Поршень двигателя внутреннего сгорания

Лишь о немногих компонентах двигателя мы знаем меньше всего. Такими компонентами являются поршни. Несмотря на то, что поршни дают один из самых больших приростов мощности и крутящего момента при любой модернизации, они, как правило, являются одной из тех деталей, которые ставятся в конец списка доработок двигателя. Это объясняется, в частности, тем, что замена поршней – дело дорогое, сложное и может привести к массовому выходу двигателя из строя при неправильном выполнении работ. Кроме того, из-за большого количества вариантов, представленных на рынке, часто устанавливаются несоответствующие детали, что в дальнейшем приводит к возникновению проблем.
В этой статье мы проясним некоторые загадки, связанные с этими важнейшими деталями двигателя, и поможем вам сделать правильный выбор при замене заводских поршней на компоненты для вторичного рынка. Существует несколько типов поршней, каждый из которых имеет определенное назначение. Различные технологии изготовления поршней делают некоторые из них более подходящими для конкретных условий эксплуатации, и даже специальные покрытия влияют на работу двигателя.

Принцип работы поршня

Большинство автомобильных двигателей, представленных сегодня на рынке, являются четырехтактными. Проще говоря, это означает, что за каждые два оборота поршня распределительный вал поворачивается четыре раза, а впускные и выпускные клапаны открываются в такт движению поршня. Легкий способ запомнить последовательность четырех тактов – это: впуск, сжатие, воспламенение и выхлоп. Запоминание этой последовательности помогает определить, в какой точке пути находится поршень, просто в зависимости от того, какие клапаны открыты или закрыты.

Анатомия поршня

Независимо от стиля или типа, все поршни имеют общие черты. Знание названий частей поршня и их функций поможет отличить один тип поршня от другого.

Основными частями поршня являются коронка – верхняя поверхность, юбка – боковые стороны поршня, поддерживающие коронку, и палец – место соединения поршня с шатуном. Каждый поршень имеет от двух до четырех канавок, вырезанных по окружности рядом с коронкой. Они называются кольцевыми канавками и позволяют кольцам из металлического сплава плотно прилегать к поршню, не позволяя ему касаться стенок цилиндра. Кольца позволяют создать давление сгорания и избежать попадания масла в цилиндр снизу, сохраняя при этом смазку стенок цилиндра.

Движение поршня при работе двигателя

Поршень играет важнейшую роль в четырехтактной схеме. Когда открывается впускной клапан, поршень движется вниз по цилиндру, втягивая в себя воздух и топливо. При обратном движении поршня вверх выпускные и впускные клапаны закрываются, создавая давление. Величина создаваемого давления в значительной степени контролируется формой верхней поверхности поршня, а также компрессионными и маслосъемными кольцами, окружающими поршень и удерживающими давление.

Когда поршень достигает верхней точки хода, срабатывает свеча зажигания, воспламеняя сжатую топливно-воздушную смесь. В результате воспламенения поршень опускается по цилиндру. Когда поршень начинает двигаться вверх, открывается выпускной клапан, позволяя сгоревшим газам выйти из камеры сгорания.

Производительность поршня

Общая мощность двигателя напрямую зависит от того, насколько хорошо поршень может сжимать воздух и топливо, удерживать давление и выталкивать газы из цилиндра, а тип поршня определяет эффективность этого процесса. Зачастую устаревшие и неисправные двигатели теряют работоспособность из-за износа поршня и колец, что препятствует адекватной компрессии и приводит к недостатку мощности.

К сожалению, для замены поршней и колец необходимо полностью разбирать двигатель, поэтому часто владельцы избавляются от старых легковых и грузовых автомобилей, а не ремонтируют их. Это дорогостоящая и сложная работа, и для тех водителей, у которых нет времени и опыта для ее выполнения, она редко оправдывает себя.

Наиболее распространенные типы поршней

Некоторых водителей может удивить наличие различных типов поршней. На самом деле, выбор подходящих поршней для модернизации двигателя может оказаться весьма затруднительным из-за большого количества различных видов продукции и ценовых предложений.

При этом выбор подходящей модели часто зависит от конечной цели модернизации двигателя. Например, если речь идет о восстановлении двигателя, то вам понадобятся поршни с заводскими характеристиками. Если двигатель создается для использования турбокомпрессора или нагнетателя, то потребуются поршни с более низкой степенью сжатия. Гоночным двигателям с естественной форсировкой для создания большей мощности требуются поршни с высокой степенью сжатия.

Типы конструкций поршневых коронок

Первая часть поршня, которую необходимо изучить, называется “короной” или верхней поверхностью поршня. Это та часть, которая подвергается воздействию пламени. В настоящее время существует три типа поршней, каждый из которых известен просто по конструкции коронки.

Поршни с плоской вершиной

Плоские поршни – это наиболее распространенная конструкция поршня для большинства применений. Как следует из названия, коронка поршня буквально плоская. Такая конструкция обеспечивает наилучший баланс между степенью сжатия и клапанными зазорами, а также максимизирует потенциальную мощность. Поршни с плоскими вершинами широко распространены в легковых и гоночных автомобилях, а также в высокопроизводительных двигателях.

Чашеобразные поршни

Поршень с коронкой имеет форму чаши. Такие поршни обычно используются в системах принудительного впрыска, таких как турбо- и нагнетатели, поскольку они снижают степень сжатия. Высокая степень сжатия в двигателе с принудительным впрыском может буквально разорвать его на части.

Куполообразные поршни

Теоретически куполообразные поршни создают более компактную камеру сгорания, обеспечивая более высокую степень сжатия. Однако куполообразные поршни часто создают другие проблемы, включая медленное или неполное сгорание топлива, интерференцию клапанов и снижение КПД. Поршни такого типа следует использовать только в очень специфических областях применения.

С выборкой для клапанов

Клапанные рельефы – это карманы, вырезанные в коронке поршня для предотвращения удара клапанов о поршень, т.е. интерференции двигателя. Перепускные клапаны могут встречаться на всех типах коронок, но обычно они необходимы при использовании куполообразных поршней.

Производство и технология

Как будто все это недостаточно сложно, процесс изготовления поршня может существенно изменить область его применения. Существует три основных типа технологических процессов, используемых для производства поршней, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Литые поршни

Литые поршни изготавливаются с использованием формы, в которую заливается расплавленный металл (обычно алюминий), а затем поршень формуется на станке. Этот способ является наименее дорогостоящим и позволяет получить высококачественные поршни для большинства серийных и малолитражных двигателей. Недостатком литых поршней является то, что они не выдерживают высокой степени сжатия.

Гиперэвтектические поршни

Эти поршни отливаются из алюминия с большим количеством кремния, легированного в металл. Кремний позволяет значительно уменьшить зазоры в поршнях и значительно повысить их прочность по сравнению с литыми поршнями, что позволяет использовать их при создании двигателей с высокой степенью сжатия. Гиперэвтектика – наиболее распространенный процесс изготовления поршней для высокопроизводительных атмосферных двигателей.

Кованые поршни

Кованые поршни изготавливаются путем механической обработки цельного куска сплава, а не литья. В результате получается гораздо более прочный поршень, способный выдерживать очень высокую степень сжатия. Однако кованые поршни также значительно дороже других типов.

Кованые поршни также широко используются в двигателях с принудительным впрыском, где внутреннее давление в цилиндре гораздо выше, чем в двигателях с естественным впрыском.

Поршни увеличенного размера

При восстановлении двигателя обычно растачивают цилиндры для устранения износа и повреждений. При этом поршни должны быть заменены на поршни большего диаметра, называемые “увеличенными”. Они обычно продаются с шагом .010″, .030″ и даже более крупными поршнями, которые могут достигать .065″ и более.

Установка поршней стандартного диаметра на расточенный двигатель приведет к значительной потере компрессии, снижению мощности и расходу масла. Неизбежен выход двигателя из строя. С другой стороны, правильно подобранные поршни увеличенного диаметра могут повысить степень сжатия и мощность.

Варианты покрытий поршня

На рынке представлено множество различных типов покрытий, многие из которых делают фантастические заявления об увеличении производительности за счет покрытия поршня. Однако зачастую эти заявления в лучшем случае сомнительны. В целом, покрытие поршня позволяет снизить трение, обеспечить более плотные зазоры между стенками цилиндра и предотвратить образование нагара. Каждая компания-производитель поршней предлагает свой собственный запатентованный процесс нанесения покрытия на поршни.

Послесловие

Выбор подходящего поршня для сборки двигателя – это не просто заказ того, что поместится в отверстие. Необходимо иметь представление о том, какова долгосрочная цель использования двигателя. Например, если планируется установить распределительный вал большого размера, обеспечивающий дополнительный подъем и большую продолжительность открытия, то потребуется поршень с разгрузкой клапанов. Для двигателя с наддувом и впрыском топлива потребуются поршни с выемкой для предотвращения преддетонации. Для повышения давления во многих короткоходных двигателях, например, мотоциклетных, используются поршни с куполом.

Прежде чем принять решение о выборе поршня для своего проекта, необходимо рассмотреть другие важные компоненты, в первую очередь головки блока цилиндров. Каждая головка имеет максимальное давление, которое она может выдержать, и для того, чтобы воспользоваться преимуществами производительности двигателя, часто требуются поршни, специально разработанные для головок послепродажного обслуживания.

В любом случае, если вы не уверены в том, что будет лучше для вашей конкретной сборки, не стесняйтесь обратиться за советом к профессионалам. Поверьте мне. Выбор неправильного типа поршней для своего двигателя может очень быстро привести к неприятным последствиям.