Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы

Раскоксовка поршневых колец — для чего она нужна?

При обнаружении нагара необязательно нужно проводить замену поршневых колец. Опытные водители уже давно нашли проверенный способ, как быстро избавиться от нагара и вернуть к жизни залегшие кольца. Для этого готовится специальная смесь, в состав которой входит керосин и ацетон в равных количествах. Свечи зажигания выкручиваются, и в отверстия заливается приготовленная смесь. По истечению 9 часов, закрутите свечи и запустите мотор. После этого необходимо проехать около 15 километров на максимальных оборотах. В конце процедуры обязательно замените масло и воздушный фильтр.

Помимо использования народных рецептов, можно приобрести в магазине специальный раскоксыватель маслосъемных колец. Его действие, обычно, ограничивается 15 минутами.

Поднимите ту часть автомобиля, колеса которой являются ведущими (например, передний привод – передняя часть вывешивается). Установите последнюю передачу, выкрутите свечи и поворачивайте колесо до тех пор, пока поршни не встанут на среднее положение. Для контроля можно использовать метки, находящиеся на маховике коленчатого вала и блока. После этого, залейте раскоксыватель в свечные отверстия и выдержите время, согласно инструкции на этикетке. Для достижения лучшего эффекта, можно время от времени проворачивать колесо.

Последний этап заключается в том, чтобы провернуть двигатель кривым стартером на нейтральной передаче. Это действие необходимо для того, чтобы выдавить остатки жидкости и нагар и двигателя. Затем заверните обратно свечи и запустите мотор и дайте ему отработать на холостых оборотах 15 минут.

Не пугайтесь, если двигатель запустится не сразу, а из выхлопной трубы появится подозрительный дым. Все это является абсолютно нормальным явлением.

Виды поршневых колец

Элементы, посаженные в поршневых канавках, различаются зависимо от их предназначения. Поршневые кольца бывают компрессионные, цель которых препятствовать просачиванию газов в картер и маслосъёмные, удаляющие лишнюю смазку с поверхностей цилиндров.

Комплекты деталей могут включать их разное количество, в старых двигателях доходило и до семи элементов, сегодня чаще всего используется набор из трёх элементов, устанавливаемых в такой последовательности:

1. Верхнее компрессионное кольцо.
2. Второе компрессионное.
3. Маслосъёмное кольцо, состоящее из трёх частей (верхняя и нижняя пластинки, между которыми располагается тангенциальный расширитель).

На спорткарах с форсированными моторами, предполагающими функционирование на высоких оборотах, часто комплект представлен в виде двух элементов. При этом зависимо от марки и модификации авто с бензиновым двигателем могут быть использованы прочие варианты. Автопроизводители в стремлении совершенствования конструкции прибегают к разным конструктивным решениям, повышая характеристики элементов.

Верхнее компрессионное

У поршневых колец этого типа имеется наружный диаметр чуть больше, чем у цилиндра, для помещения внутрь оснащаются замком, а их поверхность отличается гладкостью. Модификаций деталей этого типа много, они отвечают за приработку со стенками цилиндров. Тогда, когда в основе элемента использована перекрученная структура, обеспечивается наиболее плотное прилегание в канавке цилиндра.

Нижнее и маслосъёмное

Второе компрессионное кольцо, находящееся посередине имеет более тесный контакт с канавкой, а его задача заключается в создании препятствия для попадания газов и масла. То есть деталь обеспечивает нормализацию количества смазки между верхним элементом и маслосъёмным, тогда как последнее в полной мере удаляет масло со стенок.

В отличие от компрессионных колец, маслосъёмное оснащено сквозными прорезями, способствующими отводу смазки, устанавливается элемент ниже предыдущих деталей. Современные силовые агрегаты предполагают наличие одного кольца для каждого поршня, раньше применяли больше, а на бензиновых двухтактных моторах с кривошипно-камерной продувкой данный компонент конструкции вовсе отсутствует, поскольку в нём нет необходимости (в таких агрегатах масло сгорает вместе с горючим).

Причины износа

Вот некоторые из признаков износа, на которые вам следует обратить внимание в первую очередь:

• Повышенный расход топлива;
• Значительный угар масла (уровень «мах-min» за тысячу километров пробега);
• Выхлопные газы сизого оттенка;
• Компрессия двигателя менее 9 .

К сожалению, если все эти признаки вы заметили в своем автомобиле, то двигателю может помочь только замена поршневой ваз 2101. Наиболее ответственным элементом в поршневой группе двигателя являются поршневые кольца, которые одновременно выполняют несколько функций:

• Герметизация камеры сгорания (не допускают проникновение газов в картер двигателя);
• Защита поршня от перегрева, путем передачи тепла от его головки к цилиндру, который интенсивно омывается охлаждающей жидкостью;
• Равномерное распределение масляной пленки по поверхности цилиндра при этом, не допуская проникновения масла в камеру сгорания.

Для оптимальной работы кольца должны равномерно плотно прилегать ко всей поверхности цилиндра, однако, со временем геометрия цилиндра меняется, увеличиваются зазоры в канаках поршня, в стыках колец, нарушается их упругость. Как следствие герметизация нарушена, газы проникают в картер двигателя, и начинается повышенный износ всей поршневой группы.

Работа поршневых колец

По мере увеличения износа количество газов возрастает, вентиляция картера не справляется и в нем значительно повышается давление, которое способствует выдавливанию масла через сальники коленчатого вала, прокладки и гнездо трамблера. Данную малоприятную ситуацию может помочь исправить замена поршневых колец на ваз 2101, тем более что цена замены намного ниже, чем стоимость ремонта всего двигателя, так как для этой процедуры нам понадобятся только новые кольца и прокладки поддона и головки блока. Из специальных инструментов – оправка-обжимка поршневых колец и динамометрический ключ, хотя при ремонте своими руками можно справиться и без них, в конце концов, какая разница, откуда растут руки, если они золотые!

Подбор запчастей

При выполнении капремонта двигателя необходимо правильно подобрать поршневые кольца, поскольку неправильный подбор приведет либо к отсутствию необходимой компрессии, либо к заклиниванию поршней в цилиндрах с последующим разрушением колец и образованием многочисленных задиров на поршнях и стенках цилиндров. Рассмотрим на примере двигателя ВАЗ-2111, как правильно подобрать нужные детали.

Существует таблица ремонтных размеров поршней и колец, с помощью которой подобрать подходящий диаметр деталей достаточно легко. Базовый диаметр цилиндров мотора ВАЗ-2111 составляет 82 мм, ремонтные поршни имеют увеличенный диаметр: на 0,4 мм для первого ремонта и на 0,8 мм – для второго. Кольца под ремонтные размеры также имеют увеличенный диаметр, и на них проставляется соответствующая маркировка.

В общих чертах процесс капремонта двигателя ВАЗ-2111 выглядит так: цилиндры растачиваются под первый ремонтный размер, при этом оставляется небольшой припуск на хонингование. Затем старые поршни заменяются на новые увеличенного диаметра, и на них монтируются поршневые кольца первого ремонтного размера.

Таблица ремонтных размеров существует для всех двигателей, и подобрать нужный диаметр не составит труда для любого мотора, будь то двигатель ВАЗ или Субару.

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.

Поршневые кольца двигателя

В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) поршневые кольца (ПК) служат для уплотнения между стенками цилиндра (гильз) и поршнем, за счет них создается компрессия в цилиндрах. Если при сборке в мотор забыть поставить ПК, двигатель не заведется, так как не будет обеспечено необходимое сжатие рабочей топливовоздушной смеси.

В легковых автомобилях на каждом поршне стандартно устанавливаются по три кольца – два компрессионных и одно маслосъемное, причем, маслосъемные ПК могут быть наборными, то есть, состоять из нескольких элементов. Компрессионные поршневые кольца (КПК) служат для создания компрессии в цилиндрах, всегда изготавливаются из высокопрочного чугуна с различными присадками. Наибольшей прочностью обладает верхнее КПК, так как оно работает в самом тяжелом температурном режиме и испытывает максимальные нагрузки.

Маслосъемные поршневые кольца двигателя (МПК) нужны для отвода масла от стенок цилиндров, если кольца не будут выполнять свою функцию, двигатель будет расходовать масло. МПК могут быть как чугунными, так и стальными, причем, чугунные ПК почти всегда изготавливаются цельными, а вот стальные маслосъемные кольца бывает только наборными (составными). Стальное МПК на один цилиндр состоит из:

• двух пружинных стальных колец;
• осевого расширителя;
• радиального расширителя.

Типы, конструкция и принцип работы поршневых колец

На одном поршне устанавливаются кольца двух типов:

• Компрессионные (верхние);
• Маслосъемные (нижние).

Все кольца располагаются в поперечных канавках (выточках) прямоугольного профиля, выполненных ближе к днищу поршня. Кольца различных типов отличаются конструкцией и назначением.

Компрессионные кольца обеспечивают герметизацию камеры сгорания, на одном поршне может устанавливаться одно, два или три кольца (одно — на двухтактных ДВС мототехники, два — на большинстве современных четырехтактных моторах, три — на некоторых дизелях), они располагаются в верхней части поршня. Конструктивно компрессионные кольца очень просты: это металлическое разъемное кольцо, разрез которого выполнен в виде замка простой (прямой, косой) или сложной формы, на некоторых кольцах в замке предусмотрена выемка под стопор. В замке предусмотрен небольшой зазор (несколько микрометров), который служит для компенсации температурного расширения детали во время работы двигателя.

Кольца изготавливаются из стали или специальных марок чугуна, их наружная (рабочая) поверхность может иметь различный профиль:

• Простой плоский — в этом случае кольцо имеет прямоугольное сечение или сечение в виде неправильного четырехугольника;
• Радиусный (бочкообразный) — наружная поверхность кольца представляет собой дугу окружности большого радиуса;
• С фаской — на наружной поверхности выполнена фаска небольшой высоты;
• «Минутные» кольца — наружная поверхность имеет наклон к верхней части, угол наклона составляет несколько десятков минут дуги, за счет чего кольца и получили свое название.

Плоский профиль имеют верхние компрессионные кольца, которые вынуждены работать при высоких температурах и давлениях в условиях недостаточной смазки. Для уменьшения износа рабочая поверхность детали подвергается хромированию, фосфатированию, покрытию оловом или другой обработке. Такое кольцо во время работы полностью прилегает к зеркалу цилиндра, обеспечивая уплотнение и отвод тепла от поршня.

Поршневые кольца и схема их действия

Нижние кольца часто имеют более сложный профиль. Бочкообразные кольца оказывают меньшее сопротивление трению при сохранении достаточной степени герметизации. «Минутные» кольца за счет наклона рабочей поверхности снижают силы трения: при движении поршня вниз (на рабочем ходе) кольцо скользит по зеркалу цилиндра своей заостренной гранью, а при движении вверх кольцо за счет образующегося масляного клина отжимается от зеркала цилиндра.

Маслосъемные кольца обеспечивают правильное распределение масляной пленки по поверхности цилиндра и предотвращают попадание масла в камеру сгорания (осуществляют его съем с зеркала цилиндра). На одном поршне используется только одно кольцо, на поршнях двухтактных двигателей этих деталей нет (так как масло добавляется непосредственно в бензин). Обычно маслосъемные кольца имеют составную конструкцию, в которую входят собственно кольца и расширители.

Маслосъемные кольца бывают:

• Цельные — кольцо П-образного профиля, обращенное основанием к поршню. В основании выполнен ряд круглых или удлиненных отверстий, через которые осуществляется сток масла;
• Составные — используется два тонких (разрезных) кольца, между которыми располагается распорный элемент.

Распорные элементы бывают:

• Радиальные — обеспечивают прижим колец к стенке цилиндра;
• Осевые — используются только вместе с составными кольцами, обеспечивают разжим колец;
• Тангенциальные — комбинированные распорные элементы, обеспечивают одновременный разжим колец и их прижим к стенке цилиндра.

В качестве распорных элементов выступают пластинчатые (плоские) или витые пружины, вкладываемые между или под кольцами, в маслосъемном кольце может использоваться только одна или сразу две пружины различных типов.

Маслосъемное кольцо прижимается к стенке цилиндра и за счет своей конструкции обеспечивает съем излишков масляной пленки. Собранное масло через отверстия в кольце поступает в канавку, откуда через отверстия в стенке поршня сливается в картер двигателя. При этом часть масла остается в виде тонкой масляной пленки на стенке цилиндра, которая обеспечивает снижение трения во всей ЦПГ.

Признаки износа колец

Работа поршневых колец сопровождается постоянным трением о стенки цилиндра. Поэтому они постепенно изнашиваются, а это влияет на работу силовой установки. За счет снижения уплотняющей функции колец в цилиндрах падает компрессия. В результате:

1. Силовая установка теряет мощность.
2. уменьшается динамика набора скорости автомобилем.
3. повышается расход топлива.
4. появляется «жор» масла.
5. возникают проблемы с запуском мотора.

В современных автомобилях ресурс поршневых колец достигает 1 млн. км пробега. Но это возможно только при правильной эксплуатации автомобиля и регулярного проведения технического обслуживания с заменой расходных материалов.

Общие рекомендации по замене

Когда выхлопная труба начинает «плеваться» сизым дымом, то ремонт мотора неизбежен. Фактически всегда, признаками износа деталей поршневой группы также является повышенный расход, как масла, так и бензина. В таком случае снижается и компрессия мотора отчего незащищен даже дизель. Из этого следует то, что правильно выбрать новые поршневые элементы – первоочередное дело любого владельца автомобильного транспорта и в лучшем случае ремонт обойдется только ими. Для этого нужно также установить всего-то парочку новых прокладок и поддон для блока. Прочие испорченные детали уже будут выявлены во время разборки мотора.

Покупая поршень, следует внимательно осмотреть его комплектацию, так как кольцо может не входить в комплект. Такое практикуют много производителей. Все из-за того, что есть не один мотор, который имеет уйму модификаций, поэтому при покупке товаров поршневой группы, необходимо заранее сопоставить их ширину и высоту с соответственными характеристиками канавок поршней.

Зазор, находящийся между канавкой и торцами намного легче определить, если поместить кольцо в эту же канавку и применить набор щупов. Он должен быть не больше одной десятой миллиметра и не менее 0,05 мм. В ином случае это будет означать, что-либо кольцо, либо канавка, не подходят по размерам. Зазор их замков также следует обязательно проверить. Чтобы это сделать, такие детали поршневой группы следует по очереди припасовать к цилиндру в верхней его части, а потом, при помощи щупов, замерять сам зазор, который не должен превышать 0,6 мм, но и не должен быть меньше 0,4 мм.

Советы и рекомендации

Вполне очевидно, что наиболее удобным при подборе вариантом будет использование оригинальных поршневых колец. Под оригинальными следует понимать поршневые кольца, которые позиционируются в качестве оригинальных запасных частей самим заводом-изготовителем двигателя. При этом доступные в продаже оригинальные детали не всегда позволяют реализовать поставленные задачи во время тюнинга или ремонта двигателя. В таких случаях требуется осуществить грамотный подбор из группы высококачественных аналогов.

При подборе неоригинальных поршневых колец желательно выбирать такие кольца, которые изначально предназначены для двигателя с похожими характеристиками. Под такими характеристиками следует понимать объем, мощность, степень форсировки двигателя, максимальные обороты коленвала, степень сжатия и т.д.

Необходимо отметить, что установка так называемых «мягких» колец, которые имеют меньший ресурс, позволяет минимизировать износ стенок цилиндров, тем самым увеличивая ресурс БЦ. Параллельно с этим производить замену поршневых колец в этом случае потребуется в среднем каждые 35-45 тыс. пройденных километров, что ставит под сомнение целесообразность подобного решения. Поршневые кольца хорошего качества имеют ресурс около 170-220 тыс. км. При их замене на таких пробегах двигателю все равно зачастую требуется ремонт коленвала, восстановление ЦПГ и т.д.

Напоследок добавим, что правильно подобранные и профессионально установленные неоригинальные поршневые кольца могут в отдельных случаях проработать дольше по сравнению с оригинальными деталями. Также стоит учитывать, что качественные аналоги обычно стоят на 10-25%!дешевле.

Проверка состояния поршневых колец

Как вы уже поняли, режим работы колец является крайне тяжелым. Это связано с огромным давлением, трением и повышенное температурой. В связи с этим, происходит их естественный износ, который наступает, обычно, после 150 000 километров. Однако, многие водители утверждают, что их мотор выдерживал и по 500 000 километров. Такие результаты могут получиться только при очень правильной эксплуатации автомобиля, в остальных же случаях, износ колец наступает достаточно рано.

Выход из строя поршневых колец раньше положенного срока обычно наступает при использовании некачественного масла или его смешивании с другим

Немало важно, также, контролировать состояние воздушного и топливного фильтров, особенно, при езде по сильно запыленной дороге. Кроме всего прочего, не перегружайте и не перегревайте двигатель

Образование нагара, вследствие повышенных температур, способствует залеганию колец.

Как понять, что поршневым кольцам требуется ремонт? Для этого необходимо обратить внимание на расход масла. Повышенный расход смазочного вещества является самым первым признаком неисправности поршневых колец

Масло попадает в камеру сгорания и из выхлопной трубы появляется дым сизого цвета.

Кроме того, о неисправности поршневых колец можно судить по загрязнению свечей зажигания и утечке масла и его испарениям в местах установки прокладок и сальников.

Как заменить поршневые кольца самому

Человеческая натура так уж устроена, хочется, чтобы всё хорошее продолжалось долго. Когда у вас начинаются проблемы с запуском двигателя, появился сизый дым на выхлопе, уровень масла стремительно понижается в течение нескольких дней и растёт расход топлива – становится понятно, светлая полоса закончилась. Перечисленные признаки указывают – пора делать ремонт двигателя, скорее всего, предстоит замена поршневых колец.

Все действия по установке новых колец можно выполнить в три этапа:

1. Снимаются навесные агрегаты и ГБЦ.
2. Анализируется состояние поршневой группы и необходимость демонтажа мотора.
3. Установка новых поршневых колец, монтаж ГБЦ и ставим навесное оборудование.

Отчего масло интенсивно расходуется на угар

В исправном двигателе маслосъемные колпачки и кольца ответственно снимают остатки смазки со штока клапана и стенок цилиндра соответственно. На высоких оборотах производительность этого процесса падает, но в общем зачете расход масла не превышает нормы, предписанной производителем. У одних это 1 л/10 000 км, у других – это 0,3 л/10 000 км, а третьи вовсе могут ничего не доливать между сервисными интервалами, поскольку не крутят мотор выше 3 500 об/мин.

Естественно, когда потребление смазки вдруг выросло, скажем, до 1л/1 000 км, да еще и сизый дым пошел из выхлопной – это сигнал о нарушении маслосъемных функций. Причин тому несколько:

• Залегли маслосъемные кольца.
• Задубели колпачки.
• Износились направляющие втулки клапанов.

В итоге, неплохо было бы определить без разборки, какая именно группа деталей дала сбой. Возможно ли это – тема следующего параграфа.