КОНСТРУКЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПОРШНЕЙ

 

     Поршень единой конструкции для любого двигателя? Может раньше так и было, но, когда речь идет о современных высокофорсированных дизелях, универсального решения просто нет.

     Конструкция поршней очень сильно менялась в последние годы и поршень, который вы только что извлекли из двигателя выпущенного несколько лет назад, может выглядеть иначе, чем тот, что сейчас поставляют в запчасти для этого же двигателя. Если они выглядят по-разному, то вы, безусловно, захотите убедиться, что новый поршень действительно подходит, прежде чем использовать его при ремонте. Еще больше внимания этому вопросу следует уделить, когда речь идет о частичной замене, то есть – об использовании поршней разных типов в одном двигателе.

На сегодняшний день есть четыре основных вида поршней (фото 1):

- цельный (литой) алюминиевый;

- составной (когда днище поршня и «уши» под поршневой палец стальные, а юбка алюминиевая);

- цельный (литой) стальной;

- стальной сварной (из двух деталей, соединенных сваркой трением).

     Но если собрать все доступные на рынке поршни в одном месте, то вариантов исполнения будет гораздо больше. Качество применяемых материалов и уровень технологий у разных производителей различаются довольно сильно, но эти особенности, без специальных методов исследования, оценить трудно. Так что здесь мы рассмотрим лишь некоторые, наиболее заметные, конструктивные особенности современных поршней.

 

Форма днища поршня

     Форма и глубина выемки (если она есть) в днище поршня, которая образует камеру сгорания, очень сильно влияют на «правильное» завихрение и последующее сгорание топливоздушной смеси в цилиндре. Для сравнения: в каком-нибудь старом бензиновом моторе днище поршня – плоское, вообще без выемок (фото 2). А вот камера сгорания современного дизеля, тщательно продуманной формы, выглядит гораздо сложнее (фото 3 и 4).

Фото 2

Фото 3

Фото 4

     У некоторых поршней на днище есть ещё и особые выемки (выборки) для тарелок клапанов. Их размеры, форма и количество зависят от конструкции конкретного двигателя, которая диктуется сферой его применения. Поршни с выемками для клапанов, как правило, несимметричны (фото 5 и 6).

Фото 5

Фото 6

     Менее распространенным решением, которое также делает поршень несимметричным, является смещение отверстия под поршневой палец (фото 7). Это смещение пальца практически незаметно «на глаз», но позволяет снизить нагрузки на юбку поршня и уменьшить износ цилиндра. Если такой несимметричный поршень установить неправильно, то коленвал двигателя будет затруднительно провернуть. Но даже если двигатель все же заведется, то можно быть уверенным, что он не «доживет» и до первой замены масла. Чтобы этого не происходило, подобные поршни обычно имеют стрелку или другую метку на днище. Обычно стрелка (метка) указывает на переднюю часть двигателя (фото 8).

Фото 7

фото 8

     Но иногда метки на днище нужны для упрощения сборки двигателя. Этот поршень с плоским днищем на самом деле симметричный, а вот шатуны здесь – несимметричные. Поэтому маленький значок «V» на днище служит памяткой мотористу. Этот символ должен быть обращен в сторону цифр и пазов под замки вкладышей на нижней головке шатуна (фото 9–12).

Фото 9, 10

Фото 11, 12

     Поршни из алюминиевого сплава – самые старые из четырех перечисленных ранее вариантов, но их все еще применяют на некоторых типах двигателей. Причем на днищах некоторых таких поршней можно увидеть своего рода стальную «заглушку» (вставку), которая защищает этот участок днища поршня от сильного нагрева и газовой эрозии при воспламенении факела топлива, распыленного форсункой. Случается, что на подобных поршнях, которые работали очень долго, обнаруживаются небольшие трещины, расходящиеся от этой вставки.

     Эти трещины не всегда бывают критичными, поэтому некоторые производители публикуют специальные методички, по которым можно определить возможность повторного использования поршней с небольшими подобными трещинами. Сами же тепловые вставки внешне похожи на укороченный клапан: как бы – тарелка клапана с частью стержня. Обычно подобная «заглушка» просто вставляется в поршень и фиксируется каким-нибудь способом – гайкой или сваркой (фото 13 и 14).

Фото 13

Фото 14

     Для снижения термонагрузок также делают поршни со специальным внутренним кольцевым каналом, по которому циркулирует масло – для охлаждения наиболее горячих элементов поршня. Подобные каналы бывают не только в алюминиевых, но и в некоторых стальных поршнях. Кольцевой канал внутри поршня, тем или иным способом формируется, при его изготовлении. Соответственно, в нижней части каждого цилиндра должна быть так называемая «масляная форсунка» - особая трубка, из которой, снизу вверх, подается масло в отверстие изнутри поршня, соединенное с кольцевым каналом. Проходя по кольцевому каналу, масло отбирает тепло от поршня и свободно вытекает через второе отверстие, с противоположной стороны, наружу. Эти отверстия обычно хорошо видны с внутренней стороны поршня (фото 15 и 16).

Фото 15

Фото 16

     На алюминиевых поршнях в разрезе (фото 17 и 18) хорошо видны нирезистовая вставка под поршневые кольца (она описана ниже) и кольцевые масляные каналы. В стальных цельных поршнях масляный канал формируется специальной кольцевой пластиной («шайбой») в нижней части головки поршня. Конструктивное исполнение и метод крепления такой пластины зависит от конкретного производителя (фото 19 и 20). Без нее головка поршня, скорее всего, перегреется, что приведет к заклиниванию поршня в цилиндре.

Фото 17, 18

Фото 19

Фото 20

«Пояс» поршневых колец

     Один из наиболее сложных вопросов в конструкции поршня – решения по удалению излишков масла, оказывающихся в зоне поршневых колец.

     Маслосъемное кольцо, при ходе поршня вниз, снимает излишки масла со стенок цилиндра. Чтобы пространство между кольцами не переполнялось, нужно обеспечить постоянный отток собираемого масла. Общепринятыми решениями являются сквозные отверстия на дне канавки под маслосъемное кольцо или непосредственно под ней, либо – специальная маслосборная канавка под маслосъемным кольцом. Через подобные сливные отверстия избыток масла, собранного маслосъемным кольцом, стекает внутрь поршня (фото 21 и 22).

Фото 21

Фото 22

     Другой вариант – особые пазы прямо под кольцом, что позволяет лишнему маслу стекать вниз по наружной поверхности поршня (фото 23 и 24).

Фото 23

Фото 24

     Третий вариант – отдельная маслосборная канавка. На первый взгляд, подобную маслосборную канавку (на сварных стальных поршнях) можно принять за канавку для четвертого поршневого кольца. На самом деле она служит накопителем для избытка масла. И, конечно, её конструктивное исполнение зависит от производителя поршней (фото 25–28).

Фото 25

Фото 26

Фото 27

Рис. 28

     Что касается алюминиевых поршней, то у них есть две важные особенности – нирезистовая вставка, одинарная или двойная, под верхние поршневые кольца и наличие (или отсутствие) внутреннего кольцевого канала для охлаждения. В большинстве случаев алюминиевые сплавы, применяемые в моторостроении, недостаточно прочны для длительной и надежной работы поршневых колец на высокофорсированных дизелях, поэтому в алюминиевый поршень уже при литье закладывается специальная нирезистовая вставка. Эти вставки обычно легко заметны даже невооруженным глазом. Одинарная вставка формирует канавку только для верхнего компрессионного кольца, а двойная – для верхнего и среднего колец (фото 29 и 30).

Фото 29

Фото 30

Особенности юбки поршня

     То, что на первый взгляд кажется простой цилиндрической поверхностью поршня, расположенной непосредственно под канавками поршневых колец и словно обработанной на токарном станке, на самом деле гораздо сложнее. При виде сбоку юбка поршня обычно имеет бочкообразную форму, со специальной обработкой поверхности, которая помогает удерживать масляную пленку. А если посмотреть на поршень сверху, то юбка еще имеет и форму эллипса. Диаметр поршня всегда определяется по его юбке – именно там этот размер максимальный. Однако, для соответствующих замеров диаметра надо знать конкретное место на поршне. Например, наружный диаметр днища поршня всегда меньше диаметра юбки. Пространство между канавками под кольца тоже имеет свой особый размер. Измерение «не там» может привести к ошибке – признанию годного поршня неисправным (фото 31 и 32).

Рис. 31

Рис. 32

Конструкция составного поршня

     На первый взгляд составные поршни кажутся немного странными. Днище поршня и его юбка соединяются вместе поршневым пальцем, при этом зачастую юбка не прилегает к днищу вплотную. В верхней части юбки могут быть дополнительные каналы и полости для сбора масла, которое охлаждает днище поршня. Причем юбка может быть и несимметричной по вертикали – между верхом и низом. Известны случаи, когда юбку устанавливали «вверх ногами» и, в результате, ломалась масляная форсунка и поршень клинил в цилиндре (фото 33 и 34).

Фото 33

Фото 34

 

Отверстия для поршневого пальца

     Отверстия под поршневой палец также менялись с годами. Так что в современных поршнях их конструкция сильно варьируется: есть отверстия простые (т. е. – гладкие), есть – профилированные (с выборками по бокам), есть – с бронзовыми втулками или, в стальных поршнях – сложного профиля (фото 35–38).

Фото 35

Фото 36

Фото 37

Фото 38

     Если на некоторые, наиболее частые, вопросы потребителей, мы смогли дать ответы, то можно считать, что статья достигла своей цели. Однако, это, всего лишь, самый общий обзор. Каждая упомянутая особенность конструкции поршня, пожалуй, могли бы стать темой для отдельной статьи, но тогда общий объем таких статей потянет на хорошую книгу.

     Запросы на повышение мощности двигателей, сокращения вредных выбросов и увеличения срока службы способствуют постоянному изменению конструкции поршня, но универсального решения не существует. Отличия нового поршня для замены того, который работал в двигателе изначально, не обязательно означают, что новый не подходит для этого двигателя. Старые и новые технические решения могут быть, или не быть, совместимыми. Поэтому, заменяя один поршень на другой, лучше десять раз перепроверить, чем рисковать. Поршень – это та самая деталь, которая первой начинает преобразование энергии топлива в механическую работу, и это не тот элемент, от которого вам нужны серьезные проблемы.

 

 

Стив Скотт поступил на работу в отдел обслуживания IPD в 1982 году, работал с деталями, сервисом и продажами различного оборудования, дизелей и двигателей на природном газе. С 2004 года является директором по разработке продуктов и технической поддержке IPD.