Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Что нужно знать о цилиндро-поршневой группе (ЦПГ)? Возможные проблемы при эксплуатации ЦПГ

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Цилиндр и поршень – одни из ключевых деталей любого двигателя. Стенка цилиндра, днище поршня и нижняя плоскость головки блока цилиндра образуют замкнутую полость, в которой происходит сгорание топливно-воздушней смеси.

Поршень, вставленный в цилиндр, воспринимает усилие образовавшихся газов и преобразует их энергию в поступательное движение, которое заставляет вращаться коленчатый вал.

Цилиндр и поршень – индивидуально подобранная пара, которая прирабатывается в ходе эксплуатации автомобиля, обеспечивая наилучшие режимы и эффективность работы двигателя.

В данной статье мы рассмотрим пару «цилиндр-поршень» подробнее: конструкцию и функции этих элементов, условия их работы и возможные проблемы при эксплуатации цилиндро-поршневой группы (ЦПГ).

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

В двигателях современных автомобилей от 2 до 16 цилиндров, объединенных в единый прочный корпус – блок цилиндров. Количество цилиндров определяет мощность силового агрегата.

Внутренняя часть цилиндра, которая является его рабочей поверхностью, называется гильзой, внешняя часть, составляющая единое целое с корпусом блока, – рубашкой. По каналам рубашки циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение поршень. Он передает усилие, возникающее от давления газов, на шатун, герметизирует камеру сгорания и отводит от нее излишек тепла.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Поршень имеет вид перевернутого стакана, состоит из головки (днища), уплотняющих колец и направляющей части (юбки).

В бензиновых двигателях используются поршни с плоским днищем – они проще в изготовлении, меньше нагреваются при работе. Иногда в них выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Поршни дизельных двигателей имеют выемку заданной формы на дне, чтобы воздух, поступающий в цилиндр, лучше перемешивался с топливом.

Плотность соединения поршня с цилиндром обеспечивают поршневые кольца. Их число и расположение зависит от типа и предназначения двигателя. Чаще всего поршень включает два компрессионных кольца и одно маслосъемное.

Компрессионные кольца уменьшают попадание газов из камеры сгорания в картер двигателя, а также отводят тепло от головки поршня к стенкам цилиндра. По форме они могут быть трапециевидными, бочкообразными и коническими.

Верхнее компрессионное кольцо изнашивается быстрее других, поэтому его наружную поверхность подвергают пористому хромированию или напылению молибдена. Благодаря этим процедурам первое кольцо лучше удерживает смазочный материал и становится более износостойким. Остальные уплотняющие кольца покрывают слоем олова для лучшей приработки к цилиндрам.

Маслосъемное кольцо при движении поршня вверх и вниз удаляет излишки масла со стенок цилиндра, предупреждая тем самым их попадание в камеру сгорания. Через дренажные отверстия в стенках поршня масло попадает внутрь последнего и далее – в картер.

Направляющая часть поршня (юбка) может иметь конусообразную или бочкообразную форму – это позволяет компенсировать расширение при достижении высоких рабочих температур.

На юбке расположено отверстие двумя приливами (бобышками), в котором крепится поршневой палец, соединяющий поршень с шатуном.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Палец поршня имеет трубчатую форму и может устанавливаться по-разному:

  • Закрепляться в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна
  • Закрепляться в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня
  • Свободно вращаться в бобышках поршня и в головке шатуна (плавающие пальцы)

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленчатого вала, стержень совершает сложное колебательное движение. В процессе работы шатун подвергается сжатию, изгибу и растяжению, поэтому его производят прочным и жестким, а для уменьшения сил инерции – легким.

Для того, чтобы цилиндры могли выдерживать высокие нагрузки, их изготавливают из высокопрочных материалов – чугуна или стали с различными присадками. В целях снижения веса современные блоки часто производят из алюминия, а внутреннюю часть цилиндра, запрессованную в блок и контактирующую с движущимся поршнем – из стали.

Автомобильные поршни двигаются внутри цилиндра с высокой скоростью, в процессе работы они подвержены воздействию высоких температур и давлений. Именно поэтому изначально их отливали из чугуна. С развитием технологий основным конструкционным материалом стал алюминий, его использование позволило обеспечить меньшую нагрузку на детали, лучшую теплоотдачу, рост оборотов и мощности двигателя.

Сегодня многие автомобили, особенно с дизельными ДВС, оснащаются сборными поршнями из стали. Они легче алюминиевых, за счет меньшей компрессионной высоты позволяют использовать удлиненные шатуны и, тем самым, снизить боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр».

Поршневые кольца производятся, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна с легирующими добавками (хромом, молибденом, никелем, вольфрамом). Эти материалы обеспечивают высокую термо- и износостойкость колец, а также их отличную прирабатываемость.

В процессе работы детали ЦПГ подвергаются значительным циклическим, механическим и тепловым нагрузкам, которые повторяются тысячи раз в минуту.

Именно поэтому современные материалы, применяемые для изготовления поршней, обладают:

  • Высокой механической прочностью
  • Хорошей теплопроводностью
  • Малой плотностью
  • Незначительным коэффициентом линейного расширения
  • Антифрикционными свойствами
  • Коррозионной устойчивостью

Некоторые производители автокомпонентов в целях снижения потерь, вызванных трением, покрывают боковую поверхность поршней специальным антифрикционным материалом, содержащим графит или дисульфид молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается. Во избежание усиленного износа поршня и образования задиров оно требует восстановления.

Для этих целей применяются специальные материалы на основе твердых смазочных частиц. Одним из самых эффективных является антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY Для деталей ДВС. 

Состав на основе высокоочищенного дисульфида молибдена и графита имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимальными параметрами распыления.

Материал наносится на юбки поршней быстро и равномерно, для отверждения не требует нагревания в печи, создает на поверхности долговечное сухое покрытие, снижающее его износ и препятствующее появлению задиров.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

При сгорании топлива в надпоршневом пространстве в каждом цикле работы двигателя выделяется огромное количество тепла. Именно поэтому цилиндро-поршневая группа нуждается в эффективном охлаждении.

Для отвода избыточного тепла предусмотрена воздушная или жидкостная система охлаждения.

Цилиндры двигателя с воздушным охлаждением снаружи покрыты множеством ребер, которые обдуваются встречным или искусственно созданным (с помощью воздухозаборников) потоком воздуха.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

При жидкостном (водяном) охлаждении цилиндры снаружи омываются охлаждающей жидкостью, циркулирующей в толще блока. Нагретые цилиндры отдают ей часть тепла, затем жидкость попадает в радиатор, охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Если цилиндр не смазан изнутри, поршень будет заклинивать, что рано или поздно приведет к разрушению двигателя. Именно поэтому качественное смазывание стенок – вторая по значимости проблема после отвода тепла.

Для удержания стабильной масляной пленки на внутренние поверхности цилиндров наносят микросетку. Это процесс называется хонингованием. Благодаря наличию такой сетки на стенках всегда присутствует слой масла, что не только снижает трение в паре «поршень-цилиндр», но и способствует отведению излишков тепла внутри ЦПГ.

Даже при правильной эксплуатации автомобиля со временем могут возникнуть проблемы с цилиндро-поршневой группой. Их основная причина – в сложных условиях работы ЦПГ.

Под влиянием очень высоких нагрузок и температур происходит:

  • Появление пробоин, сколов, трещин на рабочих поверхностях цилиндров
  • Деформация посадочных мест под гильзу
  • Оплавление или прогар днища поршней
  • Разрушение, закоксовывание, залегание колец
  • Различные деформации на теле поршней
  • Сужение зазора между поршнем и цилиндром, как следствие – задиры на юбках

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Эти и другие неисправности цилиндро-поршневой группы неизбежны при перегреве двигателя – из-за отказа термостата, помпы или разгерметизации системы охлаждения, а также при сбоях в работе вентилятора охлаждения радиатора, самого радиатора или его датчика.

Проблемы с деталями ЦПГ можно заподозрить при увеличении расхода масла, ухудшении пусковых качеств двигателя, снижении его мощностных показателей, появлении шума и стука при работе. Не стоит игнорировать эти моменты, так как цилиндро-поршневая группа – основной узел ДВС, и его неисправности неизбежно ведут к дорогостоящему ремонту.

Точно определить состояние цилиндров и поршней помогает специализированная диагностика: как самой цилиндро-поршневой группы (путем ее полной разборки), так и других систем автомобиля (например, воздушного фильтра).

Кроме того, в ходе сервисных работ проводятся различные операции по измерению компрессии в цилиндрах двигателя, берутся пробы картерного масла и пр.

Ресурс цилиндро-поршневой группы зависит от разных факторов: вида ДВС, режима его эксплуатации, регулярности обслуживания и т.д. В отечественных автомобилях срок службы ЦПГ составляет около 200 тыс. км, в иномарках – до 500 тыс. км.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя подразумевает замену маслосъемных и компрессионных колец, установку новых поршней и шатунов, восстановление и расточку цилиндров.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Величину износа цилиндров определяют с помощью индикаторного нутрометра. Трещины и сколы на стенках заваривают или заделывают эпоксидными пастами.

Новые поршни нужного диаметра и массы подбирают к гильзам, а поршневые пальцы – к поршням и втулкам верхних головок шатунов. Шатуны предварительно проверяют и при необходимости восстанавливают.

Для того, чтобы цилиндро-поршневая группа полностью вырабатывала свой ресурс, рекомендуется использовать масло, предписанное производителем, и осуществлять его замену строго по регламенту.

Читайте также:  Какие амортизаторы лучше купить на солярис 1 поколения?

Важно следить за температурным режимом работы двигателя, не допускать его перегрева и холодного пуска зимой.

Цилиндр и поршень: что нужно знать об этих деталях и как продлить срок их службы?

В статье подробно рассмотрены ключевые детали автомобильного двигателя – поршень и цилиндр. Уделено внимание их конструкции, функциям, условиям работы, возможным проблемам при эксплуатации и путям их решения.

Цилиндр и поршень – ключевые детали любого двигателя. В замкнутой полости цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) происходит сгорание топливно-воздушной смеси.

Газы, образующиеся при этом, воздействуют на поршень – он начинает двигаться и заставляет вращаться коленчатый вал.

Цилиндр и поршень обеспечивают оптимальный режим работы двигателя в любых условиях эксплуатации автомобиля.

Рассмотрим эту пару подробнее: конструкцию, функции, условия работы, возможные проблемы при эксплуатации элементов ЦПГ и пути их решения.

Принцип работы цилиндро-поршневой группы

Современные двигатели внутреннего сгорания оснащены блоками, в которые входят от 1 до 16 цилиндров – чем их больше, тем мощнее силовой агрегат.

Внутренняя часть каждого цилиндра – гильза – является его рабочей поверхностью. Внешняя – рубашка – составляет единое целое с корпусом блока. Рубашка имеет множество каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра находится поршень. В результате давления газов, выделяющихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси, он совершает возвратно-поступательное движения и передает усилия на шатун. Кроме того, поршень выполняет функцию герметизации камеры сгорания и отводит от нее излишки тепла.

Поршень включает следующие конструктивные элементы:

  • Головку (днище)
  • Поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные)
  • Направляющую часть (юбку)

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Бензиновые двигатели оснащены достаточно простыми в изготовлении поршнями с плоской головкой. Некоторые модели имеют канавки, способствующие максимальному открытию клапанов. Поршни дизельных двигателей отличаются наличием на днищах выемок – благодаря им воздух, поступающий в цилиндр, лучше перемешивается с топливом.

Кольца, установленные в специальные канавки на поршне, обеспечивают плотность и герметичность его соединения с цилиндром. В двигателях разного типа и предназначения количество и расположение колец могут отличаться.

Чаще всего поршень содержит два компрессионных и одно маслосъемное кольцо.

Компрессионные (уплотняющие) кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную или коническую форму. Они служат для минимизации попадания газов в картер двигателя, а также отведения тепла от головки поршня к стенкам цилиндра.

Верхнее компрессионное кольцо, которое изнашивается быстрее всех, обычно обработано методом пористого хромирования или напылением молибдена. Благодаря этому оно лучше удерживает смазочный материал и меньше повреждается. Остальные уплотняющие кольца для лучшей приработки к цилиндрам покрывают слоем олова.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

С помощью маслосъемного кольца поршень, совершающий возвратно-поступательные движения в гильзе, собирает с ее стенок излишки масла, которые не должны попасть в камеру сгорания. Через дренажные отверстия поршень «забирает» масло внутрь, а затем отводит его в картер двигателя.

Направляющая часть поршня (юбка) обычно имеет конусную или бочкообразную форму – это позволяет компенсировать неравномерное расширение поршня при высоких рабочих температурах. На юбке расположено отверстие с двумя выступами (бобышками) – в нем крепится поршневой палец, служащий для соединения поршня с шатуном.

Палец представляет собой деталь трубчатой формы, которая может либо закрепляться в бобышках поршня или головке шатуна, либо свободно вращаться и в бобышках, и в головке (плавающие пальцы).

Поршень с коленчатым валом соединяется шатуном.

Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленвала, а стержень совершает сложные колебательные движения.

Шатун в процессе работы подвергается высоким нагрузкам – сжатию, изгибу и растяжению – поэтому его производят из прочных, жестких, но в то же время легких (в целях уменьшения сил инерции) материалов.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Конструкционные материалы деталей ЦПГ

Сегодня цилиндры и поршни двигателя чаще всего производят из алюминия или стали с различными присадками. Иногда для внешней части блока цилиндров используют алюминий, имеющий небольшой вес, а для гильзы, контактирующей с движущимся поршнем, – более прочную сталь.

В отличие от чугуна, который применялся ранее для изготовления деталей ЦПГ, внедрение алюминия – намного более легкого, но износостойкого материала – стало толчком к появлению мощных и высокооборотистых двигателей.

Современные автомобили, особенно с дизельными двигателями, все чаще оснащаются сборными поршнями из стали. Они имеют меньшую компрессионную высоту, чем алюминиевые, поэтому позволяют использовать удлиненные шатуны. В результате боковые нагрузки в паре «поршень-цилиндр» существенно снижаются.

Поршневые кольца, наиболее подверженные износу и деформациям, производят из специального высокопрочного чугуна с легирующими добавками (молибденом, хромом, вольфрамом, никелем).

Значительные механические и тепловые циклические нагрузки отрицательно сказываются на работоспособности элементов цилиндро-поршневой группы. В то же время от их состояния напрямую зависит стабильная компрессия двигателя, обеспечивающая его уверенный холодный и горячий запуск, мощность, экологичность и другие эксплуатационные показатели.

Именно поэтому для изготовления поршней и других деталей ЦПГ применяются материалы, обладающие высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью, незначительным коэффициентом линейного расширения, отличными антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

В целях снижения потерь на трение производители поршней покрывают их боковую поверхность специальными антифрикционными составами на основе твердых смазочных частиц: графита или дисульфида молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается, поршни снова испытывают высокие нагрузки, под влиянием которых изнашиваются и выходят из строя.

Одним из самых эффективных антифрикционных покрытий поршней является MODENGY Для деталей ДВС.

  • Состав на основе сразу двух твердых смазок – высокоочищенного дисульфида молибдена и поляризованного графита – применяется для первоначальной обработки юбок поршней или восстановления старого заводского покрытия.
  • MODENGY Для деталей ДВС имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимально настроенными параметрами распыления, поэтому наносится на юбки поршней легко, быстро и равномерно.
  • На поверхности покрытие создает долговечную сухую защитную пленку, которая снижает износ деталей и препятствует появлению задиров.
  • MODENGY Для деталей ДВС полимеризуется при комнатной температуре, не требуя дополнительного оборудования.

Для подготовки поверхностей перед нанесением покрытия их необходимо обработать Специальным очистителем-активатором MODENGY. Только в таком случае производитель гарантирует прочное сцепление состава с основой и долгий срок службы готового покрытия. Оба средства входят в Набор для нанесения антифрикционного покрытия на детали ДВС.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Методы охлаждения и смазывания цилиндро-поршневой группы

В каждом цикле работы двигателя сгорает большое количество топливно-воздушной смеси. При этом все детали цилиндро-поршневой группы испытывают экстремальные температурные воздействия, поэтому нуждаются в эффективном охлаждении – воздушном или жидкостном.

Наружная поверхность цилиндров ДВС с воздушным охлаждением покрыта множеством ребер, которые обдувает встречный или искусственно созданный воздухозаборниками воздух.

При водяном охлаждении жидкость, циркулирующая в толще блока, омывает нагретые цилиндры, забирая таким образом излишек тепла. Затем жидкость попадает в радиатор, где охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Второй по важности момент после отвода тепла – система смазки цилиндров. Без нее поршни рано или поздно подвергаются заклиниванию, что может привести к поломке двигателя.

Для того чтобы масляная пленка дольше удерживалась на внутренних поверхностях цилиндров, их подвергают хонингованию, т.е. нанесению специальной микросетки. Стабильность слоя масла гарантирует не только максимально низкое трение в паре «поршень-цилиндр», но и способствует отведению лишнего тепла из ЦПГ.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Неисправности ЦПГ и их диагностика

Даже грамотная эксплуатация автомобиля не гарантирует, что со временем не возникнет проблем с его цилиндро-поршневой группой.

О неисправностях деталей ЦПГ свидетельствует увеличение расхода масла, ухудшение пусковых качеств двигателя, снижение его мощности, появление каких-либо посторонних шумов при работе. Эти моменты нельзя игнорировать, так как стоимость ремонта цилиндро-поршневой группы иногда равна стоимости автомобиля в целом.

Под влиянием очень высоких нагрузок и температур:

  • На рабочих поверхностях цилиндров появляются трещины, сколы, пробоины
  • Посадочные места под гильзу деформируются
  • Днища поршней оплавляются и прогорают
  • Поршневые кольца разрушаются, закоксовываются, залегают
  • На теле поршней возникают различные повреждения
  • Зазоры между поршнем и цилиндром сужаются, вследствие чего на юбках появляются задиры
  • Наблюдается общий износ цилиндров и поршней

Перечисленные неисправности цилиндро-поршневой группы неизбежны при перегреве двигателя. Он может возникнуть из-за нарушения герметичности системы охлаждения, отказа термостата или помпы, сбоев в работе вентилятора охлаждения радиатора, поломки самого радиатора или его датчика.

Точно определить состояние цилиндров и поршней можно с помощью специализированной диагностики самой ЦПГ (при полной разборке двигателя) или других автомобильных систем (например, воздушного фильтра).

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

В ходе сервисных работ измеряется компрессия в цилиндрах ДВС, берутся пробы картерного масла и пр. Все это помогает оценить исправность работы цилиндро-поршневой группы.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя включает замену маслосъемных и компрессионных колец, установку новых поршней, шатунов, восстановление (расточку) цилиндров.

Читайте также:  ЗАЗ-965, переделанный в новом стиле

Степень износа последних определяется с помощью индикаторного нутрометра. Трещины и сколы на стенках устраняются эпоксидными пастами или путем сварки.

Новые поршни – с нужным диаметром и массой – подбирают к гильзам, а поршневые пальцы – к поршням и втулкам верхних головок шатунов. Шатуны предварительно проверяют и при необходимости восстанавливают.

Как продлить ресурс ЦПГ?

Ресурс цилиндро-поршневой группы зависит от типа двигателя, режима его эксплуатации, регулярности обслуживания и многих других факторов. Срок службы ЦПГ отечественных автомобилей, как правило, меньше, чем у иномарок: около 200 тыс. км против 500 тыс.км.

Для того, чтобы детали ЦПГ вырабатывали свой ресурс полностью, рекомендуется:

  • Использовать моторное масло, одобренное автопроизводителем
  • Осуществлять замену масла и охлаждающей жидкости строго по регламенту
  • Следить за температурным режимом работы двигателя, не допускать его перегрева и холодного запуска
  • Регулярно проводить диагностику автомобиля
  • Применять для обслуживания автокомпонентов специальные средства, которые могут защитить их от усиленного износа и максимально продлить срок службы

Устройство двигателя автомобиля: блок, цилиндр, поршень, поршневые кольца и шатун

25 мая 2020 9:10

// Технические статьи

Рассмотрим устройство двигателя автомобиля и его базовые части: блок, цилиндр, поршень, поршневые кольца и шатун.

Для будущего автомобильного механика, диагноста устройство двигателя автомобиля является одной из ключевых тем. Именно двигатель обеспечивает транспортное средство энергией, которая нужна для его движения.  Чаще всего механизм запуска устройства двигателя автомобиля возможен за счёт применения бензина или дизеля (дизельного топлива). Сгораемое внутри мотора топливо продуцирует тепло, что приводит к увеличению температуры газов внутри цилиндра двигателя и росту давления газов. Подвижные части двигателя под их влиянием вступают в работу, и тепловая энергия преображается в механическую. Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Базовые части двигателя

Чтобы хорошо понимать устройство двигателя автомобиля, важно разбираться, что из себя представляет блок, цилиндр, поршень, поршневые кольца и шатун.
Металлическую основу мотора, остов называют блоком. Это корпусная деталь. Именно к блоку крепятся механизмы и отдельные части мотора и его систем.

Иногда можно встретиться с термином «блок», иногда – с терминами «блок двигателя», «блок цилиндров». Всё это одно и тоже.
Блок двигателя берёт на себя серьёзные нагрузки. Поэтому контроль качества при его изготовлении должен быть предельно высок. Огромное внимание уделяется как материалу, так и уровню точности изготовления детали.

Для производства используются высокоточные станки. Раньше блоки изготавливали из перлитного чугуна с легирующими добавками. Популярность чугуна при изготовлении блоков легко объяснима тем, что материал износостоек, стабилен по своим свойствам, малочувствителен к перегреву, адаптивен к ремонту.

Сейчас некоторые производители также выпускают блоки из алюминиевого, магниевого сплава. В этом случае есть выигрыш, связанный с весом мотора. Это очень актуально для блоков моторов спорткаров.
Рядом с понятием «блок» стоит понятие «цилиндр». Под цилиндром подразумевается цилиндрическое отверстие, высверленное в блоке.  То есть это рабочая камера объёмного вытеснения.

Уплотнение верхней стороны цилиндра обеспечивает головка. Именно в ней находятся: 

  • Клапаны. Обеспечивают (в процессе открытия-закрытия) поступление в цилиндр воздуха, топливовоздушной смеси. Также среди функций клапанов обеспечивают очистку камеры сгорания цилиндра от отработавших (выхлопных) газов. Закрытие клапанов и удержание их в таком состоянии обеспечивают клапанные пружины.
  • Распредвалы (элементы привода клапанов). От них зависит то, как открываются клапаны, сколько времени они находятся в открытом состоянии
  • Механизмы привода клапанов. Функция идентична. И, как видно, из названия – это привод клапанов. Но сами механизмы могут быть разными. Всё зависит от мотора: например, бензиновый, дизельный.

Цилиндр играет роль направляющего для поршня.
Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Поршень, поршневые кольца и шатун

Цилиндрическая деталь или совокупность деталей, которая преобразует энергию горения топливо в механическую энергию, называется поршнем. В проточках на боковой поверхности поршня вставлены поршневые кольца. Благодаря им между поршнем и стенкой цилиндра создаётся уплотнение.

Задача поршневых колец заключается в создании барьера для перетекания из камеры сгорания в картер коленчатого вала газов. Среди задач поршня:

  • Оказание силового воздействия на шатун.
  • Отвод тепла от камеры сгорания.
  • Герметизация камеры сгорания.

Подвижное соединение между поршнем и коленчатым валом обеспечивает шатун.

Именно шатун передаёт силу движущегося поршня к вращающемуся коленчатому валу.
Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя Коленчатый вал – это важная составляющая кривошипно-шатунного механизма. Кривошип коленчатого вала создает возвратно-поступательное движение поршня через шатун (подвижный элемент), то есть возвратно-поступательное движение поршня превращается в крутящий момент. Физически коленвал расположен в нижней части двигателя. Снизу коленвал прикрыт картером – самой внушительной неподвижной и полой частью двигателя, закреплённой на блоке сбоку. Визуально картер напоминает поддон. Конструкция коленчатого вала состоит из несколько шеек (коренных и шатунных). Они соединены щеками, соединенных между собой щеками. Место перехода от шейки к щеке всегда является самым нагруженным у коленвала. На коленчатый вал приходятся переменные нагрузки от сил давления газов.
Для того, чтобы не возникало осевых перемещений коленчатого вала, используется упорный подшипник скольжения. Он устанавливается на одной из шеек (средней или крайней).
Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя Камера сгорания –замкнутое пространство, где осуществляется воспламенение и горение топливовоздушной смеси. Сверху камера сгорания ограничена нижней поверхностью головки цилиндра, сбоку – стенками цилиндра, снизу –днищем поршня.
Толкатели клапанов, подъёмники –промежуточное звено, необходимое для передачи движения от распределительного вала к остальным частям механизма привода клапанов.
Коромысла (рокеры). Детали двигателя, функции которых заключаются в передаче движения от распределительного вала к клапанам. Маховик. Деталь, ответственная за обеспечение равномерного вращения коленчатого вала. На цилиндрической устанавливается зубчатый венец. Он помогает провести пуск электростартера.

На схеме представлено расположение основных частей двигателя при рассмотрении его со стороны его задней части. На фланце коленчатого вала видны отверстия под болты, с помощью которых к фланцу крепится маховик с зубчатым венцом, или платина привода гидравлического трансформатора автоматической трансмиссии. Источник: Ford.

Большинство двигателей автомобилей многоцилиндровые. Это значит при работе используется два или несколько цилиндров и два или несколько поршней.   Автопром выпускает машины с 2-; 3-; 4-; 5-; 6; 8-; 10- и 12-цилиндровыми двигателями. 
Чем больше цилиндров у мотора, тем больше возможностей для увеличения мощности двигателя. Если нужен двигатель, предназначенный для езды по бездорожью либо машина, развивающая сверхвысокие скорости, актуально именно устройство двигателя автомобиля, ориентированное на большое количество цилиндров. Устройство двигателя с большим количеством цилиндров обеспечивает отличную равномерность вращения коленчатого вала, ведь угол поворота коленчатого вала при 10, 12 цилиндрах – очень небольшой.

Но у 2-х цилиндровых двигателей есть другое преимущество: самые лучшие показатели топливной эффективности.

Устройство двигателя автомобиля всегда рассматривается в купе с его рабочим циклом.
Физически цикл – это периодически повторяющиеся процессы в каждом его цилиндре. Достаточно подробно разница между работой четырёхтактного и двухтактного двигателя отражена в нашей статье о двигателе внутреннего сгорания. Сегодня мы остановимся на работе четырёхтактных моторов. Именно по четырёхтактному циклу работает большинство современных автодвигателей. Хотя сам принцип двигателя был изобретён Николаусом Отто в 19-м веке. Поршень четырёхтактного двигателя совершает нисходящее и восходящее движение. Эта работа укладывается в один оборот коленчатого вала. При втором обороте коленчатого вала вновь повторяют эти движения.

1. Такт впуска (всасывания).

Поступление в цилиндр двигателя свежего заряда: воздуха- от дизельного мотора бензинового двигателя с прямым вспрыском или топливовоздушной смеси, от газово-топливного двигателя, мотора с распределенным или центральным впрыском топлива, или газо-топливные двигатели). В результате разрежения, созданного поршнем, перепад давления между давлением в цилиндре и давление окружающего воздуха, заряд втягивается непосредственно в цилиндр.

2. Такт сжатия. Шатун толкает поршень. Поршень сжимает газообразный свежий заряд в цилиндре. Устройство дизельного двигателя настроено на то, чтобы температура сжатых газов должна достигла температуры воспламенения топлива.

Если же речь идёт об устройстве газо-топливного, бензинового двигателя температура в конце такта сжатия достигать температуры воспламенения топлива не должна. Воспламенение производится от электроискрового разряда свечи зажигания.

3. Такт рабочего хода. Температура газов в цилиндре снижается, энергия горящих газов преобразуется в механическую энергию.

4. Такт выпуска отработавших газов. Поршень движется снизувверх. Отработавшие газы выходят из цилиндра через выпускной клапан.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя

Устройство двигателя автомобиля устроено так, что четыре такта повторяются циклично. Посредством маховика механическая энергия превращается во вращательное движение коленвала.

Модульное обучение автоосновам доступно при изучении электронных программ по профессиям. Удобный дистанционный формат обучения.

Принцип работы и устройство двигателя

Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях.

Читайте также:  Элементы и части кузова автомобиля: названия и их устройство

Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателя
В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:

  • Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
    • карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
    • инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
    • дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
  • Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
  • Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Особенности их устройства заключаются в преображении тепловой энергии в механическую работу с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателяСхема устройства двигателя.

Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.

Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.

Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом.

В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой.

Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей).

Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.

Принцип работы двигателя

Цилиндр и поршень как основные элементы автомобильного двигателяСхема работы двигателя.

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

  1. Впуск топлива;
  2. Сжатие топлива;
  3. Сгорание;
  4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо.

Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С.

В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

  1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
  2. Система смазки;
  3. Система охлаждения;
  4. Система подачи топлива;
  5. Выхлопная система.

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

  • Распределительный вал;
  • Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
  • Детали привода клапанов;
  • Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки.

Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей.

Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

  • Масляный картер (поддон);
  • Насос подачи масла;
  • Масляный фильтр с редукционным клапаном;
  • Маслопроводы;
  • Масляный щуп (индикатор уровня масла);
  • Указатель давления в системе;
  • Маслоналивная горловина.

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси.

Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости.

Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

  • Рубашка охлаждения двигателя;
  • Насос (помпа);
  • Термостат;
  • Радиатор;
  • Вентилятор;
  • Расширительный бачок.

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

  • Топливный бак;
  • Датчик уровня топлива;
  • Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
  • Топливные трубопроводы;
  • Впускной коллектор;
  • Воздушные патрубки;
  • Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

  • Выпускной коллектор;
  • Приемная труба глушителя;
  • Резонатор;
  • Глушитель;
  • Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов.

Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем.

Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

Ссылка на основную публикацию