Поршень – это устройство занимающие лидирующие место в процессе преобразования химической топливной энергии, изначально в тепловую, а затем и механическую. От того, хорошо ли он справляется с обязанностями, которые на него возложены, в значительной степени будут зависеть характеристика двигателя. Его надежность и эффективность. Особенно имея ввиду спортивное применение или модификацию машины в ателье по тюнингу. Вопрос о том, применять ли специальные поршни в случае, если мощность автомобиля увеличивается, всегда будет открытым перед конструктором. Ввиду большого количества противоречий свойств и функций поршень из обычной детали, будет превращен в одну из самых наукоемких и сложных деталей двигателя. Подобное привилегированное положение можно подтвердить тем, что некоторые компании по строительству автомобилей занимаются проектом и самостоятельным созиданием поршней для своих двигателей. Сейчас мы поговорим о работе поршней в авто двигателе.
Разберемся в том, как работает мотор. Топливо, которое сгорает в надпоршневом пространстве, выделит большое количество тепла, в каждом из циклов работы мотора. Температура горения газов будет приблизительно 2000оС. Часть энергии будет предана деталям мотора, которые движутся, вся остальная температура будет нагревать двигатель, а все то, что останется, вылетит в трубу с отработанными газами. Из элементарной физики вам наверно известно, что два тела будут передавать друг другу энергию до тех пор, пока температуры данных тел не будут в уравновешенном состоянии. Следовательно, если поршень не охлаждать должным образом, через некоторое время он расплавится. Данный момент принципиально важен в понимании условий работы поршневой группы.
Из той же физики нам известен общепринятый факт, что поток тепла будет направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Мы сможем определить и увидеть распространение температур по поршню в рабочее время, понять важные конструктивные моменты, которые влияют на его температуру, другими словами поймем, посредством чего он охлаждается. Известно, что самым нагретым является рабочее тело, если говорить другими словами – газы, в камере сгорания. Естественно, что тепло будет передано воздуху окружающему двигатель автомобиля, который в одно время: самый холодный и, при определенных условиях, бесконечно горячий. Обмывая корпус двигателя и радиатор, воздух охлаждает жидкость корпус головки и блок цилиндров. Осталось найти только своего рода «мостик», по которому тепло переходит от поршня в антифриз и блок. Существует четыре пути для этого. По своему вкладу они совершенно различны, однако на упоминание заслуживают все, так как имеют большее или меньшее значение, в зависимости от конструктивных особенностей двигателя.
Для начала, первым путем передачи тепла являются поршневые кольца, которые передают самое большое его количество. Первое кольцо, которое расположено ближе к днищу, играет самую главную роль. Самый короткий путь к охлаждающей жидкости – это стенка цилиндра. Кольца одновременно прижимаются и к стенке цилиндра и к поршневым канавкам. Они обеспечивают более 60% передачи тепла.
Второй путь не такой очевидный, однако, его недооценить очень трудно. Второй охлаждающей жидкостью в двигателе является масло. Оно имеет непосредственный доступ к нагретым агрегатам и, несмотря на слабую циркуляцию и небольшой объем масляный туман, отдает в поддон картера и уносит с собой большую часть тепла, забирая его именно от наиболее горячих точек. Если применяется масляная форсунка, направляющая струю днища поршня изнутри, масляная доля в теплообмене может достигать 34 – 44%. Естественно что, нагружая масло функций охлаждения надо подумать, как охлаждать само масло. Перегретое масло потеряет свои свойства и станет одной из причин выхода из строя подшипников. Да и чем больше температура самого масла, тем больше тепла оно может пронести через себя.
Третьим путем является вывод тепла через массивные бобышки в палец, после чего в шатун, а оттуда непосредственно в масло. Такой пусть не менее интересен, так как «по дороге» есть существенные тепловые сопротивления в виде стальных деталей и зазоров, которые имеют низкий коэффициент теплопроводности и значительную протяженность.
Четвертый путь – уход тепла совсем не в охлаждающую жидкость или масло. Некоторую часть тепла на свой нагрев заберет топливовоздушная смесь, которая послушает в цилиндр на впускном такте. От степени открытия дросселя и от режима работы зависит количество свежей смеси и, следовательно, количество потребляемого тепла. Надо отметить тепло, которое потребляется при сгорании также пропорционально заряду. Поэтому такой пусть охлаждения носит скорее импульсивный характер, он пропорционален последующему нагреву, отличается скоротечностью, высокоэффективен в результате того, что тепло отбирается со стороны, нагревания поршня.
Надо упомянуть о таком стандартном приеме, который применяют для настройки моторов на спортивных автомобилях. Теплоемкость смесь весьма зависит от ее состава. Чем больше в ней содержится топлива, тем больше будет потрачено тепла не испарение. Часто для нормализации температуры работы двигателя, необходимо всего на 6-12 градусов понизить температуру внутри камеры. Достигается это посредством легкого заобогощения смеси, немного более чем необходимо. На процесс сгорания это никак не скажется, однако температура спадет. Процесс детонации отодвигается, калильное зажигание исчезает. Работающие на метаноле моторы менее требовательны к системе охлаждения из-за того, что теплота парообразования втрое больше чем у бензина.
Работа поршней в авто двигателе в настоящее время очень подвержена температуре, многие инженерные компании разрабатывают новейшие методы борьбы с перегревом, выбирая новые материалы на основе данных, которые рассчитываются на сложнейшем оборудовании. В нашей статье намеренно не было указано различных величин, чтобы читатель не «брался за калькулятор», так как на пальцах рассчитывать теплопоглощение бесполезно.
