Справочник по анализу повреждений поршня

Основные параметры двигателя

С работой поршневого двигателя внутреннего сгорания связаны следующие параметры.

  • Верхняя мёртвая точка (в. м. т.) — крайнее верхнее положение поршня.
  • Нижняя мёртвая точка (н. м. т.) — крайнее нижнее положение поршня.
  • Радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки
  • Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).
  • Такт — часть рабочего цикла, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое.
  • Объём камеры сгорания — объём пространства над поршнем, когда он находится в верхней мертвой точке.
  • Рабочий объём цилиндра — объём, освобождаемый поршнем при перемещении его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.
  • Полный объём цилиндра — объём пространства над поршнем при нахождении его в нижней мёртвой точке. Полный объём цилиндра равен сумме рабочего объёма цилиндра и объёма камеры сгорания.
  • Рабочий объём двигателя для многоцилиндровых двигателей — это произведение рабочего объёма на число цилиндров.
  • Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания.

Принцип работы

Машина с ДВС (двигателем) должна ездить, а для этого ей необходимо совершить механическое усилие. Именно его и производит двигатель, который передает вращательную силу на колеса автомобиля. Те вращаются, и транспортное средство начинает движение. Это очень примитивное объяснение, которое позволит лишь отдаленно понять, что это такое – ДВС в машине. Главная цель двигателя – преобразование бензина (или дизельного топлива) в механическое движение. Сегодня самый простой способ заставить автомобиль двигаться – это сжечь топливо внутри мотора. Именно поэтому двигатель внутреннего сгорания получил соответствующее название. Все они работают по одинаковому общему принципу, хотя есть некоторые разновидности: дизельные, с карбюраторными или инжекторными системами питания и так далее.

Итак, принцип мы поняли: топливо сгорает, высвобождает при этом большие объемы энергии, которые толкают механизмы в двигателе, что приводит к вращению коленчатого вала. Усилия затем передаются на колеса, и машина начинает движение. 

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты четырехтактного двигателя

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации

Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта)

Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.

  1. На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
  2. Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
  3. Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
  4. И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного двигателя

По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.

При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется  большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.

Принцип работы двухтактного двигателя

Такты двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:

  1. В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
  2. Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.

Работа двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.

При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.

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.

Вспомогательные системы

В устройство двигателя автомобиля входят дополнительные контуры, которые отвечают за подачу топлива, смазку и охлаждение агрегата, а также избавление от отработанных газов. От правильного функционирования этих узлов во многом зависит время работы мотора, поэтому разберем их подробнее.

Газораспределение

Газораспределительный механизм контролирует движение впускных и выпускных клапанов, узел состоит из:

  • распредвала;
  • самих клапанов;
  • привода клапанов;
  • привода ГРМ.

Зажигание

Зажигание необходимо только бензиновым силовым агрегатам — поскольку горючее внутри цилиндров в этих установках не может воспламеняться самостоятельно, требуется искра.

Детали ДВС, которые отвечают за работу системы зажигания.

Схема работы и строение системы зажигания ДВС:

  • От аккумулятора (а когда мотор работает– от генератора) напряжение подается на катушку зажигания.
  • Накопитель энергии (катушка) преобразует ее в ток, достаточный, для появления разряда.
  • Трамблер распределяет ток по бронепроводам к каждому цилиндру. (В новых машинах это происходит под контролем электронного блока управления).

Топливоподача

Хотя принцип воспламенения смеси на бензиновых и дизельных движках различен, остальная схема топливного контура у них одинакова:

  1. Из бензобака горючее насосом подается в топливопровод.
  2. Далее через различные фильтры топливо поступает в узел смешения — карбюратор или инжектор, где обогащается воздухом.
  3. Состав поступает на свечи или форсунки, и оттуда уже идет в камеру цилиндра (на бензиновых ДВС топливо сначала подается во впускной коллектор).

В бензиновых моторах с инжекторными системами подача топлива происходит через форсунку, которая распыляет его в выпускной патрубок, где горючее смешивается с кислородом.

На дизельных автомобилях горючее и кислород подаются отдельно. Топливо под высоким давлением выпрыскивается из форсунок, а воздух заходит через газораспределительный механизм.

Смазка

Система смазки позволяет уменьшать силу трения, защищать металл от разрушения, отводить лишнее тепло, и убирать продукты горения. Узел состоит из:

  • маслопровода;
  • фильтра;
  • радиатора, охлаждающего масло;
  • поддона картера;
  • масляного насоса, подающего смазку из поддона снова в оборот.

Охлаждение

Элементы силового агрегата нагреваются до экстремально высоких температур, поэтому их необходимо охлаждать, чтобы предупредить разрушение или деформацию деталей. На относительно простых устройствах (мотороллерах или мопедах) температура движка понижается за счет встречного потока воздуха, но для мощных автомобильных моторов этого недостаточно. В них устроен отдельный контур, по которому идет охлаждающая жидкость:

  • Радиатор состоит из множества трубочек, проходя по которым, жидкость охлаждается за счет теплоотдачи.
  • Вентилятор гонит поток воздуха на радиатор, усиливая теплообмен.
  • Водяной насос обеспечивает циркуляцию и постоянное поступление охлажденной жидкости к наиболее горячим местам.
  • Термостат отвечает за переключение потока между внешним и внутренним кругом.

Жидкостная система охлаждения.

Выпускная система

Выхлопная система позволяет выводить отработанные газы, которые выпустил мотор автомобиля из своих цилиндров, в окружающую среду. Общее устройство выпускного контура машин с ДВС:

  1. Выпускной коллектор принимает отходы от каждого цилиндра, гасит их первичные колебания и направляет в приемную трубу (так называемые «штаны»).
  2. Далее поток поступает в каталитический нейтрализатор, в котором происходит очищение газов.
  3. Из катализатора выхлоп переходит в резонатор, где снижается скорость потока, и разделяются газы.
  4. Предпоследняя ступень выпускной системы — глушитель, внутри которого расположены перегородки, меняющие направление выхлопа, за счет чего снижается скорость и шумность выброса.
  5. Из глушителя отработка поступает в выхлопную трубу, а оттуда — в атмосферу.

Выпускная система ДВС автомобиля.
Мне нравитсяНе нравится

Возвратно-поступательный квантовый тепловой двигатель

Квантовые тепловые двигатели — это устройства, которые вырабатывают энергию из тепла, которое течет из горячего резервуара в холодный. Механизм работы двигателя можно описать законами квантовой механики .
Квантовые холодильники — это устройства, которые потребляют энергию с целью перекачки тепла из холодного резервуара в горячий.

В возвратно-поступательном квантовом тепловом двигателе рабочим телом является квантовая система, такая как спиновые системы или гармонический осциллятор. Цикл Карно и циклом Отто являются те , наиболее изученными. Квантовые версии подчиняются законам термодинамики . Кроме того, эти модели могут оправдать предположения
необратимой термодинамики . Теоретическое исследование показало, что возможно и практично построить поршневой двигатель, состоящий из одного колеблющегося атома. Это область будущих исследований, которая может найти применение в нанотехнологиях .

Принцип работы цилиндро-поршневой группы

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

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 двигателей 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 с 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.

Системы охлаждения, воздухозабора и запуска двигателя

В большинстве автомобилей система охлаждения состоит из радиатора и водяного насоса. Охлаждающая жидкость циркулирует по охлаждающей рубашке цилиндров, затем попадает в радиатор для охлаждения. В некоторых автомобилях (преимущественно в Volkswagen Жук) и в большинстве мотоциклов и газонокосилок используется воздушное охлаждение двигателей (двигатель с воздушным охлаждением легко узнать по ребрам на внешней стороне цилиндров, которые рассевают тепло). Двигатели с воздушным охлаждением намного легче, но охлаждаются хуже, что снижает их срок эксплуатации и производительность. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система охлаждения».

На схеме представлено соединение патрубков системы охлаждения
 
Итак, теперь Вы знаете, что и как охлаждает двигатель Вашего автомобиля. Но почему так важна циркуляция воздуха? Большинство двигателей является безнаддувными, т.е. воздух поступает через воздушные фильтры непосредственно в цилиндры. Более мощные двигатели либо имеют турбонаддув, либо наддув, т.е. воздух поступает в двигатель под давлением (для подачи в цилиндр большего объема топливно-воздушной смечи) для увеличения мощности двигателя. Уровень сжатия воздуха называется наддув. При турбонаддуве используется небольшая турбина, установленная на выхлопную трубу для вращения нагнетающей турбины входящим потоком воздуха. Турбокомпрессор устанавливается непосредственно на двигатель для вращения компрессора.
 
 
Увеличение мощности двигателя — это, конечно, хорошо, но что же происходит когда Вы поворачиваете ключ? Система запуска состоит из электростартера и соленоида стартера. При повороте ключа зажигания, стартер несколько раз проворачивает двигатель для начала процесса сгорания. Для запуска холодного двигателя требуется мощный стартер. Стартер должен преодолеть:
 

  • Любое собственное трение, вызванное поршневыми кольцами
  • Давление сжатия любого из цилиндров во время такта сжатия
  • Энергию, необходимую для открытия и закрытия клапанов распредвалом
  • А также действие всех остальных деталей, установленных непосредственно на двигателе, например водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.

В связи с тем, что требуется большое количество энергии и в автомобилях используется 12-вольтная электросистема, на стартер должен поступать ток в несколько сотен ампер. Соленоид стартера — это большой электронный переключатель, который может выдержать ток такой силы. При повороте ключа зажигания, он запускает соленоид для подачи питания на стартер.
 
В следующем разделе мы расскажем о подсистемах двигателя, которые отвечают за то, что в него поступает (масло и топливо) и что выходит (выхлоп и выбросы).

Системы смазки, подачи топлива, выхлопа и электросистема двигателя 
Когда дело касается повседневного обслуживания, скорее всего Вас, прежде всего, заинтересует количество бензина в бензобаке Вашего автомобиля. Каким же образом бензин, которым Вы заправляетесь, заставляет работать цилиндры? Топливная система при помощи насоса подает топливо из бензобака и смешивает его с воздухом в определенных пропорциях для того, чтобы топливно-воздушная смесь затем поступала в цилиндры. Существует три способа подачи топлива: карбюрация, впрыск во впускные каналы и непосредственный впрыск.

  • При карбюрации устройство, которое называется карбюратор, смешивает бензин с воздухом при подаче воздуха в двигатель.
  • В двигателях с впрыском топлива необходимое количество топлива впрыскивается в каждый цилиндр отдельно либо над впускным клапаном (впрыск во впускные каналы), либо в сам цилиндр (непосредственный впрыск).

Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система впрыска топлива».
 
Масло также играет очень важную роль. Система смазки обеспечивает подачу масла для каждой движущейся детали для того, чтобы они свободно двигались. Прежде всего, смазка требуется поршням (для их плавного движения в цилиндрах) и подшипникам, которые обеспечивают вращение таких деталей, как коленвал и распредвал. В большинстве автомобилей масла из поддона картера подается при помощи масляного насоса, проходит через масляный фильтр для удаления абразивных частиц, после чего под давлением поступает на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает обратно в картер, где оно собирается, после чего цикл повторяется.

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.

Поршневые кольца, наиболее подверженные износу и деформациям, производят из специального высокопрочного чугуна с легирующими добавками (молибденом, хромом, вольфрамом, никелем).

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.

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.

Похожие записи:

Порядок действий при дтп Страницы истории: основные черты поколений mercedes-benz 200 в кузовах w114/115, w123, w124 Toyota corolla cross 2021 года: выйдет ли в россии новый компактный кроссовер? Китайские автомобили Принудительный вентилятор ваз 2107: способы и схема включения 3 вида лучших противоугонных механических устройств для автомобилей