Устройство цпг автомобиля – Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы

Поршень двигателя (назначение, устройство, принцип работы)

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.

Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?

Содержание статьи

Устройство детали включает в себя три составляющие:

1. Днище.
2. Уплотняющая часть.
3. Юбка.

Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.

Днище

Днище — основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.

Главный параметр днища — форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.

В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.

В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности  проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.

В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.

Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых — устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня — канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать  причиной их разрушения.

Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.

Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 — 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным.

В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.

Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.

Вас также заинтересует:

Юбка

Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.

Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.

Для фиксации пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.

Типы поршней

В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.

Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.

В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.

Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.

Материалы изготовления

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

• возможность использования только в дизельных двигателях;
• больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
• необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
• более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

Видео: Принцип работы поршня двигателя. Устройство

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 ДВС. 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.

Принцип работы цилиндро-поршневой группы

Современные двигатели внутреннего сгорания оснащены блоками, в которые входят от 1 до 16 цилиндров – чем их больше, тем мощнее ДВС.

Внутренняя часть каждого цилиндра – гильза – является его рабочей поверхностью. Внешняя – рубашка – составляет единое целое с корпусом блока. Рубашка имеет множество каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра находится поршень. В результате давления газов, выделяющихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси, он совершает возвратно-поступательное движения и передает усилия на шатун. Кроме того, поршень выполняет функцию герметизации камеры сгорания и отводит от нее излишки тепла.

Поршень включает следующие конструктивные элементы:

• Головку (днище)
• Поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные)
• Направляющую часть (юбку)

Бензиновые двигатели оснащены достаточно простыми в изготовлении поршнями с плоской головкой. Некоторые модели имеют канавки, способствующие максимальному открытию клапанов. Поршни дизельных ДВС отличаются наличием на днищах выемок – благодаря им воздух, поступающий в цилиндр, лучше перемешивается с топливом.

Кольца, установленные в специальные канавки на поршне, обеспечивают плотность и герметичность его соединения с цилиндром. В двигателях разного типа и предназначения количество и расположение колец могут отличаться.

Чаще всего поршень содержит два компрессионных и одно маслосъемное кольцо.

Компрессионные (уплотняющие) кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную или коническую форму. Они служат для минимизации попадания газов в картер двигателя, а также отведения тепла от головки поршня к стенкам цилиндра.

Верхнее компрессионное кольцо, которое изнашивается быстрее всех, обычно обработано методом пористого хромирования или напылением молибдена. Благодаря этому оно лучше удерживает смазочный материал и меньше повреждается. Остальные уплотняющие кольца для лучшей приработки к цилиндрам покрывают слоем олова.

С помощью маслосъемного кольца поршень, совершающий возвратно-поступательные движения в гильзе, собирает с ее стенок излишки масла, которые не должны попасть в камеру сгорания. Через дренажные отверстия поршень «забирает» масло внутрь, а затем отводит его в картер двигателя.

Направляющая часть поршня (юбка) обычно имеет конусную или бочкообразную форму – это позволяет компенсировать неравномерное расширение поршня при высоких рабочих температурах. На юбке расположено отверстие двумя выступами (бобышками) – в нем крепится поршневой палец, служащий для соединения поршня с шатуном.

Палец представляет собой деталь трубчатой формы, которая может либо закрепляться в бобышках поршня или головке шатуна, либо свободно вращаться и в бобышках, и в головке (плавающие пальцы).

Поршень с коленчатым валом соединяется шатуном. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленвала, а стержень совершает сложные колебательные движения. Шатун в процессе работы подвергается высоким нагрузкам – сжатию, изгибу и растяжению – поэтому его производят из прочных, жестких, но в то же время легких (в целях уменьшения сил инерции) материалов.

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 ДВС, 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.

Из специального высокопрочного чугуна с легирующими добавками (молибденом, хромом, вольфрамом, никелем) производятся сегодня поршневые кольца – части ЦПГ, которые наиболее подвержены износу и деформациям.

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

.

Методы охлаждения и смазывания цилиндро-поршневой группы

В каждом цикле работы двигателя при температуре, достигающей +2000 °С, сгорает большое количество топливно-воздушной смеси. При этом все детали цилиндро-поршневой группы испытывают экстремальные температурные воздействия, поэтому нуждаются в эффективном охлаждении – воздушном или жидкостном.

Наружная поверхность цилиндров ДВС с воздушным охлаждением покрыта множеством ребер, которые обдувает встречный или искусственно созданный воздухозаборниками воздух.

При водяном охлаждении жидкость, циркулирующая в толще блока, омывает нагретые цилиндры, забирая таким образом излишек тепла. Затем жидкость попадает в радиатор, где охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Второй по важности момент после отвода тепла – система смазки цилиндров. Без нее поршни рано или поздно подвергаются заклиниванию, что может привести к поломке двигателя.

Для того чтобы масляная пленка дольше удерживалась на внутренних поверхностях цилиндров, их подвергают хонингованию, т.е. нанесению специальной микросетки. Стабильность слоя масла гарантирует не только максимально низкое трение в паре «поршень-цилиндр», но и способствует отведению лишнего тепла из ЦПГ.

Неисправности ЦПГ и их диагностика

Даже грамотная эксплуатация автомобиля не гарантирует, что со временем не возникнет проблем с его цилиндро-поршневой группой.

О неисправностях деталей ЦПГ свидетельствует увеличение расхода масла, ухудшение пусковых качеств двигателя, снижение его мощности, появление каких-либо посторонних шумов при работе. Эти моменты нельзя игнорировать, так как стоимость ремонта цилиндро-поршневой группы иногда равна стоимости автомобиля в целом.

Под влиянием очень высоких нагрузок и температур:

• На рабочих поверхностях цилиндров появляются трещины, сколы, пробоины
• Посадочные места под гильзу деформируются
• Днища поршней оплавляются и прогорают
• Поршневые кольца разрушаются, закоксовываются, залегают
• На теле поршней возникают различные деформации
• Зазоры между поршнем и цилиндром сужаются, вследствие чего на юбках появляются задиры
• Наблюдается общий износ цилиндров и поршней

Перечисленные неисправности цилиндро-поршневой группы неизбежны при перегреве двигателя. Он может возникнуть из-за нарушения герметичности системы охлаждения, отказа термостата или помпы, сбоев в работе вентилятора охлаждения радиатора, поломки самого радиатора или его датчика.

Точно определить состояние цилиндров и поршней можно с помощью специализированной диагностики самой ЦПГ (при полной разборке двигателя) или других автомобильных систем (например, воздушного фильтра).

В ходе сервисных работ измеряется компрессия в цилиндрах ДВС, берутся пробы картерного масла и пр. – все это помогает оценить исправность работы цилиндро-поршневой группы.

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

Степень износа последних определяется с помощью индикаторного нутрометра. Трещины и сколы на стенках устраняются эпоксидными пастами или путем сварки.

Новые поршни – с нужным диаметром и массой – подбирают к гильзам, а поршневые пальцы – к поршням и втулкам верхних головок шатунов. Шатуны предварительно проверяют и при необходимости восстанавливают.

Как продлить ресурс ЦПГ?

Ресурс цилиндро-поршневой группы зависит от типа двигателя, режима его эксплуатации, регулярности обслуживания и многих других факторов. Срок службы ЦПГ отечественных автомобилей, как правило, меньше, чем у иномарок: около 200 тыс. км против 500 тыс.

Для того, чтобы детали ЦПГ вырабатывала свой ресурс полностью, рекомендуется:

• Использовать моторное масло, рекомендованное автопроизводителем
• Осуществлять замену масла и охлаждающей жидкости строго по регламенту
• Следить за температурным режимом работы двигателя, не допуская его перегрева и холодного запуска
• Регулярно проводить диагностику автомобиля
• Применять для обслуживания автокомпонентов специальные средства, которые могут защитить их от усиленного износа и максимально продлить срок службы

Что такое ЦПГ?

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания (ЦПГ) — поршень с компрессионными и маслосъемными кольцами, которые называются поршневыми кольцами, а также гильза цилиндра. Кольца установлены в специальные канавки на поршне. Именно поршневые кольца вступают в контакт с рабочей поверхностью цилиндра, а точнее с гильзой.

В процессе работы двигателя поршень с установленными кольцами совершает возвратно-поступательные движения внутри гильзы, в результате чего рабочая поверхность гильзы (зеркало цилиндра) подвергается постепенному износу. Также износу подвержены и сами компрессионные и маслосъемные кольца.

От состояния цилиндро-поршневой группы напрямую зависят важнейшие показатели, необходимые для стабильной работы двигателя внутреннего сгорания. Состояние ЦПГ влияет на показатель компрессии (давления) в цилиндрах ДВС. Необходимая компрессия бензинового и дизельного мотора обеспечивает уверенный холодный и горячий запуск двигателя, его мощность, экологичность и другие эксплуатационные показатели. 

От исправности и состояния ЦПГ также зависит расход топлива и моторного масла, а также продолжительность срока службы двигателя до его капитального ремонта. Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя подразумевает замену маслосъемных и компрессионных колец, расточку блока цилиндров, установку новых поршней и шатунов, гильзовку блока цилиндров.

Читайте также

Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы

Поршень – ключевая деталь КШМ цилиндрической формы, которая предназначена для трансформации топливной энергии в механическую работу автомобильного двигателя.

Поршень выполняет ряд важных функций:

• обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
• отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
• обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания

Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях – при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы – термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами – литьем или штамповкой.

Конструкция поршня

Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:

© Volkswagen AG

1. Головка поршня ДВС
2. Поршневой палец
3. Кольцо стопорное
4. Бобышка
5. Шатун
6. Юбка
7. Стальная вставка
8. Компрессионное кольцо первое
9. Компрессионное кольцо второе
10. Маслосъемное кольцо

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.

Днище

Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций – плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Поршневые кольца

Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения.  Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца

Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца –  предотвращают попадания газов в картер.

Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.

Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.

Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда – пружинным расширителем.

Поршневой палец

Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.

Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.

Юбка

Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.

Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.

Обязательный процесс работы поршневого устройства – это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:

• разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
• движением масла по змеевику в поршневой головке;
• подачей масла в область колец через кольцевой канал;
• масляным туманом

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня – маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.

В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.

Поршень двигателя: функции,конструкция,типы,фото,видео | НЕМЕЦКИЕ АВТОМАШИНЫ

 

Поршень занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива в тепловую и механическую. Поговорим про поршни двигателя внутреннего сгорания, что это такое и основное назначение в работе.

ЧТО ТАКОЕ ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ?

Поршень двигателя — это деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления. Изначально поршни для автомобильных двигателей внутреннего сгорания отливали из чугуна. С развитием технологий стали использовать алюминий, т.к. он давал следующие преимущества: рост оборотов и мощности, меньшие нагрузки на детали, лучшую теплоотдачу.

С тех пор мощность моторов выросла многократно, температура и давление в цилиндрах современных автомобильных двигателей (особенно дизельных моторов) стали такими, что алюминий подошёл к пределу своей прочности. Поэтому в последние годы подобные моторы оснащаются стальными поршнями, которые уверенно выдерживают возросшие нагрузки. Они легче алюминиевых за счет более тонких стенок и меньшей компрессионной высоты, т.е. расстояния от днища до оси алюминиевого пальца. А еще стальные поршни не литые, а сборные.
Помимо прочего, уменьшение вертикальных габаритов поршня при неизменном блоке цилиндров дает возможность удлинить шатуны. Это позволит снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр, что положительно скажется на расходе топлива и ресурсе двигателя. Или, не меняя шатунов и коленвала, можно укоротить блок цилиндров и таким образом облегчить двигатель

Поршень выполняет ряд важных функций:

• обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
• отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
• обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания

Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях – при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы – термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами – литьем или штамповкой.

Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней

Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:

• высокую механическую прочность;
• хорошую теплопроводность;
• малую плотность;
• незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства;
• хорошую коррозионную устойчивость.

Требуемым параметрам соответствуют специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть:

• литыми;
• коваными.

В первом варианте их изготовляют путем литья под давлением. Кованые изготовляются методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (в среднем, порядка 15 %), что значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения поршня в диапазоне рабочих температур.

Конструкция поршня

Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:

 

1. Головка поршня ДВС
2. Поршневой палец
3. Кольцо стопорное
4. Бобышка
5. Шатун
6. Юбка
7. Стальная вставка
8. Компрессионное кольцо первое
9. Компрессионное кольцо второе
10. Маслосъемное кольцо

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.

Днище

Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций – плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Поршневые кольца

Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения.  Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

ТИПЫ ПОРШНЕЙ

В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.

 

Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.

В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под поршневой палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.

Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.

Отвод излишков тепла от поршня

Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:

• системой охлаждения от стенок цилиндра;
• внутренней полостью поршня, далее — поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
• частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.

С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:

• разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
• масляного тумана в полости цилиндра;
• впрыскивания масла в зону колец, в специальный канал;
• циркуляции масла в головке поршня по трубчатому змеевику.

Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца

Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца –  предотвращают попадания газов в картер.

Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.

Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.

Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда – пружинным расширителем.

Поршневой палец

Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.

Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.

Юбка

Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.

Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.

Обязательный процесс работы поршневого устройства – это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:

• разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
• движением масла по змеевику в поршневой головке;
• подачей масла в область колец через кольцевой канал;
• масляным туманом

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня – маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.

В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.

Выхлопная система: описание,фото,назначение,тюнинг

Как провести замену поршневых колец своими руками?

Самостоятельная замена тормозных колодок и тормозных дисков

Поршневой палец: описание,виды,применение,установка,фото,видео.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:

• Наиболее популярные проблемы водителя, которые могут ждать его в дороге
• Опель вектра B: технические характеристики,фото,видео,обзор,описание.
• Автомобильные двигатели. Описание и технические термины.
• Терминология, которая встречается в литературе по авторемонту.
• Бмв е30 технические характеристики обзор описание фото видео комплектация.
• Бмв е39: обзор,описание,фото,видео,комплектация,характеристики
• Какую сигнализацию лучше поставить на автомобиль с автозапуском.
• Хендай Солярис 2019 года: комплектация,цена,характеристики,фото,описание
• Как подобрать авто по автомобильному гороскопу?
• Автомобильные дворники — выбираем на зиму.
• Как и чем промыть систему охлаждения двигателя.
• Какое давление необходимо для колес авто: описание,таблица.
• опель астра j gtc : описание,технические характеристики,фото,видео
• Тормозная жидкость описание,виды,состав,основные свойства,фото,видео.
• Как помыть машину своими руками: зимой, без воды.

9. Цилиндро — поршневая группа

Цилиндры (рис. 18) рассматриваемых автотракторных двигателей съемные. Отдельно изготовленный цилиндр называют гильзой. Применение вставных гильз позволяет увеличить срок службы блок-картера за счет замены изношенных гильз новыми. Гильза цилиндра изготовлена из легированного чугуна. Внутренняя поверхность гильзы, называемая зеркалом, тщательно обработана и закалена. По внутреннему диаметру гильзы сортируют на три размерные группы: Б, С и М (большая, средняя и малая).

Обозначения размерной группы наносят на торце буртика 1 гильзы.

Рис. 18(12). Конструкции цилиндров: а — «мокрая» гильза цилиндра, б — схема установки гильзы двигателя, в — цилиндр с воздушным охлаждением, 1 — буртик, 2 — верхний поясок, 3 — нижний поясок, 4 — резиновое уплотнительное кольцо, 5 — гильза цилиндра, 6 — вставка, 7 — водяная рубашка, 8 — уплотнительная прокладка, 9 — картер

Гильзы, наружная поверхность которых омывается охлаждающей жидкостью называются «мокрыми» (рис. 18, а). На наружной поверхности гильзы выполнены два посадочных пояска 2 и 3, которые служат для плотной установки гильзы в блоке. Между нижним пояском гильзы и блоком цилиндра монтируют резиновые уплотнительные кольца 4, предотвращающие протекание воды в картер из водяной рубашки блока. У одних двигателей резиновые кольца устанавливают в выточки, выполненные на нижнем пояске гильзы, а у других — в расточке блока. Верхний торец гильзы выступает над плоскостью блока, что обеспечивает лучшее обжатие металлоасбестовой прокладки и создает надежное уплотнение от прорыва газов из цилиндра. Износ верхней части гильз уменьшается при установке в некоторых автомобильных двигателях износостойких вставок 7 (рис. 18, б) из антикоррозийного чугуна. В некоторых двигателях между основанием нижнего выступа блок-картера и опорной поверхностью нижнего буртика устанавливают медную кольцевую прокладку 8.

Цилиндры двигателей с воздушным охлаждением (рис. 18, г) снабжены снаружи охлаждающими ребрами. В нижней части цилиндра имеется бурт, который упирается в поверхность картера. Между картером и буртом устанавливают медное кольцо. Каждый цилиндр вместе с головкой закрепляют специальными (анкерными) шпильками на картере.

Поршни (рис. 19) воспринимают и передают шатуну усилия, возникающие

от давления газов, а также обеспечивают протекание всех тактов рабочего цикла. Они подвергаются действию высоких температур и давлений и движутся со значительными скоростями внутри цилиндра. В соответствии с условиями работы материал поршня должен обладать высокими механическими свойствами и износостойкостью, быть легким, хорошо отводить тепло. Поэтому в современных двигателях поршни отливают из легкого, но достаточно прочного алюминиевого сплава.

Рис. 19(13). Конструкция поршня: а — поршень дизельного двигателя, б — сечения поршней дизельных двигателей, в — поршень карбюраторного двигателя, г — поршневой палец, 1 — маслосбрасывающая кромка, 2 — канавка для маслосъемного кольца, 3 — канавка для стопорного кольца, 4 — отверстие для подвода масла к поршневому пальцу, 5 — канавки для компрессионных колец, 6 — камера сгорания в поршне, 7 — прорезь, 8 — стопорное кольцо поршневого пальца; А — днище, Б — головка, В — направляющая часть, Г — бобышки, Д — холодильник, Е — места клеймения массы и размерной группы поршня, Ж — метка направления установки поршня, З — место клеймения размерной группы поршневого пальца

Поршень (рис. 19, а) имеет вид перевернутого стакана. Он состоит из днища А, головки Б (или уплотняющей части) и направляющей части В, называемой юбкой. Днище поршня дизельного двигателя делают фасонной формы с выемкой, которая зависит от способа смесеобразования и расположения клапанов и форсунок. Такая форма днища способствует лучшему перемешиванию воздуха с поступающим в цилиндр топливом и более полному его сгоранию.

На внешней поверхности головки и юбке проточены канавки 5 и 2 для компрессионных и маслосъемных колец. Число колец, устанавливаемых на поршне, зависит от типа двигателя и частоты вращения коленчатого вала. Для повышения износостойкости у некоторых двигателей в канавку под верхнее компрессионное кольцо заливают стальную вставку, что увеличивает долговечность сопряжения кольца с канавкой. По окружности канавок под маслосъемные кольца просверлены сквозные отверстия для отвода масла в картер двигателя.

На внутренней стороне юбки имеются два прилива — бобышки Г, в отверстия которых устанавливают поршневой палец. Бобышки соединяются ребрами с днищем, увеличивая прочность поршня. В бобышках проточены кольцевые канавки 3 для стопорных колец. На наружной поверхности поршня против бобышек сделаны срезы — «холодильники», где скапливается масло, способствующее охлаждению утолщенной части поршня и предохраняющее поршень от заклинивания. С этой же целью применяют поршни, у которых диаметр юбки больше диаметра головки, а юбка имеет овальное сечение (большая ось овала перпендикулярна оси поршневого пальца).

По величине наружного диаметра юбки поршня, как и цилиндры, сортируют на три размерные группы: Б, С и М. Обозначение размерной группы наносят на днище поршня. При сборке группа поршня должна быть одинаковой с группой гильзы.

Поршни сортируют на две размерные группы по диаметру отверстия под

поршневой палец и маркируют краской (черной или желтой) на бобышках поршня.

На головке поршня некоторых тракторных двигателей сделаны мелкие кольцевые канавки глубиной 0,3 мм (рис.19, б). В них задерживаются продукты сгорания масла (нагар), что предотвращает преждевременное закоксовывание поршневых колец.

В карбюраторных двигателях применяют поршни с плоским днищем (рис.19, в), получившие широкое распространение из-за простоты изготовления и меньшего нагрева при работе. У некоторых автомобильных двигателей часть юбки под бобышками удалена для прохода противовесов коленчатого вала при нижнем положении поршня и его облегчения. Поршни имеют поперечные прорези 7 под головкой, на юбке может быть выполнен продольный или Т-образный разрез. Прорези повышают упругость юбки поршня, что устраняет опасность заклинивания. Если на юбке поршней имеются прорези, то их устанавливают в двигатели так, чтобы боковое давление при рабочем ходе испытывала часть поршня без разреза. Правильной установке поршня по направлению в двигателе помогает надпись, выполненная на юбке.

Поршневые пальцы (рис.19, г) изготовлены пустотелыми из стали. От осевого перемещения палец удерживается разжимными стопорными кольцами 8, которые установлены в канавках бобышек поршня. Палец соединяет поршень с шатуном. В отверстие втулки верхней головки шатуна палец вставляют с зазором, а в поршень — с натягом. Во время работы двигателя из-за различных коэффициентов линейного расширения материалов между поршнем и пальцем при достижении рабочей температуры появляется зазор, и палец имеет возможность поворачиваться в бобышках поршня. Такой палец называют плавающим.

По величине наружного диаметра пальцы разделяют на две размерные группы. Размерные группы маркируют, как и отверстия в бобышках поршня,

черным и желтым цветом. Краску наносят на внутреннюю поверхность пальца 8. При сборке пальца с поршнем необходимо помнить, что их размерные группы должны быть одинаковы.

Поршневые кольца (рис.20) создают плотное, подвижное соединение между поршнем и цилиндром. По назначению их разделяют на компрессионные 1 и маслосъемные 2. Компрессионные кольца предотвращают прорыв газов из камеры сгорания в картер. Маслосъемные кольца препятствуют проникновению масла из картера в камеру сгорания, снимая излишки масла со стенки цилиндра.

Кольца изготовляют из легированного чугуна или стали. Наружный диаметр кольца в свободном состоянии больше внутреннего диаметра цилиндра. Часть кольца вырезана, вследствие чего при установке в цилиндр кольцо пружинит и хорошо прилегает к его поверхности. Вырез в поршневом кольце называют замком. Замки поршневых колец могут быть косые или прямые. Наибольшее распространение получило кольцо с прямым замком, как более простое и дешевое в изготовлении. С целью уменьшения утечки газов через зазоры в замках кольца устанавливают замками в разные стороны, желательно на равном расстоянии по окружности. Для уплотнения, обеспечивающего герметичность цилиндра, у карбюраторных двигателей на поршни размещают 2—3, а у дизелей, где давление газов в цилиндрах более высокое, 3—4 компрессионных кольца. В канавках поршня кольца устанавливают с небольшим зазором и они могут свободно перемещаться относительно поршня. Если поршневые кольца неплотно прилегают к стенке цилиндра, то газы, прорываясь через просветы между цилиндром и кольцом, вызывают перегрев кольца. При этом образующиеся шлаковые отложения заполняют зазоры между кольцами и стенками канавок поршня по высоте.

Рис. 20(14). Поршневые кольца: а — внешний вид, б — формы компрессионных колец в рабочем состоянии, в — составное маслосъемное кольцо, г — расположение колец на поршне; 1 — компрессионное кольцо, 2 — маслосъемное кольцо, 3 — плоские стальные кольца, 4 — осевой расширитель, 5 — радиальный расширитель, 6 — поршень

Кольца перестают свободно перемещаться и пружинить. Это явление носит название пригорания (закоксовывания) колец и сопровождается потерей мощности двигателя и повышенным расходом масла.

В поперечном сечении компрессионные кольца имеют различную форму (рис. 20, б). По сравнению с кольцом прямоугольного сечения кольцо с конической наружной поверхностью имеет меньшую опорную поверхность, что обеспечивает его быструю приработку и хороший контакт с цилиндром по всей окружности. Компрессионные кольца некоторых двигателей имеют по внутреннему диаметру сверху кольца фаску или выточку. При установке в цилиндр такие кольца деформируются (скручиваются) и прилегают к зеркалу цилиндра нижней кромкой. Поэтому скручивающиеся кольца работают подобно конусным и в то же время имеют меньшее перемещение по поршню в вертикальном направлении. Форма кольца с поперечником в виде односторонней трапеции уменьшает возможность зависания в канавках поршня при больших отложениях нагара и улучшает его прилегание к стенке цилиндра.

Трущаяся о цилиндр поверхность верхнего компрессионного кольца хромируется с целью увеличения срока службы всех колец и цилиндра. Трущаяся поверхность поршневых колец многих двигателей облуживается для улучшения их приработки.

Маслосъемные кольца (одно или два) устанавливают ниже компрессионных колец. Они в отличие от компрессионных колец имеют сквозные прорези или состоят из двух колец скребкового типа. На поршни некоторых двигателей устанавливают составные маслосъемные кольца (рис. 20, в) изготовленные из двух стальных дисков и двух гофрированных расширителей — осевого и радиального. Осевой расширитель, расположенный между дисками, плотно прижимает их к стенкам канавки поршня. Радиальный расширитель плотно прижимает диски к зеркалу цилиндра.

Сборные кольца хорошо прилегают к поверхности цилиндра и обеспечивают низкий расход картерного масла.

Диагностирование цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания

Состояние цилиндропоршневой группы (ЦПГ) определяется по величине давления сжатия или разрежения, результатам измерений неплотностей в камере сгорания и сопряжении гильза-поршень по величине утечек воздуха и прорыва газов в картер, а также по угару масла во время работы двигателя.

Диагностирование ЦПГ дизеля проводят при ТО-3 и перед ремонтом или поступлении заявки от машиниста. Основные косвенные признаки неисправного состояния ЦПГ — повышенный расход масла на угар и прорыв газов в картер, трудный пуск, снижение мощности двигателя.

Наибольшее распространение для оценки ЦПГ получил способ измерения количества газов, прорывающихся в картер. Количество газов измеряют индикатором КИ-13671. Для измерения количества газов двигатель прогревают до температуры жидкости в системе охлаждения 70 — 90°С, закрывают пробками отверстие сапуна, отверстие под масломерную линейку и подключают индикатор с помощью переходника к заливной горловине картера двигателя. Измерение расхода газов проводится при номинальной частоте вращения коленчатого вала. Прорвавшиеся в картер газы проходят через индикатор и поднимают поршень 2 сигнализатора В верхнее положение. Поворачивая плавно крышку 5 и, тем самым закрывая дроссельное отверстие индикатора, добиваются, чтобы риска на колеблющемся поршне 2 совпала с риской на трубке 1. По лимбу на крышке 5 против указателя определяют расход газов.

Если расход газов более 170 л/мин, открывают одно или два дополнительных отверегия, вывинтив заглушки 4.

Рис. Определение расхода картерных газов индикатором КИ-13671: 1 — трубка сигнализатора; 2 — поршень сигнализатора; 3 — удлинитель; 4 — заглушка; 5 — крышка; 6 — корпус; 7 — переходник

В этом случае необходимо прибавить к показанию индикатора соответственно 100 или 200 л/мин.

При ресурсном диагностировании тракторов перед ТО-3, которое предшествует плановому текущему или капитальному ремонту, полученное значение расхода газов сравнивают с их допустимыми значениями и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации двигателя.

Сравнительную оценку технического состояния цилиндров можно дать по разряжению в надпоршневом пространстве.

Чтобы измерить разряжение, снимают с двигателя форсунки, устанавливают в отверстие для форсунки наконечник вакуум-анализатора КИ-5315 и прокручивают с помощью пускового устройства коленчатый вал. При движении поршня вниз на такте расширения в надпоршневом пространстве создается разряжение, под действием которого открывается впускной клапан прибора. По вакуумметру фиксируют максимальное значение разряжения. Номинальное значение разряжения в цилиндре — 0,088, допустимое — 0,07, предельное — 0,068 МПа.

В случае, когда расход газов не превышает допустимого значения, но разряжение в цилиндрах ниже допускаемого, необходимо восстановить герметичность клапанов механизма газораспределения. Если расход газов превышает допустимое значение, необходимо заменить кольца или цилиндропоршневую группу.

Состояние ЦПГ автомобильных двигателей оценивают по прорыву газов в картер или по утечке воздуха из надпоршневого пространства (компрессии). Компрессию в каждом цилиндре измеряют компрессометром КИ-861 (для дизельных двигателей) или модифицированым прибором КИ-179 (для карбюраторных двигателей).