Grupa tłoków silnika spalinowego wewnętrznego spalania. Grupa tłoków VAZ

Najbardziej znanymi i szeroko stosowanymi urządzeniami mechanicznymi na całym świecie są silniki spalinowe (zwane dalej ICE). Ich asortyment jest szeroki i różnią się między sobą wieloma cechami, na przykład liczbą cylindrów, których liczba może wynosić od 1 do 24, zużyte paliwo.

Pracować tłokowy silnik spalinowy

Silnik jednocylindrowy  można uznać za najbardziej prymitywny, niezrównoważony i o nierównomiernym skoku, mimo że jest to punkt wyjścia do stworzenia nowej generacji silników wielocylindrowych. Dziś są stosowane w modelowaniu samolotów, w produkcji narzędzi rolniczych, domowych i ogrodowych. Czterocylindrowe silniki i bardziej solidne urządzenia są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym.

Jak to działa i na czym polega?

Tłokowy silnik spalinowy  ma złożoną strukturę i składa się z:

• Obudowy, w tym blok cylindrów, głowica cylindrów;
• Mechanizm dystrybucji gazu;
• Mechanizm korbowy (zwany dalej KShM);
• Wiele systemów pomocniczych.

KShM to ogniwo łączące energię uwalnianą podczas spalania mieszanki paliwowo-powietrznej (dalej FA) w cylindrze i wale korbowym, która zapewnia ruch samochodu. System dystrybucji gazu odpowiada za wymianę gazu podczas pracy urządzenia: dostęp tlenu atmosferycznego i zespołów paliwowych do silnika oraz terminowe usuwanie gazów powstających podczas spalania.

Najprostszy silnik tłokowy

Przedstawiono systemy pomocnicze:

• Wlot, dostarczający tlen do silnika;
• Paliwo reprezentowane przez układ wtrysku paliwa;
• Zapłon, zapewniający iskrę i zapłon zespołów paliwowych dla silników napędzanych benzyną (silniki Diesla różnią się samozapłonem mieszanki od wysokiej temperatury);
• Układ smarowania, który zmniejsza tarcie i zużycie stykających się części metalowych za pomocą oleju maszynowego;
• Układ chłodzenia, który nie pozwala na przegrzanie części roboczych silnika, zapewniając cyrkulację specjalnych płynów, takich jak środki przeciw zamarzaniu;
• Układ wydechowy, który zapewnia usuwanie gazów do odpowiedniego mechanizmu, składający się z zaworów wydechowych;
• Układ sterowania, który monitoruje działanie silnika spalinowego na poziomie elektronicznym.

Uwzględniany jest główny element pracy w opisanym węźle tłok silnika spalinowego, który sam jest częścią prefabrykowaną.

Urządzenie tłokowe ICE

Schemat działania krok po kroku

Działanie ICE opiera się na energii rozprężających się gazów. Są one wynikiem spalania zespołów paliwowych wewnątrz mechanizmu. Ten fizyczny proces zmusza tłok do ruchu w cylindrze. Paliwem w tym przypadku może być:

• Ciecze (benzyna, olej napędowy);
• Gazy
• Tlenek węgla w wyniku spalania paliw stałych.

Praca silnika jest ciągłym zamkniętym cyklem składającym się z pewnej liczby cykli zegara. Najczęstszy silnik dwóch typów, różniących się liczbą środków:

1. Dwusuwowy, wytwarzający kompresję i suw;
2. Czterosuwowy - charakteryzują się czterema etapami o tym samym czasie trwania: wlot, ściskanie, skok roboczy i końcowe - zwolnienie, co wskazuje na czterokrotną zmianę położenia głównego elementu roboczego.

Początek suwu zależy od położenia tłoka bezpośrednio w cylindrze:

• Górny martwy punkt (zwany dalej TDC);
• Dolna martwa strefa (dalej BDC).

Studiując czterocyklowy algorytm działania próbki, możesz dokładnie zrozumieć zasada działania silnika samochodowego.

Zasada działania silnika samochodowego

Wlot następuje przez przejście z górnego martwego punktu przez całą wnękę cylindra tłoka roboczego przy jednoczesnym wycofaniu zespołu paliwowego. W zależności od cech konstrukcyjnych może wystąpić mieszanie wchodzących gazów:

• W kolektorze dolotowym jest to prawdą, jeśli silnik jest benzyną z wtryskiem rozproszonym lub centralnym;
• W komorze spalania, jeśli chodzi o silnik Diesla, a także silnik napędzany benzyną, ale z bezpośrednim wtryskiem.

Pierwsze uderzenie   mija przy otwartych zaworach rozrządu zaworów dolotowych. Liczba zaworów wlotowych i wylotowych, ich czas w pozycji otwartej, ich rozmiar i stan zużycia są czynnikami wpływającymi na moc silnika. Tłok na początkowym etapie ściskania umieszcza się w BDC. Następnie zaczyna się przesuwać w górę i ściska zgromadzone zespoły paliwowe do rozmiarów określonych przez komorę spalania. Komora spalania to wolna przestrzeń w cylindrze pozostająca między jego górną częścią a tłokiem w górnym martwym punkcie.

Drugi środek obejmuje zamknięcie wszystkich zaworów silnika. Gęstość ich dopasowania wpływa bezpośrednio na jakość sprężania zespołu paliwowego i jego późniejszy zapłon. Poziom zużycia elementów silnika ma również duży wpływ na jakość sprężania zespołu paliwowego. Wyraża się to wielkością przestrzeni między tłokiem a cylindrem, w szczelności zaworów. Poziom sprężania silnika jest głównym czynnikiem wpływającym na jego moc. Mierzy się to za pomocą specjalnego urządzenia ze sprężarką.

Udar roboczy   uruchamia się po podłączeniu do procesu   układ zapłonowywytwarzanie iskry. Tłok znajduje się w najwyższym górnym położeniu. Mieszanina wybucha, gazy wytwarzające podwyższone ciśnienie są uwalniane, a tłok wprawiany w ruch. Mechanizm korbowy z kolei aktywuje obrót wału korbowego, zapewniając ruch samochodu. Wszystkie zawory systemowe znajdują się w tym momencie w pozycji zamkniętej.

Cykl ukończenia szkoły   jest końcowy w rozważanym cyklu. Wszystkie zawory wydechowe są w pozycji otwartej, umożliwiając silnikowi „wydychanie” produktów spalania. Tłok powraca do punktu początkowego i jest gotowy do rozpoczęcia nowego cyklu. Ruch ten przyczynia się do zrzutu spalin do układu wydechowego, a następnie do środowiska.

Schemat silnika spalinowegojak wspomniano powyżej, opiera się na cykliczności. Po szczegółowym zbadaniu, jak działa silnik tłokowy, możemy podsumować, że skuteczność takiego mechanizmu nie przekracza 60%. Procent ten wynika z faktu, że w jednym momencie cykl roboczy jest wykonywany tylko w jednym cylindrze.

Nie cała energia otrzymana w tym czasie jest skierowana na ruch samochodu. Część tej kwoty wydaje się na utrzymanie koła zamachowego w ruchu, co dzięki bezwładności zapewnia pracę samochodu podczas trzech innych cykli.

Pewna ilość energii cieplnej jest mimowolnie wydawana na ogrzewanie ciała i spalin. Właśnie dlatego moc silnika samochodu zależy od liczby cylindrów, aw rezultacie tak zwanej pojemności silnika, obliczonej według pewnego wzoru jako całkowita objętość wszystkich cylindrów roboczych.

W mechanizmie korbowym tłok spełnia kilka funkcji, w tym postrzeganie ciśnienia gazu i przenoszenie sił na korbowód, uszczelnianie komory spalania i odprowadzanie z niej ciepła. Tłok jest najbardziej charakterystyczną częścią silnika spalinowego, as Z jego pomocą realizowany jest proces termodynamiczny silnika.

Warunki, w których tłok działa, są ekstremalne i charakteryzują się wysokim ciśnieniem, temperaturą i obciążeniami bezwładnościowymi. Dlatego tłoki w nowoczesnych silnikach są wykonane z lekkiego, trwałego i żaroodpornego materiału - stopu aluminium, rzadziej stali. Tłoki wykonuje się na dwa sposoby - przez formowanie wtryskowe lub tłoczenie, tzw. kute tłoki.

Tłok jest integralnym elementem konstrukcyjnym, który jest warunkowo podzielony na głowicę (w niektórych źródłach nazywa się ją dolną) i osłonę. Kształt i konstrukcja tłoka zależy w dużej mierze od rodzaju silnika, kształtu komory spalania i zachodzącego w niej procesu spalania. Tłok silnika benzynowego ma płaską lub prawie płaską powierzchnię głowicy. Można w nim wykonać rowki, aby całkowicie otworzyć zawory. Tłoki silników z bezpośrednim wtryskiem paliwa mają bardziej złożony kształt. W głowicy tłoka silnika wysokoprężnego wykonana jest komora spalania o określonym kształcie, która zapewnia dobre turbulencje i poprawia tworzenie mieszanki.

Pod głowicą tłoka wykonano rowki do montażu pierścieni tłoka. Spódnica tłokowa  ma kształt stożka lub krzywoliniowy ( w kształcie beczki) formularz. Ten kształt osłony kompensuje rozszerzalność cieplną tłoka podczas ogrzewania. Gdy silnik osiągnie temperaturę roboczą, tłok przyjmuje kształt cylindryczny. Aby zmniejszyć straty na skutek tarcia, na boczną powierzchnię tłoka nakłada się warstwę materiału przeciwciernego ( disiarczek molibdenu, grafit) Otwory z pływami są wykonane w osłonie tłoka ( szefowie) do zamocowania sworznia tłokowego.

Chłodzenie tłoka  przeprowadzane przez wewnętrzną powierzchnię na różne sposoby:

1. mgła olejowa w cylindrze;
2. przelewanie oleju przez otwór w korbowodzie;
3. spryskiwanie oleju specjalną dyszą;
4. wtrysk oleju do specjalnego pierścieniowego kanału w strefie pierścieni;
5. obieg oleju przez cewkę rurową w głowicy tłoka.

Pierścienie tłokowe  tworzą ścisłe połączenie tłoka ze ściankami cylindra. Wykonane są z modyfikowanego żeliwa. Pierścienie tłokowe są głównym źródłem tarcia w silniku spalinowym. Utrata tarcia w pierścieniach dochodzi do 25% wszystkich strat mechanicznych w silniku.

Liczba i rozmieszczenie pierścieni zależy od rodzaju i przeznaczenia silnika. Najczęstszym schematem są dwa pierścienie zgarniające i jeden pierścień zgarniający olej. Pierścienie kompresyjne zapobiegać przedostawaniu się gazów z komory spalania do skrzyni korbowej. Pierwszy pierścień zaciskowy działa w najcięższych warunkach. Dlatego na tłokach oleju napędowego i wielu silnikach z silnikiem benzynowym stalowa wkładka jest zainstalowana w rowku pierścienia, zwiększając wytrzymałość i umożliwiając osiągnięcie maksymalnego stopnia sprężania. Pierścienie uciskowe mogą mieć kształt trapezoidalny, cylindryczny, stożkowy, niektóre są wykonane z nacięciem (nacięciem).

Pierścień zgarniający olej  usuwa nadmiar oleju z powierzchni cylindra i zapobiega przedostawaniu się oleju do komory spalania. Pierścień ma wiele otworów drenażowych. Niektóre projekty pierścieni mają sprężynowy ekspander.

Tłok jest połączony z korbowodem za pomocą sworznia tłokowego, który ma kształt cylindryczny i jest wykonany ze stali. Istnieje kilka sposobów instalowania sworznia tłokowego. Najpopularniejsze tak zwane pływający palec, który ma zdolność korbowania w występach i głowicy tłoczyska podczas pracy. Aby zapobiec ruchowi palca, jest on zamocowany za pomocą pierścieni ustalających. Znacznie rzadziej stosuje się sztywne mocowanie końców palca w tłoku lub sztywne mocowanie palca w głowicy tłoka korbowodu.

Tłok, pierścienie tłokowe i sworzeń tłokowy są znane jako grupa tłoków.

Silnik każdej nowoczesnej maszyny charakteryzuje się dużą złożonością i dużą liczbą komponentów. Pomimo tak dużej złożoności, opiera się na podstawowych koncepcjach, które są odpowiednie dla samochodu dowolnej klasy i roku produkcji. W tym artykule rozważymy jeden z kluczowych elementów - tłok silnika spalinowego - i porozmawiamy o tym, dlaczego jest on potrzebny i z czego składa się.

Budynek

Tłok silnika czterosuwowego ma dość złożoną strukturę, a zatem całe urządzenie zawiera kilka elementów. Pozwala to nadać maszynie optymalne parametry techniczne, a także uczynić silnik 4-suwowy bardziej odpornym na obciążenia, a tym samym trwałym.

Główną część, z której składa się tłok czterosuwowego silnika ICE, stanowi jego spód. Średnica dna jest nieco mniejsza niż średnica cylindra, co tłumaczy się obecnością pierścieni zgarniających i zgarniających olej. Dno tłoka o dowolnej średnicy może mieć inny kształt i opis. Może więc mieć wklęsły kształt, a samo wgłębienie może mieć inną konfigurację.

Głównym celem dna w urządzeniu tłokowym w projekcie jest interakcja z oparami paliwa, które podczas spalania popychają tłok i powodują jego ruch przez cały okres eksploatacji. Kształt dna w tłoku silnika czterosuwowego jest podyktowany dużą liczbą czynników. Zwykle zależy to od liczby świec, mocy, średnicy samego tłoka i wielu innych niuansów.

Oprócz dna, w tłoku, bez względu na liczbę milimetrów, zawsze znajduje się część uszczelniająca, która zawiera urządzenia takie jak pierścienie zgarniające i zgarniające olej. Pierścienie ściskające są osadzone w specjalnych obrabianych rowkach, które nieznacznie różnią się średnicą od średnicy głowicy tłoka. Ich zadaniem nie jest umożliwienie wymieszania używanej i świeżej mieszanki, a także utrzymanie ciśnienia podczas spalania paliwa.

Do czego służą pierścienie zaciskowe? Kompresyjny silnik czterosuwowy jest niezbędny, aby zmaksymalizować sprawność silnika, a cała energia spalonego paliwa była skierowana na ruch tłoka. Z tego powodu materiały, z których wykonane są takie pierścienie w czterosuwowym silniku, podlegają poważnym i surowym wymaganiom.

Oprócz tłoków kompresyjnych silnika czterosuwowego konieczne jest wyposażenie takich konstrukcji, jak pierścienie zgarniające olej, które mają nieco większą średnicę niż sam tłok. Są one niezbędne, aby smar, który stale krąży w silniku, aby zapobiec tarciu i przegrzaniu, pozostał na odpowiednich powierzchniach ocierających się i nie gromadził się w komorze spalania. Dzięki temu można uniknąć osadzania się oleju, a zużycie smaru jest znacznie zmniejszone.

Jak to działa

Skok tłoka silnika czterosuwowego to cykl, podczas którego wał korbowy silnika wykonuje jeden pełny obrót. W tym czasie mieszanka paliwowa dostarczana przez gaźnik lub wtryskiwacz całkowicie wypala się i jest rozładowywana do miejsca, w którym przechodzi przez tłumik i jest rozpraszana do otoczenia.

Skok tłoka charakteryzuje się wyłącznie ruchem w górę iw dół. Ta sytuacja dotyczy czterosuwów i wszystkich innych odmian silników. Jak już wspomniano, ruch translacyjny jest powodowany wyłącznie przez procesy spalania zachodzące w wysokiej temperaturze.

Gdy skok tłoka jest pionowy, wał korbowy, z którym jest połączony, obraca się. Z tego powodu projektanci i inżynierowie wprowadzili mechanizm korbowy, który pozwala wprawiać wał w ruch i obracać koła przez cały czas podczas pracy silnika czterosuwowego.

Zwykle korba jest połączona obrotowo z głowicą tłoka: skok tłoka jest wystarczająco swobodny, tak że korba jest przemieszczana pod ostrym kątem w stosunku do osi symetrii i jest w ciągłym ruchu. Korbowód to mały metalowy pręt, który jest wyposażony na obu końcach we wkładki zawiasowe. Z jednej strony korbowód porusza się względem tłoka, który porusza się w górę i w dół.

Z przeciwnego końca korbowód jest przymocowany ruchomo do wału korbowego. Między korbowodem a wałem znajdują się tak zwane wkładki, których urządzenie pozwala tolerować wysokie temperatury i nie zużywać się nawet przy szczytowych obciążeniach. Kiedy nadchodzi czas naprawy, tuleje są wymieniane na nowe, a może być kilka takich cykli serwisowych przed wymianą wału korbowego.

Materiał produkcyjny

Tłok silnika czterosuwowego, a raczej materiał, z którego jest wykonany, musi spełniać wiele wymagań. Na przykład materiał musi być odporny na poważne przeciążenia temperaturowe, ponieważ spalanie paliwa powoduje poważne przegrzanie, na które większość istniejących materiałów nie jest gotowa.

Ponadto takie materiały powinny mieć niską gęstość. Jest to konieczne, aby zmaksymalizować luz tłoka, aby zmniejszyć obciążenie części i całkowite zużycie paliwa.

Jakie materiały spełniają podobne wymagania i są szeroko stosowane w czterosuwowych silnikach spalinowych? Najpopularniejszym takim materiałem jest żeliwo. Jest stosunkowo niedrogi, radzi sobie ze wszystkimi zadaniami i jest odporny na wysokie temperatury. Jak pokazuje praktyka, zasób takiej części jest dość wysoki, a niezawodność spełnia wszystkie wymagania, dlatego tłok wykonany z żeliwa można znaleźć w większości samochodów.

Niemniej jednak postęp nie stoi w miejscu, a aluminium zastąpiło żelazo, a raczej jego szczególną różnorodność. Zaletą takiego materiału jest to, że jest znacznie lżejszy, jednak nie jest gorszy od zwykłego żeliwa. Z tego powodu aluminiowe tłoki są stosowane w silnikach czterosuwowych w samochodach sportowych. To rozwiązanie pozwoliło zwiększyć moc, zwiększyć zasoby i zmniejszyć zużycie paliwa. Warto zauważyć, że aluminiowe tłoki są często instalowane w zwykłych samochodach cywilnych, co wskazuje na ich oczywiste zalety.

Podsumowanie

Tłok silnika jest ważną częścią, bez której normalna praca silnika nie byłaby możliwa. Pod tym względem światowi producenci samochodów starają się dopracować istniejące rozwiązania do perfekcji. Pozwala to osiągnąć lepszą wydajność przy wyższym zasobie, co sugeruje, że postęp nie stoi w miejscu.

Nie będę rozciągał wprowadzenia, krótko opowiem o tym, o czym będzie ten duży post. I tak mówimy o rodzajach tłoków, czterosuwowej benzyny, oleju napędowego i dwusuwowej. Główne zadanie wszystkich rozważanych rodzaje tłoków, ma to na celu kontrolę rozszerzalności cieplnej i wytrzymanie określonego obciążenia, poniżej zobaczymy, jak to rozwiązać.

Czterosuwowe tłoki gazowesilniki

Nowoczesne silniki benzynowe wykorzystują tłoki z symetryczną lub asymetryczną osłoną
o różnych grubościach spodu i spódnicy tłoka.

  Zarządzane tłoki przedłużające

Tłoki z pierścieniową wkładką kontrolującą rozszerzalność cieplną.
Wkładki wykonane są z żeliwa szarego. Głównym celem tego pierścienia jest zmniejszenie rozszerzalności cieplnej stopu aluminium tłoka, ponieważ żeliwo ma stosunkowo małą rozszerzalność i niską przewodność cieplną, wkładka tym samym ogranicza metal zachowując swój kształt. Produkcja takich tłoków jest odpowiednio droższa, a cena gotowego produktu jest wyższa. Główną wadą jest niemożność wytworzenia kutego tłoka, tak niezbędnego w silnikach z turbodoładowaniem, dużej masy tłoka. Ten typ tłoka przechodzi w daleką przeszłość.

  Auto Tłoki termiczne

Auto tłoki termiczne mają separację (nacięcie) pomiędzy pierścieniowym pasem a osłoną w rowku pierścienia zgarniającego olej, osłonę przytrzymuje się w obszarze występów. Zmniejsza to przenoszenie ciepła ze strefy pierścieniowej tłoka do jego osłony, uzyskując w ten sposób bardziej stabilny kształt osłony. Stalowa wkładka w obszarze występu kontroluje rozszerzalność cieplną i zwiększa wytrzymałość. Tłoki te nie są w stanie wytrzymać dużych obciążeń z powodu „przecięcia”, w działaniu wyróżniają się niskim poziomem hałasu i należą do bardziej nowoczesnych typów.

Tłoki Autothermatik

Działaj na tej samej zasadzie co samochody
tłoki termiczne, ale nie mają nacięcia w rowku zgarniacza oleju. Mają też stalowe płyty w obszarze bossa. Bardziej wytrzymałe dzięki integralności pierścieniowego pasa i spódnicy lepiej wytrzymują obciążenia boczne w porównaniu z pierwszą opcją. Są stosowane zarówno w benzynie, jak i częściowo w silnikach wysokoprężnych.

Są nieco podobne do samochodów termicznych, ale zamiast piłować w spódnicy, mają stalową wkładkę na całej średnicy. Ograniczając w ten sposób przejście temperatury od pierścieniowego pasa do fartucha i kontrolując kształt na całym obwodzie.

Ten typ tłoka ma dużą lodówkę i wąską, często owalną spódnicę. Tłok jest zaprojektowany w taki sposób, że przy rozszerzalności cieplnej zmienia swój kształt z owalnego na zwykły okrągły.

Oprócz tego typu tłoka, nadal istnieje opcja ze ściętym kołnierzem na górze tłoka. ma szerszą część spódnicy od dołu zwężającego się do pierścieniowego paska.

W przypadku tłoków do silników o bardzo wysokiej mocy wyjściowej (powyżej 100 kW / l) można zastosować kanał chłodzący.

Największy potencjał zmniejszenia masy tłoka w czterosuwowych silnikach benzynowych mają tłoki EVOTEC®, w których warto zwrócić uwagę na trapezoidalne podparcie bossów, co pozwala szczególnie mocno umieścić palec na dole, zmniejszając całą długość i ciężar tłoka. W poście Masa tłoka, mówiliśmy już o godności tego układu palca. Taki układ ścianek spódnicy pozwala bardzo dobrze wzmocnić górną część występów o małej grubości ścianek działowych i ułatwić dno wykonując asymetryczny tłok. Spódnica jest dość wąska, a na brzegach ma mocne przegrody, przechodzące na bossów, to także duży plus. Taki układ tłoka bardzo dobrze zapobiega obciążeniom bocznym, istnieje małe prawdopodobieństwo odkształcenia osłony, natomiast grubość osłony jest znacznie mniejsza niż w tradycyjnym tłoku, co również zmniejsza całkowitą masę. Na tle wyżej wymienionych zalet tłok znacznie stracił na wadze, co pozwala na zmniejszenie grubości występów, ponieważ obciążenie bezwładności na dolnych ściankach występów jest mniejsze.

  Tłoki aluminiowe kute

W silnikach o bardzo wysokich obciążeniach właściwych - takich jak turbodoładowanie lub wtrysk podtlenku azotu kute tłoki. Zaletą jest niewątpliwie wytrzymałość kutego stopu aluminium. Wytrzymują wyższe temperatury i lepiej opierają się detonacji. Wśród wad odnotowuje się wyższą cenę, niemożność zastosowania niektórych technologii, na przykład niektórych z tych opisanych powyżej ze względu na proces produkcyjny.

Kuty tłok dla Formuły 1

W następnym poście porozmawiamy o tłokach do silników dwusuwowych i wysokoprężnych, w których obciążenia i temperatury są jeszcze większe.

Grupa tłoków

Grupa tłoków tworzy ruchomą ścianę objętości roboczej cylindra. Ruch tej „ściany”, czyli tłoka, jest wskaźnikiem pracy wykonywanej przez spalone i rozszerzające się gazy.
  Grupa tłoków mechanizmu korbowego obejmuje tłok, pierścienie tłokowe (zgarniacz i zgarniacz oleju), sworzeń tłokowy i jego części mocujące. Czasami grupa tłoków jest rozpatrywana razem z cylindrem i nazywana jest grupą tłok-cylinder.

Tłok

Wymagania dotyczące konstrukcji tłoka

Tłok wyczuwa siłę ciśnienia gazu i przenosi ją przez sworzeń tłoka do korbowodu. Czyniąc to, wykonuje prostoliniowy ruch posuwisto-zwrotny.

Warunki, w których tłok działa:

• wysokie ciśnienie gazu ( 3,5 ... 5,5 MPa  dla benzyny i 6,0 ... 15,0 MPa  dla silników Diesla);
• kontakt z gorącymi gazami (do   2600 ˚С);
• ruch ze zmianą kierunku i prędkości.

Ruch tłokowy tłoka powoduje znaczne obciążenia bezwładnościowe w strefach przejścia martwych punktów, w których tłok zmienia kierunek ruchu. Siły bezwładności zależą od prędkości ruchu tłoka i jego masy.

Tłok wymaga znacznego wysiłku: więcej 40 kN  w silnikach benzynowych oraz 20 kN  - w silnikach wysokoprężnych. Kontakt z gorącymi gazami powoduje, że środkowa część tłoka osiąga temperaturę 300 ... 350 ˚С. Silne nagrzewanie tłoka jest niebezpieczne ze względu na możliwość zakleszczenia się cylindra z powodu rozszerzalności cieplnej, a nawet wypalenia dna tłoka.

Ruchowi tłoka towarzyszy zwiększone tarcie, aw konsekwencji zużycie jego powierzchni i powierzchni cylindra (tulei). Podczas ruchu tłoka z górnego martwego punktu do dołu i odwrotnie siła nacisku powierzchni tłoka na powierzchnię cylindra (tulei) zmienia się zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku, w zależności od cyklu przepływającego w cylindrze.

Tłok wywiera maksymalny nacisk na ściankę cylindra podczas suwu suwu, w momencie, gdy korbowód zaczyna odchylać się od osi tłoka. W tym przypadku siła ciśnienia gazu przenoszona przez tłok na korbowód powoduje siłę reaktywną w sworzniu tłoka, który w tym przypadku jest cylindrycznym zawiasem. Ta reakcja jest kierowana od sworznia tłokowego wzdłuż linii korbowodu i może być rozkładana na dwa elementy - jeden jest skierowany wzdłuż osi tłoka, drugi (siła boczna) jest do niego prostopadły i skierowany normalnie do powierzchni cylindra.

Ta (boczna) siła powoduje znaczne tarcie między powierzchniami tłoka i cylindra (tulei), prowadząc do ich zużycia, dodatkowego nagrzewania części i niższej wydajności z powodu strat energii.

Próby zmniejszenia sił tarcia między tłokiem a ściankami cylindra komplikuje fakt, że wymagany jest minimalny luz między cylindrem a tłokiem, który zapewnia całkowite uszczelnienie wnęki roboczej, aby zapobiec przedostawaniu się gazu, a także wnikaniu oleju do przestrzeni roboczej cylindra. Szczelina między tłokiem a powierzchnią cylindra jest ograniczona rozszerzalnością termiczną części. Jeśli jest on zbyt mały, zgodnie z wymogami szczelności, tłok może zakleszczyć się w cylindrze z powodu rozszerzalności cieplnej.

Gdy kierunek ruchu tłoka i procesy (cykle) zachodzące w cylindrze zmieniają się, siła tarcia tłoka o ścianę cylindra zmienia swój charakter - tłok jest dociskany do przeciwległej ściany cylindra, podczas gdy tłok uderza w cylinder w strefie przejściowej martwych punktów z powodu gwałtownej zmiany wielkości i kierunki ładowania.

Opracowując silniki, projektanci muszą rozwiązać szereg problemów związanych z opisanymi powyżej warunkami pracy części tłok-cylinder:

• wysokie obciążenia termiczne powodujące rozszerzalność cieplną i korozję części metalowych KShM;
• kolosalne ciśnienie i inercyjne obciążenia, które mogą zniszczyć części i ich połączenia;
• znaczne siły tarcia, powodujące dodatkowe ogrzewanie, zużycie i straty energii.

Na tej podstawie na konstrukcję tłoka nakładane są następujące wymagania:

• wystarczająca sztywność, aby wytrzymać obciążenia mocy;
• stabilność termiczna i minimalne odkształcenia temperaturowe;
• minimalna masa w celu zmniejszenia obciążeń bezwładnościowych, podczas gdy masa tłoków w silnikach wielocylindrowych powinna być taka sama;
• zapewnienie wysokiego stopnia uszczelnienia wnęki roboczej cylindra;
• minimalne tarcie o ścianki cylindra;
• wysoka wytrzymałość, ponieważ wymiana tłoków wiąże się z pracochłonnymi naprawami.

Cechy konstrukcyjne tłoka

Tłoki nowoczesnych silników samochodowych mają złożony kształt przestrzenny, co wynika z różnych czynników i warunków, w których działa ta krytyczna część. Wiele elementów i cech kształtu tłoka jest niewidocznych gołym okiem, ponieważ odchylenia od cylindryczności i symetrii są minimalne, jednak występują.
  Zastanówmy się bardziej szczegółowo - w jaki sposób ułożony jest tłok silnika spalinowego i jakie sztuczki muszą wykonać projektanci, aby spełnić opisane powyżej wymagania.

Tłok silnika spalinowego składa się z górnej części - głowicy i dolnej - osłony.

Górna część głowicy tłoka - dolna bezpośrednio odbiera wysiłki z gazów roboczych. W silnikach benzynowych głowica tłoka jest zwykle płaska. W tłoku dna silników Diesla często wykonują komorę spalania.

Dno tłoka jest masywnym dyskiem, który jest połączony za pomocą żeber lub stojaków z pływami posiadającymi otwory na sworzeń tłoka - występy. Wewnętrzna powierzchnia tłoka ma kształt łuku, co zapewnia niezbędną sztywność i rozpraszanie ciepła.

Rowki na pierścienie tłokowe są wycięte na bocznej powierzchni tłoka. Liczba pierścieni tłokowych zależy od ciśnienia gazu i średniej prędkości tłoka (tj. Prędkości silnika) - im niższa średnia prędkość tłoka, tym więcej pierścieni jest wymaganych.
  W nowoczesnych silnikach, wraz ze wzrostem prędkości wału korbowego, występuje tendencja do zmniejszania liczby pierścieni ściskających na tłokach. Wynika to z potrzeby zmniejszenia masy tłoka w celu zmniejszenia obciążeń bezwładnościowych, a także w celu zmniejszenia sił tarcia, które odbierają znaczną część mocy silnika. Co więcej, możliwość przebicia gazów do skrzyni korbowej silnika o dużej prędkości jest uważana za mniej pilny problem. Dlatego w silnikach nowoczesnych samochodów i samochodów wyścigowych można znaleźć projekty z jednym pierścieniem kompresyjnym na tłoku, a same tłoki mają skróconą spódnicę.

Oprócz pierścieni ściskających na tłoku zamontowany jest jeden lub dwa pierścienie zgarniające olej. Rowki wykonane w tłoku pod pierścieniami zgarniacza mają otwory drenażowe do kierowania oleju silnikowego do wewnętrznej wnęki tłoka podczas wyjmowania go wraz z pierścieniem z powierzchni cylindra (tulei). Olej ten jest powszechnie stosowany do chłodzenia wnętrza dna i osłony tłoka, a następnie wpływa do miski olejowej.

Kształt głowicy tłoka zależy od rodzaju silnika, metody tworzenia mieszanki i kształtu komory spalania. Najczęstszym jest płaski kształt dna, chociaż są wypukłe i wklęsłe. W niektórych przypadkach rowki dla płyt zaworowych są zaopatrzone w dno tłoka, przy czym tłok znajduje się w górnym martwym punkcie (TDC). Jak wspomniano powyżej, w dnie tłoka silników wysokoprężnych często wykonuje się komory spalania, których kształt może się różnić.

Dolna część tłoka - osłona kieruje tłok ruchem prostoliniowym, a jednocześnie przenosi siłę boczną na ścianę cylindra, której wielkość zależy od położenia tłoka i procesów zachodzących w wnęce roboczej cylindra. Wielkość siły bocznej przenoszonej przez płaszcz tłoka jest znacznie mniejsza niż maksymalna siła postrzegana przez dno od strony gazu, więc płaszcz jest wykonany jako stosunkowo cienkościenny.

W dolnej części osłony dla silników Diesla często instalowany jest drugi pierścień zgarniający olej, co poprawia smarowanie cylindra i zmniejsza prawdopodobieństwo przedostania się oleju do wnęki roboczej cylindra. Aby zmniejszyć masę tłoka i siły tarcia, nieobciążone części osłony są cięte na średnicę i skracane na wysokość. Przypływy technologiczne są zwykle wykonywane wewnątrz osłony, które służą do regulacji masy tłoków.

Konstrukcja i wymiary tłoków zależą głównie od prędkości silnika, a także od wielkości i tempa wzrostu ciśnienia gazu. Tak więc tłoki szybkich silników benzynowych są tak lekkie, jak to możliwe, a tłoki silników wysokoprężnych mają bardziej masywną i sztywną konstrukcję.

W chwili, gdy tłok przechodzi przez TDC, zmienia się kierunek działania siły bocznej, która jest jednym ze składników siły ciśnienia gazu na tłoku. W rezultacie tłok przesuwa się od jednej ściany cylindra do drugiej - tłok jest przesuwany. Powoduje to uderzenie tłoka w ścianę cylindra, któremu towarzyszy charakterystyczny stuk. Aby zmniejszyć to szkodliwe zjawisko, palce tłoka są przesuwane o 2…3   mm w kierunku maksymalnej siły bocznej; podczas gdy siła nacisku bocznego tłoka na cylinder jest znacznie zmniejszona. To przemieszczenie sworznia tłokowego nazywa się odmasowaniem.
  Zastosowanie demontażu w konstrukcji tłoka wymaga zgodności z zasadami instalacji KShM - tłok musi być zainstalowany ściśle zgodnie ze znakami wskazującymi, gdzie znajduje się przednia część (zwykle jest to strzałka na dole).

Oryginalne rozwiązanie, zaprojektowane w celu zmniejszenia wpływu siły bocznej, zostało zastosowane przez projektantów silników Volkswagena. Dno tłoka w takich silnikach nie jest wykonane pod kątem prostym do osi cylindra, ale jest lekko pochylone. Według projektantów umożliwia to optymalne rozłożenie obciążenia na tłok i usprawnienie procesu tworzenia się mieszanki w cylindrze podczas suwów ssania i sprężania.

Aby spełnić sprzeczne wymagania dotyczące szczelności wnęki roboczej, które wymagają minimalnych szczelin między płaszczem tłoka a cylindrem oraz aby zapobiec zakleszczeniu części z powodu rozszerzalności cieplnej, zastosowano następujące elementy konstrukcyjne w postaci tłoka:

• zmniejszenie sztywności osłony dzięki specjalnym szczelinom, które kompensują jej rozszerzalność cieplną i poprawiają chłodzenie dna tłoka. Szczeliny wykonuje się po stronie osłony, która jest najmniej obciążona siłami bocznymi dociskającymi tłok do cylindra;
• wymuszone ograniczenie rozszerzalności cieplnej osłony za pomocą wkładek z materiałów o współczynniku rozszerzalności cieplnej niższym niż w przypadku metalu nieszlachetnego;
• nadając osłonie tłoka taki kształt, że w stanie obciążenia i przy temperaturze roboczej przyjmuje postać zwykłego cylindra.

Ostatni warunek nie jest łatwy do spełnienia, ponieważ tłok jest ogrzewany nierównomiernie w całej objętości i ma złożony kształt przestrzenny - jego kształt jest symetryczny w górnej części, a w obszarze bossów i w dolnej części spódnicy występują asymetryczne elementy. Wszystko to prowadzi do nierównej deformacji temperaturowej poszczególnych sekcji tłoka, gdy jest on ogrzewany podczas pracy.
  Z tych powodów przy projektowaniu tłoka nowoczesnych silników samochodowych zwykle wykonuje się następujące elementy, komplikując jego kształt:

• dno tłoka ma mniejszą średnicę w porównaniu do osłony i jest najbliższe w przekroju regularnemu okręgowi.
    Mniejsza średnica przekroju dna tłoka związana jest z jego wysoką temperaturą roboczą, aw rezultacie z większą rozszerzalnością cieplną niż w obszarze osłony. Dlatego tłok nowoczesnego silnika w przekroju podłużnym ma nieco stożkowaty lub cylindryczny kształt, zwężony do dołu.
    Zmniejszenie średnicy w górnej strefie stożkowego płaszcza tłoków ze stopu aluminium wynosi 0,0003 ... 0,0005Dgdzie D.  - średnica cylindra. Po podgrzaniu do temperatur roboczych kształt tłoka „wyrównuje się” wzdłuż odpowiedniej długości z odpowiednim cylindrem.
• w obszarze występów tłok ma mniejsze wymiary poprzeczne, ponieważ skupiają się tutaj metalowe układy, a rozszerzalność cieplna jest większa. Dlatego tłok poniżej dna ma owalny lub eliptyczny kształt w przekroju, który po podgrzaniu części do temperatur roboczych zbliża się do kształtu regularnego koła, a tłok zbliża się do kształtu zwykłego cylindra.
    Główna oś owalu znajduje się w płaszczyźnie prostopadłej do osi sworznia tłokowego. Wielkość owalności waha się od 0,182   przedtem 0,8 mm.

Oczywiście projektanci muszą przejść wszystkie te sztuczki, aby nadać tłokowi cylindryczny kształt, który jest podgrzewany do temperatur roboczych, zapewniając w ten sposób minimalny odstęp między nim a cylindrem.

Najbardziej skutecznym sposobem zapobiegania zakleszczeniu się tłoka w cylindrze ze względu na jego rozszerzalność cieplną przy minimalnym luzie jest wymuszenie ochłodzenia osłony i włożenie metalowych elementów do osłony tłoka, które mają niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Najczęściej wkładki ze stali miękkiej stosuje się w postaci płyt poprzecznych, które podczas odlewania tłoka są umieszczane w obszarze piasty. W niektórych przypadkach zamiast płyt stosuje się pierścienie lub półpierścienie, które są wlewane w górną strefę osłony tłoka.

Temperatura dna tłoków aluminiowych nie może przekraczać 320 ... 350 ˚С. Dlatego, aby zwiększyć radiator, przejście od dna tłoka do ścian jest gładkie (w kształcie łuku) i dość masywne. W celu bardziej wydajnego usuwania ciepła z dna tłoka stosuje się wymuszone chłodzenie przez natryskiwanie oleju silnikowego ze specjalnej dyszy na wewnętrzną powierzchnię dna. Zwykle funkcję takiej dyszy pełni specjalny skalibrowany otwór wykonany w górnej głowicy korbowodu. Czasami dysza jest montowana na obudowie silnika u dołu cylindra.

Aby zapewnić normalny reżim termiczny górnego pierścienia ściskającego, jest on umieszczony znacznie poniżej dolnej krawędzi, tworząc tak zwany pas płomieniowy lub ognisty. Najbardziej zużywające się końce rowków na pierścienie tłokowe są często wzmacniane specjalnymi wkładkami z materiału odpornego na zużycie.

Stopy aluminium są szeroko stosowane jako materiał do produkcji tłoków, których główną zaletą jest mała masa i dobra przewodność cieplna. Wady stopów aluminium obejmują niską wytrzymałość zmęczeniową, duży współczynnik rozszerzalności cieplnej, niewystarczającą odporność na zużycie i stosunkowo wysoki koszt.

Wraz z aluminium, krzemem ( 11…25% ) oraz dodatki sodu, azotu, fosforu, niklu, chromu, magnezu i miedzi. Odlewane lub wytłaczane półfabrykaty poddawane są obróbce mechanicznej i cieplnej.

Znacznie rzadziej jako materiał na tłoki stosuje się żeliwo, ponieważ metal ten jest znacznie tańszy i mocniejszy niż aluminium. Jednak pomimo wysokiej wytrzymałości i odporności na zużycie żeliwo ma stosunkowo dużą masę, co prowadzi do pojawienia się znacznych obciążeń bezwładnościowych, zwłaszcza gdy zmienia się kierunek ruchu tłoka. Dlatego żeliwo nie jest używane do produkcji tłoków szybkich silników.