Содержание
конструкция, функции, причины износа и способы его предотвращения
Поршень двигателя – один из основных составных элементов цилиндро-поршневой группы. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топливно-воздушной смеси, а затем передает его на шатун.
Экстремальные условия эксплуатации поршней – высокие давления, инерционные нагрузки и температуры – требуют использования для их изготовления материалов с особыми параметрами:
- Высокой механической прочностью
- Хорошей теплопроводностью
- Малой плотностью
- Незначительным коэффициентом линейного расширения
- Антифрикционными свойствами
- Коррозионной устойчивостью
Такими свойствами обладают специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся легкостью и термостойкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть литыми или коваными.
Первые производятся путем литья под давлением, вторые – методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (около 15 %). Это значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения материала в диапазоне рабочих температур.
Устройство поршня
Стандартный поршень автомобильного двигателя состоит из трех основных частей: днища, поршневых колец и направляющей (юбки).
Рассмотрим каждый компонент подробнее.
Днище поршня
Форма днища зависит от типа двигателя, особенностей камеры сгорания и многих других факторов. Поршень может иметь плоское, вогнутое или выпуклое днище.
Детали с плоским днищем наиболее просты в производстве, используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.
Поршни с вогнутым днищем свойственны для дизельных двигателей. Они обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако способствуют большему образованию отложений при сгорании топлива.
Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.
Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет самую большую, по сравнению с другими деталями, толщину: 7-9 мм в обычных бензиновых двигателях, 11 мм – в турбомоторах, 10-16 мм – в дизельных двигателях.
Существуют также автомобили, в которых установлены поршни с толщиной днища меньше стандартной – например, в некоторых моделях Honda она составляет всего 5,5-6 мм.
Днища некоторых поршней в целях увеличения прочности, снижения вероятности перегрева и прогорания подвергаются твердому анодированию: на верхний слой алюминия накладывается керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.
Уплотняющая часть
К уплотняющей части поршня относятся поршневые кольца, установленные в специальных канавках. В большинстве современных двигателей используется три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.
Маслосъемные кольца, как следует из названия, предназначены для удаления излишков масла со стенок цилиндра и предотвращения их попадания в камеру сгорания. Для этих целей служат сквозные отверстия, расположенные по периметру кольца.
Сквозь них масло поступает внутрь поршня, а затем отводится в поддон картера двигателя.
Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов из камеры сгорания в картер. По форме они могут быть трапециевидными, коническими или бочкообразными. Некоторые виды колец оснащены пружинным расширителем.
Наибольшие нагрузки воспринимает первое (верхнее) компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса данной детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.
Диаметр уплотняющей части поршня меньше диаметра его направляющей части.Это связано с неодинаковым нагревом этих зон – в районе колец он больше. Минимальный диаметр жарового пояса позволяет избежать задиров и заклинивания колец в канавках.
Качество колец имеет огромное значение для уплотнения поршня. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше ошибок.
Направляющая часть
Направляющая (тронковую) часть поршня называют юбкой. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец.
Нижняя кромка юбки предназначена для расточки и подгонки поршня. На ней имеется специальный буртик, с внутренней стороны которого в процессе механической обработки снимается часть металла.
В местах отверстий под поршневой палец с наружной части юбки вырезаются специальные углубления, вследствие чего стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые «холодильники».
Стенки юбки предназначены для восприятия бокового давления. Естественно, что трение поршня о стенки цилиндра и нагрев обеих деталей при этом увеличивается.
Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, между юбкой и стенками гильзы предусмотрен зазор. Его величина зависит от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. При слишком маленьком зазоре возникает перегрев, грозящий образованием задиров на поверхностях и заклиниванием поршня в цилиндре. Большой зазор также не рекомендован, так как поршень при этом не выполняет своих уплотняющих свойств.
Многие автопроизводители еще на этапе производства поршней наносят на юбки специальные антифрикционные покрытия. Это позволяет защитить их поверхности от преждевременного износа и облегчить приработку.
В последнее время большую популярность не только в промышленности, но и в частном использовании приобрело антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС.
Данное покрытие эффективно снижает износ и трение, предотвращает скачкообразное движение сопряженных поверхностей, появление на них задиров и заклинивание поршня в цилиндре.
Средство устойчиво к длительному воздействию моторного масла, сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.
Полимеризация покрытия MODENGY Для деталей ДВС возможна как при комнатной температуре (за 12 часов), так и при нагреве до +200 °С (за 20 минут).
Удобная аэрозольная упаковка с тщательно настроенными параметрами распыления упрощает процесс нанесения состава.
Перед использованием покрытия производитель рекомендует провести предварительную подготовку деталей Специальным очистителем-активатором MODENGY. Это гарантирует отличную адгезию материала и его долговременную работу.
MODENGY Для деталей ДВС и Специальный очиститель-активатор MODENGY доступны в одном наборе. Поэтапное использование этих средств не требует особых навыков и дополнительного оборудования.
Причины износа поршней
При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы двигателя, подвержены износу и возникновению неисправностей.
О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:
- Повышенный расход моторного масла и топлива
- Выделение из выхлопной трубы синего дыма
- Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
- Снижение мощности двигателя и т. д.
- Нагар на свечах зажигания
При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.
Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.
Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.
К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.
Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.
Радиальный износ поршней возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступов поршней.
Осевой износ происходит в результате загрязнения поршней продуктами износа, образующимися во время приработки двигателя.
Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.
Задиры, расположенные под углом, образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.
Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т. д.
Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением некачественной охлаждающей жидкости, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.
Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.
Возникновение вышеописанных проблем, особенно в комплексе, требует серьезного внимания и безотлагательных действий. Промедление в таких случаях грозит дорогостоящим ремонтом или полной заменой двигателя.
«Потянутый» поршень – очевидное невероятное
Дизельные двигатели прочно вошли в нашу жизнь. Современные электронные системы позволяют использовать дизельные двигатели во всех отраслях и производствах.
Но как и любой механизм, дизельный двигатель нуждается в уходе и ремонте. Правильная эксплуатация и ремонт, залог успешной и долговременной службы дизельного двигателя.
Но всегда ли правильно осуществляется эксплуатация и ремонт?
«Качественный» ремонт
Рассмотрим конкретный случай на примере дизельного двигателя грузового автомобиля Камаз. Почему именно данный автомобиль? Потому что Камаз является одним из самых распространенных, грузовых автомобилей эксплуатируемых в нашей стране.
По каким-то причинам дизельному двигателю потребовалась замена поршня. Ремонт был произведен в соответствии с техническим регламентом в специальной мастерской автомобильного парка.
Был заменен один поршень и на него установлены новые компрессионные и маслосъемные кольца. Произведен ремонт топливной дизельной аппаратуры, настройка и регулировка форсунок. Двигатель установлен на автомобиль и произведен первый запуск.
Первый блин
Двигатель запустился легко и проработал 4 часа на небольших оборотах. Через некоторое время грузовик вышел на линию и отправился в первую поездку.
Во время движения водитель все время внимательно контролировал температуру охлаждающей жидкости и давление масла в системе смазки двигателя. Все было в пределах нормы.
Вернулся грузовик в парк на буксире. Причина — неизвестный стук в двигателе.
После разборки двигателя оказалось, что у двигателя «потянуло» замененный поршень.
Справка – потянутым поршнем называется поршень с измененной геометрией. Чаще всего поршень принимает геометрию овала.
Кто виноват?
Моторист, выполнявший замену поршня, выставил претензии водителю, указав на главную причину — перегрев двигателя вследствие его перегрузки.
Водитель в свою очередь уверил, что внимательно следил за температурным режимом и не перегружал двигатель.
Попытка номер два
Было принято решение о неисправности температурного датчика. При проверке температурного датчика, указателя температуры, термостата и радиатора, неисправностей не выявлено.
Для того чтобы уравновесить баланс цилиндров, помимо «потянутого» поршня, был заменен поршень противоположного цилиндра. Поршня тщательно подобраны и сбалансированы.
Двигатель обкатан в течение 8 часов, после чего грузовик вернулся на линию. Через два дня эксплуатации, грузовик на буксире вернулся в автопарк с заклинившим двигателем.
Виновные есть?
После демонтажа и разборки силового агрегата нашлась причина. Потянутыми оказались уже два новых, замененных поршня.
Опять виновником всего был признан водитель за несоблюдение температурного режима и перегрузки двигателя.
Есть ответ
Но так ли это? Давайте разбираться с самого начала.
Что произошло с двигателем после первого ремонта? Ответ довольно прост – перегрев и перегрузка.
Но как же так, ведь водитель уверен в том что температура двигателя во время работы не превышала 90 градусов?
Причины и следствие
Для того чтобы понять, необходимо рассмотреть работу дизельного двигателя в целом.
В нашем случае мы имеем 8-ми цилиндровый дизельный двигатель. При работе, все 8 цилиндров работают вместе, нагрузка равномерно распределяется на все цилиндры. Соответственно и температура цилиндров относительно одинакова у всех.
Но что произойдет, если мы, в рабочем двигателе, заменим один поршень? Правильно, у нас появится один новый поршень и 7 рабочих. Естественно в цилиндре с новым поршнем компрессия и сгорание топлива будет намного лучше, чем во всех остальных.
2Х2=4
Простым языком это выглядит так – мы имеем 8 опор установленных вертикально. Все опоры одинакового размера. Каждая опора может выдержать нагрузку не более 10 кг. На них укладывается груз весом 80 кг, все нормально, опоры стоят.
Но что произойдет, если одна опора окажется немного выше всех остальных?
Все 80 кг окажутся на одной опоре, она согнется до одного уровня с остальными. Так как она все время будет испытывать большую нагрузку, она в конечном итоге деформируется, или сломается. И даже если мы уменьшим нагрузку до 40 кг, т.е. вдвое, эффект будет тот же.
Другими словами, этот цилиндр будет намного мощней всех.
Что произойдет, если мы даже немного, нагрузим такой двигатель? Ответ понятен каждому, вся нагрузка ляжет на самый мощный цилиндр. Остальные будут работать с наименьшей нагрузкой.
Даже незначительная нагрузка на автомобиль, превысит допустимую норму нагрузки на один цилиндр. Естественно, такой цилиндр, имея большую нагрузку и меньшую выработку, будет перегреваться.
Не Чернышевский – но что делать?
Как это можно определить по указателю температуры? Никак, так как датчик указывает температуру двигателя в целом и не может определить температуру отдельного цилиндра.
Итог, даже соблюдая осторожность и не перегружая двигатель, происходит перегрев и деформация поршня.
- После замены двух поршней ситуация не улучшилась.
- Заклинившие, от перегрева поршня, привели к остановке двигателя.
Что же нужно было сделать, чтобы избежать подобных проблем?
Все предельно просто
Ответ прост, произвести ремонт в специализированной мастерской с последующей качественной обкаткой и диагностикой. Ведь если двигатель качественно обкатался, не возникло бы проблем с перегрузкой и деформацией.
Правильная диагностика, обкатка и настройка двигателя важный этап в его последующей эксплуатации.
Поэтому для ремонта своего грузовика обращайтесь только в проверенные, профессиональные компании.
Ремонт грузовых автомобилей – мы №1 по праву.
Требования к дизельным поршням и гильзам
Дизельные двигатели предъявляют высокие требования к своим поршням. Такие факторы, как степень сжатия двигателя, давление в цилиндре и температура пламени, являются важными факторами при проектировании и конструкции дизельных поршней.
Поршни являются одними из наиболее тяжело работающих компонентов дизельного двигателя.
Дизельные двигатели — это высокотемпературные двигатели с высокой степенью сжатия, требующие больших усилий от своих поршней. Степень сжатия обычно находится в диапазоне от 16: 1 до 20: 1, что повышает тепловую эффективность и экономию топлива, но также создает большее давление.
Давление в цилиндрах многих серийных дизельных двигателей может варьироваться от 2200 до 2700 фунтов на квадратный дюйм или выше в зависимости от номинальной мощности двигателя, по сравнению с 1450 фунтов на квадратный дюйм для бензинового двигателя без наддува или 2100 фунтов на квадратный дюйм для газового двигателя с турбонаддувом.
Дизельным поршням также приходится бороться с большим количеством тепла, чем их бензиновым аналогам. Температура пламени может варьироваться от 2600 градусов по Фаренгейту до более 3600 градусов по Фаренгейту в камере сгорания поршня, создавая температуру поверхности до 750 градусов по Фаренгейту или выше в области обода вокруг камеры сгорания.
При таких температурах алюминиевые поршни могут быть опасно близки к температуре плавления, поэтому масляное охлаждение необходимо для отвода тепла, охлаждения колец и контроля теплового расширения.
Охлаждение…
Поршни дизеля охлаждаются путем распыления масла на нижнюю сторону поршня и направления части масла в полые полости или галереи в верхней части поршня за верхней кромкой кольца.
На некоторых поршнях канал охлаждения масла создается в задней части вкладыша верхнего кольца путем приваривания к стальной пластине. Масляное охлаждение снижает температуру верхнего кольца до 100 градусов по Фаренгейту и более для лучшего уплотнения, уменьшения прорыва газов и увеличения срока службы поршня и кольца.
… И дайте им место
Высокие рабочие температуры также означают, что дизельным поршням обычно требуется больший зазор для компенсации теплового расширения, особенно когда двигатель модифицируется для увеличения мощности. Для стандартного Duramax завод рекомендует около 0,002 дюйма зазора между поршнем и стенкой.
Для уличных гонок/драйва вы можете оставить зазор поршня от 0,006 до 0,008 дюйма в зависимости от типа используемых поршней (литые или кованые) и величины давления наддува.
Для дизельного двигателя с высоким наддувом, используемого для буксировки, может потребоваться зазор от 0,012 до 0,013 дюйма.
Материал поршня дизельного двигателя
Поршни большинства серийных дизельных двигателей по-прежнему изготавливаются из литого алюминия, хотя все чаще используются новые материалы (подробнее об этом через минуту).
Можно было бы подумать, что поршни дизельных двигателей должны быть изготовлены из кованого алюминия, чтобы выдерживать более высокие нагрузки и тепло, а некоторые поршни для дизельных двигателей с улучшенными эксплуатационными характеристиками изготавливаются из кованого алюминия 2618 или даже из алюминиевых заготовок, обработанных на станках с ЧПУ.
Однако литые алюминиевые поршни уже давно используются в большинстве серийных дизельных двигателей, потому что литые поршни могут быть легко отлиты со стальным верхним кольцом для увеличения срока службы колец. Отливки также дешевле, чем поковки или другие материалы.
Поршни, которые используются в дизельных двигателях легких грузовиков, таких как GM Duramax, Ford Powerstroke и Dodge Cummins, как правило, длиннее и тяжелее, чем поршни, используемые в бензиновых двигателях.
Размер отверстия в этих двигателях может варьироваться от 3,74 дюйма до 4,21 дюйма в зависимости от применения, но вес поршня может достигать от 1000 до 1200 граммов с поршневым пальцем от 300 до 400 граммов.
Дополнительный вес не имеет большого значения, поскольку стандартный дизельный двигатель обычно работает на относительно низких оборотах (менее 4500 об/мин). Но если вы модифицируете один из этих двигателей для буксировки или дрэг-рейсинга, вам, вероятно, понадобится более легкий кованый поршень, способный выдерживать более высокие обороты двигателя. Вам также понадобятся разные поршни, если вы строите ходовый двигатель.
Один из поставщиков поршней, у которого мы брали интервью для этой статьи, сказал, что стандартные поршни оригинального оборудования в двигателях Cummins «переработаны» для долговечности. Наручные штифты большие и тяжелые, поэтому они прослужат долго, что отлично подходит для усердного ежедневного водителя.
Но для дизельного двигателя вам может не понадобиться столько говядины. Штифты можно облегчить, используя поршни с меньшими и более короткими поршневыми штифтами.
Долговечность не должна быть проблемой при использовании меньших и более легких штифтов, потому что дизельный двигатель, используемый для буксировки или дрэг-рейсинга, подвергается максимальной нагрузке только в течение относительно короткого периода времени. Ожидается, что он не проедет 200 000 миль или больше, как серийный двигатель.
Более легкие поршни также могут упростить и удешевить балансировку двигателя в некоторых случаях.
В двигателях Duramax коленчатый вал должен быть отбалансирован изнутри для повышения производительности, а не снаружи.
Но для этого может потребоваться много тяжелого металла в противовесах. Использование более легких поршней может минимизировать количество тяжелого металла, необходимого для достижения внутреннего баланса.
Один из производителей поршней заявил, что тенденция к использованию более легких дизельных поршней будет только усиливаться. Производитель заявил, что поршни, которые они будут производить через несколько лет, будут сильно отличаться и легче, чем те, которые они производят сегодня для высокопроизводительных дизельных двигателей.
Покрытия поршней дизельных двигателей
Многие поставщики кованых поршней для дизельных двигателей на вторичном рынке используют различные типы покрытий и обработки поверхности своих поршней. Анодирование и аналогичная обработка обычно используются в кольцевых канавках и области короны для увеличения срока службы. Многие считают анодирование обязательным, если вы строите двигатель с высоким наддувом, чтобы поршни и кольца выжили.
Антифрикционные покрытия также популярны на юбке поршня, чтобы обеспечить защиту от истирания.
Эти «сухие смазочные материалы» могут содержать такие ингредиенты, как дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и/или ПТФЭ (тефлон) в термоотверждающемся полимерном связующем (на основе воды или растворителя).
Сухие пленочные покрытия обычно изготавливаются для обеспечения смазывающей способности поверхности и защиты от трения, истирания и износа. Сухое пленочное покрытие обеспечивает дополнительный запас прочности при падении давления масла (по крайней мере, на некоторое время) и помогает предотвратить контакт металла с металлом при экстремальном давлении или после запуска всухую.
Сухая смазочная пленка на юбках поршня обычно увеличивает диаметр поршня примерно на 0,001″, поэтому часто возникает вопрос, как это влияет на установочные зазоры поршня.
Один производитель поршней заявил, что нет необходимости компенсировать покрытие при расчете зазоров между поршнем и отверстием. «Просто притворитесь, что покрытия нет», — таков их совет. Используйте размер поршня на коробке для расчета зазоров, а не фактический диаметр поршня с покрытием.
Другим типом покрытия, которое может использоваться на дизельных поршнях для повышения производительности и управления теплом, является металлокерамическое покрытие на верхней части поршня и в камере сгорания.
Теоретически теплоотражающие покрытия улучшают тепловую эффективность и помогают поршням охлаждаться.
Но если поверхность не будет должным образом подготовлена перед нанесением покрытия, оно может отслаиваться под воздействием тепла и нагрузки.
Конфигурации камеры поршня
Некоторые поршни для вторичного рынка представляют собой переработанные стандартные литые поршни. Распространенной модификацией является «удаление кромок» из области чаши, чтобы открыть камеру сгорания.
Более открытая чаша позволяет увеличить продолжительность работы инжектора для большей мощности. Размер, форма и угол наклона центрального конуса (если используется) на дне чаши также могут быть изменены, чтобы соответствовать форме распыления определенного набора форсунок.
Одна вещь, которую вы должны иметь в виду при замене поршней в немодифицированном дизельном двигателе, это убедиться, что новые поршни имеют ту же форму камеры, что и оригинальные. Это важно для поддержания той же степени сжатия и характеристик сгорания, которые были разработаны в двигателе, чтобы вы не оказывали неблагоприятного влияния на экономию топлива, производительность или выбросы.
Например, для дизелей Cummins имеется более 25 различных поршней для двигателей Cummins серии B, включая варианты для дорожных, внедорожных, морских двигателей, с турбонаддувом и без него, различные пакеты колец и т. д.
Чтобы подобрать правильный поршень на замену, вам необходимо знать «CPL» (список критических деталей) для данного двигателя. В CPL перечислены все основные детали, используемые в двигателе, включая поршни, распредвал, форсунки и турбонаддув. Вам также может понадобиться серийный номер оригинального оборудования на поршне, который может быть выгравирован или напечатан лазером на верхней части поршня. Внутри поршня также может быть необработанный номер отливки, но это не зависит от конкретного применения, поскольку одна и та же отливка может быть обработана по-разному для разных двигателей.
Стальные поршни
Ожидается, что двигатели больших внедорожных тяжелых грузовиков прослужат много миль, более миллиона или более, при надлежащем обслуживании и уходе.
Литые алюминиевые поршни достаточно хорошо выдерживают легкие и умеренные нагрузки, но для мощных двигателей можно использовать двухсекционные «шарнирные» поршни со стальными головками и алюминиевыми юбками для повышения долговечности.
Наручный штифт удерживает две детали вместе и позволяет поршню выдерживать более высокие нагрузки, чем это было бы возможно с цельным литым поршнем.
Цельные стальные поршни также используются уже несколько лет и обладают многочисленными преимуществами по сравнению с литыми алюминиевыми, коваными алюминиевыми и состоящими из двух частей алюминиево-стальными поршнями в дизельных двигателях, работающих в тяжелых условиях.
Стальные поршни более дороги в производстве, чем литые или кованые алюминиевые поршни, но сталь намного прочнее алюминия и может безотказно выдерживать более высокие нагрузки и температуры.
Вес кажется недостатком, так как сталь тяжелее и плотнее алюминия.
Тем не менее, стальные поршни могут быть такими же легкими или даже легче, чем алюминиевые поршни, если масса удалена в областях, где не требуется дополнительная прочность. Износ контактного кольца также не является проблемой для стальных поршней, поскольку весь поршень изготовлен из стали.
Еще одним преимуществом стали является то, что ее коэффициент теплового расширения аналогичен коэффициенту чугунного блока цилиндров.
Алюминий при нагревании расширяется гораздо быстрее, чем сталь, что увеличивает риск задира поршня и разрушения цилиндра, если двигатель перегреется.
Гильзы и гильзы цилиндров
Дизельные двигатели малой грузоподъемности, как и большинство бензиновых двигателей, имеют чугунные блоки с алюминиевыми или чугунными головками.
Если один или несколько цилиндров изношены или повреждены, их часто можно спасти и восстановить их первоначальный диаметр отверстия путем растачивания блока и запрессовки сухой втулки.
По словам людей, которые производят втулки, центробежные литые втулки из ковкого чугуна должны быть вашим первым выбором для любого типа применения.
Ковкий чугун обладает большей прочностью на растяжение, чем обычный серый чугун, а также большей «податливостью» (удлинением), что позволяет ему сопротивляться растрескиванию при более высоких нагрузках.
Существуют также различные марки ковкого чугуна, некоторые из которых значительно лучше других. Гильзы и вкладыши, отлитые методом центрифугирования, также обеспечивают более однородную и однородную металлургию, поэтому в гильзах нет твердых пятен или включений, которые впоследствии могут вызвать проблемы.
Втулки обычно изготавливаются наполовину и не подвергаются окончательной обработке до тех пор, пока блок не будет расточен и втулка не будет запрессована на место в блоке. Для сравнения, мокрые вкладыши часто дорабатываются в соответствии со спецификациями и готовы к установке.
Сухие втулки требуют определенной прессовой посадки, чтобы удерживать втулку на месте.
Рекомендуемая величина натяга зависит от типа металла, из которого изготовлена втулка, типа блока цилиндров и области применения.
Для аналогичных металлов (железная втулка в железном блоке) стандартная рекомендация по запрессовке обычно составляет от 0,001 до 0,002 дюйма с натягом.
Для разнородных металлов (железная втулка в алюминиевом блоке) может быть рекомендован натяг до 0,003 дюйма.
Один из советов, который упрощает установку сухой втулки, а также улучшает охлаждение цилиндра, заключается в том, чтобы слегка почистить отверстие цилиндра после того, как в нем было просверлено отверстие для установки втулки. Это сгладит поверхность канала ствола и позволит втулке легче встать на место. Более гладкая поверхность также обеспечит лучший контакт металла с металлом между втулкой и блоком для хорошей теплопередачи.
Стальные втулки используются в некоторых съемных двигателях и других гоночных дизельных двигателях из-за их твердости и прочности. Но сталь тяжелее для колец, чем ковкий чугун, поэтому не ожидайте, что кольца будут служить вечно, если вы в конечном итоге установите стальные втулки в двигатель, который вы строите. Простые чугунные кольца часто лучше всего работают со стальными втулками.
Производители поршней, опрошенные в этой статье, считают, что тенденция к созданию более легких дизельных поршней будет только усиливаться, и что поршни, разрабатываемые через несколько лет, будут значительно отличаться и легче, чем те, которые производятся сегодня.
Мокрые гильзы, используемые в дизельных двигателях большой мощности, представляют собой вставные цилиндры, герметизированные сверху и снизу фланцем и уплотнительными кольцами.
Величина скользящей посадки зависит от области применения, поэтому следуйте рекомендациям OEM. Мокрые вкладыши толще, чем ремонтные втулки или литые втулки, потому что вокруг них нет металла, обеспечивающего дополнительную поддержку. Как и в случае с сухими втулками, вкладыши из ковкого чугуна обеспечивают дополнительную прочность, необходимую для применения с высокой производительностью.
Мокрые футеровки могут выйти из строя из-за усталостного растрескивания или в результате кавитационной эрозии.
При каждом воспламенении цилиндр слегка расширяется и сжимается, что приводит к образованию мелких пузырьков в охлаждающей жидкости, циркулирующей снаружи гильз. Когда пузырьки взрываются, они делают это с большой силой и откалывают наружную часть лайнеров.
Со временем кавитация может привести к выкрашиванию и эрозии такого количества металла, что в конце концов гильза прорвется и позволит охлаждающей жидкости просочиться в цилиндр. Это может привести к перегреву двигателя или даже к гидроблокировке цилиндра.
Кавитационная эрозия часто возникает в результате пренебрежения охлаждающей жидкостью или использования охлаждающей жидкости, не содержащей «дополнительных присадок к охлаждающей жидкости». Эти добавки включают нитрит и/или молибдат, которые образуют защитную оксидную пленку на внешней стороне гильз, помогающую им противостоять кавитационной эрозии.
Полноценные охлаждающие жидкости для двигателей большой мощности, отвечающие требованиям ASTM D6210 или аналогичным стандартам, содержат соответствующие присадки, препятствующие кавитационной эрозии.
Поршень и втулка Советы по чистовой обработке и приработке
При чистовой обработке отверстий или гильз дизельных цилиндров двух- или трехэтапный процесс, который приводит к получению плоской поверхности, обычно лучше всего подходит для сокращения времени приработки колец и времени посадки. Тип хонинговальных брусков, подача и давление, используемые для финишной обработки цилиндров, будут варьироваться в зависимости от того, какой отделки вы хотите достичь.
Как правило, вам следует избегать слишком быстрого удаления слишком большого количества металла, использования слишком большого давления подачи и чрезмерного времени выдержки, чтобы свести к минимуму накопление тепла, которое может деформировать отверстия.
Всегда рекомендуется использовать стопорные пластины для улучшения геометрии отверстия.
После завершения обработки цилиндров в соответствии со спецификацией их необходимо очистить горячей мыльной водой и щеткой, чтобы удалить все следы остатков хонингования. После очистки цилиндров их можно слегка смазать маслом для обкатки.
Используйте обычное масло или масло для обкатки для первого запуска и процесса обкатки, а не синтетическое масло. Перед запуском двигателя заполните или создайте давление в масляной системе. Как только он запустится, увеличьте его до 2000–2500 об/мин в течение 30 минут, изменяя обороты двигателя в зависимости от посадки колец.
После завершения обкатки слейте масло, замените фильтр и снова залейте в картер любое масло, которое будет использоваться с этого момента (обычно обычное 15W-40 или синтетическое 15W-40 или 5W-40).
Все, что вы хотели знать о поршнях – Статья – Автомобиль и водитель Водитель
Кусочки алюминия внутри вашего двигателя живут в огненном аду. При полностью открытой дроссельной заслонке и 6000 об/мин поршень бензинового двигателя подвергается воздействию силы почти в 10 тонн каждые 0,02 секунды, поскольку повторяющиеся взрывы нагревают металл до более чем 600 градусов по Фаренгейту.
В наши дни этот цилиндрический Аид горячее и интенсивнее, чем когда-либо, и для поршней, скорее всего, станет только хуже. Поскольку автопроизводители стремятся к повышению эффективности, производители поршней готовятся к будущему, в котором самые мощные безнаддувные бензиновые двигатели будут производить 175 лошадиных сил на литр по сравнению со 130 сегодняшними. С турбонаддувом и повышенной мощностью условия становятся еще более жесткими. За последнее десятилетие рабочая температура поршня поднялась на 120 градусов, а пиковое давление в цилиндре увеличилось с 1500 фунтов на квадратный дюйм до 2200 фунтов на квадратный дюйм.
Поршень рассказывает историю о двигателе, в котором он находится. Коронка может показать отверстие, количество клапанов и то, впрыскивается ли топливо непосредственно в цилиндр. Тем не менее, конструкция и технология поршня также могут многое сказать о более широких тенденциях и проблемах, стоящих перед автомобильной промышленностью. Выдумывая максиму: как движется автомобиль, так работает и двигатель; и как движется двигатель, так движется и поршень. В поисках лучшей экономии топлива и снижения выбросов автопроизводители требуют более легких поршней с меньшим коэффициентом трения и выносливостью, чтобы выдерживать более жесткие условия эксплуатации. Именно эти три проблемы — долговечность, трение и масса — поглощают рабочие дни поставщиков поршней.
Во многих отношениях развитие бензиновых двигателей идет по пути, проложенному дизелями 15 лет назад. Чтобы компенсировать 50-процентное увеличение пикового давления в цилиндре, некоторые алюминиевые поршни теперь имеют вставку из железа или стали для поддержки верхнего кольца. Самые горячие бензиновые двигатели скоро потребуют охлаждающей галереи или закрытого канала на нижней стороне головки, который более эффективен для отвода тепла, чем сегодняшний метод простого распыления масла на нижнюю часть поршня. Разбрызгиватели стреляют маслом в маленькое отверстие в нижней части поршня, которое питает галерею. Однако кажущаяся простой технология непроста в производстве. Создание полого канала означает отливку поршня из двух частей и их соединение трением или лазерной сваркой.
На поршни приходится не менее 60 процентов трения двигателя, и улучшения здесь напрямую влияют на расход топлива. Снижающие трение пропитанные графитом смоляные накладки, нанесенные трафаретной печатью на юбку, теперь почти универсальны. Поставщик поршней Federal-Mogul экспериментирует с конической поверхностью маслосъемного кольца, что позволяет уменьшить натяжение кольца без увеличения расхода масла. Трение нижнего кольца может разблокировать до 0,15 лошадиных сил на цилиндр.
Автопроизводители также жаждут новых покрытий, снижающих трение между деталями, которые трутся или вращаются друг о друга. Твердое и скользкое алмазоподобное покрытие, или DLC, перспективно для гильз цилиндров, поршневых колец и поршневых пальцев, где оно может устранить необходимость в подшипниках между пальцем и шатуном. Но это дорого и мало применимо в современных автомобилях.
«[Производители] часто обсуждают DLC, но попадут ли они в серийные автомобили — это знак вопроса», — говорит Йоахим Вагенбласт, старший директор по разработке продуктов в Mahle, немецком поставщике автозапчастей.
Все более сложное компьютерное моделирование и более точные методы производства также позволяют создавать более сложные формы. В дополнение к чашам, куполам и углублениям клапана, необходимым для зазора и достижения определенной степени сжатия, асимметричные юбки имеют меньшую и более жесткую область на упорной стороне поршня, чтобы уменьшить трение и концентрацию напряжения. Переверните поршень, и вы увидите конические стенки толщиной едва ли более 0,1 дюйма. Более тонкие стенки требуют более жесткого контроля за допусками, которые уже измеряются в микронах или тысячных долях миллиметра.
Тонкие стены также требуют лучшего понимания теплового расширения объекта, который иногда должен нагреваться от нуля до нескольких сотен градусов за считанные секунды. Металл в вашем двигателе неравномерно расширяется при нагревании, поэтому оптимизация допусков требует опыта проектирования и точных возможностей обработки для создания небольших эксцентриситетов в деталях.
«Ничто из того, что мы делаем, не является прямым или круглым, — говорит Кери Уэстбрук, директор по разработкам и технологиям в Federal-Mogul. «Мы всегда строим некоторую компенсацию».
Поршни дизельных двигателей претерпевают собственную эволюцию по мере того, как пиковое давление в цилиндрах возрастает до 3600 фунтов на квадратный дюйм. Mahle и Federal-Mogul предсказывают переход от литого алюминия к поршням из кованой стали. Сталь плотнее алюминия, но в три раза прочнее, благодаря чему поршень более устойчив к более высоким давлениям и температурам без увеличения веса.
Сталь позволяет заметно изменить геометрию за счет уменьшения высоты сжатия поршня, определяемой как расстояние от центра поршневого пальца до вершины головки. На эту площадь приходится 80 процентов веса поршня, поэтому короче обычно означает легче. Важно отметить, что более низкая компрессионная высота не только сжимает поршни. Это также позволяет использовать более короткий и легкий блок двигателя, поскольку высота платформы уменьшена.
Mahle производит стальные поршни для передовых турбодизельных двигателей, таких как Audi R18 TDI, четырехкратный победитель Ле-Мана, и двигатель Mazda LMP2 Skyactiv-D. В конце этого года компания начнет поставки своих первых стальных поршней для серийного дизельного двигателя малой грузоподъемности — 1,5-литрового четырехцилиндрового двигателя Renault.
Непреходящая актуальность двигателя внутреннего сгорания обусловлена постоянной эволюцией его компонентов. Поршни не сексуальны. Они не такие модные, как литий-ионный аккумулятор, не такие сложные, как коробка передач с двойным сцеплением, и не такие интересные, как дифференциал с вектором крутящего момента. Тем не менее, после более чем столетия автомобильного прогресса поршни с возвратно-поступательным движением продолжают производить большую часть движущей силы.
1. Ferrari F136
Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель
.
Тип двигателя: DOHC V-8
Рабочий объем: 274 куб. дюйма, 4497 см3
Удельная мощность: 125,0 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 9000 об/мин
Отверстие: 3,70 дюйма
Вес: 2,1 фунта
2. Ford Fox
Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель
Приложения: Ford Fiest (показан) , Focus: Ford Fiest (показан) , фокусировка (показано) , фокусировка
636363636666666666666666666666666666666666666. : рядный 3-цилиндровый DOHC с турбонаддувом
Рабочий объем: 61 куб. дюйм, 999 см3
Удельная мощность: 123,1 л.с./л
Максимальная частота вращения двигателя: 6500 об/мин
Отверстие: 2,83 дюйма
Вес: 1,5 фунта
3. Cummins ISB 6.7
Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, STIHL USA, производитель
Приложения: Heavy Duty (показан) 7777777795. : рядный шестицилиндровый дизельный двигатель с толкателем и турбонаддувом
Рабочий объем: 408 куб. дюймов, 6690 куб.см
Удельная мощность: 55,3 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 3200 об/мин
Отверстие: 4,21 дюйма
Вес: 8,9 фунта
4. Ford Coyote
Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель
Приложения: FORD F-150, HuptAng (показан) 7373737373737373737373737373337373333333333333333338888888888888888888888888888888888888888888 гг. Тип двигателя: DOHC V-8
Рабочий объем: 302 куб. дюйма, 4951 куб.см
Удельная мощность: до 84,8 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 7000 об/мин
Отверстие: 3,63 дюйма
Вес: 2,4 фунта
5. Fiat Fire 1.4L Turbo
РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
8 Dodge Dart
8; Фиат 500 Абарт (на фото) , 500 л, 500 Turbo
Тип двигателя: рядный четырехцилиндровый SOHC с турбонаддувом
Рабочий объем: 83 куб. дюйма, 1368 см3
Удельная мощность: до 117,0 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин
Отверстие: 2,83 дюйма
Вес: 1,5 фунта
6. Cummins ISX15
РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Применение: большегрузные автомобили (показан International Prostar)
Тип двигателя: рядный шестицилиндровый дизель SOHC с турбонаддувом
Рабочий объем: 912 куб. дюймов, 14 948 куб. см
Удельная мощность: до 40,1 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 2000 об/мин
Отверстие: 5,39 дюйма
Вес: 26,4 фунта
7. Chrysler LA-серии Magnum V-10
Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Стихл США, производитель
Приложения: Dodge Viper (показан)
.
Рабочий объем: 512 куб. дюймов, 8382 куб. см
Удельная мощность: 76,4 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 6400 об/мин
Отверстие: 4,06 дюйма
Вес: 9 шт.0188 2,8 фунта
8. Ford Ecoboost 3.5L
Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, STIHL USA, производитель
Приложение: для Expled. (на фото) , Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator
Тип двигателя: с двойным турбонаддувом DOHC V-6
Рабочий объем: 213 куб. дюймов, 3496 куб. см
Конкретный выход: до 105,8 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин
Отверстие: 3,64 дюйма
Вес: 2,6 фунта
9. Toyota 2Ar-Fe
Рой Ричи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, STIHL USA, производитель
Приложения: Scion TC (показан) ; Toyota Camry, RAV4
Тип двигателя: DOHC, рядный, четыре
Рабочий объем: 152 куб.дюйма, 2494 куб.см
Удельная мощность: до 72,2 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин
Отверстие: 3,54 дюйма
Вес: 2,5 фунта
10. STIHL MS441 Цепная пила
Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, STIHL USA, производитель Magnum
. Применение MS441 C-M Magnum Chain (Показано) (Показано). Цепная пила C-MQ Magnum
Тип двигателя: двухтактный одноцилиндровый
Рабочий объем: 4 куб. дюйма, 71 см3
Удельная мощность: 79,7 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 13 500 об/мин
Отверстие: 1,97 дюйма
Вес: 0,4 фунта
11. Chrysler Hellcat 6.2L
РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Применение: Dodge Challenger SRT Hellcat
Тип двигателя: толкатель V-8 с наддувом
Рабочий объем: 376 куб. дюймов, 6166 куб. см
Удельная мощность: 114,7 л.с./л
Максимальная скорость двигателя: 6200 об/мин
Отверстие: 4,09 дюйма
Вес: 3,0 фунта
РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
По мере увеличения нагрузки на поршни растут и требования к шатунам. Более высокое давление сгорания приводит к большим нагрузкам на стержни, соединяющие поршни с кривошипом. За редким исключением экзотических деталей из титана, шатуны обычно либо изготавливаются из порошковой стали, прессуются и нагреваются в форме, либо выковываются из стальной заготовки для более высокопроизводительных приложений. Основным технологическим сдвигом является растрескивание крышек шатунов как для порошковых, так и для кованых шатунов. Раньше шатун и торцевая крышка шатуна изготавливались как отдельные детали. Стержни с треснутыми крышками выходят из формы как единое целое в форме накидного ключа. Конец шатунной шейки травится, а затем защелкивается пополам с помощью пресса. Полученная неровная поверхность улучшает выравнивание; обеспечивает более надежное соединение крышки со стержнем; и позволяет использовать более тонкий и легкий шатун в сборе.
РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Неметаллические поршни: Керамика и композиты обеспечивают привлекательность более низкого теплового расширения, меньшего веса, более высокой прочности и жесткости по сравнению с алюминий. В 1980-х Mercedes-Benz использовал грант правительства Германии для создания двигателя 190E с поршнями из углеродного композита, который без проблем проехал 15 000 миль. В то время как технология надежна, производство было ограничивающим фактором. А 1990 Исследование НАСА показало, что обработка одного поршня из углерод-углеродной заготовки стоит 2000 долларов. Альтернативой был трудоемкий процесс ручной укладки.
Роторы Ванкеля: Хорошо, хорошо, мы знаем, что это не возвратно-поступательный поршень, но чугунный треугольный ротор является аналогом поршня двигателя Ванкеля, потому что он преобразует энергию сгорания в крутящий момент. Пока новой Mazda RX не предвидится, нашей единственной надеждой на возрождение роторного двигателя остается Audi, которая дразнила нас расширителем диапазона Ванкеля в своей гибридной концепции Audi A1 e-tron 2010 года.
Овальные поршни: В то время, когда двухтактные мотоциклетные двигатели были нормой, в 1979 году Honda представила на Всемирном Гран-при мотоциклов четырехтактный двигатель. Это один из самых странных двигателей в истории. Мотоцикл Honda NR500 GP был оснащен двигателем V-4 с углом V-образного сечения 100 градусов, овальными цилиндрами с восемью клапанами на каждом и двумя шатунами на поршень. Герметизация овальных поршней оказалась сложной задачей (первоначальный бизнес Соитиро Хонды заключался в поставке поршневых колец для Toyota), но это было одной из меньших забот команды.