14.8.6 Поршни

14.8.6. Поршни

Двигатель автомобиля иногда сравнивают с сердцем человека. Действительно, он работает постоянно, пока машина движется. Правда, такое сравнение не вполне корректно. Ведь сердце, как и всякий живой организм, непрерывно самовосстанавливается: в нем постоянно идут процессы отмирания старых клеток и замещения их новыми, молодыми. Чего никак не скажешь о неживом механизме – об автомобильном двигателе. Он, несмотря на все наши старания, изнашивается практически необратимо. Однако интенсивность такого износа, ресурс двигателя до капитального ремонта, как и долговечность всего автомобиля в целом, во многом зависят от того, насколько качественно он сделан и грамотно эксплуатируется.

Особенно подвержены износу главные детали двигателя – поршни с поршневыми кольцами, шатуны и цилиндры. Работа поршней двигателя наиболее впечатляет. Ведь, двигаясь возвратно-поступательно между верхней и нижней мертвыми точками, они покрывают огромное расстояние. Так, при частоте вращения коленчатого вала 5000 об/мин и ходе поршня в 75 мм суммарный путь поршня в минуту составляет 375 м. За час работы это расстояние будет уже 2 км 250 м, а за месяц эксплуатации по 8 часов в день, исключая выходные, поршень переместится на 460 км. При интенсивной работе автомобиля за 5 лет (а именно такую продолжительность эксплуатации автомобиля до капремонта подтверждает статистика) поршень покроет расстояние в 24 000 км!

Итак, износ поршня и сопряженных с ним деталей неизбежен. Однако величины износа поршневых групп (поршни – поршневые кольца) до капитального ремонта двигателей различных фирм весьма отличаются друг от друга. Так, предельный износ поршней и поршневых колец двигателей Mercedes-Benz, Volkswagen, BMW, большинства американских и японских фирм наступает после пробега около 300 000 км. В то же время двигатели других, скажем, менее совершенных моделей, нуждаются в замене поршней и поршневых колец уже после 50 000 км пробега (почти в 10 раз меньше!).

В чем же тут причина? И как зависит долговечность этих деталей от условий эксплуатации? Для ответа на эти вопросы рассмотрим две типичные конструкции поршневых групп бензинового двигателя и дизеля. Напомним, прежде всего, что давление газов внутри цилиндров этих двигателей в начале рабочего хода отличается примерно в два раза. В карбюраторном двигателе или в двигателе с непосредственным впрыском бензина оно составляет 4055 кг/см², в дизеле – это 70–80 кг/см². Поэтому и поршни бензинового и дизельного двигателей отличаются один от другого, хотя главные конструктивные решения у них одинаковы.

Типичный поршень карбюраторного двигателя отлит из алюминиевого сплава и покрыт снаружи слоем олова для улучшения прирабатываемости к зеркалу цилиндра. Его верхняя часть – головка – имеет меньший на 0,1 мм диаметр, чем внутренний диаметр цилиндра. Это сделано для предотвращения заклинивания головки в цилиндре при разогреве. В кольцевых канавках размещены два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Нижняя часть поршня – юбка – в поперечном сечении овальна, а по высоте имеет коническую форму: в верхней части – меньший диаметр, чем в нижней. Кроме того, внутри бобышек поршня с отверстиями под поршневой палец вплавлены две стальные терморегулирующие вставки. Все это сделано для предотвращения увеличения трения между юбкой и зеркалом цилиндра при нагревании поршня. Имея меньший, чем у алюминия, коэффициент теплового расширения, эти вставки стягивают юбку в направлении, перпендикулярном оси поршневого пальца.

Отверстие под поршневой палец в современных двигателях обычно смещают от оси симметрии в правую сторону двигателя. Для правильной сборки поршня с шатуном и установки их в цилиндр двигателя около отверстия бобышки имеется метка, которая должна быть обращена в сторону передней части двигателя. Такое смещение делают для уменьшения боковой составляющей силы давления газов, прижимающей поршень к одной из сторон цилиндра на такте "рабочий ход".

Шатун также должен быть правильно сориентирован в двигателе. На его передней стороне имеется отверстия для направленной струи масла на нагруженную сторону зеркала цилиндра (в некоторых двигателях это отверстие отсутствует). Вкладыши и крышка нижней головки шатуна также имеют соответствующие метки для правильной сборки. От точности изготовления поршня и верного подбора его к отверстию цилиндра существенно зависит его дальнейшая работоспособность и долговечность. Ведущие автомобилестроительные фирмы применяют сегодня систему, в соответствии с которой поршни по наружному диаметру разбиты обычно на пять или шесть классов через 0,01 мм. Кроме того, они разелены на 3–4 категории через 0,004 мм в соответствии с диаметром отверстия под поршневой палец. Цилиндры двигателя также имеют подобное же разделение на пять классов. Такая система позволяет наиболее точно подобрать поршень соответствующего класса к любому, даже изношенному цилиндру, и палец нужной категории к отверстию в бобышках и к шатуну. Для капитального ремонта двигателей, заключающемся обычно в расточке цилиндров, фирмы выпускают ремонтные поршни увеличенных размеров.

Поршень современного дизеля рассчитан на восприятие более высоких давлений, поэтому он имеет большую толщину днища и бобышек. Кроме того, конструкция поршня дизеля несколько отличается от рассмотренной ранее. Главное отличие – это размещение камеры сгорания непосредственно в головке поршня. Поскольку сгорание происходит при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки, горячие газы сильней нагревают головку поршня, а стенки верхней части цилиндра нагреваются относительно меньше, чем в бензиновых двигателях. Для надежного уплотнения поршня в цилиндре на его наружной поверхности сделаны пять канавок под поршневые кольца. В трех верхних канавках установлены компрессионные кольца. В нижних канавках размещены два маслосъемных кольца. Многие фирмы изготавливают компрессионные кольца прямоугольного сечения, практически ничем не отличающиеся от колец бензиновых двигателей. Однако более прогрессивной, хотя и более дорогой, является конструкция с конусной верхней рабочей поверхностью. Угол наклона образующей конуса у таких колец делают обычно 10°. Применение конусных колец обеспечивает некоторое увеличение их долговечности, поскольку на такте "рабочий ход" составляющая силы давления газов на конусную поверхность кольца дополнительно прижимает его к зеркалу цилиндра. Особенностью обслуживания и ремонта поршней с конусными компрессионными кольцами является точный контроль зазоров. Зазоры между канавкой и маслосъемными кольцами контролируют так же, как и в бензиновых двигателях.

Силы трения между поверхностями юбки поршня и зеркала цилиндра у дизелей выше, чем в бензиновых двигателях. Для увеличения долговечности на поверхность юбки поршней в современных фирмах наносят слой специального коллоидно-графитового покрытия. Оно намного улучшает прирабатываемость поршня к цилиндру и удлиняет срок его работы до капитального ремонта. Подобную же обработку трущихся поверхностей поршней применяют сегодня и на бензиновых двигателях.

Кроме износа поверхностей юбки, изнашиваются также канавки под компрессионные кольца поршня. Кроме того, изнашивается канавка под маслосъемное кольцо, хотя такой износ обычно куда меньше. При износе канавок кольца начинают все более интенсивно перемещаться вниз и вверх по высоте канавки, и все более ощутимым становится так называемое насосное действие колец. Это проявляется во все более увеличивающемся расходе картерного масла двигателя. Попадая в камеру сгорания, оно сгорает там, образуя сизый дым, выходящий из выхлопной трубы автомобиля. При значительном износе канавок замена колец на новые мало улучшает ситуацию. Наступает объективная необходимость в замене всей поршневой группы с весьма желательной расточкой цилиндров на ремонтный размер. Все описанные виды износа – это естественный и, к сожалению, неотвратимый процесс.

С естественным износом двигателя можно успешно бороться, продлевая его работоспособность. Америк тут открывать не следует. Просто нужно скрупулезно выполнять требования по эксплуатации автомобиля, пользоваться качественным маслом и масляными фильтрами, грамотно регулировать топливную аппаратуру. Хорошие результаты дает применение качественных модификаторов масла и топлива, препаратов, изменяющих микроструктуру поверхностных слоев трения двигателей.

Наряду с этим износ двигателя, как и всего автомобиля в целом, во многом зависит от водителя, от его квалификации и технической грамотности. Ведь не зря же автомобили одной и той же марки у одних водителей служат долго и безотказно, у других – ремонтируются чуть ли не каждую неделю. Опытный водитель почти никогда не допускает работы двигателя с перегрузкой, а тем более – детонацией. Он постоянно слушает, как работает его двигатель, и немедленно реагирует на перегрузку, сопровождаемую гулким, низкотональным звуком на пониженной частоте вращения коленчатого вала. Режим разгона автомобиля также сопровождается повышенным износом двигателя. Здесь напрашивается аналогия с лошадью и наездником: заботливый хозяин не будет без особой нужды хлестать своего четвероногого друга, заставляя его бежать с места в карьер, особенно когда лошадь еще не разогрелась. Конечно, в критических ситуациях водитель может себе позволить лихо, предельно резко разогнать автомобиль. Но если такой крутой стиль езды входит в привычку, ремонт двигателя у такого лихача наверняка обеспечен вдвое раньше, чем это предусмотрено техническими условиями.

Зачастую наблюдается и другой, не предусмотренный никакими инструкциями вид износа. Это аварийная поломка шатунно-поршневой группы и, прежде всего, колец и перемычек кольцевых канавок поршня. В бензиновых двигателях это связано прежде всего с детонацией. Напомним, что детонация – это взрывоподобное сгорание горючей смеси в цилиндре, сопровождаемое скачкообразным повышением давления в камере сгорания. Это равносильно резкому удару увесистой кувалдой по неподвижному поршню и кольцам. Детали, естественно, не рассчитаны на нагрузку и могут поломаться, повредив затем острыми осколками зеркало цилиндра. Причин детонации несколько. Однако главные из них – эта работа двигателя на бензине с более низким, чем это предусмотрено техническими условиями, октановым числом, а также перегрев и работа на богатой горючей смеси. Опытный водитель обязан слышать детонационные стуки при работе двигателя и немедленно уменьшать подачу топлива при разгоне, а затем устранять причины детонации. Звук детонации – это высокотональные металлические щелчки, совпадающие по частоте с оборотами коленчатого вала. Они могут быть еле слышны на фоне других звуков работающего двигателя, особенно – при слегка раннем зажигании, и пропадать при совсем незначительном уменьшении подачи топлива (газа). Такая еле заметная детонация свидетельствует о правильно отрегулированном угле опережения зажигания. но бывает и так, что детонационные стуки появляются сразу же при нажатии на педаль газа, что, конечно же, недопустимо, и продолжать движение в таком режиме равносильно разбиванию молотком внутренностей двигателя.

Дизельные двигатели не столь чувствительны к изменению состава дизельного топлива, хотя и в них случаются неприятности, ведущие к повышенному износу деталей кривошипно-шатунной группы. Это, прежде всего, перегрев двигателя и связанное с ним уменьшение вязкости масла, особенно, если оно невысокого качества. Повышенный износ может быть следствием и неправильной регулировки насоса высокого давлени, и ухудшения распыления топлива в камерах сгорания из-за нарушения работы форсунок. И, конечно же, многое зависит от самого водителя.

Итак, из всего вышесказанного можно сделать такие обобщенные выводы. Долговечность вашего автомобиля, а равно как и всего транспортного средства в целом, зависит от двух факторов: от качества изготовления, за которое ответственна фирма-производитель, и от уровня технической эксплуатации, за который, в конечном счете, ответственен водитель. Об этом нужно помнить как при покупке автомобиля, так и при подготовке и обучении водителей.