Поршень дизельного двигателя: Почему прогорел поршень?

Содержание

Почему прогорел поршень?

Сами по себе дефекты в механической части двигателя, как известно, не появляются. Практика показывает: всегда есть причины повреждения и выхода из строя тех или иных деталей. Разобраться в них непросто, особенно, когда повреждены составляющие поршневой группы.

Поршневая группа — традиционный источник неприятностей, подстерегающих водителя, эксплуатирующего автомобиль, и механика, его ремонтирующего. Перегрев двигателя, небрежность в ремонте, и, пожалуйста, – повышенный расход масла, сизый дым, стук.

При «вскрытии» такого мотора неминуемо обнаруживаются задиры на поршнях, кольцах и цилиндрах. Вывод неутешителен — требуется дорогостоящий ремонт. И возникает вопрос: чем провинился двигатель, что его довели до такого состояния?

Двигатель, конечно, не виноват. Просто необходимо предвидеть, к чему приводят те или иные вмешательства в его работу. Ведь поршневая группа современного двигателя — «материя тонкая» во всех смыслах.

Сочетание минимальных размеров деталей с микронными допусками и громадными силами давления газов, и инерции, действующими на них, способствует появлению и развитию дефектов, приводящих в конечном счете к выходу двигателя из строя.

Во многих случаях простая замена поврежденных деталей — не лучшая технология ремонта двигателя. Причина-то появления дефекта осталась, а раз так, то его повторение неминуемо.

Чтобы этого не случилось, грамотному мотористу, как гроссмейстеру, необходимо думать на несколько ходов вперед, просчитывая возможные последствия своих действий. Но и этого недостаточно — необходимо выяснить, почему возник дефект. А здесь без знания конструкции, условий работы деталей и процессов, происходящих в двигателе, как говорится, делать нечего. Поэтому, прежде чем анализировать причины конкретных дефектов и поломок, неплохо было бы знать…

Как работает поршень?

Поршень подвижная деталь, плотно перекрывающая цилиндр в поперечном сечении и перемещающаяся вдоль его оси.

Поршень предназначен для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом. современного двигателя — деталь на первый взгляд простая, но крайне ответственная и одновременно сложная. В его конструкции воплощен опыт многих поколений разработчиков.

И в какой-то степени поршень формирует облик всего двигателя. В одной из прошлых публикаций мы даже высказали такую мысль, перефразировав известный афоризм: «Покажи мне поршень, и я скажу, что у тебя за двигатель».

Итак, с помощью поршня в двигателе решается несколько задач. Первая и главная — воспринять давление газов в цилиндре и передать возникшую силу давления через поршневой палец шатуну. Далее эта сила будет преобразована коленвалом в крутящий момент двигателя.

Решить задачу преобразования давления газов во вращательный момент невозможно без надежного уплотнения движущегося поршня в цилиндре. Иначе неминуем прорыв газов в картер двигателя и попадание масла из картера в камеру сгорания.

Для этого на поршне организован уплотнительный пояс с канавками, в которые установлены компрессионные и маслосъемные кольца специального профиля. Кроме того, для сброса масла в поршне выполнены особые отверстия.

Но этого мало. В процессе работы днище поршня (огневой пояс), непосредственно контактируя с горячими газами, нагревается, и это тепло надо отводить. В большинстве двигателей задача охлаждения решается с помощью тех же поршневых колец — через них тепло передается от днища стенке цилиндра и далее — охлаждающей жидкости. Однако в некоторых наиболее нагруженных конструкциях делают дополнительное масляное охлаждение поршней, подавая масло снизу на днище с помощью специальных форсунок. Иногда применяют и внутреннее охлаждение — форсунка подает масло во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Для надежного уплотнения полостей от проникновения газов и масла поршень должен удерживаться в цилиндре так, чтобы его вертикальная ось совпадала с осью цилиндра. Разного рода перекосы и «перекладки», вызывающие «болтание» поршня в цилиндре, негативно сказываются на уплотняющих и теплопередающих свойствах колец, увеличивают шумность работы двигателя.

Удерживать поршень в таком положении призван направляющий пояс — юбка поршня. Требования к юбке весьма противоречивы, а именно: необходимо обеспечить минимальный, но гарантированный, зазор между поршнем и цилиндром как в холодном, так и в полностью прогретом двигателе.

Задача конструирования юбки усложняется тем, что температурные коэффициенты расширения материалов цилиндра и поршня различны. Мало того, что они изготовлены из различных металлов, их температуры нагрева разнятся во много раз.

Чтобы нагретый поршень не заклинило, в современных двигателях принимают меры по компенсации его температурных расширений.

Во-первых, в поперечном сечении юбке поршня придается форма эллипса, большая ось которого перпендикулярна оси пальца, а в продольном — конуса, сужающегося к днищу поршня. Такая форма позволяет обеспечить соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, препятствуя заклиниванию.

Во-вторых, в ряде случаев в юбку поршня заливают стальные пластины. При нагревании они расширяются медленнее и ограничивают расширение всей юбки.

Использование легких алюминиевых сплавов для изготовления поршней — не прихоть конструкторов. На высоких частотах вращения, характерных для современных двигателей, очень важно обеспечить низкую массу движущихся деталей. В подобных условиях тяжелому поршню потребуется мощный шатун, «могучий» коленвал и слишком тяжелый блок с толстыми стенками. Поэтому альтернативы алюминию пока нет, и приходится идти на всяческие ухищрения с формой поршня.

В конструкции поршня могут быть и другие «хитрости». Одна из них — обратный конус в нижней части юбки, призванный уменьшить шум из-за «перекладки» поршня в мертвых точках. Улучшить смазку юбки помогает специальный микропрофиль на рабочей поверхности — микроканавки с шагом 0,2-0,5 мм, а уменьшить трение — специальное антифрикционное покрытие. Профиль уплотнительного и огневого поясов тоже определенный — здесь самая высокая температура, и зазор между поршнем и цилиндром в этом месте не должен быть ни большим (возрастает вероятность прорыва газов, опасность перегрева и поломки колец), ни маленьким (велика опасность заклинивания). Нередко стойкость огневого пояса повышается анодированием.

Все, что мы рассказали, — далеко не полный перечень требований к поршню. Надежность его работы зависит и от сопряженных с ним деталей: поршневых колец (размеры, форма, материал, упругость, покрытие), поршневого пальца (зазор в отверстии поршня, способ фиксации), состояния поверхности цилиндра (отклонения от цилиндричности, микропрофиль). Но уже становится ясно, что любое, даже не слишком значительное, отклонение в условиях работы поршневой группы быстро приводит к появлению дефектов, поломкам и выходу двигателя из строя. Чтобы в дальнейшем качественно отремонтировать двигатель, необходимо не только знать, как устроен и работает поршень, но и уметь по характеру повреждения деталей определить, почему, к примеру, возник задир или…

Почему прогорел поршень?

Анализ различных повреждений поршней показывает, что все причины дефектов и поломок делятся на четыре группы: нарушение охлаждения, недостаток смазки, чрезмерно высокое термосиловое воздействие со стороны газов в камере сгорания и механические проблемы.

Вместе с тем многие причины возникновения дефектов поршней взаимосвязаны, как и функции, выполняемые его различными элементами. Например, дефекты уплотняющего пояса вызывают перегрев поршня, повреждения огневого и направляющего поясов, а задир на направляющем поясе ведет к нарушению уплотнительных и теплопередающих свойств поршневых колец.

В конечном счете это может спровоцировать прогар огневого пояса.

Отметим также, что практически при всех неисправностях поршневой группы возникает повышенный расход масла. При серьезных повреждениях наблюдаются густой, сизый дым выхлопа, падение мощности и затрудненный запуск из-за низкой компрессии. В некоторых случаях прослушивается стук поврежденного поршня, особенно на непрогретом двигателе.

Иногда характер дефекта поршневой группы удается определить и без разборки двигателя по указанным выше внешним признакам. Но чаще всего такая «безразборная» диагностика неточна, поскольку разные причины нередко дают практически один и тот же результат.

Поэтому возможные причины дефектов требуют детального анализа.

Нарушение охлаждения поршня — едва ли не самая распространенная причина появления дефектов. Обычно это происходит при неисправности системы охлаждения двигателя (цепочка: «радиатор-вентилятор-датчик включения вентилятора-водяной насос») либо из-за повреждения прокладки головки блока цилиндров. Во всяком случае, как только стенка цилиндра перестает омываться снаружи жидкостью, ее температура, а вместе с ней и температура поршня, начинают расти. Поршень расширяется быстрее цилиндра, к тому же неравномерно, и в конечном итоге зазор в отдельных местах юбки (как правило, вблизи отверстия под палец) становится равным нулю. Начинается задир — схватывание и взаимный перенос материалов поршня и зеркала цилиндра, а при дальнейшей работе двигателя происходит заклинивание поршня.

После остывания форма поршня редко приходит в норму: юбка оказывается деформированной, т.е. сжатой по большой оси эллипса. Дальнейшая работа такого поршня сопровождается стуком и повышенным расходом масла.

В некоторых случаях задир на поршне распространяется на уплотнительный пояс, завальцовывая кольца в канавки поршня. Тогда цилиндр, как правило, выключается из работы (слишком мала компрессия), а говорить о расходе масла вообще трудно, поскольку оно будет просто вылетать из выхлопной трубы.

Недостаточная смазка поршня чаще всего характерна для пусковых режимов, особенно при низких температурах. В подобных условиях топливо, поступающее в цилиндр, смывает масло со стенок цилиндра, и возникают задиры, которые располагаются, как правило, в средней части юбки, на ее нагруженной стороне.

Двухсторонний задир юбки обычно встречается при длительной работе в режиме масляного голодания, связанного с неисправностями системы смазки двигателя, когда количество масла, попадающего на стенки цилиндров, резко уменьшается.

Недостаток смазки поршневого пальца — причина его заклинивания в отверстиях бобышек поршня. Такое явление характерно только для конструкций с пальцем, запрессованным в верхнюю головку шатуна. Этому способствует малый зазор в соединении пальца с поршнем, поэтому «прихваты» пальцев чаще наблюдаются у относительно новых двигателей.

Чрезмерно высокое термосиловое воздействие на поршень со стороны горячих газов в камере сгорания — частая причина дефектов и поломок. Так, детонация приводит к разрушению перемычек между кольцами, а калильное зажигание — к прогарам.

У дизелей чрезмерно большой угол опережения впрыска топлива вызывает очень быстрое нарастание давления в цилиндрах («жесткость» работы), что также может вызвать поломку перемычек. Такой же результат возможен и при использовании различных жидкостей, облегчающих запуск дизеля.

Днище и огневой пояс могут повреждаться при слишком высокой температуре в камере сгорания дизеля, вызванной неисправностью распылителей форсунок. Аналогичная картина возникает и при нарушении охлаждения поршня — например, при закоксовывании форсунок, подающих масло к поршню, имеющему кольцевую полость внутреннего охлаждения. Задир, возникающий на верхней части поршня, может распространяться и на юбку, захватывая поршневые кольца.

Механические проблемы, пожалуй, дают самое большое разнообразие дефектов поршневой группы и их причин. Например, абразивный износ деталей возможен как «сверху», из-за попадания пыли через рваный воздушный фильтр, так и «снизу», при циркуляции абразивных частиц в масле. В первом случае наиболее изношенными оказываются цилиндры в верхней их части и компрессионные поршневые кольца, а во втором — маслосъемные кольца и юбка поршня. Кстати, абразивные частицы в масле могут появиться не столько от несвоевременного обслуживания двигателя, сколько в результате быстрого износа каких-либо деталей (например, распредвала, толкателей и др.).

Редко, но встречается эрозия поршня у отверстия «плавающего» пальца при выскакивании стопорного кольца. Наиболее вероятные причины этого явления — непараллельность нижней и верхней головок шатуна, приводящая к значительным осевым нагрузкам на палец и «выбиванию» стопорного кольца из канавки, а также использование при ремонте двигателя старых (потерявших упругость) стопорных колец. Цилиндр в таких случаях оказывается поврежденным пальцем настолько, что уже не подлежит ремонту традиционными методами (расточка и хонингование).

Иногда в цилиндр могут попадать посторонние предметы. Такое чаще всего происходит при неаккуратной работе во время обслуживания или ремонта двигателя. Гайка или болт, оказавшись между поршнем и головкой блока, способны на многое, в том числе и просто «провалить» днище поршня.

Рассказ о дефектах и поломках поршней можно продолжать очень долго. Но и того, что уже сказано, достаточно, чтобы сделать некоторые выводы. По крайней мере, уже можно определить…

Как избежать прогара?

Правила очень просты и вытекают из особенностей работы поршневой группы и причин появления дефектов. Тем не менее, многие водители и механики забывают о них, что называется, со всеми вытекающими последствиями.

Хотя это и очевидно, но при эксплуатации все-таки необходимо: содержать в исправности системы питания, смазки и охлаждения двигателя, вовремя их обслуживать, излишне не нагружать холодный двигатель, избегать применения некачественного топлива, масла и несоответствующих фильтров и свечей зажигания. А если что-то с двигателем не так, не доводить его «до ручки», когда ремонт уже не обойдется «малой кровью».

При ремонте необходимо добавить и неукоснительно выполнять еще несколько правил. Главное, на наш взгляд, — нельзя стремиться к обеспечению минимальных зазоров поршней в цилиндрах и в замках колец. Эпидемия «болезни малых зазоров», когда-то поразившая многих механиков, все еще не прошла. Более того, практика показала, что попытки «поплотнее» установить поршень в цилиндре в надежде на уменьшение шума двигателя и увеличение его ресурса почти всегда заканчиваются обратным: задирами поршней, стуками, расходом масла и повторным ремонтом. Правило «лучше зазор на 0,03 мм больше, чем на 0,01 мм меньше» работает всегда и для любых двигателей.

Остальные правила традиционны: качественные запасные части, правильная обработка изношенных деталей, тщательная мойка и аккуратная сборка с обязательным контролем на всех этапах.

Hарушения режима сгорания 1/3 · Technipedia · Motorservice

Трещины в днище и в углублениях днища поршня (дизельный двигатель)

Описание повреждения

  • Трещины от напряжения по краю углубления.
  • Основная трещина до бобышки поршня.
  • Прожженный канал от углубления до области под маслосъемным поршневым кольцом, возникший под действием отработавших газов, протекавших через основную трещину.
Рис. 1 Рис. 2

Оценка повреждения

Материал поршня местами сильно нагревается: в предкамерных двигателях в местах попадания предкамерных струй (рис. 3 и рис. 4), а в двигателях с непосредственным впрыском – по краю углубления (рис. 1). В этих местах материал сильнее расширяется. Поскольку перегретые места окружены холодным материалом, материал подвергается здесь выходящей за пределы эластичности деформации. При остывании происходит противоположный процесс: в местах, в которых материал сначала подвергался обжатию и вытеснению, возникает нехватка материала.

В результате этого появляются напряжения при растяжении, которые вызывают трещины от напряжения. Если на напряжения от термической нагрузки накладываются напряжения от прогибания пальца, то из трещин от напряжения образуется очень широкая основная трещина, которая приводит к поломке и выходу поршня из строя.

Рис. 3 Рис. 4

Возможныe причины

  • Ошибки в приготовлении смеси из-за неподходящих впрыскивающих форсунок, нарушений в работе топливного насоса высокого давления и повреждений предкамеры.
  • Высокая температура из-за неисправностей в системеохлаждения.
  • Неисправности моторного тормоза или его чрезмерноеиспользование. Последствие: перегрев.
  • Недостаточное охлаждение поршней с охлаждающим каналом, например, из-за забитых или изогнутых форсунок охлаждающего масла.
  • Перепады температур в двигателях с часто меняющейся нагрузкой, например, в городских автобусах или землеройных машинах.
  • Использование поршней неверной спецификации,например, без охлаждающего канала, хотя нужно было использовать поршень с охлаждающим каналом.
  • Монтаж поршней других изготовителей, не усиленных волокнистыми вставками по краю углубления.
  • Монтаж поршней с неподходящей для двигателя формой углубления (см. главу «Задиры на головке поршня в результате использования неподходящих поршней»).

Поломки перемычек между канавками колец

Описание повреждения

  • Поломка перемычки между канавками первого и второго компрессионных поршневых колец на одной стороне поршня (рис. 1).
  • Повреждение начинается на дне верхней канавки и проходит под углом внутрь поршня, заканчиваясь на дне расположенной ниже канавки (рис. 2).
  • Повреждение распространяется по направлению вниз.
  • Задиры на поршне или проявления перегрева отсутствуют.
Рис. 1 + Рис. 2: Поперечное сечение места поломки Рис. 3

Оценка повреждения

Причиной поломок перемычек между канавками являются не дефекты материала, а чрезмерная нагрузка на материал. Различают 3 причины:

1. Детонационное сгорание:
Октановое число топлива не покрывает потребность двигателя во всех режимах работы и нагрузки (см. главу «Общая информация о повреждениях поршня из-за нарушений режима сгорания в двигателях с принудительным воспламенением смеси»). Поломки перемычек между канавками колец из-за детонационного сгорания возникают большей частью на нагруженной стороне. Причиной детонационного сгорания в дизельном двигателе является задержка зажигания.

2. Гидравлические удары:
В неработающем или работающем двигателе жидкость (вода, охлаждающее средство, масло или топливо) случайно попадает в камеру сгорания. Поскольку жидкости не поддаются сжатию, во время такта сжатия возникает огромная нагрузка на поршень и кривошипно-шатунный механизм. Последствие: поломки перемычек между канавками колец, поломки бобышек или повреждения шатунов и коленчатого вала. На рис. 3 показано прохождение трещины, образовавшейся в результате детонационного сгорания и гидравлических ударов: вызвавшее поломку усилие воздействовало сверху на перемычку между канавками колец, из-за чего концы трещины разошлись книзу.

Рис. 4

3. Ошибки при монтаже:
Из-за неправильно сжатых поршневых колец во время монтажа поршней требуется приложить больше усилий. В результате применения силы при вдавливании или вбивании поршня возникают повреждения перемычек между канавками колец в виде тонких трещин. Перемычки между канавками колец выламываются в обратном направлении, потому что в этом случае давление действует снизу (рис. 4).

Возможныe причины

Детонационное сгорание в двигателях с принудительным воспламенением смеси:

  • Использование топлива с недостаточной детонационной стойкостью. Качество топлива должно соответствовать степени сжатия двигателя, т.е. октановое число топлива должно обеспечивать требуемую детонационную стойкость для двигателя во всех рабочих состояниях.
  • Дизельное топливо в бензине и в результате этого понижение октанового числа топлива.
  • Слишком высокая степень сжатия, вызванная чрезмерным шлифованием торцевой поверхности блока цилиндров двигателя и головки блока цилиндров, например, в ходе ремонта или тюнинга двигателя.
  • Слишком большое опережение зажигания.
  • Слишком бедная смесь и в результате этого повышенная температура сгорания.
  • Слишком высокая температура всасываемого воздуха, например, из-за недостаточной вентиляции моторного отсека или несвоевременного переключения заслонки всасываемого воздуха на летний режим (особенно в старых карбюраторных двигателях).

Детонационное сгорание в дизельных двигателях:

  • Впрыскивающие форсунки плохо распыляют топливо или негерметичны.
  • Слишком низкое давление впрыска впрыскивающих форсунок.
  • Слишком низкое давление сжатия из-за использования неподходящих уплотнений головки блока цилиндров, слишком малые выступы поршней, негерметичные клапаны, поврежденные или изношенные поршни.
  • Неисправные уплотнения головки блока цилиндров.
  • Повреждения предкамеры.
  • Ненадлежащее или чрезмерное применение средств для облегчения пуска (пусковая жидкость в аэрозольнойупаковке) при запуске холодного двигателя.
  • Неисправный турбонагнетатель.

При гидравлических ударах:

  • Случайное всасывание воды при переезде через скопления воды или из-за попадания большого количества брызг от движущихся впереди или проезжающих мимо транспортных средств.
  • Заполнение цилиндра при неработающем двигателе:
    • водой из-за негерметичности уплотнения головки блока цилиндров или трещин в деталях.
    • топливом из-за негерметичности впрыскивающих форсунок (только у двигателей с принудительным воспламенением смеси и системой впрыска). Остаточное давление в системе впрыска сбрасывается через негерметичную форсунку в цилиндр.

В обоих случаях описанное повреж- дение возникает при пуске.

Следы ударов на головке поршня (дизельный двигатель)

Описание повреждения

  • Следы сильных ударов на головке поршня (рис. 1). Масляный нагар почти полностью удален.
  • Царапины и вдавленные oтложения масляного нагара на днище поршня.
  • Сильный износ поршневых колец, особенно маслосъемного поршневого кольца.
  • Отпечаток вихревой камеры на передней кромке днища поршня (рис. 2).
  • Отпечаток клапана на правой стороне днища.
  • Первые признаки начинающегося места истирания от работы всухую на юбке поршня (рис. 4).
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4

Оценка повреждения

Во время эксплуатации поршни ударялись о головку блока цилиндров или о вихревую камеру и один из клапанов. Данное воздействие силы еще пока не привело к поломкам. Однако следы износа поршневых колец и юбки поршня указывают на то, что в результате этих ударов возникло нарушение режима сгорания из-за избытка топлива в камере сгорания.

Удары поршня вызывают сотрясения головки блока цилиндров. Под действием этих сотрясений во впрыскивающей форсунке также возникают колебания. Поэтому форсункав закрытом состоянии не может поддерживать давление, из-за чего происходит бесконтрольное впрыскивание топлива в цилиндр. Следствием этого является избыток топлива в камере сгорания, приводящий к повреждению масляной пленки. В связи с этим усиливается полусухое трение, вызывающее износ поршневых колец, а также повышается расход масла. По мере разрушения масляной пленки под действием топлива, приводящего к недостатку смазки, образуются характерные места истирания от избытка топлива (см. главу «Места трения от работы всухую из-за избытка топлива в камере сгорания»).

В начальной стадии наблюдается незначительное повреждение юбки поршня, так как она регулярно снабжается кривошипно-шатунным механизмом свежим маслом, еще обладающим смазочными свойствами. Лишь после того, как абразивные частицы из зоны хода поршней перемешаются со смазочным маслом и смазочное масло утратит прочность из-за разбавления, происходит дальнейшее распространение износа.

Возможныe причины

  • Неверный размер выступа поршня. Выступ поршня не был проверен или откорректирован в рамках ремонта двигателя.
  • Несоосно просверленное отверстие втулки нижней головки шатуна в ходе замены.
  • Эксцентрическое (несоосное) шлифование коленчатого вала.
  • Несоосная доработка отверстия под подшипник (при доработке крышек подшипников коленчатого вала).
  • Монтаж уплотнений головки блока цилиндров недостаточной толщины.
  • Отложения масляного нагара на головке поршня и в результате этого уменьшение или полное исчезновение зазора между днищем поршня в верхней мертвой точке и головкой блока цилиндров.
  • Неверные фазы газораспределения из-за неправильнойрегулировки, удлинения цепи, соскакивания зубчатыхремней.
  • Отклонение длины шатуна.
  • Чрезмерная доработка торцевой поверхности головки блока цилиндров и в результате этого смещение фаз газораспределения. (Изменяется расстояние между ведущим и ведомым колесами, которое иногда невозможно откорректировать из-за определенной настройки ремней или цепей, вызванной особенностями конструкции.)
  • При замене колец седел клапанов не обратили внимание на правильное положение седел клапанов. Если поверхность седел клапанов размещается в головке блока цилиндров недостаточно глубоко, то из-за неправильного расположения в головке блока цилиндров клапаны слишком далеко выступают за кромку.
  • Превышение максимально допустимого числа оборотов двигателя. Из-за повышенной силы инерции клапаны несвоевременно закрываются и сталкиваются с поршнем.
  • Слишком большой зазор в опорах шатунов или изношенный шатунный подшипник, особенно при движении на спуск на очень высоких оборотах.

Расплавление днища и жарового пояса поршня на дизельных двигателях

Описанное в данном разделе повреждение охватывает несколько стадий, начиная с лёгких дефектов поршня и заканчивая капитальной поломкой двигателя.

  • Головка поршня имеет следы эрозии.
  • На головке поршня видны оплавления — вплоть до совершенно расплавленного днища поршня .
  • В наиболее критических случаях на поршне появляются задиры по всей длине и по всей окружности.
  • На поршне имеется отверстие.

Причины проявления

Это повреждение возникает из-за термической перегрузки поршня. В данном случае следует рассматривать две причины повреждения, различающиеся между собой:

Нарушение процесса сгорания топлива:

Этот дефект можно определить по следующим признакам в двигателе:

  • Кромка камеры сгорания имеет «скусы».
  • Плохое струйное распределение инжекторных форсунок.
  • Давление и объём подачи топлива инжекторных форсунок настроены неправильно.
  • Жаровой пояс в направлении оси поршневого пальца имеет задиры.

Сбой процесса сгорания топлива может иметь несколько причин.

  • В камере сгорания находится слишком богатая воздушнотопливная смесь. В этом случае следует рассмотреть следующие неполадки:
    • Подача воздуха ограничена, например, из-за засорённого воздушного фильтра.
    • Неправильно отрегулирован объём подачи топлива.
    • Неправильно отрегулирован начальный момент подачи топлива.
    • Игла форсунки заедает или перемещается с трудом.
    • Засор в газовыпускной системе.
  • Имеет место запаздывание зажигания и перебои в зажигании, а именно, по следующим причинам:
    • Было заправлено неподходящее топливо или топливо со слишком низким цетановым числом, или же в дизельном топливе присутствует бензин.
    • Клапаны негерметичны, что ведёт к потере компрессии.
    • Зазор между днищем поршня и головкой блока цилиндров слишком велик, поэтому слишком мала степень сжатия.
    • Неисправна система предварительного прогрева воздуха (прежде всего, при очень низкой внешней температуре).

 

 

Перегрев головки поршня:

Это явление имеет следующие симптомы:

  • Камера сгорания поршня не повреждена.
  • Наблюдается хорошее струйное распределение на днище поршня.

Слишком высокий уровень температуры головки поршня может иметь следующие причины:

  • Форсунка охлаждающего масла деформирована, вырвана или не установлена (монтажная ошибка).
  • Превышен интервал замены масла. В этом случае опасность полимеризации моторного масла возникает, прежде всего, при использовании биотоплива на основе рапсового и соевого масла, что может привести к засорению форсунок охлаждающего масла.
  • Посторонние включения, например, остатки прокладочных материалов и т. п., мешают требуемой циркуляции масла в контуре.

Устранение дефекта и провилактика

  • Следует настроить количество и момент впрыска топлива в соответствии с рекомендациями производителя.
  • Требуется проверить инжекторные форсунки на герметичность, а также на правильность давления впрыска и струйного распределения.
  • При монтаже форсунок охлаждающего масла следует обращать внимание на их правильное расположение.
  • Необходимо тщательно прочищать масляные каналы в моторном блоке, на коленчатом валу и в головке цилиндра.
  • Следует проверить правильность работы редукционного клапана.
  • При эксплуатации двигателя с биотопливом необходимо существенно сократить интервалы замены масла.

 

Новая технология охлаждения поршней дизельных двигателей EnviroKool

Вид в разрезе поршня Monosteel для дизельных двигателей от компании Federal-Mogul Powertrain, демонстрирующий герметичную камеру охлаждения EnviroKool в днище
Герметичная камера охлаждения EnviroKool позволяет днищам поршней двигателей для тяжелой техники работать при больших температурах.

Компания Federal-Mogul Powertrain, подразделение корпорации Federal-Mogul Holdings Corporation (NASDAQ: FDML), разработала первую в мире технологию охлаждения поршней при помощи интегрированной в поршень Monosteel герметичной камеры охлаждения. Технология, получившая название EnviroKool, позволяет безопасно поднять рабочую температуру поршня на 100°C (при использовании стальных сплавов с высокой стойкостью к окислению и защитным покрытием).

«Более эффективное сжигание топлива и увеличенная мощность дизельных двигателей следующих поколений повлекут за собой значительное повышение температуры в камере сгорания, но производители двигателей ограничены температурой, которую может выдерживать днище поршня, – прокомментировал Джан Мария Оливетти (Gian Maria Olivetti), директор по технологиям Federal-Mogul Powertrain. – Технология EnviroKool позволяет поршню работать при повышенной температуре без ущерба для его прочности и срока службы».

Исключительно эффективное охлаждение и минимальная масса – вот основные преимущества технологии EnviroKool, которая, в свою очередь, является вершиной эволюции проверенной временем технологии Monosteel. Интегрированная камера охлаждения заполняется маслом и инертным газом, выдерживающими высокую температуру, а затем герметизируется. Технология EnviroKool позволила компании Federal-Mogul Powertrain преодолеть ограничения по температуре, характерные для поршней с традиционными проточными масляными каналами охлаждения.

«Длительное воздействие высоких температур на моторное масло ведет к снижению его характеристик и скоплению нагара, что отрицательно сказывается на эффективности охлаждения и может стать причиной перегрева, – объяснил Кери Уэстбрук (Keri Westbrooke), руководитель инженерного отдела компании Federal-Mogul Powertrain. – Превосходные свойства технологии охлаждения EnviroKool позволяют поршню уверенно выдерживать тепловую нагрузку. Далее масло, подающееся через форсунку, отводит тепло вниз, где температуры значительно ниже.

За счет отсутствия нагара в камере охлаждения эффективность рассеивания тепла остается на одинаково высоком уровне в течение всего срока службы поршня. Новая технология настолько эффективна, что расход масла для охлаждения поршней сокращается на 50%, снижается нагрузка на масляный насос, уменьшаются паразитные потери и повышается КПД двигателя. Тепло, отводимое от поршня посредством масла из форсунок охлаждения, является частью общего тепла, которое отводится через поршневой палец, юбку поршня и поршневые кольца.

Специалистами компании Federal-Mogul Powertrain уже проведено более 1400 часов испытаний двигателей тяжелой техники с поршнями EnviroKool Monosteel. Все разработки ведутся в сотрудничестве с некоторыми заказчиками: поршни создаются под двигатели, которые запланированы к выпуску в течение пяти следующих лет.

«EnviroKool – новейшая технология в череде успешных решений, призванных помочь нашим клиентам выпускать двигатели и транспортные средства, выбрасывающие меньше вредных веществ в атмосферу, причем это никак не сказывается на их долговечности, надежности или рабочих характеристиках», – подвел итог г-н Уэстбрук.

Компания Federal-Mogul Powertrain представит линейку поршней для дизельных двигателей тяжелой техники на Международной выставке коммерческого транспорта, которая пройдет в Ганновере (Германия) 21-29 сентября 2016 года. Продукцию компании можно будет увидеть на стенде C28 в зале 13.

Почему прогорают поршни? Почему прогорел поршень? Как избежать прогара? Сгорел поршень на бензиновом двигателе

Дизельный мотор имеет значительные отличия от бензинового. Двигатели отличаются в частности принципом воспламенения, у бензина от искры, у дизеля от сжатия. Соответственно, нагрузка на сами поршня также превышает бензиновые аналоги в 3 раза. Компрессия бензинового двигателя достигает значения в 10 бар давления. В свою очередь, дизельный двигатель обеспечивает давление в 30 бар. Степень сжатия также выше в 3 раза.

Но, при этом, дизельный двигатель более износоустойчивый. Правда, существует ряд нюансов, который делает дизельный двигатель менее устойчивым, чем бензиновый. Чаще всего, дизель дольше прослужит своему владельцу, если все в двигателе будет хорошо и обслуживаться он будет вовремя. Но, практика показывает, что хорошо не бывает в 90% случаев.

3 основные причины, почему прогорел поршень дизельного двигателя

По каким причинам может прогореть поршень дизельного двигателя? Первой и самой вероятной причиной является то, что льет форсунка. Проще говоря, она подает больше топлива, чем допустимо производителем. В итоге, приходится работать с большим объемом горения и пламени, чем позволено. Данная процедура сопровождается характерным «тах-кающим» звуком.

Если долго использовать машину в подобном режиме, то со временем стенки поршня оплавляются. Причем, проблема проявит себя при первом же плавлении поршней. Материал расплавленного алюминия будет разлетаться по стенкам и ускорит разрушение двигателя.. Чем дольше так ездить, тем больше деталей в двигателе вам потребуется заменить. Вплоть до капитального ремонта или полноценной замены двигателя.

Происходит так потому, что куски абразива попадают между гильзой и поршнем, стирают поверхность, создают задиры. В этом всём чаще всего виноваты форсунки и их неправильная подача топлива.

    Также, причиной прогара поршней может стать масло. Такие случаи появляются также довольно часто. Так может происходить потому, что направляющие клапанов головки блока цилиндра могли разболтаться, а сальники потерять свою устойчивость. Масло стекает по впускному клапану и потихоньку капает на поршень двигателя. Температура горения масла выше, чем температура топлива. И эта ситуация заставляет двигатель постепенно умирать.

    Бывает так, что в камеру сгорания поршня попадает антифриз. Попадание воды или антифриза внутрь камеры сгорания производит катализацию взрыва.

Как справиться с проблемой?

Избежать такой ситуации очень просто. Вовремя проходите технический осмотр машины, при любом непонимании и лишних звуках в районе двигателя обязательно проверяйте машину на СТО. Кроме того, постоянно следите за уровнем масла и антифриза в Вашем авто. Своевременная диагностика двигателя предупреждает его неисправность.

Дизель сервис в Киеве. У Вас сломалась турбина? Вышла из строя форсунка? Появился сторонний шум в двигателе? Или просто плановая замена цепи ГРМ? Турбо дизель сервис выполнит диагностику и ремонт Вашего автомобиля, диагностика дизельного двигателя в киеве, проверка форсунок на стенде, ремонт дизельных форсунок common rail в Киеве, ремонт форсунок Киев, диагностика турбины, диагностика и замена свечей накала, проверка компресии дизельного двигателя, диагностика автомобиля перед покупкой и даже ремонт дизельного двигателя, компьютенрая диагностика авто, удаление сажевого фильтра, удаление свечей накала и закисших форсунок. Наш дизель сервис предоставляет такие услуги: ремонт форсунок, замена ремня грм, ремонт тнвд, земена ремкомплекта тнвд, ремонт форсунок бош,восстановление пьезофорсунок, реставрация плунженой пары, замена втулки акселератора тнвд, замена клапана форсунки делфи. Ремонт турбины Mersedes, BMW, Ford, Renault, Opel, Fiat, Pegeout, Citroen, Hundai, Kia, VW, Volvo, Iveco, S cania, Toyota, land rover, Porshe, Mazda, в городах Киев, Харьков, Днепропетровск, Полтава, Сумы, Черкасы, Кировоград, Запорожье, Умань, Крывой рог, Никополь, Николаев, Херсон, Винница, Житомир, Черновцы, Тернополь, Львов, Луцк, Ровно, Одесса. Обменный фонд турбин. Ремонт турбин Киев, ремонт турбины в Киеве, ремонт турбин дизельных и бензиновых двигателей. Ремонт пьезофорсунок в Киеве Замена ремня или цепи газораспределительного механизма ГРМ Fiat Doblo 1.3, Opel combo 1.3, замена свечей накала, ремонт дизельного двигателя, капитальный ремонт двигателя в Киеве, ремонт ГБЦ. Ремонт форсунок CDI, CRDI. Bosch, Delphi, Siemens VDO Continental, Denso. Диагностика и ремонт насос форсунок и насосных секций. Дизель сервис Киев, замена грм Киев Капитальный ремонт дизельного двигателя в киеве, демонтаж форсунок рено трафик, ссанг йонг,опель виваро. Турбо дизель сервис выполняет ремонт форсунок CDI, CRDI, DCI, tdci, hdi, Bosch, Delphi, Siemens VDO. Ремонт ТНВД бош. Чистка топлиной системы, чистка рампы высокого давленя, реставрация пьезофорсунок, чистка топливного бака в Киеве

Поршень двигателя внутреннего сгорания является, едва ли, не самой важной деталью. Именно поршень преобразует тепловую энергию в механическую, что и приводит двигатель в движение. К тому же, на поршень двигателя возложены такие функции, как отвод газов из камеры сгорания, а также ее герметизация. Стоит ли говорить, что для успешной реализации всех этих требований, поршень двигателя должен обладать особыми свойствами, особой прочностью, чтобы надежно выполнять свою работу на протяжении длительного срок службы?

Устройство поршня двигателя

Давайте вкратце рассмотрим, как устроен автомобильный поршень. Для начала необходимо отметить, что это цельный элемент, который изготавливается путем литья, либо же штамповки. Приходилось ли вам слышать про кованные поршни? Так вот, кованными, как раз, называют штампованные поршни. Выполняются эти элементы двигателя из сплавов алюминия, реже из стали. Такое решение вызвано тем, что поршень должен отвечать сразу трем характеристикам:

  • Прочность;
  • Легкость;
  • Термоустойчивость.

Если же попытаться разобрать устройство поршня, то можно выделить такие элементы, как головка поршня, т.е. рабочая поверхность и его юбка. В зависимости от типов двигателя, головка поршня может иметь различную форму. В бензиновых моторах, она практически плоская, с незначительным возвышением в центре. Иногда на поршнях могут быть выточены вырезы под клапана. Говоря про поршень , необходимо упомянуть о более сложной его форме. Дело в том, что и камера сгорания в дизелях немного нестандартная, она спроектирована таким образом, чтобы создать завихренее газов и улучшить образование горючей смеси.

На боковой грани поршня расположены отверстия под крепление поршневых колец. Если говорить вкратце об их назначении, то это создание герметичности между поршнем и стенками цилиндра, а также удаление излишков масла из цилиндра, дабы они не сгорали вместе с горючей смесью. Как правило, на поршень устанавливается три кольца — одно из которых и является маслосъемным, а другие два – компрессионные, то есть удерживающие газы и давление внутри камеры сгорания.

Проблемы, которые могут возникать с поршнем

Так как поршень имеет определенный срок службы, вполне логично, что когда-то с ним начнутся проблемы. Таковые можно разделить на 2 группы:

  • Проблемы теплового характера;
  • Проблемы механического характера;

Как правило, одно от другого зависит. К примеру, возьмем за основу наиболее часто встречающиеся проблемы – стук поршня и образование сизого дыма из выхлопной трубы. Это свидетельствует о не герметичности цилиндропоршневой группы. В результате залегших, или стершихся поршневых колец, масло проникает в камеру сгорания, а давление, которое образуется в ходе сжатия поршнем газов, прорывается сквозь рабочую поверхность. Результатом становится такая неприятность, как поршня. Если прогорел поршень на дизельном двигателе, причина этому аналогично.

Результат всей этой неприятности один – необходимость производить дорогой ремонт.

Почему прогорает поршень?

Возникновению этой проблемы могут служить несколько причин:

  1. Проблемы, связанные с охлаждением поршня;
  2. Недостаток смазывающей жидкости;
  3. Механические проблемы, в результате которых было высокое давление в камере сгорания.

Мы рассмотрели с вами назначение и устройство поршня двигателя, а также обратили внимание на проблемы, которые могут возникнуть с данным элементом. Надеемся, что вам удалось пополнить свой запас знаний, прочитав нашу статью.

Почему прогорел поршень?

Анализ различных повреждений поршней показывает, что все причины дефектов и поломок делятся на четыре группы: нарушение охлаждения, недостаток смазки, чрезмерно высокое термосиловое воздействие со стороны газов в камере сгорания и механические проблемы.

Вместе с тем многие причины возникновения дефектов поршней взаимосвязаны, как и функции, выполняемые его различными элементами. Например, дефекты уплотняющего пояса вызывают перегрев поршня, повреждения огневого и направляющего поясов, а задир на направляющем поясе ведет к нарушению уплотнительных и теплопередающих свойств поршневых колец.

В конечном счете это может спровоцировать прогар огневого пояса.

Отметим также, что практически при всех неисправностях поршневой группы возникает повышенный расход масла. При серьезных повреждениях наблюдаются густой, сизый дым выхлопа, падение мощности и затрудненный запуск из-за низкой компрессии. В некоторых случаях прослушивается стук поврежденного поршня, особенно на не прогретом двигателе.

Иногда характер дефекта поршневой группы удается определить и без разборки двигателя по указанным выше внешним признакам. Но чаще всего такая «безразборная» диагностика неточна, поскольку разные причины нередко дают практически один и тот же результат. Поэтому возможные причины дефектов требуют детального анализа.

Нарушение охлаждения поршня — едва ли не самая распространенная причина появления дефектов. Обычно это происходит при неисправности системы охлаждения двигателя (цепочка: «радиатор-вентилятор-датчик включения вентилятора-водяной насос») либо из-за повреждения прокладки головки блока цилиндров. Во всяком случае, как только стенка цилиндра перестает омываться снаружи жидкостью, ее температура, а вместе с ней и температура поршня, начинают расти. Поршень расширяется быстрее цилиндра, к тому же неравномерно, и в конечном итоге зазор в отдельных местах юбки (как правило, вблизи отверстия под палец) становится равным нулю. Начинается задир — схватывание и взаимный перенос материалов поршня и зеркала цилиндра, а при дальнейшей работе двигателя происходит заклинивание поршня.

После остывания форма поршня редко приходит в норму: юбка оказывается деформированной, т.е. сжатой по большой оси эллипса. Дальнейшая работа такого поршня сопровождается стуком и повышенным расходом масла.

В некоторых случаях задир на поршне распространяется на уплотнительный пояс, завальцовывая кольца в канавки поршня. Тогда цилиндр, как правило, выключается из работы (слишком мала компрессия), а говорить о расходе масла вообще трудно, поскольку оно будет просто вылетать из выхлопной трубы.

Недостаточная смазка поршня чаще всего характерна для пусковых режимов, особенно при низких температурах. В подобных условиях топливо, поступающее в цилиндр, смывает масло со стенок цилиндра, и возникают задиры, которые располагаются, как правило, в средней части юбки, на ее нагруженной стороне.

Двухсторонний задир юбки обычно встречается при длительной работе в режиме масляного голодания, связанного с неисправностями системы смазки двигателя, когда количество масла, попадающего на стенки цилиндров, резко уменьшается.

Недостаток смазки поршневого пальца — причина его заклинивания в отверстиях бобышек поршня. Такое явление характерно только для конструкций с пальцем, запрессованным в верхнюю головку шатуна. Этому способствует малый зазор в соединении пальца с поршнем, поэтому «прихваты» пальцев чаще наблюдаются у относительно новых двигателей.

Чрезмерно высокое термосиловое воздействие на поршень со стороны горячих газов в камере сгорания — частая причина дефектов и поломок. Так, детонация приводит к разрушению перемычек между кольцами, а калильное зажигание — к прогарам.

У дизелей чрезмерно большой угол опережения впрыска топлива вызывает очень быстрое нарастание давления в цилиндрах («жесткость» работы), что также может вызвать поломку перемычек. Такой же результат возможен и при использовании различных жидкостей, облегчающих запуск дизеля.

Днище и огневой пояс могут повреждаться при слишком высокой температуре в камере сгорания дизеля, вызванной неисправностью распылителей форсунок. Аналогичная картина возникает и при нарушении охлаждения поршня — например, при закоксовывании форсунок, подающих масло к поршню, имеющему кольцевую полость внутреннего охлаждения. Задир, возникающий на верхней части поршня, может распространяться и на юбку, захватывая поршневые кольца.

Механические проблемы, пожалуй, дают самое большое разнообразие дефектов поршневой группы и их причин. Например, абразивный износ деталей возможен как «сверху», из-за попадания пыли через рваный воздушный фильтр, так и «снизу», при циркуляции абразивных частиц в масле. В первом случае наиболее изношенными оказываются цилиндры в верхней их части и компрессионные поршневые кольца, а во втором — маслосъемные кольца и юбка поршня. Кстати, абразивные частицы в масле могут появиться не столько от несвоевременного обслуживания двигателя, сколько в результате быстрого износа каких-либо деталей (например, распредвала, толкателей и др.).

Редко, но встречается эрозия поршня у отверстия «плавающего» пальца при выскакивании стопорного кольца. Наиболее вероятные причины этого явления — непараллельность нижней и верхней головок шатуна, приводящая к значительным осевым нагрузкам на палец и «выбиванию» стопорного кольца из канавки, а также использование при ремонте двигателя старых (потерявших упругость) стопорных колец. Цилиндр в таких случаях оказывается поврежденным пальцем настолько, что уже не подлежит ремонту традиционными методами (расточка и хонингование).

Иногда в цилиндр могут попадать посторонние предметы. Такое чаще всего происходит при неаккуратной работе во время обслуживания или ремонта двигателя. Гайка или болт, оказавшись между поршнем и головкой блока, способны на многое, в том числе и просто «провалить» днище поршня.

Рассказ о дефектах и поломках поршней можно продолжать очень долго. Но и того, что уже сказано, достаточно, чтобы сделать некоторые выводы. По крайней мере, уже можно определить…

Как избежать прогара?

Правила очень просты и вытекают из особенностей работы поршневой группы и причин появления дефектов. Тем не менее, многие водители и механики забывают о них, что называется, со всеми вытекающими последствиями.

Хотя это и очевидно, но при эксплуатации все-таки необходимо: содержать в исправности системы питания, смазки и охлаждения двигателя, вовремя их обслуживать, излишне не нагружать холодный двигатель, избегать применения некачественного топлива, масла и несоответствующих фильтров и свечей зажигания. А если что-то с двигателем не так, не доводить его «до ручки», когда ремонт уже не обойдется «малой кровью».

При ремонте необходимо добавить и неукоснительно выполнять еще несколько правил. Главное, на наш взгляд, — нельзя стремиться к обеспечению минимальных зазоров поршней в цилиндрах и в замках колец. Эпидемия «болезни малых зазоров», когда-то поразившая многих механиков, все еще не прошла. Более того, практика показала, что попытки «поплотнее» установить поршень в цилиндре в надежде на уменьшение шума двигателя и увеличение его ресурса почти всегда заканчиваются обратным: задирами поршней, стуками, расходом масла и повторным ремонтом. Правило «лучше зазор на 0,03 мм больше, чем на 0,01 мм меньше» работает всегда и для любых двигателей.

Остальные правила традиционны: качественные запасные части, правильная обработка изношенных деталей, тщательная мойка и аккуратная сборка с обязательным контролем на всех этапах.

Поршень – один из основных элементов двигателя внутреннего сгорания. Он преобразует энергию сгоревших газов в механическую. Условия работы поршня крайне неблагоприятные. На него действуют механические нагрузки от давления газов и сил инерции, высокие тепловые нагрузки в периоды непосредственного соприкосновения его с горячими газами при сгорании топлива и расширении продуктов сгорания. Дополнительно поршень нагревается от трения о стенки цилиндра.

Поршни двигателей внутреннего сгорания должны иметь достаточную прочность, жесткость при незначительной массе (для уменьшения сил инерции), обладать высокой теплопроводностью и износостойкостью. В современных двигателях наибольшее распространение получили поршни из алюминиевых сплавов. Такие материалы по большинству своих параметров удовлетворяют требованиям, предъявляемым к поршням. Но одним из недостатков алюминиевых сплавов является их низкая тепловая стойкость (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 %)

Из приведённых ниже рисунков видно, что температура нагрева поверхности поршня распределена неравномерно как в поперечном сечении (Рис 1), так и в окружном (Рис 2).

Рис №1 Рис №2

Уровень температур в отдельных точках поршня приближается к критическим значениям. И не удивительно, что при сбоях в работе двигателя могут наступить такие условия, при которых в отдельных точках поршня металл не в состоянии противостоять высоким температурам, и мы сталкиваемся с явлением называемым «Прогар поршня». Иногда «сбои» бывают и рукотворные. К примеру, форсируя двигатель по мощности можно как побочный результат получить прогар поршней.

Из вышеизложенного напрашивается вывод – перегрел двигатель – получи прогар поршня, но практика этого не подтверждает. Тут объяснение может быть простым: для того чтобы поршень прогорел требуется время, но за это время двигатель успевает выйти из строя по другим причинам — задиры головки поршня, залегания колец. То есть зафиксировать в двигателе в чистом виде явление «прогар поршня» можно когда этот дефект развивается в основном без сопутствующих дефектов (обычно задиров). Такое случается при локальных перегревах двигателя. Когда в отдельные моменты работы двигателя могут чрезмерно повышаться температуры без существенного изменения общей тепловой напряжённости двигателя. Это сбои в процессах, протекающих в камерах сгорания двигателей.

В процессе горения участвует топливо и кислород воздуха. Рассмотрим каждую из составляющих процесса горения.

Топливо . Топливо на перегрев двигателя может влиять прямо – некачественное низкооктановое топливо приводит к детонации двигателя и косвенно, через топливную аппаратуру – некачественный распыл топлива в результате неисправностей топливоподающей аппаратуры, использование нештатных распылителей.

Детонация происходит в двигателях с внешним смесеобразованием (бензиновых). При этом процессе в реакцию одновременно вступает весь объём топливной смеси (при нормальном горении фронт пламени распространяется от свечи зажигания). Резко повышается давление и температура. При этом значение этих параметров значительно превосходят нормальные рабочие величины. В виду быстротечности процесса сильно перегреваются поверхности, контактирующие с раскалёнными газами (тепло не успевает отводиться). Высокое давление в камере сгорания способствует интенсификации прорыва газов через уплотнения (поршневые кольца) и неплотности (в клапанах). В сочетании с высокой температурой прорывающиеся газы просто вымывают металл с образованием характерных следов износа (Фото.1)

Фото №1 Разрушение поршня автомобиля Мазда в результате детонации. Отчётливо просматривается след вымывания металла потоком прорывающегося газа.

Неисправности топливной аппаратуры могут привести к нарушению течения процесса горения, в результате чего горение топлива растягивается по времени. Такие явления можно наблюдать на двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях). Плохой распыл топлива, попадание топлива на поршень (для тех процессов, где это не предусмотрено) приводит к перегреву днища поршня его оплавлению, прогоранию (Фото. 2).

Воздух — вторая составляющая процесса горения.

Недостаток кислорода воздуха приводит к изменению процесса горения. Процесс горения растягивается по времени (это касается двигателей с внутренним смесеобразованием). Далее процесс развивается аналогично процессу с некачественным распылом топлива. Причины недостатка воздуха – несвоевременное обслуживание воздухофильтров (особенно при работе в условиях повышенной запылённости), неисправности узла наддува (турбокомпрессор, нагнетатель) если такой стоит на двигателе.

Фото №2 Поршень автомобиля HOWO. Оплавление днища поршня.

В двигателе обнаружилось большое количество пыли, использовались нештатные распылители .

Прогорание поршня обычно происходят в зонах максимальных температур (кромки камеры сгорания, зона расположения выхлопного клапана). На рис 2 видно характерное распределение температур по поверхности днища поршня. Можно с меньшей вероятностью ожидать появления прогорания на первом и последнем поршнях двигателя, поскольку их тепловое состояние не столь напряжённое, чем у поршней расположенных в средней части двигателя.

Резюме — На работе поршня сказывается множество факторов и невозможно однозначно дать ответ прогорит конкретный поршень или произойдет, какой -то иной дефект. Можно оценить вероятность свершения того или иного события. И для того чтобы не допустить наступление такого неприятного события как прогар поршня необходимо соблюдать правила записанные в РЭ. Ведь прогар поршня – это чисто эксплуатационный дефект.

Почему прогорел поршень?

АЛЕКСАНДР ХРУЛЕВ, кандидат технических наук

Сами по себе дефекты в механической части двигателя, как известно, не появляются. Практика показывает: всегда есть причины повреждения и выхода из строя тех или иных деталей. Разобраться в них непросто, особенно, когда повреждены составляющие поршневой группы.

Поршневая группа — традиционный источник неприятностей, подстерегающих водителя, эксплуатирующего автомобиль, и механика, его ремонтирующего. Перегрев двигателя, небрежность в ремонте, — и пожалуйста, — повышенный расход масла, сизый дым, стук.

При «вскрытии» такого мотора неминуемо обнаруживаются задиры на поршнях, кольцах и цилиндрах. Вывод неутешителен — требуется дорогостоящий ремонт. И возникает вопрос: чем провинился двигатель, что его довели до такого состояния?

Двигатель, конечно, не виноват. Просто необходимо предвидеть, к чему приводят те или иные вмешательства в его работу. Ведь поршневая группа современного двигателя — «материя тонкая» во всех смыслах. Сочетание минимальных размеров деталей с микронными допусками и громадными силами давления газов, и инерции, действующими на них, способствует появлению и развитию дефектов, приводящих в конечном счете к выходу двигателя из строя.

Во многих случаях простая замена поврежденных деталей — не лучшая технология ремонта двигателя. Причина-то появления дефекта осталась, а раз так, то его повторение неминуемо.

Чтобы этого не случилось, грамотному мотористу, как гроссмейстеру, необходимо думать на несколько ходов вперед, просчитывая возможные последствия своих действий. Но и этого недостаточно — необходимо выяснить, почему возник дефект. А здесь без знания конструкции, условий работы деталей и процессов, происходящих в двигателе, как говорится, делать нечего. Поэтому, прежде чем анализировать причины конкретных дефектов и поломок, неплохо было бы знать…

Как работает поршень?

Поршень современного двигателя — деталь на первый взгляд простая, но крайне ответственная и одновременно сложная. В его конструкции воплощен опыт многих поколений разработчиков.

И в какой-то степени поршень формирует облик всего двигателя. В одной из прошлых публикаций мы даже высказали такую мысль, перефразировав известный афоризм: «Покажи мне поршень, и я скажу, что у тебя за двигатель».

Итак, с помощью поршня в двигателе решается несколько задач. Первая и главная — воспринять давление газов в цилиндре и передать возникшую силу давления через поршневой палец шатуну. Далее эта сила будет преобразована коленвалом в крутящий момент двигателя.

Решить задачу преобразования давления газов во вращательный момент невозможно без надежного уплотнения движущегося поршня в цилиндре. Иначе неминуем прорыв газов в картер двигателя и попадание масла из картера в камеру сгорания.

Для этого на поршне организован уплотнительный пояс с канавками, в которые установлены компрессионные и маслосъемные кольца специального профиля. Кроме того, для сброса масла в поршне выполнены особые отверстия.

Но этого мало. В процессе работы днище поршня (огневой пояс), непосредственно контактируя с горячими газами, нагревается, и это тепло надо отводить. В большинстве двигателей задача охлаждения решается с помощью тех же поршневых колец — через них тепло передается от днища стенке цилиндра и далее — охлаждающей жидкости. Однако в некоторых наиболее нагруженных конструкциях делают дополнительное масляное охлаждение поршней, подавая масло снизу на днище с помощью специальных форсунок. Иногда применяют и внутреннее охлаждение — форсунка подает масло во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Для надежного уплотнения полостей от проникновения газов и масла поршень должен удерживаться в цилиндре так, чтобы его вертикальная ось совпадала с осью цилиндра. Разного рода перекосы и «перекладки», вызывающие «болтание» поршня в цилиндре, негативно сказываются на уплотняющих и теплопередающих свойствах колец, увеличивают шумность работы двигателя.

Удерживать поршень в таком положении призван направляющий пояс — юбка поршня. Требования к юбке весьма противоречивы, а именно: необходимо обеспечить минимальный, но гарантированный, зазор между поршнем и цилиндром как в холодном, так и в полностью прогретом двигателе.

Задача конструирования юбки усложняется тем, что температурные коэффициенты расширения материалов цилиндра и поршня различны. Мало того, что они изготовлены из различных металлов, их температуры нагрева разнятся во много раз.

Чтобы нагретый поршень не заклинило, в современных двигателях принимают меры по компенсации его температурных расширений.

Во-первых, в поперечном сечении юбке поршня придается форма эллипса, большая ось которого перпендикулярна оси пальца, а в продольном — конуса, сужающегося к днищу поршня. Такая форма позволяет обеспечить соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, препятствуя заклиниванию.

Во-вторых, в ряде случаев в юбку поршня заливают стальные пластины. При нагревании они расширяются медленнее и ограничивают расширение всей юбки.

Использование легких алюминиевых сплавов для изготовления поршней — не прихоть конструкторов. На высоких частотах вращения, характерных для современных двигателей, очень важно обеспечить низкую массу движущихся деталей. В подобных условиях тяжелому поршню потребуется мощный шатун, «могучий» коленвал и слишком тяжелый блок с толстыми стенками. Поэтому альтернативы алюминию пока нет, и приходится идти на всяческие ухищрения с формой поршня.

В конструкции поршня могут быть и другие «хитрости». Одна из них — обратный конус в нижней части юбки, призванный уменьшить шум из-за «перекладки» поршня в мертвых точках. Улучшить смазку юбки помогает специальный микропрофиль на рабочей поверхности — микроканавки с шагом 0,0,5 мм, а уменьшить трение — специальное антифрикционное покрытие. Профиль уплотнительного и огневого поясов тоже определенный — здесь самая высокая температура, и зазор между поршнем и цилиндром в этом месте не должен быть ни большим (возрастает вероятность прорыва газов, опасность перегрева и поломки колец), ни маленьким (велика опасность заклинивания). Нередко стойкость огневого пояса повышается анодированием.

Все, что мы рассказали, — далеко не полный перечень требований к поршню. Надежность его работы зависит и от сопряженных с ним деталей: поршневых колец (размеры, форма, материал, упругость, покрытие), поршневого пальца (зазор в отверстии поршня, способ фиксации), состояния поверхности цилиндра (отклонения от цилиндричности, микропрофиль). Но уже становится ясно, что любое, даже не слишком значительное, отклонение в условиях работы поршневой группы быстро приводит к появлению дефектов, поломкам и выходу двигателя из строя. Чтобы в дальнейшем качественно отремонтировать двигатель, необходимо не только знать, как устроен и работает поршень, но и уметь по характеру повреждения деталей определить, почему, к примеру, возник задир или…

Почему прогорел поршень?

Анализ различных повреждений поршней показывает, что все причины дефектов и поломок делятся на четыре группы: нарушение охлаждения, недостаток смазки, чрезмерно высокое термосиловое воздействие со стороны газов в камере сгорания и механические проблемы.

Вместе с тем многие причины возникновения дефектов поршней взаимосвязаны, как и функции, выполняемые его различными элементами. Например, дефекты уплотняющего пояса вызывают перегрев поршня, повреждения огневого и направляющего поясов, а задир на направляющем поясе ведет к нарушению уплотнительных и теплопередающих свойств поршневых колец.

В конечном счете это может спровоцировать прогар огневого пояса.

Отметим также, что практически при всех неисправностях поршневой группы возникает повышенный расход масла. При серьезных повреждениях наблюдаются густой, сизый дым выхлопа, падение мощности и затрудненный запуск из-за низкой компрессии. В некоторых случаях прослушивается стук поврежденного поршня, особенно на непрогретом двигателе (о стуке поршня более подробно см. №№ 8,9/2000).

Иногда характер дефекта поршневой группы удается определить и без разборки двигателя по указанным выше внешним признакам. Но чаще всего такая «безразборная» диагностика неточна, поскольку разные причины нередко дают практически один и тот же результат. Поэтому возможные причины дефектов требуют детального анализа.

Нарушение охлаждения поршня — едва ли не самая распространенная причина появления дефектов. Обычно это происходит при неисправности системы охлаждения двигателя (цепочка: «радиатор — вентилятор — датчик включения вентилятора — водяной насос») либо из-за повреждения прокладки головки блока цилиндров. Во всяком случае, как только стенка цилиндра перестает омываться снаружи жидкостью, ее температура, а вместе с ней и температура поршня, начинают расти. Поршень расширяется быстрее цилиндра, к тому же неравномерно, и в конечном итоге зазор в отдельных местах юбки (как правило, вблизи отверстия под палец) становится равным нулю. Начинается задир — схватывание и взаимный перенос материалов поршня и зеркала цилиндра, а при дальнейшей работе двигателя происходит заклинивание поршня.

После остывания форма поршня редко приходит в норму: юбка оказывается деформированной, т.е. сжатой по большой оси эллипса. Дальнейшая работа такого поршня сопровождается стуком и повышенным расходом масла.

В некоторых случаях задир на поршне распространяется на уплотнительный пояс, завальцовывая кольца в канавки поршня. Тогда цилиндр, как правило, выключается из работы (слишком мала компрессия), а говорить о расходе масла вообще трудно, поскольку оно будет просто вылетать из выхлопной трубы.

Недостаточная смазка поршня чаще всего характерна для пусковых режимов, особенно при низких температурах. В подобных условиях топливо, поступающее в цилиндр, смывает масло со стенок цилиндра, и возникают задиры, которые располагаются, как правило, в средней части юбки, на ее нагруженной стороне.

Двухсторонний задир юбки обычно встречается при длительной работе в режиме масляного голодания, связанного с неисправностями системы смазки двигателя, когда количество масла, попадающего на стенки цилиндров, резко уменьшается.

Недостаток смазки поршневого пальца — причина его заклинивания в отверстиях бобышек поршня. Такое явление характерно только для конструкций с пальцем, запрессованным в верхнюю головку шатуна. Этому способствует малый зазор в соединении пальца с поршнем, поэтому «прихваты» пальцев чаще наблюдаются у относительно новых двигателей.

Чрезмерно высокое термосиловое воздействие на поршень со стороны горячих газов в камере сгорания — частая причина дефектов и поломок. Так, детонация приводит к разрушению перемычек между кольцами, а калильное зажигание — к прогарам (более подробно см. №№ 4, 5/2000).

У дизелей чрезмерно большой угол опережения впрыска топлива вызывает очень быстрое нарастание давления в цилиндрах («жесткость» работы), что также может вызвать поломку перемычек. Такой же результат возможен и при использовании различных жидкостей, облегчающих запуск дизеля.

Днище и огневой пояс могут повреждаться при слишком высокой температуре в камере сгорания дизеля, вызванной неисправностью распылителей форсунок. Аналогичная картина возникает и при нарушении охлаждения поршня — например, при закоксовывании форсунок, подающих масло к поршню, имеющему кольцевую полость внутреннего охлаждения. Задир, возникающий на верхней части поршня, может распространяться и на юбку, захватывая поршневые кольца.

Механические проблемы, пожалуй, дают самое большое разнообразие дефектов поршневой группы и их причин. Например, абразивный износ деталей возможен как «сверху», из-за попадания пыли через рваный воздушный фильтр, так и «снизу», при циркуляции абразивных частиц в масле. В первом случае наиболее изношенными оказываются цилиндры в верхней их части и компрессионные поршневые кольца, а во втором — маслосъемные кольца и юбка поршня. Кстати, абразивные частицы в масле могут появиться не столько от несвоевременного обслуживания двигателя, сколько в результате быстрого износа каких-либо деталей (например, распредвала, толкателей и др.).

Редко, но встречается эрозия поршня у отверстия «плавающего» пальца при выскакивании стопорного кольца. Наиболее вероятные причины этого явления — непараллельность нижней и верхней головок шатуна, приводящая к значительным осевым нагрузкам на палец и «выбиванию» стопорного кольца из канавки, а также использование при ремонте старых (потерявших упругость) стопорных колец. Цилиндр в таких случаях оказывается поврежденным пальцем настолько, что уже не подлежит ремонту традиционными методами (расточка и хонингование).

Иногда в цилиндр могут попадать посторонние предметы. Такое чаще всего происходит при неаккуратной работе во время обслуживания или ремонта двигателя. Гайка или болт, оказавшись между поршнем и головкой блока, способны на многое, в том числе и просто «провалить» днище поршня.

Рассказ о дефектах и поломках поршней можно продолжать очень долго. Но и того, что уже сказано, достаточно, чтобы сделать некоторые выводы. По крайней мере, уже можно определить…

Как избежать прогара?

Правила очень просты и вытекают из особенностей работы поршневой группы и причин появления дефектов. Тем не менее, многие водители и механики забывают о них, что называется, со всеми вытекающими последствиями.

Хотя это и очевидно, но при эксплуатации все-таки необходимо: содержать в исправности системы питания, смазки и охлаждения двигателя, вовремя их обслуживать, излишне не нагружать холодный двигатель, избегать применения некачественного топлива, масла и несоответствующих фильтров и свечей зажигания. А если что-то с двигателем не так, не доводить его «до ручки», когда ремонт уже не обойдется «малой кровью».

При ремонте необходимо добавить и неукоснительно выполнять еще несколько правил. Главное, на наш взгляд, — нельзя стремиться к обеспечению минимальных зазоров поршней в цилиндрах и в замках колец. Эпидемия «болезни малых зазоров», когда-то поразившая многих механиков, все еще не прошла. Более того, практика показала, что попытки «поплотнее» установить поршень в цилиндре в надежде на уменьшение шума двигателя и увеличение его ресурса почти всегда заканчиваются обратным: задирами поршней, стуками, расходом масла и повторным ремонтом. Правило «лучше зазор на 0,03 мм больше, чем на 0,01 мм меньше» работает всегда и для любых двигателей.

Остальные правила традиционны: качественные запасные части, правильная обработка изношенных деталей, тщательная мойка и аккуратная сборка с обязательным контролем на всех этапах.

Задиры на юбке могут образоваться в результате недостаточного зазора или перегрева. В последнем случае они располагаются ближе к отверстию пальца.

Недостаточная смазка явилась причиной одностороннего задира юбки (а). При дальнейшей работе в таком режиме задир распространяется на обе стороны юбки (б).

Схватывание пальца в отверстии бобышек поршня произошло сразу после запуска двигателя. Причина — малый зазор в соединении и недостаточная смазка.

Залегание колец в канавках и задиры в результате слишком высокой температуры в камере сгорания (а). При недостаточном охлаждении днища задир распространяется на всю верхнюю часть поршня (б)

Плохая фильтрация масла послужила причиной абразивного износа юбки, цилиндров и поршневых колец.

Деформированный шатун обычно приводит к несимметричному пятну контакта юбки с цилиндром из-за перекоса поршня.

Поршень дизеля Д6/Д12 СБ504-05-18-1/2. Статьи компании «ООО «СибТехКом»»

Внутри цилиндра помещается точно подогнанный по диаметру поршень. Поршень является как бы подвижным дном рабочей полости – рабочего объема. Рабочий объем дизеля, таким образом, ограничен вокруг стенками цилиндра, сверху закрывающей головкой блока, снизу поршнем. Поршень может двигаться по цилиндру вверх-вниз на расстояние рабочего хода машины, то есть совершает возвратно-поступательное движение. Под воздействием огромного давления газов от сгоревшего топлива, поршень двигается внутри цилиндра, передавая энергию, через шатун, коленчатому валу. Обычно поршни изготавливают из алюминиевого сплава. Этот металл имеет свойство эффективной теплопередачи. Изначально поршни делались из стали или чугуна. Но впоследствии от этого отказались. 

1 – заглушка; 2 – поршневой палец; 3 – поршень; 4 – компрессионные кольца; 5 – маслосъемные кольца

Поршни 3 дизеля 1Д12 (рис.13) представляют собой единую отливку из алюминиевого сплава. Верхняя часть называется головкой и является рабочей частью поршня. Днище головки имеет форму, которая способствует лучшему сгоранию топлива. Боковая, цилиндрическая часть поршня называется «юбкой» и является направляющей частью. Поршень представляет сложный усечённый конус. Поэтому форма рассчитана так, что при нормальном нагреве поршень принимает форму правильного цилиндра. В верхней части поршня проточены четыре кольцевые канавки для поршневых колец 4 и 5, а в нижней части – одна канавка. Компрессионные кольца 4 уплотняют зазор между поршнем и стенкой цилиндра, предотвращая прорыв газов высокого давления из рабочей полости цилиндра в картер. Кольца изготовлены из чугуна. Маслосъёмные кольца 5 предназначены для съёма излишней смазки со стенок гильзы цилиндра, а так же значительного отвода тепла от поршня. Изготавливаются из стали или чугуна. Поршневой палец 2 предназначен для шарнирного соединения поршня с верхней головкой шатуна. Ограничения движения пальца по оси осуществляется заглушкой 1. Охлаждается поршень, в основном, маслом, которое попадает на него изнутри картера методом разбрызгивания, а также через поршневые кольца отдает тепло на стенки цилиндра. Юбка имеет очень мелкие кольцевые проточки для удержания тонкого слоя масла на теле поршня. Этот слой облегчает скольжение поршня внутри цилиндра. Причём рабочий зазор между поршнем и цилиндром менее 0,1 мм. На ширококолейных тепловозах поршни составные и состоят из трёх частей. Проставка – это часть, которая крепится к шатуну. Срок службы проставки большой, и изготавливается она из стали. На проставку крепятся отдельно изнашиваемые части поршня: юбка и головка поршня, которые изготовлены из алюминиевого сплава. По мере износа эти детали заменяются новыми. Форма поршня не цилиндрическая. Во время работы дизеля поршень нагревается с различной температурой. Головка нагревается сильнее, следовательно, и расширяется сильнее. А низ юбки нагревается слабее и расширяется тоже слабее. Именно этого явления на первых двигателях не учитывали, отсюда и малый срок службы поршней, либо они просто заклинивали в цилиндрах при максимальной нагрузке. Но хотя зазор между цилиндром и поршнем очень мал, всё же даже этот минимальный зазор уменьшается с помощью поршневых колец, называемых компрессионными. На многих двигателях трущиеся поверхности колец, хромированные для увеличения срока службы и для лучшего притирания к цилиндру. Количество компрессионных колец на разных двигателях может быть разным, а также форма тоже разная. По мере износа колец зазор между поршнем и цилиндром увеличивается. Уменьшается мощность двигателя, увеличивается расход топлива. Масло и внутренние поверхности картера быстро загрязняются продуктами горения. А также увеличенный зазор опасен тем, что в зазор могут прорваться газы в момент рабочего хода поршня, и есть опасность взрыва масляного тумана в картере двигателя. Хотя это и редкое явление. Также на поршнях устанавливаются маслосъёмные кольца. При работе цилиндры смазываются маслом. С помощью этих колец снимается излишний слой масла и через отверстия в юбке поршня сливается в картер. При износе маслосъёмных колец в камеру сгорания попадает масло, там оно сгорает и образуется нагар и в канавках поршневых колец, и в седлах клапанов, и на днище поршня, и в выпускных каналах. Подвижность колец уменьшается, увеличивая износ и цилиндров и самих колец. Снижается теплоотдача от поршня, поэтому может образоваться местный перегрев и появление трещин на поршне. Может нарушиться герметичность клапанов. Отверстие под поршневой палец немного смещено от оси, чтобы уменьшить эффект перекоса поршня в цилиндре при рабочем ходе. Под воздействием давления газов поршень немного перекашивается в цилиндре, вызывая неравномерный износ как цилиндра, так и самого поршня. Для уменьшения этого эффекта, отверстие смещено, а на поршнях ставится метка для установки в правильное положение.

Фольксваген Транспортер Т4 — Поршни и шатуны дизельного двигателя

Поршни и шатуны дизельного двигателя

На рис. 213 показано устройство узла поршень-шатун. Он аналогичен соответствующему узлу в бензиновом двигателе Т4 с тем лишь различием, что поршни дизельных двигателей имеют в донышках выборки.


Рис. 213 Устройство узла поршень-шатун
1 — поршневое кольцо, 2 — поршень, 3 — поршневой палец, 4 — пружинное стопорное кольцо, 5 — шатун, 6 — установочный штифт, 7, 9 — вкладыш подшипника, 8 — блок цилиндров, 10 — крышка шатуна, 11 — масляный жиклер, 12, 13 — болты

Для снятия поршней и шатунов двигатель необходимо демонтировать с автомобиля Фольксваген Транспортер Т4, а затем снять головку блока цилндров.
На рис. 214 показана нумерация поршней в пятицилиндровом двигателе.


Рис. 214 Маркировка поршней пятицилиндрового двигателя перед демонтажом


В дизельных двигателях правильность установки поршней можно проверить также по выборкам на юбке под масляную форсунку, которые должны находиться со стороны форсунок блока.
В юбках поршней обоих дизельных двигателей выполнены выемки под форсунки впрыскивающие масло для охлаждения поршней. В положении НМТ выборка обеспечивает не столкновение поршней с вышеуказанными форсунками. Во время сборки эти вырезы должны быть соответствующим образом сориентированы (рис. 215).


Рис. 215 Вырез в юбке поршня


Поршни и шатуны дизельных двигателей проверяются точно также как поршни и шатуны бензиновых двигателей
Необходимые для этого размеры приводятся в таблице 1. Перед тем как приступить к измерению зазоров замков поршневых колец выверните форсунки охлаждения поршней, так как в противном случае нельзя будет установить поршневые кольца в цилиндры. На рис. 216 показано размещение этих форсунок в блоке двигателя. Радиальный зазор шатунных подшипников измеряется при помощи пластмассовых проволочек «Plastigage».


Рис. 216 Положение форсунок подающих масло для охлаждения поршней в блоке двигателя


Сборка поршня с шатуном, а также установка узла в двигатель производится также как и в бензиновом двигателе.
♦ Если форсунки подачи масла на поршни были сняты, их необходимо установить на место, а болты крепления затянуть моментом 10 Нм. Обильно смажьте отверстия цилиндров чистым моторным маслом. Приливы на нижней головке шатуна, а также крышке нижней головки шатуна должны находиться с одной и той же стороны и должны быть направлены в сторону ременного шкива коленвала (см. рис. 213).
Стрелки на донышках поршней должны быть направлены в сторону передней части двигателя.
♦ Замки поршневых колец разверните равномерно по кругу (через 120º). На рис. 213 показана рекомендованная ориентация замков поршневых колец относительно поршневого пальца.
♦ Наложите на поршень приспособление для обжатия поршневых колец и утопите кольца в канавки поршня. Проверьте, полностью ли вошли кольца в канавки. Если у Вас нет этого приспособления для сжатия колец, можно воспользоваться широким зажимным хомутиком для шлангов или даже тонкой металлической полосой (жестью), которая наматывается на кольца и сжимается на концах так, чтобы кольца полностью вошли бы в канавки. На худой конец помогут два старых полувкладыша — они позволяют прижать поршневые кольца сразу в четырех местах по периметру. Перед тем как ввести поршень в цилиндр обязательно проверьте, установлены ли оба стопорных кольца поршневого пальца, так как сначала устанавливается первое стопорное кольцо, затем устанавливается сам поршневой палец и только потом устанавливается второе кольцо.
♦ Необходимо также проверить находятся ли на нижней головке шатуна установочные штифты. Они должны быть прочно осажены и ни в коем случае не могут находиться в крышке нижней головки шатуна.
♦ Положите двигатель на бок. Это защитит от возможного повреждения поверхности цилиндра. До введения шатуна в цилиндр установите в отверстие нижней головки шатуна полувкладыш. Выступ полувкладыша должен находиться в выборке на краю отверстия. Поверните коленвал так, чтобы две шатунные шейки находились в НМТ.
♦ Заведите в цилиндр сверху шатун. Для пущей безопасности можно обернуть нижнюю головку шатуна скотчем (липкой лентой).
♦ Вставьте постепенно поршень в цилиндр так, чтобы все поршневые кольца оказались в цилиндре, а нижняя головка осела на шатунной шейке.
♦ Поместите второй полувкладыш в крышку нижней головке шатуна и смажьте ее чистым моторным маслом. Приставьте крышку к нижней головке шатуна, а затем слегка подстучите, чтобы она «села» на место. Установочные штифты должны войти в отверстия в крышке нижней головки шатуна. Обязательно проверьте, с одной ли стороны находятся приливы на нижней головке шатуна и ее крышке.
♦ Смажьте моторным маслом резьбу и опорную поверхность головки нового болта шатуна.
♦ Затяните равномерно и по очереди болты шатуна до момента 30 Нм. С этого положения затяните болты еще на четверть оборота (90º) так чтобы болты получили начальное напряжение.
♦ После установки шатунов на шатунных шейках несколько раз поверните коленвал, чтобы сразу же обнаружить возможные препятствия свободному вращению.
♦ Еще раз проверьте обозначение всех шатунов, а также правильность установки поршней. Убедитесь в том, что выборки в поршнях для форсунок, подающих масло, находятся с соответствующей стороны.
♦ Проверьте щупом зазор между боковой поверхностью шатуна и опорной поверхностью коленвала. Это осевой зазор шатунного подшипника. Он не должен превышать 0.40 мм в пятицилиндровом двигателе и 0.37 мм в четырехцилиндровом двигателе.

Инструкция: как открыть двери изнутри. Конструкция замка зажигания Фольксваген.

Что такое дизельные поршни и что может вызвать их повреждение?

Поршень дизеля — очень важный компонент любого двигателя, поэтому мы создали краткое руководство, чтобы объяснить, что такое поршень дизеля, как он работает, что вызывает повреждение деталей поршня и как этого избежать.

Что такое дизельный поршень и как он работает?

Поршень дизеля — это металлический цилиндр, который перемещается вверх и вниз внутри цилиндра двигателя через различные стадии цикла сгорания, который соединен с коленчатым валом двигателя через шатун.Когда поршень движется вниз, он втягивает воздух и топливо в цилиндр, а когда поршень движется вверх, этот воздух и топливо затем сжимаются.
Поршень также выполняет важную работу по созданию области низкого давления внутри цилиндра, противодействуя более высокому уровню давления воздуха, которое находится вне цилиндра. Поскольку поршень образует нижнюю часть камеры сгорания в дизельном двигателе, он также поглощает тепло, вызванное сгоранием, отводя его от температуры металла, чтобы удерживать его в безопасных пределах.

Что вызывает повреждение деталей поршня двигателя?

Чтобы вы могли принять меры до того, как какое-либо повреждение повлияет на двигатель, мы составили список наиболее распространенных и конкретных причин повреждения поршня, чтобы вы могли легко распознать проблему.

Распространенные причины повреждения поршня

1. Сгоревший поршень
Сгоревший поршень можно увидеть сразу после снятия верхней части двигателя. Вы должны уметь распознавать видимые признаки плавления, а иногда и прожженное отверстие в поршне.Сгоревший дизельный поршень обычно вызван использованием грязных топливных форсунок.

2. Треснувший поршень
Причины трещин на поршне могут включать продолжительное использование некачественного топлива. Или треснувший поршень может быть результатом отказа системы рециркуляции выхлопных газов.

3. Ремень ГРМ с защелкиванием
Ремень ГРМ играет ключевую роль, поскольку он обеспечивает идеальное чередование движений поршней и клапанов. Если ремень порвался, это может вызвать столкновение между ними, что может привести к дальнейшему повреждению.Чтобы ремень ГРМ не оборвался, важно заменить ремень ГРМ в соответствии с инструкциями производителя автомобиля.

Конкретные причины повреждения поршня

1. Изношенные поршневые кольца дизеля
Если вы заметили белый дым, исходящий из выхлопной трубы, низкую мощность для ускорения, общую потерю мощности, а также значительное падение уровня масла в двигателе, это являются ключевыми признаками износа поршневых колец дизеля.

На вашем двигателе могут наблюдаться эти признаки повреждения поршневого кольца, поскольку уплотнение между поршнем и цилиндром больше не герметично, а это означает, что масло будет протекать в картер и камеру сгорания.

Изношенные поршневые кольца дизельного двигателя являются очень частой причиной повреждения поршня, поскольку кольца дизельного двигателя, окружающие поршень, действуют как буфер между камерой сгорания и картером, окружающим коленчатый вал. Дизельные кольца отвечают за отвод тепла к стенке цилиндра, регулируя температуру масла.

К сожалению, поршневые кольца изнашиваются, и вы мало что можете сделать, чтобы предотвратить это. Однако, если вы регулярно заменяете их до того, как они изнашиваются, это может сыграть большую роль в предотвращении повреждения двигателя.

2. Повреждение юбки поршня
Основной причиной повреждения юбки поршня является попадание щебня через систему фильтрации воздуха. Это может привести к тому, что поршень внутри цилиндра изнашивает юбку, делая юбку тоньше и слабее, что в конечном итоге может привести к поломке поршня.

3. Защелка поршня
Если ваш автомобиль начинает издавать дребезжащие или стучащие звуки, которые остаются к тому времени, когда автомобиль нагревается, это может означать, что между поршнем и стенкой цилиндра имеется большой зазор.

Как предотвратить повреждение и отказ дизельного поршня?
Повреждение поршня может быть очень дорогостоящим из-за большого количества трудозатрат, требуемых для фиксации деталей поршня двигателя. Эта стоимость обычно высока, поскольку для решения любой проблемы необходимо разбирать весь двигатель.

Чтобы предотвратить повреждение и отказ поршня, будь то поршневые кольца дизельного двигателя или другие детали поршня двигателя, убедитесь, что вы используете подходящее моторное масло и что масло и фильтр меняются с рекомендованными производителем интервалами.Вы также должны убедиться, что охлаждающая жидкость двигателя находится в хорошем состоянии, что вы можете проверить, открыв крышку радиатора, или вы можете посмотреть на воду в резервуаре охлаждающей жидкости.

Важно помнить, что дизельные поршни являются частью двигателя в целом, и все дизельные двигатели разные. К сожалению, не существует универсального решения для тех, кто испытывает проблемы с дизельным двигателем или с дизельными кольцами. Также крайне важно определить причину проблемы и устранить ее, прежде чем просто заменять поврежденные детали и повторно собирать двигатель.

Свяжитесь с Foxwood Diesel сегодня и сообщите номер вашего двигателя и укажите, какие именно трудности вы испытывали, чтобы мы могли вам помочь. Foxwood Diesel — специалисты в области ремонта дизельных двигателей и ремонта двигателей с более чем 30-летним опытом. Мы храним большое количество запасных частей для дизельных двигателей, многие из которых доступны для отправки в тот же день и адаптированы для различных производителей автомобилей, включая Mercedes, Volvo и всех других крупных производителей дизельных двигателей. Обладая экспертными знаниями в области дизельных систем, мы предлагаем высокоэффективные решения по ремонту и восстановлению в нашем центре обработки двигателей изношенных двигателей, требующих профессионального ухода.

Алюминий Vs. Стальные поршни дизельного двигателя

Точно так же, как мы обсуждаем, какой производитель грузовиков лучший, инженеры обсуждают, какой материал лучший. Что касается дизельных поршней, сейчас трудно сказать, какой материал (алюминий или сталь) выиграет в сегменте легких дизельных двигателей. Сталь уже выиграла битву с тяжелыми дизельными двигателями, но алюминий может продержаться чуть дольше.

Алюминиевые поршни сегодня можно найти в большинстве двигателей на наших дорогах.Конструкторы используют алюминиевые поршни, потому что они легкие, хорошо управляют теплотой сгорания и могут легко производиться серийно. При производстве поршней в наших дизельных грузовиках традиционно использовался литой алюминий. Литые алюминиевые поршни также можно найти сегодня в большинстве бензиновых двигателей на дорогах, хотя бензиновые двигатели большой мощности часто оснащены поршнями из кованого алюминия.

Использование кованого алюминия делает поршни более прочными, но если это так, почему в дизельных двигателях не используются поршни из кованого алюминия? Как оказалось, в некоторых дизелях, используемых в автоспорте, используются поршни из кованого алюминия.Причина, по которой вы редко слышите о людях, использующих поршни дизельных двигателей из кованого алюминия на улице, заключается в двух вещах: почти невозможно установить поршень из кованого алюминия с масляной камбузом (для охлаждения поршней), и вы не можете ковать сталь. Верхнее кольцо приземляется (для долговечности) в алюминиевый поршень, но вы можете его отлить.

Стальные поршни стали привлекательными для применения в дизельных двигателях с высокими нагрузками и в автоспорте, поскольку их материал физически намного прочнее алюминия. Поскольку весь поршень выполнен из стали, износ кольцевых пазов не вызывает беспокойства.А стальные поршни могут быть укомплектованы огромными масляными камбузами, чтобы обеспечить сильное охлаждение поршня. Вдобавок ко всему, стальные поршни имеют тенденцию расширяться и сжиматься со скоростью, очень близкой к скорости чугунного блока, в котором они работают, поэтому характеристики кольцевого уплотнения и выбросов также улучшаются.

Так в чем же обратная сторона стали? Стальные поршни тяжелые (снижают топливную экономичность), их труднее обрабатывать (из-за более твердого материала), а инфраструктуры для производства миллионов стальных поршней нет (как для алюминия).По этим причинам многие производители дизельных двигателей будут использовать алюминиевые поршни как можно дольше.

Нам, энтузиастам, нравится участвовать в гонках на скамейке запасных, но правда в том, что в наших дизельных двигателях есть место для обоих материалов.

Чтобы узнать больше о преимуществах стальных поршней в дизелях с ежедневным приводом, посетите: www.dieselpowermag.com/tech/1204dp_mahle_unbreakable_pistons_piston_of_the_future/.

Посмотреть все 7 фотографийДля ранних моделей поршней дизельных двигателей с непрямым впрыском не требовалась камера сгорания, поэтому их поршни были очень прочными.Помещая камеру сгорания в поршень, нагрузки и тепло, с которыми они должны справляться, могут быть огромными. В идеале вы могли бы сделать поршень (из стали или алюминия) намного прочнее, уменьшив размер чаши. Следовательно, поршень с плоским верхом должен быть самой прочной конструкцией, но не стоит ожидать, что наша отрасль в ближайшее время вернется к непрямому впрыску.

Поршни дизельных двигателей из кованой стали — ведущие в будущее

Поршни из кованой стали занимают рынок промышленного дизельного топлива. В этих применениях предпочтение отдается стальным поршням, поскольку они лучше всего справляются с суровыми условиями окружающей среды сгорания и связанными с ними проблемами, которые создают для оптимальной производительности и долговечности.Стальные поршни значительно прочнее алюминиевых, и они предлагают потенциальные преимущества сгорания и термодинамики, которые способствуют расходу топлива и снижению уровня выбросов. Улучшенные характеристики износа контактных поверхностей кольца и способность охлаждать поршень за счет конструктивных особенностей — два основных преимущества, приписываемых стальным поршням.

По мере того, как OEM-производители продолжают продвигать свои двигатели на все более и более высокие уровни мощности, они достигли пределов того, что могут выдерживать литые заводские поршни.Затем рьяные потребители решают, что они могут сделать еще больше с помощью различных стратегий настройки и дополнительных компонентов. В этих сценариях неудача таится, как мрачный жнец. Потребность в более жестких поршнях для экстремальных условий эксплуатации возвращает нас к конфигурации стального поршня, которая больше подходит для этих тяжелых условий эксплуатации.

Эти условия особенно тяжелы для поршневых колец. Стабильная окружающая среда кольца имеет решающее значение для работы кольца при высоком давлении в цилиндре, создаваемом дизельными двигателями.Если характеристики кольца ухудшаются, эффективность сгорания снижается, и выбросы имеют тенденцию к увеличению. Термодинамически стабильный поршень улучшает характеристики кольца и снижает трение. Стальные поршни также имеют преимущество в виде больших внутренних охлаждающих бортиков, которые помогают стабилизировать температуру поршня и, следовательно, характеристики кольца внутри кольцевых канавок и относительно стенок цилиндра. Кроме того, стальные поршни расширяются и стабилизируются примерно с той же скоростью, что и блок цилиндров из чугуна, что дополнительно способствует улучшению кольцевых уплотнений и общих характеристик выбросов.

Стальные поршни являются основным продуктом тяжелой коммерческой дизельной промышленности. Они крепче гвоздей и позволяют некоторым грузовым автомобилям без проблем проехать более миллиона миль.

Зачем нужна сталь?

Трудно игнорировать преимущества стальных поршней в тяжелых условиях эксплуатации. Разница в весе может показаться значительной по сравнению с алюминиевым поршнем, но эта проблема смягчается за счет полых пространств для охлаждающих галерей и уменьшения массы в областях, где высокая прочность не требуется.И это не главный фактор для коммерческих приложений, потому что большинство силовых установок представляют собой относительно низкооборотные двигатели, работающие значительно ниже 4500 об / мин. Поскольку коэффициент теплового расширения стальных поршней эквивалентен коэффициенту теплового расширения блоков цилиндров из чугуна, поддержание постоянных зазоров между компонентами проще и надежнее.

С другой стороны, стальные поршни тяжелее, что увеличивает паразитное сопротивление. Их также труднее обрабатывать, особенно в больших количествах, как, например, на внутреннем рынке пикапов.Это основная причина использования литых алюминиевых поршней со стальными кольцевыми канавками в дизельных двигателях пикапов. Поршни из литого алюминия, изготовленные заводом-изготовителем, изготавливаются со стальными кольцевыми канавками, чтобы выдерживать жесткие условия эксплуатации. Но поскольку владельцы грузовиков модифицируют свои автомобили для большей мощности, более высокое давление в цилиндрах может привести к выходу заводских поршней из строя.

(слева) Большие галереи для охлаждения масла, видимые здесь в юбке, способствуют увеличению срока службы, позволяя моторному маслу отводить тепло от поршня и возвращать его в поддон, где оно может циркулировать через охладитель.(Справа) Другой вид галерей охлаждения масла на нижней стороне стального поршня. Охлаждающий эффект этих галерей в значительной степени способствует долговечности поршней и колец в тяжелых дизельных двигателях.

Невозможно добавить стальные кольцевые вкладыши к кованым поршням, но Diamond Pistons решает проблему износа кольцевой канавки, выковывая свои заводские запасные поршни из заготовки 2618 алюминия с добавлением эксклюзивного твердого анодированного покрытия типа III. Превосходная прочность материала заготовки с усилением покрытия делает эти поршни достаточно прочными для работы на дизельных двигателях Duramax, Power Stroke и Cummins.

Высокое давление в цилиндре, нагрев и эрозия из-за высокого давления впрыска являются основными причинами поломки дизельного двигателя. Дизели работают со степенью сжатия от 16: 1 до 20: 1; использование таких высоких степеней сжатия помогает улучшить их термический КПД, но также создает огромные давления в цилиндрах, которые могут варьироваться от 4000 до пикового значения более 8000 фунтов на квадратный дюйм. Такое давление создает аномально высокие температуры. Для отвода тепла и контроля теплового расширения компонентов требуется охлаждение масла.Дополнительное охлаждение также необходимо для охлаждения колец и предотвращения их потери формы и натяжения.

(слева) Это литой поршень Ford Power Stroke 2008 года выпуска. Упор верхнего кольца представляет собой стальную вставку, отлитую в поршень, чтобы обеспечить прочную опору кольца, необходимую для дизельного топлива. Стальные поршни более прочные, но более дорогие в производстве, поэтому производители оригинального оборудования используют литые поршни с кольцевыми пластинами. (Справа) Тот же самый литой поршень OEM показывает отсутствие охлаждающих галерей, как в стальных поршнях, показанных выше.

Особенности

Стальные поршни

имеют каналы для охлаждения масла в верхней части поршня для отвода тепла от колец. Масло распыляется на нижнюю часть поршней и направляется в эти охлаждающие галереи для отвода тепла. Охлаждающие галереи обычно снижают температуру верхнего кольца до 100 ° F, что приводит к лучшему уплотнению и увеличению срока службы кольца. В тяжелых и высокопроизводительных двигателях для коммерческих и грузовых автомобилей часто используются двухкомпонентные «сочлененные» стальные поршни со стальными головками и алюминиевыми юбками или цельные сварные поршни.Шарнирно-сочлененные поршни представляют собой состоящие из двух частей поршни, удерживаемые вместе пальцем. Они позволяют поршню выдерживать более высокие нагрузки, чем цельные литые поршни, и, как правило, имеют очень большой палец для запястья, который соединяется с шарнирно-сочлененными деталями короны и юбки. Цельные стальные поршни также имеют преимущества по сравнению с цельными литыми алюминиевыми и коваными алюминиевыми поршнями и двухкомпонентными поршнями из алюминия / стали.

Как правило, стальные поршни дороже и сложнее в изготовлении, но их практическое применение обеспечивает беспрецедентную прочность и долговечность.Рынок высокопроизводительных дизельных двигателей принял это к сведению и модернизировал сельскохозяйственные и промышленные поршни для повышения производительности в надежде вывести их конкурентные двигатели за пределы того, с чем могут работать двигатели, оснащенные традиционными поршнями, — и все в надежде увеличить мощность. с более долгой жизнью.

Основная проблема заключается в том, что стальных поршней очень мало, и они не дают возможности для настройки в популярных конфигурациях сборки с высокой производительностью.Уникальный дизайн и производственные возможности Diamond предлагают такую ​​настройку для рынка высокопроизводительных дизельных двигателей. Diamond может проектировать, проектировать и производить стальные поршни на заказ для этих применений.

Diamond Pistons производит эти кованые поршни Cummins, Duramax и Power Stroke в качестве запасных поршней. Они предназначены для умеренного использования в соревнованиях. Чтобы противостоять высоким температурам и давлению, Diamond применяет процесс твердого анодирования всего поршня вместе с молибденовым покрытием на его юбках.

По мере того как рынок дизельных двигателей продолжает развиваться в сфере высоких характеристик, потребность в износостойких стальных поршнях с высокими эксплуатационными характеристиками, несомненно, возрастет. Производство стальных поршней не является чем-то новым для Diamond, однако оно относительно ново для рынка рабочих характеристик, и компания может помочь OEM-разработчикам и разработчикам прототипов с помощью быстрого проектирования поршней и производственных возможностей. Компания использует современное оборудование с ЧПУ и запатентованную методологию производства для создания дизельных поршней с более легкими характеристиками, которые выдержат чрезмерное воздействие огромного тепла и давления в цилиндрах от этих приложений.

Сравнение поршневых колец для дизельных и бензиновых двигателей

В этом видео Билл Макнайт описывает некоторые из основных различий между поршневыми кольцами, используемыми в легких транспортных средствах, и поршневыми кольцами, используемыми в тяжелых / коммерческих дизельных двигателях.

Выписка:

Привет, это Билл из MAHLE. Добро пожаловать в главу 5 нашей продолжающейся серии статей обо всем, что вы когда-либо хотели знать о поршневых кольцах.

Сегодня мы собираемся сделать небольшой переход, и мы собираемся перейти от легковых автомобилей, о которых мы довольно много говорили, к рынку дизельных двигателей средней и большой грузоподъемности.Легковой автомобиль, конечно же с маленькими двигателями, как этот Cruze, о котором я говорил ранее, имеет линейку из трех колец. Мы много говорили о двух компрессионных кольцах. Мы мало что говорили о масляном кольце, и это верно практически для каждого легкового автомобиля, по крайней мере, бензинового, если масляные кольца — это то, что мы называем конструкцией из трех частей. Вы можете видеть крупным планом, что речь идет о двух направляющих, двух плоских направляющих и расширителе вафель в центре.Итак, трехкомпонентная конструкция, легкий бензиновый двигатель, почти стопроцентная трехкомпонентная конструкция. Причина в том, что их производство экономично, и, конечно, это важно, когда вы говорите о двигателях малой мощности, чтобы снизить стоимость на уровне оригинального оборудования. Во-вторых, на производственной стороне очень легко изменить натяжение и величину нагрузки, которую это кольцо оказывает на цилиндр, а также, поскольку производители меняют свое мнение, мы можем довольно легко это изменить. Теперь поговорим о дизельных поршнях.И здесь у нас есть пара примеров. Это вырез, который мы вам показали раньше, и, конечно же, с приземлением кольца здесь. Это дизель немного меньшего размера, тоже все трехкомпонентный. Это означает, что у нас есть верхнее кольцо, второе кольцо и масляное кольцо, поэтому конструкция из трех частей и концепция одинаковы. Верхнее кольцо почти исключительно уплотняет сжатие. Второе кольцо, тонкая регулировка масла. Масляное кольцо, общий контроль масла.

Теперь давайте посмотрим на различия, и я мог бы напомнить вам, когда я говорю о дизельных двигателях, сейчас я говорю о двигателе, поэтому мы ожидаем пробегать от 500000 до миллиона миль, прежде чем они изнашиваются, поэтому мы, как правило, тратим немного подробнее о кольцевом пакете, потому что мы ожидаем гораздо более длительного срока службы этих двигателей.Различия номер один в маслосъемном кольце маслосъемного кольца. Я показал вам, что легкая конструкция состояла из трех частей. Это то, что мы называем в отрасли конструкцией из двух частей. Это либо кусок стали, либо кусок чугуна, который сформирован в виде цельного куска с прорезями в нем и так далее, и затем вы заметите на крупном плане здесь, сзади, что у нас есть расширитель со спиральной пружиной, и это на самом деле расширитель с цилиндрической пружиной, который создает напряжение на стенке цилиндра, чтобы это кольцо уплотняло и соскребало масло. Это отличная конструкция, но несколько дороже, чем трехкомпонентная, поэтому она используется в основном для этих дизельных двигателей, где у нас есть возможность тратить больше денег на комплект колец, ожидая, что двигатель прослужит дольше.Еще одна большая разница в дизельных двигателях заключается в том, что многие из них даже дизели для пикапов, и, конечно же, все большие из них, в большинстве своем, используют верхнее компрессионное кольцо, это то, что мы называем краеугольным камнем, и вы можете увидеть это немного ближе. Здесь, в дизайне Keystone, он получил свое название от того факта, что от лицевой стороны кольца к задней стороне кольца обе стороны сужаются, а кольцо становится меньше, и на самом деле оно выглядит как замковый камень. Вы помните Keystone’s или Keystone State of Pennsylvania и их дорожные знаки и то, как они были изготовлены? Ты знаешь о чем я говорю.Причина, по которой конструкция Keystone на верхнем компрессионном кольце дизеля заключается в том, что он лучше справляется с разрушением углерода, который образуется в кольцевых зонах, и опять же, дизельное топливо — довольно грязное топливо по сравнению с углеродом бензина, как правило, продлевает срок его службы. если кольцо застрянет в этом поршне, воткнется в канавку, о которой я говорю здесь, и перестанет двигаться, мы сразу же выйдем из строя. Таким образом, форма Keystone этого кольца заставляет его продолжать разрушать углерод по мере того, как кольцо расширяется и сжимается, и это заставляет поршень и кольцо работать намного дольше.

Итак, есть разница между бензиновыми двигателями с прямоугольными кольцами, дизельными двигателями и их составными частями или кольцами, и их верхним кольцом Keystone.

Спасибо за настройку.

Анализ

и исследование оптимизации поршня дизельного двигателя на основе метода ABC-OED-FE

Для повышения надежности и срока службы поршня в дизельном двигателе большой мощности геометрическая структура поршня была оптимизирована на основе максимальной температура и максимальное напряжение сцепления.Для начала рассчитываются граничные условия тепловых полей и полей напряжений, которые включают тепло, выделяемое при сгорании в цилиндре, тепло, вызванное трением, и тепло, передаваемое в систему охлаждения. Затем была создана модель конечных элементов для расчета и анализа полей температуры и термомеханических напряжений связи поршня. Комбинируя эту имитационную модель с ортогональными методами экспериментального проектирования, были выполнены расчеты и анализ, чтобы определить, как пять геометрических параметров (глубина канавок впускного и выпускного клапана, радиус перехода канавок клапана, радиус вершины канавок клапана, высота первого поршневого кольца канавка и глубина канавки поршневого кольца) влияют на два оценочных показателя (максимальная температура и максимальное напряжение поршня).Впоследствии, используя предложенный метод ABC-OED-FE (искусственная пчелиная семья, ортогональный план эксперимента и уравнения подгонки), были определены уравнения подгонки между геометрическими параметрами и оценочными показателями. Взяв в качестве целей оптимизации минимальные значения двух оценочных показателей поршня, для определения значений параметров был использован метод искусственного пчелосемья. Наконец, были вычислены два оценочных показателя оптимизированного поршня. Результаты показывают, что после оптимизации максимальная температура поршня снижается до 16.05 K и максимальное напряжение снижается до 13,54 МПа. Были улучшены как температурные, так и напряженные условия оптимизированного поршня, что демонстрирует эффективность оптимизации и достоверность алгоритма.

1. Введение

С развитием науки и техники удельная мощность дизельного двигателя постоянно увеличивается. В результате тепловая нагрузка и механическая нагрузка, оказываемая на высокотемпературные компоненты цилиндров двигателя, особенно на поршни, также увеличиваются.Согласно результатам имитационного анализа [1], при работе большегрузного дизельного двигателя в условиях плато термомеханическое напряжение связи может возрастать до 167 МПа. Продолжительная работа в такой среде может вызвать внутреннее усталостное повреждение поршней и даже привести к усталостному разрушению из-за ползучести. Эффект сцепления усталости и ползучести резко сократит срок службы поршня и других высокотемпературных компонентов и серьезно повлияет на надежность всего двигателя.

В связи с такой ситуацией было проведено обширное исследование.Условия горения в цилиндре могут обеспечивать граничные условия для расчета поля тепловых напряжений и поля термомеханических напряжений связи поршня. Перед исследованием температурного поля поршня необходимо проанализировать процесс горения. Cihan et al. В [2] проанализировано влияние трех различных типов камеры сгорания на условия горения. Результаты показывают, что камера сгорания M имеет лучший коэффициент сгорания, и есть некоторые другие меры, которые необходимо предпринять для улучшения характеристик сгорания.Wang et al. [3] изучали взаимосвязь между степенью сжатия и типом зажигания дизеля. Результаты показывают, что для улучшения качества горения следует увеличить время воспламенения и расширить пределы воспламеняемости. Юань и др. В [4] была создана модель муфты для моделирования характера сгорания генератора с двигателем со свободным поршнем. Результаты показывают, что двигатель со свободным поршнем имеет более длительную продолжительность сгорания и что среднее давление и температура в цилиндре обычно ниже, чем в обычном двигателе.Хан и др. [5] исследовали влияние геометрии поршня и других параметров на сгорание двигателя. Они создали вычислительную гидродинамическую модель горения с помощью программного обеспечения AVL-FIRE. Различная геометрия поршня — это тороидальная возвратная камера сгорания (TRCC), тороидальная камера сгорания (TCC) и базовая полусферическая камера сгорания (HCC). Результаты показывают, что TRCC лучше, чем другие камеры. Geng et al. В [6] реализован двигатель с двойным вспомогательным воспламенением от сжатия (DACIC), что позволило авторам лучше контролировать процесс сгорания.Результаты показывают, что DACIC имеет более широкий диапазон степени сжатия. Есть также некоторые исследования, касающиеся камеры сгорания [7], устойчивости горения [8], характеристик горения [9] и так далее [10].

Для поля температуры поршня еще одним важным источником тепла является теплота трения. Кроме того, состояние трения между поршнем и гильзой цилиндра также может влиять на динамические характеристики двигателя. Поэтому это важно для изучения трения. Бору Джиа и др.[11] исследовали и сравнили различные механизмы трения двигателей со свободным поршнем (FPE) и двигателей с коленчатым валом (CSE). Подробное содержание трения включает характеристики трения поршневого кольца, характеристики трения юбки поршня, характеристики трения цепочки значений, а также характеристики трения кривошипа и подшипника для CSE. Результаты показывают, что по сравнению с CSE, FPE не имеют очевидного преимущества в характеристиках трения. Чтобы осуществить точное измерение в реальном времени состояния трения поршня, Fang et al.[12] предложили улучшенную технику измерения. Результаты показывают, что улучшенная система измерения точна и надежна по сравнению с исходной. Söderfjäll et al. [13] изучали условия трения в дизельном двигателе при различных переменных, таких как разная конструкция поршневых колец, разная шероховатость гильзы цилиндра и разное качество масла. Используя данные эксперимента, они создали имитационную модель для анализа условий трения поршня. Есть также некоторые исследования, посвященные потерям на трение [14], транспортировке смазочного масла между поршнем и гильзой цилиндра [15], экспериментальным исследованиям трения [16] и так далее.

Чтобы улучшить рабочее состояние поршня и двигателя, многие исследователи изучали метод оптимизации, позволяющий снизить тепловую и механическую нагрузку на поршень. Xu et al. [17] смоделировали поршень нового двигателя кулачкового типа с использованием метода конечных элементов. Путем объединения результатов расчетов были представлены предложения по оптимизации и усовершенствованию, которые заключаются в установке винтов теплоизоляции на поршень. Результаты моделирования показывают, что как температура, так и деформация оптимизированного поршня в определенной степени снизились.Wang et al. [18] провели анализ полей температуры и напряжений морского дизельного поршня с установленной моделью конечных элементов. Фрикционный износ поршня был проанализирован путем комбинирования соответствующих моделей, прежде чем был предложен ряд предложений по оптимизации. Правильность оптимизации проверена тестами. Zhaoju et al. [19] изучали соответствующую взаимосвязь между «высотой верхней части поршня», «отверстиями на поршневом пальце», «весом поршня» и «максимальной температурой поршня», «максимальным механическим напряжением» и «максимальным термомеханическим напряжением». соединяющие напряжения », применяя методы экспериментального проектирования.Вес поршня и максимальное напряжение сцепления были оптимизированы на основе результатов расчетов. Zhang et al. [20] сравнили и изучили правило влияния ω -образной волнообразной верхней части поршня на сгорание смешанного топлива и характеристики дизельного двигателя. Результаты показывают, что волнообразная верхняя часть поршня лучше работает с точки зрения повышения эффективности сгорания и снижения выбросов выхлопных газов. Садик и Айер [21] изучили правило влияния степени сжатия, формы верхней части поршня на сгорание топлива и характеристики двигателя.Результаты показывают, что большой поршень с расщеплением и большая степень сжатия могут улучшить характеристики двигателя. Есть также некоторые исследования, посвященные динамическому моделированию и оптимизации параметров поршня [22], влиянию различных поршневых стаканов [23], многокритериальной оптимизации поршня с использованием методологии поверхности отклика [24] и так далее [25–27].

В приведенной выше литературе выявлены следующие проблемы, связанные с текущим направлением исследований поршней: (1) существующие исследования редко затрагивают поршни в тяжелых дизельных двигателях; эти поршни обычно работают в суровых условиях окружающей среды и легко страдают от усталостного разрушения, поэтому им следует уделять больше внимания; (2) при расчете и анализе полей температуры и напряжений поршня не учитывались все граничные условия; е.g. такие проблемы, как тепло, возникающее в результате трения между комплектом поршневых колец и гильзой цилиндра, не рассматривались в большинстве литературных источников; (3) оптимизации геометрических структур поршня были просто эмпирическими или нацелены только на одну переменную, а взаимодействия между различными факторами не учитывались, что вызвало отсутствие теоретической поддержки и соответствующей убедительности.

Основная цель исследования основана на рабочем состоянии, температуре и напряженных условиях для оптимизации геометрии поршня для облегчения рабочего состояния поршня.На основе соответствующих исследований и в сочетании с максимальной температурой и максимальным напряжением поршня в этой статье обсуждается оптимизация трехмерной геометрической структуры поршня. При расчете полей температуры и напряжений поршня учитывались граничные условия, такие как тепло, выделяемое при сгорании, тепло, выделяемое трением, и тепло, отводимое в систему охлаждающей жидкости. Кроме того, в процессе оптимизации были применены метод ортогонального плана эксперимента (OED) и алгоритм искусственной пчелиной семьи (ABC), что сделало процесс оптимизации более научным, а результаты оптимизации — более надежными.Основная работа данной статьи состоит из следующих частей. В первой части были проанализированы граничные условия для расчета полей температуры и напряжений поршня, которые включают тепло, выделяемое при сгорании, тепло, выделяемое трением между комплектом поршневых колец и гильзой цилиндра, тепло, отводимое в систему охлаждающей жидкости, и действующее механическое усилие. на поршне. Во второй части были проанализированы температурное поле и поле термомеханических напряжений связи поршня с использованием граничных условий и установленной модели конечных элементов; Результаты расчетов проверены тестами.В третьей части, исходя из ограничений и целей оптимизации, были определены 5 геометрических параметров, которые необходимо оптимизировать. Правило влияния этих параметров на два показателя (максимальная температура и максимальное напряжение поршня) было рассчитано и детально проанализировано с использованием метода OED. В четвертой части с помощью предложенного метода ABC-OED-FE была установлена ​​соответствующая взаимосвязь между параметрами оптимизации и оценочными показателями, а также определены оптимальные геометрические параметры поршня.В пятой части были рассчитаны и проанализированы поля температуры и напряжения оптимизированного поршня, что подтвердило эффективность оптимизации и валидность алгоритма.

2. Граничные условия температурных и напряженных полей поршня
2.1. Тепло, выделяемое при сгорании

Для расчета и анализа полей температуры и напряжений поршня в деталях была создана модель процесса сгорания дизельного двигателя [28] для расчета и анализа граничных условий полей.Посредством расчета был получен тренд изменения температуры и коэффициента теплопередачи газа в цилиндре с изменением угла поворота коленчатого вала, который показан на рисунке 1.


Для проверки точности расчетной модели и результатов, стенд Были проведены испытания по измерению таких параметров, как мощность и крутящий момент дизельного двигателя. Затем измеренные значения сравнивались с рассчитанными значениями. Конфигурация испытательного стенда показана на рисунке 2. Это устройство, используемое для определения состояния сгорания в дизельном двигателе и измерения параметров газа в цилиндре [29].Испытательная система в основном состоит из нескольких частей, включая компьютерную систему управления, дизельное топливо и его пусковой двигатель, выходной динамо-метр, систему анализа сгорания дизельного топлива и блок управления системой. Блок управления системой может контролировать всю лабораторию, измерять данные датчиком и обрабатывать результаты. Дизель и его стартовый двигатель являются объектом настоящего исследования и основной частью лаборатории. Выходной динамо-метр может измерять параметры состояния дизеля. Система анализа сгорания дизельного топлива может измерять изменение оценочных показателей двигателя, регулируя значение на впуске, выпуске и распылитель масла., и являются основными компонентами системы блока управления для регулировки масляного распылителя, выхлопных газов и входных значений. Температура воздуха для горения измеряется датчиком в системе.


Подробная информация о лаборатории приведена в Таблице 1.

QZ1030

Устройство Спецификация Точность

<0.1 кВт <0,01 Нм
Система анализа дизельного топлива LUBO-3010 <0,1 K <0,1 Па
WT31820 <1 мг
DSM K
DS18B20 <0,1 K
Вентилятор XN-1-2740
Блок контроля температуры OMRON CJ1W3.1 K
Блок управления влажностью KZP-5-CA <0,1%

Сравнение результатов расчета модели и результатов экспериментов для рабочего процесса дизельного двигателя приведена в таблице 2.

−2,15

Скорость Мощность (кВт) Крутящий момент (Нм)
Эксперимент Ошибка расчета Эксперимент Расчет Ошибка (%)

1400 463 475.8 2,82 3255,57 3245,30 0,32
1600 525 518,6 −1,24 3205,44 301695,07 3152,88 2969,84 5,81
2000 588 594,7 1,11 2816,31 2839,40 −0.82

Как видно из таблицы, все ошибки между результатами эксперимента и результатами расчетов составляют минус 6% и, следовательно, соответствуют требованиям инженерных расчетов. Это показывает, что созданная имитационная модель процесса работы дизельного двигателя достаточно точна и может быть использована для последующих исследований тепловой среды поршня.

2.2. Теплота трения

Производная уравнения перемещения поршня была решена для получения уравнения скорости [30].И это может быть выражено как составная гармоническая функция, состоящая из двух синусоидальных функций с разной скоростью изменения [31]. Положение поршня относительно верхней мертвой точки и его скорость в зависимости от угла поворота коленчатого вала, полученные из приведенных выше уравнений, показаны на рисунке 3.


На рисунке 4 показано изменение температуры, когда поршень находится в разных положениях. с верхней мертвой точки. На рисунке показано, что величина повышения температуры тесно связана со скоростью поршневого кольца.Когда поршень перемещается к середине гильзы цилиндра, скорость изменения температуры достигает максимума, как и скорость поршня. Кроме того, рисунок также показывает, что пока поршневой узел перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, тепло от трения продолжает накапливаться, вызывая повышение температуры до 8,67 K исключительно из-за тепла трения.


2.3. Охлаждение и отвод тепла

Поскольку смазочное масло между поршнем и гильзой цилиндра в основном служит для смазки, при расчетах и ​​анализе оно принималось как тепловое сопротивление [32].В данной работе рассматривалось только смазочное масло в полости поршня и на поверхности гильзы цилиндра. Для дизельного двигателя охлаждение полости поршня осуществлялось за счет смазки разбрызгиванием масла; затем был рассчитан коэффициент теплопередачи с использованием следующего уравнения [33]: где, и — температуры газа в цилиндре, верхней части поршня и стенке верхней части поршня, соответственно; — теплопроводность поршня; толщина верхней части поршня.

2.4. Механическая сила

Это исследование в основном сосредоточено на поле температуры поршня и термомеханических напряжений при номинальных условиях эксплуатации.Анализ механических граничных условий заключается в следующем. В процессе работы на поршень действуют следующие силы: — давление взрыва газа в цилиндре; боковая тяга; — сила инерции, обусловленная возвратно-поступательным движением и противодействующая силе поршневого пальца. Значение механической силы, действующей на поршень, рассчитывается в тот момент, когда давление в цилиндре достигает максимального значения. Масса поршня составляла 2,58 кг, расчет сил, действующих на поршень, приведен в таблице 3.В таблице указано максимальное давление взрыва в баллоне.


Силы Значения

102,7
5,6

3.Температурные и напряженные поля поршня
3.1. Имитационная модель

В качестве объекта исследования был выбран поршень 12-цилиндрового четырехтактного дизельного двигателя с турбонаддувом [34]. Для анализа и расчета полей температуры и термомеханических напряжений связи в номинальных условиях эксплуатации авторы создали трехмерную геометрическую модель поршня, как показано на рисунке 5.


Модель была построена в виде сетки и сгенерирована 316 651 узел и В итоге 190 148 элементов.Модель сетки показана на рисунке 6.


3.2. Граничные условия

Граничные условия температурных и термомеханических полей напряжений связи поршня могут быть получены из работы первой части этой статьи. Во время расчета мы разделили поверхность поршня на 17 отдельных зон и применили граничные условия теплопередачи к различным зонам. Значения граничных условий показаны в Таблице 4.

9017 9017 поршневой поршень 9017 9039 9 Вторая канавка поршневого кольца поршень

Зоны Температура (K) Коэффициент теплопередачи (Вт / м 2 K)

-образная канавка в верхней части поршня Внутренний круг 679 887
Средний круг 864
Внешний круг 836 Впускная и выпускная канавки 864
Другие области 887

Первый хлам поршня 560 680 кольцо
2152
Второй мусор поршня 410 478
408 1759
Третья часть поршня 403 438
Третья канавка поршневого кольца 397 14099 390 457
Юбка поршня 380 400
Отверстие под палец 380 400

Средний 745
Конец 605

Мы можем получить поля температуры и термического напряжения поршня, используя модель и граничные условия.Комбинируя поле термических напряжений с граничными условиями механических напряжений, мы, наконец, можем получить поле термомеханических напряжений связи.

3.3. Проверка и анализ результатов

Температурное поле поршня, полученное в результате расчета, было проверено путем экспериментов с пробками для определения твердости. Расположение контрольных точек показано на рисунке 7, который представляет собой карту профиля по его осям.


Пробки твердости, используемые в этой статье, представляют собой пробки цилиндрической формы с геометрическим размером 1.Радиус 9 мм и длина 5,6 мм. Подробные параметры пробки твердости показаны в Таблице 5.

Ошибка

Параметры Значения

Тип C <2 μ м
Диапазон измерения 5–3000 HV
Минимальная единица счета 0.01 μ м
Минимальная единица измерения 0,025 μ м
Ошибка <3%
Государственный стандарт GB / T 4340

Соответствующее уравнение пробки твердости — это температура отпуска пробки твердости. — значение твердости по Виккерсу после закалки.

Контрольные точки в эксперименте показаны на рисунке 8.


В таблице 6 показано сравнение расчетных и экспериментальных значений поршня.


Контрольные точки 1 2 3 4 5 6 7
9 9 942
Расчетное значение 629,2 562,0 572,3 523.0 493,4 493,8 588,5 539,8 504,3 490,4
Экспериментальное значение 621,6 580,8 580,8 558 558 482,9 480,3
Ошибка /% 1,21 −3,34 2,38 −1,39 1,97 2,95 1.05 1,16 4,25 2,06

Из таблицы 5 видно, что ошибки между расчетными и экспериментальными значениями составили минус 5%, что демонстрирует точность моделирования. , и, следовательно, может считаться отвечающим техническим требованиям.

На рисунке 9 показано температурное поле поршня. Судя по рисунку, максимальная температура поршня составила 623 градуса.67 К, который имел место на внутреннем круге в верхней части поршня, в то время как минимальная температура составляла 364,17 К, которая наблюдалась на юбке поршня. Разница температур между максимальным и минимальным значением составляла 259,5 К. Сверху вниз значение температуры вдоль оси поршня постепенно уменьшалось. Температура на краю канавок впускного и выпускного клапана была достаточно высокой, чтобы вызвать эрозию и усталостное повреждение, и к ней следует относиться серьезно.


На рисунке 10 показано распределение поля термомеханических напряжений связи поршня при максимальном давлении в цилиндре.


Согласно рисунку, максимальное напряжение, оказываемое на поршень, составило 168,67 МПа, которое возникло в месте между окружностью пальца и первой кольцевой канавкой, в то время как минимальное напряжение было 359 КПа, которое возникло на юбке поршня. Поскольку большая часть тепла поршня, передаваемого охлаждающей жидкости, проходила через кольцо, а окружность пальца была вынуждена выдерживать концентрированную механическую силу, максимальное напряжение поршня возникало в области, расположенной между окружностью поршневого пальца и кольцевыми канавками.В то же время в этой области высока вероятность возникновения усталостных повреждений, поэтому этому следует уделять больше внимания.

Как показано на рисунках 9 и 10, в поршне есть две области, которые находятся в тяжелом состоянии и склонны к усталостному разрушению. Итак, в следующей части статьи мы будем использовать некоторые методы и алгоритмы для оптимизации этих двух областей поршня, пытаясь снизить тепловую и механическую нагрузку, а также увеличить его надежность и усталостную долговечность.

4. Расчет и анализ на основе ортогонального эксперимента

Результаты приведенных выше расчетов и анализа показали, что максимальная температура поршня возникает около канавок впускного и выпускного клапана, а максимальное напряжение поршня возникает около канавок поршневых колец.В связи с этим оптимизация была отдана приоритетным для обоих этих положений, то есть канавок впускного и выпускного клапана в верхней части поршня, а также первой канавки поршневого кольца.

4.1. Условия ограничения для оптимизации

Следующие условия ограничения [35] были определены на основе анализа результатов расчетов в сочетании с реальными условиями эксплуатации: он от столкновения с такими компонентами, как головка цилиндра, клапаны и шатун (2) Разница в общих массах поршня до и после оптимизации должна составлять минус 5%, что необходимо для предотвращения чрезмерного влияния на взаимодействие поршня. с гильзой цилиндра и шатуном за счет оптимизации (3) Разница перемещений двигателя между поршнем до и после оптимизации должна составлять минус 5%, чтобы предотвратить чрезмерное влияние на процесс сгорания из-за оптимизации (4) Оптимизация не должна влиять на работу самого дизеля и других частей дизельного двигателя

4.2. Цели оптимизации

На основе приведенных выше расчетов и анализа были определены оптимизации по следующим 5 параметрам с учетом ограничений и реальных условий эксплуатации дизельного двигателя. (1), глубина канавок впускных и выпускных клапанов, заключалась в том, чтобы регулировать с сохранением габаритных размеров поршня. Начальное значение — 6 мм. (2) Необходимо было добавить плавный переход к дну канавок впускных и выпускных клапанов, не влияя на открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.Предполагалось, что радиус кривизны равен. (3) Должен быть добавлен плавный переход к вершине канавок впускных и выпускных клапанов поршня, не влияя на открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Радиус кривизны был принят равным. (4), высота первой канавки поршневого кольца должна была быть отрегулирована (высота области соединения между канавками также должна быть отрегулирована для сохранения габаритных размеров поршня). Начальное значение 2,5 мм. (5), глубина канавок поршневых колец также подлежала регулировке.Начальное значение — 6 мм.

С учетом реальных условий, 5 различных уровней из 5 параметров, которые необходимо оптимизировать, показаны в таблице 7.

.3. Процесс и результаты испытаний

Целью исследования является снижение термической и механической нагрузки за счет оптимизации 5 параметров поршня. Итак, оценочными показателями оптимизации являются показатели состояния поршня: максимальная температура и максимальное напряжение.

Метод ортогонального эксперимента позволяет быстро и точно определить правила влияния 5 параметров поршня на оценочные показатели, что позволяет находить наиболее ценные параметры с использованием минимальных наборов экспериментов.Поэтому влияние 5 параметров оптимизации на 2 оценочных показателя поршня было изучено с использованием метода ортогонального планирования эксперимента (OED) [36]. Согласно таблице 5, это ортогональный эксперимент, состоящий из 5 параметров и 5 уровней. В связи с этим использовалась ортогональная таблица экспериментов с 6 факторами и 5 уровнями. Максимальная температура и максимальное напряжение поршня были рассчитаны с помощью модели конечных элементов, установленной в части 1. Схема эксперимента и соответствующие результаты показаны в Таблице 8.


Параметры Уровень I Уровень II Уровень III Уровень IV Уровень V

5,6 5,8 6 6,2 6.4
2,1 2,3 2,5 2,7 2,9
2,1 2,3 2,5 2,7 2,4 2,5 2,6 2,7
5,8 5,9 6 6,1 6,2

63 8

Число

5,8 625,140 165,107
2 5,6 2,3 2,3 2,4 5,9 629.941 203,957
3 5,6 2,5 2,5 2,5 6,0 620.375 165.744
9017 2,7 9017 3,7 621,527 180,359
5 5,6 2,9 2,9 2,7 6,2 617.251 151,055
151,055
2,1 2,3 2,5 6,1 633,482 154,066
7 5,8 2,3 2,5 2,6 2,6 2,5 2,6 5,8 2,5 2,7 2,7 5,8 622,167 154,699
9 5,8 2,7 2.9 2,3 5,9 625,264 189,055
10 5,8 2,9 2,1 2,4 6,0 2,4 6,0 615,8248 2,5 2,7 5,9 631,962 185,224
12 6,0 2,3 2,7 2,3 6.0 627,531 166,363
13 6,0 2,5 2,9 2,4 6,1 619,856 171,368 171,368
6,2 625,567 152,161
15 6,0 2,9 2,3 2,6 5,8 633,521 182.215
16 6,2 2,1 2,7 2,4 6,2 635,168 158,030
17 6,2 2,5 161,857
18 6,2 2,5 2,1 2,6 5,9 621,284 202,763
6.2 2,7 2,3 2,7 6,0 630,517 150,509
20 6,2 2,9 2,5 2,3 2,5 2,3 6,4 2,1 2,9 2,6 6,0 630,850 152,442
22 6,4 2,3 2.1 2,7 6,1 622,847 153,901
23 6,4 2,5 2,3 2,3 6,2 629163 6,419 2,5 2,4 5,8 625,861 159,885
25 6,4 2,9 2,7 2,5 5.9 625,617 183,147

4.4. Анализ результатов

Результаты расчетов для каждого уровня и показателя приведены в таблице 9.

девяносто одна тысяча пятьсот двадцать-три

Показатели Уровень
3118.245 3163,600 3115.660 3133.195 3133.940
3115.200 3110.030 3146.880 3122.650 3128.070
3132.435 3110.070 3117.470 3114.260 3119.065
3124.060 3125.775 3127.050 3127.685 3111.595
+3128,595 3109.055 3111.470 3120.745 3125.865
40,490 436,715 160,301 41,000 59,322
3132,435 3163,600 3146.880 3133.195 3133.940
3115.200 3109.055 3111.470 3114.260 3111,595
R 17,235 54,545 35,410 18,935 22,345

866,220 814,870 838,895 823,385 823.765
838.060 861.355 841.465 858.200 964.145
857.330 845,290 838,275 816,975 800,020
825,300 831,970 842,600 893,060 811,835
800,090 833,520 825,775 795,390 787,240
553,347 237,677 36,323 1181,832 4163,46
866.220 861,355 842,600 893,060 964,145
800,090 814,870 825,775 795,390 787,240
R 66,130 9,297 16,825 97,670 176.905

Уравнения для расчета переменных в таблице следующие [37]: где — сумма показателей (максимальная температура поршня или максимальное напряжение поршня), соответствующих уровню ; — значение индикаторов, соответствующее параметру и уровню; представляет собой сумму квадратов изменений столбцов, которая указывает общее изменение наблюдаемых значений; в этой статье количество параметров 5; — количество уровней, его значение равно 5; — общее количество данных, его значение — 25; — максимальное значение среди текущего параметра; — минимальное значение среди текущего параметра; — разница между и, которая указывает степень влияния соответствующего параметра.

Тест значимости и дисперсионный анализ были выполнены для каждого параметра, результаты показаны в таблице 10.

критическое значение

Показатели Параметры F 40 0,01 критическое значение Значимость

40,490 0,274 2.87 4,43
436,715 2,959 2,87 4,43
160,30163 0,278 2,87 4,43
59,322 0,402 2,87 4,43
347 0,448 2,87 4,43
237,677 0,193 2,87 4,43
1181,832 0,957 2,87 4,43
4163,460 3,373 2.87 4,43

Метод расчета степени свободы параметров следующий:

Анализируя таблицы 9 и 10, видно, что скругленные углы и внизу и вверху канавки впускного и выпускного клапана оказали значительное влияние на максимальную температуру поршня, при этом закругленный угол внизу показал наибольшее значение; высота и глубина первой кольцевой канавки оказали значительное влияние на максимальное напряжение поршня, при этом глубина первой кольцевой канавки имела наибольшее значение.Поскольку полученные результаты представляют собой группу дискретных точек, оптимальные параметры поршня вряд ли могут быть определены только на основе результатов ортогонального эксперимента. В связи с этим, на основе приведенного выше расчета, для решения проблемы был предложен метод оптимизации параметров поршня на основе ABC и подбора полиномов.

5. Оптимизация параметров поршня на основе ABC-OED-FE
5.1. Алгоритм ABC

Алгоритм искусственных пчелиных семей (ABC) [38] представляет собой метод расчета, представленный Карабогой, основанный на поведении пчелиных семей в поисках источника нектара.Его преимущество заключается в том, что он может обеспечить сильные возможности локального поиска и глобальной оптимизации для эффективного предотвращения появления локального оптимального решения.

В алгоритме ABC пчелы делятся на работающих пчел, пчел-наблюдателей и пчел-разведчиков. Нанятые пчелы берут на себя ответственность за сбор меда в местах со значительным количеством нектара, пчелы-наблюдатели обнаруживают места значительного нектара, а пчелы-разведчики случайным образом выпускаются на поиски новых источников нектара, когда текущий нектар почти исчерпан.Пчелы обмениваются информацией о количестве и местонахождении нектара в танце виляния; количество меда в нектаре соответствует количеству занятых пчел. Возможные решения проблем имеют взаимно однозначное соответствие с источниками пищи, а значение функции приспособленности также имеет однозначное соответствие с количеством нектара в источниках пищи. Алгоритм ABC в основном состоит из следующих шагов:

Шаг 1. пчелиная семья создается случайным образом с помощью следующего уравнения: где означает -ю пчелу в пчелиной семье; указывает размер проблемы, которую необходимо оптимизировать; и являются верхним и нижним пределами области, подлежащей оптимизации.

Шаг 2. вычислить вероятность решения;

Шаг 3. пчелиная семья начинает поиск источников нектара: где указывает новый источник нектара (новое решение) рядом с текущим источником нектара; представляет текущее решение; является случайным решением, близким к текущему.

Шаг 4. оцените и запомните текущее лучшее решение.

Шаг 5. повторяйте, пока не найдете оптимальное решение.
Блок-схема этого процесса представлена ​​на рисунке 11.
Качество источника нектара будет оцениваться по значениям целевой функции во время расчета. В этой статье алгоритм ABC используется дважды. В первый раз целевая функция представляет собой квадратный корень из разницы между прогнозируемыми значениями и исходными значениями максимальной температуры и максимального напряжения поршня. Во второй раз целевая функция представляет собой квадратную сумму разницы между целевыми значениями и расчетными значениями максимальной температуры и максимального напряжения. ABC используется для определения оптимальных параметров поршня путем минимизации или максимизации значения целевой функции.Если качество нового источника нектара выше, чем у предыдущего, новый источник будет сохранен. Нанятые пчелы передают информацию об источнике нектара пчелам-наблюдателям. Пчелы-наблюдатели определят местонахождение конкретного нектара на основе качества источника нектара и определенной вероятности. Вероятность рассчитывается по следующему уравнению: где — функция пригодности, соответствующая местоположению источника нектара. В первый раз, используя алгоритм ABC, местоположения представляют собой прогнозируемые значения максимальной температуры и максимального напряжения; во второй раз, используя алгоритм ABC, точки представляют собой рассчитанные значения максимальной температуры и максимального напряжения.
После того, как мед в определенном месте источника нектара будет исчерпан, пчелы-наблюдатели откажутся от источника нектара в текущем местоположении и выпустят пчел-разведчиков для поиска новых источников нектара. В этой статье это указывает на то, что в первый раз ошибка между прогнозируемыми значениями и исходными значениями максимальной температуры и максимального напряжения не может быть дополнительно уменьшена; во второй раз нельзя увеличивать квадратную сумму разницы между целевыми значениями и расчетными значениями максимальной температуры и максимального напряжения.Такой процесс может обеспечить полноту всего алгоритма и предотвратить попадание поиска в локальное оптимальное решение.
В алгоритме ABC есть два важных параметра, то есть, и, которые будут существенно влиять на результаты вычислений. представляет количество циклов до того, как пчелы-разведчики были выпущены, и представляет собой длину шага при поиске оптимального решения. Если значение мало, поиск может быть остановлен до того, как будет найдено оптимальное решение; наоборот, решающая эффективность алгоритма может быть низкой.Если значение мало, эффективность решения алгоритма может быть низкой или даже ограничиваться локальным оптимальным решением; и наоборот, более оптимальные результаты могут быть пропущены. Понятно, что значения двух параметров будут напрямую определять правильность и эффективность решения ABC.


5.2. Уравнения фитинга

Согласно анализу, приведенному в разделе 3.4, для двух показателей (т. Е. Максимальной температуры и максимального напряжения) высота канавок впускного и выпускного клапана в верхней части поршня оказывала на них незначительное влияние.Закругленные углы, а также верх и низ канавок оказали более значительное влияние на, в то время как высота и глубина канавок поршневых колец оказали более значительное влияние на. Однако степень влияния 5 параметров на 2 показателя различалась. В связи с этим в данной статье было предложено несколько различных уравнений подгонки (FE) [39] и различные настройки параметров подгонки для моделирования их взаимосвязи с целью сокращения продолжительности и стоимости вычислений при обеспечении точности.

Согласно таблице 10, порядок параметров, ранжированных по их влиянию на максимальную температуру поршня, следующий: скругленный угол внизу канавки, скругленный угол вверху канавки, глубина канавки кольца, высота кольцевых канавок и глубины канавки; порядок параметров, ранжированных по их влиянию на максимальное напряжение поршня, следующий: глубина кольцевых канавок, высота кольцевых канавок, глубина канавок, скругленный угол внизу канавок и скругленный угол вверху канавок. канавки.В процессе подгонки были выбраны от 1 до 5 параметров в зависимости от степени их влияния путем комбинирования КЭ. КЭ, представленные в этой статье, включают экспоненциальное уравнение, логарифмическое уравнение, степенное экспоненциальное уравнение, экспоненциальное логарифмическое уравнение и полиномиальное уравнение. КЭ и их примеры показаны в Таблице 11. В примерах количество подгоночных параметров для индикатора «температура» равно 3, что означает, что для расчета были выбраны первые три параметра, оказывающие наибольшее влияние на результаты.

.3. Метод ABC-OED-FE

Схемы для оптимизации параметров поршня были определены с помощью ABC, OED и FE в этой статье (отсюда и название «метод ABC-OED-FE»). Были выполнены следующие шаги: 1 Установить (начальные) значения двух параметров и в алгоритмах ABC (2) Установить (начальный) выбор FE (3) Установить (начальное) количество параметров в FE (4) Установить ( начальные) коэффициенты в FE (5) Рассчитайте 5 параметров поршня с помощью алгоритма ABC, объединенного вышеупомянутой конфигурацией (6) Оцените, является ли это оптимальной комбинацией значений параметров ABC, FE и количества параметров в FE

Поскольку указанные параметры на этапах 1–3 взаимосвязаны, их значения не могут быть определены независимо и, следовательно, были определены путем расчета и анализа методом ортогональных экспериментов.Для получения подробной информации о методе ABC-OED-FE читатели могут обратиться к Рисунку 12.


5.4. Нормализация выборочных данных

Коэффициенты выбранных FE могут быть определены с помощью данных, рассчитанных на основе ортогональных экспериментов в таблице 8. Перед анализом все данные выборки были нормализованы с помощью следующего уравнения: где — данные после нормализации, начальные данные, а и — максимальное и минимальное значения в наборах данных.

5.5. Определение параметров

Оптимальные значения и соответствующие уравнениям, которые необходимо подобрать, не были зафиксированы. Кроме того, количество параметров также может оказывать влияние на оптимальные значения, увеличивая трудности при определении оптимальных условий. В этой статье был принят ортогональный эксперимент для определения значения и, вариантов подгонки уравнения и количества параметров. К основным факторам относятся четыре показателя, то есть значения и, уравнение подгонки E q и количество параметров.

См. Таблицу 12 для получения информации о каждом параметре и соответствующих уровнях. Согласно таблице, это ортогональный эксперимент, состоящий из 4 факторов и 5 уровней, который может быть спроектирован с помощью таблицы экспериментов.

Подробное описание экспериментов и результатов расчетов см. В Таблице 13.


Уравнение Функции Примеры

Экспоненциальная
Экспоненциальный логарифмический
Полиномиальный

90.1


Уровни

Уровень 1 (1) 1
Уровень 2 100 0,3 (2) 2
Уровень 3 200 0,5
Уровень 4 500 0,8 (4) 4
Уровень 5 1000 1 (5) 5
1 0.1 26953 параметры для целевых параметров эксперимента решаемые определяются следующим образом: где — значение температуры, вычисленное по уравнению; — начальное значение температуры; — значение напряжения, рассчитанное по уравнению; — начальное значение напряжения; — общее количество образцов.

Анализ значимости [40] из 4 индикаторов был проведен с использованием рассчитанных значений, и результаты показаны в таблице 14. Согласно таблице, значения всех четырех индикаторов, т.е.,,, и, не различимы. , что означает, что их влияние на результаты незначительно отличается. При этом результаты ортогонального эксперимента можно использовать для последующего расчета и анализа.


Номера

1 1 1 1 0,28690
2 50 0,3 2 2 0,25553
3 50 50 9017
4 50 0,8 4 4 0,30773
5 50 1,0 5 5 2 3 0,32187
7 100 0,3 3 4 0,32488
8 9017
9 100 0,8 5 1 0,29642
10 100 1,0 1 2
11 200 0,1 3 5 0,31139
12 200 0,3 4 1 0,5 5 2 0,30260
14 200 0,8 1 3 0,31060
15 15 15 15 0 2 4 0,31400
16 500 0,1 4 2 0,28220
17 500
17 500 500
18 500 0,5 1 4 0,25861
19 500 0,8 2 5 0.28804
20 500 1,0 3 1 0,30510
21 1000 0,1 5 4 0,3 1 5 0,32056
23 1000 0,5 2 1 0,32623
24 1000 8 3 2 0,25671
25 1000 1,0 4 3 0,27472


Показатели F 0.10 критическое значение 0,05 критическое значение Значимость

0,002 1,143 2,330 3,010
0,001 0,571 2,330 3,010
0.003 1,714 2,330 3,010

. в Таблице 13. Подробные условия этой экспериментальной группы таковы,,, и. Это означает, что в алгоритме ABC, если оптимальное решение все еще не получено после 500 циклов, пчелы-разведчики будут искать следующую цель, длина шага поиска оптимального решения равна 0.3, и, тем временем, для максимальной температуры и максимального напряжения выбрано полиномиальное уравнение, а количество подгоночных параметров равно 3, что означает, что подгоночные параметры для максимальной температуры равны « и, а подгоночные параметры для максимального напряжения равны« и .

Их FE следующие:

Верхние индексы в уравнении указывают, что это нормализованные данные.

Установите = 500, = 0,3, решите два вышеуказанных уравнения с помощью алгоритма ABC, и результаты вычислений будут получены, как показано в таблице 15.


Параметры Значения Параметры Значения

0,4973
1,1790 0,2503

Таким образом, уравнения подгонки для максимальной температуры поршня 9 и максимального напряжения 43 приведены ниже.6. Оптимизирующий набор уравнений

С результатами, рассчитанными с использованием метода ABC-OED-FE, была установлена ​​следующая целевая функция для оптимизации поршня: где значение равно 635,168, а значение — 203,957. Эти два значения являются максимальными результатами в таблице 8.

Алгоритм

ABC был снова принят для поиска его максимальных значений. Результаты расчетов представлены в таблице 16. Результаты показывают, что максимальная температура составляет 608,508 К, а максимальное напряжение — 153,422 МПа.


Параметры

Значения65 2,25 6,15 2,47 5,82

5,7. Результаты оптимизации

Предложения по оптимизации поршня с оптимальной температурой и напряженным состоянием были предоставлены на основе приведенного выше анализа: высота канавок впускных и выпускных клапанов уменьшилась до 5,82 мм; добавлен плавный переход дна канавки и установлен радиус кривизны 2,65 мм; Был добавлен плавный переход к вершине канавки, а радиус кривизны установлен на 2.25 мм; высота канавки поршневого кольца уменьшилась до 2,47 мм, а глубина канавки поршневого кольца увеличилась до 6,15 мм.

Геометрическая форма оптимизированного поршня показана на рисунке 13.


При осмотре оптимизированного поршня с условиями ограничения, описанными в разделе 3.1, выявляются следующие аспекты: (1) Общая высота и радиус оптимизированного поршня остаются неизменными для предотвращения он от столкновения с такими компонентами, как головка блока цилиндров, клапаны и шатун. (2) Общая масса оптимизированного поршня равна 2.63 кг, что до оптимизации увеличено на 1,93% по сравнению с массой 2,58 кг. Это может предотвратить взаимодействие между поршнем и гильзой цилиндра и шатуном от приложения чрезмерных усилий. (3) Рабочий объем оптимизированного дизельного двигателя приблизительно неизменен. Гладкие углы могут способствовать смешиванию воздуха и топлива, что оказывает положительное влияние на сгорание в цилиндре. (4) Оптимизация поршня не влияет на его нормальные функции и функции других частей дизельного двигателя.

6.Анализ результатов оптимизации
6.1. Оптимизированное температурное поле

Новая конечно-элементная модель поршня была создана путем объединения оптимизированного поршня с тепловыми и механическими граничными условиями. Температурное поле оптимизированного поршня показано на рисунке 14.


Согласно рисунку максимальная температура оптимизированного поршня составляет 607,56 К, что на 16,11 К ниже, чем до оптимизации. Разница между исходным поршнем и поршнем после оптимизации не слишком велика, что может гарантировать предотвращение значительного влияния на сгорание в цилиндре и мощность дизельного двигателя, и не слишком мала, что доказывает эффективность оптимизации.

6.2. Оптимизированное поле термомеханических напряжений муфты

Поле термомеханических напряжений муфты оптимизированного поршня показано на рисунке 15. Согласно рисунку максимальное термомеханическое напряжение муфты оптимизированного поршня составляет 153,458 МПа, что на 15,212 МПа ниже, чем до оптимизации. . Снижение величины является значительным, и общая нагрузка на поршень также уменьшена.


Уменьшены как тепловая, так и механическая нагрузка оптимизированного поршня, что демонстрирует благоприятную эффективность оптимизации и валидность алгоритмов оптимизации.

6.3. Сравнение результатов

В таблице 17 показано сравнение термической и стрессовой нагрузки на поршень между исходным и оптимизированным компонентами.

.57

Исходное состояние После оптимизации Улучшение в процентах (%)

Максимальное напряжение (МПа) 168,67 153,45 8,21

В таблице 17 показано, что по сравнению с исходным состоянием на 2,5% выше максимальная температура7 Оптимизация и максимальное напряжение улучшились на 8,21% после оптимизации.

7. Заключение

Температурное поле и поле термомеханических напряжений связи поршня в дизельном двигателе были рассчитаны и проанализированы методом конечных элементов, методом ортогонального эксперимента и алгоритмом искусственного пчелосемья.5 параметров геометрической структуры поршня были оптимизированы для снижения термической и механической нагрузки на поршень. Основные достижения этой статьи включают следующее: (1) Граничные условия поршня, вычисляющие его тепловую и механическую нагрузку, были рассчитаны и проанализированы с использованием модели теплоты сгорания в цилиндре и модели теплоты трения между комплектом поршневых колец и гильзой цилиндра. Результаты расчетов подтверждены стендовыми испытаниями. По результатам получены граничные условия для последующего расчета оценочных показателей: температуры и поля термомеханических напряжений связи поршня.(2) Два оценочных показателя поршня были рассчитаны и проанализированы с использованием установленной модели конечных элементов. Результаты показывают, что в канавках впускного и выпускного клапана, а также на кольцевых канавках поршня возникла серьезная термическая и механическая нагрузка, что может привести к усталостному повреждению. (3) На основании результатов расчетов, приведенных выше, и метода ортогонального эксперимента, закон влияния на два Обсуждались и анализировались оценочные показатели поршня по 5 параметрам в двух положениях, канавках клапана наверху поршня и канавке первого поршневого кольца.(4) Пять КЭ были предложены для подбора соотношения соответствия между пятью параметрами оптимизации и двумя оценочными показателями поршня. Два параметра для алгоритма искусственной пчелиной семьи и форма уравнения подгонки были проанализированы и определены с помощью метода ABC-OED-FE. (5) Коэффициенты уравнения подгонки и значения 5 параметров при оптимальной температуре поршня и напряжении были рассчитаны и определены с помощью искусственной пчелы. алгоритм колонии. (6) Рассчитаны и проанализированы температурное поле и поле термомеханических напряжений связи оптимизированного поршня.Результаты показывают, что после оптимизации максимальная температура поршня снижается до 16,05 К, а максимальное напряжение уменьшается до 13,72 МПа, что демонстрирует благоприятную эффективность оптимизации и валидность алгоритмов оптимизации.

В методе ABC-OED-FE, предложенном в этой статье, неоднократно использовались ортогональный экспериментальный план и алгоритм искусственного пчелиного семейства. Преимущества двух методов были полностью использованы для исследования оптимизации температуры и напряжения поршня в дизельном двигателе большой мощности.Процесс оптимизации был конкретным и подробным и может быть применим для улучшения и оптимизации других высокотемпературных компонентов дизельного двигателя. Это метод с хорошей расширяемостью. Изучение этой статьи имеет важное значение для обеспечения эффективной и надежной работы высокотемпературных компонентов, таких как поршень, головка цилиндра, гильза цилиндра и прокладка, в дизельном двигателе большой мощности.

В этой статье мы используем метод ABC-OED-FE для оптимизации геометрических параметров поршня.После оптимизации как температура, так и напряженное состояние значительно уменьшаются, что свидетельствует о хорошей эффективности алгоритма оптимизации.

В следующем исследовании авторы хотят дать следующие советы: (1) Исследователь должен сосредоточиться на температурном и напряженном состоянии высокотемпературных компонентов дизельного двигателя, включая, помимо прочего, поршень, гильзу цилиндра, прокладку цилиндра. , головка цилиндра и значения (2) Некоторые новые алгоритмы должны быть приняты для решения работы по оптимизации высокотемпературных компонентов в дизельном двигателе, включая, помимо прочего, нейронную сеть, опорную векторную машину и байесовскую вероятностную модель. (3) Прикладные области метода ABC-OED-FE можно распространить на любую часть инженерных расчетов; исследователи должны обратить на это некоторое внимание

Доступность данных

Необработанные / обработанные данные, необходимые для воспроизведения этих результатов, доступны через таблицы в этой статье.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Этот двигатель до 10 раз меньше, чем дизельные поршневые двигатели, но намного эффективнее

Это содержание стало возможным благодаря нашему спонсору; он не написан и не обязательно отражает точку зрения редакции Engadget.

Двигатели внутреннего сгорания не видели каких-либо фундаментальных технологических прорывов более 100 лет.Обычны большие, громоздкие и неэффективные двигатели, и они, как правило, используют значительное количество топлива в своей работе. В частности, современные дизельные двигатели громоздки, неэффективны по топливу и во многих случаях слишком громкие. LiquidPiston X-Engines обеспечивает увеличенный запас хода и снижает выбросы парниковых газов по сравнению с традиционными двигателями с бензиновым и дизельным двигателем, а также обеспечивает преимущество в размере и весе по сравнению с большинством своих конкурентов. Инвестирование в эту захватывающую технологию может помочь приблизить ее к цели преобразования рынков приложений, которые потребуют более эффективного использования ископаемого топлива при переходе на биотопливо и усилении электрификации.

LiquidPiston устранил эти устаревшие ограничения двигателей внутреннего сгорания (ДВС), изобретя новый оптимизированный термодинамический цикл и платформу роторного двигателя. Термодинамический цикл определяет, сколько энергии, содержащейся в топливе, может быть преобразовано в полезную работу, а остаток будет потрачен впустую в виде тепла. Запатентованный термодинамический цикл LP, получивший название высокоэффективного гибридного цикла (HEHC), имеет максимальный теоретический тепловой КПД, который примерно на 30 процентов больше, чем максимальный теоретический тепловой КПД циклов Отто (бензин) и дизельного топлива, которые использовались с недавнего времени. 1800-е годы.LP доказал, что благодаря гораздо более высокому пределу теплового КПД, его X-Engine может достичь более высокого КПД по топливу, чем поршневые двигатели того же рабочего объема или мощности.

В мире наблюдается серьезный толчок к электрификации транспортных средств, особенно в автомобильной сфере. Это дает преимущества в производительности и снижении шума, но с добавлением больших тяжелых батарей, которые необходимо переносить и перезаряжать. Плотность энергии ископаемых видов топлива по-прежнему в 40 раз выше, чем у лучших современных аккумуляторов, поэтому во многих приложениях имеет смысл получить преимущества электрической тяги с точки зрения экономики и производительности, но с гораздо меньшей батареей, которую можно заряжать во время работы транспортного средства с помощью небольшого бортовой расширитель диапазона, сжигающий топливо для привода электрогенератора.

По сути, транспортное средство перевозит топливо, более энергоемкое, чем аккумулятор, которое необходимо преобразовать в электроэнергию. Кроме того, дозаправка обеспечивается существующей системой распределения бензина / дизельного топлива, которая сегодня широко используется. LP сосредоточила и продолжает уделять особое внимание усовершенствованным технологиям сгорания, конструкции платформы двигателя и инновациям в работе двигателей, на ее счету более 60 патентов, выданных и находящихся на рассмотрении. Нововведения включают элегантный компактный дизайн, состоящий всего из двух основных движущихся частей: вала и ротора.Простота роторной архитектуры X-Engine уменьшает количество деталей и количество используемого металла, более тихую работу из-за отсутствия поршней и клапанов и гораздо меньшую вибрацию по сравнению с поршневыми двигателями.

Инвестиции в разработку двигателя LP будут способствовать его дальнейшему развитию и разработке приложений. В настоящее время компания фокусируется на военной и аэрокосмической сфере, но позже планирует выйти на промышленный, коммерческий и автомобильный рынки. Если вы интересуетесь технологиями двигателей, их разнообразным применением и прогрессом, поддержите их и внесите свой вклад в развитие LiquidPiston.

Вы можете поддержать двигатели LiquidPiston и их работу, став инвестором. По мере того, как LP продолжает свое текущее сотрудничество с несколькими агентствами Министерства обороны США, они также будут двигаться в направлении обслуживания рынков морских судов для промышленной и коммерческой энергетики, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), городской воздушной мобильности (UAM) и автомобильных гибридных электрических силовых установок.

Возможны изменения цен.

Engadget объединяется с StackSocial , чтобы предложить вам новейшие наушники, гаджеты, технические игрушки и учебные материалы.Этот пост не является редакционным одобрением, и мы зарабатываем часть всех продаж. Если у вас есть какие-либо вопросы о продуктах, которые вы видите здесь, или о предыдущих покупках, обратитесь в службу поддержки StackSocial здесь .

рассчитаны на 95 г CO2 / км · Motorservice

KS Kolbenschmidt GmbH первой поставила в 2014 году стальные поршни для массового производства дизельных двигателей легковых автомобилей. Они были специально разработаны для немецкого автопроизводителя премиум-класса с использованием алюминия. блок с футеровкой, покрытой напылением Fe.Между тем стальные поршни стали основным трендом для всех производителей дизельных двигателей. Они помогают снизить расход топлива и сократить выбросы CO2 на 3-5 процентов. Это справедливо как для высокой, так и для умеренной плотности мощности, а также для возрастающих пиковых давлений. Kolbenschmidt разрабатывает индивидуальные конструкции поршней для удовлетворения всех областей применения и требований, включая недорогой вариант для более простых моделей двигателей.

Для того, чтобы выдерживать пиковое давление, превышающее 180 бар, компания использует запатентованную конструкцию стального поршня, состоящего из одной части, с присоединенной кольцевой зоной.Канал для охлаждающей жидкости изготовлен с помощью уникального процесса, а кольцевая зона конструктивно соединена с юбкой с помощью специального процесса соединения. Это позволяет сформировать безбарьерный проход для охлаждающей жидкости, который, с одной стороны, способствует эффективному охлаждению всей кольцевой зоны, а с другой стороны, точно повторяет контуры геометрии камеры сгорания и, таким образом, обеспечивает наилучшее охлаждение камеры сгорания. Кромка камеры сгорания, которая особенно чувствительна к температуре.
Соединенная таким образом кольцевая зона с высокой жесткостью отличается минимальной деформацией канавки при высоких давлениях сгорания, одновременно обеспечивая превосходную поддержку функции поршневого кольца.Для двигателей, использующих более низкое пиковое давление, соединение с кольцевой зоной не является обязательным. В этом случае канал для охлаждающей жидкости выполнен таким же образом и обеспечивает те же преимущества охлаждения, что и в версии с присоединенной кольцевой зоной.

Многие преимущества стали
Сталь намного прочнее алюминия, поэтому высоту сжатия стальных поршней можно уменьшить примерно на 30 процентов по сравнению с алюминиевыми поршнями. Запатентованная конструкция Kolbenschmidt в сочетании с использованием стали означает, что минимальная высота сжатия определяется только геометрией верхнего конца шатуна, свободным проходом к внутренней форме, геометрией стакана и необходимой толщиной днища поршня.В той же степени, в какой может быть уменьшена высота сжатия, шатун можно удлинить, что станет еще одним шагом к снижению расхода топлива. Низкая высота сжатия не в последнюю очередь объясняется уменьшением высоты верхней площадки почти на 50 процентов по сравнению с алюминиевыми поршнями. Это, в свою очередь, снижает выбросы загрязняющих веществ и выхлопных газов двигателя.

Более низкая теплопроводность стали по сравнению с алюминием приводит к более высокой температуре поверхности днища поршня на стороне камеры сгорания и, таким образом, повышает термодинамический КПД двигателя.В своих серийно выпускаемых поршнях Kolbenschmidt теперь использует сталь 42CrMo4. Это позволяет максимально повысить температуру днища поршня и наилучшим образом защитить критичную от температуры кромку стакана от образования накипи.

Пониженное трение, пониженные выбросы
Гораздо меньшая поверхность юбки стальных поршней по сравнению с алюминием играет значительную роль в снижении трения. Они также стандартно оснащены износостойким покрытием Nanofriks с низким коэффициентом трения. Геометрия оптимизирована для максимальной жесткости юбки, чтобы поршень полностью направлялся юбкой, что исключает необходимость дополнительной направляющей контакта с кольцом.Следовательно, посадочные площадки кольца имеют произвольные размеры и могут быть идеально согласованы с точки зрения продувки и расхода масла. Эта гибкость размеров заслуживает особого упоминания при установке стальных поршней в алюминиевый блок цилиндров. Здесь можно установить необходимые зазоры до земли, чтобы выдержать особенно критические испытания на холодное схватывание без каких-либо негативных шумовых воздействий в жарких условиях эксплуатации.

Низкий уровень шума благодаря алюминию и серому чугуну.
Стальные поршни Kolbenschmidt для автомобильных двигателей специально предназначены для использования с алюминиевыми блоками цилиндров с Fe-покрытием.Уменьшение теплового расширения стальных поршней по сравнению с алюминиевым блоком цилиндров приводит к появлению достаточных монтажных зазоров в жарких условиях эксплуатации. Хотя это действительно снижает трение, это также требует точной геометрии соединения юбки и юбки для достижения оптимального направления поршня.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *