Поршень принимает на себя воздействие расширяющихся в цилиндре и камере сгорания газов, а затем передает получаемое усилие через поршневой палец на шатун. На поршне размещены поршневые кольца — компрессионные и маслосъемные. Первые предназначены для герметичного разделения цилиндров и картера двигателя. Благодаря компрессионным кольцам газы из цилиндров не попадают в картер. Маслосъемные кольца не пропускают масло со стенок цилиндра в цилиндр и камеру сгорания. В некоторых поршнях в днище предусмотрены выемки характерной формы, способствующие улучшению смесеобразования, а в днище поршня дизельного двигателя зачастую расположена камера сгорания. В устаревших двухтактных двигателях на днище поршня имелся специальный выступ — дефлектор, предназначавшийся для обеспечения продувки цилиндра. В обычных двухтактных двигателях поршень управляет продувкой цилиндра путем открытия и закрытия впускных и выпускных окон в цилиндре. Поршень должен иметь незначительную массу для снижения сил инерции, особенно при высокой частоте вращения коленчатого вала. Кроме того, поршень должен обладать большой жесткостью и высокой прочностью, особенно в местах расположения поршневых колец для предотвращения их загибания и задиров зеркала цилиндра.
Поскольку поршень подвержен не только механическим, но и термическим нагрузкам, он должен иметь в числе прочих качеств высокую теплостойкость и в то же время высокую теплопроводность. Кроме того, коэффициент температурного расширения материала поршня должен быть невысоким, в противном случае возможно заклинивание поршня в цилиндре во время работы. Обеспечить соответствие конструкции поршня столь разноплановым и зачастую противоречивым требованиям можно только путем компромиссных решений.
Важными геометрическими параметрами поршня являются общая длина L, высота головки поршня К и длина юбки поршня Sch (рис. 10.1). В малых высокооборотных двигателях общую длину поршня выбирают меньшей, чем в среднеоборотных, чтобы по возможности снизить силы инерции. Выбор высоты головки поршня существенно влияет на его вес и прочность. Юбка поршня непосредственно взаимодействует с зеркалом цилиндра, поэтому должна обладать определенными эластичными свойствами.
Рис. 10.1. Основные геометрические размеры поршня
Наряду с основными размерами поршня, большое значение имеют также расположение и форма бобышек поршневого пальца. При выборе этих параметров необходимо обратить внимание на предотвращение опрокидывающих движений поршня и по возможности обеспечить равномерный перенос на стенку цилиндра нормальной (перпендикулярной) составляющей силы действия газов.
Предотвращение опрокидывающих движений требует прохождения оси поршневого пальца через центр тяжести поршня, а перенос нормальной составляющей силы на стенку цилиндра в этом случае осуществить невозможно. Оба требования, как правило, требуют определенного компромисса, который сводится к небольшому смещению оси поршневого пальца относительно оси поршня. Это смещение называется «дезаксаж».
Часто положение оси поршневого пальца намеренно смещается к оси поршня (осевое смещение), что снижает возникновение шума при смене положения (перекладке) поршня в верхней мертвой точке (рис. 10.2). При оптимизации осевого смещения можно снизить импульс от удара поршня о стенку цилиндра и возникающий при этом шум.
Рис. 10.2. Смена положения (перекладка) поршня при прохождении верхней мертвой точки
Так как бобышки поршня переносят всю силу действия газов на поршневой палец, они должны иметь четко определенную форму и соответствовать ряду других параметров. Так, напряжение в местах контакта бобышки поршня и поршневого пальца не должно превышать 70...75 Н/мм.
Равномерная и относительно бесшумная работа двигателя возможна лишь при точном изготовлении деталей цилиндро-поршневой группы. В особенности важно точное соблюдение зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра, что способствует также низкому расходу масла. Следует учитывать тот факт, что коэффициенты температурного расширения поршней и блока цилиндров двигателя значительно различаются. К тому же блок цилиндров имеет обычно жидкостное охлаждение. Поскольку поршень обычно при нагреве расширяется сильнее, чем поверхность цилиндра, зазоры в цилиндропоршневой группе следует подбирать и замерять на холодном двигателе.
Неравномерное расширение различных частей поршня связано с неравномерным распределением масс этих частей (днища, юбки и бобышек поршневого пальца). Для избежания заклинивания поршня в цилиндре от нагрева при работе двигателя поршень обычно имеет своеобразную овальную форму, что позволяет при нагреве обеспечивать неравномерное расширение поршня (рис. 10.3). В дизельных двигателях зазор между поршнем и поверхностью цилиндра колеблется в пределах 0,7...1,2% от номинального диаметра цилиндра, в то время как в бензиновых двигателях данные значения обычно составляют 0,3...0,5%. Указанные значения приняты только для поршней из легких сплавов при установке в чугунный блок цилиндров.
Рис 10.3. Поршень производства фирмы «Mahle» (чертеж шлифовки)
Для расчета конструкции поршня следует представлять себе уровень воздействующих на него механических и термических нагрузок. Обычно эти параметры для материала поршня определяются методом расчета конечных элементов.
Для ориентировочного расчета возникающего напряжения в днище поршня необходимо знание максимального давления цикла, которое соответствует максимальному давлению, возникающему в цилиндре во время сгорания смеси.
В современных бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива максимальное давление цикла составляет порядка 85 бар. Если дополнительно установлен турбонаддув, давление возрастает до 120 бар и выше. В дизельных двигателях без наддува максимальное давление цикла достигает 120 бар, а с помощью наддува его можно повысить до 200 бар.
С помощью максимального давления цикла можно рассчитать наибольшее напряжение днища поршня:
σbr — радиальное изгибающее напряжение;
Di — внутренний диаметр днища;
p2 — максимальное давление цикла;
s — толщина днища.
Распределение температуры в поршне зависит от выбранного материала, размеров, режимов работы и способов сгорания и охлаждения. На рис. 10.4 показана диаграмма распределения температуры по телу поршня в режиме полной нагрузки.
Рис. 10.4. Диаграмма распределения температуры по телу поршня в режиме полной нагрузки (четырехтактный бензиновый двигатель жидкостного охлаждения производства фирмы «Karl Schmidt»)
Нагрузка на поршень обычно выражается через удельное напряжение на поверхности поршня, которое рассчитывается с помощью уравнения 10.1:
А — площадь поверхности поршня;
Ре — эффективная мощность;
z — число цилиндров;
D — диаметр поршня.
Согласно результатам испытаний, величина удельного напряжения на поверхности поршня составляет 0,004...0,008 кВт/мм. При увеличении диаметра поршня возможно снижение удельного напряжения на поверхности поршня; разумеется, в этом случае поверхность для распределения тепла увеличивается и температура днища поршня может достичь недопустимо высоких значений.
Наряду с основными параметрами конструкции поршня существуют особые требования, которые зависят от назначения поршня.
Как уже упоминалось, поршень в современных дизельных двигателях задействован в процессе смесеобразования и сгорания рабочей смеси. В днище поршня современного дизельного двигателя отлита омегаобразная (Ω) выемка с выступом по центру, исполняющая роль направляющей для завихрения потока воздуха с целью лучшего смесеобразования при впрыскивании топлива. Эта же выемка зачастую служит и камерой сгорания (рис. 10.5).
Рис. 10.5. Поршень дизельного двигателя легкового автомобиля с камерой сгорания омегаобразной формы
В современных бензиновых двигателях, в особенности с системами непосредственного впрыска топлива, также имеется более или менее глубокая выемка в днище поршня. Дополнительно в днище поршня часто делаются проточки под клапаны, чтобы те не бились о днище поршня, в особенности, если речь идет о двигателях с изменяемыми фазами газораспределения (рис. 10.6).
Рис. 10.6. Поршень бензинового двигателя легкового автомобиля
Несимметричное расширение поршня из-за термической нагрузки во время работы можно компенсировать с помощью регулирующих звеньев. В этом случае зазор между поршнем и зеркалом цилиндра изменяется незначительно, а расширение поршня происходит более равномерно. В качестве регулирующих звеньев применяются стальные вставки в поршень. При охлаждении легкого сплава поршня эти вставки препятствуют его сильному сжатию, а при нагреве они способствуют равномерному расширению материала поршня, что способствует сохранению требуемых зазоров (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Схема расширения в цилиндре поршня с терморегулирующей кольцевой вставкой производства фирмы «Karl Schmidt»
Для того, чтобы юбка поршня не мешала действию стальных вставок, в ее нижней части могут быть выполнены щели, которые одновременно улучшают охлаждение юбки (рис. 10.8). При соответствующем расчете формы переходной области поршня между днищем и юбкой можно снизить теплообмен между этими частями поршня.
Рис. 10.8. Поршень с разрезами в юбке
В двигателях большого рабочего объема используются составные поршни, состоящие из двух или более частей (рис. 10.9). Такие поршни также работают в режиме высоких температур и высоких давлений (максимальные давления цикла до 200 бар). В то же время выдвигаются высокие требования к сроку службы таких двигателей. Составной поршень обычно имеет юбку из легкого сплава и днище из стали, которые соединяются между собой стальными болтами, размещенными по периметру днища, либо одним центральным болтом.
Рис. 10.9. Составной поршень производства фирмы «Mahle»
Часть тепла, освободившегося во время сгорания смеси, поглощается поршнем и большей частью передается через поршневые кольца на стенки цилиндра. Во многих случаях используется специальное масляное охлаждение днища поршня. В самом простом случае масло впрыскивается распылителем, который расположен на верхней головке шатуна и подает масло в специальную масляную полость в теле поршня (рис. 10.10).
Рис. 10.10. Поршень с масляным охлаждением производства фирмы «Mahle»
В составных поршнях относительно легко можно изготовить каналы для охлаждения днища поршня, подверженного высоким термическим нагрузкам, поскольку днище изготавливается отдельно от юбки поршня. Через эти каналы масло под давлением поступает к наиболее термически нагруженным частям днища поршня. Можно дополнительно направить масло в кольцевой канал, где оно будет циркулировать, улучшая охлаждение поршня.
Поршни малого и среднего размера в большинстве случаев отливаются большими партиями из алюминиевого сплава. При такой технологии установка стальных вставок в поршень не составляет труда. Алюминиевые сплавы содержат от 11 до 25% кремния, 1-2% меди, никеля и магния, и в количестве меньше 1% железа, титана, марганца и цинка. Кроме того, в современные сплавы дополнительно вводятся ванадий и цирконий, которые улучшают твердость поверхности поршня при высоких температурах.
Поршни из серого чугуна в большинстве случаев также изготавливаются методом литья в песчаные формы, в то время как поршни для спортивных двигателей, от которых требуется высокая прочность и термостойкость в сочетании с небольшим весом, в последнее время куются из алюминия.
При необходимости получения высокопрочных поршней иногда используют технологию жидкого прессования. В этом случае в поршень помещаются упрочняющие вставки из керамического волокна или пористого металла, которые перед прессованием помещаются в кокиль. Жидкий расплав после заливки в форму подвергается воздействию давления усилием до 100 МПа, и это давление сохраняется до тех пор, пока расплав полностью не застынет. Расплав полностью проникает в форму, не оставляя даже минимальных пустот, что особенно важно при использовании упрочняющих материалов. После застывания металла заготовка подвергается механической обработке с целью придания ей окончательной формы и изготовления канавок для поршневых колец, а также отверстия для поршневого пальца и необходимых технологических отверстий и каналов.
Поршни, предназначенные для двигателей большого рабочего объема, также подвергаются поверхностной обработке. На некоторые части поверхностей, прилегающие к зеркалу цилиндра, иногда наносится слой графита (реже — олова), что способствует сохранению работоспособности поршня и цилиндра при внезапном исчезновении масляной пленки с зеркала цилиндра.
В последние годы, в связи с характерным уменьшением габаритов современных двигателей при повышении мощности, механическая и термическая нагрузки на поршни постоянно возрастают. Повышение температуры на днище поршня может привести к осаждению тонкого слоя алюминия на первом компрессионном кольце, ближайшем к днищу. В этом случае кольцо теряет подвижность, может заклинить в канавке и лишиться способности к удержанию герметичности цилиндра. Чтобы этого не случилось, в последнее время часто выполняется твердое анодирование канавки первого компрессионного кольца. Такое же покрытие наносится и на само днище поршня.