Поршень — основной элемент поршневых двигателей¶

Поршень — это подвижный элемент поршневых машин (двигателей, компрессоров, насосов), преобразующий энергию давления газа или пара в поступательное механическое движение (или обратно — движение в энергию давления). Поршень перемещается в цилиндре возвратно-поступательно и через шатун передаёт усилие коленчатому валу. Является одной из ключевых деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС), паровых машин, холодильных компрессоров и гидравлических приводов.

¶Устройство

Типичный поршень ДВС состоит из следующих элементов:

• Днище — рабочая поверхность, воспринимающая давление газов. Может быть выпуклым, плоским или фигурным — форма зависит от типа камеры сгорания.
• Поршневые кольца — устанавливаются в канавках на цилиндрической части (юбке) и обеспечивают герметичность камеры сгорания, отвод тепла от поршня к стенкам цилиндра и снятие масляной плёнки.
• Канавки под кольца — обычно две компрессионных (верхних) и одна маслосъёмная (нижняя).
• Юбка (направляющая часть) — цилиндрическая наружная поверхность, по которой поршень скользит в цилиндре.
• Поршневой палец (втулка) — соединяет поршень со шатуном; может быть плавающим (самоустанавливающимся) или закреплённым в одном из элементов.
• Канавка под стопорное кольцо — фиксирует палец от осевого смещения.

Материалы: чаще всего поршни изготавливают из алюминиевых сплавов (силуминов) — литьём или ковкой с последующей механической обработкой. В судовых и стационарных двигателях применяются чугунные и стальные поршни. Для снижения теплопроводности днища в некоторых конструкциях используют стальные пластины-вставки.

¶Классификация

По назначению:

• Поршни двигателей внутреннего сгорания — воспринимают давление сгоревшей топливовоздушной смеси.
• Поршни компрессоров — сжимают газ или пар.
• Поршни насосов — создают давление жидкости.
• Поршни паровых машин — работают под действием пара.

По конструкции днища:

• с выпуклым днищем;
• с плоским днищем;
• с фигурным (сферическим, тороидальным) днищем.

По способу крепления поршневого плавника:

• с плавающим пальцем (наиболее распространён в ДВС);
• с закреплённым пальцем (в шатуне или в поршне).

По количеству компрессионных колец: от одного до пяти (в ДВС обычно два-три).

¶Работа в цилиндре

Поршень перемещается в цилиндре с зазором, компенсирующим тепловое расширение. Этот зазор (боковой) составляет десятые доли миллиметра и определяется допусками на изготовление. Герметичность камеры сгорания обеспечивают компрессионные кольца, прижатые к стенкам цилиндра давлением газов и собственной упругостью.

При работе поршень испытывает значительные тепловые и механические нагрузки:

• температура днища может достигать 250–300 °C у бензиновых двигателей и 350–400 °C у дизельных;
• максимальное давление на днище в дизеле — до 12–15 МПа;
• частота перемещения — до 10 000 об/мин у высокооборотных бензиновых двигателей.

Охлаждение поршня осуществляется за счёт отвода тепла через кольца к стенкам цилиндра (которые, в свою очередь, охлаждаются жидкостью или воздухом), а также масляным туманом и, в мощных двигателях, принудительной масляной ванной через каналы в шатуне и поршне.

¶Дефекты и ресурс

Основные типы износа и повреждений:

• износ юбки и канавок под кольца;
• пригорание и закоксовывание колец (потеря подвижности);
• коробление днища при перегреве;
• трещины в перемычках канавок и в днище;
• износ отверстий под поршневой палец.

Ресурс поршня в ДВС обычно составляет 200–500 тысяч километров пробега автомобиля (при условии нормальной эксплуатации) и, как правило, равен ресурсу цилиндропоршневой группы в целом. При капитальном ремонте двигателя поршни заменяют новыми или устанавливают ремонтные увеличенного размера (переточив цилиндры).

¶Применение

Поршневые механизмы применяются повсеместно:

• Автомобильные и авиационные ДВС — бензиновые, дизельные, газовые.
• Судовые двигатели — крупногабаритные, с высоким КПД (крупнейшие судовые дизели Wärtsilä-Sulzer RTA96-C имеют поршни диаметром 960 мм).
• Стационарные энергетические установки — газопоршневые электростанции.
• Компрессоры — в холодильной технике, пневматических системах, газоперекачивающих агрегатах.
• Насосы — плунжерные и поршневые водяные, топливные (ТНВД).
• Гидравлические цилиндры — в строительной и дорожной технике.

¶Интересные факты

• В русском языке слово «поршень» имеет значение не только технической детали: так называют также мягкую пробку для плотной посадки в горлышко сосуда.
• В 1801 году Ричард Тревитик построил первый паровой экипаж, в котором поршень впервые был применён для привода транспортного средства.
• Поршневой гиперболоидный двигатель (ПГД), разработанный в СССР В. В. Ольховатовым, использует вращающийся поршень сложной гиперболоидной формы — конструкция остаётся малосерийной.

Источники:

• «Справочник конструктора двигателей внутреннего сгорания», под ред. В. И. Исаева
• Г. В. Лисовской «Конструкция автомобильных двигателей»
• «Большая техническая энциклопедия», т. 16
• К. М. Черкасов, А. А. Шевцов «Двигатели внутреннего сгорания»