Все або майже все про поршні
Все або майже все про поршні - цікаве і корисне читання. Почнемо того, як поршень нагрівається, до чого це призводить і як цього уникнути.
Якщо бути точним, поршень - це сама навантажена деталь в двигуні. Він відчуває механічні навантаження від розширення робочої суміші при згорянні її в циліндрі, теплові - від того ж згоряння, та до того ж ще й прискорюється-сповільнюється по 100-200 разів на хвилину. І повинен при цьому передати всю енергію згоряння далі по інстанціях. Але зараз нас цікавить він тільки з одного боку: це річ, яка гріється. Ну, і між іншим ходить туди-сюди в циліндрі.
Без термінології ніяк не обійтися. Бічні стінки поршня називаються спідницею, верхня - дном, припливи під поршневий палець - бобишками. Іноді верхню частину поршня (вище поршневого пальця) називають головкою. Яка поверхню поршня зовнішня, а яка внутрішня - зрозуміло і так. Є ще кільця та інша нісенітниця, але зараз це нас не цікавить, бо грітися поршня не допомагає і не заважає.
Чому поршень гріється? Відповідь очевидна - від бурхливого в циліндрі полум'я. Нагріванням від тертя спідниці поршня об дзеркало циліндра можна сміливо знехтувати. Основний доказ: коли є можливість, я обкачую нову поршневу, обертаючи коленвал зовнішнім двигуном. Так ось, нагріву циліндра (а, отже - і поршня) практично не відбувається, незважаючи на відсутність обдування. Якщо захочете самі застосувати цей спосіб обкатки - не забувайте періодично вводити масло в камеру КШМ і безпосередньо в циліндр через свічковий отвір. Інакше, при роботі "на суху" якраз-таки виникне і тертя, і нагрів, і перегрів.
Але поршень не тільки гріється, але і охолоджується, інакше б він розжарився до 600-900 градусів Цельсія і йому прийшов би відвертий кердик. Охолоджується поршень холодної робочої сумішшю, що знаходиться в камері КШМ, стикаючись з нею внутрішньою поверхнею спідниці і дна; частина тепла відводиться при тепловому контакті зовнішньої поверхні спідниці до дзеркала циліндра; найменша частина відводиться через поршневий палець до шатуна. При використанні голчастого підшипника в цьому вузлі тепловіддачею тут можна знехтувати. Попутно зауважу, що саме через нагрівання пальця при холодному шатуне в значній мірі відбувається знос і руйнування цього самого підшипника, від чого вільний підшипник ковзання (бронзова втулка).
Чим загрожує нагрів поршня? Найголовніше - при нагріванні він розширюється. Причому алюмінієвий поршень розширюється набагато менше, ніж чавунна гільза циліндра. Внаслідок цього і відбувається клин поршня в циліндрі. Причому механіка цього процесу така: розширився поршень видавлює плівку масла між спідницею і дзеркалом, після чого починається тертя металу об метал. Це призводить до різкого нагріву спідниці, а далі - прихват поршня або клин.
Як запобігти перегріву поршня? Багато тут же скажуть: полірувати дно! Однак адепти поголовного і повсюдного полірування будуть напевно здивовані, що на дно деяких поршнів навпаки, наносилось теплоизолирующее покриття - кераміка або фторопласт (згадайте тефлонові сковорідки). Особливо це актуально на коротких порушених кросових мотоциклів, у яких охолодження за рахунок теплового контакту з дзеркалом практично відсутня. Сенс в цьому є: цикл згоряння (назвемо це так) становить 25-30% від загального часу роботи двигуна. Отже, краще захиститися від тепла, ніж покращувати його віддачу. Але для двотактних двигунів це не актуально - висота поршня регламентується вікнами циліндра. І в цьому випадку дійсно, найкраще відполірувати дно - це поліпшить тепловіддачу і запобіжить (в якійсь мірі) утворення нагару. А ось нагар на дні поршня різко збільшує його нагрів!
А тепер підходимо до найскладнішого. При нагріванні поршень розширюється нерівномірно. Головка поршня, де металу більше, відповідно більше і розширюється, ніж низ спідниці. Але при робочій температурі поршень повинен бути строго циліндричним. Відповідно, для цього його роблять кілька конічним - діаметр поршня знизу трохи більше діаметра вгорі. Хоча ця різниця і невелика (соті частки міліметра), але вона абсолютно обов'язкове. Де в такому разі міряти діаметр поршня? Прийнято це робити під нижнім компресійним кільцем. Оскільки в двотактних порушених маслоз'ємних кілець немає, то можна сказати і простіше: під нижнім кільцем.
Але і це ще не все. Мало того, що поршень не циліндровий, а конічний, він ще і не круглий! Тут доведеться розглянути додаток сил до поршня в циліндрі під час роботи. Робоча суміш у циліндрі створює тиск на поршень P, спрямоване перпендикулярно дну поршня. Реактивна сила шатуна R розкладається на дві складові, одна з яких (F) спрямована зустрічно тиску, а інша - (N) перпендикулярно дзеркалу циліндра. Саме N притискає поршень до стінок циліндра, деформуючи його. Для того щоб поршень залишався круглим під час роботи, його виготовляють еліптичних. Велика вісь еліпса спрямована перпендикулярно поздовжньої осі поршневого пальця. Тепер можна з упевненістю сказати, що поршень має еліптичну-конічної форми в холодному стані і циліндричну при роботі. І це так!
На жаль, це тільки в ідеалі. При роботі поршень зношується, причому зношується нерівномірно. Якщо проводити вимірювання поршня неправильно, то створиться відчуття, що ніякого зносу немає. Справді, основною діаметр поршня, виміряний під нижнім кільцем перпендикулярно поздовжньої осі поршневого пальця, практично незмінний. Якщо виміряти діаметр поршня в тій же площині, але перпендикулярно - зносу взагалі не буде! А ось якщо виміряти нижній діаметр спідниці поршня - знос в наявності. Найчастіше цей діаметр навіть менше основного. Це і призводить до так званої перекладки поршня, точніше, до надмірної перекладки. Звідси і стуки, і дзвін при роботі двигуна, мала потужність і схильність до перегріву. Можна порівняти два поршня, новий і зношений. Якщо перший матиме таку хитру форму, як сказано вище, то другий буде просто незрозумілою форми. Зрозуміло, якщо новий поршень не буде "лівим".
А якщо поршень зношується нерівномірно, отже, якась частина поверхні поршня "не працює". Дійсно, це так. Якщо подивитися на додаток сили N, то буде ясно, що бокова поверхня поршня близько поршневого пальця в роботі практично не бере участь. Тому, для запобігання клина поршня внаслідок його деформації під впливом сили N, частина металу знімають. При цьому утворюються так звані холодильники. Їх роль двояка: крім запобігання клина від деформації поршня вони ще й зберігають в собі масло, що сходить з поршня і пальця. Характерно, що всі "ліві" поршні холодильників не мають, що говорить про якість їх роботи.
