Если автослесарь уверен на 100%, что посторонние шумы – это стук юбки поршня при перекладке шатуна, приготовьтесь к недешевому ремонту. Не стоит затягивать с мероприятиями по восстановлению работоспособности двигателя – ситуация быстро усугубится.
Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания?
В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ — поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень — первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.
Поршень двигателя имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и выполняет две функции.
- При поступательном движении поршень уменьшает объем камеры сгорания, сжимая топливную смесь, что необходимо для процесса сгорания (в дизельных моторах воспламенение смеси и вовсе происходит от ее сильного сжатия).
- После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.
Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?
Устройство детали включает в себя три составляющие:
Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.
Днище
Днище — основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.
Главный параметр днища — форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.
В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.
В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.
Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых — устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.
Уплотняющая часть
Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня — канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения.
Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.
Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 — 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным.
В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.
Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.
Вас также заинтересует:
Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.
Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.
Цилиндр двигателя может представлять собой съемную конструкцию. Наиболее часто такая разновидность детали встречается в мототехнике, но некоторые двигатели автомобилей также оснащаются съемными гильзами, которые можно без особого труда выпрессовать и заменить новыми элементами.
Принцип работы
Поршень двигается вниз и вверх внутри гильзы, передавая шейке коленчатого вала это движение через шатун. Шатун вращает коленвал, таким образом поступательное движение всех поршней переходит во вращательное. Коленчатый вал вращается, за счет работы ЦПГ.
Поршневые кольца (компрессионные) перекрывают зазор между поршнем и цилиндром (гильзой), препятствуя прорыву в картер газов и горючей смеси из камеры сгорания. Маслосъемные кольца, убирают со стенок гильзы излишки масла, чтобы оно не попадало в камеру сгорания и не горело там, вызывая появление сажи.
Обычно, каждый поршень имеет 2 компрессионных кольца и одно маслосъемное, но это количество может меняться, в зависимости от конструкции мотора.
Поршневой палец соединяет поршень с шатуном. Обычно, в шатуне палец запрессован, а поршень на нем качается. Но существуют моторы, где наоборот, палец в поршне стационарно сидит, а качается в шатуне.
Современные моторы могут иметь от одного цилиндра (двухтактные агрегаты мотоциклов, мопедов и т.д.) и до 16 – танковые моторы и моторы огромных тягачей (четырехтактные). Количество тактов – количество движений, за которые происходит полный цикл работы цилиндра.
Работа в 4 такта
ЦПГ четырехтактного мотора работает так:
- Такт впуска. Поршень из ВМТ опускается в гильзе вниз, при этом открыт впускной клапан, происходит наполнение цилиндра воздухом и впрыск топлива;
- Такт сжатия. Поршень достиг НМТ и начинается сжатие топливно-воздушной смеси, клапаны закрытые;
- Такт расширения. Поршень максимально сжал смесь и достиг ВМТ, происходит поджог смеси, искрой от свечи. Взрыв топливной смеси толкает поршень вниз, клапаны по-прежнему закрытые;
- Такт выброса. Поршень достиг НМТ, смесь уже выгорела, открывается выпускной клапан, отработанные газы выбрасываются в выпускной коллектор, движением поршня вверх. Как только поршень снова достигает ВМТ, начинается новый такт впуска.
Работа в 2 такта
В двухтактном моторе все это происходит за два цикла движения поршня.
- Такт сжатия. Поршень идет вверх от НМТ к ВМТ. Горючее поступает через отверстия для продувки, затем поршнем они перекрываются. Дальнейшее продвижение вверх перекрывает выпускные каналы, через которые происходит выхлоп отработавших газов. Поршень подходит к ВМТ, создав давление смеси в пространстве над ним, называемом камерой сгорания.
- Такт расширения. Происходит воспламенение смеси, энергия взрыва толкает поршень, заставляя его двигаться вниз. При этом, сначала открываются отверстия для сброса отработавших газов, затем продувка и наполнение камеры новой порцией топлива. После чего, цикл повторяется.
Из чего изготавливается
Рассмотрим материалы деталей ЦПГ. Все материалы для ЦПГ должны иметь высокую прочность, отличную теплопроводность, незначительно расширяться при нагреве и иметь антифрикционные свойства. Иметь повышенное сопротивление появлению ржавчины.
Гильзы выполняют из чугуна или специальной стали с присадками, чтобы деталь выдержала высокую нагрузку.
Поршни изначально делали чугунные, но с развитием технологий, стали производить алюминиевые. В современных моторах применяются сборные стальные поршни, особенно в дизелях. В экспериментальных моторах, тестируют керамические поршни, но пока в производстве керамика применяется только как напыление на поршнях.
Поршневые кольца изготавливают из серого чугуна высокой прочности, с добавками молибдена, хрома, вольфрама или никеля. Добавки обеспечивают лучшую «приработку» деталей, повышая их износостойкость и устойчивость к сильному нагреву.
Поршневые пальцы выполнены из легированной либо углеродистой стали, обработаны цементацией и закалены. Если напильник оставляет на пальце царапины, это бракованные (не каленые) пальцы, их нельзя устанавливать, это приведет к поломке ЦПГ.
Подводя итоги скажу, на каких моторах есть ЦПГ. Эта группа присутствует на всех агрегатах, работающих по принципу внутреннего сгорания топлива. Не зависимо от того, дизельный агрегат, бензиновый либо газовый. Благодаря удобству и относительной простоте исполнения, надежности и долговечности, а так же безопасности для человека (кроме экологичности), моторы с ЦПГ широко применяются во всем мире, даже в косилках и бензопилах. Электрические моторы ЦПГ не имеют, они работают по другому принципу.
Итак, мощность двигателя упала более чем на 10%. Выяснилось, что в двигателе низкая компрессия и есть основания полагать, что виноваты изношенные поршневые кольца или цилиндры. Что дальше? Есть два варианта.
Конструкционные материалы деталей ЦПГ
Сегодня цилиндры и поршни двигателя чаще всего производят из алюминия или стали с различными присадками. Иногда для внешней части блока цилиндров используют алюминий, имеющий небольшой вес, а для гильзы, контактирующей с движущимся поршнем, – более прочную сталь.
В отличие от чугуна, который применялся ранее для изготовления деталей ЦПГ, внедрение алюминия – намного более легкого, но износостойкого материала – стало толчком к появлению мощных и высокооборотистых двигателей.
Современные автомобили, особенно с дизельными двигателями, все чаще оснащаются сборными поршнями из стали. Они имеют меньшую компрессионную высоту, чем алюминиевые, поэтому позволяют использовать удлиненные шатуны. В результате боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр» существенно снижаются.
Поршневые кольца, наиболее подверженные износу и деформациям, производят из специального высокопрочного чугуна с легирующими добавками (молибденом, хромом, вольфрамом, никелем).
Значительные механические и тепловые циклические нагрузки отрицательно сказываются на работоспособности элементов цилиндро-поршневой группы. В то же время от их состояния напрямую зависит стабильная компрессия двигателя, обеспечивающая его уверенный холодный и горячий запуск, мощность, экологичность и другие эксплуатационные показатели.
Именно поэтому для изготовления поршней и других деталей ЦПГ применяются материалы, обладающие высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью, незначительным коэффициентом линейного расширения, отличными антифрикционными и антикоррозионными свойствами.
В целях снижения потерь на трение производители поршней покрывают их боковую поверхность специальными антифрикционными составами на основе твердых смазочных частиц: графита или дисульфида молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается, поршни снова испытывают высокие нагрузки, под влиянием которых изнашиваются и выходят из строя.
Состав на основе сразу двух твердых смазок – высокоочищенного дисульфида молибдена и поляризованного графита – применяется для первоначальной обработки юбок поршней или восстановления старого заводского покрытия.
MODENGY Для деталей ДВС имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимально настроенными параметрами распыления, поэтому наносится на юбки поршней легко, быстро и равномерно.
На поверхности покрытие создает долговечную сухую защитную пленку, которая снижает износ деталей и препятствует появлению задиров.
MODENGY Для деталей ДВС полимеризуется при комнатной температуре, не требуя дополнительного оборудования.
Для подготовки поверхностей перед нанесением покрытия их необходимо обработать Специальным очистителем-активатором MODENGY. Только в таком случае производитель гарантирует прочное сцепление состава с основой и долгий срок службы готового покрытия. Оба средства входят в Набор для нанесения антифрикционного покрытия на детали ДВС.
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.
