Поршень является компонентом поршневых двигателей , поршневых насосов , газовых компрессоров , гидравлических цилиндров и пневматических цилиндров , а также других подобных механизмов. Это движущийся компонент, который содержится в цилиндре и сделан газонепроницаемым поршневыми кольцами . В двигателе его цель состоит в том, чтобы передавать усилие от расширяющегося газа в цилиндре к коленчатому валу через поршневой шток и/или шатун . В насосе функция обратная, и усилие передается от коленчатого вала к поршню с целью сжатия или выталкивания жидкости в цилиндре. В некоторых двигателях поршень также действует как клапан , закрывая и открывая отверстия в цилиндре.
.jpg/1280px-BHB_Hiduminium_piston_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Двигатель внутреннего сгорания приводится в действие давлением расширяющихся газов сгорания в пространстве камеры сгорания в верхней части цилиндра. Затем эта сила действует вниз через шатун и на коленчатый вал . Шатун прикреплен к поршню с помощью поворотного поршневого пальца (США: палец запястья). Этот палец установлен внутри поршня: в отличие от парового двигателя, здесь нет поршневого штока или крейцкопфа (за исключением больших двухтактных двигателей).
На рисунке представлена типовая конструкция поршня. Этот тип поршня широко используется в автомобильных дизельных двигателях . В зависимости от назначения, степени наддува и условий работы двигателей форма и пропорции могут быть изменены.
Мощные дизельные двигатели работают в тяжелых условиях. Максимальное давление в камере сгорания может достигать 20 МПа, а максимальная температура некоторых поверхностей поршня может превышать 450 °C. Улучшить охлаждение поршня можно, создав специальную полость охлаждения. Форсунка снабжает эту охлаждающую полость «А» маслом через канал подачи масла «В». Для лучшего снижения температуры конструкция должна быть тщательно рассчитана и проанализирована. Расход масла в охлаждающей полости должен составлять не менее 80% расхода масла через инжектор.
Сам штифт изготовлен из закаленной стали и закреплен в поршне, но может свободно перемещаться в шатуне. В некоторых конструкциях используется «полностью плавающая» конструкция, которая свободна в обоих компонентах. Все штифты должны быть защищены от бокового перемещения и от врезания концов штифта в стенку цилиндра, обычно с помощью стопорных колец .
Газовое уплотнение достигается с помощью поршневых колец . Это ряд узких железных колец, свободно установленных в канавках поршня, чуть ниже головки. Кольца разрезаны в точке обода, что позволяет им прижиматься к цилиндру с легким давлением пружины. Используются два типа колец: верхние кольца имеют сплошные поверхности и обеспечивают газовое уплотнение; нижние кольца имеют узкие края и U-образный профиль, чтобы действовать как маслосъемники. Существует много фирменных и детальных конструктивных особенностей, связанных с поршневыми кольцами.
Поршни обычно отливаются или куются из алюминиевых сплавов . Для лучшей прочности и усталостной долговечности некоторые гоночные поршни [1] могут быть кованы . Поршни из заготовок также используются в гоночных двигателях, поскольку они не зависят от размера и архитектуры доступных поковок, что позволяет вносить изменения в конструкцию в последнюю минуту. Хотя это обычно не видно невооруженным глазом, сами поршни спроектированы с определенным уровнем овальности и конусности профиля, то есть они не идеально круглые, а их диаметр больше около нижней части юбки, чем у коронки. [2]
Ранние поршни были из чугуна , но были очевидные преимущества для балансировки двигателя, если можно было использовать более легкий сплав. Для производства поршней, которые могли бы выдерживать температуры сгорания двигателя, было необходимо разработать новые сплавы, такие как сплав Y и Hiduminium , специально для использования в качестве поршней.
Несколько ранних газовых двигателей [i] имели цилиндры двойного действия , но в остальном все поршни двигателей внутреннего сгорания являются поршнями одинарного действия . Во время Второй мировой войны американская подводная лодка Pompano [ii] была оснащена прототипом печально известного ненадежного двухтактного дизельного двигателя HOR двойного действия. Несмотря на компактность, для использования в тесной подводной лодке эта конструкция двигателя не была повторена.
Медиа, связанные с поршнями двигателей внутреннего сгорания на Wikimedia Commons
Поршни тронка длинные относительно своего диаметра. Они действуют как поршень и цилиндрический крейцкопф . Поскольку шатун наклонен на протяжении большей части своего вращения, также существует боковая сила, которая реагирует вдоль стороны поршня на стенку цилиндра. Более длинный поршень помогает поддерживать это.
Поршни Trunk были распространенной конструкцией поршня с первых дней поршневого двигателя внутреннего сгорания. Они использовались как для бензиновых, так и для дизельных двигателей, хотя в настоящее время высокоскоростные двигатели используют более легкий поршень Slipper.
Характерной чертой большинства тронковых поршней, особенно для дизельных двигателей, является то, что они имеют канавку для маслосъемного кольца под поршневым пальцем , в дополнение к кольцам между поршневым пальцем и головкой.
Название «поршневой двигатель trunk» происходит от « trunk engine », ранней конструкции морского парового двигателя . Чтобы сделать их более компактными, они избежали обычного поршневого штока парового двигателя с отдельной крейцкопфой и вместо этого стали первой конструкцией двигателя, в которой поршневой палец был помещен непосредственно в поршень. В остальном эти поршни trunk engine мало напоминали поршень trunk; они были чрезвычайно большого диаметра и двойного действия. Их «хобот» представлял собой узкий цилиндр, установленный в центре поршня.
Медиа, связанные с Trunk pistons на Wikimedia Commons
Большие низкооборотные дизельные двигатели могут потребовать дополнительной поддержки для боковых сил на поршне. Эти двигатели обычно используют поршни с крейцкопфом . Главный поршень имеет большой шток поршня, простирающийся вниз от поршня к тому, что фактически является вторым поршнем меньшего диаметра. Главный поршень отвечает за газовое уплотнение и несет поршневые кольца. Меньший поршень является чисто механической направляющей. Он движется внутри небольшого цилиндра как направляющая ствола и также несет поршневой палец.
Смазка крейцкопфа имеет преимущества перед тронковым поршнем, поскольку его смазочное масло не подвержено воздействию тепла сгорания : масло не загрязняется частицами сажи сгорания, оно не разрушается из-за тепла, и можно использовать более жидкое, менее вязкое масло. Трение как поршня, так и крейцкопфа может быть только вдвое меньше, чем у тронкового поршня. [3]
Из-за дополнительного веса эти поршни не используются в высокоскоростных двигателях.
Медиа, связанные с поршнями крейцкопфа на Wikimedia Commons
.jpg/1280px-Ricardo_slipper_piston_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Скользящий поршень — это поршень для бензинового двигателя, который был уменьшен в размере и весе настолько, насколько это возможно. В крайнем случае они уменьшены до головки поршня, опоры для поршневых колец и ровно столько юбки поршня, чтобы оставить две фаски, чтобы поршень не качался в отверстии. Боковые стороны юбки поршня вокруг поршневого пальца уменьшены от стенки цилиндра. Целью является в основном уменьшение возвратно-поступательной массы, что упрощает балансировку двигателя и, таким образом, позволяет развивать высокие скорости. [4] В гоночных приложениях скользящие юбки поршня могут быть сконфигурированы так, чтобы обеспечить чрезвычайно легкий вес при сохранении жесткости и прочности полной юбки. [5] Уменьшенная инерция также повышает механическую эффективность двигателя: силы, необходимые для ускорения и замедления возвратно-поступательных частей, вызывают большее трение поршня о стенку цилиндра, чем давление жидкости на головку поршня. [6] Вторичным преимуществом может быть некоторое снижение трения о стенку цилиндра, поскольку площадь юбки, которая скользит вверх и вниз в цилиндре, уменьшается вдвое. Однако большая часть трения возникает из-за поршневых колец , которые являются деталями, которые фактически наиболее плотно прилегают к отверстию и опорным поверхностям поршневого пальца, и, таким образом, преимущество уменьшается.
Медиа, связанные с поршнями Slipper на Wikimedia Commons
.jpg/1280px-Two-stroke_deflector_piston_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Дефлекторные поршни используются в двухтактных двигателях с компрессией картера, где поток газа внутри цилиндра должен быть тщательно направлен, чтобы обеспечить эффективную продувку . При перекрестной продувке передаточные (впускные в цилиндр) и выпускные отверстия находятся на прямо обращенных друг к другу сторонах стенки цилиндра. Чтобы предотвратить прохождение входящей смеси прямо из одного отверстия в другое, поршень имеет приподнятое ребро на своей головке. Это предназначено для отклонения входящей смеси вверх, вокруг камеры сгорания . [7]
Много усилий и множество различных конструкций головки поршня были направлены на разработку улучшенной продувки. Головки развивались от простого ребра до большой асимметричной выпуклости, обычно с крутой поверхностью на стороне впуска и плавной кривизной на стороне выпуска. Несмотря на это, перекрестная продувка никогда не была столь эффективной, как надеялись. Большинство двигателей сегодня используют вместо этого портирование Шнурле . Это размещает пару передаточных портов по бокам цилиндра и способствует вращению газового потока вокруг вертикальной оси, а не горизонтальной. [8]
Медиа, связанные с поршнями дефлектора на Wikimedia Commons
В гоночных двигателях прочность и жесткость поршня обычно намного выше, чем у двигателя легкового автомобиля, а вес намного меньше, что позволяет достичь высоких оборотов двигателя, необходимых в гонках. [9]
Гидравлические цилиндры могут быть как одностороннего, так и двустороннего действия . Гидравлический привод управляет движением поршня вперед и назад. Направляющие кольца направляют поршень и шток и поглощают радиальные силы, которые действуют перпендикулярно цилиндру, и предотвращают контакт между скользящими металлическими частями.
.jpg/1280px-Piston,_sprung_ring_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Паровые двигатели обычно являются двигателями двойного действия (т. е. давление пара действует попеременно на каждую сторону поршня), а впуск и выпуск пара контролируются золотниковыми клапанами , поршневыми клапанами или тарельчатыми клапанами . Следовательно, поршни паровых двигателей почти всегда представляют собой сравнительно тонкие диски: их диаметр в несколько раз превышает их толщину. (Единственным исключением является поршень тронкового двигателя , по форме больше похожий на поршни в современных двигателях внутреннего сгорания.) Другим фактором является то, что поскольку почти все паровые двигатели используют крейцкопфы для передачи силы на приводной шток, то мало боковых сил, которые пытаются «раскачать» поршень, поэтому юбка поршня в форме цилиндра не нужна.
Поршневые насосы могут использоваться для перемещения жидкостей или сжатия газов .
В воздушных пушках используются два специальных типа поршней : поршни с малым допуском и двойные поршни. В поршнях с малым допуском уплотнительные кольца служат в качестве клапана, но в двойных поршнях уплотнительные кольца не используются. [ необходима цитата ]