цилиндры в машине что это

Цилиндры и блок-картеры автомобильных двигателей

Цилиндр представляет собой одну из главных деталей порш­невого двигателя. Внутренняя полость цилиндра составляет осно­ву рабочей полости, в которой осуществляются все тепловые про­цессы, связанные с преобразованием тепловой энергии топлива в механическую работу.

Стенки внутренней полости цилиндра служат также направляю­щими для поршня при его перемещениях между крайними поло­жениями. Поэтому длина образующих цилиндра предопределяется величиной хода поршня.

Цилиндр работает в условиях переменных давлений в надпорш-невой полости. Внутренние стенки его соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500—2500°С. К тому же средняя скорость скольжения поршневого комплекта по стенкам цилиндра в автомобильных двигателях достигает 12— 15 м/сек при недостаточной смазке. Поэтому материал, употребляе­мый для изготовления цилиндров, должен обладать большой меха­нической прочностью, а сама конструкция стенок повышенной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов износа (абразивного, коррозионного и некоторых разновидностей эрозии), уменьшающих срок службы цилиндров (Износ цилиндров автомобильных двигателей является следствием комплексного воздействия на стенки многочисленных физических и химиче­ских быстротекущих процессов, которые по характеру проявления разделяют­ся на три основных вида износа: эрозивный, возникающий вследствие меха­нического истирания, схватывания и других разрушающих процессов при непосредственном контакте металлических трущихся поверхностей; корро­зионный, возникающий при всякого рода окислительных процессах на поверх­ностях трения; абразивный, вызывающий разрушение поверхностей трения при наличии между ними твердых или, как говорят, абразивных частичек, в том числе и продуктов износа). Материалы, применяемые для изготовле­ния цилиндров, должны обладать хорошими литейными свой­ствами и легко обрабатываться на станках.

В соответствии с этими требованиями в качестве основного материала для цилиндров применяют перлитный серый чугун с не­большими добавками легирующих элементов (никель, хром и др.). Применяют также высоколегированный чугун, сталь и алюминие­вые сплавы.

Цилиндры из алюминиевых сплавов с внутренней стороны покрывают слоем пористого хрома толщиной 0,1—0,15 мм. Слой пористого хрома, имеющий канальчатую поверхность, хорошо удерживает смазку и обладает повышенной износостойкостью. Такой метод изготовления легких износостойких цилиндров используется иногда для мотоциклетных и автомобильных двигателей малого литража.

При использовании более дорогих материалов цилиндры чаще всего делают комбинированными, т. е. состоящими из двух метал­лов. Для внутренних стенок, образующих рабочую поверхность цилиндра, в этих случаях применяют наиболее износостойкие мате­риалы. Например, сталь или высоколегированный аустенитный чугун, содержащий 14—15% никеля, 6—7% меди и 2—4% хрома. Аустенитный никельмедистохромистый чугун-нирезист отличается от перлитного чугуна высокой коррозионной стойкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию при ограниченной смазке и другими положительными свойствами.

Чтобы уменьшить потери на трение и обеспечить необходимое уплотнение надпоршневой полости, внутренние стенки цилиндров тщательно обрабатывают. По возможности им придают строго цилиндрическую форму, а рабочую поверхность доводят до высо­кой степени чистоты. Внутреннюю поверхность стенок называют зеркалом цилиндра.

Высокая температура газов в надпоршневой полости цилиндра и сравнительно большое количество тепла, выделяющегося при трении поршня и поршневых колец о зеркало цилиндра, вызывают интенсивный нагрев стенок, вследствие чего возникает необходи­мость в постоянном отводе от них тепла. Практически это достигает­ся непрерывным охлаждением стенок цилиндров жидкостью или воздухом. Даже кратковременное прекращение такого охлаждения связано с аварией цилиндра и выходом из строя двигателя. Быстро наступающий перегрев неохлаждаемых стенок приводит к «схваты­ванию» трущихся поверхностей или к заклиниванию поршня в ци­линдре, возможному обрыву шатуна и другим большим разруши­тельным последствиям.

Температура стенок цилиндров на прогретом двигателе под­держивается в пределах 100—150°С. Более высокую температуру имеют при этом стенки верхней зоны цилиндров, омываемые наибо­лее горячими газами. В двигателях с воздушным охлаждением отдельные участки верхней зоны цилиндров нагреваются до 170— 180°С, а средняя температура их стенок всегда бывает выше, чем при жидкостном охлаждении.

Повышенный нагрев стенок приводит к излишнему подогреву поступающего в цилиндры свежего заряда и уменьшению его весо­вого содержания. Двигатели развивают при этом заметно меньшую мощность. Однако нельзя и переохлаждать цилиндры. При темпера­туре ниже 100°С на стенках возможна конденсация паров воды. А так как в продуктах сгорания наряду с парами воды и другими химическими соединениями содержится некоторое количество сер­нистого газа, то создаются благоприятные условия для образования серной кислоты, коррозирующей стенки цилиндров, вследствие чего износ их резко возрастает.

В зависимости от способа охлаждения конструкция цилиндров и всего двигателя приобретает свои характерные особенности.

Цилиндры двигателей воздушного охлаждения отливают инди­видуально, а для увеличения теплоотвода наружная поверхность их оребряется (рисунок). Следовательно, при воздушном охлаждении цилиндр, строго говоря, состоит из двух конструктивных элементов: гильзы или, как ее называют иногда, втулки и оребрения. Размер ребер и межреберных промежутков выбирают из условий, чтобы оребрение оказывало возможно меньшее сопротивление потоку охлаждающего воздуха и в то же время было достаточно развитым и обеспечивало нужную интенсивность теплоотвода. В существую­щих конструкциях площадь поверхности оребрения цилиндра примерно в 10 раз превышает площадь его зеркала в зоне оребрения.

Оребряемой поверхности гильзы, придают цилиндрическую или коническо-цилиндрическую форму. Чаще применяются гильзы с цилиндрической средней частью и с конической формой ее периферийных зон. Это способст­вует выравниванию температуры как по окружности, так и по высоте цилиндра, в частности уменьшает перепад температур в зоне пере­хода от оребренной части цилиндра к неоребренной. Утолщение стенок гильзы в верхней и нижней ее зонах повышает также общую жесткость цилиндра, а уменьшение толщины стенок гильзы в сред­ней части увеличивает сечение воздушных каналов, что способ­ствует лучшему теплоотводу.

Многоцилиндровые двигатели с воздушным охлаждением снаб­жают общим для всех цилиндров картером. Примером здесь может служить двигатель автомобиля «Запорожец».

Цилиндры двигателей с жидкостным охлаждением в отличие от рассмотренных оребрениых изготовляют с двойными стенками, что значительно усложняет их конструкцию. Внутренние стенки образуют у них гильзу цилиндра, а внешние более тон­кие— его рубашку. Стенки рубашки охватывают гильзовую часть цилиндра так, что между ними образуется полость, используе­мая для циркуляции охлаждающей жидкости.

Из соображений облегчения ремонта и увеличения срока службы цилиндров с жидкостным охлаждением их в большинстве случаев изготовляют комбинированными, с короткими вставками или со вегавками па всю длину зеркала цилиндра и с легкосъемными гиль­зами.

Источник

Цилиндр (двигатель)

Из Википедии — свободной энциклопедии

Цили́ндр поршневого двигателя внутреннего сгорания представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения.

Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно выполняются отдельно:

Пространство между ними называется зарубашечным, в двигателе с водяным охлаждением тут циркулирует охлаждающая жидкость.

В подавляющем большинстве случаев рубашки цилиндров выполняются в виде одной отливки для всего ряда цилиндров и называются блоком цилиндров. Рубашки и корпус блока цилиндров изготавливают обычно из того же материала, что и станина двигателя. [1] Блоки цилиндров в большинстве случаев не имеют вставных гильз, отливаются целиком. [2]

Внутренняя поверхность втулки или гильзы цилиндра является рабочей и называется зеркало цилиндра. Она подвергается специальной обработке (хонингование, хромирование, азотирование) [3] с высокой точностью и имеет очень высокую чистоту. Иногда на зеркало цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению трения боковой поверхности поршня и колец о зеркало цилиндра. В современных конструкциях поверхность часто подвергают отбеливающему переплаву лазером с образованием слоя белого чугуна высокой твёрдости. Высокий ресурс [4] таких цилиндров не требует ремонтных размеров. [5]

Гильзы отливают [6] из чугуна высокой прочности или специальных сталей. Существует варианты гальванического покрытия хромом или никосилом алюминиевого цилиндра (объединённого конструктивно с головкой) на двигателях небольшой размерности. [7]

Источник

Цилиндр (двигатель)

Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно выполняются отдельно:

* внутренняя — рабочая втулка или гильза цилиндра

наружная — рубашка (у двигателей воздушного охлаждения рубашка имеет рёбра для эффективного отвода тепла)Пространство между ними называется зарубашечным, в двигателе с водяным охлаждением тут циркулирует охлаждающая жидкость.

В подавляющем большинстве случаев рубашки цилиндров выполняются в виде одной отливки для всего ряда цилиндров и называются блоком цилиндров. Рубашки и корпус блока цилиндров изготавливают обычно из того же материала, что и станина двигателя. Блоки цилиндров в большинстве случаев не имеют вставных гильз, отливаются целиком.Внутренняя поверхность втулки или гильзы цилиндра является рабочей и называется зеркало цилиндра. Она подвергается специальной обработке (хонингование, хромирование, азотирование) с высокой точностью и имеет очень высокую чистоту. Иногда на зеркало цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению трения боковой поверхности поршня и колец о зеркало цилиндра. В современных конструкциях поверхность часто подвергают отбеливающему переплаву лазером с образованием слоя белого чугуна высокой твёрдости. Высокий ресурс таких цилиндров не требует ремонтных размеров.Гильзы отливают из чугуна высокой прочности или специальных сталей. Существует варианты гальванического покрытия хромом или никосилом алюминиевого цилиндра (объединённого конструктивно с головкой) на двигателях небольшой размерности.Цилиндры двухтактных двигателей отличаются по конструкции от цилиндров 4-х тактных двигателей наличием выпускных и продувочных окон. Кроме того, у цилиндров двухтактных двигателей двойного действия имеется в наличии нижняя крышка для образования рабочей полости под поршнем.

Источник

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Цилиндр и поршень являются одними из основных деталей любого двигателя внутреннего сгорания. Нижняя плоскость ГБЦ, днище поршня и стенка цилиндра образуют замкнутую полость, где происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Поршень, который находится в цилиндре, преобразует энергию образовавшихся газов в поступательно движение, тем самым приводя в движение коленчатый вал.

Цилиндр и поршень прирабатываются в ходе эксплуатации автомобиля, обеспечивая эффективность и наилучшие режимы работы двигателя.

В данной статье мы подробно рассмотрим пару «цилиндр-поршень»: конструкцию, функции, условия их работы, а также проблемы, которые могут возникнуть при эксплуатации ЦПГ.

Что такое цилиндр и поршень?

Современные двигатели могут иметь от 2 до 16 цилиндров, которые объединены в блок цилиндров. От количества цилиндров зависит мощность ДВС.

Внутренняя часть цилиндра является его рабочей поверхностью и называется гильзой, а внешняя, которая составляет единое целое с корпусом блока – рубашкой. По каналам рубашки циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение поршень. Он передает энергию давления газов на шатун коленвала, герметизирует камеру сгорания и отводит из нее тепло. Состоит поршень из днища (головки), уплотняющих колец и направляющей части (юбки).

Поршни для бензиновых двигателей имеют плоское днище. Они меньше нагреваются при работе и проще в изготовлении. Они могут обладать специальными канавками, которые способствуют полному открытию клапанов. В дизельных двигателях поршни имеют специальную выемку заданной формы на дне. Она служит для того, чтобы воздух, поступающий в цилиндр, лучше смешивался с топливом.

Плотность соединения поршня и цилиндра обеспечивают поршневые кольца. Их расположение и количество зависит от типа и назначения двигателя. Наиболее часто встречающееся исполнение – одно маслосъемное и два компрессионных кольца.

Компрессионные кольца предотвращают попадание газов в картер двигателя из камеры сгорания и отводят тепло к стенкам цилиндра от головки поршня. По форме они бывают коническими, бочкообразными и трапециевидными.

Верхнее компрессионное кольцо изнашивается быстрее других, поэтому его наружная поверхность подвергается напылению молибдена или пористому хромированию. Благодаря такой подготовке первое кольцо становится более износостойким и лучше удерживает моторное масло. Другие уплотняющие кольца покрываются слоем олова для улучшения приработки к цилиндрам.

Маслосъемное кольцо служит для удаления излишков масла со стенок цилиндра, тем самым предотвращая их попадание в камеру сгорания. Через специальные отверстия в стенках поршня масло попадает внутрь последнего, а затем направляется в картер.

Направляющая часть (юбка) поршня может быть конусообразной или бочкообразной. Такая конструкция позволяет компенсировать расширение при воздействии высоких температур. На юбке находится отверстие с двумя бобышками, где крепится поршневой палец трубчатой формы, соединяющий поршень с шатуном.

Палец поршня может устанавливаться следующим образом:

Свободный ход в бобышках поршня и головке шатуна (плавающие пальцы)

Вращение в бобышках поршня и фиксация в головке шатуна

Вращение в головке шатуна и фиксация в бобышках поршня

Шатун соединяет поршень с коленвалом. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, а нижняя вращается совместно с шатунной шейкой коленчатого вала, стержень совершает сложное колебательное движение. При работе шатун подвергается растяжению, изгибу и сжатию, поэтому его производят жестким и прочным, а, чтобы уменьшить инерционные силы – легким.

Из чего изготавливают цилиндры и поршни?

Материалы, используемые при производстве деталей ЦПГ, должны обладать высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью, малой плотностью, незначительным коэффициентом линейного расширения, антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

Цилиндры изготавливают из чугуна или стали с различными присадками. Это нужно для того, чтобы детали могли выдержать высокие нагрузки. Сегодня блоки цилиндров чаще всего производят из алюминия, а внутренние части цилиндров – из стали, благодаря чему вес конструкции снижается.

Поршни внутри цилиндра двигаются с высокой скоростью и подвержены воздействию высоких давлений и температур. Изначально для производства этих деталей использовался чугун, но с развитием технологий основным материалом для поршней стал алюминий. Это позволило обеспечить меньшую нагрузку на поршни, лучшую теплоотдачу и рост мощности ДВС.

На современных автомобилях, особенно с дизельными двигателями, используются сборные стальные поршни. Они весят меньше алюминиевых, а за счет меньшей компрессионной высоты позволяют использовать шатуны большей длины, тем самым снижая боковые нагрузки в паре «цилиндр-поршень».

Для производства поршневых колец используется высокопрочный серый чугун с добавлением хрома, молибдена, никеля или вольфрама. Эти материалы улучшают приработку элементов и обеспечивают их высокую износо- и термостойкость.

Некоторые производители автокомпонентов для снижения потерь на трение покрывают боковую поверхность поршней специальными материалами на основе графита или дисульфида молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается и ему требуется восстановление.

Одним из самых эффективных средств для восстановления антифрикционного слоя или нанесения материала на новые поршни является покрытие поршней MODENGY для деталей ДВС. Состав на основе высокоочищенного дисульфида молибдена и графита имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимальными параметрами распыления.

Материал равномерно наносится на юбки поршней, не требует высоких температур для полимеризации и создает на поверхности сухую смазочную пленку, которая в течение длительного времени снижает износ и препятствует образованию задиров.

Для подготовки поверхностей перед нанесением покрытия рекомендуется провести их обработку Специальным очистителем-активатором MODENGY. Он убирает все загрязнения с деталей и обеспечивает прочное сцепление покрытия с основанием.

Охлаждение ЦПГ

При работе двигателя выделяется огромное количество тепла. Например, температура сгоревших газов может достигать +2000 °C. Именно поэтому цилиндро-поршневая группа нуждается в эффективном охлаждении.

В современных двигателях система охлаждения может быть жидкостной или воздушной. В первом случае цилиндры ДВС покрыты снаружи большим количеством специальных ребер, которые охлаждаются искусственно созданным или встречным потоком воздуха.

Жидкостное охлаждение подразумевает охлаждение цилиндров при помощи охлаждающей жидкости, которая циркулирует в толще блока снаружи цилиндров. Нагретые элементы отдают часть тепла ОЖ, которая затем попадает в радиатор, охлаждается и заново поступает к цилиндрам.

Система смазки цилиндров

Если внутри цилиндра отсутствует смазочный материал, поршень будет заклинивать, что со временем приведет к поломке двигателя. Для удержания моторного масла на внутренних поверхностях цилиндров на них наносят микросетку при помощи хонингования.

Благодаря этому на стенках всегда находится некоторое количество масла, что снижает трение между поршнем и цилиндром, а также способствует отведению излишков тепла внутри ЦПГ.

Неисправности при эксплуатации

Даже, если эксплуатация автомобиля была правильной и все жидкости менялись вовремя, со временем все равно могут возникнуть проблемы с цилиндро-поршневой группой. Их основная причина заключается в сложных условиях работы ЦПГ.

Высокие нагрузки и температуры приводят к:

Деформации посадочных мест под гильзу

Разрушению, залеганию, закоксовыванию колец

Задирам на юбках поршней из-за сужения зазора между поршнем и цилиндром

Возникновению пробоин, трещин, сколов на рабочих поверхностях цилиндров

Оплавлению или прогару днища поршней

Различным деформациям на теле поршней

Эти и другие неисправности ЦПГ неизбежно возникают при перегреве ДВС, который может быть вызван неисправностью термостата, помпы или разгерметизацией системы охлаждения, сбоями в работе вентилятора охлаждения радиатора, самого радиатора или его датчика.

Определить проблемы в работе цилиндро-поршневой группы можно отметив увеличение расхода масла, ухудшение запуска двигателя, снижение мощности, возникновение стука и шума при работе ДВС. Подобные моменты не следует игнорировать, так как неисправности в ЦПГ неизбежно приведут к дорогостоящему ремонту.

Точно определить состояние поршней и цилиндров позволяет разборка ЦПГ, а также осмотр других систем автомобиля, например, воздушного фильтра. Помимо этого, в ходе диагностики производится замер компрессии в цилиндрах, берутся пробы масла из картера и т.п.

Ресурс ЦПГ зависит от типа двигателя, его режима эксплуатации, сервисного обслуживания и других параметров. В среднем для отечественных автомобилей он составляет около 200 тыс. км, для иномарок – до 500 тыс. км. Существуют так называемые «двигатели-миллионники», ресурс которых может превышать 1 млн. км пробега.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя включает в себя замену компрессионных и маслосъемных колец, восстановление и расточку цилиндров, установку новых шатунов и поршней.

Износ цилиндров определяется при помощи специального прибора – индикаторного нутрометра. Сколы и трещины на стенках заваривают или заделывают эпоксидными пастами.

Новые поршни подбираются по массе и диаметру к гильзам, а поршневые пальцы – к втулкам верхних головок шатунов и поршням. Шатуны предварительно проверяют на предмет повреждений и при необходимости восстанавливают или заменяют.

Источник

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

В статье подробно рассмотрены ключевые детали автомобильного двигателя – поршень и цилиндр. Уделено внимание их конструкции, функциям, условиям работы, возможным проблемам при эксплуатации и путям их решения.

Цилиндр и поршень – ключевые детали любого двигателя. В замкнутой полости цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Газы, образующиеся при этом, воздействуют на поршень – он начинает двигаться и заставляет вращаться коленчатый вал.

Цилиндр и поршень обеспечивают оптимальный режим работы двигателя в любых условиях эксплуатации автомобиля.

Рассмотрим эту пару подробнее: конструкцию, функции, условия работы, возможные проблемы при эксплуатации элементов ЦПГ и пути их решения.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Цилиндр и поршень являются одними из основных деталей любого двигателя внутреннего сгорания. Нижняя плоскость ГБЦ, днище поршня и стенка цилиндра образуют замкнутую полость, где происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Поршень, который находится в цилиндре, преобразует энергию образовавшихся газов в поступательно движение, тем самым приводя в движение коленчатый вал.

Цилиндр и поршень прирабатываются в ходе эксплуатации автомобиля, обеспечивая эффективность и наилучшие режимы работы двигателя.

В данной статье мы подробно рассмотрим пару «цилиндр-поршень»: конструкцию, функции, условия их работы, а также проблемы, которые могут возникнуть при эксплуатации ЦПГ.

Как устроен ДВС в автомобиле. «Просто и понятно».

Здравствуй, мой многоуважаемый читатель!

Как ты наверное понял, сейчас пойдёт речь об устройстве двигателя в автомобиле, но перед этим я хотел бы сказать, что я запускаю целый цикл статей, который включает в себя разбор всех устройств находящихся в автомобиле. Если интересно, то переходи на мой канал и узнай, как полностью устроен автомобиль.

Итак, начнём с простого. Двигатель внутреннего сгорания или же кратко ДВС

— это самый распространённый тип двигателя, использующийся в автомобилях и не только.

Основные механизмы двигателя,

которые характеризуют его производительность:

•
Цилиндр
– это самая важная часть силового агрегата, в автомобиле их как правило 4 и более.

— генерирует искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Благодаря этому и происходит процесс сгорания топлива. На один цилиндр приходятся по одной свече.

• Клапаны впуска и выпуска

— клапан впуска открывается, когда нужно впустить топливо, а клапан выпуска открывается тогда, когда нужно выпустить отработанные газы.

Оба клапана крепко закрыты, когда в двигателе происходят такты сжатия и сгорания. Это обеспечивает необходимую полную герметичность.

— представляет собой металлическую деталь, которая имеет форму цилиндра. В двигателе выполняет движение вверх-вниз.

•
Поршневые кольца
— служат уплотнителями внешней кромки поршня и внутренней поверхности цилиндра. Также они имеют две цели:

— не дают попадать горючей смеси в картер ДВС из камеры сгорания в моменты сжатия и рабочего такта.

— не дают попасть маслу из картера в камеру сгорания, ведь там оно может воспламениться. Если автомобиль начинает сжигать масло, это говорит о том, что нужно менять поршневые кольца, которые уже не обеспечивают должного уплотнения.

•
Шатун
— служит соединительным элементом между поршнем и коленчатым валом.

— преобразует поступательные движения поршней во вращательные

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания:

Существует 4 такта работы ДВС:

— это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня.

Открывается впускной клапан, топливо заполняет цилиндр, тем самым поршень сдвигается с верхней мёртвой точки вниз.

Цилиндр начинает подниматься вверх, тем самым сжимая топливо, находящиеся в цилиндре до размеров камеры сгорания.

3 такт — рабочий ход.

После того, как топливо во втором такте сжалось до размеров камеры сгорания, свеча зажигания поджигает топливную смесь, тем самым заводя двигатель. Данный такт является самым ключевым, т.к. благодаря ему автомобиль начинает работать.

После третьего такта, в цилиндре вырабатываются газы, тем самым опуская поршень до нижней мёртвой точки. В данном такте открывается выпускной клапан и газы выходят наружу.

Ну ну этом пожалуй всё. Как ты понял, устройство двигателя не такое сложное, как кажется, и я рад, что теперь ты разбираешься в этом. Спасибо за прочтение!

P.S. Ставь лайк, если тебе понравилась моя статья. Пиши комментарий о том, хотел бы ещё увидеть статьи на подобные темы.

И не забудь подписаться на мой канал, что бы не пропустить новый интересный пост.

Что такое цилиндр и поршень?

Современные двигатели могут иметь от 2 до 16 цилиндров, которые объединены в блок цилиндров. От количества цилиндров зависит мощность ДВС.

Внутренняя часть цилиндра является его рабочей поверхностью и называется гильзой, а внешняя, которая составляет единое целое с корпусом блока – рубашкой. По каналам рубашки циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение поршень. Он передает энергию давления газов на шатун коленвала, герметизирует камеру сгорания и отводит из нее тепло. Состоит поршень из днища (головки), уплотняющих колец и направляющей части (юбки).

Поршни для бензиновых двигателей имеют плоское днище. Они меньше нагреваются при работе и проще в изготовлении. Они могут обладать специальными канавками, которые способствуют полному открытию клапанов. В дизельных двигателях поршни имеют специальную выемку заданной формы на дне. Она служит для того, чтобы воздух, поступающий в цилиндр, лучше смешивался с топливом.

Плотность соединения поршня и цилиндра обеспечивают поршневые кольца. Их расположение и количество зависит от типа и назначения двигателя. Наиболее часто встречающееся исполнение – одно маслосъемное и два компрессионных кольца.

Компрессионные кольца предотвращают попадание газов в картер двигателя из камеры сгорания и отводят тепло к стенкам цилиндра от головки поршня. По форме они бывают коническими, бочкообразными и трапециевидными.

Верхнее компрессионное кольцо изнашивается быстрее других, поэтому его наружная поверхность подвергается напылению молибдена или пористому хромированию. Благодаря такой подготовке первое кольцо становится более износостойким и лучше удерживает моторное масло. Другие уплотняющие кольца покрываются слоем олова для улучшения приработки к цилиндрам.

Маслосъемное кольцо служит для удаления излишков масла со стенок цилиндра, тем самым предотвращая их попадание в камеру сгорания. Через специальные отверстия в стенках поршня масло попадает внутрь последнего, а затем направляется в картер.

Направляющая часть (юбка) поршня может быть конусообразной или бочкообразной. Такая конструкция позволяет компенсировать расширение при воздействии высоких температур. На юбке находится отверстие с двумя бобышками, где крепится поршневой палец трубчатой формы, соединяющий поршень с шатуном.

Палец поршня может устанавливаться следующим образом:

Свободный ход в бобышках поршня и головке шатуна (плавающие пальцы)

Вращение в бобышках поршня и фиксация в головке шатуна

Вращение в головке шатуна и фиксация в бобышках поршня

Шатун соединяет поршень с коленвалом. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, а нижняя вращается совместно с шатунной шейкой коленчатого вала, стержень совершает сложное колебательное движение. При работе шатун подвергается растяжению, изгибу и сжатию, поэтому его производят жестким и прочным, а, чтобы уменьшить инерционные силы – легким.

Хонингование

Хонингование — вид абразивной обработки материалов с применением хонинговальных головок (хонгов). В основном применяется для обработки внутренних цилиндрических отверстий (от 2 мм) путём совмещения вращательного и поступательно-возвратного движения хона с закреплёнными на нём раздвижными абразивными брусками с обильным орошением обрабатываемой поверхности смазочно-охлаждающей жидкостью. Один из видов чистовых и отделочных обработок резанием. Позволяет получить отверстие с отклонением от цилиндричности до 5 мкм и шероховатостью поверхности Ra=0.63÷0.04.

Цилиндр и головка цилиндра двигателя воздушного охлаждения (мотоцикл «Москва» М1А).Гильза цилиндра

поршневого двигателя внутреннего сгорания представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения.

Работа двигателя внутреннего сгорания.

Цилиндр в сборе с головкой и шатунно-поршневой группой.

Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно выполняются отдельно:

Пространство между ними называется зарубашечным, в двигателе с водяным охлаждением тут циркулирует охлаждающая жидкость.

В подавляющем большинстве случаев рубашки цилиндров выполняются в виде одной отливки для всего ряда цилиндров и называются блоком цилиндров. Рубашки и корпус блока цилиндров изготавливают обычно из того же материала, что и станина двигателя.[1] Блоки цилиндров в большинстве случаев не имеют вставных гильз, отливаются целиком.[2]

Внутренняя поверхность втулки или гильзы цилиндра является рабочей и называется зеркало цилиндра

. Она подвергается специальной обработке (хонингование, хромирование, азотирование)[3] с высокой точностью и имеет очень высокую чистоту. Иногда на зеркало цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению трения боковой поверхности поршня и колец о зеркало цилиндра[4]. В современных конструкциях поверхность часто подвергают отбеливающему переплаву лазером с образованием слоя белого чугуна высокой твёрдости. Высокий ресурс[5] таких цилиндров не требует ремонтных размеров.[6]

Гильзы отливают[7] из чугуна высокой прочности или специальных сталей. Существует варианты гальванического покрытия хромом или никосилом алюминиевого цилиндра (объединённого конструктивно с головкой) на двигателях небольшой размерности.[8][9]

Цилиндры двухтактных двигателей отличаются по конструкции от цилиндров 4-х тактных двигателей наличием выпускных и продувочных окон[10]. Кроме того, у цилиндров двухтактных двигателей двойного действия имеется в наличии нижняя крышка для образования рабочей полости под поршнем[11].

Из чего изготавливают цилиндры и поршни?

Материалы, используемые при производстве деталей ЦПГ, должны обладать высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью, малой плотностью, незначительным коэффициентом линейного расширения, антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

Цилиндры изготавливают из чугуна или стали с различными присадками. Это нужно для того, чтобы детали могли выдержать высокие нагрузки. Сегодня блоки цилиндров чаще всего производят из алюминия, а внутренние части цилиндров – из стали, благодаря чему вес конструкции снижается.

Поршни внутри цилиндра двигаются с высокой скоростью и подвержены воздействию высоких давлений и температур. Изначально для производства этих деталей использовался чугун, но с развитием технологий основным материалом для поршней стал алюминий. Это позволило обеспечить меньшую нагрузку на поршни, лучшую теплоотдачу и рост мощности ДВС.

На современных автомобилях, особенно с дизельными двигателями, используются сборные стальные поршни. Они весят меньше алюминиевых, а за счет меньшей компрессионной высоты позволяют использовать шатуны большей длины, тем самым снижая боковые нагрузки в паре «цилиндр-поршень».

Для производства поршневых колец используется высокопрочный серый чугун с добавлением хрома, молибдена, никеля или вольфрама. Эти материалы улучшают приработку элементов и обеспечивают их высокую износо- и термостойкость.

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.

Одним из самых эффективных антифрикционных покрытий поршней является MODENGY Для деталей ДВС.

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.

Охлаждение ЦПГ

При работе двигателя выделяется огромное количество тепла. Например, температура сгоревших газов может достигать +2000 °C. Именно поэтому цилиндро-поршневая группа нуждается в эффективном охлаждении.

В современных двигателях система охлаждения может быть жидкостной или воздушной. В первом случае цилиндры ДВС покрыты снаружи большим количеством специальных ребер, которые охлаждаются искусственно созданным или встречным потоком воздуха.

Жидкостное охлаждение подразумевает охлаждение цилиндров при помощи охлаждающей жидкости, которая циркулирует в толще блока снаружи цилиндров. Нагретые элементы отдают часть тепла ОЖ, которая затем попадает в радиатор, охлаждается и заново поступает к цилиндрам.

Как работает охлаждение?

Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует через проходы (каналы) вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, чтобы тот её максимально охладил. Однако, существуют такие модели автомобилей (в первую очередь Volkswagen Beetle (Жук)), а также большинство мотоциклов и газонокосилок, которые имеют двигатель с воздушным охлаждением. Вы вероятно, видел такие двигатели с воздушным охлаждением, сбоку которых расположены эдакие плавники — ребристая поверхность, украшающие снаружи каждый цилиндр, чтобы помочь рассеять тепло.

Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но горячее, и как правило, уменьшается срок службы двигателя и общая производительность. Так что теперь Вы знаете, как и почему Ваш двигатель остаётся не перегретым.

Система смазки цилиндров

Если внутри цилиндра отсутствует смазочный материал, поршень будет заклинивать, что со временем приведет к поломке двигателя. Для удержания моторного масла на внутренних поверхностях цилиндров на них наносят микросетку при помощи хонингования.

Благодаря этому на стенках всегда находится некоторое количество масла, что снижает трение между поршнем и цилиндром, а также способствует отведению излишков тепла внутри ЦПГ.

Неисправности при эксплуатации

Даже, если эксплуатация автомобиля была правильной и все жидкости менялись вовремя, со временем все равно могут возникнуть проблемы с цилиндро-поршневой группой. Их основная причина заключается в сложных условиях работы ЦПГ.

Высокие нагрузки и температуры приводят к:

Деформации посадочных мест под гильзу

Разрушению, залеганию, закоксовыванию колец

Задирам на юбках поршней из-за сужения зазора между поршнем и цилиндром

Возникновению пробоин, трещин, сколов на рабочих поверхностях цилиндров

Оплавлению или прогару днища поршней

Различным деформациям на теле поршней

Эти и другие неисправности ЦПГ неизбежно возникают при перегреве ДВС, который может быть вызван неисправностью термостата, помпы или разгерметизацией системы охлаждения, сбоями в работе вентилятора охлаждения радиатора, самого радиатора или его датчика.

Определить проблемы в работе цилиндро-поршневой группы можно отметив увеличение расхода масла, ухудшение запуска двигателя, снижение мощности, возникновение стука и шума при работе ДВС. Подобные моменты не следует игнорировать, так как неисправности в ЦПГ неизбежно приведут к дорогостоящему ремонту.

Точно определить состояние поршней и цилиндров позволяет разборка ЦПГ, а также осмотр других систем автомобиля, например, воздушного фильтра. Помимо этого, в ходе диагностики производится замер компрессии в цилиндрах, берутся пробы масла из картера и т.п.

Ресурс ЦПГ зависит от типа двигателя, его режима эксплуатации, сервисного обслуживания и других параметров. В среднем для отечественных автомобилей он составляет около 200 тыс. км, для иномарок – до 500 тыс. км. Существуют так называемые «двигатели-миллионники», ресурс которых может превышать 1 млн. км пробега.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя включает в себя замену компрессионных и маслосъемных колец, восстановление и расточку цилиндров, установку новых шатунов и поршней.

Износ цилиндров определяется при помощи специального прибора – индикаторного нутрометра. Сколы и трещины на стенках заваривают или заделывают эпоксидными пастами.

Новые поршни подбираются по массе и диаметру к гильзам, а поршневые пальцы – к втулкам верхних головок шатунов и поршням. Шатуны предварительно проверяют на предмет повреждений и при необходимости восстанавливают или заменяют.

Маркировка поршней «Тойота»

У поршней на двигателях «Тойота» также имеются свои обозначения и размеры. Например, на популярной машине Land Cruiser поршни обозначаются английскими буквами A, B и C, а также числами от 1 до 3. Соответственно, буквы означают размер отверстия под поршневой палец, а цифры — размер диаметра поршня в районе «юбки». Ремонтный поршень имеет +0,5 мм по сравнению к стандартному по диаметру. То есть, у ремонтных меняются лишь обозначения букв.

Обратите внимание, что при покупке бывшего в употреблении поршня необходимо замерить тепловой зазор между юбкой поршня и стенкой цилиндра. Он должен находиться в пределах 0,04…0,06 мм. В противном случае необходимо проводить дополнительную диагностику двигателя и при необходимости выполнять ремонт.

Порядок работы двигателя

Итак, порядок работы цилиндров наиболее распространенных автомобильных двигателей отличается. Если сравнивать порядок работы однотипных 4, 6, а также 8 цилиндровых моторов, порядок работы цилиндров таких двигателей будет заметно отличаться. Другими словами, 4 цилиндровый двигатель и его цилиндры будут работать не в том порядке, в котором работает, например, 8-и цилиндровый аналог. Давайте разбираться.

Если же мотор 4-тактный, V-образный, 6-цилиндровый, рядный, рабочий цикл такого двигателя также проходит за 2 полных оборота коленвала или 720 градусов, однако чередование тактов осуществляется через 120 градусов. Рабочий цикл рядного 8-цилиндрового V-образного мотора получает чередование тактов через 90 градусов.

Что касается V-образного 6- цилиндрового мотора, порядок работы такого агрегата 1-4-2-5-3-6. Кстати, такие моторы хуже всего сбалансированы (за исключением 5-и, 3 и 2-цилиндровых четырехтактных двигателей). Если же рассматривать двигатель V-8, такие моторы могут иметь 2 порядка работы: 1-5-4-2-6-3-7-8 или 1-8-4-3-6-5-7-2. На самом деле, такая разница связана с тем, что в США и Европе цилиндры считаются с определенными отличиями.

Объем цилиндра

Объем цилиндра определяется как произведение площади основания цилиндра на его высоту.

Доказательство.

Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут!

Примеры расположения цилиндров двигателей

Порядок работы с входящими документами а — четырехлистный V образный шести цилиндровый; б — четырехтактный V образный восьми цилиндровый; в— четырехтактный рядный четырех цилиндровый; г — четырехтактный рядный шести цилиндровый.

Одноцилиндровый четырехтактный двигатель

имеет значительную неравномерность вращения коленчатого вала, которая вызвана тем, что за два оборота коленчатого вала только в течение одного полуоборота коленчатый вал вращается вследствие давлении газов, а три полуоборота — за счет энергии, накопленной маховиком. Причем во время рабочего хода вращение коленчатого вала ускоренное, а во время подготовительных ходов — замедленное, что вызывает повышенную вибрацию двигателя, которая может быть лишь частично уменьшена вследствие значительного момента инерции маховика.

Рабочий цикл

В зависимости от числа тактов, составляющих рабочей цикл, ДВС делятся на двухтактные и четырехтактные. Двухтактные двигатели не ставят на современные автомобили, они используются лишь на мотоциклах и в качестве пускателей тракторных силовых агрегатов. Цикл четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты:

Цикл дизеля отличается тем что при впуске всасывается только воздух. Топливо же впрыскивается под давлением после сжатия воздуха, а воспламенение происходит от контакта дизеля с разогретым от сжатия воздухом.

Нумерация

Нумерация цилиндров рядного двигателя начинается с наиболее удаленного от коробки перемены передач. Иными словами, со стороны ремня ГРМ либо цепи.

Очередность работы

У коленвала рядного 4-х цилиндрового ДВС кривошипы первого и последнего цилиндра располагаются под углом 180° друг к другу. И под углом 90° к кривошипам средних цилиндров. Поэтому для обеспечения оптимального угла приложения движущих сил к кривошипам такого коленвала, порядок работы цилиндров бывает 1―3―4―2, как у вазовских и москвичевских ДВС либо 1―2―4―3, как у газовских моторов.

Чередование тактов 1-3-4-2

Угадать порядок работы цилиндров двигателя по внешнем признакам нельзя. Об этом следует читать в мануалах производителя. Порядок работы цилиндров двигателя проще всего узнать в инструкции по ремонту вашей машины.

Сколько бывает цилиндров у двигателей?

Большинству из нас хорошо знакомы четырехцилиндровые автомобильные двигатели. Все дело в том, что во многих автомобилях под капотом стоит классический двигатель с четырьмя цилиндрами. Да, конечно, в автомобилях также можно встретить сегодня и 3-, и 6-цилиндровые моторы. Реже в наши дни можно встретить 8- и 10- или 12-цилиндровые силовые агрегаты. Но известно ли вам, каков предел количества цилиндров для двигателей? Все ли двигатели знаете, начиная от одноцилиндровых, а также знакомы ли с теми транспортными средствами, где они используются? Сегодня мы расскажем вам подробно об этом.

Принцип работы дизельного мотора

Рабочий цикл дизеля отличается от атмосферного по способу смесеобразования и воспламенения. Вместо готовой смеси в камеру сгорания подается воздух. За счет сжатия температура в ЦПГ дизельного двигателя увеличивается. Затем происходит подача топлива через форсунки.

Из-за высокой температуры и давление в цилиндрах дизельного агрегата дизтопливо самовоспламеняется — происходит рабочий ход. Рабочий ход заканчивается выхлопом отработанных газов.

Начало нумерация

Единого стандарта для определения нумерация цилиндров не существует. Поэтому как считаются цилиндры в двигателе нужно смотреть в технической инструкции к транспортному средству.

На нумерацию цилиндров в двигателе влияют следующие факторы:

Для тех, кто задумал провести обслуживание необходимо знать, как проверить цилиндры двигателя. Где первый цилиндр двигателя можно определить по нескольким факторам:

Сколько цилиндров в двигателе, метод установки зависит от завода изготовителя. Некоторые производители используют вариант обратной нумерации, при котором счет начинается со стороны салона. В автопроизводителей французских марок подсчет начинается от коробки передач или в зависимости от стороны крутящего момента.

Как располагаются цилиндры в двигателях

Существуют разные модели двигателей – это и старинные одно- и двухцилиндровые ДВС, традиционные рядные четырех- и шестицилиндровые модели.

Статья по теме: Признаки, причины и последствия перегрева двигателя автомобиля

Более крупные агрегаты имели V-образные блоки – такие агрегаты могли иметь восемь и более камер сгорания.

Рядное расположение

При рядном расположении в блоке цилиндры располагаются в один ряд. В такой конфигурации существуют двух, трех, четырех, пяти и даже шестицилиндровые моторы.

Двух- и трехцилиндровые ДВС сейчас устанавливаются на современных авто не так часто, хотя популярность их медленно набирает обороты.

Этому способствовали умные системы приготовления топливной смеси и турбины – например, турбированная версия двухцилиндрового ДВС хетчбека Fiat 500. Трехцилиндровый рядный двигатель можно встретить на «Деу Матиз» и многих других.

Что касается рядной «четверки», то такие блоки устанавливаются в большинстве двигателей для легковых авто – объемы таких движков начинаются от 1 л., а самый объемный рядный ДВС – 2,4 л. и более.

Пятицилиндровые двигатели с рядным расположением на автомобилях, производимых серийно, стали появляться в 70-х годах. В числе первых можно выделить дизельные модели Mercedes – они устанавливались в 1974 году на модели в кузове W123.

А уже в 1976 году построили пятицилиндровый мотор от Audi. Начиная с конца 80-х годов рядная пятерка уже никого не удивляла и успешно устанавливалась на самые разные автомобили Fiat, Volvo и других автобрендов.

Специализированный моторный центр. Поршень в общем и в частности

Специализированный моторный центр. Поршень в общем и в частности

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук СЕРГЕЙ САМОХИН

Без преувеличения, поршень — главная деталь автомобильного двигателя, во многом определяющая его облик. Поршень эволюционировал вместе с развитием двигателей и достиг высокой степени совершенства. Конструктивные особенности поршня должны строго соответствовать характеристикам мотора. В противном случае возможны неоправданные материальные затраты при производстве и эксплуатации двигателя и даже его преждевременная кончина.

Высказанный тезис о ключевой роли поршня в конструкции автомобильного двигателя может показаться излишне категоричным. Поэтому приведем несколько аргументов в его подтверждение. Требования к конструкции поршня определяются его функциональным назначением, той ролью, которую он играет в слаженно функционирующем техногенном организме, называемом поршневым ДВС. Поршень — это элемент, который воспринимает энергию, выделяющуюся при сгорании заряда топливо-воздушной смеси. Она воздействует на поршень в виде тепла и давления газообразных продуктов. Поэтому первое, что должно отличать поршень — способность продолжительно работать в условиях высоких, циклически меняющихся механических нагрузок и тепловых потоков. Помимо этого поршень должен вносить свой вклад в обеспечение герметичности надпоршневого пространства, препятствуя прорыву газов в картер и встречному поступлению масла из картера в камеру сгорания. Поршень должен обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей и низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре. Поршень должен… должен…должен… Перечень того, что поршень должен, можно продолжить, но и упомянутых требований достаточно, чтобы понять, насколько непросто им удовлетворить. Тем более что при этом нужно сделать главную деталь двигателя еще и максимально легкой. В противном случае… Действительно, представим, что будет в противном случае. Масса поршня — параметр, который опосредованно отражает степень совершенства его конструкции. Для среднестатистического двигателя современного легкового автомобиля он составляет 300—350 г. Допустим, что массу поршня пришлось увеличить граммов эдак на 50. Казалось бы, пустяк. Теперь умножим «привес» на годовую программу производства поршней (обычно это несколько миллионов изделий) и получим несколько «лишних» вагонов стратегического металла. Кстати, металла недешевого. Ведь это только у нас некоторые производители изготавливают поршни из вторсырья. На Западе для этой цели используют только первичные алюминиевые сплавы, иначе невозможно гарантировать качество продукции. К сожалению, это наименьшее из последствий просчетов конструкторов и технологов. Припомним, что поршень совершает колебательные движения в цилиндре с частотой до 100 раз в секунду. При этом максимальная скорость его перемещения на отрезке пути длиной 70—80 мм достигает 25 м/с, а возникающие тысячекратные перегрузки превращают каждый лишний грамм в несколько килограммов избыточной нагрузки. Нагрузка передается на поршневой палец, шатун, коленчатый вал и, наконец, воспринимается блоком двигателя. Увеличение массы поршня однозначно отражается на массе каждой из этих деталей, тем более что они работают в циклическом режиме, провоцирующем усталостные явления. В результате исходные граммы «на выходе» превращаются в десятки килограммов качественного металла. Еще раз множим на объем производства двигателей, приплюсуем сюда повышение расхода топлива за счет больших потерь на трение и массы мотора, увеличение вредных выбросов в атмосферу, прочие неучтенные последствия. Удручающее «итого» убедительно доказывает, что поршень — действительно наиболее важная деталь двигателя, во многом определяющая его конструкцию, производственные затраты, экономичность и экологичность. Каков же он, поршень?

Геометрия искривленного пространства

На первый взгляд поршень имеет правильную геометрическую форму цилиндра. Однако, если «пройтись по нему» с точным измерительным инструментом, окажется, что это вовсе не так. Практически все «формы» поршня — неправильные. Их «неправильность» обусловлена желанием обеспечить равномерный, минимально возможный зазор между стенкой цилиндра и поршнем по всей его высоте. Трудность этой задачи состоит в том, что различные части поршня при работе нагреваются крайне неравномерно, а, значит, неодинаково изменяются в размерах. Ситуация еще более усложняется тем, что поршень имеет неравноже-сткую конструкцию, что также влияет на последствия теплового расширения. Днище поршня — наиболее термически нагруженная его часть. При работе двигателя его температура может достигать 300—350°С. Поэтому диаметр поршня в области огневого пояса уменьшают на 0,4—0,6 мм относительно диаметра цилиндра. Температура поршня в зоне уплотнительного пояса ниже. К тому же тепловые потоки, проходящие через первое и второе компрессионные кольца, отличаются в несколько раз. Как следствие, перемычки между кольцами будут иметь разную температуру. Верхняя — более горячая, нижняя — менее. Чтобы компенсировать их неодинаковое тепловое расширение на работающем моторе, диаметр поршня от днища к юбке постепенно увеличивают. Температура юбки плавно спадает в направлении от ее верхней части (в районе маслосъемного кольца) книзу. Этим обусловливается конический характер ее поверхности. В нижней части юбки обычно устраивают обратный конус. Он позволяет поршню при перекладке в нижней и верхней мертвых точках работать более мягко, без резких ударов. В дополнение к этому при движении поршня вниз обратный конус способствует возникновению гидродинамического эффекта, благодаря которому поршень как бы «всплывает» на масляной пленке. Плавное увеличение диаметра поршня от днища к нижней части юбки, а также наличие на ней обратного конуса придает ему бочкообразную форму в продольном сечении. Не менее важное условие работоспособности поршня — особая форма в поперечном сечении, отличная от формы круга. Необходимость такой меры обусловлена наличием бобышек, усилений в месте соединения поршня с поршневым пальцем. Составляющие единое целое с днищем поршня, массивные бобышки нагреваются в большей степени, чем соединяющие их части юбки. Как следствие — диаметр поршня «растет» преимущественно в направлении, совпадающем с осью поршневого пальца. Чтобы компенсировать этот эффект, поршень в поперечном сечении делают овальным. Меньшая ось овала совпадает с осью пальца, а овальность обычно составляет 0,4—0,5 мм. Величина небольшая, но очень важная. Именно она позволяет поршню работать в цилиндре с минимальными зазорами. Таким образом, форма поршня в холодном состоянии характеризуется бочкообразностью и овальностью. Закономерности «искривленной геометрии» поршней были выявлены достаточно давно. Примерно с х годов их учитывают при конструировании поршней, вначале авиационных, а затем и автомобильных.

«Материальная» часть

Большинство рецептур материалов, применяющихся для изготовления поршней, было разработано еще в х годах. В этом отношении современные поршни недалеко ушли за прошедшие 80 лет. До сих пор они в основным изготавливаются из силумина с процентным содержанием кремния около 12%. Этот сплав был впервые предложен фирмой Mahle, которая внедрила его в массовое производство поршней. В ряде случаев (например, для некоторых дизельных моторов) применяются заэвтектические сплавы алюминия, в которых содержание кремния может достигать 18%. Такие силумины менее пластичны, более капризны в обработке и дороги. В «доалюминиевый» период поршни изготавливались из чугуна. Силумин оказался очень удачным материалом, сочетающим достаточную прочность с легкостью. Подбор концентрации кремния позволил добиться приемлемого коэффициента теплового расширения, существенно меньшего, чем у чистого алюминия. Основной способ получения заготовок поршней (практически 99%) — литье, большей частью кокильное. Эта технология отработана буквально до совершенства. Незначительное количество составляют поршни, заготовки для которых изготавливают методом ковки. Это своего рода эксклюзив, который не применяется на серийных изделиях. Кованые заготовки в силу особой структуры, которую приобретает металл, обладают несколько большей прочностью. Однако это преимущество обычно нивелируется ограничениями по возможной форме заготовки и может быть вовсе сведено к нулю из-за отдельных конструктивных недочетов. Уважающие себя производители наносят на поверхность поршней различные покрытия. Один из распространенных способов — покрытие поршня оловом (лужение). Реже применяется покрытие свинцом. Слой мягкого металла, толщина которого составляет 5—10 мкм, уменьшает трение и вероятность «прихвата» поршня с образованием задиров в период обкатки двигателя. Ту же функцию он выполняет и на приработанном двигателе в момент пуска, сопровождающегося «масляным голоданием», и при пиковых нагрузках. Убедительное доказательство действенности этой меры — сравнение состояния поршней двигателей классических моделей ВАЗ первых поколений и ВАЗ 2108—21083. У последних даже при незначительном пробеге на юбке поршней, не имеющих покрытия, обязательно присутствуют задиры. На луженых поршнях «классики» такого явления, как правило, не наблюдалось. Некоторые производители для уменьшения трения наносят на юбку поршней антифрикционные покрытия, композиции на основе графита, реже — дисульфида молибдена. Толщина слоя покрытия может достигать 15—20 мкм. Обычно поршни с таким покрытием устанавливаются в цилиндр с минимальным зазором. В результате первоначальной приработки покрытие частично стирается и поверхность поршня приобретает форму, максимально соответствующую цилиндру. Поршни с прирабатываемым покрытием применяются, например, на современных двигателях VAG, Mercedes, BMW, Opel и других. Выпуск таких поршней недавно освоен некоторыми российскими предприятиями для моторов отечественного производства.

Короче, еще короче…

В последние 20—30 лет все разработчики двигателей вслед за первопроходцами, японскими конструкторами, двигались примерно в одном направлении и достигли сходных результатов. Поэтому сейчас, взяв в руки поршень, непросто определить, где и для какого мотора он произведен. В то время как десяток-другой лет тому назад отличить, например, японское изделие от американского было проще простого. Отметим некоторые этапы эволюции поршней. Одна из основных геометрических характеристик поршня — компрессионная высота. Она определяется расстоянием от его днища до оси поршневого пальца. С начала х годов наметилась устойчивая тенденция к уменьшению компрессионной высоты поршня. Это позволяет снизить его массу за счет уменьшения размеров бобышек и высоты уплотнительного пояса. Известны примеры, когда компрессионную высоту поршня удавалось уменьшить до 24 мм. И это при наличии трех колец. Для сравнения: данный параметр у ВАЗовских поршней составляет 38 мм, а у поршней автомобилей ГАЗ выпуска прошлых лет — аж 52 мм! Уменьшение компрессионной высоты поршней стало возможным во многом благодаря переходу на более тонкие кольца. Процесс наблюдался повсеместно на протяжении х годов. Если ранее в порядке вещей считался комплект колец размерностью 2—4 мм, то сейчас обычным делом становятся наборы порядка 1,2—1,2 мм. Это результат достижений в области технологии. Тонкие кольца обеспечивают меньшие потери на трение, более податливы, быстрее и точнее прирабатываются, а потому обладают лучшими уплотнительными свойствами и, как ни странно, лучше отводят тепло. Снижение компрессионной высоты повлекло за собой уменьшение размеров юбки поршня. Для центрирования укороченного поршня высокая юбка стала просто излишней. В результате общая высота поршня по отношению к моторам разработки х годов сократилась почти вдвое: с 80—90 мм до 50—55 мм. Уменьшение размеров поршня повлекло снижение его массы, которое составило 30—40%. К каким последствиям это приводит, мы уже упоминали. В частности, это позволило облегчить поршневой палец, уменьшив его диаметр. На современных двигателях применяются пальцы диаметром 17—20 мм, в то время как еще недавно нормой считалось 22—26 мм. Внедрение многоклапанных моторов также наложило свой отпечаток на конструкцию современного поршня. Повышение их литровой мощности и быстроходности привело к росту тепловых и механических нагрузок на поршень. Поскольку давление на поршень в конечном итоге воспринимается юбкой, возникла задача ее упрочнения. Эффективным способом стало устройство вертикальных ребер жесткости, соединяющих юбку с бобышками. Ребра образуются в результате удаления излишка материала снаружи поршня в районе бобышек. Боковые выборки получили несколько странное название «холодильники». У многих поршней современных моторов они очень большие и глубокие. Глубокие холодильники предполагают уменьшение расстояния между бобышками, а значит, применение короткого пальца и легкого шатуна с узкой верхней головкой. Достигнутое этим радикальное повышение жесткости юбки позволило постепенно отказаться от прочих способов, применявшихся ранее для компенсации ее теплового расширения. Из конструкции поршня исчезли термокомпенсирующие пазы и стальные пластины. Последние вставлялись в поршень при отливке и работали совместно с юбкой как биметалл, сдерживая ее расширение при нагреве. Глубокие холодильники и отсутствие термокомпенсации радикально изменили картину теплового расширения поршня. Узкая и более жесткая юбка стала более чувствительной к температурным воздействиям. Для обеспечения работоспособности поршня потребовалось увеличить диаметральные зазоры и ужесточить требования к технологии его производства. Большие зазоры приводят к повышению шумности работы двигателя, что критично для серийного автомобиля. Приходится очень точно подбирать профиль юбки и материал поршня. Добавлением легирующих элементов и подбором технологических режимов литья удается получить материалы с минимальным коэффициентом теплового расширения. Но это тот случай, когда «игра стоит свеч». Благодаря уменьшению размеров и массы поршней удалось значительно снизить механические потери в ЦПГ, которые, как известно, составляют около половины всех потерь в двигателе. Применение легких поршней с короткой и узкой юбкой существенно сокращает потери на трение, значит, способствует повышению мощности при уменьшении расхода топлива и токсичности. Очень важный момент — обеспечение эффективной смазки. Раньше основной задачей считался съем масла маслосъемным кольцом. Для его удаления в канавке маслосъемного кольца устраивались отверстия. На нагруженных моторах возникает обратная задача — обеспечения смазки мест контакта юбки с цилиндром при движении поршня вверх. Если этого не делать, не избежать повышенного трения и задиров на юбке, особенно на ее ненагруженной стороне. Проблема решалась разными способами: устройством отверстий для смазки в зоне маслосъемного кольца, профилированных канавок под маслосъемным кольцом для сохранения в них нужного количества масла. Потребовалось принять дополнительные меры по отводу тепла от поршня. Один из часто применяемых способов — использование форсунок, разбрызгивающих масло на днище поршня. Кстати, такая конструкция применяется в клапанных моторах ВАЗ. На дизельных моторах с наддувом иногда применяют еще более сложные способы борьбы с перегревом поршней. Точно настроенная форсунка подает масло в кольцевую полость, выполненную в теле поршня в районе уплотнительного пояса. Поршни спортивных моторов несут в себе аналогичные черты, но они выражены еще ярче. Ведь большая мощность означает большие тепловые и механические нагрузки. Методы обеспечения работоспособности поршней те же, а потому и конструктив сегодня практически идентичен. Небольшие отличия — одно компрессионное кольцо вместо двух и еще более короткая юбка. Так удается достичь существенного уменьшения потерь на трение, особенно на высоких оборотах. Известны и некоторые серийные моторы с поршнями подобной конструкции. Таким образом, поршень современного автомобильного двигателя — сложное техническое изделие, аккумулирующее в себе большое количество знаний из различных областей науки и техники. Конструкция поршня жестко связана с особенностями двигателя, в котором он работает. Бездумный, необоснованный выбор поршня может оказаться не просто неоправданным, например, с технологической или экономической точек зрения, но и нанести серьезный вред работоспособности мотора. И такие примеры, к сожалению, известны. Вследствие предельно оптимизированной конструкции современные поршни обладают меньшим запасом прочности (во многих смыслах), а потому более требовательны к соблюдению расчетных условий эксплуатации. Повышенные нагрузки, ухудшение условий теплосъема, некачественная смазка могут резко сократить их ресурс.

Взгляд на поршень со стороны (фото16). Опуская подробности внутреннего устройства поршня, взглянем на него снаружи. Верхняя часть поршня, представляющего собой «стакан наоборот», называется днищем. Вместе с прилегающей к нему боковой поверхностью, ограниченной канавкой верхнего компрессионного кольца, оно составляет так называемый огневой пояс. Огневой пояс принимает на себя механическую и тепловую нагрузки, возникающие при сгорании смеси. Область, в которой расположены поршневые кольца, принято называть уплотнительным поясом. Как следует из названия, его задача — уплотнение подвижного места контакта поршня со стенками цилиндра. Уплотнительный пояс должен препятствовать прорыву продуктов сгорания в картер двигателя и попаданию масла в камеру сгорания. Но не только. Не менее важная функция уплотнительного пояса — отвод тепла, проникающего в тело поршня через поверхности огневого пояса. Трудно поверить, но именно через поршневые кольца в стенку цилиндра и далее — в рубашку охлаждения блока сбрасывается более 80% теплового потока. При этом на долю верхнего компрессионного кольца приходится примерно 60%, второе отводит около 20%. Процессы уплотнения и охлаждения тесно взаимосвязаны. Хорошее уплотнение означает эффективный теплоотвод. Напротив, нарушение уплотнения (износ и поломка колец или перемычек между ними) приводит к ухудшению охлаждения поршня и, в конечном счете, к его прогару. Ниже уплотнительного расположен направляющий пояс поршня, образованный, в основном, внешней поверхностью юбки. Он служит для центровки поршня при его перемещении в цилиндре. При нарушении формы или износе уплотнительного пояса центровка нарушается. Если зазоры велики, во время перекладки поршня в мертвых точках его верхняя часть может соударяться со стенкой цилиндра, что сопровождается характерными стуками в двигателе и грозит серьезными последствиями: ускоренным износом стенки цилиндра, нарушением работы колец и поломкой поршня.

Ремонт узлов автомобиля

Устройство блока цилиндров состоит из деталей, которые функционируют в агрессивных условиях, поэтому часто подвергаются поломке и износу.

Восстановление блока цилиндров двигателя состоит из таких операций:

Ремонтирование блока цилиндров двигателя заканчивается контрольным осмотром на проверочной плите. С помощью щупа и индикаторных приспособлений проверяется жесткость установки и соосность крепления узлов в блоке цилиндров двигателя. После восстановление корпуса цилиндров двигателя проводится испытание на герметичность.

Сборка ГБЦ

Ремонт головки блока цилиндра двигателя выполняется по таким причинам:

Дефектовка деталей головки блока цилиндров двигателя

Восстановить дефекты можно следующими действиями:

Источник