Поршень является компонентом поршневых двигателей , поршневых насосов , газовых компрессоров , гидроцилиндров и пневмоцилиндров , а также других подобных механизмов. Это движущийся компонент, заключенный в цилиндр и газонепроницаемый с помощью поршневых колец . В двигателе его целью является передача силы от расширяющегося газа в цилиндре на коленчатый вал через шток поршня и/или шатун . В насосе функция обратная, и сила 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)
На двигатель внутреннего сгорания действует давление расширяющихся газов сгорания в пространстве камеры сгорания в верхней части цилиндра. Затем эта сила действует вниз через шатун на коленчатый вал . Шатун прикреплен к поршню с помощью поворотного поршневого пальца (США: запястный палец). Этот палец установлен внутри поршня: в отличие от парового двигателя здесь нет поршневого штока или крейцкопфа (за исключением больших двухтактных двигателей).
Типичная конструкция поршня представлена на фото. Этот тип поршня широко используется в автомобильных дизельных двигателях . В зависимости от назначения, уровня наддува и условий работы двигателей форма и пропорции могут быть изменены.
Дизельные двигатели большой мощности работают в тяжелых условиях. Максимальное давление в камере сгорания может достигать 20 МПа, а максимальная температура некоторых поверхностей поршня может превышать 450 °С. Улучшить охлаждение поршня можно за счет создания специальной полости охлаждения. В эту охлаждающую полость «А» инжектор подает масло через канал подачи масла «Б». Для лучшего снижения температуры конструкция должна быть тщательно рассчитана и проанализирована. Расход масла в полости охлаждения должен составлять не менее 80 % расхода масла через форсунку.
Сам палец изготовлен из закаленной стали и закреплен в поршне, но свободно перемещается в шатуне. В некоторых конструкциях используется «полностью плавающая» конструкция, в которой оба компонента свободны. Все пальцы должны быть защищены от смещения вбок и от врезания концов пальца в стенку цилиндра, обычно с помощью стопорных колец .
Газонепроницаемость достигается за счет использования поршневых колец . Это несколько узких железных колец, свободно вставленных в канавки поршня чуть ниже головки. Кольца разделены в одной точке обода, что позволяет им прижиматься к цилиндру с легким давлением пружины. Применяются два типа колец: верхние кольца имеют цельные грани и обеспечивают газонепроницаемость; нижние кольца имеют узкие края и U-образный профиль и выполняют роль маслосъемных колец. С поршневыми кольцами связано множество запатентованных и детальных конструктивных особенностей.
Поршни обычно отливают или куют из алюминиевых сплавов . Для повышения прочности и усталостной долговечности некоторые гоночные поршни [1] могут быть коваными . Поршни из заготовок также используются в гоночных двигателях, поскольку они не зависят от размера и архитектуры имеющихся поковок, что позволяет вносить изменения в конструкцию в последнюю минуту. Хотя поршни обычно не видны невооруженным глазом, сами поршни имеют определенную овальность и конусность профиля, что означает, что они не идеально круглые, а их диаметр больше в нижней части юбки, чем в верхней части. [2]
Ранние поршни были из чугуна , но использование более легкого сплава давало очевидные преимущества для балансировки двигателя. Чтобы производить поршни, способные выдерживать температуру сгорания двигателя, необходимо было разработать новые сплавы, такие как сплав Y и гидуминий , специально для использования в качестве поршней.
Некоторые ранние газовые двигатели [i] имели цилиндры двойного действия , но в остальном фактически все поршни двигателей внутреннего сгорания являются односторонними . Во время Второй мировой войны американская подводная лодка «Помпано» [ii] была оснащена прототипом печально известного ненадежного двухтактного дизельного двигателя двойного действия HOR . Несмотря на компактность, для использования в тесной подводной лодке, такая конструкция двигателя не была повторена.
СМИ, связанные с поршнями двигателя внутреннего сгорания, на Викискладе?
Поршни багажника длинные относительно их диаметра. Они действуют как поршень, так и цилиндрическая траверса . Поскольку на протяжении большей части своего вращения шатун находится под углом, существует также боковая сила, которая действует вдоль боковой части поршня на стенку цилиндра. Более длинный поршень помогает поддержать это.
Поршни с тронком были распространенной конструкцией поршней с первых дней существования поршневых двигателей внутреннего сгорания. Они использовались как для бензиновых, так и для дизельных двигателей, хотя в высокоскоростных двигателях теперь используются более легкие скользящие поршни.
Характерной чертой большинства тронковых поршней, особенно дизельных двигателей, является то, что они имеют канавку для смазочного кольца под поршневым пальцем , в дополнение к кольцам между поршневым пальцем и головкой.
Название «троновый поршень» происходит от слова « хоботный двигатель », ранней конструкции морского парового двигателя . Чтобы сделать их более компактными, они отказались от обычного поршневого штока парового двигателя с отдельной траверсой и вместо этого стали первой конструкцией двигателя, в которой поршневой палец размещался непосредственно внутри поршня. В остальном эти поршни тронкового двигателя мало походили на тронковые поршни; они были чрезвычайно большого диаметра и двойного действия. Их «хобот» представлял собой узкий цилиндр, установленный в центре поршня.
СМИ, связанные с поршнями багажника, на Викискладе?
Большим тихоходным дизельным двигателям может потребоваться дополнительная поддержка боковых сил на поршень. В этих двигателях обычно используются поршни с крейцкопфом . Главный поршень имеет большой поршневой шток , идущий вниз от поршня к тому, что фактически является вторым поршнем меньшего диаметра. Главный поршень отвечает за газонепроницаемость и несет на себе поршневые кольца. Меньший поршень представляет собой чисто механическую направляющую. Он проходит внутри небольшого цилиндра в качестве направляющей ствола, а также несет на себе поршневой палец.
Смазка крейцкопфа имеет преимущества перед тронковым поршнем, так как его смазочное масло не подвержено воздействию тепла сгорания : масло не загрязняется частицами сажи сгорания, оно не разрушается под действием тепла, а более жидкое и менее вязкое масло может использоваться. Трение поршня и крейцкопфа может составлять лишь половину от трения тронкового поршня. [3]
Из-за дополнительного веса этих поршней их не применяют для высокооборотных двигателей.
СМИ, связанные с поршнями Crosshead, на Викискладе?
.jpg/1280px-Ricardo_slipper_piston_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Шатунный поршень – это поршень для бензинового двигателя, максимально уменьшенный в размерах и массе. В крайнем случае они сводятся к днищу поршня, опоре для поршневых колец и оставшейся юбке поршня ровно настолько, чтобы оставить две площадки и предотвратить раскачивание поршня в канале цилиндра. Боковые стороны юбки поршня вокруг поршневого пальца отодвинуты от стенки цилиндра. Основная цель состоит в том, чтобы уменьшить возвратно-поступательную массу, что облегчит балансировку двигателя и, таким образом, позволит достичь высоких скоростей. [4] В гоночных приложениях юбки скользящих поршней могут быть сконфигурированы так, чтобы обеспечить чрезвычайно легкий вес, сохраняя при этом жесткость и прочность полной юбки. [5] Снижение инерции также повышает механический КПД двигателя: силы, необходимые для ускорения и замедления возвратно-поступательных частей, вызывают большее трение поршня о стенку цилиндра, чем давление жидкости на головку поршня. [6] Дополнительным 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 фактически наиболее плотно прилегают к отверстию и опорным поверхностям поршневого пальца, и, таким образом, польза снижается.
СМИ, связанные с поршнями Slipper, на Викискладе?
.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 необходимо тщательно направлять, чтобы обеспечить эффективную продувку . При перекрестной продувке передаточное (входное в цилиндр) и выпускное отверстия находятся на обращенных друг к другу сторонах стенки цилиндра. Чтобы предотвратить попадание поступающей смеси прямо через одно отверстие в другое, поршень имеет приподнятое ребро на головке. Это предназначено для отклонения поступающей смеси вверх, вокруг камеры сгорания . [7]
Много усилий и множество различных конструкций днища поршня были потрачены на разработку улучшенной продувки. Коронки превратились из простого ребра в большую асимметричную выпуклость, обычно с крутой гранью на входной стороне и плавным изгибом на выпускной стороне. Несмотря на это, перекрестная очистка никогда не была настолько эффективной, как хотелось бы. Сегодня большинство двигателей используют портирование Шнуерле . Это размещает пару передаточных отверстий по бокам цилиндра и заставляет поток газа вращаться вокруг вертикальной оси, а не горизонтальной оси. [8]
СМИ, связанные с поршнями дефлекторов, на Викискладе?
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]
Гидроцилиндры могут быть как одностороннего , так и двустороннего действия . Гидравлический привод управляет движением поршня вперед и назад. Направляющие кольца направляют поршень и шток, поглощают радиальные силы, действующие перпендикулярно цилиндру, и предотвращают контакт скользящих металлических частей.
.jpg/1280px-Piston,_sprung_ring_(Heat_Engines,_1913).jpg)
Паровые двигатели обычно имеют двойное действие (т.е. давление пара действует поочередно на каждую сторону поршня), а поступление и выпуск пара контролируется золотниковыми , поршневыми или тарельчатыми клапанами . Следовательно, поршни паровой машины почти всегда представляют собой сравнительно тонкие диски: их диаметр в несколько раз превышает толщину. (Одним исключением является поршень тронкового двигателя , по форме больше напоминающий поршни современного двигателя внутреннего сгорания.) Другой фактор заключается в том, что, поскольку почти во всех паровых двигателях используются крейцкопфы для передачи силы на приводной шток, боковых сил, действующих на тягу, мало. и «раскачивать» поршень, поэтому юбка поршня цилиндрической формы не требуется.
Поршневые насосы могут использоваться для перемещения жидкостей или сжатия газов .
В пневматических пушках используются два специальных типа поршней : поршни с жесткими допусками и двойные поршни. В поршнях с жестким допуском уплотнительные кольца служат клапаном, но в двухпоршневых типах уплотнительные кольца не используются. [ нужна цитата ]