Поршень

– це основний елемент двигуна, який бере безпосередню участь у
трансформації хімічної енергії палива в механічну, яка і призводить
автомобіль в рух. Саме від поршнів залежать всі характеристики двигуна
автомобіля, у тому числі надійність і потужність. Особливо ця тема актуальна для
спортивних автомобілів та автомобілів, що привезли в тюннинговые ательє.
Майстри і конструктори завжди замислюються, чи варто встановлювати
спеціалізовані поршні, щоб домогтися збільшення потужності двигуна. Таким
чином, поршень стає однією з найбільш важливих і складних деталей мотора.
Доходить навіть до того, що компанії виробляють авто рідко займаються створенням
поршнів самостійно. Їм простіше замовити їх у фірм, що спеціалізуються на їх
розробці і виробництві. Взагалі існує величезна різноманітність поршнів. Вони
відрізняються формами, розмірами, тому компаніям немає сенсу намагатися налагодити
їх виробництво. А якщо припустити, що поршні будуть проводитися поштучно,
то це відразу принесе величезні збитки. Більш того, процес виробництва дуже
складний і вимагає спеціальних знань, а головне спеціального обладнання, без
якого неможливо правильно підігнати поршень до зміненого двигуну. З
подібними проблемами стикаються багато тюннинговые ательє.

 

Давайте
розберемося, яким вимогам повинен відповідати якісний поршень. Почнемо
з того, що він повинен бути виготовлений з матеріалів, що витримують високі
температури, тиск і виступати надійним ущільнювачем для циліндра. Це
необхідно з-за того, що під час роботи двигуна поршень постійно
переміщається і дозволяє розширюватися стиснутого газу, в результаті чого і
здійснюється його механічна робота. Також поршень повинен добре
чинити опір механічному впливу, тобто зносу, так як в процесі
роботи постійно виникає тертя. І якщо він буде виготовлений з матеріалу низької
якості, він просто може деформуватися. Також варто відзначити те, що в
процесі роботи поршень рухається з великою швидкістю, тому він повинен
володіти якомога меншою інерцією, щоб знизити навантаження на
кривошипно-шатунний механізм. Виходить, що можна виділити дві головні
проблеми, які можуть викликати несправність поршня. По-перше, це
вплив тепла, по-друге, це різноманітні дії механічного
характеру. Варто пам’ятати, що ці проблеми постійно доповнюють один одного і надають
спільне вплив на поршні. Але зараз давайте детальніше поговоримо про тепловому
впливі.

У
час згоряння, паливо виділяє дуже багато тепла. При цьому температура
наближається до 2000 градусів. Але не вся виділювана енергія переходить до
рухомих частин двигуна, тобто не вся енергія буде витрачена на рух
автомобіля. Не мала її частина піде на нагрівання двигуна і просто вийде
разом з вихлопними газами. Відомо, що якщо тепло передається від одного тіла
до іншому, то цей процес може припинитися, лише в одному випадку, коли
температури обох тіл стануть рівними. Тому, якщо поршень не охолоджувати, то він
нагріється до такої міри, що просто розплавиться. Особливо це важливо в
випадках форсованих двигунів. Так як при збільшенні потужності, різко
збільшується і кількість виробленого тепла. Звичайно, поршні не плавляться
часто, але на будь-які їх пошкодження величезний вплив чинить саме висока
температура, так як чим вона вище, тим нижче механічні характеристики
матеріалів. Тобто якщо матеріал, з якого виготовлено виріб, починає
деформуватися при 100 градусах, то при 450 виріб буде повністю зруйновано.
Тому потрібно постійно охолоджувати поршень або їх виготовляти з матеріалу,
здатного витримати високі температури. Зазвичай використовують матеріал і
охолодження.

Відомо,
що в камері згоряння найвищу температуру мають гази, а найнижча
температура у навколишнього автомобіль повітря, що потрапляє всередину через радіатор,
призводить до зниження температури охолоджувальної рідини, циліндрів і корпусу
голівки. Тепер потрібно зрозуміти яким чином, поршень віддає своє тепло. Всього
існує чотири способи, залежно від конструкції двигуна.

По-перше,
більша частина тепла віддається через поршневі кільця. Причому основну роль при
цьому відіграє саме перше кільце, яке розташоване найближче до днища. Таким
чином, поршні віддають близько половини всього тепла. По-друге, це передача
тепла моторного мастила. Саме воно здатне унести в піддон велика кількість
тепла, так як масло безпосередньо контактує з самими гарячими частинами
двигунів. Так поршні віддають від 30 до 40% тепла. Але при цьому не варто забувати
і про охолодженні олії, інакше з-за високих температур воно втратить свої
властивості і призведе до поломок. По-третє, для охолодження використовуються бобишки,
які передають тепло в палець, далі в шатун і масло. По-четверте, частина
тепла передається повітряної суміші, яка потрапляє в циліндр при впуску. Її
кількість залежить від ступеня відкриття дроселя. У цьому випадку тепло забирається
саме від самої нагрітої частини поршня, тому цей спосіб досить ефективний.
Але при цьому він швидкоплинний, імпульсивний і після цього знову виділяється тепло.

Якщо
розглядати процес на спортивних моторах, то необхідно згадати
стандартний прийом. Теплоємність паливної суміші залежить від складу, тобто від
частки палива. Чим більше ця частка, тим більше тепла потрібно для його випаровування.
Часто, щоб нормалізувати роботу мотора використовують маленьке забогащение
суміші, тобто трохи збільшують концентрацію палива. Це призводить до
незначного зниження внутрішньої температури. Також можна привести в приклад двигуни,
працюють на метанолі. Вони не потребують охолодження, як бензинові. Всі
з-за більш високої теплоти пароутворення.

Виходить,
що найбільшу увагу необхідно приділяти передачі тепла через кільця, так як
це найбільш ефективний метод охолодження. Якщо цей шлях буде охолодження
перекритий, то двигун просто не витримає, особливо якщо він працює в
форсованому режимі, так як температура швидко підніметься, поршні почнуть
плавитися і двигун зруйнується. Також при цьому не варто забувати про такий
популярному параметрі автомобіля як компресія. Особливо це актуально для
підтриманих автомобілів. Так як цей параметр побічно вказує на рівень
не щільності поршнів, який значно впливає на теплопередачу. Припустимо,
що кільце та циліндр не торкаються один з одним. У цьому випадку при згорянні,
тепло проникає у цей проміжок і не дає охолоджуватися поршням.

Ще
гірше буде, якщо у кільця не буде щільного контакту з канавкою. Так як якщо
буде можливість витоку газу через канавку, то в цьому місці поршень не буде
охолоджуватися. В результаті цього утворюється прогар. Тому потрібно приділяти дуже
багато уваги геометрії циліндра, кілець і станом канавки. Так як з-за
цього можуть виникати локальні теплові перевантаження, які призводять до
зниження надійності і жорсткості. Саме тому, після заміни кілець або
перегильзовки блоку під старі, двигуни швидко виходять з ладу. Саме
тому, першим руйнується той циліндр, який має меншу компресію,
особливо це стосується спортивних автомобілів.

Тепер
потрібно згадати про важливе питання: скільки кілець буде в новому поршні, і який
товщини вони будуть? Якщо подивитися на це з механічної точки зору, то чим
їх менше, тим краще і чим менше їх ширина, тим менше втрати. Але при
зменшення кількості і висоти, знижується і рівень охолодження поршнів. Тому
перш ніж вибрати той або інший варіант, необхідно добре подумати. Особливо
якщо справа стосується швидкохідних двигунів, так як чим швидше мотор, тим менше
вимоги до ущільнення і тим більше механічні втрати. Тому їх потрібно
зменшувати, інакше вся додаткова потужність не дійде до ходової частини
автомобіля. При цьому виробляється більше тепла, а значить і для охолодження
потрібно більш широкий місток. У підсумку, вся завдання лягає на плечі конструктора,
яким потрібно зробити якомога більш збалансований двигун.

В
даний час інженери накопичили вже багато інформації і постійно використовують
її для передбачення діапазону температур і інших характеристик конкретного
вироби. Але все це доступно тільки в наукових лабораторіях і виробничих
центрах великих компаній зі світовим ім’ям. Тому в більшості тюнінгових
майстерень фахівці просто не мають можливості зробити правильні теплові
розрахунки, не кажучи вже про самостійних спробах автолюбителів, так як це
дуже складно. У цій статті навмисно не наведено формули, так як це
марно, тут розказано тільки про важливої ролі тепла. Яка дуже часто
береться і не враховується.