Цилиндр и поршень – одни из ключевых деталей любого двигателя. Стенка цилиндра, днище поршня и нижняя плоскость головки блока цилиндра образуют замкнутую полость, в которой происходит сгорание топливно-воздушней смеси.

Поршень, вставленный в цилиндр, воспринимает усилие образовавшихся газов и преобразует их энергию в поступательное движение, которое заставляет вращаться коленчатый вал.


Цилиндр и поршень – индивидуально подобранная пара, которая прирабатывается в ходе эксплуатации автомобиля, обеспечивая наилучшие режимы и эффективность работы двигателя.

В данной статье мы рассмотрим пару «цилиндр-поршень» подробнее: конструкцию и функции этих элементов, условия их работы и возможные проблемы при эксплуатации цилиндро-поршневой группы (ЦПГ).

Что представляют собой цилиндр и поршень?

Гильза цилиндра

В двигателях современных автомобилей от 2 до 16 цилиндров, объединенных в единый прочный корпус – блок цилиндров. Количество цилиндров определяет мощность силового агрегата.

Внутренняя часть цилиндра, которая является его рабочей поверхностью, называется гильзой, внешняя часть, составляющая единое целое с корпусом блока, – рубашкой. По каналам рубашки циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение поршень. Он передает усилие, возникающее от давления газов, на шатун, герметизирует камеру сгорания и отводит от нее излишек тепла.

Поршень

Поршень имеет вид перевернутого стакана, состоит из головки (днища), уплотняющих колец и направляющей части (юбки).

В бензиновых двигателях используются поршни с плоским днищем – они проще в изготовлении, меньше нагреваются при работе. Иногда в них выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Поршни дизельных двигателей имеют выемку заданной формы на дне, чтобы воздух, поступающий в цилиндр, лучше перемешивался с топливом.

Плотность соединения поршня с цилиндром обеспечивают поршневые кольца. Их число и расположение зависит от типа и предназначения двигателя. Чаще всего поршень включает два компрессионных кольца и одно маслосъемное.

Компрессионные кольца уменьшают попадание газов из камеры сгорания в картер двигателя, а также отводят тепло от головки поршня к стенкам цилиндра. По форме они могут быть трапециевидными, бочкообразными и коническими.

Верхнее компрессионное кольцо изнашивается быстрее других, поэтому его наружную поверхность подвергают пористому хромированию или напылению молибдена. Благодаря этим процедурам первое кольцо лучше удерживает смазочный материал и становится более износостойким. Остальные уплотняющие кольца покрывают слоем олова для лучшей приработки к цилиндрам.

Маслосъемное кольцо при движении поршня вверх и вниз удаляет излишки масла со стенок цилиндра, предупреждая тем самым их попадание в камеру сгорания. Через дренажные отверстия в стенках поршня масло попадает внутрь последнего и далее – в картер.


Направляющая часть поршня (юбка) может иметь конусообразную или бочкообразную форму – это позволяет компенсировать расширение при достижении высоких рабочих температур.

На юбке расположено отверстие двумя приливами (бобышками), в котором крепится поршневой палец, соединяющий поршень с шатуном.


Конструкция поршня


Палец поршня имеет трубчатую форму и может устанавливаться по-разному:

  • Закрепляться в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна
  • Закрепляться в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня
  • Свободно вращаться в бобышках поршня и в головке шатуна (плавающие пальцы)

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленчатого вала, стержень совершает сложное колебательное движение. В процессе работы шатун подвергается сжатию, изгибу и растяжению, поэтому его производят прочным и жестким, а для уменьшения сил инерции – легким.

Конструкционные материалы

Для того, чтобы цилиндры могли выдерживать высокие нагрузки, их изготавливают из высокопрочных материалов – чугуна или стали с различными присадками. В целях снижения веса современные блоки часто производят из алюминия, а внутреннюю часть цилиндра, запрессованную в блок и контактирующую с движущимся поршнем – из стали.

Автомобильные поршни двигаются внутри цилиндра с высокой скоростью, в процессе работы они подвержены воздействию высоких температур и давлений. Именно поэтому изначально их отливали из чугуна. С развитием технологий основным конструкционным материалом стал алюминий, его использование позволило обеспечить меньшую нагрузку на детали, лучшую теплоотдачу, рост оборотов и мощности двигателя.

Сегодня многие автомобили, особенно с дизельными ДВС, оснащаются сборными поршнями из стали. Они легче алюминиевых, за счет меньшей компрессионной высоты позволяют использовать удлиненные шатуны и, тем самым, снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр».


Поршневые кольца производятся, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна с легирующими добавками (хромом, молибденом, никелем, вольфрамом). Эти материалы обеспечивают высокую термо- и износостойкость колец, а также их отличную прирабатываемость.

В процессе работы детали ЦПГ подвергаются значительным циклическим, механическим и тепловым нагрузкам, которые повторяются тысячи раз в минуту.


Именно поэтому современные материалы, применяемые для изготовления поршней, обладают:

  • Высокой механической прочностью
  • Хорошей теплопроводностью
  • Малой плотностью
  • Незначительным коэффициентом линейного расширения
  • Антифрикционными свойствами
  • Коррозионной устойчивостью

Некоторые производители автокомпонентов в целях снижения потерь, вызванных трением, покрывают боковую поверхность поршней специальным антифрикционным материалом, содержащим графит или дисульфид молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается. Во избежание усиленного износа поршня и образования задиров оно требует восстановления.

Для этих целей применяются специальные материалы на основе твердых смазочных частиц. Одним из самых эффективных является антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.

Состав на основе высокоочищенного дисульфида молибдена и графита имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимальными параметрами распыления.

Материал наносится на юбки поршней быстро и равномерно, для отверждения не требует нагревания в печи, создает на поверхности долговечное сухое покрытие, снижающее его износ и препятствующее появлению задиров.


Антифрикционное покрытие MODENGY для деталей ДВС

Охлаждение цилиндро-поршневой группы

При сгорании топлива в надпоршневом пространстве в каждом цикле работы двигателя выделяется огромное количество тепла. Именно поэтому цилиндро-поршневая группа нуждается в эффективном охлаждении.

Для отвода избыточного тепла предусмотрена воздушная или жидкостная система охлаждения.


Воздушное

Цилиндры двигателя с воздушным охлаждением снаружи покрыты множеством ребер, которые обдуваются встречным или искусственно созданным (с помощью воздухозаборников) потоком воздуха.


fe1547f4d6537c1b0355327b80b324cc-2.jpg


Жидкостное

При жидкостном (водяном) охлаждении цилиндры снаружи омываются охлаждающей жидкостью, циркулирующей в толще блока. Нагретые цилиндры отдают ей часть тепла, затем жидкость попадает в радиатор, охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Система смазки цилиндров

Если цилиндр не смазан изнутри, поршень будет заклинивать, что рано или поздно приведет к разрушению двигателя. Именно поэтому качественное смазывание стенок – вторая по значимости проблема после отвода тепла.

Для удержания стабильной масляной пленки на внутренние поверхности цилиндров наносят микросетку. Это процесс называется хонингованием. Благодаря наличию такой сетки на стенках всегда присутствует слой масла, что не только снижает трение в паре «поршень-цилиндр», но и способствует отведению излишков тепла внутри ЦПГ.

Неисправности и ресурс ЦПГ

Даже при правильной эксплуатации автомобиля со временем могут возникнуть проблемы с цилиндро-поршневой группой. Их основная причина – в сложных условиях работы ЦПГ.


Под влиянием очень высоких нагрузок и температур происходит:

  • Появление пробоин, сколов, трещин на рабочих поверхностях цилиндров
  • Деформация посадочных мест под гильзу
  • Оплавление или прогар днища поршней
  • Разрушение, закоксовывание, залегание колец
  • Различные деформации на теле поршней
  • Сужение зазора между поршнем и цилиндром, как следствие – задиры на юбках

Износ цилиндров и поршней


Эти и другие неисправности цилиндро-поршневой группы неизбежны при перегреве двигателя – из-за отказа термостата, помпы или разгерметизации системы охлаждения, а также при сбоях в работе вентилятора охлаждения радиатора, самого радиатора или его датчика.

Проблемы с деталями ЦПГ можно заподозрить при увеличении расхода масла, ухудшении пусковых качеств двигателя, снижении его мощностных показателей, появлении шума и стука при работе. Не стоит игнорировать эти моменты, так как цилиндро-поршневая группа – основной узел ДВС, и его неисправности неизбежно ведут к дорогостоящему ремонту.


Точно определить состояние цилиндров и поршней помогает специализированная диагностика: как самой цилиндро-поршневой группы (путем ее полной разборки), так и других систем автомобиля (например, воздушного фильтра).

Кроме того, в ходе сервисных работ проводятся различные операции по измерению компрессии в цилиндрах двигателя, берутся пробы картерного масла и пр.

Ресурс цилиндро-поршневой группы зависит от разных факторов: вида ДВС, режима его эксплуатации, регулярности обслуживания и т.д. В отечественных автомобилях срок службы ЦПГ составляет около 200 тыс. км, в иномарках – до 500 тыс. км.

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


Ремонт цилиндро-поршневой группы


Величину износа цилиндров определяют с помощью индикаторного нутрометра. Трещины и сколы на стенках заваривают или заделывают эпоксидными пастами.

Новые поршни нужного диаметра и массы подбирают к гильзам, а поршневые пальцы – к поршням и втулкам верхних головок шатунов. Шатуны предварительно проверяют и при необходимости восстанавливают.


Для того, чтобы цилиндро-поршневая группа полностью вырабатывала свой ресурс, рекомендуется использовать масло, предписанное производителем, и осуществлять его замену строго по регламенту.

Важно следить за температурным режимом работы двигателя, не допускать его перегрева и холодного пуска зимой.