Цилиндр двигателя условия работы - Автомобильный журнал
Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Цилиндр двигателя условия работы

Условия работы и основные требования, предъявляемые к материалу гильз блока цилиндров Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — A. H. Крутилиh, M. И. Курбатов, М. И. Курбатова

The conditions of work and main requirements to material of the cylinders block liners are given.

Текст научной работы на тему «Условия работы и основные требования, предъявляемые к материалу гильз блока цилиндров»

ДГТТгГ: rr ГСГЗГШГРГТГС

The conditions of work and main requirements to material of the cylinders block liners are given.

А. Н. КРУТИЛИН, М. И. КУРБАТОВ, М. И КУРБАТОВА, БИТУ

УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАТЕРИАЛУ ГИЛЬЗ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ

Технический прогресс в области двигателест-роения, направленный на увеличение удельной мощности современных двигателей, связан с ростом давлений и тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы, что неизбежно приводит к ухудшению условий трения и интенсификации износа гильз цилиндров и поршневых колец.

Несмотря на постоянное совершенствование конструкции двигателей, технологии их производства и ремонта, вопросы повышения износостойкости деталей цилиндропоршневой группы продолжают привлекать исследователей и практиков. До сих пор в технической литературе не существует общепринятого критерия износостойкости для различных процессов изнашивания. Нет единой точки зрения и на особенности износа пары трения гильза цилиндров — поршневое кольцо. При трении протекают одновременно различные процессы разрушения. Различают хрупкий, вязкий, полидеформационный или усталостный характер разрушения. Первые два вида разрушения имеют место при однократном контактировании микровыступов, остальные — после определенного числа циклов. Если напряжения в очаге касания выше предела текучести, но ниже предела прочности, то разрушение носит полидеформационный характер, а при напряжениях ниже предела текучести — усталостный. Уменьшение величины износа возможно при снижении уровня хрупкого и вязкого разрушения.

Достижения в области физики твердого тела, физико-химической механики, металловедения и технологии производства позволяют с новых позиций объяснить механизмы повреждений трущихся поверхностей и выбрать эффективные способы борьбы с износом.

Сопряжение гильза цилиндра — поршневое кольцо работает при нестационарных тепловых, нагрузочных, скоростных режимах, масляном

голодании, воздействии абразивной и газовых сред, возникновении микросхватывания с различной интенсивностью разрушения. Этому сопутствуют необратимые процессы усталости и охрупчивания, постоянно происходящие в тонких поверхностных слоях. Условия трения по высоте цилиндра различны. Наиболее неблагоприятные условия трения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания возникают при реверсировании в зонах минимальных скоростей движения поршня и особенно у камеры сгорания, где температура поверхностей трения цилиндра и колец достигает 350°С, максимальное давление — 6—16 МПа.

Как показывают исследования, около мертвых точек всегда наблюдается почти полное разрушение масляной пленки. В области повышенных скоростей движения поршня несущая способность пленки возрастает и может достигнуть величины, присущей режиму трения в случае полужидкостной смазки.

В процессе эксплуатации двигателей на трущихся поверхностях протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к износу и разрушению их поверхностного слоя, т.е. к изменению размеров и геометрии сопряженных деталей. Характер протекания этих процессов, в свою очередь, определяет мощностные и экономические показатели работы двигателя.

Наибольшее влияние из внешних факторов на интенсивное протекание изнашивания за счет микросхватывания оказывают абразивное воздействие твердых частиц и температура в зоне фрикционного контакта. В зависимости от свойств материалов и условий трения этот вид изнашивания может протекать на атомарном, ионном, субмикро- и макроуровнях с различной интенсивностью, достигая в экстремальном случае катастрофической формы — задира.

В зависимости от режимов трения в цилиндре двигателя, свойств материалов втулки, поршня и поршневых колец можно наблюдать различную

интенсивность массопереноса с одной поверхности трения на другую и разные размеры разрушения сопряженных поверхностей, реализуемые в макро-, микро- и субмикрообъемах.

Абразивное изнашивание деталей цилиндропор-шневой группы вызвано в основном частицами минерального происхождения, проникающими вместе с воздухом в цилиндр. Максимальный износ находится в верхней части гильзы, сильно изнашиваются верхнее компрессионное кольцо и канавка под него в поршне. Абразивное изнашивание протекает в процессе микрорезания и царапания поверхности детали твердыми абразивными частицами.

Коррозионно-механический износ гильз цилиндров состоит во взаимодействии материала поверхностей, трения с газообразными и жидкими продуктами сгорания топлива, окисления масла и воды. Условия для его развития создаются при холодных запусках двигателя. Продукты сгорания топлива и смазки, взаимодействуя с конденсатом, образуют разбавленные растворы органических и неорганических кислот. В результате на внутренней поверхности гильз цилиндров развиваются процессы электрохимической коррозии.

Коррозионно-механический износ состоит обычно из двух фаз: фазы воздействия агрессивного вещества на металл и образования оксидной пленки, и фазы удаления этой пленки с поверхности трения. Считается, что для гильз цилиндров двигателей основное значение имеет электрохимическая коррозия, являющаяся результатом взаимодействия с металлом слабых кислот, растворенных в воде и сконденсировавшихся на стенках цилиндров. Практика показывает, что в настоящее время доля коррозионно-механическо-го изнашивания резко уменьшилась. Природа коррозионно-механического износа гильзы изучена еще недостаточно и не все процессы объяснимы с точки зрения износа. Нельзя рассматривать только коррозионно-механический износ гильзы без учета остальных факторов.

Анализ причин преждевременного износа гильз цилиндров показывает, что нарушение работоспособности обусловлено также кавитационными процессами и образованием трещин на зеркале гильзы в результате термоциклической усталости ее материала.

Кавитационное разрушение гильз цилиндров возникает в системе охлаждения двигателя под воздействием высокочастотных вибраций цилиндров, возмущаемых ударами поршня о стенки цилиндров в верхней мертвой точке. Вибрация вызывает в водяной рубашке образование и схло-пывание кавитационных пузырей, что обусловливает кавитационную эрозию. Механизм разрушения металла при кавитации очень сложен и зависит от многих факторов, например, интенсивности и частоты вибрации поверхности, давления в среде и свойств материала разрушаемой поверхности.

Разрушение стенок и гильз цилиндров под воздействием кавитационной эрозии существенно снижает срок службы и надежность двигателей внутреннего сгорания. Практика эксплуатации двигателей показывает, что до 50% гильз, находящихся в работе, имеют кавитационные разрушения.

Кроме различных видов износа и кавитационной эрозии, значительное влияние на долговечность гильз цилиндров оказывают частые теплосмены, которые неизбежно происходят при эксплуатации двигателя. В результате в процессе работы происходит изменение макро- и микроструктуры сплава.

Рассмотренные выше виды износа цилиндров относятся к режимам эксплуатации двигателей. Молекулярно-механический износ и микросхватывания поверхностей кольца и цилиндра наблюдаются при недостаточной смазке верхней зоны цилиндра. Коррозионно-механический износ наблюдается при нарушении теплового режима двигателя. Абразивный износ является следствием плохой очистки воздуха, т.е. в первую очередь недостаточного уплотнения картера.

Во всех случаях эксплуатации и при любом доминирующем виде износа гильза изнашивается неравномерно по длине образующей цилиндра, имеет место ярко выраженный максимум в верхней части, в зоне между верхними мертвыми точками первого и второго компрессионного колец. Возникновение неравномерного износа цилиндра вызывает повышение износа всех деталей цилиндропоршневой группы и резкое уменьшение надежности их работы.

За рубежом в основном применяют гильзы без термической обработки только для двигателей, работающих в условиях большой запыленности, используют закаленные гильзы. Гильзы имеют твердость НЯС 50-55 при объемной закалке и НЯУ 800 при поверхностной. Большое внимание уделяют распределению остаточных напряжений в гильзах цилиндров. При литье в песчано-глинис-тую форму остаточные напряжения не превышают 50 МПа, поэтому они не могут оказать существенного влияния на изменение геометрии в процессе эксплуатации и на возможный процесс трещино-образования. В большинстве заготовок гильз, полученных центробежным способом литья, остаточные напряжения также малы

120МПа, т.е. не превышают предела прочности материала (180-220 МПа). Суммарные напряжения, возникающие при последовательном снятии растягивающих слоев у одной из поверхностей посредством механической обработки, а также появление дополнительных напряжений от зажима заготовки на станке и усилия резания, в результате перераспределения напряжений могут превысить предел прочности материала. В ряде случаев это приводит к разрушению гильзы. Склонность к трещинообразованию отдельных гильз центробежного литья связана с наличием в них неблагоприятного распределения остаточных напряжений.

Таким образом, исходя из реальных условий эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, требования к гильзам цилиндров можно сформулировать следующим образом:

• высокая механическая, статическая и усталостная прочность;

• кавитационная и термоциклическая стойкость;

• высокая износостойкость и низкий коэффициент трения;

• стабильность свойств в процессе эксплуатации;

• хорошая обрабатываемость резанием;

• технологичность получения заготовок.

В практике мирового двигателестроения для гильз цилиндров в качестве материалов применяются сырые, легированные и высокопрочные чугу-ны. Чугун лучше других материалов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к деталям цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, работающих в условиях граничной смазки.

Большинство производителей обеспечивают получение во втулках средне- и мелкопластинчатых включений графита завихренной формы, структурно свободный цементит вообще не допускают вследствие возможного выкрашивания его в зоне скольжения. Действуя как абразив, он может вызвать задиры и повышенный износ. Содержание феррита не более 5%, так как он способен пластически деформироваться, наклёпываться и схватываться, приводя к неравномерному и интенсивному износу.

Содержание фосфора выбирают с учетом его влияния как на образование сетки фосфидной эвтектики, повышающей износостойкость, так и воздействием его на прочность, которая с увеличением содержания фосфора повышается.

Основными элементами, с помощью которых регулируют структуру металлической основы, а также количество, размер и форму графита, являются углерод, кремний и марганец. Содержание этих элементов выбирается с учетом толщины стенки гильзы. Применительно к деталям, работающим на износ, установлено, что увеличение общего содержания углерода повышает износостойкость, улучшает антизадирные свойства вследствие увеличения количества графита. Однако содержание углерода рекомендуется ограничивать, так как его чрезмерное содержание может привести к укрупнению графитных включений, которые легко выкрашиваются в процессе эксплуатации, сильно разрыхляя металлическую основу чугуна.

Читать еще:  Характеристики двигателя хонда vtec

Марганец предупреждает выделение феррита, способствует отбелу и в известных пределах весьма благоприятно влияет на износостойкость деталей цилиндропоршневой группы, его содержание рекомендуют поддерживать в пределах 0,4—0,7%.

шгггг:гг п^штптп / то

Присадкой повышенных количеств марганца можно значительно повысить прочность чугуна при малой степени измельчения графита.

В качестве легирующих элементов чаще всего применяют различные сочетания хрома, никеля, меди, ванадия, титана, молибдена, сурьмы и некоторых других элементов.

Анализ микроструктуры металлической матрицы чугунов, используемых для изготовления гильз цилиндров, свидетельствует о том, что практически все они перлитного класса. Закаленные гильзы используют только для двигателей, работающих в условиях большой запыленности. Термическая обработка позволяет значительно ослабить отрицательное действие таких факторов, как колебание химического состава, влияние температуры перегрева и заливки металла, некачественные эксплуатационные материалы, фильтры и т.п. Однако в процессе поверхностной термообработки, хотя и в меньшей степени, а объемной в большей наблюдается значительное коробление гильзы.

Бейнитный чугун имеет более высокую стойкость к абразивному изнашиванию и задиру, чем более мягкие марки чугуна, а это позволяет удвоить срок службы гильз. Мартенситная закалка еще более увеличила бы износостойкость (срок службы увеличивается в 5 раз), но полученная таким образом структура имеет небольшую стойкость к интенсивному задиру и ей необходим отпуск между 300 и 500°С для снижения твердости до 250-350 НВ.

Промышленное использование легирования ограничивается непостоянством получаемых результатов, что подтверждается практикой работы заводов при производстве заготовок для гильз цилиндров тракторных и автомобильных двигателей. Накопленный опыт применения чугунов для гильз цилиндров двигателей позволяет сделать вывод о том, что каждый из этих сплавов обеспечивает надежную работу гильз в течение 4,5-5,5 тыс. ч при условии равномерного распределения структурных составляющих, вредных примесей и неметаллических включений на рабочих поверхностях, а также применение совершенных фильтрующих устройств двигателей и высококачественных горючих и смазочных материалов. Равномерность свойств по сечению гильзы не является оптимальной. С эксплуатационной точки зрения можно считать, что оптимальной структурой на внутренней поверхности гильзы является бейнитная или мартенситная, а с наружной стороны — ферритная как наиболее теплопроводная структурная составляющая.

Получение высоких эксплуатационных свойств гильз цилиндров может быть достигнуто только за счет правильно выбранного технологического процесса и строгой оптимизации химического состава и структуры.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

  1. Что такое цилиндр и поршень?
  2. Из чего изготавливают цилиндры и поршни?
  3. Охлаждение ЦПГ
  4. Система смазки цилиндров
  5. Неисправности при эксплуатации

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.

Читать еще:  Влияние запуска двигателя в морозы

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.

Почему прогорел поршень?

Почему прогорают поршни, если форсунки исправны

Сами по себе дефекты в механической части двигателя, как известно, не появляются. Практика показывает: всегда есть причины повреждения и выхода из строя тех или иных деталей. Разобраться в них непросто, особенно, когда повреждены составляющие поршневой группы.

Поршневая группа — традиционный источник неприятностей, подстерегающих водителя, эксплуатирующего автомобиль, и механика, его ремонтирующего. Перегрев двигателя, небрежность в ремонте, и, пожалуйста, – повышенный расход масла, сизый дым, стук.

При «вскрытии» такого мотора неминуемо обнаруживаются задиры на поршнях, кольцах и цилиндрах. Вывод неутешителен — требуется дорогостоящий ремонт. И возникает вопрос: чем провинился двигатель, что его довели до такого состояния?

Двигатель, конечно, не виноват. Просто необходимо предвидеть, к чему приводят те или иные вмешательства в его работу. Ведь поршневая группа современного двигателя — «материя тонкая» во всех смыслах. Сочетание минимальных размеров деталей с микронными допусками и громадными силами давления газов, и инерции, действующими на них, способствует появлению и развитию дефектов, приводящих в конечном счете к выходу двигателя из строя.

Во многих случаях простая замена поврежденных деталей — не лучшая технология ремонта двигателя. Причина-то появления дефекта осталась, а раз так, то его повторение неминуемо.

Чтобы этого не случилось, грамотному мотористу, как гроссмейстеру, необходимо думать на несколько ходов вперед, просчитывая возможные последствия своих действий. Но и этого недостаточно — необходимо выяснить, почему возник дефект. А здесь без знания конструкции, условий работы деталей и процессов, происходящих в двигателе, как говорится, делать нечего. Поэтому, прежде чем анализировать причины конкретных дефектов и поломок, неплохо было бы знать.

Как работает поршень?

Поршень подвижная деталь, плотно перекрывающая цилиндр в поперечном сечении и перемещающаяся вдоль его оси. Поршень предназначен для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом. современного двигателя — деталь на первый взгляд простая, но крайне ответственная и одновременно сложная. В его конструкции воплощен опыт многих поколений разработчиков.

И в какой-то степени поршень формирует облик всего двигателя. В одной из прошлых публикаций мы даже высказали такую мысль, перефразировав известный афоризм: «Покажи мне поршень, и я скажу, что у тебя за двигатель».

Итак, с помощью поршня в двигателе решается несколько задач. Первая и главная — воспринять давление газов в цилиндре и передать возникшую силу давления через поршневой палец шатуну. Далее эта сила будет преобразована коленвалом в крутящий момент двигателя.

Решить задачу преобразования давления газов во вращательный момент невозможно без надежного уплотнения движущегося поршня в цилиндре. Иначе неминуем прорыв газов в картер двигателя и попадание масла из картера в камеру сгорания.

Для этого на поршне организован уплотнительный пояс с канавками, в которые установлены компрессионные и маслосъемные кольца специального профиля. Кроме того, для сброса масла в поршне выполнены особые отверстия.

Но этого мало. В процессе работы днище поршня (огневой пояс), непосредственно контактируя с горячими газами, нагревается, и это тепло надо отводить. В большинстве двигателей задача охлаждения решается с помощью тех же поршневых колец — через них тепло передается от днища стенке цилиндра и далее — охлаждающей жидкости. Однако в некоторых наиболее нагруженных конструкциях делают дополнительное масляное охлаждение поршней, подавая масло снизу на днище с помощью специальных форсунок. Иногда применяют и внутреннее охлаждение — форсунка подает масло во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Для надежного уплотнения полостей от проникновения газов и масла поршень должен удерживаться в цилиндре так, чтобы его вертикальная ось совпадала с осью цилиндра. Разного рода перекосы и «перекладки», вызывающие «болтание» поршня в цилиндре, негативно сказываются на уплотняющих и теплопередающих свойствах колец, увеличивают шумность работы двигателя.

Удерживать поршень в таком положении призван направляющий пояс — юбка поршня. Требования к юбке весьма противоречивы, а именно: необходимо обеспечить минимальный, но гарантированный, зазор между поршнем и цилиндром как в холодном, так и в полностью прогретом двигателе.

Задача конструирования юбки усложняется тем, что температурные коэффициенты расширения материалов цилиндра и поршня различны. Мало того, что они изготовлены из различных металлов, их температуры нагрева разнятся во много раз.

Чтобы нагретый поршень не заклинило, в современных двигателях принимают меры по компенсации его температурных расширений.

Во-первых, в поперечном сечении юбке поршня придается форма эллипса, большая ось которого перпендикулярна оси пальца, а в продольном — конуса, сужающегося к днищу поршня. Такая форма позволяет обеспечить соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, препятствуя заклиниванию.

Во-вторых, в ряде случаев в юбку поршня заливают стальные пластины. При нагревании они расширяются медленнее и ограничивают расширение всей юбки.

Использование легких алюминиевых сплавов для изготовления поршней — не прихоть конструкторов. На высоких частотах вращения, характерных для современных двигателей, очень важно обеспечить низкую массу движущихся деталей. В подобных условиях тяжелому поршню потребуется мощный шатун, «могучий» коленвал и слишком тяжелый блок с толстыми стенками. Поэтому альтернативы алюминию пока нет, и приходится идти на всяческие ухищрения с формой поршня.

В конструкции поршня могут быть и другие «хитрости». Одна из них — обратный конус в нижней части юбки, призванный уменьшить шум из-за «перекладки» поршня в мертвых точках. Улучшить смазку юбки помогает специальный микропрофиль на рабочей поверхности — микроканавки с шагом 0,2-0,5 мм, а уменьшить трение — специальное антифрикционное покрытие. Профиль уплотнительного и огневого поясов тоже определенный — здесь самая высокая температура, и зазор между поршнем и цилиндром в этом месте не должен быть ни большим (возрастает вероятность прорыва газов, опасность перегрева и поломки колец), ни маленьким (велика опасность заклинивания). Нередко стойкость огневого пояса повышается анодированием.

Все, что мы рассказали, — далеко не полный перечень требований к поршню. Надежность его работы зависит и от сопряженных с ним деталей: поршневых колец (размеры, форма, материал, упругость, покрытие), поршневого пальца (зазор в отверстии поршня, способ фиксации), состояния поверхности цилиндра (отклонения от цилиндричности, микропрофиль). Но уже становится ясно, что любое, даже не слишком значительное, отклонение в условиях работы поршневой группы быстро приводит к появлению дефектов, поломкам и выходу двигателя из строя. Чтобы в дальнейшем качественно отремонтировать двигатель, необходимо не только знать, как устроен и работает поршень, но и уметь по характеру повреждения деталей определить, почему, к примеру, возник задир или.

Почему прогорел поршень?

Анализ различных повреждений поршней показывает, что все причины дефектов и поломок делятся на четыре группы: нарушение охлаждения, недостаток смазки, чрезмерно высокое термосиловое воздействие со стороны газов в камере сгорания и механические проблемы.

Вместе с тем многие причины возникновения дефектов поршней взаимосвязаны, как и функции, выполняемые его различными элементами. Например, дефекты уплотняющего пояса вызывают перегрев поршня, повреждения огневого и направляющего поясов, а задир на направляющем поясе ведет к нарушению уплотнительных и теплопередающих свойств поршневых колец.

Читать еще:  Шкода как улучшить прогрев двигателя

В конечном счете это может спровоцировать прогар огневого пояса.

Отметим также, что практически при всех неисправностях поршневой группы возникает повышенный расход масла. При серьезных повреждениях наблюдаются густой, сизый дым выхлопа, падение мощности и затрудненный запуск из-за низкой компрессии. В некоторых случаях прослушивается стук поврежденного поршня, особенно на непрогретом двигателе.

Иногда характер дефекта поршневой группы удается определить и без разборки двигателя по указанным выше внешним признакам. Но чаще всего такая «безразборная» диагностика неточна, поскольку разные причины нередко дают практически один и тот же результат. Поэтому возможные причины дефектов требуют детального анализа.

Нарушение охлаждения поршня — едва ли не самая распространенная причина появления дефектов. Обычно это происходит при неисправности системы охлаждения двигателя (цепочка: «радиатор-вентилятор-датчик включения вентилятора-водяной насос») либо из-за повреждения прокладки головки блока цилиндров. Во всяком случае, как только стенка цилиндра перестает омываться снаружи жидкостью, ее температура, а вместе с ней и температура поршня, начинают расти. Поршень расширяется быстрее цилиндра, к тому же неравномерно, и в конечном итоге зазор в отдельных местах юбки (как правило, вблизи отверстия под палец) становится равным нулю. Начинается задир — схватывание и взаимный перенос материалов поршня и зеркала цилиндра, а при дальнейшей работе двигателя происходит заклинивание поршня.

После остывания форма поршня редко приходит в норму: юбка оказывается деформированной, т.е. сжатой по большой оси эллипса. Дальнейшая работа такого поршня сопровождается стуком и повышенным расходом масла.

В некоторых случаях задир на поршне распространяется на уплотнительный пояс, завальцовывая кольца в канавки поршня. Тогда цилиндр, как правило, выключается из работы (слишком мала компрессия), а говорить о расходе масла вообще трудно, поскольку оно будет просто вылетать из выхлопной трубы.

Недостаточная смазка поршня чаще всего характерна для пусковых режимов, особенно при низких температурах. В подобных условиях топливо, поступающее в цилиндр, смывает масло со стенок цилиндра, и возникают задиры, которые располагаются, как правило, в средней части юбки, на ее нагруженной стороне.

Двухсторонний задир юбки обычно встречается при длительной работе в режиме масляного голодания, связанного с неисправностями системы смазки двигателя, когда количество масла, попадающего на стенки цилиндров, резко уменьшается.

Недостаток смазки поршневого пальца — причина его заклинивания в отверстиях бобышек поршня. Такое явление характерно только для конструкций с пальцем, запрессованным в верхнюю головку шатуна. Этому способствует малый зазор в соединении пальца с поршнем, поэтому «прихваты» пальцев чаще наблюдаются у относительно новых двигателей.

Чрезмерно высокое термосиловое воздействие на поршень со стороны горячих газов в камере сгорания — частая причина дефектов и поломок. Так, детонация приводит к разрушению перемычек между кольцами, а калильное зажигание — к прогарам.

У дизелей чрезмерно большой угол опережения впрыска топлива вызывает очень быстрое нарастание давления в цилиндрах («жесткость» работы), что также может вызвать поломку перемычек. Такой же результат возможен и при использовании различных жидкостей, облегчающих запуск дизеля.

Днище и огневой пояс могут повреждаться при слишком высокой температуре в камере сгорания дизеля, вызванной неисправностью распылителей форсунок. Аналогичная картина возникает и при нарушении охлаждения поршня — например, при закоксовывании форсунок, подающих масло к поршню, имеющему кольцевую полость внутреннего охлаждения. Задир, возникающий на верхней части поршня, может распространяться и на юбку, захватывая поршневые кольца.

Механические проблемы, пожалуй, дают самое большое разнообразие дефектов поршневой группы и их причин. Например, абразивный износ деталей возможен как «сверху», из-за попадания пыли через рваный воздушный фильтр, так и «снизу», при циркуляции абразивных частиц в масле. В первом случае наиболее изношенными оказываются цилиндры в верхней их части и компрессионные поршневые кольца, а во втором — маслосъемные кольца и юбка поршня. Кстати, абразивные частицы в масле могут появиться не столько от несвоевременного обслуживания двигателя, сколько в результате быстрого износа каких-либо деталей (например, распредвала, толкателей и др.).

Редко, но встречается эрозия поршня у отверстия «плавающего» пальца при выскакивании стопорного кольца. Наиболее вероятные причины этого явления — непараллельность нижней и верхней головок шатуна, приводящая к значительным осевым нагрузкам на палец и «выбиванию» стопорного кольца из канавки, а также использование при ремонте двигателя старых (потерявших упругость) стопорных колец. Цилиндр в таких случаях оказывается поврежденным пальцем настолько, что уже не подлежит ремонту традиционными методами (расточка и хонингование).

Иногда в цилиндр могут попадать посторонние предметы. Такое чаще всего происходит при неаккуратной работе во время обслуживания или ремонта двигателя. Гайка или болт, оказавшись между поршнем и головкой блока, способны на многое, в том числе и просто «провалить» днище поршня.

Рассказ о дефектах и поломках поршней можно продолжать очень долго. Но и того, что уже сказано, достаточно, чтобы сделать некоторые выводы. По крайней мере, уже можно определить.

Как избежать прогара?

Правила очень просты и вытекают из особенностей работы поршневой группы и причин появления дефектов. Тем не менее, многие водители и механики забывают о них, что называется, со всеми вытекающими последствиями.

Хотя это и очевидно, но при эксплуатации все-таки необходимо: содержать в исправности системы питания, смазки и охлаждения двигателя, вовремя их обслуживать, излишне не нагружать холодный двигатель, избегать применения некачественного топлива, масла и несоответствующих фильтров и свечей зажигания. А если что-то с двигателем не так, не доводить его «до ручки», когда ремонт уже не обойдется «малой кровью».

При ремонте необходимо добавить и неукоснительно выполнять еще несколько правил. Главное, на наш взгляд, — нельзя стремиться к обеспечению минимальных зазоров поршней в цилиндрах и в замках колец. Эпидемия «болезни малых зазоров», когда-то поразившая многих механиков, все еще не прошла. Более того, практика показала, что попытки «поплотнее» установить поршень в цилиндре в надежде на уменьшение шума двигателя и увеличение его ресурса почти всегда заканчиваются обратным: задирами поршней, стуками, расходом масла и повторным ремонтом. Правило «лучше зазор на 0,03 мм больше, чем на 0,01 мм меньше» работает всегда и для любых двигателей.

Остальные правила традиционны: качественные запасные части, правильная обработка изношенных деталей, тщательная мойка и аккуратная сборка с обязательным контролем на всех этапах.

ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ

Научно-технический энциклопедический словарь .

  • ЦИКЛОТРОН
  • ЦИЛИНДР

Смотреть что такое «ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ» в других словарях:

цилиндр двигателя бензопилы «Урал» — Деталь, имеющая внутреннюю цилиндрическую полость, в которой перемещается поршень, изменяя объем полостей по одну и другую сторону поршня. Цилиндр участвует в преобразовании энергии горючей смеси в энергию движения поршня. [http://sl3d.ru/o… … Справочник технического переводчика

цилиндр — ЦИЛИНДР1, а, м Предмет, имеющий форму геометрического тела, образованного вращением прямоугольника вокруг оси, проходящей через одну из его сторон, и использующийся в технике как обозначение деталей или устройств, имеющих форму такого тела.… … Толковый словарь русских существительных

ЦИЛИНДР — (лат. cylindrus) 1) геометрическое тело, ограниченное с концов двумя кругами, с боков плоскостью, огибающею эти круги. 2) в часовом мастерстве: особого рода рычаг двойного колеса. 3) шляпа, имеющая форму цилиндра. Словарь иностранных слов,… … Словарь иностранных слов русского языка

Цилиндр (значения) — Цилиндр геометрическое тело. Цилиндрическая поверхность трёхмерная поверхность, описываемая квадратичным уравнением. Цилиндр (головной убор) Цилиндр (двигатель) часть поршневого двигателя внутреннего сгорания. Цилиндр (дисковый накопитель) набор… … Википедия

цилиндр — а, м. cylindre m., нем. Zylinder <, лат. cylindrus <гр. 1. Геометрическое тело, образуемое вращение прямоугольника вокруг одной из его сторон. Объем цилиндра. БАС 1. Толстота цилиндра равна площади его основанья, помноженной на высоту. Даль … Исторический словарь галлицизмов русского языка

Цилиндр (двигатель) — У этого термина существуют и другие значения, см. Цилиндр (значения). Гильза цилиндра … Википедия

Цилиндр (механич.) — Головка цилиндра двигателя в сборе Цилиндр одна из главных частей поршневого двигателя внутреннего сгорания. Представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения. Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно… … Википедия

ЦИЛИНДР — (от греч. kylindros валик, каток, цилиндр) 1) геом. тело, образов, вращением прямоугольника около одной стороны (см. рис.); объём II. V = nr2h, а площадь боковой поверхности S = 2пrh. Боковая поверхность Ц. есть часть цилиндрич. поверхности. 2)… … Большой энциклопедический политехнический словарь

цилиндр — а; м. 1. Геометрическое тело, образованное вращением прямоугольника вокруг одной из его сторон. Вычислить объём цилиндра. 2. Техн. Деталь или устройство, имеющие форму такого тела. Ц. двигателя. Поршень цилиндра. 3. Высокая твёрдая мужская шляпа… … Энциклопедический словарь

Цилиндр — I м. Геометрическое тело, образуемое вращением прямоугольника вокруг одной из его сторон. II м. Высокая твёрдая мужская шляпа цилиндрической формы с небольшими твёрдыми полями. III м. 1. Деталь или устройство, имеющее форму цилиндра [цилиндр I]… … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector