Что входит в поршневую группу двигателя?

Причины износа поршня

Поршень, как и любой другой рабочий элемент двигателя подвержен износу и поломке. В случае с двигателем увеличение износа происходит при ежедневной эксплуатации, но до некоторого момента это незаметно и ДВС работает стабильно.

При выработке ресурса деталей происходит резкое увеличение износа и начинаются всевозможные проблемы:

• Повышается расход масла
• Синий дым из выхлопной трубы
• Нагар на свечах
• Нестабильная работа ДВС на холостых оборотах, о чем свидетельствует вибрация рычага КПП
• Увеличение расхода топлива в 2 и более раз
• Снижение мощности двигателя и т.д.

Все это свидетельствует о некорректной работе двигателя, в том числе и поршневой группы. Например, задиры на головке поршня возникают вследствие перегрева из-за нарушения процесса сгорания, деформации и/или засорения масляной форсунки, установки поршней неправильного размера и параметров, неисправностей в системе охлаждения, уменьшения зазора в верхней части рабочей поверхности.

Следы от ударов на днище поршня свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неверной посадке клапана, слишком малом зазоре в клапанном приводе, отложениях масляного нагара на головке поршня, неподходящем уплотнении ГБЦ, некорректно выставленным фазам газораспределения, чрезмерной подгонке торцевой поверхности ГБЦ.

Наплавления металла на поверхностях указывают на неравномерный впрыск топлива, позднее зажигание, недостаточное сжатие смеси, неверный момент начала впрыска, неисправность впрыскивающих форсунок.

Трещины в полости камеры сгорания и днище говорят о недостаточной компрессии в цилиндрах, плохом охлаждении поршня, некорректном моменте начала впрыска, неисправности или непригодности впрыскивающей форсунки. Подобные следы можно обнаружить, если установлены поршни с неподходящей формой полости камеры сгорания или на автомобилях, мощность двигателей которых была повышена искусственно (например, методом чип-тюнинга).

Поршневые кольца повреждаются вследствие неправильной установки поршней, избытка топлива в камере сгорания, при вибрации самих поршневых колец, сильном осевом износе кольцевой канавки и деталей.

Радиальный износ поршня возникает при избыточном количестве топлива в камере сгорания. Это происходит из-за сбоев в процессе приготовления смеси, при нарушении процесса сгорания, недостаточном давлении сжатия, неправильном размере выступа поршня. Осевой износ возникает в результате загрязнения из-за недостаточной фильтрации. Его также вызывают продукты износа, образующиеся во время приработки двигателя и загрязнения, которые не были полностью удалены при ремонте силового агрегата.

Повреждения юбки поршней может возникать по нескольким причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, неправильно просверленными отверстиями цилиндра или неправильно установленными отдельными цилиндрами, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры под углом 45° образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Кроме этого поверхности юбок поршней истираются из-за разбавления масла топливом, неисправного пускового устройства двигателя, недостаточного сжатия смеси, перебоев в зажигании и работе двигателя на переобогащенной воздушно-топливной смеси.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация. Она вызывается недостатком охлаждения, слишком низкой или высокой температурой, малым начальным давлением в системе охлаждения, применением неподходящей охлаждающей жидкости, неправильной и/или неточной посадки гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Обнаруженные блестящие места в верхней части цилиндра говорят об отложении масляного нагара на днище цилиндров. Они возникают вследствие избыточного содержания масла в камере сгорания, прорыва газов с проникновением масла во всасывающий тракт, частой езды на короткие дистанции или на холостом ходу, недостаточного отделения масляного тумана от картерных газов.

маркировка поршней

Днища разных моделей применяемых на двигателях ВАЗ приведены на рисунке. Поршни ВАЗ 21213 и ВАЗ 21230 отличаются нанесенной маркировкой.

Маркировка наносится на поверхность рядом с отверстием под поршневой палец.

На поршне ВАЗ 21213 нанесены цифры -«213», на модели ВАЗ 2123 — «23».

На модели ВАЗ 21080, ВАЗ 21083, ВАЗ 21100 нанесена соответствующая маркировка — «08»,»083″, «10».

Поршень 2108 имеет диаметр 76мм , модели 21083 и 2110 — 82мм.

Поршни ВАЗ 2112 и ВАЗ 21124, имеют соответствующую маркировку — «12»и «24» и отличаются глубиной выборки под клапана.

Модели 21126 и 11194 отличаются диаметром.

Типы поршней

Поршень имеет следующие основные типы:

1. Магистральные поршни
2. Крейцкопфные поршни
3. Скользящий поршень
4. Дефлекторные поршни
5. Гоночные поршни
6. Инварный поршень
7. Автотермические поршни
8. Специальные поршни

1) Магистральные поршни

Эти типы поршней имеют большой диаметр. Это поршень с двойным функциональным назначением (т.е. он может работать и как цилиндрическая крейцкопф, и как поршень).

Когда шатун почти полностью отклоняется, в нем остается боковая сила, которая действует на стенки цилиндра по обе стороны от поршня.

Это наиболее часто используемый тип поршня для поршневых двигателей внутреннего сгорания. Они применяются как в дизельных, так и в бензиновых двигателях, но в высокоскоростных двигателях сейчас используются более легкие поршни-скольжения.

Одной из наиболее характерных особенностей этих поршней (особенно для двигателей CI) является то, что помимо маслосъемного кольца между коронкой поршня и поршневым пальцем, они содержат канавку для маслосъемного кольца под поршневым пальцем.

2) Крейцкопфные поршни

Дизельный двигатель с высоким замедлением может потребовать дополнительных средств для борьбы с боковыми силами на поршнях. Поэтому в высокоскоростном дизельном двигателе обычно используется крейцкопфный поршень. Главный поршень содержит большой поршневой шток, который простирается вниз от поршня к вторичному поршню меньшего диаметра.

Главный поршень обеспечивает газоплотность и движение поршневого кольца. Меньший поршень имеет механический привод. Он работает в небольшой камере сжатия. Он передает штифт песчаника и действует как направляющая ствола.

Крейцкопф имеет лучшее смазочное масло, чем масло для смазки поршня ствола. Теплота сгорания не влияет на смазку крейцкопфа. Смазочное масло поршней крейцкопфа не загрязняется легковоспламеняющимися частицами сажи, не повреждается под воздействием тепла и может использовать разбавитель.

3) Скользящий поршень

Эти типы поршней лучше всего подходят для бензиновых двигателей. Эти поршни имеют наименьшие размеры и вес. В рискованных случаях они имеют только юбку поршня, опору для поршневого кольца и поршневую коронку, оставляя две площадки, которые предотвращают вибрацию поршня в отверстии.

Край юбки поршня отходит от стенки цилиндра вокруг штифта пескаря. Цель этого процесса — уменьшить массу возвратно-поступательного движения, что позволяет легко сбалансировать двигатель и создать высокие обороты.

4) Дефлекторные поршни

Эти типы поршней чаще всего используются в 2-тактном двигателе с компрессией коленчатого вала, который тщательно направляет поток воздуха в цилиндр для обеспечения эффективного выхлопа. Для бокового пылесоса впускное и выпускное отверстие находятся на стороне, обращенной непосредственно к стенке цилиндра.

Эти поршни имеют рельефное ребро в верхней части, чтобы остановить прямое прохождение поступающей воздушно-топливной смеси от одного отверстия ко второму. Это служит для отклонения поступающей смеси вокруг камеры сгорания.

5) Гоночные поршни

Гоночные двигатели имеют более жесткие и прочные поршни, чем двигатели легковых автомобилей. Они легче, чтобы достичь желаемой гоночной скорости двигателя.

6) Поршень из инвара

Поршни invar strut имеют инвар, который представляет собой сплав, состоящий из 64% стали и 36% никеля. Его коэффициент расширения ничтожно мал (т.е. 000000063/°C ). В поршне инварная стойка крепит юбку и бобышки поршневого пальца, что позволяет поршню расширяться примерно до размеров цилиндра.

7) Автотермические поршни

Поршни этого типа имеют стальные вставки с низким расширением в бобышках поршневого пальца. Форма этих вставок такова, что их концы прикреплены к юбке поршня.

Поршни со спецлидоном

Specialloid pistons производит широкий спектр нулевых поршневых двигателей CI и двигателей SI для главной тяги судов, железнодорожной тяги, промышленных станций, коммерческих автомобилей и вспомогательных применений.

Новейшие дизельные поршни Specialloid имеют вертикальные шестерни на внутренней поверхности юбки и прочные опоры, которые передают нагрузку непосредственно от верхней части к опорной зоне пальца пескаря.

Алюминий

Данный материал используют для поршней наиболее часто. Это объясняется небольшим удельным весом (алюминиевые детали легче чугунных на 30%), высокой теплопроводностью (в 3-4 раза больше, чем у чугуна), обеспечивающей разогрев днища не более чем до 250 °С, что
предоставляет возможность
увелич
ения
степен
и
сжатия и
обеспечивает
лучше
е
наполнени
е
цилиндро
в, и
высокими
антифрикционны
ми
свойствами. При этом алюминий имеет больший в 2 раза, чем у чугуна,
коэффициент линейного расширения
, что вынуждает делать большие
промежутки
со стенками цилиндров,
то есть
размеры поршней
из алюминия меньше, чем из чугун
а,
для одинаковых цилиндров
.
К тому же такие детали
и
меют
меньшую прочность, особенно в нагретом состоянии (при 300 °С она снижается на 50-55%, тогда как у чугун
ных
— на 10%).

Для снижения степени трения стенки поршней покрывают в качестве которого используют графит и дисульфид молибдена.

Принцип работы поршня

Главная задача поршня – восприятие давления газов в цилиндре и передача энергии давления через поршневой палец на шатун. Далее она преобразуется коленчатым валом в крутящий момент двигателя. Подобную задачу невозможно реализовать без надежного уплотнения поршня, который движется в цилиндре. В противном случае произойдет прорыв газов в картер и попадание моторного масла в камеру сгорания из него. Для решения этой проблемы в поршне предусмотрены канавки, в которых установлены компрессионные и маслосъемные кольца. Для отвода масла в поршне находятся специальные отверстия.

В процессе работы днище поршня напрямую контактирует с горячими газами и нагревается. Избыток тепла от днища к стенкам цилиндра отводят поршневые кольца и охлаждающая жидкость. В тяжелонагруженных агрегатах предусмотрено дополнительное масляное охлаждение: масло через форсунки подается на днище и во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Чтобы уплотнение полостей поршня было надежным, его вертикальная ось должна совпадать с осью цилиндра. Перекосы недопустимы, так как они вызывают «болтание» поршня в цилиндре, снижают уплотняющие и теплопередающие свойства колец, а также увеличивают шумность работы двигателя. Для исключения подобных проблем служит юбка поршня. Она должна обеспечивать минимальный зазор как на холодном, так и прогретом агрегате.

Коэффициент расширения стенок цилиндра и самого поршня разные. Это обусловлено как разными конструкционными материалами, так и разницей в температуре нагрева. Чтобы нагретый поршень не заклинивало вследствие температурного расширения, существует два решения.

Первое – эллиптическая форма юбки поршня в поперечном сечении, где большая ось перпендикулярная оси пальца, а в продольном – конуса, который сужается к днищу поршня. Благодаря такой форме обеспечивается соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, что предотвращает заклинивание. Второе решение – заливка стальных пластин в юбку поршня некоторых моделей. При нагреве расширение металла происходит медленнее, что ограничивает расширение всей юбки.

В качестве конструкционного материала для производства поршней используется алюминий. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях работы, которые характерны современным двигателям, нужно обеспечить малую массу движущихся деталей. Поэтому, если использовать более тяжелые металлы, то потребуются и более мощные компоненты: шатун, коленвал и блок с толстыми стенками. Все это сделает увеличит размер и вес силового агрегата.

В конструкции поршня могут быть реализованы и другие инженерные решения. Например, обратный конус, расположенный в нижней части юбки. Он служит для уменьшения шума из-за перекладки элемента в мертвой точке. Для улучшения смазывания юбки используется микропрофиль на рабочей поверхности, который представляет собой маленькие канавки с шагом 0,2-0,5 мм, а для снижения трения применяется антифрикционное покрытие.

В России покрытие для поршней выпускает . MODENGY Для деталей ДВС наносится на юбки поршней и другие детали двигателя: коренные подшипники коленчатого вала, втулки пальцев, распредвалов, дроссельную заслонку.

Покрытие способствует снижению трения и износа, предотвращает появление задиров на поверхностях и заклинивание поршня в цилиндре. Материал стоек к длительному воздействию моторного масла и в течение некоторого времени сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия возможна как при комнатной температуре, так и при нагреве. Удобная аэрозольная упаковка упрощает процесс нанесения благодаря тщательно настроенным параметрам сопла распылительной головки.

Уплотняющая часть поршня двигателя

К уплотняющей части относят маслосрезывающие и компрессионные кольца. Первые (еще их называют маслосъемными) имеют отверстия по всей своей длине, через которые масло, удаляемое со стенок цилиндра, проходит внутрь стакана-поршня и далее стекает по шатуну в картер.

В некоторых случаях маслосрезывающие кольца при изготовлении дополнительно снабжают ободком из легированного чугуна (стойкого к коррозии). На ободке для компрессионного кольца выполняются специальные канавки для удаления масляной пленки. Таким образом, компрессионное кольцо становится одновременно еще и маслосрезывающим.

В большинстве современных ДВС поршни имеют по 3 кольца: по одному маслосъемному и по два компрессионных. В задачу последних входит обеспечение герметичности компрессии и предотвращение прорыва рабочих газов в картер двигателя. В сечении такие кольца могут иметь разную форму:

• трапециевидную;
• коническую;
• бочкообразную.

Разумеется, наибольшие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо, поэтому его канавку усиливают стальной вставкой.

Поверхность цилиндра, по которому скользят кольца, смазывается. Масло поступает через пару специальных отверстий в стенках цилиндра. В задачу маслосъемного кольца входит снятие масляной пленки, чтобы по максимуму уменьшить выгорание масла и образование нагара. Некоторые разновидности маслосрезывающих колец также оснащают пружинным расширителем для обеспечения более плотного их прилегания к зеркалу втулки цилиндра.

Диаметр уплотняющей части стакана-поршня меньше, чем диаметр его юбки. Это объясняется разным уровнем термической нагрузки – нагрев уплотняющей части больше (его еще называют жаровым поясом). Меньший диаметр здесь позволяет избежать возможных задиров и заклинивания колец. Юбка цилиндра имеет в сечении овал, уплотняющая часть – круг.

Компрессия в камере сгорания тем выше, чем больше уплотнительных колец устанавливается на поршне. Кроме того, большое значение имеет материал, из которого изготавливаются кольца. Он должен быть максимально износостойким. Поэтому и компрессионные, и маслосъемные кольца зачастую изготавливаются из легированного чугуна.

Помимо износостойкости, материал колец должен быть еще и максимально теплопроводным, чтобы эффективно отводить тепло от стакана-поршня на охлаждаемую втулку цилиндра. Через кольца отводится до 80 % тепла. Если снижается плотность прилегания колец, большая часть теплопередачи перемещается на юбку поршня – возрастает вероятность появления задиров. Чтобы избежать этого, во время проведения испытаний и обкатки нового мотора искусственно ограничивается его мощность.

Когда металл колец перегревается, то снижается его упругость, из-за чего могут возникнуть поломки и другие негативные эффекты: в камеру сгорания начнет просачиваться масло, а в картер прорываться отработанные газы. При перегреве есть риск смыкания стыков колец (из-за линейного термического расширения), в результате чего сами кольца просто сломаются. Иногда это приводит даже к срыву поршня.

Особенности поршней

Кованый поршень предназначен для работы под высокими нагрузками, по этой причине его применяют на спортивных и гоночных транспортных средствах. Проще говоря, конструктивные и иные особенности этой детали определяются особенностями ее функционирования. Самым интенсивно воздействующим на поршни фактором во время работы мотора считается температурный режим. От ее воздействия металл расширяется неравномерно.

Такое явление больше проявляется по пальцевой оси поршня и в меньшей степени – по плоскости, в которой качается шатун. От этого поршень с цилиндром соприкасаются неравномерно, что значительно ускоряет изнашивание. В ситуациях, близких к критическим, образуются задиры, указанные детали прихватываются, что вызывает заклинивание ДВС. Кроме температуры, на поршни влияют инерционна сила и давление, которое создается в цилиндре газами.

Пошаговая схема функционирования

Работа ДВС основывается на энергии расширяющихся газов. Они являются результатом сгорания ТВС внутри механизма. Это физический процесс принуждает поршень к движению в цилиндре. Топливом в этом случае могут служить:

• Жидкости (бензин, ДТ);
• Газы;
• Монооксид углерода как результат сжигания твердого топлива.

Работа двигателя — это непрерывный замкнутый цикл, состоящий из определенного количества тактов. Наиболее распространены ДВС двух видов, различающихся количеством тактов:

1. Двухтактные, производящие сжатие и рабочий ход;
2. Четырехтактные – характеризуются четырьмя одинаковыми по продолжительности этапами: впуск, сжатие, рабочий ход, и завершающий – выпуск, это свидетельствует о четырехкратном изменении положения основного рабочего элемента.

Начало такта определяется расположением поршня непосредственно в цилиндре:

• Верхняя мертвая точка (далее ВМТ);
• Нижняя мертвая точка (далее НМТ).

Изучая алгоритм работы четырехтактного образца можно досконально понять принцип работы двигателя автомобиля.

Впуск происходит путем прохождения из верхней мёртвой точки через всю полость цилиндра рабочего поршня с одновременным втягиванием ТВС. Основываясь на конструкционных особенностях, смешивание входящих газов может происходить:

• В коллекторе впускной системы, это актуально, если двигатель бензиновый с распределенным или центральным впрыском;
• В камере сгорания, если речь идет о дизельном двигателе, а также двигателе, работающем на бензине, но с непосредственным впрыском.

Первый такт проходит с открытыми клапанами впуска газораспределительного механизма. Количество клапанов впуска и выпуска, время их пребывания в открытом положении, их размер и состояние износа являются факторами, влияющими на мощность двигателя. Поршень на начальном этапе сжатия размещён в НМТ. Впоследствии он начинает перемещаться вверх и сжимать накопившуюся ТВС до размеров, определенных камерой сгорания. Камера сгорания – это свободное пространство в цилиндре, остающееся между его верхом и поршнем в верхней мертвой точке.

Второй такт предполагает закрытие всех клапанов двигателя. Плотность их прилегания напрямую влияет на качество сжатия ТВС и ее последующее возгорание. Также на качество сжатия ТВС оказывает большое влияние уровень износа комплектующих двигателя. Она выражается в размерах пространства между поршнем и цилиндром, в плотности прилегания клапанов. Уровень компрессии двигателя является главным фактором, оказывающим влияние на его мощность. Он измеряется специальным прибором компрессометром.

Рекомендуем: Устройство и принцип работы механической коробки передач

Рабочий ход начинается когда к процессу подключается система зажигания, генерирующая искру. Поршень при этом находится в максимальной верхней позиции. Смесь взрывается, выделяются газы, создающие повышенное давление, и поршень приводится в движение. Кривошипно-шатунного механизм в свою очередь активирует вращение коленвала, обеспечивающего движение автомобиль. Все клапаны систем в это время находятся в закрытом положении.

Выпускной такт является завершающим в рассматриваемом цикле. Все выпускные клапаны находятся в открытом положении, давая возможность двигателю «выдохнуть» продукты горения. Поршень возвращается в исходную точку и готов к началу нового цикла. Это движение способствует выведению в выпускную систему, а затем в окружающую среду, отработанных газов.

Схема работы двигателя внутреннего сгорания, как уже говорилось выше, основана на цикличности. Рассмотрев детально, как работает поршневой двигатель, можно резюмировать, что КПД такого механизма не более 60%! Обусловлен такой процент тем, что в отдельно взятый момент рабочий такт выполняется лишь в одном цилиндре.

Не вся энергия, полученная в это время, направлена на движение автомобиля. Часть её расходуется на поддержание в движении маховика, который по инерции обеспечивает работу автомобиля во время трех других тактов.

Некоторое количество тепловой энергии невольно тратится на нагревание корпуса и отработанных газов. Вот почему мощность двигателя автомобиля определяется количеством цилиндров, и как следствие, так называемым объемом двигателя, рассчитанным по определенной формуле как суммарный объем всех рабочих цилиндров.

Основные причины износа поршня двигателя

Чем дольше работает двигатель, тем больше у него накапливается износ, в результате чего могут внезапно выходить из строя те или иные детали. Поршни – это элементы, которые подвержены наибольшим температурным нагрузкам и воздействию давления, так что вполне разумно ожидать, что эти детали будут выходить из строя чаще других.

О том, что поршневая группа работает как-то не так, могут говорить следующие эффекты:

• возросший расход моторного масла;
• появление синего дыма из глушителя;
• нестабильная работа мотора без нагрузки (это наглядно определяется по вибрации рычага КПП);
• снижение мощности и крутящего момента двигателя;
• появление сильного нагара на свечах зажигания.

При ремонте поршневой группы могут возникнуть трудности, которые требуют срочного решения и более глубокой диагностики.

Например, можно наблюдать задиры на днище стакана-поршня. Причиной этого становится перегрев и следующая за этим деформация. Также задиры могут появиться в случае, если поршни имеют неподходящий размер, если неисправны масляные форсунки, а также присутствуют дефекты в системе охлаждения.

На днище поршня также могут наблюдаться следы ударов. Причиной может быть большой выступ какой-либо детали головки блока, например неправильная посадка клапана с избыточным ходом. Также в качестве причины может выступать масляный нагар, неподходящее уплотнение головки блока и др.

Недостаточное охлаждение поршня через кольца уплотнения является причиной растрескивания его днища. К этому же приводит и дефект форсунки в дизельных двигателях.

Если ось поршня не совпадает с вертикальной осью цилиндра, то первые детали, которые будут от этого страдать, – это уплотнительные кольца. Они будут подвержены избыточному износу и сильным вибрациям, особенно в области канавок.

Радиальный износ (давление на боковые стенки цилиндров) возникает из-за регулярно появляющегося большого количества топливно-воздушной смеси в камере сгорания. В итоге двигатель «захлебывается» топливом – возникает характерное звучание, присущее детонации. Также радиальный износ может усиливаться из-за некорректного размера выступов поршней.

Когда поршень загрязняется продуктами собственного износа, то начинают проявляться последствия так называемого осевого изнашивания.

Юбка поршня также подвержена износу и повреждению. Во-первых, из-за ассиметричного пятна контакта, которое, в свою очередь, вызвано деформацией шатуна (его скручиванием) или же нештатным люфтом шатунного подшипника.

Чрезмерно тесная посадка поршней может стать причиной угловых задиров (которые не параллельны вертикальной оси цилиндра). Кроме того, любые задиры становятся следствием недостаточно качественной смазки при пуске двигателя или даже ошибок при монтаже шатуна.

Поверхность юбки поршня испытывает повышенное трение, когда горючая смесь сильно обогащена топливом и при этом она недостаточно сжата (во время такта «сжатие»). В итоге после зажигания температура в камере сгорания подскакивает выше норматива, что со временем приводит и к перегреву юбки и ее нерасчетному термическому расширению.

Проблемы с поршнями могут стать причиной возникновения неисправностей и в цилиндрах. Наиболее часто гильзы цилиндров выходят из строя в результате кавитации из-за недостаточности охлаждения. Кроме того, гильзы могут быть неправильно посажены или же при их посадке использованы дефектные уплотнительные кольца.

Но если ось движения поршня не совпадает с вертикальной осью цилиндра, то его зеркало будет истираться неравномерно. Кроме того, в камеру сгорания начнет просачиваться масло и образовываться нагар. Блестящие места на внутренней поверхности цилиндра – это как раз он и есть.

При возникновении любой из описанных проблем недопустимо откладывать их решение на потом. Заклинивание поршня может произойти в любой момент, и тогда, скорей всего, потребуется производить дорогостоящую замену всего двигателя целиком.