エンジンピストン: 設計上の特徴

ピストンエンジンの運転内燃機関シリンダー内の加熱による膨張中のガスの圧力の使用に基づいています。ガスは、空気と混合された液体または気体燃料のシリンダー内での燃焼によって加熱され、液体燃料を空気とよりよく混合するために、完全に噴霧され、可能であれば蒸発します。

ガスは同時に加熱され、膨張しようとし、燃焼室とシリンダーの壁、およびピストンの底に圧力をかけます。ガス圧の作用下にあるピストンはN.M.T.に移動します。そしてコネクティングロッドを介して、それによって感知されたガス圧がクランクシャフトに伝達され、クランクシャフトに回転運動が与えられます。

したがって、エンジンシリンダーでは、混合気の燃焼と燃焼生成物の膨張という 2 つの主要なプロセスが発生します。その結果、燃料の化学エネルギーが熱エネルギーに変換され、次に部分的に機械エネルギーに変換されます。エンジンの継続的な運転を確実にするために、空気と燃料のより多くの新しい部分が定期的にシリンダーに入り、それに応じて燃焼生成物を除去する必要があります。これを行うために、エンジン設計は、シリンダー内の作動流体の変化に関連する補助プロセスを可能にするメカニズムを提供します。

エンジン（図1を参照）では、空気と燃料および排気ガスとの混合気の吸入、つまりシリンダー内の作動流体の変化は、バルブを使用して実行されます。, クランクシャフトに運動学的に接続された特別なガス分配メカニズムによって制御されます。クランク機構とガス分配機構の共同操作により、各シリンダーの主プロセスと補助プロセスの複合体を交互に使用して、エンジンの連続運転に必要なシーケンスを実行できます。

エンジンの各シリンダーで定期的に繰り返され、その連続動作を決定する一連の一連のプロセスは、作業サイクル。

レシプロ内燃機関の動作サイクルは、吸気、圧縮、燃焼、膨張、排気の 5 つのプロセスで構成されています。エンジンでは、次の広く使用されているスキームに従って動作サイクルを実行できます。

1.進行中摂取ピストンは v.m.t から移動します。 n.m.t. まで、シリンダーのリリースオーバーピストンキャビティは、空気と燃料の混合物で満たされます。可燃性混合物。この時までに開いたバルブから可燃性混合気がエンジンシリンダーに入ります（吸い込まれます）。

可燃性混合物と燃焼生成物は、常に前のサイクルから圧縮チャンバーの容積に残り、互いに混合して、作動混合物を形成します。慎重に準備された作動混合物は燃料燃焼の効率を高めるため、その準備が与えられます大きな注目あらゆるタイプのピストンエンジンに。

1回の作業サイクルでシリンダーに入る可燃性混合物の量は呼ばれますフレッシュチャージ、そして、新しいチャージがシリンダーに入るまでにシリンダー内に残っている燃焼生成物 -残留ガス。

エンジンの効率を高めるために、彼らは新鮮なチャージの絶対値と作動混合気中のその重量分率を増やそうとしています。

2.進行中圧縮両方のバルブが閉じられ、ピストンが n.m.t. から移動します。平方メートルオーバーピストンキャビティの容積を減らし、作動混合物（一般的な場合、作動流体）を圧縮します。作動流体の圧縮は、燃焼プロセスを加速し、それによってシリンダ内での燃料の燃焼中に放出される熱の利用の可能な完全性を事前に決定します。

内燃エンジンは可能な限り高い圧縮比で構築されており、混合気の強制点火の場合は10-12の値に達し、燃料自己点火の原理を使用する場合は14-22の範囲で選択されます。

3.進行中燃焼燃料は、作動混合気の一部である空気酸素によって酸化され、その結果、オーバーピストンキャビティ内の圧力が急激に上昇します。

検討中のスキームでは、w.m.t.付近の適切な時点での作業混合物。高電圧の電気スパーク（約15秒）を使用して外部ソースから点火される平方）。点火プラグは、シリンダーに火花を供給するために使用されます。, シリンダーヘッドにねじ込まれています。

予圧縮空気からの熱によって点火されるエンジンの場合、グロープラグは必要ありません。このようなエンジンには特別なノズルが装備されており、適切なタイミングで燃料が100÷300の圧力でシリンダーに噴射されますキロ/cm 2 (≈ 10—30 MN/m 2)もっと。

4.進行中拡張子膨張しようとする白熱ガスは、T.M.T. からピストンを動かします。へ行われていますピストンストローク、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトのコネクティングロッドジャーナルに圧力を伝達し、それを回転させます。

5.進行中リリースピストンはn.m.tから動きます。 w.m.tにそして、この時までに開く2番目のバルブを通して、排気ガスをシリンダーから押し出します。燃焼生成物は、燃焼室の容積内にのみ留まり、そこからピストンによって移動することはできません。エンジンの継続性は、その後の作業サイクルの繰り返しによって保証されます。

単気筒エンジンでは、シリンダー内で燃焼するための作動混合気の準備、および燃焼生成物からのシリンダーの放出に関連するプロセスは、フライホイールのエネルギーによるピストンの動きによって実行されます。パワーストローク中に蓄積します。

多気筒エンジンでは、各気筒の補助ストロークは、他の（隣接する）気筒の動作によって実行されます。したがって、これらのエンジンは原則としてフライホイールなしで動作できます。

研究の便宜上、さまざまなエンジンの動作サイクルをプロセスに分割するか、逆に、シリンダ内の死点に対するピストンの位置を考慮して、動作サイクルのプロセスをグループ化します。これにより、ピストンエンジンのすべてのプロセスをピストンの動きに応じて考慮することができ、より便利になります。

隣接する2つの死点の間のピストン運動の間隔で実行される作業サイクルの部分は呼ばれますタクト。

ストローク、したがってピストンの対応するストロークには、プロセスの名前が割り当てられます。これは、2 つの死点 (位置) 間のピストンの特定の変位の主要なものです。

エンジンでは、各ストローク (ピストンストローク) は、たとえば、吸気、圧縮、膨張、排気という明確に定義された基本的なプロセスに対応しています。したがって、そのようなエンジンでは、吸気、圧縮、膨張、排気のサイクルが区別されます。これらの 4 つの名前のそれぞれは、ピストンのストロークにそれぞれ割り当てられます。

任意の往復内燃機関において、デューティサイクルは、4回のピストンストロークまたはちょうど2回のピストンストロークで、上記のスキームに従って上記で議論された5つのプロセスからなる。これに応じて、ピストンエンジンは2ストロークと4ストロークに分けられます。

さまざまな2ストロークおよび4ストロークエンジンの作業サイクルの流れの特徴は、それらで使用される燃料と作動混合物の調製の原則に精通した後、詳細に検討されます。

ピストンは、膨張するガスの圧力を周期的に感知し、それを並進機械運動に変換するように設計された部品であり、さらにクランク機構によって感知されます。また、シリンダーの洗浄と充填のための補助サイクルを実行するのにも役立ちます。原則として、シリンダーピストンシステムの気密性を向上させるためにピストンリングが装備されています。ピストンは、複合材または非複合材のいずれかです。

ピストンはヘッド部とガイド部（スカート部）の2分割構造。ヘッドには、底部、燃焼室、およびリング用の溝が含まれます。スカートには指穴用のラグが 2 つ付いています。

米。 2. コネクティングロッドピストングループ:

a - ピストン; b - ピストンリング。イン - コネクティングロッド; 1 -- ピストンスカート; 2 - ボス; 3 -- 止め輪; 4 -- ピストンヘッド。 5 - 下; 6 -- 取り付け用の溝ピストンリング; 7 -- ピストンピン。 8 -- 圧縮リング。 9 -- オイルスクレーパーリング; 10 -- コネクティングロッドのボトムカバー。 11 - ライナー。 12 -- ブロンズブッシング。 13 - ピストンピンにグリースを塗るための穴。 14 トップヘッドコネクティングロッド; 15 -- ロッド

リングには、オーバーピストン空間からのガス漏れを防止するコンプレッションリングと、シリンダー壁からオイルを除去するように設計されたオイルスクレーパーリングの 2 種類があります。

ピストンとコネクティングロッドを連結するピストンピンは、高周波電流によって表面硬化処理を施した中空鋼でできています。シリンダーの壁に擦り傷を引き起こす可能性のある縦方向の動きから、ピンは環状溝に挿入された2つの保持リングの助けを借りてピストンボスに保持されます。指は固定されていて緩んでいます。

コネクティングロッドは、ピストンを接続するように設計されていますクランクシャフトあなたの指を通して。複雑な揺動運動を行います。コネクティングロッドの上部ヘッド、ロッド、取り付け用のカバーが付いた下部ヘッドの3つの部分で構成されていますクランクシャフト.

底の形状は、ピストンによって実行される機能によって異なります。例えば、内燃機関では、形状はスパークプラグ、インジェクター、バルブの位置、エンジンの設計などの要因によって異なります。底が凹んだ形状で、最も合理的な燃焼室が形成されますが、すすがより集中的に堆積します。底が凸の場合、ピストンの強度は上がりますが、燃焼室の形状は悪くなります。一部の 2 ストロークエンジンでは、掃気中の燃焼生成物の直接的な移動のために、ピストンの底部が突起反射体の形で作られています。ピストンの底から最初の圧縮リングの溝までの距離は、ピストンの発射ゾーンと呼ばれます。ピストンが作られている材料に応じて、ファイアベルトには最小許容高さがあり、それが減少すると、外壁に沿ってピストンが焼損したり、破壊したりする可能性がありますシートトップコンプレッションリング。

ピストングループによって実行されるシール機能には、非常に重要レシプロエンジンの通常運転用。だいたい技術的条件エンジンはピストン群のシール性で判断されます。たとえば、自動車のエンジンでは、燃焼室への過剰な浸透（吸引）による廃棄物によるオイル消費量が燃料消費量の 3% を超えることは許可されていません。オイルが燃え尽きると、排気ガスの不透明度の増加が観察され、満足のいく出力やその他の指標に関係なく、エンジンは使用できなくなります

ピストンヘッドは、底部とシール部で形成されています。コンプレッションリングとオイルスクレーパーリングは、ピストンのシール部分にあります。アルミニウム合金製のピストンの一部の設計では、耐腐食性の鋳鉄 (ニレジスト) のリムがヘッドに注がれ、最も負荷の高い圧縮リングの上部に溝が切られています。上部ピストンリングの下にあるニレジストインサートのおかげで、ピストンの耐摩耗性が大幅に向上しています。オイルスクレーパーリングの環状通路には、シリンダーミラーから除去されたオイルがピストンに入り、エンジンオイルパンに流れる貫通穴が形成されています。

ピストンスカート (トロンク) は、シリンダー内を移動する際のガイド部分であり、ピストンピンを取り付けるための 2 つのタイド (ラグ) があります。潮の近くのピストンの質量はスカートの他の部分よりも大きいため、ボスの平面での加熱中の温度変形も最大になります。ボスが配置されている両側のピストンの温度応力を減らすために、スカートの表面から0.5〜1.5 mmの深さまで金属が除去されます。シリンダー内のピストンの潤滑を改善し、温度変形によるスカッフィングの形成を防ぐこれらのくぼみは、「冷蔵庫」と呼ばれます。スカート下部にオイルスクレーパーリングを配置することもできます。ピストンエンジン内燃機関

材料

自動車エンジン用ピストンの製造に使用される材料には、次の要件が課されます。

高い機械的強度;

低密度;

良好な熱伝導率;

線膨張係数が小さい。

高い耐食性;

ピストンの製造には、ねずみ鋳鉄とアルミニウム合金が使用されます。

利点:

鋳鉄製ピストンは強度があり、耐摩耗性があります。

線膨張係数が小さいため、比較的小さなギャップで動作し、良好なシリンダーシールを提供します。

欠陥:

鋳鉄はかなり大きい比重. この点で、鋳鉄製ピストンの範囲は、往復質量の慣性力がピストン底部のガス圧力の 6 分の 1 を超えない比較的低速のエンジンに限定されます。

鋳鉄は熱伝導率が低いため、鋳鉄ピストンの底部の加熱は 350 ～ -400 °C に達します。このような加熱は、グロー点火を引き起こすため、特にキャブレターエンジンでは望ましくありません。

アルミニウム

アルミニウムピストンの利点:

軽量 (鋳鉄と比較して少なくとも 30% 軽量);

高い熱伝導率 (鋳鉄の熱伝導率の 3 ～ 4 倍) により、

ピストン底部の加熱は250°C以下で、シリンダーの充填を改善し、ガソリンエンジンの圧縮比を上げることができます。

耐摩擦性に優れています。

動作原理。

吸気 - ピストンが上死点から下死点に移動します。入口は開いています。シリンダー内の容積の増加により、0.075 - 0.085 MPa の真空が生成され、混合物の温度は 90 -125 ° C の範囲になります。シリンダーは可燃性混合物の新しい充填物で満たされます。

圧縮 -- ピストンが下死点から上死点に移動します。入口と出口は閉じています。ピストンの上の容積が減少し、サイクルの終わりまでに圧力と温度がそれぞれ1.0 ... 1.2 MPaと350.450°Cに達します。作動混合物が圧縮され、ガソリン蒸気の蒸発と空気との混合が改善されます.

作動行程 (燃焼と膨張) - 圧縮された作動混合物が火花によって点火されます。膨張するガスの圧力下で、ピストンは上死点から下死点に移動します。入口と出口は閉じています。ガス圧力は 3.5...4.0 MPa に達し、温度は 2000°C に達します。

ピストンは、燃料の化学エネルギーを熱および機械エネルギーに変換するプロセスの中心的な位置を占めています。について話しましょう 内燃機関のピストン、それが何であるか、および作業の主な目的。

エンジンピストンとは？

エンジンピストン-これは、シリンダー内で往復運動し、ガス、蒸気、または液体の圧力変化を機械的仕事に変換する、またはその逆の役割を果たします-往復運動を圧力変化に変換する円筒部分です。

当初、自動車用内燃エンジンのピストンは鋳鉄から鋳造されていました。技術の発展に伴い、ピストンの製造にアルミニウムが使用されるようになりました。それは次の利点をもたらしました：速度と出力の増加、部品へのストレスの軽減、より良い熱伝達。

それ以来、エンジン出力は何度も増加し、現代の自動車エンジン (特にディーゼルエンジン) のシリンダー内の温度と圧力は、 アルミニウムは強度の限界に達しました. したがって、ここ数年このようなモーターには、増加した負荷に自信を持って耐えることができるスチール製のピストンが装備されています。壁が薄く、圧縮高さが低いため、アルミニウムよりも軽量です。底面からアルミピンの軸までの距離。また、スチール製のピストンは鋳造ではなく、組み立て式です。

とりわけ、同じシリンダーブロックでピストンの垂直方向の寸法を小さくすることで、コネクティングロッドを長くすることが可能になります。これにより、ピストンとシリンダーのペアの横荷重が減少し、燃料消費とエンジンの寿命にプラスの影響を与えるか、コネクティングロッドとクランクシャフトを変更せずに、シリンダーブロックを短くしてエンジンを軽量化できます。

エンジンピストン要件

まずは、シリンダー内を移動するピストンは、燃料燃焼の生成物である圧縮ガスを膨張させ、機械的な仕事を実行できるようにします。したがって、高温、ガス圧に耐え、シリンダーボアを確実に密閉する必要があります。

第二に、シリンダーとピストンリングと共にリニア滑り軸受を表すには、一番いい方法機械的損失を最小限に抑え、結果として摩耗を最小限に抑えるために、摩擦ペアの要件を満たします。

三番目、燃焼室からの負荷とコネクティングロッドからの反作用を受けるため、機械的応力に耐える必要があります。

第4、高速で往復するため、負荷はできるだけ少なくする必要がありますクランク機構慣性力。

エンジン運転におけるピストンの主な目的

ピストンの上のスペースで燃焼する燃料は、エンジンの各サイクルで大量の熱を放出します。燃焼ガスの温度は2000度に達します。それらはエネルギーの一部のみをモーターの可動部分に伝達し、他のすべては熱の形でエンジンを加熱し、残りは排気ガスと一緒にパイプに飛び込みます。そのため、ピストンを冷やさないとしばらくすると溶けてしまいます。 これ大事なポイントピストングループの作業条件を理解する。

繰り返しますが、熱の流れはより加熱された物体からより加熱されていない物体に向けられるというよく知られている事実を繰り返します。次に、動作中のピストン全体の温度分布を確認し、ピストンの温度に影響を与える重要な設計ポイントを特定できます。つまり、ピストンがどのように冷却されるかを理解できます。

最も加熱されるのは作動流体、つまり燃焼室内のガスです。熱が周囲の空気、つまり最も冷たい空気に伝達されることは明らかです。ラジエーターとエンジンハウジングを洗浄する空気は、クーラント、シリンダーブロック、ヘッドハウジングを冷却します。ピストンがブロックと不凍液に熱を放出する橋を見つけることは残っています。これには 4 つの方法があります。

それで、 最も多くの流れを提供する最初のパス、ピストンリングです。さらに、最初のリングは底に近いため、重要な役割を果たします。これは、シリンダー壁を通過するクーラントへの最短経路です。リングは、ピストンの溝とシリンダー壁の両方に同時に押し付けられます。それらは熱流の 50% 以上を提供します。

2 番目の方法はあまり明白ではありません。 エンジンの2番目のクーラントはオイルです。モーターの最も高温の部分に直接アクセスできるため、オイルミストそれを運び去り、オイルパンに最も熱いスポットからの熱のかなりの部分を与えます。ジェットを噴射するオイルノズルを使用する場合内面ピストンの底、熱交換のオイルの割合は 30 - 40% に達することができます。オイルにクーラントの機能をより多く負荷することで、オイルを冷却するように注意する必要があることは明らかです。そうしないと、過熱したオイルがその特性を失う可能性があります。また、オイルの温度が高いほど、それ自体を介して伝達できる熱が少なくなります。

3番目の方法は、巨大なボスを介して指に入り、次にコネクティングロッドに入り、そこからオイルに入ります。かなりの長さと低い熱伝導率を持つギャップとスチール部品の形で途中でかなりの熱抵抗があるため、それほど興味深いものではありません。

4番目の方法。熱の一部は、シリンダーに入る新鮮な空気と燃料の混合物によって加熱されます。新鮮な混合気の量とそれが奪う熱量は、操作モードとスロットルの開度によって異なります。燃焼中に得られる熱もチャージに比例することに注意する必要があります。したがって、この冷却パスは衝撃的です。ピストンが加熱される側から熱が奪われるため、高速で非常に効率的です。

重要性が増したため ピストンリングを介した熱伝達にもっと注意を払う必要があります. このパスをブロックすると、エンジンが長時間の強制体制に耐えられる可能性が低いことは明らかです。温度が上昇し、ピストン材料が「浮き」、エンジンが崩壊します。

ここで、圧縮などの特性について言及したいと思います。リングがその全長に沿って円柱の壁に隣接していないことを想像してみましょう。次に、ギャップを突き破る燃焼ガスは、ピストンからリングを介してシリンダー壁への熱の伝達を防ぐバリアを作成します。これは、ラジエーターの一部を閉じて、空気で冷却する能力を奪ったのと同じです。

リングが溝に密着していないと、絵はもっとひどいです。ガスが溝を通ってリングを通り過ぎることができる場所では、ピストンセクションは基本的な冷却能力を失い、さらに「ヒートバッグ」になってしまいます。その結果、漏れに隣接するファイヤーベルトの部分の焼損とチッピング。したがって、シリンダー、リング、および溝の摩耗の形状には常に多くの注意が払われます。

新しいピストンには何個のリングがありますか?機械的な観点からは、リングが少ないほど良いです。それらが狭いほど、ピストングループの損失が低くなります。ただし、それらの数と高さが減少すると、ピストンを冷却するための条件が必然的に悪化し、ボトム - リング - シリンダー壁の熱抵抗が増加します。したがって、デザインの選択は常に妥協です。

私たちが車のハンドルを握り、イグニッションのキーを回してアクセルペダルを踏むと、ボンネットの下で多くの非常に複雑なメカニズムが発生し始め、それが動きを生み出します。これらすべてのメカニズムはまったく興味がありません。主なことは、車が動いているということです。しかし、故障が発生すると、その理由が何であるかについて戸惑い始め、デバイスと個々の部品の機能に関するすべての必要な情報を習得する必要があります. しかし、そのために時間を無駄にしないためにも、車を運転する前に、自動車部品の特徴をよく理解しておく必要があります。

特に、今日はピストンについてお話します。結局のところ、この詳細は、燃料エネルギーを熱および機械エネルギーに処理するプロセスの中心です。ピストンとは何か、その目的、基本的な要件、およびその設計の特徴について説明します。

1. エンジンのピストンとその主な特徴

経験豊富なドライバーがエンジンピストンとは何かを長い間説明する必要がないことを願っています。ただし、読者の中に「初心者」がいる場合は、特に「ピストン」がエンジン内のガス、蒸気、液体の圧力変化を機械的な力に変換する自動車部品であることを説明します。ピストンはシリンダーの形をしており、その中で往復運動が絶えず行われ、それにより機械的な力が形成されます。

この部分の義務は非常に責任があり、その有効性は彼がそれにどれだけうまく対処できるかにかかっています. 実際、それは車の中で最も複雑な部分であり、準備ができていない人がその機能と相反する特性を理解することはかなり困難です。知っている人はほとんどいませんが、自動車関係者はほとんど関与していません。自社製造彼らの車のためのピストン、そして彼らのエンジンのためにそれらを特別に注文してください。通常のドライバーの状況を複雑にしているのは、今日、さまざまな形状とサイズのピストンが多数あるという事実です。したがって、この部分のメンテナンスと修理は、常にさまざまな方法で実行できます。

信頼性の高いピストンが満たさなければならない要件は何ですか?

ピストンはかなり複雑な部品であるため、非常に多くの要件が設定されています。生産が複雑なため、エンジンピストンのメーカーはそれほど多くなく、この部品は自動車市場でかなりのコストがかかります。それでは、優れたピストンが満たさなければならない要件を見てみましょう。

1. シリンダー内を移動するのは、燃料燃焼の生成物である圧縮ガスの膨張を提供するエンジンピストンです。このおかげで、ガスは機械的な仕事を実行できます-車の他のすべてのメカニズムを駆動します。その結果、ピストンの主な要件は、これらすべてのプロセスが行われる高温に耐える能力です。高圧ガスとシリンダーチャネルをしっかりと密閉します（そうしないと、ガス圧に影響を与えることができなくなります）.

2. ピストンは単一のデバイスではなく、シリンダーとピストンリングと連動します。これらの部品が組み合わさって、リニアプレーンベアリングが形成されます。 この点で、ベアリングは必然的に摩擦ペアのすべての要件と機能を満たさなければなりません。すべての要件が最高の精度で考慮されている場合、これは燃料燃焼中の機械的損失を最小限に抑えるだけでなく、すべての部品の摩耗も最小限に抑えるのに役立ちます。

3. ピストンは常に大きな負荷にさらされており、その中で最も強いのは燃料の燃焼室からの負荷とそれからの反応です.その設計は必然的にこれらすべての要因を考慮に入れ、そのような強い機械的衝撃に耐える必要があります.

4. 動作中にピストンがかなり高速で移動するという事実にもかかわらず、慣性力で車のクランク機構に大きな負荷をかけるべきではありません。そうしないと、破損につながる可能性があります。

2. ピストンまたはその機能的義務の任命

ピストンは、自動車エンジンの全動作において非常に重要な役割を果たしていることを繰り返し述べてきました。したがって、ピストンの主な目的は次のとおりです。

- 燃焼室からガス圧を受け取り、これらの圧力を機械力の形でエンジンに伝達する。

ピストンの上のエンジンシリンダーキャビティをシールします。したがって、自動車のメカニズム全体をクレーターへのガスの吹き込みや潤滑油の浸透から保護します。

さらに、ピストン自体が通常の動作条件を提供するのはこれのおかげであるため、2番目の機能はより重要です。エンジンの技術的状態についても、専門家はピストングループを調べてそのシール能力をチェックした後にのみ結論を出します。結局のところ、オイル消費量が燃料消費量の 3% を超える場合 (これは、燃焼室に入ったときに燃焼するために発生します)、車のエンジン全体を緊急に修理に出すか、廃止することさえできます。排気ガス中の煙を見ると、エンジンに何か問題があることがわかります。でも、そんなことはさせないほうがいいです。

おそらく、ピストンとその要素が非常に高温の状態で機能することを読んで、このデバイス自体が故障しないことに驚いていますか? これに加えて、困難な温度条件に加えて、ピストンの動作には常に周期的で急激に変化する負荷が伴います。このすべてで、記述された部品の要素は常に十分な潤滑を持っているとは限りません。しかしもちろん、ピストンのすべての設計者と開発者はこれについて考えました。

まずは、それらは、設置されるエンジンの目的とタイプ（固定、ディーゼル、2ストローク、強制または輸送）を考慮して設計されているため、最も安定した材料のみがこれに使用されます。

第二に、この部分の冷却を実行する方法はいくつかあります。しかし、最初に、燃焼室から熱 (または熱) がどのように、どこに流れるかについて少し説明します。それは、ラジエーターやエンジン、シリンダーブロックの周りを流れる周囲の冷たい空気に逃げます。しかし、ピストンはどのようにしてブロックと不凍液に熱を与えるのでしょうか?

1. ピストンリングを通して。これらの中で最も重要なのは最初のもので、ピストンの底に最も近い位置にあります。リングはピストンの溝とシリンダー壁の両方に同時に押し付けられるため、ピストンからの総熱流の約 50% がそれらによって放出されます。

2. 2番目の「クーラント」のおかげで、その役割はエンジンオイルによって実行されます。オイルはエンジンの最も高温の部分に近づくため、最も加熱されたポイントから非常に大量の熱をクランクケースに運ぶのは彼です。 ただし、オイルがピストンを冷却できるようにするには、オイルも冷却する必要があります。そうしないと、すぐに交換する必要があります。

3. 熱は、ラグを通ってピン、コネクティングロッド、オイルに伝わります。ただし、効率の悪い方法であり、重要な役割を果たします。

4. 奇妙なことに、燃料はピストンとエンジン全体を冷却するのにも役立ちます。 そのため、燃料と空気の新鮮な混合物が燃焼室に入ると、それ自体にかなりの熱が引き込まれますが、その後さらに大量の熱が返されます。ただし、混合気の量とそれが吸収できる熱量は、車の走り方とスロットルの開度に直接関係しています。この経路の利点は、混合物がピストンが最も熱くなる側から正確に熱を吸収することです。

ただし、この部分の設計上の特徴を完全に理解することなく、ピストンの機能について話し始めたため、少し先を行っていました。これについては、次のセクションで説明します。

3. ピストンの設計: 平均的な自動車愛好家が部品について知る必要があるすべて

一般に、ピストンだけについて話すことは、パンについて話すようなもので、小麦粉の特性についてのみ説明します。そのような詳細によって表されるエンジンのピストングループ全体に精通することは、より論理的です。

- ピストン自体;

ピストンリング;

ピストンピン。

このピストングループの設計は、最初の内燃エンジンの登場以来変わっていません。したがって、この説明はほとんどすべてのエンジンに共通です。

当然のことながら、ピストンは最も重要な機能を果たし、その設計は150年間変更されていません。プロのメカニックになりたくない場合は、ピストンのそのような重要な領域とその機能的目的についてのみ知る必要があります。

1.ピストンヘッド。エンジンの燃焼室に直接面する部分の表面。そのプロファイルにより、底部がこのチャンバーの下面を決定します。この形式は、燃焼室の形状、その容積、燃焼室への燃料空気質量の供給の特徴、バルブの位置に依存する可能性があります。底部にくぼみがあり、燃焼室の容積が大きくなる場合があります。しかし、これは望ましくないため、チャンバーの容積を減らすには、特別なディスプレーサー（底面の上にある一定量の金属）を使用する必要があります。

2.「ヒート（ファイア）ベルト」。この用語は、ピストンの底から最初のリングまでの距離を指します。底部からリングまでの距離が短いほど、これらの同じ要素にかかる熱負荷が高くなり、摩耗が大きくなることを知っておくことが重要です。

3.シーリングエリア。シリンダー型ピストンの側面にある溝のことです。これらの溝は、リングを取り付けるための直接的な方法であり、シールを動かすことができます。 また、オイルスクレーパーリングの溝には、余分なオイルを排出できる穴が必要です。内部空洞ピストン。

シールセクションのもう 1 つの機能は、既に述べたように、ピストンリングを使用してエンジンピストンから熱の一部を除去することです。ただし、効果的な熱放散のためには、ピストンリングが溝とシリンダー表面の両方にぴったりとはまることが非常に重要です。したがって、最初の圧縮リングのエンドギャップは約 0.045 ～ 0.070 mm、2 つ目は 0.035 ～ 0.06 mm、オイルスクレーパーは 0.025 ～ 0.005 mm にする必要があります。しかし、リングと溝の間では、ラジアルクリアランスインジケーターは 1.2 ～ 0.3 mm になる場合があります。しかし、これらの指標は人間の目には重要ではなく、特別な機器を使用してのみ決定できます。

4. ピストンヘッド。これは一般化されたセクションであり、既に説明した底部とシール部分を含みます。

5. ピストンの圧縮高さ。ピストンピンの軸からピストンクラウンまでの距離。

6.「スカート」。ピストンの底。ピストンピンを差し込める穴付きのラグ付き。このセクションの外面は、ピストンの支持面と案内面です。 そのおかげで、ピストン軸とエンジンシリンダー軸の正しい比率が保証されます。エンジンのピストングループで定期的に発生する横方向の力がシリンダーに伝達されるため、「スカート」の側面も同様に重要な役割を果たします。そして、特にスカートの表面の加工性を向上させ、摩擦を減らすために、スズの特別な保護コーティングでコーティングされています（グラファイトと二硫化モリブデンをコーティングのベースとして使用することもできます。または、コーティングの代わりに、特別なプロファイルの溝をスカートに適用できます。これにより、オイルが保持され、シリンダー壁との接触を防ぐ流体力が発生します。

どのように、何から：自動車用ピストンの製造の特徴

ピストンが実行するような機能を実行するには、十分に「丈夫な」金属が必要であることは明らかです。しかし、鋼には程遠い。ピストンはアルミニウム合金でできており、常にシリコンが追加されています。これは、高温の影響下で膨張係数を減らし、部品の耐摩耗性を高めるために行われます。

ただし、ピストンの製造には、異なる割合のシリコン含有量の合金を使用できます。たとえば、13% シリコン合金がこの目的に最もよく使用されます。 共晶。と呼ばれる、より高いシリコン含有量の合金があります。 過共晶。そして、このパーセンテージが高いほど、合金の熱伝導特性が高くなります。しかし、これはそのような材料をピストンの製造に理想的なものにするわけではありません。

事実、冷却すると、そのような材料はサイズが0.5〜1ミリメートルの範囲のシリコン粒子を放出し始めます。そのようなプロセスがファウンドリーやファウンドリに反映されていることは明らかです機械的性質素材とそれで作られた部分の両方。このため、シリコンに加えて、次の規制添加剤のリストがそのような合金に導入されています。

- マンガン;

自動車のピストンの主要部分はどのように作られていますか？この部品のワークピースを入手する方法は 2 つあります。これらの最初のものは、冷却金型と呼ばれる特別な金型に熱い合金を注ぐことを含みます. この方法が最も一般的です。ワークピースを製造するための2番目のオプションは、ホットスタンプです。しかし、金型を機械加工した後、将来のピストンもさまざまな加工が施されます。熱処理、これにより、金属の硬度、強度、耐摩耗性を高めることができます。また、このような手順により、金属の残留応力を取り除くことができます。

鍛造金属を使用すると部品の強度が向上しますが、欠点もあります。このような製品は通常、「スカート」が高く、重すぎるクラシックバージョンで作られています。また、そのような製品では、熱補償リングまたはプレートを使用することはできません。このようなピストンの重量の増加により、その熱変形も増加します。その結果、ピストンとシリンダーの間のギャップのサイズを大きくする必要があります。

エンジンノイズの増加、シリンダーの急速な摩耗、オイル消費量の増加などの結果は、ドライバーを喜ばせるものではありません。鍛造ピストンの使用は、車が最も極端な条件で定期的に運転される場合にのみ正当化されます。

今日まで、設計者と物理学者は、ピストンの設計を可能な限り理想的かつ正確にするためにあらゆる努力を払ってきました。特に、最も重要な傾向は次のリストに向けられています。

- 部品の重量を減らす;

ピストンには「薄い」リングのみを使用。

ピストンの圧縮高さを下げる;

ピストンピンを減らし、ピストン設計で最も短いピストンのみを使用。

改善保護コーティング部品のすべての表面に適用します。

今日の同様の成果は、最新世代の T 字型ピストン設計で見ることができます。このデザインは、文字「T」の部分の外見が似ているため、正確にT字型と呼ばれます。このようなピストンの主な違いは、スカートの高さの減少とそのガイド部分の面積です。このようなピストンは、かなり大量のシリコンを含む過共晶合金から作られています。そして、それらは主にホットスタンプによって作られています。

ただし、どのようなエンジンピストン設計を車に搭載したいかは、その開発者が多くの要因に依存します。このような決定の前には、常に、新しい部品の影響下にあるコネクティングロッドとピストングループのすべてのユニットの挙動の長い計算と分析が行われます。 すべての部品の計算は、設計の最も制限された機能と、それらが作られている材料で実行されます。ただし、悲しいことに、この場合、メーカーは過払いしません。彼は、必要なリソースを「間に合うように」提供するオプションを選択し、それを増やすためにお金を費やすことはありません。

とはいえ、普通の運転手は自分の車にすでに取り付けられているものを理解し、操作する必要があります。私たちの記事が、ピストンの機能とその目的をよりよく理解するのに役立つことを願っています. この部分を提供する必要があるため、この部分に問題がないことを願っています適切な条件操作 - 「運転」しすぎず、時間通りにエンジンオイルを交換してください。

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ピストン

コネクティングロッドとピストングループの詳細

最初の圧縮リング
2 番目の圧縮リング
オイルスクレーパーリング

3.1. トップフラットリング

3.2. エキスパンダー

3.3. 底平リング

ピストン
ピストンピン
ピストンピンサークリップ（2個）
コネクティングロッド
コンロッドキャップボルト
コンロッドベアリングシェル
コンロッドキャップ
コンロッドキャップナット

この図は、典型的なコネクティングロッドとピストングループの詳細を示しています。次に、すべての詳細、その目的、および最も一般的なデザインのいくつかを詳しく見てみましょう.

ピストン

一般情報

間違いなく、ピストンはエンジンの最も負荷のかかる部分です。エンジンの作動中、ピストンは機械的負荷と熱的負荷の組み合わせにさらされます。材料は温度の上昇とともに特性が変化するため、それらを分離することは不可能です。エンジンの動作温度で既存の負荷に容易に耐えることができるピストンは、エンジンが過熱した場合に変化しない機械的負荷の影響下で破壊されます。

ピストンの機械的負荷

エンジンの作動中、ピストンには大きな機械的負荷がかかり、方向と大きさの両方が常に変化します。通常の田舎道を静かに安定して走行している場合でも、エンジンのクランクシャフトは約 3,000 rpm で回転しているため、ピストンは 1 分間で高速に加速し、停止し、1 分間に 6,000 回、つまり 100 回逆方向に加速する必要があります。毎秒。それを受け入れれば平均ストローク最新のショートストロークエンジンのピストンは 80 mm、1 分間でピストンは 480 メートル移動します。つまり、シリンダー内のピストンの平均速度は 28.8 km / h です。これらの負荷は、スポーツカーの高加速エンジンではさらに高くなります。スポーツカーのエンジンの速度が 6000 rpm であると仮定すると (実際には、それよりもはるかに高い可能性があります)、この場合、ピストンは 1 秒間に 200 回方向を変えます。時間は57.8 kmに等しくなり、ピストンの最大速度は120 km / hに等しくなります。つまり、1 秒以内に、ピストンはわずか 40 mm の距離で時速 120 km に加速し、同じ距離で時速 120 km から速度を 0 に減速するには 200 回必要です。

多くのスポーツカーエンジンの最大クランクシャフト速度は 12,000 rpm ですが、フォーミュラ 1 カーエンジンの回転数は最大 19,000 rpm です。

エンジンのクランクシャフトが外部エネルギー源から回転していると単純に仮定したとしても、ピストンに作用する大きな慣性負荷を想像することができます。しかし、ピストンは、圧縮行程中の圧縮性ガスの力によっても影響を受け、特に動力行程中の膨張するガスによって影響を受けます。高度に加速されたエンジンの燃焼室内の最大圧力は 80 ～ 100 気圧に達しますが、従来の自動車の燃焼室内の圧力は 55 ～ 60 気圧です。そして、平均的な自動車のピストン直径が 92 mm であると仮定すると、最大圧力の瞬間に、ピストンには 5.3 ～ 6.6 トンの力がかかります。したがって、車のピストンは、クランク機構の他の部分と同様に、大きな機械的負荷を受けると言えます。しかし、問題はそれだけではありません。重大な機械的負荷に加えて、ピストンも非常に高温にさらされます。

ピストンの温度負荷

ピストンに影響を与える熱はどこから来るのですか？この摩擦の主な原因ではありませんが、最初の原因です。エンジンの作動中、ピストンは高速で移動しますが、常にシリンダーの壁にこすれています。ジオメトリクランク機構ピストンに加えられる力の一部が、ピストンをシリンダー壁に押し付けるのに費やされるようなものです。そしてにもかかわらず品質処理シリンダーとピストンの両方の表面では、潤滑剤が存在する場合でも、十分に大きな摩擦力が発生します。学校の物理の授業でわかるように、この場合は大量の熱が放出されます。

しかし、基本的には、ピストンに作用する熱は、エンジンシリンダー内の混合気の燃焼中に発生します。シリンダー内で燃焼するガスの温度は、2000º - 2500ºС に達することがあります。このような高温の影響下で、最新の内燃エンジンの部品を構成するすべての構造材料が破壊されます。したがって、エンジンの最も熱負荷の高い部分、そしてもちろんピストンから熱を除去する必要があります。エンジン運転中に放出される熱の総量は、単位時間あたりにエンジンシリンダーで燃焼される燃料の量に依存します。そして、この指標は、シリンダーの容積とエンジンの回転速度に依存します。エンジンは、燃焼した燃料のエネルギーのほんの一部しか有用な機械的仕事に変換しません。熱の一部は高温の排気ガスによってエンジンから除去され、残りの熱は周囲に放散する必要があります。

繰り返しますが、学校の物理コースを思い出すと、2 つの物体が異なる温度、ただし、両方の物体の温度が等しくなるまで、高温の物体からの熱は加熱されていない物体に移動します。

車内で最も多くの熱を吸収できる最も冷たい物体は周囲の空気であるため、加熱されたエンジン部品から周囲の空気に熱を取り除く方法を見つける必要があります。とにかく地球全体を温めることはできないので、次のように仮定できます。環境あらゆる熱を吸収することができます。

ピストンの最も熱い部分はその底部です。これは、高温の作動ガスと直接接触しているためです。次に、熱はピストンクラウンからスカートに向かって広がります。

ピストン温度分布

熱は、次の 3 つの方法でピストンから除去されます。

熱の大部分は、ピストンリングとピストンスカートによってシリンダー壁に伝達され、さらにエンジン冷却システムによって除去されます。
熱の一部は、ピストンの内部空洞、ピストンピン、コネクティングロッド、およびエンジン潤滑システム内を循環するオイルによって除去されます。
熱の一部は、エンジンシリンダーに入る冷たい空気と燃料の混合気によってピストンから取り除かれます。

1. ピストンリングとピストンスカートによる放熱。

エンジンの作動中、ピストンは高速で移動するため、冷却システム内を循環する冷却液をピストンに運ぶことが不可能であることは明らかです。しかし、エンジン冷却システムはエンジンシリンダーの壁を集中的に冷却します。したがって、過剰な熱がピストンリングとスカートを介してエンジンシリンダーの壁に伝達されるように、ピストンとピストンリングを設計する必要があります。さらに、健全なエンジン冷却システムは、エンジンから熱を取り除き、それを車の周囲の空気に伝達します。

これを行わないと、ピストンの温度が最大許容値を超え、その後、機械的負荷の影響でピストンが破壊され、高温の影響で溶けることさえ始まります。必要な熱放散がなければ、アルミニウム合金のピストンは、エンジンを数分間作動させただけで溶けてしまいます。

ピストンからの放熱

ピストンからの放熱

エンジンシリンダー内の作動ガスからピストンへの熱の流れ
入ってくる混合気によるピストン冷却
ピストンリングによる放熱（50%～70%）
ピストンスカートによる放熱
(20% - 30%)
ピストンの内部空洞による熱除去 (5% - 10%)
ピストンピンとコネクティングロッドによる放熱
ジャケットクーラント

ピストンから取り除かれる熱の総量のうち、約 50% ～ 60% がピストンリングによって取り除かれます。このため、ピストンリングの設計と精度に対する要求は非常に高くなります。熱の一部はピストンの内部空間に取り除かれ、内部空間クランクケースまたはピストンピンを介してコネクティングロッドに伝達され、エンジンのクランクケースの内部空間にも放散されます。

ピストンリングによるピストンからの放熱

ピストンリングによる放熱

燃焼室
シリンダー壁
冷却ジャケット
ピストン
最初の圧縮リング
2 番目の圧縮リング
オイルスクレーパーリング

ピストンの最も熱い部分は、燃焼室の壁の 1 つである底部であるため、熱はピストンの上部から下部に移動します。同時に、ピストンから除去される熱の総量のうち、約 45% が最初の圧縮リングによって除去されます。これは、このリングがピストンの最も高温の部分に最も近いためです。 2 番目の圧縮リングとオイルスクレーパーリングによって 5% だけが除去されます。

ピストンリングとピストンスカートによってシリンダー壁に伝達された熱は、エンジン冷却システムによって除去されます。したがって、冷却システムの健全性は、ピストンの熱状態に大きな影響を与えます。冷却システムのクーラント温度を 5º - 6ºC 上げると、ピストン温度が 10ºC 上昇します。冷却システムが故障すると、エンジン内で最初に崩壊するのはピストンです。ピストンでは、底が燃え尽きるか、ピストンがシリンダーに押し込まれます。

2. エンジンオイルによる放熱

多くの内部の詳細クランクケースはオイルを噴霧して潤滑しているため、クランクケース内には常にオイルミストが存在しています。ピストンまたはシリンダーの壁の高温部分と接触すると、オイルはそれらから熱を奪い、オイルパンに堆積してそこに熱を伝達します。通常、そのようなシステムでは、オイルの助けを借りてピストンから取り除かれた熱は5％〜10％以下でした。しかし、近々負荷の高いエンジン、特にディーゼルエンジンでは、熱負荷が最も高い部品を冷却するために潤滑システムオイルが広く使用されるようになりました。ピストン冷却油は、2 つの方法でピストンに供給できます。

最初の方法は、コネクティングロッドに開けられた特別なオイルチャネルを通る方法です。この場合、コネクティングロッドには特別な穴があり、そこからオイルがピストンクラウンの内壁にスプレーされます。

2番目の方法 - クランクケースの下部にオイルノズルが取り付けられ、ピストンの内部キャビティに圧力下でオイルを噴霧するか、ピストンヘッドにある特別な環状冷却チャネルにオイルを注入します。ピストンからより多くの熱を抽出するために、オイルチャネルは波のような形状になっています。

この場合、オイルの助けを借りて、熱の 30 ～ 50% をピストンから取り除くことができます。その結果、ピストン底部の内壁にオイルを吹き付けると、ピストン底部の温度を15～20℃下げることができ、ピストン内のオイル循環を整えることでピストン底部の温度を下げることができます。 25 - 35ºC減少。

オイル、クーリングピストン、その他の部品は非常に熱くなります。加熱すると、油が薄くなり、潤滑特性が失われます。このため、クランクシャフトのメインベアリングとコネクティングロッドベアリングが詰まる危険性があります。

この場合、エンジン潤滑システムには特別なオイルクーラーがあり、その熱交換器はオイルからエンジン冷却システム内を循環する液体に熱を伝達します。この熱は、冷却システムのラジエーターによって車両周囲の空気に放散されます。

ピストンオイル冷却

ピストンオイル冷却

シリンダーライナーの下部に取り付けられたオイルノズルが、エンジンの潤滑システムの一部をピストンクラウンの内側にスプレーします。オイルはピストンクラウンから熱を奪い、エンジンオイルパンに流れて冷却されます。

オイルジェット - V8 エンジン

ピストンクラウン、エンジンのスプラッシュ冷却用に設計されたオイルノズル V8.

ピストン - オイル冷却

油路付ピストン

これらの写真は、フォルクスワーゲンの懸念からの 103 kW の出力を持つ最新の 2.0 TDI ディーゼルエンジンのピストンを示しています。オイルノズルは、ピストン冷却チャネルにオイルを注入します。冷却チャネルを通って、オイルはピストンヘッドを通過して冷却し、反対側のピストンの冷却チャネルを出て、エンジンオイルパンに流れ込みます。

3. 冷たい混合気によるピストン冷却。

一般に、エンジンのピストンは混合気によって部分的に冷却されます。さらに、混合気が濃いほど、ピストンからより多くのエネルギーを奪うことができます。しかし、燃費と環境上の理由から、最新のエンジンはしばしばリーンで作動します。最新の電子エンジン制御システムは、一部のエンジン動作モードでデトネーション燃焼を回避するために、混合気をわずかに再濃縮します。これにより、ピストンの温度がわずかに低下します。

ピストン設計

最も一般的なピストンのタイプ

典型的なピストン

ピストンヘッド
ピストンヘッド
ピストンスカート
クランクシャフトのカウンターウェイト用のくぼみ
ピストンピン穴
止め輪溝
ピストンボス
油掻きリングの溝の油抜き穴
オイルスクレーパーリング下のオイルドレン穴
オイルスクレーパ溝
第 2 圧縮リングの溝
第一圧縮リングの溝
ピストン取付方向マーク
ピストン径グループマーク

現代のブーストエンジンのピストンのビュー

エンジンピストン

ピストンヘッド
バルブノッチ
ディスプレイサー
アッパーバッフル（ヒートゾーン）
上部圧縮リングの溝
2 番目のパーティション
3 番目のパーティション
オイルスクレーパ溝
コンプレッションリング溝の油抜き穴
減摩コーティングされたピストンスカート
ピストンピンボアボス
ピストンピン穴
ピストンピン溝
ガス溜まり溝

一見すると、ピストンの設計に複雑なことは何もありません。ピストンは逆さまのガラスに非常に似ています。しかし、ピストンには非常に高く、しばしば相反する要件が課せられるため、ピストンはエンジン部品の設計と製造において最も難しい部品の 1 つです。

エンジンの設計によって、燃焼室の形状、バルブの位置、ピストンの下部などの形状が異なる場合があります。

ピストンヘッド形状

いくつかの例さまざまな種類ピストン

ディスプレーサとバルブリセス付きピストン

平底ピストン

平らな底とバルブのくぼみのあるピストン

平らな底とバルブのくぼみを備えたピストン。このエンジンには、シリンダーごとに 4 つのバルブがあります。

深い底と4つのバルブ用のくぼみを備えたピストン。摩擦力を低減するために、ピストンスカートの表面には減摩コーティングが施されています。

ガソリンエンジンのピストン

スカートにグラファイト減摩コーティングを施した最新のガソリンエンジンのピストン。

ディーゼルエンジンのピストン

現代のディーゼルエンジンのピストン

オイル冷却チャンネル
ピストンクラウンの燃焼室
ピストンヘッド
最初の圧縮リングの溝用のスチールリング
最初の圧縮リング
2 番目の圧縮リング
オイルスクレーパーリング
オイルノズル
ピストンピンにオイルを供給するためのコネクティングロッドヘッドの穴
コネクティングロッド
ピストンピン
ピストンピンサークリップ
サードピストンリングバッフル
セカンドピストンリングバッフル
アッパーピストンリングバッフル（ホットゾーン）

燃焼室はピストンクラウンに直接配置されています。

ピストン - ガス蓄積溝とラビリンス溝

1 - 2 番目のパーティションのガス蓄積用の溝

2 - 上部バッフルのラビリンス溝

モダンピストンスカート

現代のエンジンのピストン（スカート）のガイド部分は、スラスト面だけを残しました。

最近のエンジンの中には、非常に珍しい底の形状のピストンを備えているものがあります。たとえば、直噴ガソリンエンジンのピストン。層状混合気を形成するエンジン運転中、特別に選択された底部の形状により、ピストンは圧縮行程で上昇し、ピストンは混合気の豊富な部分を点火プラグに向けます。この場合、残りの燃焼室には非常に希薄な混合気が含まれている可能性があります。

エンジン管理システムを備えたフォルクスワーゲン直噴エンジンピストン FSI

ピストンシステム FSI

FSI - 混合気の流れ方向

自動車のエンジンのピストンは、非常に特殊な形状をしています。 フォルクスワーゲンシリンダー配置で VRとW . これらのエンジンの場合、1 つの平面内のピストンヘッドはピストン軸に対して垂直ではありません。ただし、ピストンの他のすべての部分、ピストンピンの軸、およびピストンリングの溝は、ピストンの軸に対して厳密に垂直です。

RVエンジンピストン

エンジンの動作中、ピストンは高い平均速度と非常に高い符号可変加速度で往復運動することが以前に指摘されました。したがって、慣性力を減らすために、設計者は往復運動する他のすべての部品と同様にピストンを作るように努力する必要があります。、できるだけ軽く。これを行う方法は2つしかありません。これは、比重の低い材料の使用と、材料の総量の減少、つまり余分な材料の除去です。しかし、余分な材料を除去すると構造の強度が低下し、部品が大きくなるほど、剛性と熱容量を確保しやすくなります。機械的および熱的負荷の影響下でのピストン形状の変形は、非常に望ましくありません。

エンジンの作動中、ピストンは他の部品、シリンダー壁、ピストンリング、ピストンピンと接触します。エンジンを効率的に作動させるには、これらすべての部品の間に正確なクリアランスを確保する必要があります。しかし、これらの部品はすべて各種素材したがって、熱膨張係数が異なります。ピストンは、エンジンが通常の動作温度まで暖められた後、可動部品間のすべてのギャップが最小限に抑えられ、計算されたものに対応するように設計されています。

一般に、ピストンの外形および寸法は、シリンダーの形状と一致する必要があります。製造時には、シリンダーボアに厳密な幾何学的形状を与えるよう努めています。しかし、例えば、シリンダーヘッドボルトの締め付けが不適切であると、シリンダーボアの元の形状が大きく歪む可能性があります。したがって、エンジンを修理するときは、常にすべてのねじ接続部の推奨締め付けトルクを厳守してください。

ピストンの外形は、エンジンが暖まった後、ピストンが厳密にシリンダーの形をとるように設計されているため、ピストンの製造中に意図的にその形状に歪みが導入され、エンジンとして除去されます。ウォームアップします。冷えたエンジンでは、ピストンとシリンダー壁の間のクリアランスが増加します。エンジンが通常の動作温度まで暖まると、シリンダー壁とピストンの間の熱ギャップが減少し、標準に対応し始めます。そのため、エンジンの正しい動作温度を維持することが非常に重要です。

ピストン構造

ピストンは、次の 3 つの主要部分で構成されています。

ピストンヘッド
ピストンヘッド
ピストンスカート

ピストンの底部は、ガス圧の力を吸収するように設計されています。ピストンヘッドは、ピストンヘッドに取り付けられたピストンリングにより、ピストンとシリンダー壁の可動接続をシールします。

ピストンリングを取り付けるために、ピストンヘッドに特別な溝が作られています。現代のピストンの上部の溝にはコンプレッションリングが挿入され、下部の溝にはオイルスクレーパーリングを取り付けるように設計されています。オイルスクレーパーリングの溝に貫通穴を設け、そこから余分なオイルをピストン内部の空洞に排出します。

ボトムリングの下のピストンの部分は、ピストンスカートと呼ばれます。ピストンのトランクまたはガイド部分と呼ばれることもあるピストンスカートは、ピストンを正しい方向に保持し、側面荷重を吸収するように設計されています。つまり、スカートはピストンのガイド要素です。

とても重要なパラメータピストンは、ピストンピン (4) の軸に対するピストンヘッドの高さです。エンジンの変更が異なると、圧縮比が異なる場合があります。生産において、圧縮比を変更する最も簡単な方法は、ピストンヘッドの高さを変更することです。

エンジンを設計するとき、慣性力を減らすために、設計者はピストンをできるだけ軽くしようと努力します。しかし、すべてのピストン壁を同じ厚さにすることはできません。大きな負荷を感知するために、ピストンの底は常にスカートの壁よりも厚く作られています。しかし、場所によってスカートの厚みが異なります。ピストンピンの下のボスの場所では、スカートがかなり厚くなっており、ピストンのさまざまな部分の温度が異なることを考えると、さまざまな場所で加熱するとピストンの膨張が異なると想定できます。エンジン作動中はピストンヘッドの温度が高くなり、ピストンスカートがさらに膨張するため、ピストンクラウンの直径はピストンスカートよりもわずかに小さくなっています。

ピストンの熱変形の影響下で、ピストンピンの軸に垂直にピストンに作用する横方向の力と組み合わされて、円筒形のピストンは楕円形になることがあります。この現象を解消するために、ピストンは最初は楕円形に作られていますが、反対方向に、エンジンが暖まると、ピストンは横方向の力の影響を受けて丸い形になります。楕円の短軸はピストンシャフトの軸の方向と一致し、楕円の長軸はピストンに作用する横力の方向と一致します。

ピストン楕円率

しかし、楕円形に加えて、ピストンの外面にはテーパーがあります。楕円形に加えて、最新のエンジンのピストンは、高さが樽型です。そのため、一見するとピストンシンプルなシリンダー、かなり複雑な形状をしています。

複雑なピストン形状

この図は、公称サイズからのピストン直径の偏差を示しています。緑の線はピストンピン先端側から各ピストン高さでの呼び径との偏差を示し、ピンクの線はピストンスラスト面側からの呼び径の偏差を示しています。黄色のゾーンの幅は、さまざまな高さでのピストンの楕円率を示しています。

ピストンの正確な外形を選択することは、非常に困難なエンジニアリング作業です。エンジン製造の開発の最初の段階では、ピストンの形状は実験的にのみ選択されました。エンジンに経験豊富なピストンを取り付けると、エンジンにはさまざまな負荷がかかりました。必要なテストを実行した後、ピストンを取り外し、最大の摩耗にさらされた場所で金属の一部を取り除き、その後次のテストサイクルを実行しました。結果食べ過ぎた除去された金属ピストンがつぶれ、ピストンの肉厚や形状を変えて再生産されたものフルサイクルテスト。長いテストの結果、彼らは達成しましたベストフォームこのエンジンのピストン。経験の蓄積により、ピストンの正確な形状が計算によって決定され始めました。しかし今でも、特別なコンピュータープログラムがピストンの最適な形状を高精度ですばやく読み取ることができ、ピストンに影響を与えるすべての温度と機械的要因を考慮して、さまざまな負荷の下でのピストンの必須テストが実行されます。 .

ピストンの熱制御の別の方法、つまり、温度の影響下でのピストンの形状の方向変化は、スチール製の熱安定板をアルミニウム本体に融合することです。熱安定プレートは、ピストンが完全に加熱されたときに、ピストンの半径方向の膨張を、完全にアルミニウム合金で作られたピストンと比較して約 2 分の 1 に抑えます。

熱安定プレートまたはリングは非常に効果的なツール必要な方向へのピストンの膨張の制御。確かに、これらの要素には大きな制限があります。鋳造ピストンにのみ挿入できますが、これらの要素を最新の鍛造ピストンに取り付けることはできません。

ピストンの形状の意図的な変更とピストンへの熱安定鋼板の挿入の両方が、ピストン (ピストンスカート) とシリンダースタックの間に安定した最小熱ギャップを提供するように設計されています。通常、自動車エンジンのピストンスカートとシリンダー壁の間の熱ギャップは、0.0254 ～ 0.0508 mm の範囲にあります。

ピストンにかかる横力

ピストンに作用する横力

エンジンの作動中、コネクティングロッドは、上死点と下死点でのピストンの位置を除いて、常にシリンダー軸に対して一定の角度にあり、この角度は常に変化しています。したがって、ピストンピンにかかる力は2つに分解されます。 1 つの力はコネクティングロッドの方向に作用し、2 つ目の力はシリンダーの軸に垂直な方向に作用します。この力がピストンをシリンダー壁に押し付けます。

ピストンが圧縮行程で上に移動すると、圧縮可能な空気がピストンの動きに抵抗します。この力の一部は、エンジンの正面から見てシリンダーの右側にピストンを押し付けます。

パワーストローク中、膨張するガスが大きな力でピストンを押します。この力の一部は、ピストンをシリンダーの左壁に押し付けるのに費やされます。これらの力が取るに足らないとは思わないでください。ピストンをシリンダー壁に押し付ける横方向の力は、シリンダー軸方向に作用する力の約 10% ～ 12% です。一般的な乗用車のピストン下部には、エンジンの作動時に数トンの力が作用するため、ピストンを側壁に押し付ける力は数百キロに及ぶことは前述しました。パワーストローク中にシリンダー軸方向にピストンに作用する力は、圧縮ストローク中にピストンに作用する力よりもはるかに大きいため、パワーストローク中にピストンが押し付けられる面はメインスラストと呼ばれます。水面。

上記のすべてから、ピストンが圧縮行程と行程行程の間の TDC を通過すると、ピストンは補助スラスト面から主スラスト面に移動します。大きな力がピストンに作用し、エンジン内のすべてのプロセスが非常に迅速に発生するため、ピストンの動きは打撃の形で発生します。ピストンが移動するときの衝撃力を減らすために、ピストンピンの軸（ピストンピン用のピストンボスの穴の軸）はメインスラスト面に向かって移動します。

ピストンシフト

ピストンが圧縮行程で上昇すると、ピストンクラウンにかかる圧縮空気の圧力は、ピストンクラウンに垂直な方向の力に変換されます。コネクティングロッドはピストン軸に対してある角度を持っているため、垂直方向の力が発生し、ピストンを補助スラスト面 (2) に押し付けます。

圧力の作用によって生じる力は、圧力に圧力が作用する面積を掛けた積に等しくなります。ピストンピンの軸がメインスラスト面(1)側にずれているため、ピストン右半分の面積が若干大きくなっています。より多くのエリア左半分。その結果、ピストンの右半分に作用する力は、ピストンの左半分に作用する力よりも大きくなります。したがって、ピストンが上死点で停止すると、これらの力の差の結果として、ピストンの下部がメインスラスト面に向かって移動します。そして、燃焼室内の圧力が上昇し始めるとすぐに、ピストンがメインスラスト面に完全に移動します。これにより、衝撃負荷なしでピストンを再配置できます。ピストンが下降すると、シリンダーの軸に対するコネクティングロッドの角度が変化し、シリンダー内の圧力が上昇すると、ピストンは主スラスト面 (1) に圧力を加えます。

通常、自動車エンジンのピストンの軸に対するピストンピンの軸の変位は、1.0 ～ 2.5 mm の範囲にあります。

ピストンピンの軸の既存の変位を考慮すると、ピストンは一方向にのみ取り付けることができます。ピストンの取り付けが正しくないと、エンジン作動中にパーカッション音が発生します。通常、ピストンのクラウンには、正しいピストンの取り付け方向を示すマークがあります。エンジンを修理する前に、修理マニュアルをよくお読みください。

E.N. ジャルツォフ