Конструктивные особенности поршня
Поршень — это одна из главнейших составляющих системы двигателя внутреннего сгорания. Его задача - передача энергии сгорания топлива через палец и шатун коленчатому валу. Совместно с кольцами поршень защищает цилиндр от попадания продуктов сгорания в картер. Во время работы на него воздействуют высокие механические и тепловые нагрузки.
Максимальное давление в цилиндре, которое возникает при работе двигателя, может достигать 65-80 бар в бензиновом и до 80-160 бар в дизельном варианте. Это соответствует нагрузке в 5 тонн, которая действует на поршень двигателя легкового автомобиля и в 10-20 тонн — на поршень дизельного двигателя.
В процессе работы двигателя поршень совершает возвратно-поступательные движения, с периодическими ускорениями до скорости более 100 км/час, а затем замедлениями до 0км/час. Данный цикл проходит с двойной частотой вращения коленвала, что означает, что при 6 000 об/мин он проходит с частотой 200 Гц.
Самое максимальное ускорение, которые приходятся на верхнюю и нижнюю мертвые точки, достигает 15 000-20 000 м/с2, соответствующей перегрузке 1 500 - 2 000g. При выводе ракеты в космос экипаж космического корабля находится под в сотни раз меньшей перегрузой .
Сгорание топливо-воздушной смеси происходит при температуре 1 800-2 600 °С. Данная температура в несколько раз превышает точку плавления поршневого сплава на основе алюминия (около 700°С). Для того, чтобы сохранить работоспособность, поршень обязан иметь эффективные способы охлаждения. Например, передавать тепло от камеры сгорания через кольца, юбку, стенки цилиндра, палец и внутреннюю поверхность охлаждающей жидкости и маслу. При его нагреве происходит значительное снижение предела прочности материала, а также возникают термонапряжения от перепадов температуры по его телу, которые накладываются на напряжения от сил давления газов и инерционных сил. Таким образом, условия работы поршня можно определить как очень сложные.
Для противостояния данным воздействиям поршень обязан обладать низкой массой, высокой прочностью, износостойкостью, а также теплопроводностью. Все перечисленные условия обязательно учитываются в ООО АВТРАМАТ при проектировании. Также важную роль играет форма внутренних поверхностей и конструктивных элементов поршня. Она обеспечивает заданную прочность и эксплуатационную износостойкость за счет рационального распределения и применения сплава.
Особое внимание уделено форме наружной поверхности. Внешний профиль боковой поверхности поршня формируется с учетом деформаций от механических нагрузок (давления газов и инерционных сил) и теплового воздействия от сгорания топливовоздушной смеси таким образом, чтобы ни при каких условиях не произошло заклинивание в цилиндре, прорыв горячих газов в картер, прогорание камеры сгорания.
Стоит отметить, что температура изделий на днище (в зоне камеры сгорания) выше, чем на юбке, следовательно температурное расширение головки будет больше. Именно поэтому поршень в холодном состоянии имеет бочкообразный силуэт и сужается от юбки к головке. При работе двигателя, действующие на поршень силы деформируют его так, что юбка приобретает форму овала. По этой причине поршень изначально выполняется с «противоэллипсом», компенсируя данные изменения в форме.
Зазоры между поршнем и цилиндром сводятся к минимуму для более тихой работы системы. Результат данного мероприятия особенно заметен в неразогретом двигателе. Но также зазоры обязаны быть достаточного размера для предотвращения технических неполадок, например, заклинивания при работе прогретого двигателя. Бочкообразная и овальная форма внешней поверхности, кроме компенсации соответствующих деформаций от силового и теплового воздействия, обеспечивает образование масляной пленки между поршнем и цилиндром (гидродинамическая смазка).
