Поршневая группа автомобиля: что это такое, особенности устройства

Поршень — один из ключевых элементов двигателя внутреннего сгорания. На него подаётся тепловая энергия, которая вырабатывается во время горения топлива, а он преобразует её в механический процесс — вращает коленвал. На поршень постоянно воздействует высокая температура и давление. 

Если одна или несколько систем двигателя работают неправильно, днище поршня может прогореть. Это распространённая «болезнь» современных дизельных моторов с увеличенной мощностью и крутящим моментом. На бензиновых двигателях прогар случается реже. Другими возможными неисправностями могут быть задиры, трещины, износ канавок. 

Разберёмся, как выглядит поршень, как работает и почему изнашивается.

Как работает поршень в ДВС

В блоках двигателя внутреннего сгорания есть цилиндры, в каждом из которых «ходит» поршень. Потому обычные ДВС называют ещё поршневыми. 

Кратко напомним, как работает двигатель в автомобиле. В процессе горения топливно-воздушной смеси выделяются газы. Они оказывают давление на поршень и приводят его в поступательное движение. Следующие в цепи — шатун и коленчатый вал. Эти элементы трансформируют поступательное движение во вращательное и передают его на колёса через трансмиссию.

Что даёт движение поршня в цилиндре:

1. Поршень поднимается, горючая смесь сжимается. За счёт этого увеличивается температура (до 1800–2000℃) и усиливается давление. Так, движение поршня вверх создаёт условия для сгорания бензина.

2. Поршень опускается, газы расширяются. На этом этапе формируется сила, которая затем превращается в механическую энергию.

Ещё одна функция поршня — уплотнение камеры сгорания, обеспечение её герметичности. Для нормальной работы важно, чтобы туда не попадали масла и газы. Поршень же имеет почти форму цилиндра, за счёт которой плотно закрывает его и отделяет полость от охлаждающей и смазочной систем мотора.

Устройство поршня

Поршень выглядит довольно просто. Но это составная конструкция с точными размерами. Поршни современных дизельных двигателей устроены сложнее бензиновых агрегатов, поскольку внутри такого мотора не только камера сгорания, но и масляная охлаждающая система.

Основные составляющие элементы поршня — корпус, в котором есть направляющая часть и днище, и уплотнители. 

Рассмотрим каждую деталь отдельно.

1. Днище — это торец, верхняя часть поршня. Потому иногда его называют ещё головкой. На днище приходится большая нагрузка: температура и давление газов. Соответственно, здесь металл толще, чем ниже по корпусу. Форма днища может быть разной: в бензиновых двигателях она выпуклая, в дизельных и малолитражных бензиновых моторах — вогнутая. Также головка поршня может быть плоской, с вытачками или с выемками для клапанов.

2. Боковую часть называют направляющей или юбкой. Она скользит по стенкам цилиндра, за счёт чего поршень сохраняет правильное положение по отношению к полости, в которой движется. Из-за назначения боковой части её делают из устойчивых металлов с низким коэффициентом трения. На внутренней стороне есть бобышки — утолщения с отверстиями для поршневого пальца.

3. Уплотняющая часть в поршне — специальные канавки, в которых установлены кольца — маслосъёмные и компрессионные. Без неё масло из картера попадало бы в камеру сгорания, а газы — наоборот. Ещё одна функция поршневых колец — отвод избыточного тепла от днища к стенкам цилиндрической полости. Таким образом охлаждают сам поршень.

Как работают поршневые кольца, становится понятно уже из их названия. Маслосъёмные убирают лишний смазочный материал со стенок цилиндра, который оказывается там в результате движения поршня вниз. Компрессионные нужны, чтобы поддерживать рабочее давление и не дать газам из камеры сгорания попасть в картер.

Также нужно понимать, что такое поршневая группа. Так называют сам поршень, кольца, палец и детали, которые фиксируют его. Ещё есть понятие цилиндропоршневой группы. Его применяют в том случае, когда поршневую группу рассматривают вместе с цилиндром.

Из чего делают поршни для ДВС

Так как поршень работает в агрессивной среде, металлы, из которых его изготавливают, должны быть прочными, но лёгкими, хорошо проводить тепло. Из тех вариантов, которые отвечают данным требованиям, чаще всего используют:

1. Алюминий. Это лёгкий металл с низкой плотностью. У алюминия большая теплопроводность, а потому его применяют для отлива днища поршня, которое отводит тепло на стенки цилиндра. За счёт высокой степени сжатия алюминий обладает хорошей износоустойчивостью.

2. Сталь. Из этого материала детали очень прочные, у них высокий коэффициент трения, а потому они отлично переносят повышенную температуру и давление в камере сгорания топлива. Их ставят в форсированные и спортивные двигатели.

3. Чугун. Этот металл ещё более прочный и износостойкий, чем сталь. У него низкий коэффициент линейного расширения, потому чугунный поршень может очень хорошо уплотнить цилиндр. Но удельный вес металла настолько большой, что используют их только в тихоходных двигателях. Например, сейчас их применяют на корабельных дизельных моторах.

4. Керамика. С помощью этого материала уплотняют алюминиевое днище. Керамические волокна минимизируют риск растрескивания ободков полостей. Изначально такую технологию применяли только для болидов Формулы-1, но позже поршни с керамическим напылением стали делать и для обычных автомобилей.

Требования к материалу обширны, и один металл не может их удовлетворить. Потому в производстве их комбинируют. Например, для мощных дизельных двигателей изготавливают составные поршни: тронк (направляющую бочкообразную часть) делают из чугуна или силумина, а днище и уплотняющий отдел — из жаропрочной стали.

Почему поршневая изнашивается, чем это грозит

Даже если вы регулярно делаете ТО машины, поршни мотора будут изнашиваться. Это естественный процесс, особенно для группы, которая находится максимально близко к камере сгорания. В первую очередь износ вызывают два фактора:

1. Процесс трения между поршнем и стенками цилиндра приводит к тому, что поверхность юбки истирается. В результате деталь становится меньшего размера, чем нужно.

2. В результате воздействия высокой температуры происходит термическое растяжение металла. Это может привести к деформации и повреждению поршня.

Есть и внешние факторы, которые ускоряют процесс износа поршневой. Назовём некоторые из них:

• в смазочной системе мало масла, оно низкого качества;

• автомобилист заправляет машину бензином с примесями;

• что-то в двигателе настроено неправильно (например, система зажигания или подачи топлива);

• мотор перегревается из-за поломки в системе охлаждения или низкого уровня антифриза;

• несовместимость поршней и двигателя или отдельных его компонентов.

Ещё одна причина ускоренного износа поршневой — детонация, когда топливо начинает сгорать в камере волнами, что сопровождается резким повышением температуры и давления в полости цилиндра.

Ресурс поршня

Срок службы зависит от разных факторов: настройки ДВС, материала производства, частоты ТО, совместимости с мотором. Средние показатели ресурса поршня:

• для автомобилей отечественного производства — до 300 000 км пробега;

• для иномарок — до 500 000 км.

Чаще всего проблемы с поршнями ДВС возникают из-за того, что перегревается двигатель. Потому нужно следить за состоянием термопасты, охлаждением радиатора или его вентилятора. 

Симптомы критического износа поршневой

О неисправности поршневой группы свидетельствуют такие признаки:

1. Двигатель работает неровно, появляется лишний шум, вибрация.

2. На свечах зажигания образуется излишний нагар.

3. Снижается мощность мотора.

4. Выхлоп становится чёрным. Это свидетельствует о неполном сгорании топлива в цилиндрах.

5. Увеличивается расход масла.

6. В корпусе воздушного фильтра двигателя есть следы моторного масла.

Что ещё влияет на расход масла в двигателе, читайте здесь.

При наличии вышеперечисленных симптомов рекомендуем обратиться к специалисту для диагностики и ремонта.