Поршень является одним из самых значимых элементов при преобразовании химической энергии топлива в тепловую, а затем - в механическую, как в прямом, так и в переносном смысле. Моторные характеристики во многом зависят от того, насколько хорошо поршень выполняет свои задачи. Это определяет эффективность и, что ещё важнее, надёжность мотора. Особое значение данный параметр принимает, когда идёт речь о модификациях автомобилей в салонах тюнинга, или о спортивном применении. Конструкторы всегда сталкиваются с проблемой использования специальных поршней, когда повышается мощность. Поршень можно считать одной из самых сложных моторных деталей из-за множества выполняемых функций и достаточно противоречивых свойств. Это в высшей степени подтверждает тот факт, что очень мало автостроителей изготавливают поршни для своих моторов, используя лишь свои силы.
.jpg)
В большинстве случаев они прибегают к услугам специализирующихся на этом деле фирм. О поршнях ходит огромное количество тайн и догадок, которые создаёт разнообразие размеров и форм этой детали. В соответствующем разделе нашего сайта вы сможете найти статью как повысить эффективность современных двигательных систем. Изготовить поршень в стандартных условиях машиностроения в тюнинговых компаниях технически сложно, практически невозможно, поэтому большинство компаний этим делом отказывается заниматься. К тому же, производство таких сложных деталей поштучно может быть обременительно с точки зрения финансов. Интуитивно тюнеры понимают, что улучшенные двигатели должны иметь улучшенные поршни.
Устройство поршней
Давайте рассмотрим подробнее, какие к поршням обычно предъявляются требования, и как вообще они устроены.
- Поршень, во-первых, перемещается в цилиндре, что позволяет совершать механическую работу путём расширения продуктов горения топлива, то есть, сжатых газов
Из этого можно сделать вывод, что он должен сопротивляться давлению газов, обладать термостойкостью и уплотнять канал цилиндра.
- Во-вторых, поршень должен соответствовать требованиям пары трения, чтобы механические потери и износ стали минимальными.
- В-третьих, он должен выдерживать реакцию шатуна и механическое воздействие со стороны камеры сгорания.
- В-четвёртых, поршень должен минимально нагружать инерционными силами криво-шатунный механизм, совершая с высокой скоростью возвратно-подступательные движения.
Получается, что все проблемы, связанные с этой значимой частью двигателя, разделить можно на две категории:
- Это механические процессы
- Тепловые процессы, причём первая намного обширнее второй. Категории имеют достаточно тесную взаимосвязь. Давайте более подробно рассмотрим первую.
Как известно, топливо сгорает в непоршневом пространстве, и при этом выделяет очень большое количество тепла при каждом цикле работы двигателя. Температура уже сгоревших газов в среднем равна 2000 градусов. Часть энергии перейдёт движущимся частям мотора, а остальная станет нагревать двигатель. Энергия, которая останется в итоге, улетит в трубу вместе с обработанными газами. По законам физики два тела могут передавать друг другу тепло до того момента, пока их температуры полностью не сравняются. Соответственно, если поршень периодически не охлаждать, спустя некоторое время он просто-напросто расплавится. Это очень значимый момент для понимания принципов работы всей поршневой группы.
Особенно это важно тогда, когда мотор форсируется. При увеличении мощности мотора автоматически увеличивается количество генерируемого в камере сгорания тепла за одну временную единицу. Конечно, мы видим очень даже нечасто поршни в расплавленном, однако в любой их проблеме обязательно есть упоминается температура, точно также как скорость присутствует в любом ДТП. Конечно, вина здесь лежит на водителе, однако никто бы не пострадал, если бы автомобиль стоял на месте. Дело в том, что высокие температуры ухудшают характеристики всех материалов. Нагрузка в 100 градусов вызовет упругую деформацию, в 300 градусов - деформирует изделие полностью, а в 450 градусов деформирует её. По этой причине нужно либо применять материалы, которые могут выдержать серьёзные нагрузки от высоких температур, либо принимать меры, предотвращающие рост температуры поршня. Обычно делается и то, и другое. Тем не менее, конструкция поршня должна быть такой, чтобы в необходимых местах было определённое количество металла, который способен противостоять разрушению.
Курс общей физики подтверждает тот факт, что тепловой поток направлен к менее нагретым телам от более нагретых. Таким образом, у нас есть возможность увидеть, как температуры распределяются по поршню во время его работы, и определить значимые конструктивные моменты, которые влияют на его температуру, другими словами, понять, каким образом происходит охлаждение. Мы знаем, что больше всех деталей нагревается рабочее тело, то есть, газы в камере сгорания. Совершенно ясно, что в конце концов тепло окажется передано воздуху, который окружает автомобиль – самому холодному, но при определённых обстоятельствах бесконечно теплоёмкому. Омывая корпус двигателя и радиатор, воздух студит блок цилиндров, охлаждающую жидкость и корпус головки. Нам остаётся только найти мостик, по которому поршень отдаёт своё тепло в антифриз и блок. Для этого существую четыре пути. По своему вкладу они абсолютно разные, однако нужно упомянуть о каждом из них, так как они имеют меньшее или большее значение в зависимости от конструкции двигателя.
Первый путь
Это поршневые кольца, он обеспечивает наибольший поток. Так как первое кольцо расположено ближе к днищу, именно оно играет главную роль. Эта самый короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Одновременно кольца прижаты к стенкам цилиндра и к поршневым канавкам. Они обеспечивают более половины всего теплового потока.
Второй путь
Не так очевиден, однако недооценить его трудно. Второй жидкостью для охлаждения двигателя является масло. Несмотря на свою слабую циркуляцию и относительно небольшой объём, масляный туман имеет доступ к самым нагретым частям мотора. Он от самых горячих точек уносит с собой значительную часть тепла, и отдаёт его в поддон картера. В данном разделе нашего сайта вы сможете найти статью про установку автоматического замка багажника. При применении масляных форсунок, которые направляют струю на внутреннюю поверхность днища поршня, в теплообмене доля масла нередко достигает 30 – 40 процентов. Разумеется, что если мы нагружаем масло больше степени функции теплоносителя, его необходимо будет остудить. Перегретое масло не только потеряет свои свойства, но так же ещё может привести к неисправности подшипников. И чем выше будет температура масло, тем меньше оно сможет перенести через себя тепла.
Третий путь
Через большие бобышки в палец, потом в шатун, и уже затем в масло. Этот способ не так интересен, ведь на пути имеются значительные тепловые сопротивления в виде стальных деталей и зазоров, которые обладают невысоким коэффициентом сопротивления и значительной протяжённостью.
Четвёртый путь
Не связан с охлаждающей жидкостью или маслом. Часть тепла забирает поступившая в цилиндр после такта впуска свежая топливовоздушная смесь. Количество тепла, которое заберёт эта смесь, зависит от степени открытия дросселя и режима работы. Следует отметить, что тепло, которое образуется при сгорании, также пропорционально заряду. Можно сказать, что данный путь охлаждения отличается скоротечностью, обладает импульсным характером, высокоэффективен, пропорционален последующему нагреванию, благодаря тому факту, что тепло отбирается с той же стороны, с которой нагревается поршень.
Также следует рассказать про стандартный приём, который применяется при настройке моторов спортивного типа. Дело в том, что теплоёмкость смеси в значительной степени определяется её составом. Нередко для нормализации работы мотора нужно совсем немного, на 5 – 10 градусов, снизить внутреннюю температуру. Достигается это при помощи лёгкого забогащения смеси. Причём, данный факт никаким образом не влияет на процесс горения, а температура понижается. Порог детонации отодвигается, калильное зажигание исчезает. В данном случае будет лучше немного богаче, чем немного беднее. Моторы, которые работают на метаноле намного меньше предъявляют требований к системе охлаждения из-за теплоты преобразования, которая в 3 раза больше, чем у бензина.
Следует уделить пристальное внимание процессу передачи тепла по поршневым кольцам по причине его большей значимости. Совершенно ясно, что если перекрыть этот путь по каким либо причинам, длительных форсированных режимов двигатель уже не выдержит. Температура станет очень высокой, поршень начнёт плавиться, а двигатель разрушится. Теперь давайте вспомним о такой характеристики, как процессия, которая, казалось бы, никак не влияет на теплообмен. Если человек сталкивался с подержанным автомобилем, он должен чётко представлять себе, что это такое. Это очень значимый параметр, о котором желает знать любой автовладелец, который заботится о состоянии двигателя своего автомобиля. Компрессия косвенно указывает на степень плотности поршневой группы. Это очень важный параметр, если рассматривать его с точки зрения теплопередачи.
Давайте представим ситуацию, что кольцо к стенке цилиндра не прилегает по всей своей длине. В этом случае сгоревшие газы создадут барьер, который будет мешать передаче тепла через кольцо в стенку цилиндра, начиная от поршня, когда будут прорываться в щель. Это равносильно тому, что вы закроете часть радиатора автомобиля, чтобы у него не было возможности охладиться воздухом.
Если у кольца нет тесного контакта с канавкой, мы будем наблюдать ещё более страшную картину. В тех местах, где у газов есть возможность протекать через канавку мимо кольца, участок поршня просто лишается возможности охлаждаться, попадая в своеобразный тепловой мешок. В результате получаем выкрашивание и прогар части огневого пояса, которая прилегает к месту утечки. Именно по этой причине так много внимания уделяется износу канавки и геометрии цилиндра кольца. И главная причина вовсе не ухудшение энергетики. Ведь небольшое количество газов, которые прорываются в картер, не несёт в себе достаточной энергии, чтобы оказать влияние на потерю давления в такте рабочего хода и, соответственно, на потерю двигателем момента. Тем более, если речь идёт о высокооборотном моторе. Намного больше вреда двигателю наносит небольшая плотность в смысле потери надёжности и жёсткости и локальных тепловых перегрузок. Именно по этой причине очень быстро ломаются восстановленные методом перегильзовки блока или замены колец поршни, которые уже вышли из строя. Именно поэтому в первую очередь у спортивных моторов разрушается цилиндр, который имеет меньшую компрессию.
Здесь, видимо, следует коснуться вопроса, обязательно обсуждаемого при изготовлении специальных поршней для тюнинговых или спортивных приложений. Сколько именно у нового поршня будет колец? Какой толщины будут эти кольца? С точки зрения механики лучше, когда колец немного. Чем уже они будут, тем меньше будет потерь в поршневой группе. Однако при уменьшении толщины и высоты колец, будут ухудшаться условия охлаждения поршня, и увеличиваться тепловое сопротивление. Поэтому при выборе конструкции всегда приходится идти на компромисс. Жёсткость рамок увеличивается с быстроходностью мотора. В данном разделе нашего сайта вы сможете найти статью про перенос аккумулятора в багажник автомобиля. Скоротечность процессов снижает требования к уплотнению. Механические потери растут вместе со скоростью, и их нужно уменьшать, иначе всё, что преобразовалось ранее в механическую мощность, просто не достигнет колёс. Между тем, количество вырабатываемого тепла становится больше, поэтому охлаждающий мостик должен быть расширен. Из этого получаем, что кольца должны быть как узкими, так и широкими. Для быстроходности их нужно два, а для эффективности охлаждения поршня - три. Найти оптимальное решение этой задачи должен конструктор. Результаты его работы покажет сбалансированность двигателя.
На сегодняшний день инженеры, которые работают в крупных научных центрах и производственных компаниях, имеют огромный эмпирический материал, на основе которого создают расчётные методы, позволяющие предсказать поле характеристик и температур конкретного изделия с очень большой точностью. Это доступно очень и очень немногим тюнинговым компаниям. В этой статье специально не упоминаются многие значения конкретных величин, которые бы побудили бы некоторых читателей взять в руки калькуляторы. Делать же тепловые расчёты на пальцах совсем не перспективное и абсолютно никому не нужное занятие. Эта статья раскрывает ту сторону происходящих в двигателе процессов, которая очень редко рассматривается, но всегда подразумевается. Я лишь хотел раскрыть необходимость и важность влияния тепла на общую эффективность работы двигателя. Что касается механической части этого вопроса, то о нём мы подробно поговорим в следующий раз.
