Поршень - один з найважливіших елементів двигунів внутрішнього згоряння.
Саме ця деталь виконує головну функцію в перетворенні енергії розширюються газів в іншу енергію - обертання колінчастого вала. Отже, до поршня пред'являється ряд вимог, які технічно складно реалізувати в одній деталі. Ось деякі з них:
- так як температура камери згоряння може сягати приблизно понад 2000 ° С, а температура самого поршня не повинна перевищувати 350 ° С, і при цьому не повинно існувати ризику втрати міцності матеріалу;
- в ході згоряння бензино-повітряної суміші в самій камері згоряння тиск досягає 80 атмосфер, отже, зусилля, чиниться на днище вироби, буде понад 4 тони. Тому його товщина, а так само товщина стінок поршня повинна витримувати подібні навантаження. Слід зазначити і той факт, що зі збільшенням маси вироби збільшуються і динамічні навантаження на елементи двигуна, а значить, посилюється конструкція двигуна, зростає його маса;
- зазор, наявний між поршнем і циліндром повинен забезпечити ефективну змащення і можливість постійного переміщення з мінімальними втратами енергії на тертя. У той же самий час необхідно врахувати теплове розширення: в цій ситуації розмір зазору повинен виключити заклинювання;
- виготовлення поршня не повинно бути занадто витратним, собівартість вироби повинна бути низькою.
Історія виробництва поршнів налічує понад 150 років. Однак з моменту їх першого випуску конструкція цих виробів практично не змінилася.
Тут можна виділити відразу кілька зон, що мають своє особливе, функціонально важливе призначення:
Днище поршня - це поверхня, яка звернена до камери згоряння. Своїм профілем воно повинно визначати нижню поверхню камери. Отже, форма днища безпосередньо залежить від конструкції камери згоряння, від особливостей подачі в неї паливо-повітряної суміші, її обсягу і розташування на камері клапанів.
На малюнку зображено днища різних моделей, які застосовуються на двигунах ВАЗа. Поршні 21213 і 21230 відрізняє нанесена маркування. Вона знаходиться на поверхні виробу поруч з отвором для поршневого пальця. На поршень ВАЗ 21213 наносяться цифри - "213", а на моделі 21080, 21083, 21100 - "08", "083", і "10" відповідно. Поршень 2108 становить 76 мм в діаметрі, а у моделей 21083 і 2110 - 82мм. Інші моделі поршнів ВАЗ 2112 і ВАЗ 21124 відрізняє не тільки відповідне маркування - "12" і "24", а й глибина вибірки для клапана. Поршні ВАЗ 21126 і ВАЗ 11194 так само відрізняє діаметр.
Зі збільшенням поглиблення, що знаходиться на днище, зростає і обсяг камери згоряння. Для зменшення її об'єму використовуються витискувачі, якими є обсяги металу, що знаходяться вище площини самого днища.
«Жар (вогненний) пояс» - це відстань від канавки перших поршневих кілець до днища. Чим ближче вони розташовуються, тим вище теплове навантаження, якої вони піддаються і, відповідно, тим менше ресурс цих виробів.
Ущільнюючий ділянку - це місце розташування канавок на бічних циліндричних поверхнях поршня. Канавки призначаються для монтажу поршневих кілець. Останні, в свою чергу, здатні забезпечити рухливе ущільнення. Всі моделі двигунів ВАЗ мають дві канавки для компресійних кілець і одну для маслос'емного кільця. Саме для нього в канавці є отвори, за допомогою яких зайве масло відводиться у внутрішню порожнину поршня. Крім того, що ущільнює ділянку реалізує ще одну найважливішу функцію: за допомогою встановлених поршневих кілець здійснюється відведення більшої частина тепла від поршня до циліндра. У тому випадку, якщо конструкцією вироби такого відводу не передбачає, то рано чи пізно це призведе до прогорання вироби. За допомогою компресійних кілець поршень передає до 60-70% виділяється їм тепла. Однак в цій ситуації необхідно щільне прилягання до циліндра і до поверхні канавок поршневих кілець. Для того, щоб забезпечити повну працездатність вироби, торцевої затвор в першому компрессионном кільці канавки повинен складати близько 0,045-0,070мм. Зазор для другого компресійного кільця - 0,035-0,060мм, і 0,025-, 0050мм - для маслос'емного. До речі, радіальний зазор між канавкою і внутрішньою поверхнею кільця повинен становити 0,2-0,3.
Головка поршня утворена днищем і ущільнюючої частиною.
Компресійна висота - це відстань від днища до осі поршневого пальця.
«Спідниця» - це нижня частина поршня. Саме на цій ділянці вироби є бобишки з отворами для установки поршневого пальця. Зовнішня поверхня «спідниці» грає роль спрямовуючої, опорної поверхні. Завдяки «спідниці» забезпечується співвісність осі циліндра блоку до положення деталі. Бічна поверхня ділянки задіяна в передачі виникають поперечних зусиль до циліндра. На весь виріб або ж на поверхню «спідниці» часто наносять захисне покриття, з метою поліпшення прірабативала і зниження тертя. Шар олова, яким покривають виріб, дозволяє згладити нерівності профілю, і не допустити наволакивания частини алюмінію на поверхню виробу. Так само застосовуються покриття, до складу яких входить графіт, молібден, дисульфід. Так само в цілях зниження втрати на тертя на спідницю наносять канавки спеціального профілю. Їх глибина, як правило, становить близько 0,01-0,015мм. В ході руху канавки створюють гідродинамічну силу, здатну перешкоджати контакту зі стінками циліндра, а так само надійно утримують масло.
Основний фактор, що визначає геометрію поршня - це необхідність зниження сили тертя. У зв'язку з цим необхідно забезпечити певну товщину масляного шару в зазорах між стінками циліндра і поршнем. Слід так само пам'ятати, що невеликий за розмірами зазор збільшить силу тертя, що спричинить за собою більше нагрівання деталей, прискорить їх знос, а можливо і призведе до заклинювання. Надмірно великий зазор приведе до збільшення шумності двигуна, зростуть динамічні навантаження, що надаються на сполучаються деталі, в результаті чого значно прискориться їх знос. Саме тому розмір зазору підбирають відповідно до технічними характеристиками кожного окремого двигуна.
Варто так само відзначити, що в історії використання поршнів для двигунів ВАЗ , Можна виділити етапи впливу багатьох європейських конструкторських шкіл. Так, перші моделі двигунів ВАЗ мали «італійську» конструкцію. Поршні відрізняла велика компрессионная висота, широка опорна поверхня спідниці. Виріб покривали шаром олова. У конструюванні наступних виробів безпосередню участь брали німецькі фахівці. Саме тому поршні мали меншу компресійну висоту, а на спідниці був застосований мікропрофіль - сукупність канавок, службовців для утримання мастила в зонах тертя. Пізніше поршні ВАЗ 11194 і ВАЗ 21126 випускаються з особливим, Т-образним профілем. Вони орієнтовані на монтаж тонких поршневих кілець. Якщо порівняти зовнішні параметри моделей поршнів від 2101 до 21126, то без праці можна виявити тенденції вдосконалення конструкцій, які стали можливими завдяки новим технологіям і науковим розробкам.
В ході роботи механізму різні ділянки поршня прогріваються нерівномірно, через що більше теплове розширення припадає на ділянки з найбільшим обсягом металу і найвищою температурою. Саме тому рівень днища має менший розмір, ніж діаметр його середній частині. У своєму поздовжньому перетині виріб являє собою конус. Спідниця в своїй нижній частині так само може бути менше діаметром. В ході руху вниз в просторі між циліндром і спідницею створюється особливий масляний клин, що поліпшує центрування в циліндрі.
Для того, щоб компенсувати теплову деформацію, поперечний переріз поршня виконується в формі овалу. Причиною тому - зосередження значного обсягу металу в районі бобишек під поршневий палець. Відповідно при нагріванні в його площині розширення здійснюється в значно більшому ступені. Овальна форма і бочкообразность деталей в холодному стані дозволить наблизити поршень до циліндричної формі за умови роботи двигуна. Однак подібна форма тягне за собою складність контролю його діаметра. Фактично він визначається вимірами площині перпендикулярних осей отвору під поршневий палець, які здійснюються на деякій відстані від днища. Таким чином, дана відстань буде різним для кожної окремої моделі.
Через теплових навантажень має місце ще одна проблема: виготовлені з алюмінієвого кремній сплаву поршні і чавунні блоки циліндрів мають різну теплопровідність, а відповідно і різні коефіцієнти теплового розширення. Отже, під час пуску двигуна поршень нагрівається, а значить, і збільшується в своєму діаметрі швидше, ніж зростає внутрішній діаметр циліндра. У зв'язку з малими зазорами такий стан речей збільшує знос циліндрів, а нерідко призводить і до заклинювання поршня. Для того, щоб уникнути подібних проблем в процесі виливки поршнів в тіла їх заготовок вбудовують спеціалізовані чавунні і сталеві елементи, здатні стримувати різка зміна діаметрів виробів. Для відводу тепла і зменшення теплових розширень деякі двигуни так само мають системами подачі масла у внутрішні порожнини поршнів.