Поршни

Назначение, устройство, неисправности

Экономия топлива и ужесточение норм регулирования выхлопных газов подстёгивают производителей двигателей взглянуть по новому на основную движущую силу автомобиля — поршень. Происходит разработка и внедрение новых поршневых конструкций со сниженным весом, улучшенной прочностью, долговечностью. До недавнего времени поршень оставался относительно низким технологическим звеном. Теперь, с помощью анализа методом компьютерного моделирования производители поршневых групп ведут разработки и производят настройки поршней для конкретных двигателей, создавая новые конструкции в рекордно короткие сроки.

Поршни Лада в интернет-магазине

Поршень выдерживает большие взрывные нагрузки, передавая возвратно-поступательное движение через шатун и коленвал на колеса. Прочность поршня — одна из его ключевых характеристик, остающаяся неизменной в сложных гоночных условиях или десятков тысяч километров по трассе. Какой бы двигатель не был - V6 или V8, с турбонаддувом или дизельный — поршень должен выдержать нагрузку и температуру воспламенения топливовоздушной смеси. Это, в свою очередь, зависит от состава сплавов из которых изготавливают поршень. Вчерашние литые поршни из чугуна уже не выдерживают конкуренции с новыми высоко технологичными собратьями.

Кованые поршни применяются с 1950-х годов, когда они использовались в качестве поршней во многих двигателях эпохи расцвета автомобилестроения. Сегодня кованые поршни доминируют на профессиональных гонках. Они также широко используются в авиационных, морских двигателях, а также тяжелых грузовиков, дизельных и сельскохозяйственных двигателях из-за их высокой надежности.

Обычные литые поршни изготавливают, заливая расплавленный алюминий в определённую форму. Остывший металл подвергают механической обработке до необходимых размеров. Большинство литых поршней проходят термическую обработку, которая включает нагревание (этот процесс называется «старение») для снятия стресса в металле.

Конструкция поршня сегодня не так проста, как была раньше. Увеличение количества топлива, подаваемого в цилиндр, требует изменения формы чашки верха поршня. Современные поршни разработаны в виде специальных поршневых конфигураций с уникальной формой купола для оптимизации процесса горения, имеют углубления в верхней части для придания завихрения топливной смеси и направления её к свече зажигания, индуцируя вихрь, когда поршень на такте сжатия. Прочие производители создают утопленную полость прямо под свечой зажигания для концентрирования топливной смеси и ускорения сгорание несгоревшей части топлива, подвергая большему воздействию высоких температур, снижают риск возникновения детонации. Изменениям поддаются все части конструкции, оказывающие влияние на степень сжатия, размер отверстий, поршневых колец и поршневого пальца, вплоть до изменения высоты поршня и длины юбки. Короткая юбка поршня предполагает меньший вес. Другой способ уменьшить вес - уменьшить высоту сжатия.

Следующим важным аспектом при производстве поршня является тип используемого защитного покрытия для повышения стойкости и уменьшения потёртостей. Юбка поршня тоже не обходится без защитной обработки, предотвращая появление задиров от перегрева двигателя, снижая уровень шума и улучшая смазку. Большинство из этих покрытий содержат дисульфид молибдена, графит, дисульфид вольфрама. Их основное значение повысить стойкость и удержать масло на критических поверхностях. Хотя некоторые покрытия предназначены только для прохождения обкатки двигателя, действие других длится свыше 100 тыс. км., обеспечивая долгосрочную защиту поршней и цилиндров.

Для повышения износостойкости поршневых конструкций проводят анодирование кольцевых канавок и напыление тонкопленочных покрытий, таких как нитрид титана, нитрид хрома и алмазоподобный углерод. Анодирование образует твердый, устойчивый к коррозии слой на поверхности поршня.

Дизельные поршни, как правило, должны выдерживать больше тепла, чем бензиновые аналоги. Температура пламени может находиться в диапазоне от 1500 до 2000 градусов в камере сгорания, нагревая поверхности до 400 градусов и выше в области обода поршня. При таких температурах, алюминиевые поршни находятся в опасной близости от их температуры плавления, поэтому охлаждение масла влияет на рассеивание тепла, охлаждение поршневых колец и контроль теплового расширения.

Для увеличения теплостойкости наносят теплозащитные покрытия, отражающие тепло от поверхностей, сохраняя давления в камере сгорания. Покрытие снижает перенос тепла в поршень, поршневой палец и кольца. Теплозащитное покрытие поршня благоприятно влияет на двигатель при использовании закиси азота, турбонагнетателя. Диспергирующие покрытия применяются к нижней стороне юбки поршня для улучшения охлаждения и возврата масла в картер.

Расположение, размер и дизайн кольцевых канавок также влияет на передачу тепла. Щелевые масляные канавки могут действовать как барьер, замедляя передачу тепла от верхней части к нижней, компенсируя температурное расширение поршня. Смазочные канавки с просверленными отверстиями и маленькими окнами обеспечивают больший теплообмен.

Неисправности поршня

Прогоревшие поршни. Потертости. Трещины. Как предотвратить эти и другие общие проблемы?

Классический симптом - детонационный стук, когда двигатель находится под нагрузкой. Со временем, детонация становится разрушительной силой для поршня, колец, прокладки головки блока. После продолжительной детонации появляются трещины, сломанные кольца и трещины в самом поршне. Замена поврежденного поршня временно решит механические проблемы двигателя. Но новый поршень постигнет та же участь, если причины детонации не будут диагностированы и исправлены.

Возможные причины включают в себя раннее зажигание, не работоспособный клапан рециркуляции отработавших газов, проблемы охлаждения двигателя, слишком много нагара и низко октановое топливо.

При раннем зажигании поршень подвергается чрезмерно высокой температуре горения. Повреждение может включать в себя прожжённое отверстие в поршне. Этот тип повреждения обычно вызывается повышенной температурой в камере сгорания из-за наличия источника преждевременного зажигания. Причиной могут послужить:

  • свечи зажигания слишком горячего диапазона;
  • чрезвычайно бедная топливовоздушная смесь;
  • горячий выпускной клапан. 

Осмотр свечи зажигания подскажет состояние топливной смеси. Если электроды оплавились или повреждены, в камере слишком жарко.

Повреждение поршня - верный признак перегрева или недостаточного зазора. При работе двигателя поршни расширяются от тепла, уменьшая тепловой зазор. Если поршень достаточно горячий, он будет царапать стенки по бокам. Осмотр цилиндра позволит выявить причину.

Присутствие признаков потертости на нижней части юбки указывает на проблему смазки, а не перегрева.