Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания

Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания?

В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ — поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень — первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.

Поршень двигателя имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и выполняет две функции.

1. При поступательном движении поршень уменьшает объем камеры сгорания, сжимая топливную смесь, что необходимо для процесса сгорания (в дизельных моторах воспламенение смеси и вовсе происходит от ее сильного сжатия).
2. После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.

Из чего изготавливается

Рассмотрим материалы деталей ЦПГ. Все материалы для ЦПГ должны иметь высокую прочность, отличную теплопроводность, незначительно расширяться при нагреве и иметь антифрикционные свойства. Иметь повышенное сопротивление появлению ржавчины.

Гильзы выполняют из чугуна или специальной стали с присадками, чтобы деталь выдержала высокую нагрузку.

Поршни изначально делали чугунные, но с развитием технологий, стали производить алюминиевые. В современных моторах применяются сборные стальные поршни, особенно в дизелях. В экспериментальных моторах, тестируют керамические поршни, но пока в производстве керамика применяется только как напыление на поршнях.

Поршневые кольца изготавливают из серого чугуна высокой прочности, с добавками молибдена, хрома, вольфрама или никеля. Добавки обеспечивают лучшую «приработку» деталей, повышая их износостойкость и устойчивость к сильному нагреву.

Поршневые пальцы выполнены из легированной либо углеродистой стали, обработаны цементацией и закалены. Если напильник оставляет на пальце царапины, это бракованные (не каленые) пальцы, их нельзя устанавливать, это приведет к поломке ЦПГ.

Подводя итоги скажу, на каких моторах есть ЦПГ. Эта группа присутствует на всех агрегатах, работающих по принципу внутреннего сгорания топлива. Не зависимо от того, дизельный агрегат, бензиновый либо газовый. Благодаря удобству и относительной простоте исполнения, надежности и долговечности, а так же безопасности для человека (кроме экологичности), моторы с ЦПГ широко применяются во всем мире, даже в косилках и бензопилах. Электрические моторы ЦПГ не имеют, они работают по другому принципу.

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.

Причины износа поршней двигателя

Трещины на головках поршней и на поршневых кольцах из-за термического износа являются обычной проблемой. Развитие автомобильной промышленности в последние годы привело к тому, что эффективность поршней и поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания зависит в первую очередь от долговечности используемых материалов. Условия эксплуатации привода также являются важным фактором. Вероятность отказа двигателя увеличивается с усилением тепловых нагрузок, связанных с ростом производительности (например, за счет увеличения степени сжатия, номинальной мощности, наддува или из-за использования более двух клапанов на цилиндр).

Конструкционные и эксплуатационные факторы влияют на деградацию материала, используемого в поршнях. В зависимости от перечисленных факторов можно указать следующие виды износа:

• износ из-за трения,
• износ, вызванный повреждением материала (действие переменных механических и термических нагрузок),
• процесс коррозии (изменение физико-химических свойств верхнего слоя материала),
• эрозионный (в результате динамического воздействия газообразной или жидкой среды).

Очень часто трещины вызывают зазубрины, образованные краями углублений клапана. Такие повреждения могут привести, в частности, к нарушениям в процессе горения топливно-газовой смеси или к снижению герметичности камеры.

В двигателях с форкамерным впрыском наиболее распространенным дефектом является растрескивание головки поршня.

Температура на краю поршня в зоне камеры сгорания может быть чуть более 380°C . В случае контакта с жидкостью создаются экстремальные условия, которые могут вызвать трещины или необратимую деформацию поршня. Такое повреждение днища может быть причиной, например, попадания воды или топлива в камеру сгорания.

Еще одна причина повреждения поршня — его тепловая перегрузка. Она может произойти, если масло меняют слишком редко (в автомобилях с двигателем с воспламенением от сжатия его следует менять примерно раз в год; в автомобилях с двигателем с искровым зажиганием — примерно каждые 1,5 года). Это также может привести к засорению форсунок охлаждения моторного масла.

От 40 до 50% механических потерь в двигателе внутреннего сгорания — это потери из-за трения колец и поршня о поверхность подшипника цилиндра. По этой причине размеры поверхности трения колец уменьшаются (при неизменном давлении). Это приводит к снижению эластичности поршневых колец, что может вызвать разрушение из-за тяжелых условий эксплуатации. Растрескивание поршневых колец также может быть следствием:

• трибологического износа;
• механических перегрузок, которые возникают из-за нарушения процесса сгорания, ошибок сборки или из-за больших нагрузок при запуске холодного двигателя.

Трибологический износ — это вид износа, возникающий в результате процессов трения. Процессы изнашивания изменяют массу, структуру и физические свойства поверхностных слоев контактных площадок. Интенсивность износа является следствием различных взаимодействий и сопротивления участков трения поверхностных слоев.

Еще одна причина повреждения — захват. Он появляется на юбке поршня и вокруг колец. Частые причины этого явления — частицы от процессов трибологического износа или локального перегрева. Алюминиевый сплав поршня термически расширяется вдвое больше, чем чугун в цилиндре.

Основными параметрами двигателя внутреннего сгорания являются:

• объем хода — это разность между верхним и нижним возвратным положением поршня в цилиндре;
• объем камеры сгорания — это объем над головкой поршня, когда он находится в верхнем убираемом положении;
• общий объем двигателя — это сумма объема цилиндра и объема камеры сгорания;
• степень сжатия — это общий объем, деленный на объем камеры сгорания.

Поршень является одной из важнейших частей двигателя, в случае возникновения неисправностей необходимо сразу провести диагностику. Промедление может провести к дорогому ремонту или вообще полной замене двигателя.

Стоимость замены

Вот примерны цены на замену поршневых колец в сервисах:

• легковые автомобили отечественного производства — от 7-8 тыс. рублей;
• Японские иномарки в кузовах седан, хэтчбек, универсал — от 10 тыс. рублей;
• джипы, кроссоверы, микроавтобусы — от 15 тыс. рублей.

А на замену поршневой цена, как правило, высокая. Это объясняется тем, что процедура входит в перечень капитального ремонта двигателя. Поэтому стоимость соответствующая — от 20 до 40 тыс. рублей.

Как проверить компрессию в двигателе компрессометром

Одним из способов диагностики является замер компрессии возникающей в камере сгорания при достижении поршнем верхней мертвой точки в такте сжатия.

На всех двигателях устанавливается раннее зажигание. Топливо воспламеняется до того как поршень дойдет до верхней мертвой точки. В ВМТ уже горящее топливо сжимается возникает давление, при котором топливо сгорает наиболее эффективно. Происходит как бы взрыв топлива. То есть в результате горения газы начинают мгновенно расширяться. И если давления сжатия не достаточно. То интенсивного горения не происходит. Топливо в цилиндре сгорает не полностью. Двигатель теряет мощность. Для бензиновых двигателей давление которое поршень должен создавать в ВМТ соответствует 10- 13 bar. Если давление ниже 9 bar можно сказать что в двигателе возникли серьёзные проблемы. Связанные с прогоранием клапанов поршневых колец или прокладок.

Фактически замерив компрессию в цилиндрах, мы можем определить наличие или отсутствие серьезных проблем с двигателем. Замерить компрессию можно при помощи специального прибора компрессометра. Он представляет собой манометр, который герметично соединяется с полостью камеры сгорания. И при вращении двигателя стартером. Замеряет возникающее давление в камере сгорания.

Для того чтобы произвести замер необходимо выполнить несколько условий.

Условия проведения замера

1. Двигатель должен быть прогрет до рабочей температуры. Потом у что тепловые зазоры должны соответствовать именно той температуре, в которой двигатель эксплуатируется.
2. Необходимо вывернуть свечи со всех цилиндров. Что бы компрессия, возникающая в цилиндрах, не оказывала сопротивление на стартере. С помощью, которого будет проворачиваться двигатель. В противном случае не сможет создать максимально возможный крутящий момент. И измерения будут неправильными.
3. Необходимо отключить катушку зажигания, что бы при вращении не образовывалась искра достаточно снять разъём с катушки или модуля зажигания. Потом у что возникающее напряжение будет образовывать искру в любом месте. И это могут оказаться обмотки катушки зажигания. Может повредиться изолирующий слой проводов. Или диэлектрических элементов катушки. В результате пробоя катушка выйдет из строя.
4. Заслонка акселератора должна быть открыта полностью. Что бы не создавалось сопротивление поступающего в камеру сгорания воздуха. Любое сопротивление снизит фактическое показание компрессии в камере сгорания.

Замена ЦПГ

Для того, чтобы заменить ЦПГ, сделайте следующее:
1) Закатите автомобиль на яму. Можно делать и лежа под автомобилем, но неудобно.
2) Отключите и уберите аккумулятор.
3) Слейте масло и охлаждающую жидкость.
4) Если есть возможность снять двигатель, снимите и положите на моторный стол. Если нет, придется все делать на автомобиле.
5) Отсоедините все навесные узлы, карбюратор, коллекторы, гидроусилитель руля, инжектор.
6) Снимите головку блока цилиндров.
7) Снимите масляный поддон двигателя.
8) Открутите гайки бугелей шатунов, и снимите бугеля.
9) Осторожно постукивая рукояткой молотка, выбейте все поршни.
10) Положите вынутые поршни в керосин. Если вместе с ЦПГ меняете и шатуны, эта операция не нужна.
11) Подберите по весу поршень, палец и шатун для каждого цилиндра.
12) Специальным съемником извлеките гильзы из блока цилиндров.

13) Запрессуйте новые гильзы. В зависимости от модели двигателя могут понадобиться дополнительные действия. За подробностями обратитесь к инструкции по ремонту вашего автомобиля.

14) Соберите поршни и шатуны, закрутив гайки бугелей. Снова взвесьте их. Если разница больше 3-5 грамм, придется стачивать лишнее, пока вес не придет в норму. После этого пометьте гайки и бугеля и снимите их.

15) Оденьте на поршни поршневые кольца. Старайтесь не сломать их. Кольца должны подходить по размеру. Зазор установленного в гильзу кольца должен быть в пределах 0,2-0,9 мм.
16) С помощью оправки вставьте поршни в блок цилиндров, соблюдая направление. Чтобы выемки на поршнях совпадали с клапанами.
17) Очистите постели шатунов и вкладыши. Смажьте вкладыши маслом, и установите их в постели.
18) Оденьте шатуны на коленчатый вал.
19) Очистите бугеля и вкладыши, смажьте вкладыши маслом, и установите в бугеля.
20) Оденьте бугеля каждый на свой шатун, и затяните.
21) Очистите привалочную поверхность блока цилиндров и головки блока цилиндров.
22) Поставьте новую прокладку головки блока цилиндров.
23) Установите и затяните головку блока цилиндров.
24) Установите и затяните прокладку и масляный поддон двигателя.
25) Поставьте и подключите все навесное оборудование.
26) Залейте охлаждающую жидкость и масло.
27) Поставьте аккумулятор.
28) Заведите двигатель и обкатайте на холостых оборотах в течение восьми — десяти часов.
29) Обкатайте автомобиль в движении.

Заменить ЦПГ сможет любой водитель. В этой статье описан порядок действий по замене, и некоторые секреты, которые позволят хорошо отремонтировать мотор.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Молекулярные покрытия

При молекулярном покрытии компоненты связываются на молекулярном уровне, что позволяет сделать поверхность твердой, и, как следствие, лучше отражать тепло в результате отталкивания молекул.

Иными словами, молекулы отталкиваются от поверхности, не отдавая при этом большую часть энергии.

В результате такого покрытия создается чрезвычайно жесткая поверхность, а сам процесс связывания напоминает металлизацию.

При молекулярном покрытии используют разные запатентованные составы, к примеру, одним из современных составов является Нитри?д тита?на.

Причины проявления

Это повреждение возникает из-за термической перегрузки поршня. В данном случае следует рассматривать две причины повреждения, различающиеся между собой:

Нарушение процесса сгорания топлива:

Этот дефект можно определить по следующим признакам в двигателе:

• Кромка камеры сгорания имеет «скусы».
• Плохое струйное распределение инжекторных форсунок.
• Давление и объём подачи топлива инжекторных форсунок настроены неправильно.
• Жаровой пояс в направлении оси поршневого пальца имеет задиры.

Сбой процесса сгорания топлива может иметь несколько причин.

• В камере сгорания находится слишком богатая воздушнотопливная смесь. В этом случае следует рассмотреть следующие неполадки:
  • Подача воздуха ограничена, например, из-за засорённого воздушного фильтра.
  • Неправильно отрегулирован объём подачи топлива.
  • Неправильно отрегулирован начальный момент подачи топлива.
  • Игла форсунки заедает или перемещается с трудом.
  • Засор в газовыпускной системе.
• Имеет место запаздывание зажигания и перебои в зажигании, а именно, по следующим причинам:
  • Было заправлено неподходящее топливо или топливо со слишком низким цетановым числом, или же в дизельном топливе присутствует бензин.
  • Клапаны негерметичны, что ведёт к потере компрессии.
  • Зазор между днищем поршня и головкой блока цилиндров слишком велик, поэтому слишком мала степень сжатия.
  • Неисправна система предварительного прогрева воздуха (прежде всего, при очень низкой внешней температуре).

Перегрев головки поршня:

Это явление имеет следующие симптомы:

• Камера сгорания поршня не повреждена.
• Наблюдается хорошее струйное распределение на днище поршня.

Слишком высокий уровень температуры головки поршня может иметь следующие причины:

• Форсунка охлаждающего масла деформирована, вырвана или не установлена (монтажная ошибка).
• Превышен интервал замены масла. В этом случае опасность полимеризации моторного масла возникает, прежде всего, при использовании биотоплива на основе рапсового и соевого масла, что может привести к засорению форсунок охлаждающего масла.
• Посторонние включения, например, остатки прокладочных материалов и т. п., мешают требуемой циркуляции масла в контуре.