Цилиндр и поршень: что нужно знать об этих деталях и как продлить срок их службы?

Что входит в поршневую группу двигателя?

Судовые двигатели

Поршневая группа состоит из поршня в сборе, уплотнительных и маслосъемных колец, поршневого пальца. По конструктивным признакам различают поршни тронковые, для двигателей крейцкопфного типа и двустороннего действия. Тронковые поршни соединяются с шатуном поршневым паль­цем. Для обеспечения газонепроницаемости полостей цилиндра поршень снабжают уплотнительными кольцами, а для предотвра­щения попадания масла в камеру сгорания — маслосъемными кольцами. Материалом для поршней служит чугун марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и сталь. Поршни небольшого диаметра быстроходных двигателей можно изготовлять из алюминиевых сплавов (АЛ1, АЛ2, АК2, АК4). Такие поршни имеют малый вес и небольшие температурные напряжения в днище; недостатки поршней — не­значительная износостойкость и большой коэффициент теплового линейного расширения.

Поршень (рис. 139) состоит из нижней направляющей части — тройка или юбки 1 и верхней части — головки поршня 3 с поршне­выми кольцами 2. Конфигурация камеры сгорания двигателя, тип продувки, расположение в крышке клапанов и форсунки опреде­ляют форму днища поршня 4. Днище поршня может иметь вогну­тую, двояковогнутую, выпуклую и другую формы. Некоторые формы днищ поршней показаны на рис. 140. При диаметре поршня более 400 мм головку поршня выполняют съемной. Разъемная конструкция позволяет уменьшить стоимость поршня, так как только головку изготовляют из дорогостоящего жаропрочного ма­териала, и облегчает ремонт поршня. Головку крепят к тройку болтами или шпильками.

В некоторых конструкциях поршня внутреннюю поверхность днища для предохранения от нагарообразования и защиты голов­ного подшипника от теплового излучения закрывают мембраной; для увеличения жесткости днище снизу подкрепляют ребрами, ко­торые одновременно улучшают его охлаждение.

Поршневой палец 1 (рис. 141) размещен в приливах (бобыш­ках) 2 и фиксируется от осевого смещения пружинными кольцами 3 . Пальцы закрепляются стопорным болтом 6 либо свободно вращаются — пальцы плавающего типа. Пальцы плавающего типа более распространены у быстроходных двигателей. Бронзовые втулки 4, запрессованные в бобышки чугунного поршня, являются подшипниками для поршневого пальца плавающего типа. Пальцы изготовляют из малоуглеродистой стали 15 или 20 с последующей цементацией и шлифованием или из легированной стали 15ХМА, 12МХ2А, 18ХНМА, 20Х и др. с последующей закалкой. В некото­рых конструкциях поршней с целью предотвращения соприкосно­вения пальца с зеркалом цилиндра ставят алюминиевые за­глушки 5 грибовидной формы.

Поршневые кольца располагают в канавках, проточенных в теле поршня. Поршневые кольца делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные кольца 2 (см. рис. 139) обеспечи­вают плотность поршня в цилиндре, предотвращают прорыв газов в картер двигателя и способствуют отводу тепла от головки поршня через втулку цилиндра охлаждающей воде. Маслосъемные кольца 6 и 7 (см. рис. 139) служат для удаления излишнего масла с зеркала цилиндра, что уменьшает нагарообразование в цилиндре, и не допускают проникновения масла в камеру сго­рания. Материалом для изготовления колец служит чугун СЧ24-44, реже сталь. Кольца изготовляют самопружинящими с разрезом-замком, обеспечивающим заводку кольца в канавку поршня и воз­можность теплового расширения кольца. Число уплотнительных колец шесть—три, маслосъемных три—одно. Уплотнительные кольца, как правило, прямоугольного сечения, рабочая поверхность кольца и поверхность зеркала цилиндра параллельны.

Leo-Mason › Блог › Поршневой палец

По условиям кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение, необходимо чтобы обе головки шатуна были подсоединены шарнирно. Поршневой палец является осью качания шатуна в соединении с поршнем. Через поршневой палец передаются все силы, возникающие между поршнем и шатуном. К этим силам относятся сила инерции, возникающая при изменении направления движения поршня, сила давления сжимаемой в цилиндре двигателя воздушно топливной смеси или воздуха в дизельном двигателе при сжатии и, главное, сила давления расширяющихся газов во время рабочего такта.

Поршневой палец относится к деталям двигателя, совершающим возвратно-поступательное движение во время работы. Конструкторы двигателей всеми способами стремятся уменьшить вес таких деталей. Но, как отмечалось ранее, через поршневой палец передаются очень большие силы. Поэтому размер (диаметр) пальца, конструкция, технология и материал изготовления пальца, с учётом себестоимости массового изготовления, это результат принятия сложного компромиссного инженерного решения.

Во время работы двигателя на поршневой палец действуют изгибающие усилия и усилия среза. Под воздействием этих усилий поршневой палец может принять недопустимую овальность, в результате которой возможно заклинивание поршня в поршневой головке шатуна или в бобышках поршня. Овальность поршневого пальца может привести к появлению трещин в бобышках поршня и последующему разрушению поршня. Внутреннее отверстие пальца массовых двигателей цилиндрической формы, поскольку такой палец имеет самую низкую себестоимость изготовления. В двигателях, в которых стоимость изготовления не играет решающего значения, по сравнению с качественными показателями, для облегчения веса пальца, внутреннее отверстие изготавливается в виде двух конусов, сужающихся к середине пальца. На эпюре нагрузки, приложенной к поршневому пальцу, видно, что, усилие, приложенное к центру поршневого пальца, значительно меньше усилия, приложенного к его концам. На современных автомобильных двигателях наибольшее распространение нашли плавающие пальцы. Фиксированным называется поршневой палец, который не вращается в одном из соединяемых элементов за счёт установки с тугой посадкой или в верхней головке шатуна или в отверстиях бобышек поршня. Тугая посадка поршневого пальца в одном из элементов обеспечивает осевую фиксацию пальца. В старых автомобильных и стационарных двигателях палец в верхней головке шатуна вообще крепился при помощи разрезной втулки и стяжного болта, но в настоящее время в автомобильных двигателях такой способ крепления поршневого пальца не применяется. Чаще фиксированное соединение обеспечивается в верхней головке шатуна. При этом вращение пальца осуществляется в отверстиях бобышек поршня. поршневого пальца обеспечивается за счёт установки пальца в верхней (поршневой) головке шатуна с натягом 0,01 ÷ 0,042 мм. При этом в соединении пальца с бобышками поршня, для обеспечения шарнирного соединения, устанавливается необходимый зазор. Это наиболее дешёвый способ фиксации пальца в массовом производстве. В этом случае во время ремонта двигателя при сборке шатунно-поршневой группы возникает необходимость нагрева шатуна до достаточно высокой температуры. В двигателях с фиксированным поршневым пальцем бронзовая втулка в поршневую головку шатуна не устанавливается. Плавающим называется палец, установленный с необходимым зазором, и в верхней головке шатуна, и в бобышках поршня. В этом случае осевая фиксация поршневого пальца осуществляется за счёт стопорных колец, устанавливаемых в специальные проточки в бобышках поршня. Во время работы плавающий палец вращается и в головке шатуна и в бобышках поршня. При таком соединении необходимо обеспечить рекомендованный зазор как между пальцем и бобышками поршня, так и между пальцем и втулкой поршневой головки шатуна. В двигателе с плавающим поршневым пальцем для уменьшения трения в поршневую головку шатуна устанавливается бронзовая втулка. Из-за различного температурного коэффициента расширения материалов, из которых изготовлены шатун, поршневой палец и поршень эти зазоры различны. При комнатной температуре во втулку верхней головки шатуна палец должен входить плотно без люфта и качания. А в бобышки поршня, в холодном состоянии, поршень должен входить с небольшим натягом. Поэтому перед снятием или установкой плавающего пальца поршень необходимо нагреть в воде до температуры 60º ÷ 85º С.

История[]

Пошаговая схема функционирования

Работа ДВС основывается на энергии расширяющихся газов. Они являются результатом сгорания ТВС внутри механизма. Это физический процесс принуждает поршень к движению в цилиндре. Топливом в этом случае могут служить:

• Жидкости (бензин, ДТ);
• Газы;
• Монооксид углерода как результат сжигания твердого топлива.

Работа двигателя — это непрерывный замкнутый цикл, состоящий из определенного количества тактов. Наиболее распространены ДВС двух видов, различающихся количеством тактов:

1. Двухтактные, производящие сжатие и рабочий ход;
2. Четырехтактные – характеризуются четырьмя одинаковыми по продолжительности этапами: впуск, сжатие, рабочий ход, и завершающий – выпуск, это свидетельствует о четырехкратном изменении положения основного рабочего элемента.

Начало такта определяется расположением поршня непосредственно в цилиндре:

• Верхняя мертвая точка (далее ВМТ);
• Нижняя мертвая точка (далее НМТ).

Изучая алгоритм работы четырехтактного образца можно досконально понять принцип работы двигателя автомобиля.

Впуск происходит путем прохождения из верхней мёртвой точки через всю полость цилиндра рабочего поршня с одновременным втягиванием ТВС. Основываясь на конструкционных особенностях, смешивание входящих газов может происходить:

• В коллекторе впускной системы, это актуально, если двигатель бензиновый с распределенным или центральным впрыском;
• В камере сгорания, если речь идет о дизельном двигателе, а также двигателе, работающем на бензине, но с непосредственным впрыском.

Первый такт проходит с открытыми клапанами впуска газораспределительного механизма. Количество клапанов впуска и выпуска, время их пребывания в открытом положении, их размер и состояние износа являются факторами, влияющими на мощность двигателя. Поршень на начальном этапе сжатия размещён в НМТ. Впоследствии он начинает перемещаться вверх и сжимать накопившуюся ТВС до размеров, определенных камерой сгорания. Камера сгорания – это свободное пространство в цилиндре, остающееся между его верхом и поршнем в верхней мертвой точке.

Второй такт предполагает закрытие всех клапанов двигателя. Плотность их прилегания напрямую влияет на качество сжатия ТВС и ее последующее возгорание. Также на качество сжатия ТВС оказывает большое влияние уровень износа комплектующих двигателя. Она выражается в размерах пространства между поршнем и цилиндром, в плотности прилегания клапанов. Уровень компрессии двигателя является главным фактором, оказывающим влияние на его мощность. Он измеряется специальным прибором компрессометром.

Рабочий ход начинается когда к процессу подключается система зажигания, генерирующая искру. Поршень при этом находится в максимальной верхней позиции. Смесь взрывается, выделяются газы, создающие повышенное давление, и поршень приводится в движение. Кривошипно-шатунного механизм в свою очередь активирует вращение коленвала, обеспечивающего движение автомобиль. Все клапаны систем в это время находятся в закрытом положении.

Выпускной такт является завершающим в рассматриваемом цикле. Все выпускные клапаны находятся в открытом положении, давая возможность двигателю «выдохнуть» продукты горения. Поршень возвращается в исходную точку и готов к началу нового цикла. Это движение способствует выведению в выпускную систему, а затем в окружающую среду, отработанных газов.

Схема работы двигателя внутреннего сгорания, как уже говорилось выше, основана на цикличности. Рассмотрев детально, как работает поршневой двигатель, можно резюмировать, что КПД такого механизма не более 60%! Обусловлен такой процент тем, что в отдельно взятый момент рабочий такт выполняется лишь в одном цилиндре.

Не вся энергия, полученная в это время, направлена на движение автомобиля. Часть её расходуется на поддержание в движении маховика, который по инерции обеспечивает работу автомобиля во время трех других тактов.

Некоторое количество тепловой энергии невольно тратится на нагревание корпуса и отработанных газов. Вот почему мощность двигателя автомобиля определяется количеством цилиндров, и как следствие, так называемым объемом двигателя, рассчитанным по определенной формуле как суммарный объем всех рабочих цилиндров.

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.

Материалы

К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования:

• высокая механическая прочность;
• малая плотность;
• хорошая теплопроводность;
• малый коэффициент линейного расширения;
• высокая коррозионная стойкость;

Для изготовления поршней применяются серые чугуны и алюминиевые сплавы .

Чугун

Достоинства

• Поршни из чугуна прочны и износостойки.
• Благодаря небольшому коэффициенту линейного расширения они могут работать с относительно малыми зазорами, обеспечивая хорошее уплотнение цилиндра.

Недостатки

• Чугун имеет довольно большой удельный вес . В связи с этим область применения чугунных поршней ограничивается сравнительно тихоходными двигателями, в которых силы инерции возвратно движущихся масс не превосходят одной шестой от силы давления газов на днище поршня.
• Чугун имеет низкую теплопроводность , поэтому нагрев днища у чугунных поршней достигает 350-400 °C. Такой нагрев нежелателен особенно в карбюраторных двигателях, так как он служит причиной возникновения калильного зажигания.

Алюминий

Подавляющее большинство современных автомобильных двигателей имеют алюминиевые поршни.

Достоинства

Достоинства алюминиевых поршней:

• малая масса (как минимум на 30 % меньше по сравнению с чугунными);
• высокая теплопроводность (в 3-4 раза выше теплопроводности чугуна), обеспечивающая нагрев днища поршня не более 250 °C, что способствует лучшему наполнению цилиндров и позволяет повысить степень сжатия в бензиновых двигателях;
• хорошие антифрикционные свойства.

Недостатки Недостатками алюминиевых поршней являются:

• большой коэффициент линейного расширения (примерно в 2 раза больше, чем у чугуна),
• значительное снижение механической прочности при нагреве (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 % против 10 % у чугуна).

Недопустимые для нормальной работы двигателя зазоры между стенками цилиндров и алюминиевыми поршнями устраняются конструктивными мероприятиями, основными из которых являются:

• придание юбке поршня овальной или овально-конусной формы;
• изоляция тронковой (направляющей) части поршня от наиболее нагретой его части (головки);
• косой разрез юбки по всей длине, обеспечивающий пружинящие свойства стенок;
• Т- и П-образные прорези в юбке поршня не на полную её длину в сочетании с её овальностью;
• компенсационные вставки, ограничивающие тепловое расширение юбки в плоскости качания шатуна.

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.

Статьи по теме

Помпа двигателя: виды, конструкция, правила эксплуатации

Поршневой палец: функции, правила выбора и монтажа

Как замкнуть стартер: советы и рекомендации

Гильза цилиндра: виды, дефекты, замена

Плунжер: для чего нужен, как работает

Система охлаждения двигателя автомобиля: как диагностировать неисправность

Фильтр дизельного двигателя: виды, функции

Особенности топливной системы дизельного двигателя

Карбюраторный двигатель: принцип работы, преимущества

Инжекторный двигатель: принцип работы, преимущества и недостатки

Зазор на свечах зажигания: на что влияет, как проверить

Маховик в автомобиле: назначение и виды

Ремонт дизельной форсунки: что ломается и как исправить

Диагностика топливных форсунок: методы, рекомендации, профилактика поломок

Присадки для дизельного топлива: виды и задачи

Поршневые кольца: виды и состав

Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:

• высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
• высокую износостойкость в условиях интенсивного трения;
• хорошие антифрикционные свойства;
• способность быстрого и эффективного прирабатывания к поверхности цилиндра.

Благодаря легирующим добавкам хрома, молибдена, никеля и вольфрама, термостойкость колец значительно повышается. Путем нанесения специальных покрытий из пористого хрома и молибдена, лужения или фосфатирования рабочих поверхностей колец улучшают их прирабатываемость, увеличивают износостойкость и защиту от коррозии.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

Это механизм, в котором происходит преобразование поступательного движения (движения поршня при четырёх тактах – впуске-сжатии-сгорании-выпуске) во вращательное (колёса же надо крутить, а не толкать).

Схема кривошипно-шатунного механизма. Именно здесь происходит преобразование поступательного движения во вращательное.

Коленчатый вал (8) установлен в блоке цилиндров и вращается на подшипниках скольжения (10, это называется коренные вкладыши). Гладкие поверхности шеек коленвала (10) и коренные вкладыши, установленные в блоке цилиндров, образуют пару трения. Масло между ними снижает коэффициент трения до минимально возможного.Частота вращения коленчатого вала (коленвала) – это и есть обороты двигателя, то есть то, что мы видим на тахометре. За два полных оборота коленвала каждый цилиндр делает 4 такта.К коленвалу на таком при помощи такого же подшипника скольжения (1, это называется шатунный вкладыш) крепятся шатуны (7). Это ещё одна пара трения.Сверху в шатун вставлена втулка (2) и уже в неё, сквозь поршень (4) вставляется поршневой палец. Внутри этой пары так же два подшипника скольжения.Этот узел двигателя чувствителен к стабильности подачи масла и его качеству. В случае нарушения подачи масла или сильном снижении давления происходит контакт металла с металлом («сухое трение»), который приводит к нарушению гладкости трущихся поверхностей. В итоге, даже после восстановления давления, повреждённые поверхности не восстанавливаются и коэффициент трения в этих парах будет выше, чем заложенный заводом-изготовителем. Зазоры между деталями тоже изменятся, а значит изменится и толщина масляного клина – он станет неравномерным.

Шатунный вкладыш BMW M5 e60 с пробегом 12 000 км после неправильной обкатки.

Обычно, именно в этом месте происходит заклинивание двигателя. То, что в простонародии называется «клина словил». То есть, масло кончилось и металлы прикипают друг к другу. Вращение становится невозможным.И именно из-за зазоров и притирки этих пар трения в КШМ двигатели рекомендуется сначала обкатывать, прежде чем использовать на полную мощность.Сложность диагностики такого вида задиров в том, что их можно диагностировать либо при полном разборе двигателя, либо по косвенным признакам – например, по состоянию отработанного масла и содержанию масляного фильтра (появится металлическая стружка).В некоторых случаях такие задиры появляются на двигателях с непосредственным впрыском (TFSI) при износе топливного насоса высокого давления (ТНВД). По мере износа ТНВД пропускает топливо через шток, который приводит его в действие. Таким образом бензин попадает в масло и качество смазки сильно теряется. То есть, если из масляной системы доносится резкий запах бензина, следует быть готовым не только к замене насоса, но и к капитальному ремонту.