnung zu verhindern, werden die folgenden Konstruktionselemente verwendet in Kolbenform:

• Reduzierung der Schaftsteifigkeit durch spezielle Schlitze, die seine Wärmeausdehnung ausgleichen und die Kühlung des unteren Teils des Kolbens verbessern. Die Schlitze befinden sich auf der Seite des Mantels, die am wenigsten mit seitlichen Kräften belastet ist, die den Kolben gegen den Zylinder drücken;
• erzwungene Begrenzung der Wärmeausdehnung der Schürze durch Einsätze aus Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als der des Grundmetalls;
• dem Kolbenschaft eine solche Form geben, dass er bei Belastung und Betriebstemperatur die Form eines regulären Zylinders annimmt.

Die letzte Bedingung ist nicht einfach zu erfüllen, da der Kolben im gesamten Volumen ungleichmäßig erhitzt wird und eine komplexe räumliche Form hat - im oberen Teil seiner Form ist er symmetrisch und im Bereich der Vorsprünge und im unteren Teil Teil des Rocks gibt es asymmetrische Elemente. All dies führt zu einer ungleichmäßigen Temperaturverformung einzelner Abschnitte des Kolbens, wenn dieser während des Betriebs erhitzt wird.
Aus diesen Gründen werden bei der Konstruktion des Kolbens moderner Automotoren normalerweise die folgenden Elemente ausgeführt, die seine Form verkomplizieren:

• Der Kolbenboden hat im Vergleich zum Schaft einen kleineren Durchmesser und liegt am nächsten Querschnitt zum richtigen Kreis.
  Der kleinere Querschnittsdurchmesser des Kolbenbodens ist mit dessen Höhe verbunden Betriebstemperatur und dadurch mit einer größeren Wärmeausdehnung als im Schaftbereich. Daher der Kolben moderner Motor im Längsschnitt hat es eine leicht konische oder tonnenförmige Form, die sich nach unten verjüngt.
  Die Durchmesserreduzierung im oberen Riemen des konischen Schaftes für Kolben aus Aluminiumlegierungen beträgt 0,0003…0,0005D, Wo D ist der Durchmesser des Zylinders. Beim Erhitzen auf Betriebstemperatur "nivelliert" sich die Form des Kolbens entlang der Länge zum richtigen Zylinder.
• im Bereich der Noppen hat der Kolben kleinere Querabmessungen, da hier Metallarrays konzentriert sind und die Wärmeausdehnung größer ist. Daher hat der Kolben unterhalb des Bodens im Querschnitt eine ovale oder elliptische Form, die sich, wenn das Teil auf Betriebstemperaturen erhitzt wird, der Form eines regelmäßigen Kreises annähert, und der Kolben nähert sich der Form eines regelmäßigen Zylinders an.
  Die Hauptachse des Ovals liegt in einer Ebene senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens. Die Ovalität reicht von 0,182 Vor 0,8 mm.

Offensichtlich müssen Konstrukteure all diese Tricks anwenden, um dem Kolben beim Erhitzen auf Betriebstemperatur eine regelmäßige zylindrische Form zu geben und so ein Mindestspiel zwischen ihm und dem Zylinder sicherzustellen.

Am meisten effektiver Weg Verhinderung des Verklemmens des Kolbens im Zylinder aufgrund seiner Wärmeausdehnung mit einem minimalen Spiel ist Zwangskühlung Schürzen und eine Einlage in den Kolbenschaft aus Elementen aus Metall mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Am häufigsten werden Weichstahleinlagen in Form von Querplatten verwendet, die beim Gießen des Kolbens in den Nabenbereich eingebracht werden. In einigen Fällen werden anstelle von Platten Ringe oder Halbringe verwendet, die in den oberen Riemen des Kolbenschafts eingegossen werden.

Die Bodentemperatur von Aluminiumkolben darf nicht überschritten werden 320…350 ˚С. Um die Wärmeabfuhr zu erhöhen, ist der Übergang vom Kolbenboden zu den Wänden daher glatt (in Form eines Bogens) und ziemlich massiv. Für eine effizientere Wärmeabfuhr vom Boden des Kolbens wird eine Zwangskühlung verwendet, die auf die Innenfläche des Bodens sprüht Motoröl aus einer speziellen Düse. Normalerweise wird die Funktion einer solchen Düse durch ein speziell kalibriertes Loch ausgeführt, das im oberen Kopf der Pleuelstange angebracht ist. Manchmal ist die Düse am Motorgehäuse am Boden des Zylinders montiert.

Normalität zu gewährleisten thermisches Regime des oberen Kompressionsrings liegt er deutlich unterhalb der unteren Kante und bildet den sogenannten Feuer- oder Feuergürtel. Die am stärksten verschlissenen Enden der Kolbenringnut werden oft mit speziellen Einsätzen aus verschleißfestem Material verstärkt.

Aluminiumlegierungen werden häufig als Material für die Herstellung von Kolben verwendet, deren Hauptvorteil ihr geringes Gewicht und ihre gute Wärmeleitfähigkeit sind. Zu den Nachteilen von Aluminiumlegierungen gehören geringe Ermüdungsfestigkeit, großes Verhältnis Wärmeausdehnung, unzureichende Verschleißfestigkeit und relativ hohe Kosten.

Die Zusammensetzung der Legierungen umfasst neben Aluminium auch Silizium ( 11…25% ) und Zusätze von Natrium, Stickstoff, Phosphor, Nickel, Chrom, Magnesium und Kupfer. Gegossene oder gestanzte Rohlinge werden einer mechanischen und thermischen Behandlung unterzogen.

Gusseisen wird viel seltener als Material für Kolben verwendet, da dieses Metall viel billiger und stärker als Aluminium ist. Trotz der hohen Festigkeit und Verschleißfestigkeit hat Gusseisen jedoch eine relativ große Masse, was zu erheblichen Trägheitsbelastungen führt, insbesondere wenn sich die Richtung der Kolbenbewegung ändert. Daher wird Gusseisen nicht zur Herstellung von Kolben für schnelllaufende Motoren verwendet.