Из чего состоит поршень двигателя основные детали и принцип работы (4 видео)

Поршень является одной из ключевых деталей внутреннего сгорания двигателя. Он не только выполняет функцию перемещения, но и является главным источником энергии, которая преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Основная задача поршня — преобразовать химическую энергию в механическую, обеспечивая работу двигателя.

Внешне поршень похож на цилиндрическую трубку с плоским днищем. Он состоит из нескольких основных деталей. Верхняя часть поршня называется головкой, которая соприкасается с горячими газами во время работы двигателя. Нижняя часть поршня называется шатуном, который соединяется с коленчатым валом и передает движение от поршня к валу. Здесь важно отметить, что шатун играет важную роль в преобразовании линейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Одной из основных функций поршня является создание герметичной камеры сгорания внутри цилиндра. При движении поршня вверх и вниз возникают процессы всасывания, сжатия, сгорания горючей смеси и выпуска отработанных газов. В нижней части плоского днища поршня находятся отверстия для подачи охлаждающей жидкости, которые обеспечивают лучшую термическую стабильность и предотвращают перегрев двигателя.

Содержание

Структура поршня двигателя
Корпус
Кольца поршня
Головка поршня
Поршневой палец
Принцип работы поршня двигателя
Сжатие топливовоздушной смеси
Воспламенение смеси
Расширение газов
Выпуск отработавших газов
Материалы поршней
Чугун
Алюминий
Керамика
🎦 Видео

Видео:Как работает двигатель внутреннего сгорания автомобиля?Скачать

Структура поршня двигателя

Головка поршня – верхняя часть поршня, которая находится ближе к горячей камере сгорания. Все воздействие горячих газов на поршень передается именно через головку. Она выполняется из термостойкого сплава, который способен выдерживать высокие температуры.
Туловище – основное тело поршня, которое имеет форму цилиндра. Оно соединяет головку поршня с подпятником и выполняется из легкого и прочного алюминиевого сплава. Внутри туловища поршня также находятся отверстия для охлаждения, что позволяет предотвратить перегрев детали.
Подпятник поршня – нижняя часть поршня, которая является его опорой на шатун. Подпятник обычно устанавливается на шатун с помощью штифтов или болтов и может быть снабжен специальными втулками для уменьшения трения.
Кольца поршня – кольца, которые располагаются в пазах на туловище поршня и имеют ряд функций. Они создают герметичность между поршнем и стенками цилиндра, предотвращая проникновение горящего топлива в масляную камеру двигателя. Кроме того, они снимают тепло от поршня и передают его стенкам цилиндра.
Шатун – элемент двигателя, который соединяет поршень с коленвалом. Шатун представляет собой длинную металлическую палку, обычно изготавливаемую из стали. Он передает движение поршня на коленвал, что приводит к преобразованию прямолинейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Все эти элементы поршня работают синхронно, обеспечивая эффективное сжигание топлива и передачу полученной энергии на вал двигателя. Поэтому каждая деталь поршня имеет важное значение для нормальной работы двигателя.

Корпус

Механическая прочность: корпус должен выдерживать большие нагрузки и давление, возникающие во время работы двигателя.
Теплоотвод: корпус помогает отводить излишнее тепло, создаваемое при сгорании топлива.
Снижение трения: специальное покрытие корпуса позволяет снизить трение между поршнем и цилиндром, улучшая эффективность работы двигателя.
Герметичность: корпус предотвращает проникновение внешних веществ, например, пыли или грязи, внутрь двигателя, что может привести к его поломке.

Для изготовления корпуса поршня используются различные материалы, такие как чугун, алюминий и сталь. Каждый материал имеет свои преимущества и недостатки и выбор зависит от требований и характеристик конкретного двигателя.

Кольца поршня

Кольца поршня устанавливаются в пазы поршня и тесно прилегают к цилиндру. Количество и расположение колец на поршне может различаться в зависимости от конструкции двигателя.

Основная задача кольца поршня – обеспечить герметичность рабочей камеры двигателя. Они предотвращают проникновение горячих газов в маслосъемное пространство и масла в рабочую зону двигателя. В результате обеспечивается надежное сжатие рабочей смеси и уменьшается потеря мощности двигателя.

Кроме того, кольца поршня участвуют в процессе смазки. Они нанесены на поверхность поршня по спирали и смазывают его маслом при перемещении. Это позволяет снизить трение между поршнем и стенкой цилиндра, что отрицательно влияет на эффективность двигателя и его ресурс.

Кольца поршня могут быть изготовлены из различных материалов, включая чугун, сталь и сплавы алюминия. Выбор материала зависит от конкретных условий эксплуатации двигателя и требований к нему.

Несмотря на то, что кольца поршня – небольшие детали, их важность для работы двигателя не может быть недооценена. Правильное функционирование и обслуживание кольцевой группы поршня существенно влияет на эффективность и долговечность двигателя.

Головка поршня

Головка поршня выполняет несколько функций. Во-первых, она представляет собой верхнюю часть сгорающей камеры, в которой происходит сжатие топливно-воздушной смеси и ее последующее сгорание. Во-вторых, через головку поршня проходят клапаны, которые контролируют процесс впуска и выпуска отработанных газов из цилиндра.

Чтобы головка поршня эффективно выполняла свои функции, она должна быть изготовлена из прочного и теплостойкого материала, такого как легированная сталь или высококачественный чугун. Кроме того, на поверхности головки поршня могут быть созданы специальные углубления или выступы, которые помогают распределить топливно-воздушную смесь равномерно по всей сгорающей камере.

Одна из основных проблем, с которыми может столкнуться головка поршня, — это перегрев. Перегрев головки поршня может привести к ее деформации, пробоинам или трещинам. Чтобы предотвратить перегрев, головка поршня обычно охлаждается с помощью системы охлаждения двигателя, такой как жидкостное охлаждение или система с воздушным охлаждением.

Важно отметить, что головка поршня является одним из элементов, которые могут подвергаться износу и требовать замены в процессе эксплуатации двигателя. Поэтому регулярная проверка и обслуживание головки поршня являются важной частью технического обслуживания двигателя.

Поршневой палец

Поршневой палец обычно изготавливается из высокопрочной стали или сплава алюминия. Он должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать высокие температуры и давления, которые возникают внутри цилиндра двигателя. Кроме того, поршневой палец должен обладать небольшим весом, чтобы не создавать дополнительной нагрузки на двигатель.

Поршневой палец имеет две внутренние полости, в которых находятся скользящие втулки. Эти втулки защищают от износа как поршеневой палец, так и отверстия в поршне и шатуне. Втулки обычно изготавливаются из сплавов меди или бронзы, так как они обладают хорошей смазываемостью и снижают трение между поршнем и шатуном.

Основным назначением поршневого пальца является передача силы и движения от поршня к шатуну, а также снижение трения и износа между этими двумя элементами. Он играет важную роль в работе двигателя, обеспечивая надежность и эффективность его работы.

Видео:Принцип работы двигателя. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в 3DСкачать

Принцип работы поршня двигателя

Принцип работы поршня двигателя основан на четырех тактах: всасывание, сжатие, работа и выпуск. Во время работы двигателя поршень движется вверх и вниз по цилиндру, выполняя эти такты.

Во время первого такта — всасывания, поршень, находящийся в верхнем положении, снижается вниз, создавая в цилиндре пространство с низким давлением. Это пространство позволяет входящему впрыскиваться топливу смешаться с воздухом. В это же время клапаны впуска открываются для пополнения смесью цилиндра.

Во втором такте — сжатия, поршень движется вверх и сжимает впущенную воздушно-топливную смесь. В этот момент клапаны впуска и выпуска закрыты, что позволяет поршню подняться и сжать смесь в маленькое пространство между поршнем и головкой цилиндра.

Третий такт — работа, начинается с зажигания смеси, которое приводит к взрыву и расширению газов. Взрывная смесь расширяется в цилиндре, заставляя поршень двигаться вниз. При этом кривошипно-шатунный механизм преобразует вертикальное движение поршня во вращение коленчатого вала, который передает энергию на приводные системы.

В четвертом такте — выпуске, поршень поднимается вновь, выталкивая отработанные газы из цилиндра через открытый клапан выпуска. Отработанный газ выбрасывается в выхлопную систему двигателя.

Таким образом, поршень двигателя является главным исполнительным органом, который преобразует тепловую энергию сгорания топлива в механическую работу. Он выполняет свою функцию благодаря четырем тактам, которые обеспечивают эффективность и работоспособность двигателя.

Сжатие топливовоздушной смеси

Сначала поршень двигается вниз, открывая впускной клапан и позволяя топливовоздушной смеси попасть в цилиндр. Затем поршень начинает двигаться вверх, закрывая впускной клапан и создавая сжатие. Воздух и топливо сжимаются в маленьком объеме, увеличивая давление и температуру смеси.

Важно отметить, что сжатие должно происходить до определенных параметров, указанных производителем двигателя. Если сжатие не достаточно сильное, то топливовоздушная смесь может не воспламеняться, что приведет к проблемам с запуском двигателя. С другой стороны, слишком сильное сжатие может вызвать детонацию, что негативно скажется на работе двигателя.

Поэтому, правильное сжатие топливовоздушной смеси является ключевым элементом эффективной работы поршневого двигателя. Он обеспечивает правильное соотношение воздуха и топлива, эффективное сжатие смеси, а также оптимальное сгорание для обеспечения высокой мощности и экономии топлива.

Важно помнить:

— Сжатие топливовоздушной смеси происходит во время движения поршня вверх по цилиндру.

— Сжатие создает давление и температуру смеси.

— Правильное сжатие обеспечивает эффективность работы двигателя.

Если производитель предусмотрел настройку сжатия, необходимо следовать инструкциям и рекомендациям, чтобы достичь оптимальных результатов.

Воспламенение смеси

После сжатия смеси в цилиндре поршня, необходимо позволить смеси воспламениться, чтобы произошло сгорание топлива и получение энергии. Для этого в двигателе используется система зажигания.

Основная задача системы зажигания заключается в создании и поддержании искры в зазоре между электродами свечи зажигания. Эта искра вызывает сгорание смеси в цилиндре и запускает рабочий цикл двигателя.

Система зажигания состоит из следующих элементов:

Свечи зажигания	Создают искру для воспламенения смеси в цилиндре. Состоят из изолятора, электродов и прочной металлической оболочки, которая приварена к корпусу цилиндра.
Высоковольтные провода	Передают электрический ток от катушки зажигания к свечам зажигания.
Катушка зажигания	Преобразует низкое напряжение от аккумулятора в высокое напряжение, необходимое для создания искры в свече зажигания. Возбуждение катушки происходит от электрического тока, подаваемого с электранного блока управления двигателем.
Электрический блок управления двигателем	Обрабатывает электрические сигналы от датчиков и вырабатывает электрический импульс для возбуждения катушки зажигания. Также отвечает за поддержание оптимального режима работы двигателя.

Принцип работы системы зажигания заключается в следующем:

При сжатии смеси поршнем, катушка зажигания создает электрический импульс, который передается через высоковольтные провода к свечам зажигания. Этот импульс вызывает искру между электродами свечи, которая воспламеняет смесь в цилиндре. Затем сгорание газов создает давление, которое двигает поршень, и происходит рабочий цикл двигателя.

Для эффективной работы системы зажигания необходимо, чтобы свечи зажигания были в хорошем состоянии и правильно установлены, а высоковольтные провода были надежно подключены. Также требуется регулярная проверка и обслуживание системы зажигания, чтобы обеспечить ее надежную и безопасную работу.

Расширение газов

В процессе работы двигателя поршень перемещается вверх и вниз в цилиндре, создавая замкнутую полость, где происходит сжатие смеси. При этом газы, составляющие смесь, подвергаются высокому давлению и нагреваются. В момент, когда поршень достигает верхней точки хода, происходит зажигание смеси, что приводит к ее воспламенению и созданию большого количества газов, обладающих большой кинетической энергией.

После зажигания смесь начинает расширяться, и поршень совершает рабочий ход, двигаясь вниз. Во время расширения газов поршень преобразует их кинетическую энергию в механическую работу, переносимую на вал двигателя. Это создает движение и передает энергию от двигателя к приводным механизмам, таким как колеса автомобиля или вал судового двигателя.

Расширение газов происходит за счет изменения объема цилиндра и давления газов в результате движения поршня. При сжатии смеси, объем цилиндра уменьшается, вызывая повышение давления газов. В момент воспламенения смеси, поршень уже находится в максимально сжатом положении, и давление газов возрастает до максимального значения. В последующие фазы работы двигателя, когда поршень движется вниз, объем цилиндра увеличивается, а давление падает, что позволяет газам расшириться и переместить поршень.

Принцип работы расширения газов является важной составной частью работы двигателя. От эффективности расширения газов зависит мощность, экономичность и надежность двигателя. Поэтому в процессе проектирования двигателей уделяется особое внимание оптимизации геометрии цилиндров, размеру поршня и другим параметрам, которые влияют на процесс расширения газов.

Выпуск отработавших газов

После того, как заряд воздуха и топливо поджигается в камере сгорания, поршень начинает двигаться вниз, осуществляя так называемый «рабочий ход». Под давлением производившихся взрывов поршень передвигается вниз, применяя обратную силу на коленчатый вал. Этот процесс происходит на определенной скорости и в определенных интервалах времени, что позволяет двигателю работать беспрерывно и обеспечивать необходимый крутящий момент.

После завершения рабочего хода, поршень начинает двигаться вверх и, проходя через выхлопной клапан, открывает канал для отвода отработавших газов в выхлопную систему двигателя. В таком состоянии поршень перемещается вверх, пока не достигнет верхней мертвой точки. После достижения верхней мертвой точки поршень двигается вниз, открывая впускной клапан, и новый цикл процесса начинается снова.

Выпуск отработавших газов является важным этапом работы двигателя. Правильная система выхлопа позволяет эффективно удалить отработавшие газы из двигателя, улучшить производительность и экономичность работы двигателя. Отсутствие или неисправность выхлопной системы может привести к снижению мощности двигателя или даже его поломке.

Видео:Поршень. Принцип работы поршня двигателя. Устройство! РЕДКИЙ РОЛИК!Скачать

Материалы поршней

Преимущественно, поршни изготавливают из алюминиевого сплава, так как этот материал обладает оптимальными свойствами для работы внутри цилиндра двигателя. Алюминиум легкий, хорошо теплопроводимый металл, что позволяет быстро распределять тепло, выделяемое при сгорании топлива. Благодаря такой конструкции, поршень охлаждается и позволяет двигателю работать даже при высоких нагрузках.

Однако, существуют и другие материалы, которые могут использоваться для изготовления поршней. Например, в современных спортивных и гоночных двигателях можно встретить поршни из титана или кованного алюминия. Эти материалы обладают еще более высокой прочностью и позволяют достичь лучших характеристик двигателя.

Независимо от выбранного материала, поршень – это одна из наиболее требовательных деталей двигателя по прочности и стойкости к высоким температурам. Иногда его необходимо заменять при переборке двигателя или в случае серьезных поломок. Правильный выбор материала поршня является ключевым фактором для обеспечения надежного и долговечного функционирования двигателя.

Чугун

Чугунный поршень состоит из трех основных частей — шатуна, трубки и завальца. Шатун является основным элементом, который связывает поршень с коленчатым валом двигателя. Трубка служит для установки поршня на шатун, а также для размещения поршневых колец. Завалец — это нижняя часть поршня, которая осуществляет контакт с поверхностью цилиндра.

Принцип работы поршня в двигателе основан на том, что при сгорании топлива в цилиндре поршень двигается вверх и вниз, преобразуя энергию сгорания в механическую энергию, необходимую для привода коленчатого вала и дальнейшего движения автомобиля. Чугунный поршень обеспечивает герметичность цилиндра, устойчивость к высоким температурам и давлениям, а также снижает трение и износ деталей двигателя, что обеспечивает его долговечность и надежность.

Алюминий

Основные достоинства алюминиевых поршней включают следующее:

Низкий вес – благодаря использованию алюминия, поршни становятся легче, что положительно сказывается на общей массе двигателя и его показателях;
Хорошая теплопроводность – алюминий обладает высокой теплопроводностью, что позволяет эффективно отводить тепло от поршня, предотвращая его перегрев;
Прочность – алюминиевые поршни имеют высокую прочность и устойчивы к разрушениям при высоких скоростях и перегрузках;
Устойчивость к коррозии – алюминий обладает хорошей устойчивостью к коррозии, что делает поршни из этого материала долговечными и надежными в эксплуатации.

В целом, алюминиевые поршни являются одним из самых распространенных типов поршней в автомобильной промышленности, благодаря своим высоким техническим и экономическим характеристикам.

Керамика

Керамические поршни производятся из специального керамического материала, который обеспечивает высокую износостойкость и стойкость к коррозии. Благодаря своей легкости, керамические поршни позволяют уменьшить вес двигателя, что в свою очередь повышает его эффективность и экономичность.

Процесс изготовления керамических поршней включает формование материала в специальные крышки, после чего их обжигают при высоких температурах. Это позволяет добиться максимальной прочности и стабильности геометрических параметров поршня.

Ценность керамических поршней для двигателей заключается в их высокой производительности и долговечности. Они обеспечивают более эффективное сгорание топлива, улучшают динамические характеристики двигателя и увеличивают его ресурс.