8.3.2. Група поршня

Група поршня складається із безпосередньо поршня, поршневих кілець, поршневого пальця, деталей кріплення поршневого пальця. Призначення цієї групи:

• брати участь в утворенні і герметизації камери згоряння;

• сприймати зусилля газів у циліндрі і передавати їх;

• сприймати і відводити теплоту від газів, а також ту, що виділяєть­ся від тертя поршня;

-у двотактних ДВЗ частково виконувати функції газорозподілення.

При роботі двигуна на поршневі деталі діють в умовах високих тем­ператур змінні за значенням і напрямком сили тиску газів та інерції, за характером близькі до ударних. Як результат нерівномірного нагрівання поршня у ньому виникають додаткові термічні напруження. Крім того, внаслідок тертя робочі поверхні деталей поршневої групи в умовах не­досконалого змащення зазнають підвищеного зносу.

У відповідності з призначенням та умовами роботи до групи поршня звичайно ставляться вимоги забезпечення:

• герметичності внутрішнього простору камери згоряння;

• відведення оптимальної кількості теплоти від головки поршня у стінки циліндра при мінімальному температурному градієнті у матеріалі поршня;

• малих витрат масла;

• мінімальної роботи тертя;

• високої стійкості проти спрацювання;

- мінімальної ваги конструкції при достатній міцності та жорсткості.

Поршень конструктивно складаються із головки, бобишок та юбки.

Крім того, за функціональними ознаками у поршні можна виділити (рис. 8.15):

• жаровий пояс (h), який займає відстань від торця головки до кана­вки під перше компресійне кільце; від температури його, особливо у зоні першого компресійного кільця, залежать граничні енергетичні показники двигуна та надійність його роботи;

• ущільнювальний пояс, який додатково охоплює зону розміщення поршневих кілець (Н_г) і забезпечує герметизацію камери згоряння;

• направляючий пояс на довжині юбки поршня (h_ю), який забезпе­чує під час роботи ДВЗ положення поршня, співвісне циліндру;

• бобишки, або вузол з'єднання поршня з шатуном, який іноді відно­сять до направляючого поясу.

Днище поршня разом з ущільнювальним поясом утворюють головку поршня, а додатково разом з бобишками — головний силовий елемент, який сприймає навантаження від стиснутих у циліндрі газів.

Днища поршнів мають різні форми поверхні (рис. 8.16). Плоске днище (рис. 8.16, а) є найбільш розповсюдженим у карбюраторних дви­гунах, а також у передкамерних та вихрокамерних дизелях.

Воно має мінімальну поверхню безпосереднього контакту з гарячими газами та найбільш просте у виготовленні. У ДВЗ із примусовим запалюванням широко застосовуються також угнуті і випуклі днища (рис. 8.16, а, б, в, д). У дизелів форми днища особливо різноманітні і залежать від способу утворення робочої суміші, від розміщення форсунки, ступеня стиску і т. д. Широке розповсюдження знайшли поршні із значними заглибленнями у днищі, у яких міститься основна частина об'єму камери згоряння (рис. 8.16, г). Днища з витискувачами (рис. 8.16, в) сприяють направле­ному рухові заряду у циліндрі та більш інтенсивному перемішуванню робочої суміші.

Днища та бокова поверхня поршня повинні бути міцними та жорст­кими. Для цього їх посилюють виступами, ребрами жорсткості з плавни­ми переходами для зменшення концентрації напруг.

Висота жарового поясу залежить від припустимої температури в зоні верхнього поршневого кільця. Як правило, вона не повинна пере­вищувати 200...230°С. Підвищення її над наведеним значенням супро­водиться неприпустимим нагароутворенням, зависанням поршневих кілець, вигорянням міжкільцевих перемичок тощо. В поршнях сучасних автомобільних двигунів для регулювання температури у зоні поршневих кілець застосовують ряд конструктивних прийомів: віддалення ущільню­вального пояса від днища за рахунок збільшення висоти жарового по­ясу; зменшення зазору між жаровим поясом і гільзою циліндра; збіль­шення товщини переходу днища до ущільнювального поясу і бобишок з метою більш рівномірного розподілення теплоти по всьому об'єму ме­талу; заливка в головку поршня нірезістових вставок під перше компре­сійне кільце (АІ-Fі-процес) для збільшення міцності канавки.

Довжина ущільнювального поясу поршня залежить від кількості поршневих кілець і товщини міжкільцевих перемичок h_п (рис. 8.15).

Остання залежить від значення сил тиску газів, сил інерції, від маси кіль­ця і сил тертя.

Довжина направляючого поясу (юбки поршня) та місцерозташування осі поршневого пальця відносно довжини поршня визначаються залежно від сили тертя та припустимої швидкості спрацювання поршня. Мінімальна сила тертя буде при розміщенні осі поршневого пальця на відстані Н₁ =(0,44...0,52)H (рис. 8.15) від нижнього торця поршня.

Висота жарового поясу в бензинових і газових двигунах значно мен­ша, ніж у дизелів і газодизелів (табл. 8.6). Це пояснюється меншою се­редньою температурою циклу.

Найбільшу товщину має перемичка h_п між першим і другим кіль­цем. Підкреслимо, що забезпечити необхідну герметизацію камери зго­ряння тільки довжиною ущільнювального поясу та числом кілець немо­жливо. Значною мірою вона досягається завдяки оптимальному зазору, висоті жарового поясу і масляній плівці між головкою поршня і цилінд­ром.

Таблиця 8.6