Все или почти все о поршне - занимательное и полезное чтение. Начнем того, как поршень греется, к чему это приводит и как этого избежать.
Если быть точным, поршень - это самая нагруженная деталь в двигателе. Он испытывает механические нагрузки от расширения рабочей смеси при сгорании ее в цилиндре, тепловые - от того же сгорания, да к тому же еще и ускоряется-замедляется по 100-200 раз в минуту. И должен при этом передать всю энергию сгорания дальше по инстанциям. Но сейчас нас интересует он только с одной стороны: это вещь, которая греется. Ну, и между делом ходит туда-сюда в цилиндре.
Без терминологии никак не обойтись. Боковые стенки поршня называются юбкой, верхняя - дном, приливы под поршневой палец - бобышками. Иногда верхнюю часть поршня (выше поршневого пальца) называют головкой. Какая поверхность поршня внешняя, а какая внутренняя - понятно и так. Есть еще кольца и прочая чепуха, но сейчас это нас не интересует, ибо греться поршню не помогает и не мешает.
Отчего поршень греется? Ответ очевиден - от бушующего в цилиндре пламени. Нагревом от трения юбки поршня о зеркало цилиндра можно смело пренебречь. Основное доказательство: когда есть возможность, я обкатываю новую поршневую, вращая коленвал внешним двигателем. Так вот, нагрева цилиндра (а, следовательно - и поршня) практически не происходит, несмотря на отсутствие обдува. Если захотите сами применить этот способ обкатки - не забывайте периодически впрыскивать масло в камеру КШМ и непосредственно в цилиндр через свечное отверстие. Иначе, при работе "на сухую" как раз-таки возникнет и трение, и нагрев, и перегрев.
Но поршень не только греется, но и охлаждается, иначе бы он раскалился до 600-900 градусов Цельсия и ему пришел бы откровенный кердык. Охлаждается поршень холодной рабочей смесью, находящейся в камере КШМ, соприкасаясь с ней внутренней поверхностью юбки и дна; часть тепла отводится при тепловом контакте внешней поверхности юбки к зеркалу цилиндра; самая малая часть отводится через поршневой палец к шатуну. При использовании игольчатого подшипника в этом узле теплоотдачей здесь можно пренебречь. Попутно замечу, что именно из-за нагрева пальца при холодном шатуне в значительной степени происходит износ и разрушение этого самого подшипника, от чего свободен подшипник скольжения (бронзовая втулка).
Чем чреват нагрев поршня? Самое главное - при нагреве он расширяется. Причем алюминиевый поршень расширяется намного меньше, чем чугунная гильза цилиндра. Вследствие этого и происходит клин поршня в цилиндре. Причем механика этого процесса такова: расширившийся поршень выдавливает пленку масла между юбкой и зеркалом, после чего начинается трение металла о металл. Это приводит к резкому нагреву юбки, а дальше - прихват поршня или клин.
Как предотвратить перегрев поршня? Многие тут же скажут: полировать дно! Однако адепты поголовного и повсеместного полирования будут наверняка удивлены, что на дно некоторых поршней наоборот, наносилось теплоизолирующее покрытие - керамика или фторопласт (вспомните тефлоновые сковородки). Особенно это актуально на коротких поршнях кроссовых мотоциклов, у которых охлаждение за счет теплового контакта с зеркалом практически отсутствует. Смысл в этом есть: цикл сгорания (назовем это так) составляет 25-30% от общего времени работы двигателя. Следовательно, лучше защититься от тепла, чем улучшать его отдачу. Но для двухтактных двигателей это не актуально - высота поршня регламентируется окнами цилиндра. И в этом случае действительно, лучше всего отполировать дно - это улучшит теплоотдачу и предотвратит (в какой-то степени) образование нагара. А вот нагар на дне поршня резко увеличивает его нагрев!
А теперь подходим к самому сложному. При нагреве поршень расширяется неравномерно. Головка поршня, где металла больше, соответственно больше и расширяется, чем низ юбки. Но при рабочей температуре поршень должен быть строго цилиндрическим. Соответственно, для этого его делают несколько коническим - диаметр поршня снизу несколько больше диаметра вверху. Хотя эта разница и невелика (сотые доли миллиметра), но она совершенно обязательна. Где в таком случае мерить диаметр поршня? Принято это делать под нижним компрессионным кольцом. Поскольку в двухтактных поршнях маслосъемных колец нет, то можно сказать и проще: под нижним кольцом.
Но и это еще не все. Мало того, что поршень не цилиндрический, а конический, он еще и не круглый! Тут придется рассмотреть приложение сил к поршню в цилиндре во время работы. Рабочая смесь в цилиндре создает давление на поршень P, направленное перпендикулярно дну поршня. Реактивная сила шатуна R раскладывается на две составляющие, одна из которых (F) направлена встречно давлению, а другая - (N) перпендикулярно зеркалу цилиндра. Именно N прижимает поршень к стенкам цилиндра, деформируя его. Для того чтобы поршень оставался круглым во время работы, его изготавливают эллиптическим. Большая ось эллипса направлена перпендикулярно продольной оси поршневого пальца. Теперь можно с уверенностью сказать, что поршень имеет эллиптическо-коническую форму в холодном состоянии и цилиндрическую при работе. И это так!
К сожалению, это только в идеале. При работе поршень изнашивается, причем изнашивается неравномерно. Если производить измерение поршня неправильно, то создастся ощущение, что никакого износа нет. В самом деле, основной диаметр поршня, измеренный под нижним кольцом перпендикулярно продольной оси поршневого пальца, практически неизменен. Если измерить диаметр поршня в той же плоскости, но перпендикулярно - износа вообще не будет! А вот если измерить нижний диаметр юбки поршня - износ налицо. Зачастую этот диаметр даже меньше основного. Это и приводит к так называемой перекладке поршня, точнее, к чрезмерной перекладке. Отсюда и стуки, и звон при работе двигателя, малая мощность и склонность к перегреву. Можно сравнить два поршня, новый и изношенный. Если первый будет иметь такую хитрую форму, как сказано выше, то второй будет просто непонятной формы. Разумеется, если новый поршень не будет "левым".
А если поршень изнашивается неравномерно, следовательно, какая-то часть поверхности поршня "не работает". Действительно, это так. Если посмотреть на приложение силы N, то будет ясно, что боковая поверхность поршня около поршневого пальца в работе практически не участвует. Поэтому, для предотвращения клина поршня вследствие его деформации под воздействием силы N, часть металла снимают. При этом образуются так называемые холодильники. Их роль двояка: помимо предотвращения клина от деформации поршня они еще и хранят в себе масло, стекающее с поршня и пальца. Характерно, что все "левые" поршни холодильников не имеют, что говорит о качестве их работы.
Напоследок остановлюсь о такой хитрости, как разрезной поршень. Они изначально применяются на "Планетах". Основное их отличие - в юбке ниже поршневого пальца выполнен вертикальный разрез. Количество и форма разрезов может быть различна, но принцип их работы один - при расширении юбки разрез сужается, и клина не происходит. Обычно такие поршни применяют при большом диаметре цилиндра и высоте поршня. Однако не противопоказаны разрезы и "юпитеровским" поршням. Большой пользы от них не будет, но если есть зуд в руках - можете попробовать. Но не думайте, что будет какой-то явно выраженный эффект - нижняя часть юбки короткоходового двигателя слишком короткая. И обязательно просверлите отверстие вначале разреза, иначе поршень попросту сломается в этом месте!
Вот вкратце и все, что надо знать из теории. В следующий раз расскажу о практике - покупке новых поршней при ремонте ЦПГ."
Источник: http://moto4you.ru |
