Grup de piston al unui motor cu combustie internă. Grup de piston VAZ

Cele mai cunoscute și utilizate pe scară largă dispozitive mecanice din întreaga lume sunt motoarele cu ardere internă (în continuare ICE). Sortimentul lor este extins și diferă într-o serie de caracteristici, de exemplu, numărul de cilindri, al căror număr poate varia de la 1 la 24, combustibilul utilizat.

Motor cu combustie internă cu piston de lucru

Motor cu un singur cilindru   poate fi considerat cel mai primitiv, dezechilibrat și având o cursă inegală, în ciuda faptului că este punctul de plecare în crearea unei noi generații de motoare cu mai multe cilindri. Astăzi sunt utilizate în modelarea aeronavelor, în producția de instrumente agricole, gospodărești și de grădină. Motoarele cu patru cilindri și dispozitivele mai solide sunt utilizate pe scară largă pentru industria auto.

Cum funcționează și în ce constă?

Motor cu combustie internă cu piston   are o structură complexă și constă din:

• Carcase, inclusiv bloc bloc, cilindru;
• Mecanismul de distribuție a gazelor;
• Mecanismul cu manivelă (denumit în continuare KShM);
• O serie de sisteme auxiliare.

KShM este o legătură de legătură între energia eliberată în timpul arderii amestecului combustibil-aer (denumite în continuare ansambluri de combustibil) în cilindru și arborele cotit, care asigură mișcarea mașinii. Sistemul de distribuție a gazelor este responsabil de schimbul de gaze în timpul funcționării unității: accesul oxigenului atmosferic și ansamblurilor de combustibil la motor și îndepărtarea în timp util a gazelor generate în timpul arderii.

Cel mai simplu motor cu piston

Sunt prezentate sisteme auxiliare:

• Aportul, oferind oxigen motorului;
• Combustibil, reprezentat de un sistem de injecție de combustibil;
• Aprindere, care asigură scânteie și aprinderea ansamblurilor de combustibil pentru motoarele care funcționează pe benzină (motoarele diesel diferă în autoaprinderea unui amestec față de temperatura ridicată);
• Un sistem de ungere care reduce frecarea și uzura pieselor metalice în contact folosind uleiul de mașină;
• Sistemul de răcire, care nu permite supraîncălzirea pieselor de lucru ale motorului, asigurând circulația lichidelor speciale, cum ar fi antigel;
• Un sistem de evacuare care asigură eliminarea gazelor în mecanismul corespunzător, format din valve de evacuare;
• Un sistem de control care monitorizează funcționarea motorului cu ardere internă la nivel electronic.

Elementul principal de lucru din nodul descris este considerat piston cu motor de ardere, care în sine este o parte prefabricată.

Dispozitiv ICE cu piston

Schema de operare pas cu pas

Funcționarea ICE se bazează pe energia gazelor în expansiune. Ele sunt rezultatul arderii ansamblurilor de combustibil din interiorul mecanismului. Acest proces fizic obligă pistonul să se miște în cilindru. În acest caz, combustibilul poate fi:

• Lichide (benzină, motorină);
• Gaze;
• Monoxidul de carbon ca urmare a arderii combustibililor solizi.

Funcționarea motorului este un ciclu închis continuu format dintr-un anumit număr de cicluri de ceas. Cel mai comun motor de două tipuri, care diferă prin numărul de măsuri:

1. În doi timpi, producând compresie și accident vascular cerebral;
2. În patru timpi - se caracterizează prin patru etape ale aceleiași durate: intrare, compresie, cursă de lucru și eliberare finală, aceasta indică o schimbare de patru ori a poziției elementului principal de lucru.

Începutul cursei este determinat de locația pistonului direct în cilindru:

• Top dead center (în continuare TDC);
• Centrul mort inferior (în continuare BDC).

Studiind algoritmul de operare cu patru cicluri, puteți înțelege în profunzime principiul funcționării unui motor auto.

Principiul motorului auto

Intrarea are loc trecând din centrul mortului superior prin întreaga cavitate a cilindrului pistonului de lucru cu retragerea simultană a ansamblului de combustibil. Pe baza caracteristicilor de proiectare, se poate produce amestecarea gazelor primite:

• În galeria de admisie, acest lucru este valabil dacă motorul este benzină cu o injecție distribuită sau centrală;
• În camera de ardere, când vine vorba de un motor diesel, precum și un motor care funcționează pe benzină, dar cu injecție directă.

Primul ritm   trece cu ventilele deschise ale temporizării supapei de admisie. Numărul de supape de admisie și evacuare, timpul lor în poziție deschisă, dimensiunea și starea lor de uzură sunt factori care afectează puterea motorului. Pistonul în stadiul inițial de compresie este plasat în BDC. Ulterior, începe să se ridice și să comprime ansamblurile de combustibil acumulate la dimensiunile determinate de camera de ardere. Camera de ardere este spațiul liber din cilindrul rămas între vârful său și pistonul din centrul mortului superior.

A doua măsură implică închiderea tuturor supapelor motorului. Densitatea potrivirii lor afectează direct calitatea compresiei ansamblului de combustibil și aprinderea ulterioară a acestuia. De asemenea, nivelul de uzură al componentelor motorului are o influență mare asupra calității compresiei unui ansamblu de combustibil. Se exprimă în dimensiunea spațiului dintre piston și cilindru, în etanșitatea supapelor. Nivelul de compresie al motorului este factorul principal care afectează puterea acestuia. Se măsoară printr-un dispozitiv special cu compresometru.

Accident vascular cerebral   începe atunci când este conectat la un proces   sistem de aprinderegenerând o scânteie. Pistonul se află în poziția maximă superioară. Amestecul explodează, gazele care creează o presiune crescută sunt eliberate, iar pistonul este pus în mișcare. Mecanismul manivelei, la rândul său, activează rotirea arborelui cotit, asigurând mișcarea mașinii. Toate supapele sistemului sunt în poziția închisă în acest moment.

Ciclul de absolvire   este finală în ciclul analizat. Toate supapele de evacuare sunt în poziție deschisă, permițând motorului „expirarea” produselor de ardere. Pistonul revine la punctul său de pornire și este gata să înceapă un nou ciclu. Această mișcare contribuie la descărcarea în sistemul de evacuare, apoi în mediu, a gazelor de evacuare.

Schema motorului cu ardere internădupă cum am menționat mai sus, se bazează pe ciclicitate. După ce am examinat în detaliu, cum funcționează un motor cu piston, putem rezuma că eficiența unui astfel de mecanism nu este mai mare de 60%. Acest procent se datorează faptului că la un singur moment, ciclul de lucru se realizează într-un singur cilindru.

Nu toată energia primită în acest moment este îndreptată către mișcarea mașinii. O parte din aceasta este cheltuită pentru menținerea volanului în mișcare, care prin inerție asigură funcționarea mașinii în alte trei cicluri.

O anumită cantitate de energie termică este cheltuită involuntar în încălzirea corpului și a gazelor de evacuare. De aceea, puterea motorului auto este determinată de numărul de cilindri și, ca urmare, așa-numita capacitate a motorului, calculată printr-o anumită formulă ca volumul total al tuturor cilindrilor de lucru.

În mecanismul manivelei, pistonul îndeplinește mai multe funcții, inclusiv percepția presiunii gazului și transferul forțelor la tija de conectare, sigilarea camerei de ardere și îndepărtarea căldurii din ea. Pistonul este cea mai caracteristică parte a unui motor cu ardere internă, ca. Procesul termodinamic al motorului este realizat cu ajutorul său.

Condițiile în care funcționează pistonul sunt extreme și se caracterizează prin presiuni ridicate, temperatură și sarcini inerțiale. Prin urmare, pistoanele de pe motoarele moderne sunt fabricate dintr-un material ușor, rezistent și rezistent la căldură - aliaj de aluminiu, mai rar oțel. Pistoanele sunt realizate în două moduri - prin modelarea prin injecție sau ștampilare, așa-numita. pistoane forjate

Pistonul este un element structural integral, care este împărțit condiționat într-un cap (în unele surse se numește partea inferioară) și o fustă. Forma și designul pistonului sunt determinate în mare măsură de tipul motorului, de forma camerei de ardere și de procesul de ardere care are loc în acesta. Pistonul unui motor pe benzină are o suprafață plană sau aproape plată a capului. Se pot realiza caneluri pentru a deschide complet supapele. Pistoanele pentru motoare cu injecție directă de combustibil au o formă mai complexă. În capul de piston al unui motor diesel se realizează o cameră de ardere cu o anumită formă, care oferă o turbulență bună și îmbunătățește formarea amestecului.

Sub capul pistonului se fac caneluri pentru instalarea inelelor pistonului. Fusta piston   are o formă de con sau curbilină ( baril) forma. Această formă a fustei compensează expansiunea termică a pistonului în timpul încălzirii. Când motorul atinge temperatura de funcționare, pistonul își asumă o formă cilindrică. Pentru a reduce pierderile de frecare, se aplică un strat de material antifricție pe suprafața laterală a pistonului ( disulfura de molibden, grafit). Găurile cu valuri sunt făcute în fusta pistonului ( șef) pentru fixarea știftului pistonului.

Răcirea pistonului   realizate de suprafața interioară în diferite moduri:

1. ceață de ulei în cilindru;
2. stropirea uleiului printr-o gaură din tija de conectare;
3. pulverizați uleiul cu o duză specială;
4. injectarea uleiului într-un canal inelar special în zona inelelor;
5. circulația uleiului printr-o bobină tubulară în capul pistonului.

Inele piston   formați o legătură strânsă a pistonului cu pereții cilindrului. Sunt confecționate din fontă modificată. Inelele cu piston sunt principala sursă de frecare într-un motor cu ardere internă. Pierderea de frecare în inele atinge până la 25% din totalul pierderilor mecanice din motor.

Numărul și aranjarea inelelor depinde de tipul și scopul motorului. Cea mai frecventă schemă este două inele de răzuire cu compresie și un singur ulei. Inele de compresie împiedicați descoperirea gazelor din camera de ardere în carter. Primul inel de compresiune funcționează în cele mai severe condiții. Prin urmare, pe pistoanele de motorină și o serie de motoare pe benzină forțate, este instalată o inserție de oțel în canelura inelului, crescând rezistența și permițând realizarea raportului de compresie maximă. Inelele de compresie pot avea o formă trapezoidală, în formă de butoi, conică, unele sunt realizate cu o tăietură (tăiată).

Inel răzuitor de ulei   îndepărtează excesul de ulei de pe suprafața cilindrului și împiedică uleiul să intre în camera de ardere. Inelul are multe găuri de drenaj. Unele modele de inele au un expansor cu arc.

Pistonul este conectat la tija de conectare folosind un știft, care are o formă tubulară și este din oțel. Există mai multe modalități de instalare a știftului pistonului. Cel mai popular așa-numit degetul plutitor, care are capacitatea de a se încleșta în șefi și capul tijei pistonului în timpul funcționării. Pentru a preveni mișcarea degetelor, acesta este fixat cu inele de reținere. Mult mai rar se folosește fixarea rigidă a capetelor degetului în piston sau fixarea rigidă a degetului în capul pistonului tijei de conectare.

Pistonul, inelele pistonului și știftul pistonului sunt cunoscute sub numele de grupa pistonului.

Motorul oricărei mașini moderne este caracterizat de o complexitate ridicată și un număr mare de componente. În ciuda unei complexități atât de ridicate, se bazează pe concepte de bază relevante pentru o mașină din orice clasă și an de fabricație. În acest articol vom lua în considerare unul dintre elementele cheie - pistonul unui motor cu ardere internă - și vom vorbi despre motivul pentru care este nevoie și din ce constă.

structură

Pistonul unui motor în 4 timpi are o structură destul de complexă și, astfel, întregul dispozitiv include mai multe componente. Acest lucru vă permite să oferiți mașinii caracteristici tehnice optime, precum și să faceți motorul în 4 timpi mai rezistent la sarcini și, prin urmare, mai durabil.

Partea principală din care constă pistonul unui ICE în patru timpi este partea inferioară a acestuia. Diametrul de jos este puțin mai mic decât diametrul cilindrului, ceea ce se explică prin prezența inelelor de răcire cu compresie și ulei. Partea inferioară a pistonului de orice diametru poate avea o formă și descriere diferită. Deci, poate avea o formă concavă, iar adâncimea în sine poate avea o configurație diferită.

Scopul principal al fundului în dispozitivul cu piston în proiectare este interacțiunea cu vaporii de combustibil, care în timpul arderii împing pistonul și determină ca acesta să fie în mișcare pe toată perioada de funcționare. Forma fundului în pistonul unui motor în 4 timpi este dictată de un număr mare de factori. De obicei, depinde de numărul de lumânări, putere, diametrul pistonului în sine și de multe alte nuanțe.

În afară de partea inferioară, în piston, indiferent de câți milimetri în diametru, există întotdeauna o parte de etanșare, care include dispozitive precum compresele și inelele răzuitoare de ulei. Inelele de compresie sunt încorporate în caneluri prelucrate speciale, care diferă ușor în diametru de diametrul capului pistonului. Sarcina lor este să nu permită amestecul folosit și proaspăt, precum și menținerea presiunii în timpul combustiei combustibilului.

Care este scopul inelelor de compresie? Pentru a maximiza eficiența motorului, motorul în 4 timpi de compresie este necesar, iar toată energia combustibilului a fost direcționată spre mișcarea pistonului. Din acest motiv, materialele din care sunt fabricate astfel de inele într-un motor în patru timpi sunt supuse unor cerințe serioase și stricte.

Pe lângă pistoanele de compresie ale unui motor în 4 timpi, este obligatorie echiparea unor structuri precum inelele răzuitoare de ulei, care au un diametru puțin mai mare decât pistonul în sine. Sunt necesare astfel încât lubrifiantul care circulă constant în motor pentru a preveni frecarea și supraîncălzirea rămâne pe suprafețele de frecare în cantitate corectă și nu se acumulează în camera de ardere. Datorită acestui fapt, este posibil să se evite depozitele de ulei, iar consumul de lubrifianți este redus brusc.

Cum funcționează?

Cursa în piston a unui motor în patru timpi este un ciclu în care arborele cotit al motorului face o revoluție completă. În acest timp, amestecul de combustibil, care este furnizat de un carburator sau un injector, se arde complet și este evacuat în, unde trece printr-un amortizor și se disipează în mediu.

Cursa pistonului se caracterizează exclusiv prin mișcare în sus și în jos. Această situație se aplică în patru timpi și la toate celelalte varietăți de motoare. Așa cum am menționat deja, mișcarea de translație este cauzată doar de procesele de ardere care se produc la temperaturi ridicate.

Când cursa pistonului este verticală, arborele cotit cu care este conectat se rotește. Din acest motiv, proiectanții și inginerii au introdus o manivelă care vă permite să puneți arborele în mișcare și să o faceți să rotească roțile tot timpul în timp ce motorul în patru timpi funcționează.

De regulă, manivela este conectată pivot la capul pistonului: cursa pistonului este suficient de liberă, astfel încât manivela este deplasată de un unghi acut în raport cu axa de simetrie și este în mișcare constantă. Tija de conectare este o tijă metalică mică, care este echipată la ambele capete cu inserții de balamale. Pe o parte, tija de conectare se deplasează în raport cu pistonul, care se deplasează în sus și în jos.

Din capătul opus, bara de legătură este fixată mobil pe arborele cotit. Între tija de conectare și arborele sunt așa-numitele garnituri, al căror dispozitiv vă permite să tolerați temperaturi ridicate și să nu vă uzinați chiar și cu sarcini de vârf. Când vine momentul reparației, garniturile sunt înlocuite cu altele noi și pot exista mai multe astfel de cicluri de service înainte de înlocuirea arborelui cotit.

Material de producție

Pistonul unui motor în patru timpi, sau mai bine zis, materialul din care este confecționat, trebuie să îndeplinească un număr mare de cerințe. De exemplu, materialul trebuie să fie rezistent la supraîncărcări grave de temperatură, deoarece arderea combustibilului provoacă supraîncălzire severă, la care majoritatea materialelor existente nu sunt pregătite.

În plus, astfel de materiale ar trebui să aibă o densitate scăzută. Acest lucru este necesar pentru a maximiza relieful pistonului pentru a reduce sarcina pe piese și consumul total de combustibil.

Ce materiale îndeplinesc cerințele similare și sunt utilizate pe scară largă pe motoarele cu combustie internă în patru timpi? Cel mai obișnuit astfel de material este fonta. Fiind relativ ieftin, face față tuturor sarcinilor sale și rezistă la temperaturi ridicate. După cum arată practica, resursa unei astfel de piese este destul de mare, iar fiabilitatea îndeplinește toate cerințele, prin urmare, un piston din fontă poate fi găsit pe majoritatea mașinilor.

Cu toate acestea, progresul nu stă nemișcat, iar aluminiu a înlocuit fierul, sau mai degrabă, varietatea sa specială. Avantajul unui astfel de material este că este semnificativ mai ușor, cu toate acestea, nu este inferior în rezistență la fontă obișnuită. Din acest motiv, pistoanele din aluminiu sunt utilizate la motoarele în patru timpi pentru mașinile sport. Această soluție a permis creșterea energiei, creșterea resurselor și reducerea consumului de combustibil. De remarcat este faptul că pistoanele din aluminiu sunt adesea instalate pe mașinile civile obișnuite, ceea ce indică avantajele lor evidente.

rezumat

Un piston motor este o parte importantă fără de care nu ar fi posibilă funcționarea normală a motorului. În acest sens, producătorii auto la nivel mondial încearcă să aducă la perfecție soluțiile existente. Acest lucru vă permite să obțineți performanțe mai bune cu o resursă mai mare, ceea ce sugerează că progresul nu stă pe loc.

Nu voi întinde introducerea, vă voi spune pe scurt despre ce va fi această mare postare. Și deci vorbim despre tipurile de pistoane, benzină în patru timpi, motorină și în doi timpi. Sarcina principală a tuturor tipuri de pistoane, aceasta este de a controla expansiunea termică și de a rezista la o anumită încărcare, vom vedea mai jos cum se rezolvă acest lucru.

Pistoane cu gaz în patru timpimotoare

Motoarele pe benzină moderne folosesc pistoane cu o fustă simetrică sau asimetrică
cu grosimi diferite ale fundului și fustei pistonului.

  Pistoane de extensie gestionate

Pistoane cu o inserție inelară care controlează expansiunea termică.
Inserțiile sunt confecționate din fontă gri. Obiectivul principal al acestui inel este de a reduce expansiunea termică a aliajului de aluminiu al pistonului, deoarece fonta are o expansiune relativ mică și o conductivitate termică scăzută, inserția limitând astfel metalul păstrându-și forma. Producția de astfel de pistoane este mai scumpă, respectiv prețul produsului finit este mai mare. Dezavantajul principal este incapacitatea de a fabrica un piston forjat, atât de necesar pentru motoarele turbo, o masă mare a pistonului. Acest tip de piston trece în trecutul îndepărtat.

  Pistoane termice auto

Pistoanele termice automate au o separare (tăietură) între centura inelară și fusta din canelura inelului de răzuire a uleiului, fusta este ținută în zona șefilor. Acest lucru reduce transferul de căldură din zona inelară a pistonului la fusta acestuia, obținând astfel o formă mai stabilă a fustei. O inserție de oțel în zona șefului controlează expansiunea termică și crește rezistența. Astfel de pistoane nu sunt capabile să reziste la sarcini uriașe datorită „tăierii”, în funcționare, acestea se disting prin zgomot redus și aparțin unor tipuri mai moderne.

Pistoane Autothermatik

Acționează pe același principiu ca mașinile
pistoane termice, dar nu au o tăietură în canelura răzuitoarei de ulei. De asemenea, au plăci de oțel în zona șefului. Mai durabile datorită integrității centurii și fustei inelare, rezistă mai bine la sarcinile laterale în comparație cu prima opțiune. Sunt utilizate atât la benzină, cât și parțial la motoarele diesel.

Sunt oarecum asemănătoare cu mașinile termice, dar în loc să ferească într-o fustă, au o inserție de oțel de-a lungul întregului diametru. Limitând astfel tranziția de temperatură de la centura inelară la fustă și controlează forma în jurul întregii circumferințe.

Acest tip de piston are un frigider mare și o fustă îngustă, adesea în formă ovală. Pistonul este proiectat astfel încât, cu dilatarea termică, să-și schimbe forma de la oval la rotund.

În plus față de acest tip de piston, mai există o opțiune cu o fustă teșită în partea de sus a pistonului. are o parte mai largă a fustei, de la conicitatea inferioară la o centură inelară.

Pentru pistoanele pentru motoare cu o putere de putere foarte mare (mai mare de 100 kW / l), poate fi prevăzut un canal de răcire.

Cel mai mare potențial de reducere a masei pistonului la motoarele pe benzină în patru timpi este purtat de pistoanele EVOTEC®, în care sunt demne de remarcat suporturile trapezoidale ale șefilor, ceea ce vă permite să așezați degetul mai ales adânc, aproape de fund, reducând întreaga lungime și greutatea pistonului. În postare Masa pistonului, am vorbit deja despre demnitatea acestui aranjament al degetului. Această aranjare a pereților fustei vă permite să întăriți foarte bine partea superioară a șefilor având o grosime mică a despărțirilor și să facilitați partea inferioară prin executarea unui piston asimetric. Fusta este destul de îngustă, iar la margini are pereți despărțitori puternici, trecând la șefi, acesta este și un plus mare. Această dispunere a pistonului previne foarte bine încărcările laterale, există o probabilitate scăzută de deformare a fustei, în timp ce grosimea fustei este mult mai mică decât la un piston convențional, ceea ce reduce și greutatea totală. Pe fondul avantajelor menționate mai sus, pistonul a pierdut în greutate semnificativ, ceea ce vă permite să faceți șefii mai subțiri, deoarece sarcina inerțială pe pereții inferiori ai șefilor a devenit mai mică.

  Pistoane din aluminiu forjat

La motoarele cu sarcini specifice foarte mari - cum ar fi turbocompresia sau injecția cu oxid de azot pistoane forjate. Avantajul este, fără îndoială, rezistența aliajului de aluminiu forjat. Rezista la temperaturi mai ridicate și rezistă mai bine la detonare. Dintre deficiențe, se remarcă un preț mai mare, imposibilitatea utilizării anumitor tehnologii, de exemplu, unele dintre cele descrise mai sus datorită procesului de fabricație.

Piston forjat pentru Formula 1

În următoarea postare vom vorbi despre pistoane pentru motoare în doi timpi și diesel, unde sarcinile și temperaturile sunt și mai mari.

Grup de pistoane

Grupul de pistoane formează un perete mobil al volumului de lucru al cilindrului. Este mișcarea acestui „perete”, adică a pistonului, adică un indicator al lucrării efectuate de gazele arse și în expansiune.
  Grupul de pistoane al mecanismului manivelei include un piston, inele cu piston (raclă de compresie și răzuitor de ulei), un știft și părțile sale de fixare. Uneori, un grup de pistoane este considerat împreună cu un cilindru și este numit grup piston-cilindru.

piston

Cerințe de proiectare a pistonului

Pistonul sesizează forța de presiune a gazului și îl transferă prin știftul pistonului în tija de conectare. Făcând acest lucru, el execută o mișcare alternativă rectilinie.

Condiții în care pistonul funcționează:

• presiune mare de gaz ( 3,5 ... 5,5 MPa   pentru benzină și 6.0 ... 15.0 MPa   pentru motoare diesel);
• contactul cu gazele fierbinți (până la   2600 ˚˚);
• mișcare cu o schimbare de direcție și viteză.

Mișcarea reciprocă a pistonului provoacă sarcini inerțiale semnificative în zonele de trecere ale punctelor moarte, unde pistonul inversează direcția de mișcare. Forțele inerțiale depind de viteza de mișcare a pistonului și de masa acestuia.

Pistonul depune eforturi semnificative: mai mult 40 kN   la motoarele pe benzină și 20 kN   - la motoarele diesel. Contactul cu gazele fierbinți face ca partea centrală a pistonului să atingă temperatura 300 ... 350 ˚˚. Încălzirea puternică a pistonului este periculoasă datorită posibilității de blocare în cilindru din cauza expansiunii termice și chiar a arderii fundului pistonului.

Mișcarea pistonului este însoțită de frecare crescută și, în consecință, de uzura suprafeței sale și a suprafeței cilindrului (căptușeală). În timpul mișcării pistonului de la centrul mort de sus la partea inferioară și invers, forța de presiune a suprafeței pistonului pe suprafața cilindrului (liner) se modifică atât ca mărime cât și în direcție, în funcție de cursa care curge în cilindru.

Pistonul exercită o presiune maximă pe peretele cilindrului în timpul cursei cursei, în momentul în care tija de conectare începe să se abată de la axa pistonului. În acest caz, forța de presiune a gazului transmis de piston către tija de conectare provoacă o forță reactivă în știftul pistonului, care în acest caz este o balama cilindrică. Această reacție este direcționată de la știftul pistonului de-a lungul liniei tijei de conectare și poate fi descompusă în două componente - una este direcționată de-a lungul axei pistonului, a doua (forța laterală) este perpendiculară pe ea și direcționată normal pe suprafața cilindrului.

Această forță (laterală) este cea care provoacă o frecare semnificativă între suprafețele pistonului și cilindrului (căptușeală), ceea ce duce la uzura acestora, încălzirea suplimentară a pieselor și o eficiență mai mică din cauza pierderilor de energie.

Încercările de reducere a forțelor de frecare dintre piston și pereții cilindrului sunt complicate de faptul că este necesară o distanță minimă între cilindru și piston, ceea ce asigură o sigilare completă a cavității de lucru pentru a preveni pătrunderea gazului, precum și uleiul care intră în spațiul de lucru al cilindrului. Decalajul dintre piston și suprafața cilindrului este limitat de expansiunea termică a pieselor. Dacă este făcut prea mic, în conformitate cu cerințele de etanșare, este posibil ca pistonul să se blocheze în cilindru datorită expansiunii termice.

Când direcția de mișcare a pistonului și procesele (ciclurile) care se produc în cilindru se schimbă, forța de frecare a pistonului față de peretele cilindrului își schimbă caracterul - pistonul este apăsat pe peretele opus al cilindrului, în timp ce pistonul lovește cilindrul în zona de tranziție a punctelor moarte din cauza unei schimbări accentuate a mărimii și indicații de încărcare.

Atunci când dezvoltă motoare, proiectanții trebuie să rezolve o serie de probleme asociate cu condițiile de lucru descrise mai sus ale pieselor cu piston cilindric:

• sarcini termice mari care provoacă dilatarea termică și coroziunea pieselor metalice KShM;
• presiunea colosală și încărcăturile inerțiale care pot distruge părțile și conexiunile acestora;
• forțe de frecare semnificative, care provoacă încălzire suplimentară, uzură și pierderi de energie.

Pe baza acestui lucru, pentru proiectarea pistonului sunt impuse următoarele cerințe:

• rigiditate suficientă pentru a rezista sarcinilor de putere;
• stabilitate termică și deformări minime ale temperaturii;
• masa minimă pentru a reduce sarcinile inerțiale, în timp ce masa pistoanelor din motoarele cu mai mulți cilindri ar trebui să fie aceeași;
• asigurarea unui grad ridicat de etanșare a cavității de lucru a cilindrului;
• frecare minimă împotriva pereților cilindrilor;
• durabilitate ridicată, deoarece înlocuirea pistoanelor este asociată cu operațiuni laborioase de reparații.

Caracteristici de proiectare a pistonului

Pistoanele motoarelor auto moderne au o formă spațială complexă, care se datorează diferiților factori și condiții în care funcționează această parte critică. Multe elemente și caracteristici ale formei pistonului nu sunt vizibile cu ochiul liber, deoarece abaterile de la cilindricitate și simetrie sunt minime, cu toate acestea, sunt prezente.
  Să luăm în considerare mai detaliat - modul în care este aranjat pistonul unui motor cu combustie internă și ce trucuri trebuie să accepte proiectanții pentru a se asigura că sunt îndeplinite cerințele descrise mai sus.

Pistonul unui motor cu ardere internă este format din partea superioară - capul și partea inferioară - fusta.

Partea superioară a capului pistonului - partea inferioară percepe direct eforturile din gazele de lucru. În motoarele pe benzină, capul pistonului este de obicei plat. În pistoanele motoarelor diesel se execută adesea o cameră de ardere.

Partea inferioară a pistonului este un disc masiv, care este conectat cu ajutorul coastelor sau a suporturilor cu maree care au găuri pentru știfturile pistonului. Suprafața interioară a pistonului are forma unui arc, care asigură rigiditatea necesară și disiparea căldurii.

Șanțurile pentru inelele pistonului sunt tăiate pe suprafața laterală a pistonului. Numărul de inele ale pistonului depinde de presiunea gazului și de turația medie a pistonului (adică turația motorului) - cu cât este mai mică viteza medie a pistonului, cu atât sunt necesare mai multe inele.
  În motoarele moderne, împreună cu creșterea vitezei arborelui cotit, există o tendință de a reduce numărul de inele de compresie pe pistoane. Acest lucru se datorează necesității de a reduce masa pistonului pentru a reduce sarcinile inerțiale, precum și pentru a reduce forțele de frecare, care elimină o fracțiune semnificativă a puterii motorului. În același timp, posibilitatea unei descoperiri de gaze în carterul unui motor de mare viteză este considerată o problemă mai puțin urgentă. Prin urmare, în motoarele de mașini moderne și mașini de curse, puteți găsi modele cu un inel de compresie pe piston, iar pistoanele în sine au o fustă scurtată.

În plus față de inelele de compresie, pe piston sunt montate unul sau două inele de răzuire a uleiului. Șanțurile realizate în piston sub inelele răzuitoare de ulei au orificii de scurgere pentru drenarea uleiului de motor în cavitatea internă a pistonului atunci când îl scoateți cu inelul de pe suprafața cilindrului (căptușeală). Acest ulei este utilizat în mod obișnuit pentru a răci interiorul fundului și al fustei pistonului, apoi se varsă în tava cu ulei.

Forma capului pistonului depinde de tipul motorului, de metoda de formare a amestecului și de forma camerei de ardere. Cea mai frecventă este forma plană a fundului, deși există convexe și concave. În unele cazuri, canelurile pentru plăcile de supapă sunt prevăzute în partea inferioară a pistonului cu pistonul situat în centrul mortului superior (TDC). Așa cum am menționat mai sus, în bazele cu piston ale motoarelor diesel se execută adesea camere de combustie, a căror formă poate varia.

Partea inferioară a pistonului - fusta direcționează pistonul într-o mișcare rectilinie, în timp ce transmite forța laterală peretelui cilindrului, a cărei amploare depinde de poziția pistonului și de procesele care au loc în cavitatea de lucru a cilindrului. Mărimea forței laterale transmise de fusta pistonului este semnificativ mai mică decât forța maximă percepută de partea inferioară din partea gazului, astfel încât fusta este cu pereți relativ subțiri.

În partea inferioară a fustei pentru motoarele diesel, este adesea instalat un al doilea inel răzuitor de ulei, care îmbunătățește ungerea cilindrului și reduce probabilitatea ca uleiul să intre în cavitatea de lucru a cilindrului. Pentru a reduce masa pistonului și forțele de frecare, părțile descărcate ale fustei sunt tăiate în diametru și scurtate în înălțime. Valurile tehnologice sunt de obicei efectuate în interiorul fustei, care sunt utilizate pentru a regla masa pistoanelor.

Proiectarea și dimensiunile pistoanelor depind în principal de viteza motorului, precum și de mărimea și viteza de creștere a presiunii gazului. Deci, pistoanele motoarelor pe benzină de mare viteză sunt cât se poate de ușoare, iar pistoanele motoarelor diesel au o structură mai masivă și rigidă.

În momentul în care pistonul trece prin TDC, direcția acțiunii forței laterale se schimbă, care este una dintre componentele forței de presiune a gazului pe piston. Drept urmare, pistonul se deplasează de la un perete al cilindrului la altul - pistonul este deplasat. Acest lucru face ca pistonul să lovească peretele cilindrului, însoțit de o lovitură caracteristică. Pentru a reduce acest fenomen dăunător, degetele pistonului sunt deplasate cu 2…3   mm în direcția forței laterale maxime; în timp ce forța de presiune laterală a pistonului pe cilindru este semnificativ redusă. Această deplasare a știftului pistonului se numește de-masaj.
  Utilizarea unui piston de demontare în proiectare necesită respectarea regulilor de instalare KShM - pistonul trebuie instalat strict conform marcajelor care indică unde se află partea din față (de obicei o săgeată în partea de jos).

Soluția originală, concepută pentru a reduce impactul forței laterale, a fost utilizată de proiectanții de motoare Volkswagen. Partea inferioară a pistonului în astfel de motoare nu este realizată în unghi drept față de axa cilindrului, ci ușor înclinată. Conform proiectanților, acest lucru face posibilă distribuirea optimă a încărcăturii pe piston și îmbunătățirea procesului de formare a amestecului în cilindru în timpul curselor de admisie și de compresie.

Pentru a satisface cerințele contradictorii pentru etanșeitatea cavității de lucru, care necesită goluri minime între fusta pistonului și cilindrul și pentru a preveni blocarea piesei datorită expansiunii termice, următoarele elemente structurale sunt utilizate sub formă de piston:

• reducerea rigidității fustei datorită fante speciale care compensează expansiunea termică a acesteia și îmbunătățește răcirea părții inferioare a pistonului. Fantele sunt executate pe partea laterală a fustei, care este cea mai puțin încărcată cu forțe laterale apăsând pistonul spre cilindru;
• restricționarea forțată a expansiunii termice a fustei cu inserții din materiale cu un coeficient de expansiune termică mai mic decât cel al metalului de bază;
• conferind fustei pistonului o astfel de formă încât în \u200b\u200bstarea de încărcare și la temperatura de funcționare ia forma unui cilindru obișnuit.

Ultima condiție nu este ușor de îndeplinit, deoarece pistonul este încălzit neuniform pe întregul volum și are o formă spațială complexă - forma sa este simetrică în partea superioară, iar în regiunea șefilor și pe partea inferioară a fustei există elemente asimetrice. Toate acestea conduc la deformarea inegală a temperaturii a secțiunilor individuale ale pistonului atunci când este încălzit în timpul funcționării.
  Din aceste motive, în proiectarea pistonului motoarelor automobilelor moderne se execută de obicei următoarele elemente, complicând forma acestuia:

• fundul pistonului are un diametru mai mic în comparație cu fusta și este cel mai aproape în secțiune transversală de un cerc obișnuit.
    Diametrul mai mic al secțiunii transversale a fundului pistonului este asociat cu temperatura ridicată a acestuia și, ca urmare, cu o expansiune termică mai mare decât în \u200b\u200bzona fustei. Prin urmare, pistonul unui motor modern în secțiune longitudinală are o formă ușor conică sau în formă de butoi, îngustat la partea inferioară.
    Reducerea diametrului în zona superioară a fustei conice pentru pistoanele din aliaj de aluminiu este 0,0003 ... 0,0005Dunde D   - diametrul cilindrului. Când este încălzit la temperaturi de funcționare, forma pistonului „se aliniază” de-a lungul lungimii la cilindrul corect.
• în zona șefilor, pistonul are dimensiuni transversale mai mici, deoarece aici sunt concentrate tablouri metalice, iar expansiunea termică este mai mare. Prin urmare, pistonul de sub fund are o formă ovală sau eliptică în secțiune, care, atunci când partea este încălzită la temperaturi de funcționare, se apropie de forma unui cerc regulat, iar pistonul se apropie de forma unui cilindru obișnuit.
    Axa principală a ovalului este situată într-un plan perpendicular pe axa axului pistonului. Mărimea ovalității variază de la 0,182   la 0,8 mm.

Evident, proiectanții trebuie să meargă la toate aceste trucuri pentru a da pistonului o formă cilindrică într-o stare încălzită la temperaturi de funcționare, asigurând astfel o distanță minimă între acesta și cilindru.

Cea mai eficientă metodă de a preveni blocarea pistonului în cilindru datorită dilatării termice a acestuia, cu un spațiu minim, este de a forța fusta să se răcească și să introducă elemente metalice în fusta cu piston, care au un coeficient scăzut de expansiune termică. Cel mai adesea, inserții ușoare de oțel sunt utilizate sub formă de plăci transversale, care, la turnarea pistonului, sunt plasate în zona șefului. În unele cazuri, în loc de plăci, se folosesc inele sau jumătăți de inele, care sunt turnate în zona superioară a fustei pistonului.

Temperatura fundului pistoanelor din aluminiu nu trebuie să depășească 320 ... 350 ˚˚. Prin urmare, pentru a crește radiatorul, trecerea de la fundul pistonului la pereți se face lină (sub formă de arc) și destul de masivă. Pentru îndepărtarea mai eficientă a căldurii din partea inferioară a pistonului, se utilizează răcirea forțată prin pulverizarea uleiului de motor dintr-o duză specială pe suprafața interioară a fundului. De obicei, funcția unei astfel de duze este realizată de o gaură specială calibrată realizată în capul superior al tijei de conectare. Uneori, duza este montată pe carcasa motorului din partea inferioară a cilindrului.

Pentru a asigura condiții termice normale ale inelului de compresie superior, acesta este situat mult mai jos decât marginea inferioară, formând așa-numita flacără sau centura de incendiu. Cele mai purtate capete ale canelurilor pentru inelele cu piston sunt deseori întărite cu inserții speciale din material rezistent la uzură.

Aliajele de aluminiu sunt utilizate pe scară largă ca material pentru fabricarea de pistoane, principalul avantaj al acestora fiind o masă mică și o bună conductivitate termică. Dezavantajele aliajelor de aluminiu includ o rezistență scăzută la oboseală, un coeficient mare de expansiune termică, o rezistență la uzură insuficientă și un cost relativ ridicat.

Alături de aluminiu, siliciu ( 11…25% ) și aditivi de sodiu, azot, fosfor, nichel, crom, magneziu și cupru. Blocurile turnate sau ștampilate sunt supuse unui tratament mecanic și termic.

Mult mai rar, fonta este folosită ca material pentru pistoane, deoarece acest metal este mult mai ieftin și mai puternic decât aluminiul. Dar, în ciuda rezistenței ridicate și a rezistenței la uzură, fonta are o masă relativ mare, ceea ce duce la apariția unor sarcini inerțiale semnificative, mai ales când direcția de mișcare a pistonului se modifică. Prin urmare, fontă nu este utilizată pentru fabricarea de pistoane a motoarelor de mare viteză.