Особенности конструкции и работы поршня двигателя: всё, что нужно знать

Как функционирует поршень? Он является ключевой составляющей двигателя автомобиля, выполняя преобразование сжатой смеси воздуха и топлива в механическую энергию, которая, в конечном итоге, создает мощность для движения автомобиля.

Какова его конструкция? Поршень представляет собой цилиндрическую деталь, но, несмотря на свою кажущуюся простоту, он имеет сложное строение. Каждый элемент поршня отвечает за отдельные аспекты механизма автомобиля. В случае поломки поршневой системы транспортное средство не сможет тронуться с места.

Особенности строения поршня двигателя

Поршень двигателя внутреннего сгорания (также известный как стакан-поршень) является компонентом, который непосредственно трансформирует потенциальную энергию, возникающую в результате экзотермической реакции сгорания топлива, в механическую работу (поступательное движение). На поршень оказывают давление и высокие температуры сгорания топливной смеси, поэтому для его производства выбираются материалы, обладающие особыми качествами:

• высокой прочностью;
• отличной теплопроводностью;
• невысокой плотностью;
• низким коэффициентом линейного теплового расширения;
• долговечной антифрикцией;
• стойкостью к коррозии.

Эти требования успешно выполняются алюминиевыми сплавами. Однако для крупных ДВС, например, в морских двигателях, поршни могут быть изготовлены из легированных сталей или чугуна.

Поршни создаются либо путем литья, либо ковкой. Литье производится под давлением, в то время как ковка предполагает штамповку заготовок из алюминиевых сплавов с добавлением не более 15% кремния. Такой процесс увеличивает прочностные характеристики поршня и снижает тепловое расширение материала.

На первый взгляд, устройство обычного поршня двигателя кажется простым. Он состоит из трех основных элементов:

• Днище – оно принимает основные тепловые нагрузки и давление расширяющихся газов.
• Уплотняющая часть – передает большую часть тепловой энергии на стенки цилиндра и обеспечивает герметичность камеры сгорания.
• Направляющая часть – фиксирует поршень в правильном положении относительно оси и передает поперечные нагрузки от шатуна к стенкам цилиндра.

Теперь подробнее о каждом из этих компонентов.

Днище поршня двигателя

Конструкция днища поршня двигателя зависит от размещения форсунок, клапанов, свечей зажигания и процессов образования и распространения газов в цилиндре. Все эти факторы важны для повышения эффективности мотора, и днища поршней разрабатываются с учетом этих аспектов.

Выпуклая форма днища придает большую прочность, но также повышает теплоотдачу из-за увеличенной площади поверхности. В двигателях, где используется свеча зажигания для воспламенения топлива, это улучшение теплоотдачи позволяет увеличить допустимую степень компрессии на первом такте, что, в свою очередь, повышает КПД мотора и помогает частично компенсировать механические потери от трения поршня о стенки цилиндра.

Вогнутое днище, наоборот, используется в дизельных двигателях с прямым впрыском, и эта форма больше подвержена образованию нагара по сравнению с выпуклыми формами.

Также существуют поршни с плоским днищем, которые легко производить и которые применяются как в бензиновых, так и в дизельных моторах различных типов.

Большие термические нагрузки требуют увеличенной толщины днища любым поршнем, независимо от его формы. Общая зависимость такова: чем толще днище, тем меньше оно нагревается. Обычно стандартная толщина составляет от 7 до 9 мм; в турбированных двигателях с повышенными температурами сгорания этот параметр достигает 11 мм; в дизельных моторах – до 16 мм, что связано с высокой температурой сгорания дизельного топлива.

Существуют и современные модели поршней с толщиной днищ в 5,5-6 мм, например, некоторые конструкции двигателей Honda.

Для повышения защиты днища поршня от опасной среды в камере сгорания, днище и первый канавка для компрессионного кольца обычно проходят процесс анодирования. Верхний слой анодированного сплава образует керамическое покрытие до 12 мкм толщиной, что достаточно для эффективной защиты.

Уплотняющая часть поршня двигателя

Уплотняющая часть включает маслосъемные и компрессионные кольца. Первые имеют отверстия по всей длине, через которые масло с цилиндров попадает внутрь поршня и стекает вниз по шатуну в картер.

В некоторых случаях маслосъемные кольца дополнительно снабжают вкладкой из легированного чугуна (устойчивого к коррозии). На ободке компрессионного кольца есть специальные канавки для удаления масляной пленки. Поэтому компрессионное кольцо нередко выполняет противодействие также и в роли маслосъемного.

В большинстве современных двигателей поршни оснащены тремя кольцами: одним маслосъемным и двумя компрессионными. Основная задача компрессионных колец – обеспечить герметичность внутри камеры сгорания и предотвратить прорыв газов в картер. В сечении такие кольца могут иметь различные формы:

• трапециевидную;
• коническую;
• бочкообразную.

Наибольшие нагрузки ощущает первое компрессионное кольцо, поэтому его канавка обычно усиливается стальной вставкой.

Цилиндр, по которому скользят кольца, постоянно смазывается; масло поступает через специальные отверстия в стенках цилиндра. Маслосъемное кольцо отвечает за снятие масляной пленки, чтобы минимизировать выгорание масла и образование нагара. Некоторые модели маслосъемных колец также оборудуются пружинным расширителем для обеспечения плотного прилегания к стенке цилиндра.

Диаметр уплотняющей части поршня меньше диаметра юбки, что обусловлено различным уровень термических нагрузок – уплотняющая часть нагревается сильнее, это также называют жаровым поясом. Уменьшенный диаметр позволяет избежать заклинять и задиров колец. Юбка цилиндра имеет овальную форму в сечении, а уплотняющая часть – круговую.

Чем больше уплотнительных колец установлено на поршне, тем выше сжатие в камере сгорания. Важно также качество материала, из которого изготовлены кольца, он должен быть оптимально износостойким, поэтому компрессионные и маслосъемные кольца зачастую изготовляют из легированного чугуна.

Кроме износостойкости, материал колец должен отличаться высокой теплопроводностью, чтобы эффективно отводить тепло от поршня к охлаждаемой втулке цилиндра. Через кольца отводится до 80% тепла. Если плотность прилегания колец снижается, большая часть тепла переносится к юбке поршня, что увеличивает вероятность появления задиров. Чтобы избежать этого, в процессе испытаний нового мотора его мощность искусственно ограничивают.

При перегреве металл колец теряет упругость, что может привести к поломкам и другим негативным последствиям, таким как просачивание масла в камеру сгорания или прорыв отработанных газов в картер. Существует риск, что при перегреве произойдет смыкание швов колец (из-за термического расширения), что может привести к их поломке. В некоторых случаях это вызывает даже срыв поршня.

Направляющая часть поршня двигателя

Направляющая часть поршня иногда называется юбкой или тронковой частью. С внутренней стороны расположены бобышки с отверстиями для крепления поршневого (шатунного) пальца. Он фиксируется с помощью деталей, для которых в бобышках предусмотрены специальные канавки.

Нижняя часть направляющей спроектирована для упрощения механической обработки поршня с использованием специального буртика. Вес поршня должен находиться в диапазоне нормы для конкретной модели двигателя.

В случае замены поршня на новый, изготовленный из более плотного материала, но сохранения всех критических размеров, вес увеличивается.

В таком случае проводится подгонка: с внутренней стороны буртика снимается металл. Также могут быть выполнены вырезы в юбке, где размещаются отверстия под шатунный палец. Эти зоны не контактируют с цилиндром и называются «холодильниками».

Кроме этого, юбка выполняет важнейшую функцию, передавая радиальные нагрузки от шатуна на стенки цилиндра. Поршень совершает возвратно-поступательные движения вдоль своей оси, тогда как шатун работает в двух измерениях, и шейка коленвала пересекает ось движения поршня один раз за такт. В результате шатун через палец создает обратное давление на поршень под углом.

Таким образом, поршень передает это давление на стенки цилиндра, что связано с увеличением трения между элементами и повышением температуры.

Между юбкой поршня и стенками цилиндра оставляют зазор, который необходим для обеспечения свободного движения поршня вдоль оси цилиндра. Это особенно важно, когда двигатель уже работает в нормальном режиме и подвергается нагреву, включая высокие нагрузки.

Размер этого зазора определяется коэффициентом термического расширения материала, из которого изготовлена юбка поршня. Если зазор будет слишком мал, юбка может начать контактировать со стенками цилиндра при перегреве, что приведет к образованию задиров и возможно заклиниванию поршня. В случае, если зазор окажется избыточным, это негативно скажется на герметичности поршня, и газы начнут пробиваться в картер, что сделает эксплуатацию двигателя невозможной.

Принцип работы поршня двигателя

Основная задача поршня заключается в том, чтобы воспринимать давление, возникающее от сгорания топливно-воздушной смеси, и передавать это усилие на коленчатый вал через шатун и пальцы. Коленчатый вал преобразует прямолинейное движение поршня в вращательное, создавая крутящий момент для работы двигателя.

Поэтому критически важно обеспечить эффективное уплотнение камеры сгорания. В противном случае невозможно будет достичь необходимой компрессии смеси при сжатии или правильно передать давление газов во время сгорания. Для этого используются уплотнительные кольца, которые располагаются в канавках юбки поршня.

Эти кольца также способствуют отведению тепла от юбки и передают его стенкам цилиндра, которые омываются охлаждающей жидкостью. В высоконагруженных двигателях поршни дополнительно охлаждаются маслом, которое распыляется на внутреннюю сторону юбки через специальные форсунки, установленные со стороны коленчатого вала.

Важно, чтобы ось цилиндра совпадала с вертикальной осью поршня, так как это обеспечивает надежное уплотнение и исключает возможность заклинивания. Любые перекосы или болтания в цилиндре недопустимы, так как это ухудшает теплопередачу, вызывает неравномерное трение по окружности стенок цилиндра и может привести к задиру и посторонним звукам в работе двигателя, увеличивая риск серьезной поломки.

Юбка поршня может частично помочь избежать этих проблем, но не сможет обеспечить полностью надежное фиксирование в нужном положении из-за наличия зазора, в то время как уплотнительные кольца обеспечивают эту функцию.

Существует также проблема различия в коэффициентах термического расширения между цилиндрами и поршнями. Это связано с тем, что они изготавливаются из разных материалов и имеют различные конструкции. В результате инженерам приходится разрабатывать решения, которые позволят избежать заклинивания нагретого поршня и одновременно не ухудшат его уплотняющие свойства. Существует два основных подхода к решению этой задачи.

Первый подход – это овальная форма поперечного сечения юбки, что позволяет ей лучше соответствовать стенкам цилиндра в нагретом состоянии и предотвращает заклинивание.

Второй подход заключается в установке стальных пластин в юбку поршня. Этот дополнительный материал в определенных местах увеличивает теплоемкость юбки и снижает предельную температуру ее нагрева, что также уменьшает риск заклинивания.

В большинстве случаев для производства поршней используется алюминий. Это связано с тем, что поршень является движущей частью двигателя, и его вес должен быть минимальным, особенно при высоких оборотах, достигающих десятков тысяч в минуту. Применение тяжелых металлов потребует увеличения прочности шатунов и других компонентов, что приведет к увеличению общего веса двигателя и ухудшению его мощности.

Кроме того, инженеры внедряют различные технические решения в конструкцию поршня. Например, нижняя часть юбки имеет обратноконусную форму, чтобы снизить уровень шума при достижении поршнем нижней мертвой точки. На рабочей поверхности юбки имеется микропрофиль, который улучшает эффективность смазывания.

Этот микропрофиль состоит из мелких канавок с шагом от 0,2 до 0,5 мм, и дополнительно трение уменьшается благодаря фрикционному покрытию.

Основные причины износа поршня двигателя

С увеличением времени работы двигателя чуть ли не неизбежно возникает износ, что может привести к внезапным поломкам различных деталей. Поршни подвергаются самым высоким температурным и давленным нагрузкам, поэтому вполне логично ожидать, что они могут выходить из строя чаще других компонентов.

К признакам неисправности поршневой группы можно отнести:

• увеличение расхода масла;
• появление синего дыма из глушителя;
• нестабильная работа двигателя на холостом ходу (это можно определить по вибрации рычага КПП);
• снижение мощности и крутящего момента;
• образование значительного нагара на свечах зажигания.

Когда происходит ремонт поршневой группы, могут возникнуть сложности, требующие тщательной диагностики.

Например, задиры на днище поршня могут возникнуть в результате перегрева и последующего деформирования. Также задиры могут быть вызваны неподходящими размерами поршней, неисправными масляными форсунками или дефектами в системе охлаждения.

На днище поршня могут проявиться следы ударов, причиненные, например, чрезмерным выступом какой-либо детали головки блока, как, например, неправильно установленный клапан с избыточным ходом. Другими причинами могут являться масляный нагар, неправильное уплотнение головки и другие.

Недостаточное охлаждение юбки через уплотнительные кольца может привести к растрескиванию ее днища, а дефекты форсунок в дизельных двигателях имеют схожую природу.

Если ось поршня не совпадает с вертикальной осью цилиндра, в первую очередь страдают уплотнительные кольца, которые подвержены чрезмерному износу и вибрациям в области канавок.

Радиальный износ, то есть давление на стенки цилиндров, возникает из-за чрезмерного количества топливно-воздушной смеси в камере сгорания. В итоге двигатель начинает «захлебываться» топливом, что вызывает детонацию. Этот износ может также усиливаться неправильными размерами выступов поршней.

Когда поршень загрязняется своими же продуктами износа, начинают проявляться последствия осевого износа.

Также юбка поршня подвергается износу. Во-первых, это связано с асимметричностью пятна контакта, вызванной деформацией шатуна или возникшим люфтом шатунного подшипника.

Чрезмерная плотность посадки поршней может вызвать угловые задиры, которые не параллельны вертикали цилиндра. Кроме того, любые задиры могут возникнуть из-за недостаточной смазки при запуске двигателя или ошибок при установке шатуна.

Повышенное трение на поверхности юбки поршня наблюдается, когда топливная смесь переработана со значительным избытком топлива и недостаточно сжата, что приводит к превышению температуры в камере сгорания. Это со временем вызывает перегрев юбки и ее термическое расширение, превышающее расчетные значения.

Проблемы с поршнями могут повлечь за собой неисправности и в цилиндрах. Гильзы цилиндров чаще всего выходят из строя из-за кавитации, основной причиной которой становится недостаток охлаждения. Более того, они могут быть неправильно установлены или использовать дефектные уплотнительные кольца во время монтажа.

Однако, если ось поршня не совпадает с вертикальной осью цилиндра, внутренние поверхности цилиндров будут подвергаться неравномерному износу. В результате масла начнет просачиваться в камеру сгорания, и там образуется нагар. Блестящие участки на внутренней поверхности цилиндра — это именно отложения из масла.

При обнаружении любой из вышеописанных проблем откладывать их устранение нельзя. Заклинивание поршня может произойти в любой момент, и это может привести к необходимости дорогостоящей замены всего мотора.

Какой поршень двигателя выбрать при необходимости замены, по мнению автовладельцев

• Низкобюджетные аналоги.

«Когда я провел капитальный ремонт двигателя 210 тысяч км назад, то установил поршни “Мописан” (изг. – Турция). Днище и юбки покрыты тефлоном. И нет никаких нареканий к работе шатунно-поршневой группы. Кроме того, такие поршни значительно дешевле оригиналов».

• Специалисты понимают ценность.

«Если вы не знакомы с особенностями работы шатунно-поршневой группы, лучше не разбирать двигатель и не пытаться что-либо в нем ремонтировать. Но для тех, кто разбирается в ремонте двигателей, отмечу, что в мире существует три основных производителя поршневых групп: MAHLE, KOLBENSCHMIDT, NURAL. Также часто упоминают Mopisan и YENMAK. Если вы хотите избежать проблем с браком, выбирайте детали только от этих производителей».

• Поршни – это дело вкуса.

«На рынке присутствуют как известные производители, такие как MAHLE, KOLBENSCHMIDT, NURAL, Mopisan, YENMAK и многие другие, так и изделия, изготовленные на менее известных заводах, иногда даже кустарным способом. Между тем, детали от таких производителей могут оказаться более надежными и долговечными по сравнению с брендовой продукцией. Это объясняется тем, что главное – это квалификация и опыт мастеров, а не только бренд на упаковке».

Ни в коем случае не следует продолжать использование автомобиля, если поршни двигателя начинают демонстрировать признаки неисправностей. Задержка с ремонтом может привести не просто к затратам на серьезный ремонт, но и к необходимости полной замены двигателя или даже всего автомобиля. Обращайте пристальное внимание на состояние вашего автомобиля, используя только качественные масла и топливо – это значительно увеличит срок службы вашего мотора.

Вопросы по теме

Как поршень влияет на эффективность работы двигателя?

Поршень является ключевым элементом в процессе сгорания топлива и преобразования энергии в механическую работу. Эффективность поршня напрямую связана с его материалом, размерами и конфигурацией. Например, легкие и прочные материалы, такие как алюминий, позволяют уменьшить инерцию и повысить скорость работы, а оптимальная форма поршня способствует более полному сгоранию топлива и снижению выбросов. То есть, правильный выбор материалов и конструкции поршня может значительно повлиять на мощность, экономичность и экологичность работы двигателя.

Почему поршни в двигателях различаются по числу колец?

Количество колец на поршне определяет его функциональность и эффективность. В стандартных двигателях можно встретить от одного до трех колец. Поршневые кольца помогают создать герметичность в камере сгорания, уменьшая утечки газов и обеспечивая повышение давления. Более сложные конструкции с большим числом колец позволяют лучше контролировать смазку и предотвращать износ. Изучение числа и расположения колец дает возможность инженерам оптимизировать производительность двигателя для различных режимов эксплуатации.

Какое влияние оказывает температура на материалы поршней?

Температура играет критически важную роль в работе поршней, так как они подвергаются значительным температурным и механическим нагрузкам. При высоких температурах металлы могут терять прочность, что может привести к деформации поршня и, как следствие, к серьезным повреждениям двигателя. Специальные сплавы, такие как высоколегированные стали или алюминий с добавлением магния, разрабатываются для обеспечения прочности при высоких температурах. Также используются специальные покрытия для уменьшения трения и повышения термостойкости, что способствует продлению срока службы двигателя.