что значит поршень без охлаждающего канала

Поршень двигателя: конструкция, функции, причины износа и способы его предотвращения

Смотрите также

Поршень двигателя – один из основных составных элементов цилиндро-поршневой группы. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, а затем передает его на шатун.

Экстремальные условия эксплуатации поршней – высокие давления, инерционные нагрузки и температуры – требуют использования для их изготовления материалов с особыми параметрами:

Такими свойствами обладают специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся легкостью и термостойкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.

Поршни могут быть литыми или коваными. Первые производятся путем литья под давлением, вторые – методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (около 15 %). Это значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения материала в диапазоне рабочих температур.

Устройство поршня

Стандартный поршень автомобильного двигателя состоит из трех основных частей: днища, поршневых колец и направляющей (юбки).

Рассмотрим каждый компонент подробнее.

Днище поршня

Форма днища зависит от типа двигателя, особенностей камеры сгорания и многих других факторов. Поршень может иметь плоское, вогнутое или выпуклое днище.

Детали с плоским днищем наиболее просты в производстве, используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Поршни с вогнутым днищем свойственны для дизельных двигателей. Они обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако способствуют большему образованию отложений при сгорании топлива.

Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет самую большую, по сравнению с другими деталями, толщину: 7-9 мм в обычных бензиновых двигателях, 11 мм – в турбомоторах, 10-16 мм – в дизельных двигателях.

Существуют также автомобили, в которых установлены поршни с толщиной днища меньше стандартной – например, в некоторых моделях Honda она составляет всего 5,5-6 мм.

Днища некоторых поршней в целях увеличения прочности, снижения вероятности перегрева и прогорания подвергаются твердому анодированию: на верхний слой алюминия накладывается керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

К уплотняющей части поршня относятся поршневые кольца, установленные в специальных канавках. В большинстве современных двигателей используется три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Маслосъемные кольца, как следует из названия, предназначены для удаления излишков масла со стенок цилиндра и предотвращения их попадания в камеру сгорания. Для этих целей служат сквозные отверстия, расположенные по периметру кольца.

Сквозь них масло поступает внутрь поршня, а затем отводится в поддон картера двигателя.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов из камеры сгорания в картер. По форме они могут быть трапециевидными, коническими или бочкообразными. Некоторые виды колец оснащены пружинным расширителем.

Наибольшие нагрузки воспринимает первое (верхнее) компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса данной детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Диаметр уплотняющей части поршня меньше диаметра его направляющей части. Это связано с неодинаковым нагревом этих зон – в районе колец он больше. Минимальный диаметр жарового пояса позволяет избежать задиров и заклинивания колец в канавках.

Качество колец имеет огромное значение для уплотнения поршня. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше ошибок.

Направляющая часть

Направляющая (тронковую) часть поршня называют юбкой. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец.

Нижняя кромка юбки предназначена для расточки и подгонки поршня. На ней имеется специальный буртик, с внутренней стороны которого в процессе механической обработки снимается часть металла.

В местах отверстий под поршневой палец с наружной части юбки вырезаются специальные углубления, вследствие чего стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые «холодильники».

Стенки юбки предназначены для восприятия бокового давления. Естественно, что трение поршня о стенки цилиндра и нагрев обеих деталей при этом увеличивается.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, между юбкой и стенками гильзы предусмотрен зазор. Его величина зависит от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. При слишком маленьком зазоре возникает перегрев, грозящий образованием задиров на поверхностях и заклиниванием поршня в цилиндре. Большой зазор также не рекомендован, так как поршень при этом не выполняет своих уплотняющих свойств.

Многие автопроизводители еще на этапе производства поршней наносят на юбки специальные антифрикционные покрытия. Это позволяет защитить их поверхности от преждевременного износа и облегчить приработку.

Данное покрытие эффективно снижает износ и трение, предотвращает скачкообразное движение сопряженных поверхностей, появление на них задиров и заклинивание поршня в цилиндре.

Средство устойчиво к длительному воздействию моторного масла, сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия MODENGY Для деталей ДВС возможна как при комнатной температуре (за 12 часов), так и при нагреве до +200 °С (за 20 минут).

Удобная аэрозольная упаковка с тщательно настроенными параметрами распыления упрощает процесс нанесения состава.

Перед использованием покрытия производитель рекомендует провести предварительную подготовку деталей Специальным очистителем-активатором MODENGY. Это гарантирует отличную адгезию материала и его долговременную работу.

MODENGY Для деталей ДВС и Специальный очиститель-активатор MODENGY доступны в одном наборе. Поэтапное использование этих средств не требует особых навыков и дополнительного оборудования.

Причины износа поршней

При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы двигателя, подвержены износу и возникновению неисправностей.

О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:

При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.

Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.

Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.

К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.

Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.

Радиальный износ поршней возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступов поршней.

Осевой износ происходит в результате загрязнения поршней продуктами износа, образующимися во время приработки двигателя.

Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры, расположенные под углом, образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т.д.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением некачественной охлаждающей жидкости, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.

Возникновение вышеописанных проблем, особенно в комплексе, требует серьезного внимания и безотлагательных действий. Промедление в таких случаях грозит дорогостоящим ремонтом или полной заменой двигателя.

Присоединяйтесь

© 2004 – 2021 ООО «АТФ». Все авторские права защищены. ООО «АТФ» является зарегистрированной торговой маркой.

Источник

Стальной поршень против алюминиевого. Кто победит?

Современные дизельные двигатели должны обладать не только более высокими мощностными показателями при минимальной массе и малом удельном расходе топлива, а и значительно сокращать вредные выбросы. Важным фактором при решении этой проблемы является выбор материала поршня, который может быть изготовлен из алюминиевого сплава или из стали.

Удельная мощность современных дизельных двигателей составляет 100 кВт / л. и будет продолжать возрастать, а значит будет расти и максимальное давление в цилиндрах, что также увеличивает нагрузку на поршни.

Поршни работают в «адских» условиях, поскольку во время работы подвергаются высоким термическим и механическим нагрузкам. Обычно срок службы поршня дизеля определяется краем камеры сгорания, на который приходится особенно высокое пиковое давление и температура. В зависимости от материала эта область может разогреваться до температуры от 400 °C до 500 °C.

Алюминий хорошо обрабатывается, замечательно отводит тепло, но имеет ограничения по теплостойкости. Уже при температуре 300 °C его свойства значительно ухудшаются.

Благодаря новым каналам охлаждения температура поршня может быть снижена примерно на 35 °C. Другие меры, как, например, армирование волокнами алюминиевого поршня, повышают его прочность при хорошей теплопроводности без снижения прочности. Но имеется предел, который сложно преодолеть.

Поскольку стальной поршень значительно прочнее, чем в алюминиевый, то и расстояние между кольцами, а также общая высота уплотняющей части у него меньше. А поскольку стальные поршни имеют меньшую высоту, то и вес двигателя может быть уменьшен на десятки килограммов.

Первоначально стальные поршни были разработаны для того, чтобы можно было поднять предельное пиковое давление в цилиндрах выше 200 бар для высоконагруженных дизельных двигателей без ущерба для ресурса поршневой группы. У современных коммерческих автомобилей пиковое давление в цилиндрах двигателя достигает 240 бар и тенденция к его повышению сохраняется

Испытания на стенде для определения силы трения показали, что стальной поршень может обеспечить экономию топлива от трех до пяти процентов и сокращение выбросов CO₂ на три процента. Кроме того, стальные поршни имеют тенденцию расширяться и сжиматься при нагреве со скоростью, очень близкой к скорости чугунного блока, в котором они работают, поэтому характеристики кольцевого уплотнения и выбросов также улучшаются.

Благодаря прочности стали поршень может обеспечить более высокую выходную мощность при повышенных пиковых давлениях в цилиндрах, а выбросы могут быть уменьшены. Все эти преимущества реализованы для двигателей с малой и средней удельной мощностью.

Ситуация несколько иная для двигателей с большей удельной мощностью. В этих случаях стальные поршни не являются идеальным решением.

Кроме того, более низкая теплопроводность стали может привести к проблемам с охлаждением поршня. В отличие от алюминия, у стального поршня тепло хуже отводится от днища. Это может привести к высокой температуре поверхности в охлаждающем канале. Если эти температуры превышают пороговое значение около 350 °C, охлаждающее масло будет быстро стареть и сгорать, в результате чего образуется изолирующий масляный нагар.

Частично проблемы по улучшению охлаждения можно решить изменением формы камеры сгорания в поршне либо применив две форсунки для охлаждающего масла.

Но все-таки для высоких удельных мощностей необходимо будет найти совершенно новые решения, которые не допустят крекинга смазывающих жидкостей.

Источник

Фото 1/23 / Анатомия поршня

Если вы – такой же, как и мы, то у вас не уходит слишком много времени на размышления, какие именно поршни установлены на вашем двигателе. Чаще всего необходимость в этом отсутствует, но однажды поршень сгорает, изнашивается или просто ломается и тогда его необходимо заменить или внести в его конструкцию изменения. Если вы не занимаетесь модификацией двигателя, скорее всего ваш выбор падет на стандартный комплект кованых алюминиевых поршней. Но какой сплав лучше всего выбрать? И будете ли вы покупать поршни, разработанные в соответствии с новейшими технологиями? В этой статье мы расскажем о некоторых факторах, которые помогут вам выбрать поршень именно для вашего двигателя.

Сравнительный анализ алюминиевого поршня 2618 и 4032:

Не важно, какой тип или марку поршня вы решите использовать, все они выполняются из алюминиево-кремниевого сплава. Почти все кованые поршни вторичного рынка выполнены из алюминиевого сплава 4032 или 2618, где кремний применяется в том количестве, который определяет общий уровень прочности и сопротивления износу.

Алюминиевый сплав 2618

Алюминиевый сплав 2618 имеет более высокую степень прочности и, в конечном счете, слегка уступает сплаву 4032. Поршень из сплава 2618 является идеальным выбором для двигателей с наддувом, которые отличаются более высокой температурой эксплуатации и/или предназначены для гоночных автомобилей. По сравнению с моделью 4032, этот поршень из низко-кремнистого сплава требует более широкого зазора между юбкой поршня и цилиндром из-за более высокого коэффициента теплового расширения, в результате которого при нагревании поршень увеличивается в диаметре.

Алюминиевый сплав 4032 предназначен для работы в условиях высоких нагрузок, когда в первую очередь требуется прочность и низкий уровень шума. Поршень, выполненный из сплава 4032, требует меньшего зазора между юбкой поршня и цилиндром за счет высокого уровня содержания кремния в составе и является идеальным решением для автомобилей, предназначенных для повседневной эксплуатации.

Отверстия для сброса давления

Фото 4/23 / Боковые отверстия для сброса давления

Фото 5/23 / Вертикальные отверстия для сброса давления

Фото 6/23 / Анатомия поршня

На рисунке ниже «Анализ конечного элемента» показана нагрузка, оказываемая на палец под давлением (рабочий ход двигателя) слева и инерционная нагрузка справа (после ВМТ на такте всасывания, где палец резко опускается вниз). Прогиб преувеличен, но наглядно показывает силу нагрузки на поршневой палец. Если применяется поршневой палец со слишком тонкими стенками, то в конечном итоге он деформируется. Если используется не правильный материал, поршневой палец не будет работать в условиях высокой и длительной нагрузки и просто выйдет из строя. Поэтому настолько важно подбирать правильную толщину стенок поршневого пальца во избежание чрезмерных прогибов, которые оказывают прямое влияние на правильную работу самого поршня.

Фото 7-8/23 / Анатомия поршня

Базовые параметры выбора правильной толщины стенки поршневого пальца:

стенка поршневого пальца 0,150 дюймов

Фото 9/23 / Анатомия поршня

стенка поршневого пальца 0,180 дюймов

Смазка поршневого пальца

Фото 10/23 / Анатомия поршня

Важно помнить, что между стенками поршневого пальца и внутренней части поршня остается тонкая масляная пленка. Существует несколько способов распределения масла по поверхности поршневого пальца. Первым способом производители называют смазку под нагрузкой, когда масло подается через одно или два специальных небольших отверстия для его обратного стока под давлением. Под вторым способом смазки подразумевается использование «протяжки» или небольших закругленных бороздок, которые идут параллельно относительно поверхности поршневого пальца. Эти небольшие углубления позволяют маслу идти обратным потоком от коленвала до поршневых пальцев с их внутренней стороны. Смазка поршневых пальцев под нагрузкой применяется чаще всего.

Проверка поршневых пальцев

Поскольку поршневые пальцы – это чаще всего подшипники, важным моментом является тщательная обработка поверхности их внутренней поверхности (внутренний диаметр) во избежание износа и выхода из строя. Именно эта зона чаще всего проходит проверку. И именно с внутренней стороны поршневые пальцы чаще всего деформируются в результате высокой нагрузки, поэтому мягкая обработка методом шлифования этой части поверхности является критичной.

Даже если результаты проверки показывают отсутствие деформации внутренних отверстий поршневых пальцев, износ все равно присутствует. Проверка внутренней поверхности пальцев на деформацию – это относительно простая процедура: необходимо поместить соответствующую вставку внутри поршневого пальца и посмотреть, насколько легко она будет вращаться. Затем следует соединить ее и со вторым поршневым пальцем и посмотреть, насколько легко выполняется ее поворот. Иногда вставка как бы застревает на втором поршневом пальце. Кроме того, если вставка «протягивается» с усилием, то это признак имеющейся деформации поверхности внутри поршневого пальца. В этом случае требуется его замена или обработка внутренней поверхности методом легкого шлифования.

Разгрузка клапана осуществляется за счет канавок, расположенных на кромке днища поршня, поскольку они обеспечивают зазор, необходимый для работы впускного и выпускного клапана. Диаметр этих канавок, их расположение и глубина зависят от целей применения двигателя. Двигатели, оснащенные большеразмерными клапанами и гоночными коленвалами, могут потребовать установку поршня с канавками для разгрузки клапанов большего диаметра и глубины в целях обеспечения необходимого зазора. К счастью, на рынке продаж существует большое количество производителей, занимающихся разработками поршней, используемых для различных доработок.

Масляные форсунки / Разбрызгиватели

Масляные форсунки используются на многих современных двигателях с высокими эксплуатационными характеристиками, например: 4B11, 2JZGTE, SR20DET, 4G63 и т.д.. На двигателях для Формулы 1 установлено до шести форсунок на один цилиндр. Хотя форсунки не являются составной частью поршня, они играют важнейшую роль в обеспечении охлаждения и смазки поршня. Если сплав поршня не предназначен для работы в режиме тяжелых нагрузок, то он становится мягче и теряет прочность при высоких температурах. Это явление называется «нормализация» и может значительно снизить прочность поршня, что приводит к его выходу из строя. Масляные форсунки разбрызгивают хладагент на поршень, что снижает его общую температуру в ходе эксплуатации.

Кольцо является своеобразным «пояском» вокруг поршня. Толщина зависит от назначения поршня. Чем выше нагрузка, тем больше толщина, что обеспечивает необходимую прочность. Верхняя часть колец на поршне для двигателя с турбонаддувом Subaru EJ257 (справа) толще. Данный поршень предназначен для работы в режиме нагрузки 300 лс на цилиндр. Если его сравнить с поршнем, предназначенным для двигателя без наддува слева, то там толщина колец будет меньше, поскольку режим нагрузки составляет 65 лс на цилиндр. Но это совсем не значит, что чем выше толщина колец, тем прочнее поршень. При слишком высоком значении толщины (более 0,300 дюймов) двигатель рискует потерять свою производительность и мощность. Чем выше расположено такое кольцо на поршне, тем эффективнее и мощнее работа двигателя в режиме стандартных нагрузок. Но такое же высокое расположение колец на поршне для двигателя с турбонаддувом ведет к мгновенному выходу поршня из строя. Таким образом, поршень для двигателя с турбонаддувом нуждается в дополнительном усилении за счет высокой толщины своего днища.

Зазор разреза поршневого кольца

Разрез на поршневом кольце обеспечивает необходимый зазор в случае увеличения размера при нагревании. Поскольку каждый двигатель индивидуален, правильный зазор зависит от целей применения. Различные значения, такие как выпускная мощность, внутренний диаметр, материал и т.д., могут влиять на изменения размера зазора. Если размер зазора не достаточный, концы кольца соединяются, что ведет к их выходу из строя, а также может стать причиной поломки двигателя. Если зазор слишком велик, поршневое кольцо не сможет эффективно контролировать прорыв газов в камере сгорания двигателя, что ведет к потере мощности. Не стоит забывать, что лучше ошибиться с зазором в большую сторону, чем в меньшую. Некоторые выполняют разрез на кольце вручную при наличии напильника и желания. Тем не менее, лучше всего использовать специальное шлифовальное колесо, которое поможет равномерно снять излишки материала с кольца. Ниже приводятся рекомендации по выбору размера зазора на поршневом кольце:

Зазор между юбкой поршня и цилиндром

Зазор между юбкой поршня и цилиндром, как и зазор разреза поршневого кольца, зависит от окружающих условий, в которых будет применяться поршень. Двигатели, на которых создается более высокое давление, обычно передают большее количества тепла к поршню и поэтому необходим больший зазор между стенкой цилиндра и юбкой поршня. Двигатели без наддува работают при значительно меньшем давлении цилиндров, и поэтому величина зазора является минимальной. Еще одним фактором, влияющим на зазор, является фактическая конструкция самого поршня. Стенки цилиндра расширяются больше в зонах установки алюминиевых частей. Этот фактор обычно учитывается производителями поршня.

Покрытие поверхности поршня

Поверхность поршня может покрываться тремя различными способами: сухой смазочный материал, теплоизолирующие прослойки и масляные покрытия. Все типы покрытий удобны в применении, поскольку они обеспечивают защиту от повреждений в результате передачи тепла. За счет удержания тепла благодаря покрытию поршня снижается интенсивность нагрева топлива, что ведет к снижению риска воспламенения или взрыва. Кроме того, такие покрытия способствуют более равномерному распределению тепла по поверхности, за счет чего уровень тепловых пятен снижается, либо тепло равномерно отражается на камеру сгорания, что повышает эффективность сгорания топлива и снижает тепловое расширение за счет поглощения тепла. Многие производители предлагают различные типы покрытий, включая покрытие для поршня JE Subaru WRX FSR (теплоизолирующая прослойка наносится на днище и юбку поршня).

Фото 19/23 / Анатомия поршня

Ассиметричная и круглая форма поршня

«JE Pistons» недавно выпустила ассиметричные кованые поршни, на которых использовались две поршневые юбки различных размеров, благодаря чему поршень имеет ассиметричную геометрию конструкции. Такой поршень применяется на различных двигателях для гоночных автомобилей, принимающих участие в Формуле 1, ALMS и NASCAR. Секрет создания этих поршней не раскрывался вплоть до 2010 г., когда компания впервые открыто выпустила свой ассиметричный кованый поршень на вторичный рыное продаж.
Оба типа поршня (как ассиметричный, так и с правильной стандартной «круглой» геометрией) теперь находятся в свободной продаже и применяются на двигателях различного назначения. В целом, оба поршня выполняют свою функцию компактного устройства при условии грамотного производства. Тем не менее, асимметричная геометрия имеет значительное преимущество перед стандартной конструкцией, включая уменьшенную ширину юбки поршня на опоре минимально возможного размера, что способствует снижению контакта поршня со стенкой цилиндра, а т.е. помогает избежать потери мощности за счет трения. Благодаря небольшой длине поршневого пальца снижается длина всей конструкции поршня, как и его общий вес, в результате трех перечисленных выше преимуществ. При сравнении традиционного поршня круглой формы Mitsubishi 4G63 и ассиметричного (оба поршня взвешивались вместе с поршневыми пальцами) выяснилось, что разница составила 15 грамм на поршень, что является значительным достижением в мире технологических новинок.

На сегодняшний день поршень с ассиметричной геометрией успешно используется на различных автомобилях, начиная со стандартных и заканчивая скоростными EVO X (800 whp) AMS Performance и драгстарами Titan Motorsport мощностью 2000 и более лс.

Источник