для чего в днище поршня дизельного двигателя делают выемку
Устройство современного двигателя
Устройство поршня
Поршень является основной деталью поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поршень служит для восприятия и преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения. Поршень, как правило, имеет цилиндрическую форму. Во врем я работы двигател я поршень совершает возвратно поступательное движение внутри цилиндра.
Основные функции поршн я :
Поршень двигателя состоит из трех основных частей:
Днище поршня (воспринимает газовые силы и тепловую нагрузку);
Уплотняющая часть поршня (поршневые кольца, которые препятствуют прорыву газов в картер и передают большую часть тепла от поршня цилиндру двигателя);
Направляющая частьпоршня (юбка) — поддерживает положение поршня и передаёт боковую силу на стенку цилиндра.
В обиходе автомобилистов часто встречается такое название, как головка поршня. Головкой поршня называют днище поршня с его уплотняющей частью.
Днище поршня
Основная рабочая поверхность детали, которая вместе со стенками гильзы цилиндров и головкой блока формирует камеру сгорания, в которой и происходит сгорание горючей смеси. Днище поршня может иметь различную конструкцию в зависимости от типа и особенностей двигателя.
Виды поршней
В двухтактных двигателях применяются поршни со сферической формой днища, что приводит к повышению эффективности наполнения камеры сгорания горючей смесью и улучшает отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых двигателях днище имеет плоскую или вогнутую форму. Углубления – выемки служат для улучшения смесеобразования и уменьшают вероятность столкновения поршня с клапаном.
В дизельных моторах углубления в днище более габаритные и имеют различные формы. Такие выемки называют поршневой камерой сгорания. В процессе работы в поршневых камерах сгорания создаются завихрения, которые способствуют улучшению качества смешивания топлива с воздухом.
Уплотняющая часть поршня
Уплотняющая часть поршня предназначена для установки компрессионных и маслосъемных колец, которые предназначены для устранения зазора между поршнем и стенкой гильзы цилиндров.
Юбка поршн я
Юбка я в л я етс я направл я ющей поршня, обеспечива ет только возвратно-поступательное движение детали.
Для чего выемки на поршнях
Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?
Устройство детали включает в себя три составляющие:
Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.
Днище
Днище — основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.
Главный параметр днища — форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.
В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.
В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.
Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых — устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.
Уплотняющая часть
Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня — канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения. 
Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.
Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 — 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным.
В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.
Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.
Вас также заинтересует:
Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.
Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.
Для фиксации пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.
Видео
Гараж → Менять цилиндро-поршневую группу?
Алоха, дружная братия Откатал сезон на своём кузнеце и решил продать, дабы взять помощнее, да поновое Но т.к. у студентов, да ещё без опыта работа туго с работой, то с наличностью туго… безналичность, прямо-таки. Выходит, продав мот, могу остаться на полсезона без железного друга, а как это человеку, который сезон отъездил по полной, я боюсь представить, ибо всю зиму мы ждали весну и грязь (ну и асфальта тоже, но грязь интереснее =Р) В голову пришла альтернатива — если не хватает средства для покупки нового коня, почему бы не обновить старичка? Всплывает вопрос, за который камушками не кидать, ибо сирые мы, в железе несведущие, чего душой кривить: при замене ЦПГ появится ли у мота «второе дыхание» али его характеристики по сути разительно не изменятся? П.С.: в 1998 году было 22 лошааадки, кубов сантиметрических 125, движ 2Т Ну… что скажете? Забыть про сие дело с заменой и копить, терпеть, али сделать и в ус не дуть? 
П.П.С.: модераторам за логичность — честь и хвала.
Как понять, что поршневая неисправна, требует ремонта или замены?
Поршневая на скутер изнашивается естественным образом в случае интенсивной эксплуатации мопеда, а также при недостаточном уходе. Какие последствия износа наступают для техники и владельца:
Если вы наблюдаете хотя бы один из перечисленных признаков, можете заподозрить наличие проблем в цилиндро-поршневой группе
Если вы решили провести диагностику ЦПГ на скутер, акцентируйте внимание на следующих нюансах:
Если вы ответили «да» на вышеперечисленные вопросы, это тревожный знак. Скорее всего, ЦПГ на скутер придется менять.
Устройство поршня [ править
Поршень тронкового двигателя или компрессора имеет три части, выполняющие свои функции [2] :
Днище [ править
Уплотняющая часть [ править
Направляющая часть [ править
Принцип работы поршня
Главная задача поршня – восприятие давления газов в цилиндре и передача энергии давления через поршневой палец на шатун. Далее она преобразуется коленчатым валом в крутящий момент двигателя. Подобную задачу невозможно реализовать без надежного уплотнения поршня, который движется в цилиндре. В противном случае произойдет прорыв газов в картер и попадание моторного масла в камеру сгорания из него. Для решения этой проблемы в поршне предусмотрены канавки, в которых установлены компрессионные и маслосъемные кольца. Для отвода масла в поршне находятся специальные отверстия.
В процессе работы днище поршня напрямую контактирует с горячими газами и нагревается. Избыток тепла от днища к стенкам цилиндра отводят поршневые кольца и охлаждающая жидкость. В тяжелонагруженных агрегатах предусмотрено дополнительное масляное охлаждение: масло через форсунки подается на днище и во внутреннюю кольцевую полость поршня.
Чтобы уплотнение полостей поршня было надежным, его вертикальная ось должна совпадать с осью цилиндра. Перекосы недопустимы, так как они вызывают «болтание» поршня в цилиндре, снижают уплотняющие и теплопередающие свойства колец, а также увеличивают шумность работы двигателя. Для исключения подобных проблем служит юбка поршня. Она должна обеспечивать минимальный зазор как на холодном, так и прогретом агрегате.
Коэффициент расширения стенок цилиндра и самого поршня разные. Это обусловлено как разными конструкционными материалами, так и разницей в температуре нагрева. Чтобы нагретый поршень не заклинивало вследствие температурного расширения, существует два решения.
Первое – эллиптическая форма юбки поршня в поперечном сечении, где большая ось перпендикулярная оси пальца, а в продольном – конуса, который сужается к днищу поршня. Благодаря такой форме обеспечивается соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, что предотвращает заклинивание. Второе решение – заливка стальных пластин в юбку поршня некоторых моделей. При нагреве расширение металла происходит медленнее, что ограничивает расширение всей юбки.
В качестве конструкционного материала для производства поршней используется алюминий. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях работы, которые характерны современным двигателям, нужно обеспечить малую массу движущихся деталей. Поэтому, если использовать более тяжелые металлы, то потребуются и более мощные компоненты: шатун, коленвал и блок с толстыми стенками. Все это сделает увеличит размер и вес силового агрегата.
В конструкции поршня могут быть реализованы и другие инженерные решения. Например, обратный конус, расположенный в нижней части юбки. Он служит для уменьшения шума из-за перекладки элемента в мертвой точке. Для улучшения смазывания юбки используется микропрофиль на рабочей поверхности, который представляет собой маленькие канавки с шагом 0,2-0,5 мм, а для снижения трения применяется антифрикционное покрытие.
В России покрытие для поршней выпускает компания «Моденжи». MODENGY Для деталей ДВС наносится на юбки поршней и другие детали двигателя: коренные подшипники коленчатого вала, втулки пальцев, распредвалов, дроссельную заслонку. Покрытие способствует снижению трения и износа, предотвращает появление задиров на поверхностях и заклинивание поршня в цилиндре. Материал стоек к длительному воздействию моторного масла и в течение некоторого времени сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания. Полимеризация покрытия возможна как при комнатной температуре, так и при нагреве. Удобная аэрозольная упаковка упрощает процесс нанесения благодаря тщательно настроенным параметрам сопла распылительной головки.
Алюминий
Для снижения степени трения стенки поршней покрывают антифрикционным материалом, в качестве которого используют графит и дисульфид молибдена.
Типы поршней
В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.
Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.
В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.
Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.
Ресурс поршня
Две основные проблемы, решаемые в поршневых ДВС: износ и прогар поршня.
Для устранения первой организуют принудительное (обычно масляное) охлаждение поршня[34], повышают твёрдость увеличением доли кремния, используют надёжные воздухоочистители для уменьшения абразивного износа[35], изменяют параметры цикла двигателя для снижения температуры поршня в центре и районе верхнего кольца (напр.
, увеличивают коэффициент избытка воздуха или увеличивают перекрытие клапанов в наддувных дизелях), применяют вставки под верхнее кольцо, качественные поршневые кольца для хорошего прилегания сразу после обкатки, ускоряют заводскую обкатку применением специальных масел[36], повышают качество моторных масел для устранения закоксовывания колец и надёжной отдачи тепла от днища[37], иногда — используют покрытия для поршня или композитные материалы.
В японской практике были варианты пластмассовых поршней с покрытием керамикой. Для продления ресурса применяют антифрикционное покрытие направляющей и даже жаровой поверхности поршня[38]. Ускоренный или аварийный износ контрафактных поршней вызывается нарушением размеров и/или качества поковки/отливки, её материала.
Прогар поршня может вызываться конструктивными или эксплуатационными причинами. В первом случае превышена расчётная допустимая температура днища[40], и все двигатели этой модели будут быстро выходить из строя (возможна другая причина — контрафактные поршни[41]: они не могут выдержать нагрузок).
Для устранения опасности прогара в этих случаях применяют снижение механических напряжений и температуры поршня[42] (увеличение оребрения, охлаждение, снижение теплоотдачи в поршень изменением параметров цикла)[43]. Для снижения температуры сгорания может применяться даже подача воды в цилиндр[44].
Эксплуатационными причинами прогара могут быть: нарушение угла опережения впрыска/зажигания[45], отказ (заклинивание) форсунки, детонация (бензиновые)[46], чрезмерная форсировка, общий перегрев из-за отказа термостата, потери тосола, зажатых клапанов, бензина с низким октановым числом[47], вызывающим детонацию, длительное калильное зажигание.
Это приводит к превышению температуры днища и возможному его прогару. При детонационном сгорании, кроме того, может возникать выкрашивание поверхности, ведущее к дальнейшему её развитию, прогару поршня или вылому перегородок между кольцами, поломке колец.
Следовательно, необходимо соблюдать инструкцию — применять нужное топливо, правильно выставлять угол опережения зажигания/впрыска, немедленно прекращать работу неисправного дизеля со стучащей форсункой, или перегретого мотора. Высококачественные форсунки и другие дозирующие элементы топливной аппаратуры продлевают ресурс поршней.
Разрушители легенд. Смесеобразование и сгорание в дизельном двигателе. Часть №2. Турбулизация.
В первой части мы закончили тем, что из-за врождённых проблем со смесеобразованием литровая МАКСИМАЛЬНАЯ мощность дизеля заметно уступает бензинке. Естественно разработчики не хотели с этим мириться и, пытаясь улучшить смесеобразование, нарожали довольно большое количество разнообразных вариантов типов дизельных двигателей. Не знаю как так получается, но 100 лет назад в гараже на коленке средней руки инженер мог выпилить напильником двигатель с нуля, да не один, а с десяток разных конструкций, проверить мощность, расход, ресурс, тепловыделение… а сегодня целые корпорации выдают за свои чужие идеи столетней давности…
Ну не будем о грустном.
Я не буду делать экскурс в историю и описывать все конструкции дизельных двигателей — их было слишком много.
На сегодняшний день в строю осталась только версия дизеля с объёмным смесеобразованием и с камерой сгорания в поршне. Но даже такой конструкции реализаций слишком много:
Реально же наиболее массово производится вариант б).
Почему же все остальные варианты медленно отмирают?
Потому что конструкция б) обеспечивает МАКСИМАЛЬНУЮ ТУРБУЛИЗАЦИЮ(перемешивание) воздушного заряда при МИНИМУМЕ ЗАТРАТ на этот процесс, обеспечивая в итоге МАКСИМАЛЬНО возможную литровую мощность для дизеля:
Форму камеры сгорания в поршне оптимизируют для формирования МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ тороидального вихря, который образуется в поршне при сжатии воздуха в ходе подъёма поршня в ВМТ. Непосредственно в ВМТ практически ВЕСЬ воздух вращается в камере сгорания:
На подходе к ВМТ и начинается впрыск топлива. Направление воздушного потока противоположно направлению факела топлива — потому скорость топлива относительно воздуха максимальна и топливные капли ускоренно прогреваются и испаряются.
Но тороидальный вихрь гоняет воздух по кругу. Если время впрыска топлива больше времени оборота воздушного вихря — то часть топлива будет впрыскиваться в зону с уже выработанным кислородом, а это очень плохо.
Угол конусности при цилиндрической форме соплового отверстия распылителя составляет 15—20°.
Топливо, впрыснутое в камеру сгорания в виде факелов, распределяется в воздушном заряде неравномерно, так как число факелов, определяемое конструкцией распылителя, ограничено.
Даже если у распылителя 6 отверстий — то 6*20=120градусов.
360-120=240градусов
ДВЕ ТРЕТИ воздуха в камере сгорания располагается вне зоны доступности топливных факелов.
Пусть даже половина. Это очень большой недостаток.
Опять натыкаемся на родовое проклятие дизеля. При наличии В СРЕДНЕМ большого количества избыточного кислорода в камере сгорания — непосредственно в ФАКЕЛЕ сгорающего топлива кислорода катастрофически не хватает.
Разработать эффективный распылитель с сектором равномерного распыла в 360 градусов так и не получилось.
И потому проблему попытались уменьшать следующей хитростью:
Впускной клапан выполнили такой конструкции, что воздух при его прохождении отбрасывается в одну сторону и потому начинает вращаться в цилиндре:
Хотя осевое вращение воздуха в цилиндре замедляется и в процессе наполнения цилиндра и в процессе сжатия — но даже после упихивания всего воздуха в камеру сгорания получившийся тороидальный вихрь вращается и в осевой плоскости тоже. Потому воздух в нём движется по спирали. Потому и топливный факел будет напоминать спираль — впрыск можно продлить в два-три раза прежде чем отработанный воздух одного факела начнёт поступать в зону впрыска соседнего факела:
Правда при такой конструкции впускного клапана заметно снижается наполнение цилиндра. Потому появились варианты закручивания воздуха в цилиндре за счёт формы впускных каналов:
Повышенная турбулентность положительно влияет на процессы сгорания — потому график давления при повышенной турбулентности напоминает график при раннем впрыске:
Посмотреть как осуществляется ОСЕВОЕ завихрение можно в этом ролике после 70-ой секунды:
К сожалению, в этом ролике практически не наблюдается ТОРОИДАЛЬНОГО завихрения. А ведь именно оно и намного сильнее и намного важнее для двигателя, чем осевое. Очередная полуправда-полуложь.
Если мне попадётся видеоролик, показывающий как на самом деле завихряется воздух в цилиндре прямовпрыскового дизеля — обязательно выложу именно его.
.
.
.
.
Ну и напоследок — пара слов про аналогичную систему на нашем любимом ZD30. Чтобы, так сказать, от теории перейти к практике. Кусок из букваря по ZD30DDTI:
Вот читаю я все эти умные современные книжки и не сходится у меня в голове «дебет и кредит».
Либо книжки специально пишут так, «чтоб никто не догадался» как оно на самом деле фунциклирует, либо пишущий сам мало понимает в том, чего он описывает…
На холостом ходу и малых нагрузках цикловая подача топлива настолько мала, что никакие осевые завихрители в дизеле нафиг не нужны — воздуха полно, а топлива впрыскивается мизер — потому всё топливо замечательно сгорит и так.
Единственно что приходит в голову — при перекрытии одного канала в цилиндр будет поступать намного меньший объём свежего воздуха. Если ещё и горячих выхлопных газов на впуск через ЕГР набурындить побольше — то и совсем замечательно будет. Воздух горячий — его плотность мала. Топливо-воздушная смесь загораться будет быстрее, а сгорать медленнее… Окислов азота образуется меньше, а сажи больше. Но именно на холостом ходу заслонка тангенциального канала и не закрывается никогда, судя по документации… Короче тёмный лес. На тех оборотах, на которых заслонка завихрителя реально закрывается на Патроле, двигатель ZD30 практически и не работает никогда. Особенно если авто с АКПП. На фактические характеристики двигателя влияние заслонки настолько мало, что никто из заглушивших ЕГР и ампутировавших заслонку тангенциального канала никакой разницы так и не заметил.
Завихрители нужны при больших цикловых, когда кислород воздуха почти весь выгорает и только повышенная турбулентность помогает соединить топливо с окислителем! Потому на нормально спроектированных дизелях заслонка тангециального канала ЗАКРЫТА на ХХ и ОТКРЫВАЕТСЯ шаговым двигателем ПОСТЕПЕННО по мере повышения нагрузки и оборотов двигателя — вплоть до 2700 оборотов. При том, что завихрение нужно именно на высоких нагрузках — более важно обеспечить максимальное наполнение цилиндра свежим воздухом. Вот здесь хорошо описано как на самом деле должна работать вихревая заслонка — dieselok.md/about/articles/inlet-flaps-off/.
Наш славный ZD30 и в этом вопросе — упрощенная дешёвка. Вопрос у меня лично только один — нахрена вообще делать узел, если нормальное его функционирование и не планируется?!
Забавно, но на самых последних разработках CR-дизельных двигателей нет ни всех этих завихрителей, ни облегчённых поршней, ни 4 клапанов на цилиндр… Смешно, но преподносится это как очередной прогресс и инновации.
Дурят нашего брата по полной… 🙁
Я же для демонстрации откровенного отсутствия осевого завихрения на ZD30 приведу фотографии разрушенного поршня от ZD30:
Вот ещё более наглядное «пособие» по РЕАЛЬНОМУ впрыску на других дизелях:
На этих поршнях замечательно видны следы побежалости(перегрева) от форсуночных факелов.
Эти следы абсолютно симметричны и буквально вопиют о двух явных фактах:
1). Никакого выраженного осевого вихря при работе прямовпрыскового дизеля ПОД НАГРУЗКОЙ нет и в помине — иначе следы от факелов были бы деформированы воздушным вихрем в определённом направлении и чем дальше от центра поршня — тем сильнее было бы отклонение форсуночных факелов.
2). Впрыск топлива в современных дизелях затянут настолько, что ПОД НАГРУЗКОЙ значительная часть топлива фигачит не в камеру сгорания в поршне(как это должно быть и и как утверждается везде), а и на кромку камеры сгорания в поршне(перегревая некоторые её участки), а и на огневое днище поршня, а и на стенки цилиндра… Всё это безобразие никак не освещено литературой, но именно из-за этого и происходит перегрев и разрушение поршневой прямовпрысковых дизелей при мало-мальски серьёзных нагрузках. Но это тема следующих статей.