ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА

К цилиндропоршневой группе относятся гильзы, поршни, поршневые пальцы и кольца.

Цилиндры двигателя могут быть расточены в блоке 1 (рис. 4.7, а) или сделаны в виде специальных вставок — гильз 4 (рис. 4.7, б, в, г).

Рис. 4.7. Схемы цилиндров двигателей:

а — без гильз, но с короткой вставкой (ГАЗ-52-04); бив — с мокрой гильзой (дизели Д-245, ЯМЗ-236 и КамАЗ-740); г — с мокрой гильзой, в которую запрессована короткая вставка (ЗИЛ-431410); 7 — блок цилиндров; 2 — водяная рубашка охлаждения; 3 — вставка; 4 — гильза цилиндров; 5 — уплотнительные кольца (резиновые или медные, устанавливаемые под бурт); б — антикавитаци-

онное кольцо

Гильзы цилиндров отливают из специального чугуна и устанавливают в блок цилиндров. Во всех рассматриваемых конструкциях двигателей (кроме двигателей ВАЗ и ЗМЗ-402, ЗМЗ-406) применяют мокрые гильзы. Они омываются снаружи охлаждающей жидкостью в рубашке охлаждения 2.

Внутреннюю поверхность цилиндра называют зеркалом цилиндра. Во время работы двигателя в верхней части цилиндров сгорает рабочая смесь. При этом выделяются продукты окисления — оксиды углерода и азота, сернистого газа, пары воды и другие вещества. При работе двигателя с пониженными температурами (50—60 °С) охлаждающей жидкости и масла часть продуктов окисления, особенно пары воды, конденсируется на стенах цилиндров, вследствие чего образуются кислоты, вызывающие коррозию цилиндров. Кроме того, разрушается масляная пленка и увеличивается износ цилиндров и поршневых колец.

Зеркало цилиндров, помимо коррозии, подвергается нагарообра- зованию и механическому изнашиванию вследствие проникновения в двигатель пыли. Механическое изнашивание зеркала цилиндра в верхней части больше, чем в нижней, из-за более высокого давления газов.

В двигателе автомобиля ЗИЛ-431410 (см. рис. 4.7, г) для повышения износостойкости цилиндров в их гильзы запрессовывают вставки 3 из специального чугуна, а на автомобилях ГАЗ-3307 гильзы отливают монолитными из высокопрочного чугуна без вставок.

Для обеспечения заданного зазора между гильзой и поршнем гильзы могут подразделяться на несколько размерных групп, обозначаемых буквами, и соответствующую букву (метку) ставят на верхнем торце гильзы. Поршни, комплектуемые с этими гильзами, выбирают тех же групп. Так, для дизеля Д-245 выбраны три размерные группы: М — малая группа, С — средняя, Б — большая, и гильзы этих групп различаются внутренним диаметром на 0,05 мм. Цилиндры двигателей ВАЗ и ЗМЗ-402, ЗМЗ-406 расточены в блоке. По диаметру их подразделяют через 0,01 мм на пять групп, обозначаемые Л, В, С, D, Е (для ВАЗ) и А, Б, В, Г, Д (для ЗМЗ). Класс цилиндра (метка) выбит на нижней плоскости блока против каждого цилиндра. Цилиндр и сопрягающийся с ним поршень должны быть одного класса (или одной размерной группы) для обеспечения зазора между поршнем и цилиндром в пределах 0,05—0,07 мм.

Поршень воспринимает давление газов во время рабочего хода и передает его через палец и шатун коленчатому валу. Кроме механических нагрузок, поршень подвергается действию высоких температур в период сгорания топлива и расширения образовавшихся газов. Он нагревается также вследствие трения его боковой поверхности о стенки цилиндра.

В автомобильных двигателях чаще всего устанавливают поршни, изготовленные из алюминиевого сплава. Они обладают достаточной прочностью, малой массой, высокой теплопроводностью и хорошими антифрикционными свойствами.

Поршень (рис. 4.8) имеет уплотняющую часть (головку) 3, в которой выполнены канавки 14 под компрессионные (уплотняющие) кольца, днище 1 и направляющую часть (юбку) 4. Для крепления поршневого пальца в поршне сделаны бобышки 9. В днище поршня у дизелей имеется фигурная выемка, которая формирует камеру сгорания. Иногда сделаны проточки для клапанов.

Поршни во время работы нагреваются неравномерно. Чтобы компенсировать разную степень расширения, их делают овальной и ко-

Рис. 4.8. Поршни:

а — дизеля; 7 — днише; 2 — камера сгорания; 3 — уплотняющая часть; 4 — направляющая часть; 5 — отверстия для вывода масла; 6 — сверление в шатуне; 7 — шатун; 8 — подшипник верхней головки шатуна; 9 — бобышка; 10— канавки под маслосъемное кольцо; 7 7 — палец; 72 — стопорное кольцо; 13 — маслосъемное кольцо; 14 — канавки под компрессионные кольца; б — карбюраторного двигателя; в — формы камер сгорания различных двигателей (/ — ЯМЗ, КамАЗ, II — Д-245); г — составной поршень: 7 — уплотняющаяся часть (чугунная); 2 — шатун; 3 — поршневой палец; 4 — бобышка

нусной формы. Диаметр по оси бобышек у холодного поршня на 0,14—0,50 мм меньше, чем поперечный диаметр, так как большая масса металла расширяется интенсивнее. Диаметр головки на 0,01 — 0,05 мм меньше, чем юбки, поскольку верхняя часть нагревается интенсивнее. Выше бобышек (а иногда и на направляющей части) выполнена канавка под маслосъемное кольцо. Внутри нее сделаны отверстия для прохода соскребаемого кольцом со стенок цилиндра масла внутрь поршня.

На днище обычно выбивают следующие метки: направление установки, размерная группа, масса поршня. В отверстиях бобышек краской разного цвета наносят метку размерной группы поршневого пальца.

В области бобышек иногда делают углубления (холодильники), благодаря которым тепловое расширение поршня в этой области уменьшается. На юбке поршней карбюраторных двигателей нередко выполняют разрезы, что обеспечивает ей пружинящие свойства и позволяет в холодном состоянии плотнее прилегать к зеркалу цилиндра.

Иногда применяют терморегулируемые поршни (в автомобилях ВАЗ), в тело которых залита вставка из материала, имеющего меньший коэффициент расширения, что снижает степень расширения поршня и позволяет точно выдерживать зазор между поршнем и цилиндром.

Во многих двигателях ось бобышек смещают от оси поршня на 1—3 мм. При подходе поршня к в.м.т. и отходе от нее положение шатуна изменяется, что заставляет поршень оторваться от одной стенки цилиндра и с ударом прижаться к другой. Это явление называют перекладкой. Наличие смещения снижает ударный эффект.

В поршнях дизелей и карбюраторных двигателей иногда под первым компрессионным кольцом устанавливают нирезистовую вставку, которая повышает износостойкость. Для улучшения приработки многие поршни подвергают лужению (наносят слой олова толщиной 0,004—0,006 мм). Зазор 5 между поршнем и цилиндром в холодном состоянии при сборке должен быть в пределах 0,05— 0,12 мм. Согласно статистическим данным, 5 = (0,001—0,002)/), где D — диаметр поршня, мм.

Поршни дизелей изготовлены из высококремнистого алюминиевого сплава. В днище сделана выемка (рис. 4.8, в) тороидальной / или дельтообразной II формы. На уплотняющей части выполнены три канавки под компрессионные кольца (у КамАЗ, ЗИЛ-645 — две) и под маслосъемные (две — у КамАЗ, у ЗИЛ — одна). В двигателях КамАЗ и Д-245 верхняя канавка выполнена во влитом в поршень чугунном кольце. Диаметр юбки двигателей КамАЗ поперек оси бобышек больше, чем вдоль оси, для снижения давления боковой силы А на стенку цилиндра.

Поршни карбюраторных двигателей выполнены из высококремнистого алюминиевого сплава и облужены. Днище плоское или слегка выпуклое (двигатели ВАЗ). В поршнях многих двигателей (ЗМЗ, ЗИЛ) выполнены поперечные прорези под головкой и Т- или П-образный разрез на юбке (для плотного прилегания юбки к цилиндру в холодном состоянии). В последних моделях двигателей под нижним кольцом до бобышек в поршне отлито терморезисторное кольцо, а в двигателях ВАЗ — еще и пластина в днище для компенсации расширения при нагреве.

Поршни выполняют трех (в дизелях), четырех (ЗИЛ-130) или пяти (ВАЗ, ЗМЗ) размерных групп (через 0,01 мм) по наружному диаметру. Обозначение группы наносят краской на внутренней поверхности поршня (на одной из бобышек).

Поршневые пальцы 11 (рис. 4.8, а) соединяют поршень с верхней головкой шатуна. Они должны быть легкими, прочными и износостойкими, так как во время работы подвергаются большим механическим нагрузкам (переменным по величине и направлению) и трению. Поэтому наружная поверхность пальца должна быть твердая, а сердцевина — вязкая. Пальцы изготовляют из углеродистой и малоуглеродистой сталей в виде пустотелых труб. Наружную поверхность пальца цементируют и закаливают на глубину 1,0— 1,5 мм, а затем тщательно шлифуют и полируют. В основном в двигателях рассматриваемых автомобилей применяют пальцы «плавающего» типа, которые могут поворачиваться и в верхней головке шатуна, и в бобышках поршня. Это позволяет обеспечить равномерный износ пальца. Плавающие поршневые пальцы фиксируются в поршне двумя стопорными кольцами 12. У некоторых двигателей ВАЗ палец запрессован (соединение неподвижное) в верхнюю головку шатуна, что позволяет уменьшить ее толщину.

Пальцы изготовляют с высокой точностью и подбирают к поршням и шатунам по размерным группам (для двигателей ВАЗ — три группы через 0,004 мм). Размерную группу обычно наносят краской на внутренней поверхности пальца. При сборке палец, поршень и шатун комплектуют из деталей только одной группы. В холодном состоянии соединение пальца с поршнем (в бобышках) должно быть с натягом, т.е. неподвижное. При нагреве поршень расширяется и соединение становится подвижным. Во избежание задиров на сопряженных поверхностях сборку пальца с поршнем следует проводить при температуре поршня 55—100 °С (в горячем масле).

Поршневые кольца, надеваемые на поршень, создают подвижное уплотнение между поршнем и цилиндром. Различают компрессионные и маслосъемные поршневые кольца.

Компрессионные кольца 2, 3, 4 (рис. 4.9, а) обеспечивают создание давления в камере сгорания (компрессию), так как уменьшают прорыв газов из камеры сгорания в картер: верхнее кольцо — на 75%, среднее — дополнительно на 20% и нижнее — на 5%. Эти кольца также отводят теплоту от головки поршня к стенкам цилиндра.

Кольца изготовляют из специального легированного чугуна или стали. Разрез кольца, называемый замком, может быть прямым (наиболее распространен), косым или ступенчатым (рис. 4.9, в).

Компрессионные кольца обладают пружинящими свойствами, благодаря чему плотно прижимаются к стенке цилиндра. Вместе

Рис. 4.9. Поршневые кольца:

а — размещение колец в поршне; б — сечение компрессионных колец; в — типы замков; г — уплотняющее (Г) и насосное (//) действия компрессионных колец; д — типы и составные части колец; 7 — маслосъемное кольцо; 2,3,4 — компрессионные кольца; 5 — гильза цилиндра; 6 — прокладка головки; 7 — поршень; 8 — чугунное маслосъемное кольцо; 9 — кольца-скребки; 10 — осевой расширитель; 7 7 — радиальный расширитель; 72 — стальное кольцо в сборе

с канавками поршня они образуют лабиринтное уплотнение (см. рис. 4.9, а). Для повышения уплотняющего эффекта кольца и канавки делают специального сечения. Кольцо трапецеидального сечения (рис. 4.9, б, А) при движении поршня вниз выжимается из канавки и плотно прижимается к стенке цилиндра. В кольце прямоугольного сечения по внутренней его верхней кромке предусматривают выточку (рис. 4.9, б, В, Г), что заставляет кольцо скручиваться и прижиматься нижней внешней кромкой к стенке цилиндра (торсионные кольца). Выточки с внешней стороны (рис. 4.9, б, Г,Д, Ж, 3) уменьшают площадь соприкосновения кольца со стенкой, что повышает давление кольца, обеспечивая плотное прижатие.

Насосное действие компрессионных колец (рис. 4.9, г, II) заключается в следующем. При движении поршня вниз кольцо прижимается к верхней стенке канавки. При этом соскребаемое со стенки цилиндра масло заполняет пространство в канавке под и за кольцом (рис. 4.9, г, Г). При движении вверх поршень прижимается к нижней поверхности кольца, выжимая масло в пространство над кольцом

(рис. 4.9, г, II). Кольцо перемещает эту порцию масла в верхнюю часть цилиндра. Благодаря этому масло постепенно (ход за ходом) попадает в камеру сгорания, где и сгорает. Чем больше износ колец, тем больше зазоры между кольцом и канавкой поршня. Внешне это определяется по повышенному угару масла и сизому цвету дыма, выходящему из системы вентиляции.

Зазор между кольцом и канавкой по высоте при сборке двигателя в холодном состоянии составляет 0,04—0,20 мм. Зазор в замке должен быть в пределах 0,15—0,80 мм. При установке колец на поршень их замки должны быть расположены по окружности на одинаковом расстоянии один от другого.

Стальные составные компрессионные кольца часто применяют в карбюраторных двигателях. Эти кольца состоят из двух уплотняющих колец-скребков 9 (рис. 4.9, д) и двух расширителей (эспандеров) — осевого 10 и радиального 11. Такие кольца хорошо прилегают к цилиндру и быстро прирабатываются.

Первое (верхнее) компрессионное кольцо работает в условиях высокой температуры, больших давлений и изнашивается быстрее других. Наружную цилиндрическую поверхность первого кольца подвергают пористому хромированию или напыливают молибденом. Пористая поверхность лучше удерживает смазочный материал, благодаря чему износостойкость первого кольца повышается. Остальные кольца покрывают слоем олова для лучшей приработки их к цилиндрам.

При изготовлении поршневые кольца подвергают сложной механической и термической обработке, что позволяет обеспечить наиболее выгодное распределение давления внешней поверхности кольца на стенку гильзы, а следовательно, и увеличить срок службы кольца.

Маслосъемные кольца при движении поршня соскребают излишки масла со стенок (зеркала) цилиндра и препятствуют проникновению его в камеру сгорания. Затем через отверстия в стенках поршня масло попадает внутрь последнего и далее в картер. Эти кольца делают чугунными коробчатого сечения