Поршень двигателя: что он из себя представляет?

Поршень двигателя – это деталь цилиндрической формы, которая служит для преобразования энергии сжатой воздушно-топливной смести в энергию поступательного движения. Далее эта энергия при помощи шатунов и коленчатого вала преобразуется в крутящий момент.

Конструкция поршня

Стандартный поршень двигателя состоит из 3 основных частей:

• Днища: служит для восприятия тепловой нагрузки и газовых сил

• Уплотняющей части: передает большую часть тепла от поршня к цилиндру и препятствует прорыву газов

• Направляющей части: поддерживает положение поршня и передает боковую силу на стенку цилиндра

Рассмотрим подробнее каждую из этих частей.

Днище

Форма днища зависит от многих факторов: типа двигателя и смесеобразования, расположения форсунок, свечей и клапанов, метода организации газообмена в цилиндре.

Поршни с выпуклым днищем обладают повышенной прочностью, но камера сгорания при этом имеет линзовидную форму, а теплоотдача выше. В двигателях искрового типа увеличение теплоотдачи позволяет повысить допустимую степень сжатия, что способствует некоторой компенсации механических потерь.

Поршни с вогнутым днищем, напротив, образуют компактную форму камеры сгорания. Они используются в дизельных двигателях, а также в бензиновых агрегатах с высокой степенью сжатия и низким потреблением топлива. Такие детали более склонны к образованию нагара.

Поршни с плоским днищем проще в производстве. Они используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет большую толщину. Чем оно толще, тем больше масса самого поршня, но меньше нагрев. Стандартная толщина днища составляет 7-9 мм, в турбомоторах – 11 мм, а в дизельных двигателях – 10-16 мм. Существуют также поршни, толщина днища которых меньше стандартной – 5,5-6 мм. Такие применяются, к примеру, в некоторых моделях автомобилей Honda.

Для увеличения прочности, а также снижения вероятности перегрева и прогорания на некоторых видах поршней днище и первая канавка, предназначенная для компрессионного кольца, подвергаются твердому анодированию. То есть верхний тонкий слой алюминия преобразуется в керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

В уплотняющую часть входят маслосъемные и компрессионные кольца. Маслосъемные имеют сквозные отверстия по периметру, сквозь которые внутрь поршня поступает масло, удаленное с поверхности цилиндра. Некоторые из них снабжены специальным ободком, выполненным из стойкого к коррозии чугуна, со специальной канавкой для верхнего компрессионного кольца.

В современных двигателях используется всего три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов в картер двигателя из камеры сгорания. По форме они могут быть трапециевидными, коническими и бочкообразными. Некоторые виды таких колец имеют вырез. Наибольшие нагрузки воспринимает первое компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Маслосъемные кольца предназначены для удаления излишков масла из цилиндра. Они также препятствуют попаданию смазки в камеру сгорания, для чего служат сквозные отверстия. Некоторые виды таких колец оснащаются пружинным расширителем.

Диаметр уплотняющая часть меньше, чем диаметр юбки. Это связано с тем, что нагрев в данной части поршня выше. Жаровый пояс имеет еще меньший диаметр, что позволяет избежать задиров на кольцах и их заклинивания в канавках. В отличие от юбки, уплотняющая часть в сечении круглая, а не овальная. Таким образом высоту пояса можно уменьшить.

Наибольшее значение для уплотнения поршня играет качество колец. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше всего ошибок. К тому же до 80 % тепла от поршня отводится именно через кольца. Именно поэтому при неплотном прилегании данных элементов потери приходятся на юбку, что влечет за собой появление задиров. Чтобы минимизировать этот процесс, в процессе обкатки двигателя ограничивают его мощность.

При перегреве еще неприработанных колец снижается их упругость, вследствие чего возникает ряд проблем: выброс масла, пропуск газов в картер и т.д. Также при перегреве возможно смыкание стыков, которое ведет к поломке колец, а в некоторых случаях и к обрыву самого поршня.

Направляющая часть

Направляющая (тронковая) часть называется юбкой поршня. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец. Для фиксации последнего предусмотрены канавки, где размещаются детали, служащие для запирания пальца.

Нижняя кромка юбки предназначена для последующей механической обработки поршня. Для подобных целей она снабжается специальным буртиком. Если вес обработанного поршня больше, чем допускает двигатель, его подгоняют, снимая часть металла с внутренней стороны буртика. В тех местах, где находятся отверстия под поршневой палец, с наружной части юбки вырезают специальные углубления. В результате стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые "холодильники".

Стенки юбки поршня также предназначены для восприятия силы бокового давления, что увеличивает трение о стенки цилиндра и усиливает нагрев обеих деталей.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, когда двигатель уже прогрет и работает под нагрузкой, между юбкой и стенками цилиндра предусмотрен зазор. Его величина устанавливается в зависимости от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. Если зазор меньше, чем необходимо, при перегреве на поверхностях поршня образуются задиры, детали могут заклинивать в цилиндре. При большом зазоре ухудшаются уплотняющие свойства поршня, детали начинают стучать. Эксплуатировать такой двигатель не допускается.

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.

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.

Иногда вышеописанные проблемы возникают комплексно.

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.