Поршневая группа: комплектация и устройство

Способ снижения износа цилиндропоршневой группы двигателя

Изобретение может быть использовано для снижения износа цилиндро-поршневой группы двигателя. Сущность изобретения: при работе двигателя мелкодисперсная присадка всасывается работающим двигателем вместе с потоком поступающего в двигатель воздуха из емкости, помещенной непосредственно в потоке всасываемого в двигатель воздуха, т.е. непосредственно во впускном тракте двигателя.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам снижения износа цилиндро-поршневой группы (ЦАГ) двигателя.

Известен способ фрикционного латунирования, при котором поверхность деталей покрывают тонким слоем латуни (меди, бронзы) под действием сил трения, используя токарный станок, а также специальные оправки, в которых соответствующие прутки (например, латунный Л-62) прижимают к обрабатываемой поверхности.Недостатком способа является необходимость разборки двигателя, что связано с увеличением трудоемкости и временных затрат.Известен способ с введением присадки в топливо.Недостатком его является возможность засорения карбюратора и других элементов двигателя.Известен способ с применением присадки ОМП-2 на основе глицерата меди в маслах (15 по объему). Трущиеся поверхности при этом покрываются налетом меди. Однако возможно засорение тракта и выпадение присадки в осадок.Известен способ с применением поверхностно активных (ПАВ) и химически активных (ХАВ) веществ, добавляемых в качестве присадки к маслам Недостатки этого способа те же, что и у способов Известен способ снижения ЦПГ двигателя путем введения присадки, снижающий износ вышеупомянутой группы во впускной тракт двигателя (в виде эмульсии) При этом необходимо сложное устройство для смешивания присадки с жидкостью, ее перекачки, дозирования и впрыска, что затрудняет реализацию способа.Задача изобретения упрощение технологии введения присадки, снижение cтоимости реализации, обеспечение постоянства введения присадки в работающий двигатель, повышение надежности введения присадки.Задача решается тем, что в способе снижения износа ЦПГ двигателя путем введения присадки, снижающей износ вышеупомянутой группы по впускной тракт двигателя, емкость с мелкодисперсной присадкой помещают непосредственно в потоке всасывающего работающим двигателем воздуха.Пример. Предлагаемый способ реализован следующим способом. На тракте всасываемого воздуха в ДВС с рабочим объемом цилиндров 1500 см3 (ВАЗ 2103) сразу за фильтром устанавливают рабочую емкость (пакетик из тканого материала), в которой находится смесь нафталина и мелкого порошка бронзы (пудра) в весовом процентном соотношении 70:30. Общий вес смеси в емкости 20 г.Во время работы двигателя смесь засасывалась в цилиндры, образуя равномерный антифрикционный налет на трущихся деталях ЦПГ.Замену рабочей емкости со смесью производят через каждые 10000 км пробега.Использование предлагаемого способа по сравнению с существующими обеспечивает следующие преимущества: Cущественно упрощается технология проведения работ. Установка рабочей емкости занимает 2 3 мин, что по сравнению с известными способами более чем на порядок или два меньше.Существенно повышается надежность и КПД двигателя, так как исключается возможность засорения топливного или масляного трактов, а также устраняется возможность выпадения присадки в осадок.В несколько раз снижается стоимость присадки, поскольку применяются дешевые и достаточно распространенные вещества и материалы, например бронзовая пудра и нафталин, в количестве несколько десятков граммов.Использование предлагаемого способа на машинах ВАЗ с рабочим объемом цилиндра 1500 см3 позволило увеличить ресурс до первого капремонта на 50 70% При этом затраты на обучение и освоение способа также существенно меньше.Источники информации 1. Гаркунов Д.Н. Крагельский И.В. Поляков А.А. Избирательный перенос в узлах трения. М. Транспорт, 1969.2. Суранов Г.И. Уменьшение износа автотракторных двигателей при пуске. М. Колос, 1982, с. 68-69.3. Теркунов А.Г. Мороз В.Е. Черновол М.И. Ускоренная приработка двигателей. Техника в сельском хозяйстве, 1979, N 20.4. Суранов Г.И. Уменьшение износа автотракторных двигателей при пуске. М. Колос, 1982, с. 64-65.5. Патент США N 3145694, кл. F 02 B 77/04, опубл. 1964.

Формула изобретения Способ снижения износа цилиндропоршневой группы двигателя путем введения присадки, снижающей износ вышеупомянутой группы, во впускной тракт двигателя, отличающийся тем, что емкость с мелкодисперсной присадкой помещают непосредственно в потоке всасываемого работающим двигателем воздуха.

Устройство поршня

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.

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.

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.

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.

Коленчатый вал

Коленчатый вал, соединенный с поршнем посредством шатуна, воспринимает действующие на поршень силы. На нем возникает вращающий момент, который затем передается на трансмиссию, а также используется для приведения в действие других механизмов и агрегатов. Под влиянием резко изменяющихся по величине и направлению сил инерции и давления газов коленчатый вал вращается неравномерно, испытывая крутильные колебания, подвергаясь скручиванию, изгибу, сжатию и растяжению, а также воспринимая тепловые нагрузки. Поэтому он должен обладать достаточной прочностью, жесткостью и износостойкостью при сравнительно небольшой массе.

Конструкции коленчатых валов отличаются сложностью. Их форма определяется числом и расположением цилиндров, порядком работы двигателя и числом коренных опор. Основными частями коленчатого вала являются коренные шейки 3, шатунные шейки 2, щеки 4, противовесы 5, передний конец (носок 1) и задний конец (хвостовик 6) с фланцем.

К шатунным шейкам коленчатого вала присоединяют нижние головки шатунов. Коренными шейками вал устанавливают в подшипниках картера двигателя. Соединяются коренные и шатунные шейки при помощи щек. Плавный переход от шеек к щекам, называемый галтелью, позволяет избежать концентрации напряжений и возможных поломок коленчатого вала. Противовесы предназначены для разгрузки коренных подшипников от центробежных сил, возникающих на кривошипах вала во время его вращения. Их, как правило, изготавливают как единое целое со щеками.

Для обеспечения нормальной работы двигателя к рабочим поверхностям коренных и шатунных шеек необходимо подавать моторное масло под давлением. Масло поступает из отверстий в картере к коренным подшипникам. Затем оно через специальные каналы в коренных шейках, щеках и шатунных шейках попадает к шатунным подшипникам. Для дополнительной центробежной очистки масла в шатунных шейках имеются грязеуловительные полости, закрытые заглушками.

Коленчатые валы изготавливают методом ковки или литья из среднеуглеродистых и легированных сталей (может применяться также чугун высококачественных марок). После механической и термической обработки коренные и шатунные шейки подвергают поверхностной закалке (для повышения износостойкости), а затем шлифуют и полируют. После обработки вал балансируют, т. е. добиваются такого распределения его массы относительно оси вращения, при котором вал находится в состоянии безразличного равновесия.

В коренных подшипниках применяют тонкостенные износостойкие вкладыши, аналогичные вкладышам шатунных подшипников. Для восприятия осевых нагрузок и предотвращения осевого смещения коленчатого вала один из его коренных подшипников (обычно передний) делают упорным.

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.

Методы диагностики

Измерение давления внутри цилиндров.

Самый распространённый метод среди диагностов.

Давление сжатия, которое развивают поршни, определяется компрессометром. Прибор представляет собой полую металлическую трубку. На один её конец навинчен манометр. На другом может быть:

1. резиновый переходник под отверстия дизельных форсунок;
2. резьбовая нарезка для ввинчивания в гнёзда свечей зажигания (у карбюраторов).

Существуют и универсальные аппараты. Они предназначены для использования в обоих вариантах.

Как производятся измерения

• запускается двигатель, прогревается до средней температуры (75-90С);
• снимаются все свечи (форсунки),
• в их гнёзда (поочерёдно) вставляется компрессометр,
• коленчатый вал с закреплённой на нём ЦПГ прокручивается стартером,
• замеряется давление в камере сгорания (преимущественно на такте «сжатия» и «рабочего хода»),
• данные сравниваются с нормативами.

Типичные причины снижения давления в цилиндрах

1. Проблемы в клапанной системе: — изношенность втулок; — прогорание давящей оконечности поршня; — появление излишнего зазора между сёдлом и прилегающей к нему частью клапана.
2. Дефекты в районе головки, сопряжённой с блоком Цилиндров (БЦ): — искривление геометрии плоскости, примыкающей к блоку; — повреждение или недостаточная затянутость прокладки.
3. Поршневые кольца: — изнашивание, — поломка на мелкие фрагменты, — утрата гибкости («закоксовывание»).
4. Внутренняя поверхность цилиндра: — выработка в рабочей зоне, — механические повреждения «зеркала» поломанными кольцами.

Вспомогательные методы оценки работоспособности ЦПГ

По расходу картерных газов

Показания снимаются индикаторными приборами типа КИ-13761.

Таким образом, оценивается работоспособность цилиндропоршневой группы. Причём — только ориентировочно, без выявления конкретных причин тех или иных дефектов.

Пневмотестирование

Определение локализации цилиндра, дающего сбои в работе:

• выворачиваются свечи зажигания (или форсунки у дизеля);
• поршни поочерёдно выставляются в верхнее и нижнее положение;
• через уплотнитель внутрь полости компрессором закачивается воздух,
• подача прекращается,
• замеряется время, в течение которого давление падает; показатели сравниваются с нормой.

Определить степень изношенности ЦПГ с помощью пневматики нельзя.

Вакуумная диагностика

Для проведения вакуумного анализа применяется специальный анализатор, определяющий герметичность цилиндра.

Это прибор, который позволяет определить техническое состояние:

• ЦПГ,
• уплотнительных и маслосъёмных колец,
• распределительной клапанной группы, обеспечивающей впусковой и выпускной моменты работы мотора.

Как пользоваться анализатором

• прогреть мотор,
• снять все свечи зажигания (или форсунки),
• отключить разъёмы коммутатора,
• стартером прокрутить несколько раз двигатель (выдуть грязь из всех цилиндров),
• через переходное устройство, адаптированное под гнёзда свечей (форсунок), подключить анализатор,
• замерить величину полного и остаточного вакуумного разрежения при стартерной прокрутке коленвала.

Что позволяет выяснить вакуумное разрежение

1. Полное: — изношенность гильзы, — «притёртость» клапана к седлу;
2. Остаточное разрежение: — эффективность маслосъёмных и компрессионных колец.

Ремонт ЦПГ производится после сопоставления показателей по всем диагностическим методикам. Уровень его может быть:

• капитальным (в случае полного износа цилиндропоршневой группы),
• частичным (например, просто замена колец).

Принцип работы

Поршень двигается вниз и вверх внутри гильзы, передавая шейке коленчатого вала это движение через шатун. Шатун вращает коленвал, таким образом поступательное движение всех поршней переходит во вращательное. Коленчатый вал вращается, за счет работы ЦПГ.

Поршневые кольца (компрессионные) перекрывают зазор между поршнем и цилиндром (гильзой), препятствуя прорыву в картер газов и горючей смеси из камеры сгорания. Маслосъемные кольца, убирают со стенок гильзы излишки масла, чтобы оно не попадало в камеру сгорания и не горело там, вызывая появление сажи.

Обычно, каждый поршень имеет 2 компрессионных кольца и одно маслосъемное, но это количество может меняться, в зависимости от конструкции мотора.

Поршневой палец соединяет поршень с шатуном. Обычно, в шатуне палец запрессован, а поршень на нем качается. Но существуют моторы, где наоборот, палец в поршне стационарно сидит, а качается в шатуне.

Современные моторы могут иметь от одного цилиндра (двухтактные агрегаты мотоциклов, мопедов и т.д.) и до 16 – танковые моторы и моторы огромных тягачей (четырехтактные). Количество тактов – количество движений, за которые происходит полный цикл работы цилиндра.

Работа в 4 такта

ЦПГ четырехтактного мотора работает так:

1. Такт впуска. Поршень из ВМТ опускается в гильзе вниз, при этом открыт впускной клапан, происходит наполнение цилиндра воздухом и впрыск топлива;
2. Такт сжатия. Поршень достиг НМТ и начинается сжатие топливно-воздушной смеси, клапаны закрытые;
3. Такт расширения. Поршень максимально сжал смесь и достиг ВМТ, происходит поджог смеси, искрой от свечи. Взрыв топливной смеси толкает поршень вниз, клапаны по-прежнему закрытые;
4. Такт выброса. Поршень достиг НМТ, смесь уже выгорела, открывается выпускной клапан, отработанные газы выбрасываются в выпускной коллектор, движением поршня вверх. Как только поршень снова достигает ВМТ, начинается новый такт впуска.

Работа в 2 такта

В двухтактном моторе все это происходит за два цикла движения поршня.

1. Такт сжатия. Поршень идет вверх от НМТ к ВМТ. Горючее поступает через отверстия для продувки, затем поршнем они перекрываются. Дальнейшее продвижение вверх перекрывает выпускные каналы, через которые происходит выхлоп отработавших газов. Поршень подходит к ВМТ, создав давление смеси в пространстве над ним, называемом камерой сгорания.
2. Такт расширения. Происходит воспламенение смеси, энергия взрыва толкает поршень, заставляя его двигаться вниз. При этом, сначала открываются отверстия для сброса отработавших газов, затем продувка и наполнение камеры новой порцией топлива. После чего, цикл повторяется.

Шатун

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он передает усилия от поршня к коленчатому валу во время рабочего хода и от коленчатого вала к поршню во время остальных тактов. Вместе с коленчатым валом шатун преобразовывает возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.

Шатун изготовляется из стали штамповкой с последующей механической и термической обработкой. Шатун состоит из трех основных частей: тела 11, верхней 13 и нижней 10 головок.

Тело шатуна обычно имеет двутавровое сечение, которое постепенно увеличивается от верхней головки к нижней. Такая форма обеспечивает шатуну прочность и жесткость при минимальном весе. Если в двигателе предусмотрена принудительная смазка поршневого пальца, то в теле шатуна вдоль его оси просверливается канал 12.

Верхняя головка шатуна выполняется неразрезной, если применяется плавающий палец, или разрезной, если применяется закрепленный палец. В первом случае головку изготовляют большей ширины. Внутрь такой головки запрессовываются одна или две бронзовые втулки 15, чтобы уменьшить трение и облегчить ремонт. Обычно внутренняя поверхность бронзовых втулок гладкая, но в ряде двигателей для лучшей смазки пальца на поверхности втулок делаются канавки.

При креплении поршневого пальца стяжным болтом верхняя головка шатуна изготовляется более узкой, с разрезом и утолщением с одной стороны; в утолщении выполняется отверстие и нарезается резьба для стяжного болта.

Нижняя головка шатуна всегда выполняется из двух частей, соединенных болтами с гайками: верхней, изготовляемой заодно с телом шатуна, и нижней, называемой крышкой 9. Чтобы избежать ослабления крепления крышки шатуна, гайки шатунных болтов стопорятся при помощи шплинтов или стопорных шайб. В нижней головке шатуна располагается шатунный подшипник.

Состав поршневой группы

Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:

• минимальной деформации при работе;
• высокой прочности при переменной нагрузке и износостойкости;
• хорошей сопротивляемости ударной нагрузке;
• малой массы.

По способу установки поршневые пальцы могут быть:

• закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
• закреплены в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня;
• свободно вращающимися в бобышках поршня и в головке шатуна.

Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.

Гильза

Съёмная гильза

Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.

Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.

Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.

В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.