Поршень занимает центральное место в процессе преобразованияхимической энергии топлива сначала в тепловую, а затем в механическую.И в прямом, и в переносном смысле. И от того, насколько хорошо онсправляется с возложенными на него обязанностями, в значительнойстепени зависят характеристики мотора. Его эффективность и, что болееважно, надежность. Особенно когда мы говорим о спортивном примененииили модификации автомобиля в тюнинговом ателье. Вопрос о примененииспециальных поршней в случае повышения мощности всегда встает передконструктором. В силу множества функций и противоречивости свойствпоршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталеймотора. Такое привилегированное положение подтверждается тем, чторедкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают ихсамостоятельно для своих моторов.

Чаще всего они пользуются услугами фирм, которые специализируются вэтой области. Многообразие форм и размеров поршней является одной изпричин, почему столь много тайн, секретов и небылиц распространяетсявокруг этого причудливой формы куска металла. А так как это еще итехнологически сложно, практически неисполнимо в условиях стандартногомашиностроительного производства, то проблема подгонки, т. е.соответствия поршня требованиям модифицированного мотора, становитсякамнем преткновения для многих тюнинговых компаний и спортивныхконюшен. Кроме того, штучное производство столь сложных изделийфинансово обременительно. В этой ситуации часто интуитивныепредставления тюнера о том, что «улучшенный» двигатель должен иметь«улучшенные» поршни, приводит к тому, что сначала двигатель оснащаетсячем-то доступным, а потом такое решение находит свое наукообразноеобоснование.

Так давайте попробуем разобраться, какие требования предъявляются кпоршням и что от чего зависит. Во-первых, поршень, перемещаясь вцилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива,и совершать механическую работу. Следовательно, он долженсопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнятьканал цилиндра. Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром ипоршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшимобразом отвечать требованиям пары трения с целью минимизироватьмеханические потери и, как следствие, износ. В-третьих, испытываянагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он долженвыдерживать механическое воздействие. В-четвертых, совершаявозвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можноменьше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можноразделить на две большие группы. Первая – это тепловые процессы.Вторая, значительно более многообразная – механические. Обе группывзаимовлияющие, но в этот раз мы остановимся на тепловых.

Итак, топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромноеколичество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревшихгазов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадутдвижущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреетдвигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит втрубу. Из курса общей физики известно, что если два тела передают другдругу тепло, то передача тепла будет происходить до тех пор, пока ихтемпературы не уравняются. Следовательно, если мы не будем охлаждатьпоршень, он через некоторое время расплавится. Это принципиально важныймомент для понимания условий работы поршневой группы.

А особенно важно, если мотор форсируется. Всегда, когда мы заставляеммотор увеличить мощность, пропорционально увеличивается количествотепла, генерируемое в камере сгорания в единицу времени. Конечно,расплавленные поршни мы видим чрезвычайно редко, однако в любых ихпроблемах всегда незримо присутствует температура. Примерно так же, какв любом дорожно-транспортном происшествии – скорость. Виноват, конечно,водитель, но.... Если бы автомобили не двигались, никто бы непострадал. Дело в том, что с ростом температуры механическиехарактеристики всех материалов ухудшаются. Поэтому нагрузка, котораяпри 100 градусах Цельсия вызывает упругую деформацию материала, при 300градусах деформирует изделие, а при 450 разрушит его. Поэтому мы должныили принимать меры по предотвращению роста температуры поршня, илииспользовать материалы, способные выдержать рабочие нагрузки привысоких температурах. Чаще всего и то и другое. Однако в любом случаеконструкция поршня должна быть такова, чтобы в нужных местах былонеобходимое количество металла, способное противостоять разрушению.

Еще раз повторим известный из курса общей физики факт, что тепловойпоток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможемувидеть распределение температур по поршню во время его работы иопределить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру,т. е. понять, за счет чего он охлаждается. Нам известно, что наиболеенагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камересгорания. Совершенно понятно, что, в конце концов, тепло будет переданоокружающему автомобиль воздуху – самому холодному и в то же время приопределенном допущении бесконечно теплоемкому. Воздух, омывая радиатори корпус двигателя, студит охлаждающую жидкость, блок цилиндров икорпус головки. Нам осталось найти мостик, по которому поршень отдаетсвое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути. Онисовершенно разные по своему вкладу, однако все заслуживают упоминания,так как в зависимости от конструктивных особенностей двигателя имеютбольшее или меньшее значение.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневыекольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенноеближе к днищу. Это также наиболее короткий путь к охлаждающей жидкостичерез стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневымканавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% тепловогопотока.Второй путь менее очевиден, однако трудно его недооценить. Втораяохлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступк наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем ислабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддонкартера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. Вслучае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннююповерхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 –40%. Понятно, что, нагружая масло в большей степени функциейтеплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначеперегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выходаиз строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньшетепла оно способно перенести через себя.

Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттудав масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловыесопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительнуюпротяженность и низкий коэффициент теплопроводности.

И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Частьтепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь,поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, аследовательно, и количество тепла, которое она отберет, зависит отрежима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло,полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этотпуть охлаждения носит, во-первых, импульсный характер, во-вторых,отличается скоротечностью, в-третьих, пропорционален последующемунагреву и, в-четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что теплоотбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Здесь следует упомянуть о стандартном приеме, который используется принастройке спортивных моторов. Дело в том, что теплоемкость смеси сильнозависит от ее состава. Чем больше топлива в ней содержится, тем большетепла будет потрачено на его испарение. Очень часто, чтобынормализовать работу мотора, нужно чуть-чуть, всего на 5 – 10 градусов,понизить внутреннюю температуру. Это достигается легким забогащениемсмеси, чуть богаче, чем необходимо. На процесс горения это никак несказывается, а температура падает. Исчезает калильное зажигание,отодвигается порог детонации. Всегда лучше чуть богаче, чем беднее.Моторы, работающие, например, на метаноле, значительно менеетребовательны к системе охлаждения из-за втрое большей теплотыпарообразования, чем у бензина.

Таким образом, в силу большей значимости следует уделить болеепристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Совершеннопонятно, что если этот путь мы по тем или иным причинам перекроем, томаловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительныефорсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет»,и двигатель разрушится. Тут я хочу упомянуть такую, на первый взгляд,совершенно не относящуюся к процессу теплообмена характеристику, каккомпрессия. О компрессии знает каждый человек, хоть раз сталкивавшийсяс покупкой подержанного автомобиля. Это наиболее популярный параметр,который хочет знать каждый владелец автомобиля, заботящийся о двигателесвоей машины. Компрессия косвенно показывает степень неплотностипоршневой группы. С точки зрения теплопередачи это очень важныйпараметр.

Давайте представим себе, что кольцо не прилегает по всей своей длине кстенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадутбарьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенкуцилиндра. Это почти то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатораи лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Еще более страшная картина, если кольцо не имеет тесного контакта сканавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимокольца через канавку, участок поршня лишается принципиальнойвозможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловоммешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса,прилегающей к месту утечки. Именно поэтому всегда уделяется так многовнимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки. И не ухудшениеэнергетики здесь главная причина. Ведь небольшое количество газов,прорывающихся в картер, несет в себе слишком малую энергию, чтобыповлиять на потерю давления в такте рабочего хода и, как следствие, напотерю момента двигателем. Тем более, когда мы говорим овысокооборотном моторе. Гораздо больший вред даже небольшая неплотностьнаносит двигателю в смысле локальных тепловых перегрузок, потерижесткости и надежности. Вот еще почему не живут долго двигатели,восстановленные методом замены колец или перегильзовкой блока подстарые, отжившие свой век «номинальные» поршни. Вот почему первым успортивного мотора разрушается цилиндр, имеющий меньшую компрессию.

Тут, вероятно, необходимо коснуться вопроса, который всегда обсуждаетсяпри изготовлении специальных поршней для спортивных или тюнинговыхприложений. Сколько колец будет у нового поршня? Два? Три? Какойтолщины должны быть кольца? С точки зрения механики, чем меньше колец,тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однакопри уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условияохлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо –стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс. И чембыстроходней мотор, тем жестче становятся рамки. Скоротечностьпроцессов диктует меньшие требования к уплотнению. Растущие соскоростью механические потери необходимо уменьшать, иначе все, чтопреобразовали в механическую мощность, не донесем до колес. Однако иколичество тепла в единицу времени вырабатываем пропорционально больше,мостик для охлаждения требуется как можно шире. Вот и нужноодновременно чтобы кольца были и узкие, и широкие. И нужно их два длябыстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешениеэтой задачи – суть компетентность конструктора. А результаты его работы– в сбалансированности двигателя.

В настоящее время инженерами, работающими в мощных производственныхкомпаниях и научных центрах, накоплен огромный эмпирический материал ина его основе созданы расчетные методы, позволяющие с большой точностьюпредсказать поле температур и характеристики конкретного изделия.Большинству тюнинговых компаний и спортивных конюшен они недоступны.Автору, к сожалению, тоже. Эта статья намеренно не содержит конкретныхзначений многих величин, которые позволили бы некоторым читателямвзяться за калькуляторы. Тепловые расчеты на пальцах – бесперспективноезанятие. Ее задача – показать ту сторону процессов, происходящих вдвигателе, которая всегда подразумевается, но никогда всерьез нерассматривается. Я хотел только проявить качественные связи и объяснитьважность и необходимость в своей работе учитывать влияние еговеличества тепла. О второй стороне дела – механике – в следующий раз.