Поршень двигателя (назначение, устройство, принцип работы)

Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?

Устройство детали включает в себя три составляющие:

1. Днище.
2. Уплотняющая часть.
3. Юбка.

Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.

Что это такое?

Поршень — деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра двигателя. Нужен для изменения давления газа в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. Т.е. он передаёт на шатун усилие, возникающее от давления газов и обеспечивает протекание всех тактов рабочего цикла. Он имеет вид перевёрнутого стакана и состоит из днища, головки, направляющей части (юбки).

В бензиновых моторах применяются поршни с плоским днищем из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. Хотя на некоторых современных авто делают специальные выемки под клапаны. Это нужно, чтобы при обрыве ремня ГРМ поршни и клапана не встретились и не повлекли серьёзный ремонт. Днище поршня дизеля делают с выемкой, которая зависит от степени смесеобразования и расположения клапанов, форсунок. При такой форме днища лучше перемешивается воздух с поступающим в цилиндр топливом.

С тех пор мощность моторов выросла многократно. Температура и давление в цилиндрах современных автомобильных двигателей (особенно дизельных моторов) стали такими, что алюминий подошёл к пределу своей прочности. Поэтому в последние годы подобные моторы оснащаются стальными поршнями, которые уверенно выдерживают возросшие нагрузки. Они легче алюминиевых за счет более тонких стенок и меньшей компрессионной высоты, т.е. расстояния от днища до оси алюминиевого пальца. А еще стальные поршни не литые, а сборные.

Помимо прочего, уменьшение вертикальных габаритов поршня при неизменном блоке цилиндров дает возможность удлинить шатуны. Это позволит снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр, что положительно скажется на расходе топлива и ресурсе двигателя. Или, не меняя шатунов и коленвала, можно укоротить блок цилиндров. Таким образом облегчим мотор.

Какие требования?

• Поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен быть устойчивым к высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.
• Он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износа.
• Испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.
• Совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Основное назначение

Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель. То, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.

Наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что тепло будет передано окружающему воздуху – самому холодному. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, остудит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Остается найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути.
Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.

Второй путь менее очевиден. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит и отдает в поддон картера значительную часть тепла от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло функцией теплоносителя, мы должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести.
Третий путь. Часть тепла отбирает на нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит импульсный характер; отличается скоротечностью и высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Вспомним такую характеристику, как компрессия. Представим, что кольцо не прилегает по всей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это то же самое, как если бы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.
Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается возможности охлаждаться. Как результат – прогар и выкрашивание части, прилегающей к месту утечки.

Поршень выполняет ряд важных функций:

• обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
• отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
• обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания

Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях – при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы – термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами – литьем или штамповкой.

Конструкция поршня

Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:

1. Головка поршня ДВС
2. Поршневой палец
3. Кольцо стопорное
4. Бобышка
5. Шатун
6. Юбка
7. Стальная вставка
8. Компрессионное кольцо первое
9. Компрессионное кольцо второе
10. Маслосъемное кольцо

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.

Днище

Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций – плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Поршневые кольца

Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения. Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца

Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца – предотвращают попадания газов в картер.

Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.

Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.

Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда – пружинным расширителем.

Поршневой палец

Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.

Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.

Юбка

Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.

Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.

Обязательный процесс работы поршневого устройства – это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:

• разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
• движением масла по змеевику в поршневой головке;
• подачей масла в область колец через кольцевой канал;
• масляным туманом

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня – маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.

В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.

Поршневые кольца: виды и состав

Уплотняющая часть поршня включает в себя поршневые кольца, обеспечивающие плотность соединения поршня с цилиндром. Техническое состояние двигателя определяется его уплотняющей способностью. Зависимости от типа и предназначения двигателя выбирается число колец и их расположение. Наиболее распространенной схемой является схема из двух компрессионных и одного маслосъемного колец.
Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:

• высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
• высокую износостойкость в условиях интенсивного трения;
• хорошие антифрикционные свойства;
• способность быстрого и эффективного прирабатывания к поверхности цилиндра.

Благодаря легирующим добавкам хрома, молибдена, никеля и вольфрама, термостойкость колец значительно повышается. Путем нанесения специальных покрытий из пористого хрома и молибдена, лужения или фосфатирования рабочих поверхностей колец улучшают их прирабатываемость, увеличивают износостойкость и защиту от коррозии.
Основным предназначением компрессионного кольца является препятствование попаданию в картер двигателя газов из камеры сгорания. Особенно большие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо. Поэтому при изготовлении колец для поршней некоторых форсированных бензиновых и всех дизельных двигателей устанавливают вставку из стали, которая повышает прочность колец и позволяет обеспечить максимальную степень сжатия. По форме компрессионные кольца могут быть:

• трапециевидные;
• тбочкообразные;
• тконические.

При изготовлении некоторых колец выполняется порез (вырез).
На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.
Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной, что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической. Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена. Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.

Состав поршневой группы

Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:

• минимальной деформации при работе;
• высокой прочности при переменной нагрузке и износостойкости;
• хорошей сопротивляемости ударной нагрузке;
• малой массы.

По способу установки поршневые пальцы могут быть:

• закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
• закреплены в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня;
• свободно вращающимися в бобышках поршня и в головке шатуна.

Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.

Устройство поршня[править | править код]

Поршень тронкового двигателя или компрессора имеет три части, выполняющие свои функции^[2]:

• днище (воспринимает газовые силы и тепловую нагрузку);
• уплотняющая часть (препятствует прорыву газов, передаёт большую часть тепла от поршня цилиндру);
• направляющая часть (тронк) — передаёт боковую силу на стенку цилиндра, поддерживает положение поршня.

Головкой поршня называют днище заодно с уплотняющей частью. Для передачи усилия от поршня может использоваться шток в крейцкопфных двигателях, либо шатун, соединяемый с поршнем посредством пальца^[3]. Другие варианты соединения (СПГГ, шайбовые и двигателях Баландина) используют редко. Кроме тронка или крейцкопфа, боковые усилия может воспринимать и шток.

В крейцкопфных двигателях могут применяться двусторонние поршни. Такой поршень имеет два днища, и тепловой режим его более напряжённый^[4]. Но в случае использования подпоршневого пространства как продувочного насоса тепловая напряжённость не возрастает. Теплонапряжённость растёт в 2-тактных двигателях, особенно при использования поршня как золотника выпуска^[5].

Поршневой палец, при его наличии (тронковые поршни), всегда стальной, ограничен в перемещении в бобышках стопорными кольцами, либо пластиковыми упорами (Mercedes), либо его положение определено запрессовкой в шатуне (ранние модели ВАЗ). Чаще всего применяют пустотелый плавающий палец со стопорными кольцами, наружный диаметр которого цементован или хромирован^[6].

Днище[править | править код]

Его форма зависит от типа двигателя, смесеобразования, расположения свечей, форсунок, клапанов, метода организации газообмена в цилиндре^[7]. Вогнутое днище поршня образует компактную форму камеры сгорания (дизеля, бензиновые с высокой степенью сжатия и хорошей топливной экономичностью), однако при этом есть склонность к образованию нагара. При выпуклой форме днища увеличивается прочность поршня, однако камера сгорания приобретает линзовидную форму, что увеличивает теплоотдачу. Однако в искровых ДВС увеличение теплоотдачи может позволить увеличить допустимую степень сжатия^[8], что частично компенсирует потери. Плоское днище — промежуточное по форме, и самое простое в изготовлении — популярно в бензиновых ДВС и вихрекамерных/предкамерных дизелях. В устаревших двухтактных ДВС днище имело выступ-дефлектор для отклонения горючей смеси при продувке и уменьшения её выброса^[9]. В дизелях с объёмным смесеобразованием форма днища обеспечивает подачу топлива в объём воздуха, с плёночным — большая часть топлива подаётся на стенку поршня (распространение в последние годы системы впрыска Common rail решило спор о смесеобразовании в автомобильных дизелях в пользу объёмного).

Жаровым поясом называют расстояние от канавки верхнего кольца до днища поршня. При увеличении его высоты облегчаются работа верхнего кольца, но растёт масса поршня и увеличиваются выбросы углеводородов^[10]. Уменьшение высоты жарового пояса ниже допустимого влечёт прогар поршня и/или разрушение области верхнего кольца. Поршни дизелей при равных диаметрах имеют большую высоту жарового пояса, тяжелее и прочнее бензинового по причине больших давлений сжатия и сгорания, и теплоотдачи с днища.

Уплотняющая часть поршня имеет важнейшее значение для работы поршневых ДВС, их состояние определяют по компрессии и угару масла, зависящих от состояния поршневой группы. В автомобильных ДВС угар масла не должен превышать 1—3 % от расхода топлива. В современных бензиновых моторах этот процент ещё меньше, в устаревших моделях дизелей — 5 % и выше^[11]. Разброс величины компрессии по цилиндрам обычно не должен превышать 0,5 кгс/см² у бензиновых ДВС и 1 кгс/см² у дизельных. При превышении угара масла двигатель выходит за пределы разрешённых выбросов, наблюдаются отказы свечей, осмоление форсунок, залегание колец, и потому он должен быть снят с эксплуатации^[12].

Уплотняющая часть[править | править код]

Поршень имеет установленные в канавках компрессионные и маслосъёмные кольца. Типичное количество колец на автомобильных моторах — 3, ранее применялись конструкции с 4—6 кольцами^[13]. На тихоходных двигателях колец больше для уменьшения пропуска масла и газов, улучшения охлаждения поршня. Уменьшение числа и высоты колец снижает потери на трение, а сохранение уплотнения достигается надёжным их прилеганием и износостойкостью. Канавки маслосъёмных колец имеют радиальные отверстия для возврата масла в поддон. По мере износа колец зазор их стыках и канавках растёт, увеличивается угар масла. В силуминовых поршнях могут заливать вставку из жаростойкого чугуна (нирезиста) под верхнее кольцо, что увеличивает ресурс канавки и кольца. Такая вставка является и термокомпенсирующей, уменьшая тепловое расширение^[14] (см. верхнее фото).

Диаметр уплотняющей части меньше, чем в районе юбки, так как нагрев этой части поршня выше. Чтобы избежать задира с последующим заклиниванием колец в своих канавках, жаровый пояс имеет ещё меньший диаметр. Уплотняющая часть имеет в сечении круглый диаметр, а не овальный, как юбка. Жаровый пояс часто имеет неглубокие проточки, увеличивающие теплоотдачу в поршень до кольца. Тем самым, высота пояса может быть уменьшена^[15].

Решающее значение для уплотнения поршня имеет качество колец: хорошее прилегание к зеркалу без просветов^[16], чистота обработки по наружному диаметру и высоте, зазор в замке, и покрытие колец износостойкими материалами^[17]. Чугунные маслосъёмные кольца надёжнее составных, потому что вероятность ошибок при их установке меньше^[18]. В автомобильных ДВС до 80 % тепла отводится от поршня через кольца^[19], поэтому при плохом прилегании колец отвод тепла идёт через юбку поршня, а при росте её температуры неизбежен задир. Из-за этого на обкатке двигателя ограничивают его мощность. Непритёртые кольца перегреваются и сами и потому «садятся» — упругость их уменьшается, вслед за этим быстро растёт пропуск газов в картер, выброс масла, и т. д. При перегреве возможно смыкание стыков, ведущее к поломке колец, и даже обрыву поршня по канавке кольца^[20]. Теплоотдача от поршня достигает расчётной, когда сотрутся следы хона в цилиндре, и притрутся кольца.

Направляющая часть[править | править код]

В тронковых двигателях направляющей частью поршня является юбка (тронк). Бобышки юбки передают большие нагрузки от газовых и инерционных сил, поэтому соединены литыми рёбрами с днищем поршня (в штампованых поршнях вместо рёбер, которые нельзя получить штамповкой, имеется массивное соединение с днищем). В районе бобышек формируют литьём или фрезеруют снаружи прямоугольные углубления, называемые условно «холодильниками». На деле, эти так называемые «холодильники» снижают массу благодаря укорочению поршневого пальца и передаче газовых сил ближе к оси шатуна, что разгружает днище поршня. Чтобы сократить тепловой зазор без риска задира, юбку поршня в плоскости, перпендикулярной оси симметрии изготовляют овальной (зазор в плоскости качания шатуна минимальный, а по оси поршневого пальца больше на 0,5—1,5 мм), а в плоскости, проходящей через ось симметрии — бочкообразной. Обычно кольца располагают в головке поршня, но последнее маслосъёмное кольцо может быть расположено и ниже оси пальца, в юбке^[21]. В зависимости от способа фиксации поршневого пальца, на поршне могут быть выполнены канавки под стопорные кольца.

Большинство поршней имеют смещение оси поршневого пальца, чтобы уравнять боковые давления на юбку на сжатии и рабочем ходе (когда давление выше) поршня. Поэтому поршень монтируется не произвольно, а по метке (обычно надписью на холодильнике либо стрелкой на днище в сторону свободного конца коленвала)^[22].

Эволюция материала поршня

В оригинальных двигателях внутреннего сгорания сталь использовалась для изготовления поршней. Алюминиевый сплав занял очень рано. Самые ранние алюминиевые поршни были подвергнуты значительному расширению и сокращению из-за рабочего тепла, и конструкция была развита так, что стальные кольца, называемые стойками, были сформованы в стенах, чтобы уменьшить проблему. Этот тип поршня был распространен до 1960-х годов, когда введение кремния в сплав сделало излишним износ. Большинство современных поршней изготовлены из примерно 25% силикона. Ранний алюминиево-силиконовый сплав был известен своей хрупкостью; случайное падение одного из высоты скамейки обычно приводило к трещине, которая была в лучшем случае дорогой и в худшем случае невозможна для ремонта. Добавление никеля в сплав уменьшает хрупкость, но увеличивает отношение веса к массе.

Материалы[править | править код]

Требования к материалу поршней:

• высокая механическая прочность;
• малая плотность;
• теплостойкость, в том числе термоциклическая;
• хорошая теплопроводность (важнее в искровых ДВС);
• малый коэффициент линейного расширения (оптимально — совпадающий с таковым у гильзы);
• высокая коррозионная стойкость (для дизелей — стойкость к серосодержащим газам);
• хорошие антифрикционные свойства, обеспечивающие ресурс;
• для поршней в жидкостных насосах — коррозионная/химическая стойкость;
• умеренная цена.

Не существует материала, оптимального по всем этим требованиям. Для изготовления автомобильных поршней в настоящее время применяются серый чугун и алюминиевые сплавы типа Al-Si. В мощных дизелях с большим ресурсом, многотопливных (включая работающие на растительных маслах) применяют составные поршни — днище и уплотняющая часть из жаропрочной стали, тронк из чугуна или силумина. Существуют автомобильные поршни с покрытием керамикой, поршни из жаропрочных сплавов (двигатели Стирлинга), проводились эксперименты с пластмассовыми поршнями, покрытыми керамикой, и т.д.

Чугун[править | править код]

Достоинства

• Чугун дешевле других материалов;
• Чугунные поршни прочнее, жаростойки и износостойки, имеют антифрикционные свойства;
• Благодаря малому температурному коэффициенту расширения уменьшается зазор по юбке.

Недостатки

• Большой удельный вес. Поэтому чугунные поршни применяют в тихоходных двигателях, где газовые силы значительно больше инерционных, и этот недостаток нивелируется;
• Низкая теплопроводность, из-за чего нагрев днища поршней достигает 350—400 °C. Это недопустимо в бензиновых двигателях, так как он может привести к возникновению калильного зажигания. Коэффициент наполнения при этом также снижается.

Алюминиевый сплав[править | править код]

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют силуминовые^[23] поршни с содержанием кремния 13 % и более, то есть заэвтектоидные сплавы типа АК-4, АК-18, АК-6^[24]. Ранее применялись сплавы АЛ1, АК2, имеющие меньшее содержание кремния. Контрафактные поршни часто изготовлялись из обычного алюминия^[25] Ресурс поршней с недостаточным количеством кремния резко снижен, причём из-за повышенного коэффициента теплового расширения происходит задир ещё на обкатке. Чем выше содержание кремния, тем больше ресурс поршня, но пластичность сплава меньше^[26]. Силуминовые поршни для облегчения приработки обычно электролитически покрывают оловом^[27]. Поршень может быть получен отливкой либо штамповкой, оба варианта имеют свои плюсы и минусы.

Литые поршни часто изготовляют из доэвтектоидных сплавов, упрощающих литьё, а тепловое расширение юбки ограничивают в этом случае вставкой. При штамповке поршня закладка термовставок невозможна, потому ограничить их тепловое расширение можно лишь достаточным содержанием кремния. Следовательно, штампованые (называемые иногда коваными) поршни из высококремнистого заэвтектоидного сплава должны быть более износостойки, чем литые.

Достоинства силумина

• малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
• высокая теплопроводность (в 3—4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что увеличивает коэффициент наполнения и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;

Недостатки

• больший коэффициент линейного расширения, чем у чугуна;
• меньшая твёрдость и износостойкость поршневых канавок;
• значительное снижение прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50—55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и силуминовыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями:

• придание юбке поршня в овально-бочкообразной или овально-конусной формы;
• изоляция тронковой (направляющей) части поршня кольцом от наиболее нагретой его части (головки) в составных поршнях;
• косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок (тихоходные ДВС)^[28]
• Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью (тихоходные ДВС)^[29]
• компенсационные вставки из инвара, уменьшающие тепловое расширение;
• повышение содержания кремния в материале поршня^[30] (минусом является резкое снижение ресурса отливочных форм).

Составные поршни — головка из жаропрочной стали[править | править код]

Применяются обычно в дизелях среднего или крупного размера, а также во всех дизелях, работающих на растительных маслах в качестве топлива. Юбка обычно из серого чугуна, либо алюминиевого сплава. Преимущества — уменьшение теплоотдачи в поршень, то есть повышение индикаторного КПД, максимальный ресурс, возможность использования различных топлив^[31]. Недостатки — более высокая цена, вес, применение только в дизельном цикле, более дорогие поршневые кольца, стойкие к особо высоким температурам, большие осевые размеры поршня, необходимость увеличения противовесов, удлинение гильзы с ростом габаритов двигателя и его массы^[32]. В крупноразмерных двигателях, таких как тепловозные и главные судовые, работающие на полной мощности с высоким давлением наддува по двухтактному циклу, невозможно добиться нужного ресурса (30 000 часов и более) с чугунными или силуминовыми поршнями. Головка из жаропрочной стали (типа 20Х3МВФ или подобной)^[33] обеспечивает ресурс колец и их канавок, направляющая же должна быть выполнена из антифрикционного материала — чугуна или силумина^[34].

Практическое применение

Литые поршни выполнены в замысловатых штампах, которые определяют их формы как внутри, так и снаружи; это позволяет обеспечить равномерную и постоянную толщину стенки, которая сдерживает массу поршня до минимума. Процесс установки штампов является дорогостоящим, поэтому литые поршни обычно изготавливаются только для нескольких применений и для удовлетворения крупных производственных требований. Кованые поршни имеют относительно грубую внутреннюю форму после штамповки, определяемую только тем, что баран вбивается в слиток, а затем убирается. Это обычно означает значительную поворачиваемость и ручную отделку. С помощью этого метода достигаются более жесткие допуски. По этим причинам рабочие поршни почти всегда подделываются, в то время как поршни OEM-spec отливаются.

Сравнения

Литье было оригинальным методом производства поршней; ковка появилась позже в качестве альтернативы. Процесс ковки сжимает молекулы сплава на короне, делая металл более плотным и, следовательно, лучше выдерживает экстремальные температуры. Это является существенным преимуществом, поскольку коронка подвергается воздействию большего количества тепла, чем любая другая часть двигателя, кроме свечи зажигания.

Причины износа поршней

При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы двигателя, подвержены износу и возникновению неисправностей.

О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:

• Повышенный расход моторного масла и топлива
• Выделение из выхлопной трубы синего дыма
• Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
• Снижение мощности двигателя и т.д.
• Нагар на свечах зажигания

При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.

Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.

Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.

К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.

Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.

Радиальный износ поршней возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступов поршней.

Осевой износ происходит в результате загрязнения поршней продуктами износа, образующимися во время приработки двигателя.

Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.

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

Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т.д.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением некачественной охлаждающей жидкости, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.

Возникновение вышеописанных проблем, особенно в комплексе, требует серьезного внимания и безотлагательных действий. Промедление в таких случаях грозит дорогостоящим ремонтом или полной заменой двигателя.

Методы охлаждения и смазывания цилиндро-поршневой группы

В каждом цикле работы двигателя сгорает большое количество топливно-воздушной смеси. При этом все детали цилиндро-поршневой группы испытывают экстремальные температурные воздействия, поэтому нуждаются в эффективном охлаждении – воздушном или жидкостном.

Наружная поверхность цилиндров ДВС с воздушным охлаждением покрыта множеством ребер, которые обдувает встречный или искусственно созданный воздухозаборниками воздух.

При водяном охлаждении жидкость, циркулирующая в толще блока, омывает нагретые цилиндры, забирая таким образом излишек тепла. Затем жидкость попадает в радиатор, где охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Второй по важности момент после отвода тепла – система смазки цилиндров. Без нее поршни рано или поздно подвергаются заклиниванию, что может привести к поломке двигателя.

Для того чтобы масляная пленка дольше удерживалась на внутренних поверхностях цилиндров, их подвергают хонингованию, т.е. нанесению специальной микросетки. Стабильность слоя масла гарантирует не только максимально низкое трение в паре «поршень-цилиндр», но и способствует отведению лишнего тепла из ЦПГ.

Неисправности ЦПГ и их диагностика

Даже грамотная эксплуатация автомобиля не гарантирует, что со временем не возникнет проблем с его цилиндро-поршневой группой.

О неисправностях деталей ЦПГ свидетельствует увеличение расхода масла, ухудшение пусковых качеств двигателя, снижение его мощности, появление каких-либо посторонних шумов при работе. Эти моменты нельзя игнорировать, так как стоимость ремонта цилиндро-поршневой группы иногда равна стоимости автомобиля в целом.

Под влиянием очень высоких нагрузок и температур:

• На рабочих поверхностях цилиндров появляются трещины, сколы, пробоины
• Посадочные места под гильзу деформируются
• Днища поршней оплавляются и прогорают
• Поршневые кольца разрушаются, закоксовываются, залегают
• На теле поршней возникают различные повреждения
• Зазоры между поршнем и цилиндром сужаются, вследствие чего на юбках появляются задиры
• Наблюдается общий износ цилиндров и поршней

Перечисленные неисправности цилиндро-поршневой группы неизбежны при перегреве двигателя. Он может возникнуть из-за нарушения герметичности системы охлаждения, отказа термостата или помпы, сбоев в работе вентилятора охлаждения радиатора, поломки самого радиатора или его датчика.

Точно определить состояние цилиндров и поршней можно с помощью специализированной диагностики самой ЦПГ (при полной разборке двигателя) или других автомобильных систем (например, воздушного фильтра).

В ходе сервисных работ измеряется компрессия в цилиндрах ДВС, берутся пробы картерного масла и пр. Все это помогает оценить исправность работы цилиндро-поршневой группы.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя включает замену маслосъемных и компрессионных колец, установку новых поршней, шатунов, восстановление (расточку) цилиндров.

Степень износа последних определяется с помощью индикаторного нутрометра. Трещины и сколы на стенках устраняются эпоксидными пастами или путем сварки.

Новые поршни – с нужным диаметром и массой – подбирают к гильзам, а поршневые пальцы – к поршням и втулкам верхних головок шатунов. Шатуны предварительно проверяют и при необходимости восстанавливают.

Как продлить ресурс ЦПГ?

Ресурс цилиндро-поршневой группы зависит от типа двигателя, режима его эксплуатации, регулярности обслуживания и многих других факторов. Срок службы ЦПГ отечественных автомобилей, как правило, меньше, чем у иномарок: около 200 тыс. км против 500 тыс.км.

Для того, чтобы детали ЦПГ вырабатывали свой ресурс полностью, рекомендуется:

• Использовать моторное масло, одобренное автопроизводителем
• Осуществлять замену масла и охлаждающей жидкости строго по регламенту
• Следить за температурным режимом работы двигателя, не допускать его перегрева и холодного запуска
• Регулярно проводить диагностику автомобиля
• Применять для обслуживания автокомпонентов специальные средства, которые могут защитить их от усиленного износа и максимально продлить срок службы

Отвод излишков тепла от поршня

Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:

• системой охлаждения от стенок цилиндра;
• внутренней полостью поршня, далее — поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
• частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.

С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:

• разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
• масляного тумана в полости цилиндра;
• впрыскивания масла в зону колец, в специальный канал;
• циркуляции масла в головке поршня по трубчатому змеевику.

Заключение

Так как поршень является одной из важнейших частей двигателя, в случае возникновения каких-либо неполадок нужно незамедлительно провести диагностику. Промедление грозит либо дорогостоящим ремонтом, либо полной заменой двигателя. Срок службы силового агрегата значительно продлевают качественные смазочные материалы и топливо.