Поршень двигателя: особенности строения и принцип работы

Особенности строения поршня двигателя

Поршень (стакан-поршень) двигателя – это элемент ДВС, который непосредственно преобразовывает потенциальную энергию экзотермической химической реакции окисления топлива в механическую работу (в поступательное движение). На поршень воздействуют высокое давление и тысячеградусная температура сгорания топливно-воздушной смеси, а потому для изготовления стаканов-поршней используются материалы, обладающие рядом параметров:

• повышенной механической прочностью;
• высокой теплопроводностью;
• небольшой плотностью;
• малым значением коэффициента линейного термического расширения;
• хорошими антифрикционными свойствами;
• и даже коррозионной устойчивостью.

Всем этим требованиям удовлетворяют алюминиевые сплавы. Однако в некоторых случаях (когда габариты ДВС велики, например в судовых силовых установках) поршни могут изготавливаться и из легированных сталей и даже из чугуна.

Поршни отливают или выковывают. Отливка осуществляется под давлением. Что касается процесса ковки, то он представляет собой штамповку заготовки из алюминиевого сплава с добавлением кремния (не более 15 %). Такая технология усиливает прочностные характеристики поршня и сокращает термическое линейное расширение материала.

Устройство стандартного поршня двигателя является простым только на первый взгляд. Стакан-поршень имеет 3 основные части:

• Днище – оно принимает на себя тепловую нагрузку, а также давление расширяющихся газов.
• Уплотняющая часть – она транслирует большую часть тепловой энергии стенкам цилиндра и осуществляет герметизацию камеры сгорания.
• Направляющая часть – удерживает поршень в неизменном положении относительно оси. Кроме того, благодаря ей поперечные нагрузки от шатуна передаются на стенки цилиндра.

Подробности о каждой из этих частей далее.

Днище поршня двигателя

Форма днища поршня двигателя внутреннего сгорания зависит от схемы расположения форсунок, клапанов, свечей зажигания, образования и распространения газов в цилиндре. Это все имеет большое значение для эффективности мотора, и днища поршней создают, принимая во внимание все эти факторы.

Читайте также!

«Горит лампочка поворотника: разбираемся в проблеме» Подробнее

Выпуклое днище придает стакану-поршню высокую прочность, но при этом повышается теплоотдача (из-за увеличенной площади поверхности). В моторах, где воспламенение топлива производится с помощью искры от свечи зажигания, рост теплоотдачи повышает допустимую степень компрессии на первом такте. А это, во-первых, повышает КПД двигателя, а во-вторых, немного компенсирует механические потери трения самого поршня о стенки цилиндра.

Вогнутое днище характерно для дизельных двигателей с системой непосредственного впрыска топлива в цилиндры. Такая форма больше способствуют образованию нагара, чем у поршней с выпуклыми днищами.

Еще выпускаются поршни с плоскими днищами. Они просты в производстве, и их используют как в бензиновых, так и в дизельных силовых агрегатах вихрекамерного и предкамерного типов.

Высокие термические нагрузки обуславливают большую толщину днища любого поршня вне зависимости от формы. Корреляция здесь такая: чем больше толщина, тем слабее нагревается сам стакан-поршень. Стандартная толщина – от 7 до 9 мм; в турбированных моторах, где температура сгорания повышенная, толщина днища составляет не менее 11 мм; в дизельных двигателях толщина достигает 16 мм (также в связи с высокой температурой сгорания солярки).

Чтобы усилить защиту стакана-поршня от агрессивной среды камеры сгорания, днище и первая канавка для компрессионного кольца обычно подвергается твердому анодированию. Верхний слой анодированного сплава превращается в керамическое покрытие, которое имеет толщину до 12 мкм. И этого вполне достаточно для эффективной защиты.

Уплотняющая часть поршня двигателя

К уплотняющей части относят маслосрезывающие и компрессионные кольца. Первые (еще их называют маслосъемными) имеют отверстия по всей своей длине, через которые масло, удаляемое со стенок цилиндра, проходит внутрь стакана-поршня и далее стекает по шатуну в картер.

В некоторых случаях маслосрезывающие кольца при изготовлении дополнительно снабжают ободком из легированного чугуна (стойкого к коррозии). На ободке для компрессионного кольца выполняются специальные канавки для удаления масляной пленки. Таким образом, компрессионное кольцо становится одновременно еще и маслосрезывающим.

В большинстве современных ДВС поршни имеют по 3 кольца: по одному маслосъемному и по два компрессионных. В задачу последних входит обеспечение герметичности компрессии и предотвращение прорыва рабочих газов в картер двигателя. В сечении такие кольца могут иметь разную форму:

• трапециевидную;
• коническую;
• бочкообразную.

Разумеется, наибольшие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо, поэтому его канавку усиливают стальной вставкой.

Поверхность цилиндра, по которому скользят кольца, смазывается. Масло поступает через пару специальных отверстий в стенках цилиндра. В задачу маслосъемного кольца входит снятие масляной пленки, чтобы по максимуму уменьшить выгорание масла и образование нагара. Некоторые разновидности маслосрезывающих колец также оснащают пружинным расширителем для обеспечения более плотного их прилегания к зеркалу втулки цилиндра.

Диаметр уплотняющей части стакана-поршня меньше, чем диаметр его юбки. Это объясняется разным уровнем термической нагрузки – нагрев уплотняющей части больше (его еще называют жаровым поясом). Меньший диаметр здесь позволяет избежать возможных задиров и заклинивания колец. Юбка цилиндра имеет в сечении овал, уплотняющая часть – круг.

Компрессия в камере сгорания тем выше, чем больше уплотнительных колец устанавливается на поршне. Кроме того, большое значение имеет материал, из которого изготавливаются кольца. Он должен быть максимально износостойким. Поэтому и компрессионные, и маслосъемные кольца зачастую изготавливаются из легированного чугуна.

Помимо износостойкости, материал колец должен быть еще и максимально теплопроводным, чтобы эффективно отводить тепло от стакана-поршня на охлаждаемую втулку цилиндра. Через кольца отводится до 80 % тепла. Если снижается плотность прилегания колец, большая часть теплопередачи перемещается на юбку поршня – возрастает вероятность появления задиров. Чтобы избежать этого, во время проведения испытаний и обкатки нового мотора искусственно ограничивается его мощность.

Когда металл колец перегревается, то снижается его упругость, из-за чего могут возникнуть поломки и другие негативные эффекты: в камеру сгорания начнет просачиваться масло, а в картер прорываться отработанные газы. При перегреве есть риск смыкания стыков колец (из-за линейного термического расширения), в результате чего сами кольца просто сломаются. Иногда это приводит даже к срыву поршня.

Направляющая часть поршня двигателя

Направляющую часть поршня иногда называют юбкой или тронковой частью. На внутренней стороне у нее расположены бобышки с отверстиями под поршневой (или шатунный) палец. Он фиксируется деталями, для которых в бобышках предусмотрены специальные канавки.

Нижняя часть направляющей служит для облегчения механобработки поршня. Для этого предусмотрен специальный буртик. Вес поршня обязательно должен находиться в нормативном для данной модели двигателя диапазоне.

В таком случае осуществляется подгонка: снимается стружка с внутренней части буртика. Также могут вырезаться углубления в юбке, где располагаются отверстия под шатунный палец. Эти зоны никак не контактируют с зеркалом цилиндра. Их еще называют «холодильниками».

У юбки также существует еще один, крайне важный, функционал. В ее задачу входит передача радиальных нагрузок от шатуна на стенки цилиндра. Ведь поршень совершает возвратно-поступательные движения, двигаясь вдоль оси. Шатун же работает уже в двух измерениях, и шейка коленвала пересекает ось движения поршня один раз за такт. Таким образом, шатун через палец оказывает обратное давление на стакан-поршень, но не сонаправленно оси его движения, а под углом.

Поршень же, в свою очередь, передает проекцию этой нагрузки уже на стенки цилиндра. Разумеется, это периодически возникающее давление усиливает трение о втулку цилиндра и увеличивает нагрев обоих элементов.

Между юбкой и стенками цилиндра предусмотрен зазор. Он нужен для того, чтобы поршень свободно перемещался вдоль оси цилиндра, когда все элементы поршня двигателя уже нагреты и силовой агрегат работает в штатном режиме (в том числе под нагрузкой).

Величина зазора зависит от значения термического расширения металла, из которого сделана юбка поршня. Если зазор будет меньше требуемого, то при перегреве двигателя юбка начнет цеплять зеркало цилиндра, образуя на нем задиры. В итоге поршень может заклинить. Если же зазор окажется больше нормы, то начнут страдать уплотняющие характеристики поршня. Расширяющиеся газы будут интенсивно прорываться в картер – эксплуатировать такой мотор станет невозможно.

Принцип работы поршня двигателя

Функционал поршня – принятие давления расширяющихся газов от сгорания топливно-воздушной смеси и передача этого давления на коленчатый вал через шатунный палец и шатун. Коленчатый вал преобразует поступательное движение поршня в движение вращательное – в крутящий момент двигателя.

Также эти кольца отводят тепло от стакана и передают его стенкам цилиндра, которые, в свою очередь, омываются охлаждающей жидкостью. В моторах, которые должны обеспечивать высокую тяговую нагрузку, поршни дополнительно охлаждаются маслом. Для этого со стороны коленчатого вала имеются форсунки, которые разбрызгивают масло под давлением на внутреннюю сторону днища поршня.

Читайте также!

«Почему спускает колесо: разбираемся в причинах и устраняем неисправность» Подробнее

Ось цилиндра должна совпадать с вертикальной осью поршня. Только в этом случае обеспечивается надежное уплотнение и полностью убирается всякая возможность заклинивания. Никакие перекосы (так называемое болтание) в цилиндре недопустимы. Если оси цилиндра и поршня не совпадают, то ухудшаются теплопередающие свойства колец, а кроме того, трение в разных частях зеркала цилиндра по окружности будет разным, станут образовываться задиры, в работе мотора появятся посторонние шумы, усилится вероятность тяжелой поломки – переклинивания поршня.

Юбка помогает предохранить двигатель от этих проблем, но лишь частично. Ведь там присутствует зазор, а потому плотной фиксации поршня в нужном положении, юбка обеспечить не может (в отличие от уплотнительных колец).

Проблемой является и несоответствие коэффициентов термического расширения у цилиндров и поршней. Во-первых, они выполняются из разных материалов, а во-вторых, они имеют совершенно разную конструкцию. В итоге инженерам приходится изобретать способы, как сделать так, чтобы нагретый поршень, с одной стороны, не заклинило в цилиндре, а с другой – не ухудшились его уплотняющие характеристики. Здесь существует два выхода.

Первое техническое решение – это овальная форма поперечного сечения юбки. Благодаря данной форме юбка нагретого поршня соответствует стенке цилиндра, что спасает от заклинивания.

Второе техническое решение – в юбку поршня вставляются стальные пластины. То есть туда добавляется материал (причем в определенном месте), что увеличивает общую теплоемкость стакана, а значит, одновременно уменьшает предельную температуру его нагрева. Это сильно снижает вероятность заклинивания.

В большинстве случаев для производства поршней используется алюминий. Этот выбор обусловлен тем, что поршень – это движущаяся часть двигателя, а значит, крайне важно максимально уменьшить его вес с учетом того, что в современных ДВС количество оборотов достигает нескольких десятков тысяч в минуту! Использование другого, более тяжелого, хоть и прочного, металла потребует усиливать и шатун, и шатунный палец, да и сам блок цилиндров. Все это приведет как к росту общего веса силового агрегата, так и к ухудшению его мощностных качеств.

Кроме перечисленных выше, инженеры реализуют в конструкции поршня и другие технические решения. Например, конфигурация нижней части юбки – она имеет форму обратного конуса. Это нужно для того, чтобы уменьшить шумовой эффект, который появляется, когда поршень достигает нижней мертвой точки. На рабочей поверхности юбки также присутствует микропрофиль, что способствует большей эффективности смазывания.

Данный профиль – это маленькие канавки, шаг которых составляет от 0,2 до 0,5 мм. Кроме того, трение снижается еще и при помощи фрикционного покрытия.

Основные причины износа поршня двигателя

Чем дольше работает двигатель, тем больше у него накапливается износ, в результате чего могут внезапно выходить из строя те или иные детали. Поршни – это элементы, которые подвержены наибольшим температурным нагрузкам и воздействию давления, так что вполне разумно ожидать, что эти детали будут выходить из строя чаще других.

О том, что поршневая группа работает как-то не так, могут говорить следующие эффекты:

• возросший расход моторного масла;
• появление синего дыма из глушителя;
• нестабильная работа мотора без нагрузки (это наглядно определяется по вибрации рычага КПП);
• снижение мощности и крутящего момента двигателя;
• появление сильного нагара на свечах зажигания.

При ремонте поршневой группы могут возникнуть трудности, которые требуют срочного решения и более глубокой диагностики.

Например, можно наблюдать задиры на днище стакана-поршня. Причиной этого становится перегрев и следующая за этим деформация. Также задиры могут появиться в случае, если поршни имеют неподходящий размер, если неисправны масляные форсунки, а также присутствуют дефекты в системе охлаждения.

На днище поршня также могут наблюдаться следы ударов. Причиной может быть большой выступ какой-либо детали головки блока, например неправильная посадка клапана с избыточным ходом. Также в качестве причины может выступать масляный нагар, неподходящее уплотнение головки блока и др.

Читайте также!

«Масло выше уровня: чем грозит, что делать» Подробнее

Недостаточное охлаждение поршня через кольца уплотнения является причиной растрескивания его днища. К этому же приводит и дефект форсунки в дизельных двигателях.

Радиальный износ (давление на боковые стенки цилиндров) возникает из-за регулярно появляющегося большого количества топливно-воздушной смеси в камере сгорания. В итоге двигатель «захлебывается» топливом – возникает характерное звучание, присущее детонации. Также радиальный износ может усиливаться из-за некорректного размера выступов поршней.

Когда поршень загрязняется продуктами собственного износа, то начинают проявляться последствия так называемого осевого изнашивания.

Юбка поршня также подвержена износу и повреждению. Во-первых, из-за ассиметричного пятна контакта, которое, в свою очередь, вызвано деформацией шатуна (его скручиванием) или же нештатным люфтом шатунного подшипника.

Чрезмерно тесная посадка поршней может стать причиной угловых задиров (которые не параллельны вертикальной оси цилиндра). Кроме того, любые задиры становятся следствием недостаточно качественной смазки при пуске двигателя или даже ошибок при монтаже шатуна.

Поверхность юбки поршня испытывает повышенное трение, когда горючая смесь сильно обогащена топливом и при этом она недостаточно сжата (во время такта «сжатие»). В итоге после зажигания температура в камере сгорания подскакивает выше норматива, что со временем приводит и к перегреву юбки и ее нерасчетному термическому расширению.

Проблемы с поршнями могут стать причиной возникновения неисправностей и в цилиндрах. Наиболее часто гильзы цилиндров выходят из строя в результате кавитации из-за недостаточности охлаждения. Кроме того, гильзы могут быть неправильно посажены или же при их посадке использованы дефектные уплотнительные кольца.

Но если ось движения поршня не совпадает с вертикальной осью цилиндра, то его зеркало будет истираться неравномерно. Кроме того, в камеру сгорания начнет просачиваться масло и образовываться нагар. Блестящие места на внутренней поверхности цилиндра – это как раз он и есть.

При возникновении любой из описанных проблем недопустимо откладывать их решение на потом. Заклинивание поршня может произойти в любой момент, и тогда, скорей всего, потребуется производить дорогостоящую замену всего двигателя целиком.

Какой поршень двигателя выбрать при необходимости замены, по мнению автовладельцев

• Дешевые аналоги.

«Когда 210 тысяч км назад проводил капитальный ремонт двигателя, то поставил поршни "Мописан" (изг. – Турция). Днище и юбки тефлоновые. И никаких вопросов к работе шатунно-поршневой группы нет. А главное, такие поршни намного дешевле оригинальных».

• Люди знающие ценят.

«Если вы не представляете нюансов работы шатунно-поршневой группы, то лучше вам не разбирать двигатель и не пытаться там что-то ремонтировать. Но для тех, кто в ремонте силовых агрегатов разбирается, сообщаю – в мире есть 3 основных производителя поршневых групп: MAHLE, KOLBENSCHMIDT, NURAL. Многие добавляют сюда еще и Mopisan, и YENMAK. Если не хотите столкнуться с откровенным браком, то выбирайте только запчасти от этих производителей».

• Поршни – дело вкуса.

«На рынке есть зарекомендовавшие себя производители: MAHLE, KOLBENSCHMIDT, NURAL, Mopisan, YENMAK и многие другие. А есть продукция, выполненная неизвестными заводами, в том числе, кустарно. При этом детали в исполнении последних могут работать лучше и дольше фирменной продукции. И в этом нет ничего нелогичного, потому что главное здесь – это руки, растущие из правильного места, а вовсе не лейбл на упаковке».

Ни в коем случае нельзя продолжать эксплуатацию автомобиля, если поршни двигателя стали проявлять признаки наличия дефектов. Любое промедление чревато не просто дорогим ремонтом, а заменой всего силового агрегата в целом (ну или даже транспортного средства). Будьте внимательны к своему автомобилю и заливайте только качественное масло и топливо – это существенно продлит срок службы мотора.