Молоток
Создать свой канал
Поршень – основная деталь насосов, компрессоров и поршневых двигателей внутреннего сгорания. Его основная функция которой состоит в преобразовании энергии сжатого газа в энергию поступательного движения (или наоборот, как в компрессорах).
Поршень совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре. Конструктивно он состоит из днища, воспринимающего газовые силы и тепловую нагрузку, уплотняющей части, препятствующей прорыву газов, и направляющей части, которая поддерживает положение поршня в цилиндре, не допуская его раскачивания в самых верхних и нижних точках движения.
Днище и уплотняющая часть, включающая компрессионные и маслосъемные кольца, образовывают головку поршня. Вся нижняя направляющая часть – юбку.
Строение и функции юбки поршня
Юбка способствует прямолинейному движению поршня в цилиндре, при этом она передает его стенкам боковое усилие, величина которого зависит от положения поршня и процессов, протекающих в рабочей полости.
Кроме того, боковая поверхность юбки осуществляет отвод тепла от поршня (в том числе и от поршневых колец) к цилиндру. Чем она больше, тем лучше теплоотдача, меньше утечка газов и стук поршня при износе втулки верхней головки шатуна.
Однако при слишком длинной юбке поршня его масса увеличивается, усиливается трение о стенки цилиндра, что очень нежелательно в высокофорсированных двигателях. Именно поэтому в некоторых, особенно спортивных силовых агрегатов, ненагруженные части юбки срезают по диаметру. Существуют также поршни, которые вообще не имеют юбок – Т-образные. Однако из-за недостаточной смазываемой поверхности с ними часто возникают проблемы из-за повышенного трения.
Нижняя часть юбки в поршнях дизельных двигателей имеет дополнительное маслосъемное кольцо – это способствует улучшенному смазыванию цилиндра и уменьшает вероятность попадания масла в его рабочую полость.
На юбке расположены бобышки (приливы) с отверстиями для поршневого пальца. Они соединены массивными литыми ребрами с днищем поршня. Вес материала в местах приливов больше, чем в других, поэтому деформации от воздействия высоких температур наиболее часто появляются именно в плоскости бобышек.
Для снижения температурных воздействий и напряжения в районе приливов имеются прямоугольные углубления 0,5-1,5 мм, которые сформированы литьем или фрезерованием (условно их называют «холодильниками»). Кроме охлаждения, они способствуют укорочению поршневого пальца и передаче газовых сил ближе к оси шатуна, что разгружает днище поршня.
В большинстве поршней ось пальца смещена в целях уравнивания боковых давлений на юбку при ходе сжатия и рабочем ходе поршня. Именно поэтому он монтируется не произвольно, а по метке (обычно она нанесена на днище – стрелкой в сторону свободного конца коленвала).
Чтобы сократить тепловой зазор без риска возникновения задиров, юбке поршня придают легкую конусную форму: у днища ее диаметр на несколько сотых миллиметра меньше. Это необходимо для того, чтобы поршень при нагреве расширялся равномерно (вверху температура поршня выше, а значит, тепловое расширение больше).
В плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца, юбка имеет форму овала – для компенсации износа стенок, который происходит интенсивнее там, где нагрузки выше (в плоскости движения шатуна).
Современные поршни еще на заводе-изготовителе обрабатываются специальными антифрикционными покрытиями, что позволяет максимально сократить их износ, увеличить КПД и мощность двигателя, а также повысить надежность силового агрегата.
Сегодня наносить такие покрытия на поршни может любой автовладелец. Если раньше для этого необходимо было иметь специальное оборудование, то сейчас достаточно приобрести состав в аэрозольном баллоне. Речь идет о покрытии российского производства MODENGY Для деталей ДВС на основе высокодисперсного дисульфида молибдена и графита.
Покрытие наносится быстро и равномерно на предварительно очищенные поверхности, отверждается в условиях комнатной температуры.
Состав обладает низким коэффициентом трения, широким диапазоном рабочих температур и небольшим расходом. Помимо защиты юбок поршней от трения и износа, покрытие улучшает приработку деталей, повышает КПД двигателя, защищает его при холодном пуске и в режиме масляного голодания.
Особенности поршней форсированных двигателей
При определенной длине шатуна и окружности вращения коленчатого вала возникает риск его контакта с юбкой в самой нижней точке движения поршня. Особенно это актуально для мощных, высокофорсированных двигателей. Данная проблема решается изменением хода поршня и расположения пальца, соединяющего поршень с шатуном.
Форсированные двигатели оснащены контроллерами в нижней части каждого цилиндра – они не позволяют коленчатому валу и шатуну контактировать с блоком. Нижняя часть юбки поршня имеет соответствующий зазор, препятствующий контакту с шатуном при его вращении вокруг коленвала.
При выставлении зазора между юбкой и шатуном очень важно соблюсти его постоянство по всем сторонам юбки, обеспечив тем самым сохранность балансировки шатунно-поршневой группы. Если этого не сделать, произойдет разбалансировка компонентов, что может стать причиной выхода двигателя из строя.
Деформации юбки
При низком уровне масла в двигателе на юбке поршня, которая вместе с поршневыми кольцами постоянно контактирует со стенками цилиндра, возникают царапины и задиры.
Рассмотрим типичные деформации юбки поршня и причины их возникновения:
- Задиры на юбке поршня с двух сторон
Причиной возникновения задиров является перегрев двигателя, который может произойти как по причине недостаточного зазора между поршнем и внутренней поверхностью цилиндра, так и в результате нарушения процесса сгорания топлива.
Если последняя причина исключена, двигатель перегревается из-за недостатка или плохой циркуляции охлаждающей жидкости, сбоев в работе вентилятора. Неправильная обработка отверстия цилиндра также может вызвать нарушение монтажного зазора и перегрев.
Поскольку алюминий, из которых изготавливаются современные поршни, под воздействием высоких температур расширяется в два раза больше, чем серый чугун цилиндра, задиры на юбке могут возникать из-за слишком высокой термической нагрузки (двигатель холодный, а поршень горячий).
Для профилактики задиров при установке деталей цилиндро-поршневой группы необходимо обязательно учитывать диаметр поршня и величину монтажного зазора. Кроме того, следует регулярно контролировать уровень охлаждающей жидкости, состояние помпы (клинового ремня), термостата, вентилятора.
- Односторонний задир на юбке поршня (на стороне наибольшей боковой нагрузки)
В процессе работы поршня наибольшая нагрузка приходится на одну из его сторон, поэтому задиры наиболее интенсивно появляются именно на ней.
Причина чаще всего заключается в недостаточной смазке: из-за низкого уровня масла, слишком долгого прогрева двигателя или засоренного масляного канала в шатуне и/или в форсунке.
Если в двигатель заливается моторное масло плохого качества или несоответствующего класса, эксплуатационные свойства масляной пленки оказываются низкими, что также может вызвать усиленной трение поршня о стенки цилиндра.
Ребристый цилиндр двигателя с воздушным охлаждением может перегреваться из-за сорванных дефлекторов или загрязненных охлаждающих ребер.
Для профилактики односторонних задиров на юбке необходимо организовать бесперебойное снабжение двигателя маслом, контролировать его давление, регулярно проверять масляные каналы в шатуне на пропускную способность.
Разрешается использовать только те сорта масла, которые рекомендованы автопроизводителем. Сразу после сборки двигатель следует эксплуатировать на средних оборотах и при средней нагрузке.
- Несимметричное пятно контакта на юбке поршня
Если жаровый пояс юбки на одной стороне имеет гладкую полировку, а на противоположной зачернен масляным нагаром, это свидетельствует о боковом уводе поршня в цилиндре. При этом одной стороной он прилегает к стенке, а на противоположной имеет большой зазор, через который проникают горячие выхлопные газы, выжигающие масляную пленку. Поршневые кольца при таких геометрических отклонениях также перемещающиеся с перекосом, вибрируют и вызывают насосный эффект, ведущий к повышенному расходу масла.
Боковой увод поршня может происходить из-за непараллельного расположения отверстий в малой и большой головке шатуна, деформации шатуна, перекоса его головки.
Гнездо коренного подшипника может иметь скошенную опору по причине выработанных вкладышей.
Если на основании ребристого имеются загрязнения или болты его головки плохо затянуты, он может располагается на картере с перекосом, что, в свою очередь, ведет к непрямолинейному движению поршня.
Чтобы избежать смещения поршня, гнездо коренного подшипника, коленчатый вал и шатун должны иметь соосную (концентрическую) обработку и монтаж. Необходимо следить за тем, чтобы шатун не имел изгибов, затягивать болты головки цилиндра в соответствии с указаниями производителя. При монтаже двигателя нужно обеспечивать чистоту, обязательно удалять остатки прокладочных материалов.
- Задир с четкими границами только на нижнем участке юбки поршня
Такие следы образуются вследствие недостаточного локального зазора между поршнем и отверстием цилиндра, что, в свою очередь, может вызываться слишком тесным охватом гильзы. Это происходит из-за использования неправильно подобранного (слишком толстого) уплотнительного кольца, применения дополнительных прокладочных средств, смещения уплотнителя.
Во избежание недостаточного зазора, который может вызвать деформацию цилиндра, болты головки следует затягивать в соответствии с предписаниями. Гильзы цилиндров мокрого типа сначала монтируются без прокладок. Тем самым существует возможность своевременно распознать недостаточный зазор.
- Сильный износ юбки поршня с шершавой и матовой поверхностью
На появлении такой проблемы указывает повышенный расход масла, сложности с запуском двигателя (особенно при низких температурах) и его недостаточная мощность.
Возникновение шершавых участков и борозд на юбках обычно сопровождается появлением больших зазоров на поршневых кольцах, их радиальным и осевым износом.
Данные повреждения возникают вследствие абразивного износа поршней. Загрязнения проникают в камеру сгорания через систему впуска цилиндра (в этом случае первое поршневое кольцо изношено значительно сильнее, чем третье) или из моторного масла (тогда сильнее всех изношено третье поршневое кольцо).
Чтобы избежать подобных проблем, необходимо регулярно проверять герметичность системы впуска и работоспособность воздушного фильтра. Перед монтажом следует очищать картер двигателя и всасывающие трубы от загрязнений.
- Глубокие продольные борозды по всей длине и диаметру юбки поршня
Такие следы износа вызваны утончением и ухудшением свойств масляной пленки вследствие слишком высокой доли топлива в масле.
Причиной может являться также неправильно настроенная система впрыска, которая при холодном пуске двигателя подает в камеру сгорания слишком насыщенную смесь.
Инжекторные форсунки могут работать неправильно из-за засоренного топливного фильтра – из-за слишком малого зазора поршень бьет по головке цилиндра, провоцируя тем самым неконтролируемый впрыск форсунок.
К перебоям в зажигании приводит слишком малое давление сжатия по причине негерметичности клапана или прокладки головки цилиндра, неправильной настройки фаз газораспределения, наличием слишком большого зазора между днищем поршня в верхней мертвой точке и головкой блока цилиндров, дефектов поршневых колец, неисправности свечей зажигания, общей изношенности двигателя.
Профилактика дефекта состоит в правильной настройке системы впрыска (обогащения смеси при холодном пуске и т.п.), своевременном обследовании инжекторных форсунок и свечей зажигания, соблюдении (а при необходимости – сокращении) интервалов замены топливных фильтров.
