Износ цилиндропоршневой группы

Двигатель автомобиля иногда сравнивают с сердцем человека. Действительно, он работает постоянно, пока машина движется. Правда, такое сравнение не вполне корректно. Ведь сердце, как и всякий живой организм, непрерывно самовосстанавливается: в нем постоянно идут процессы отмирания старых клеток и замещения их новыми, молодыми. Чего никак не скажешь о неживом механизме – автомобильном двигателе. Он, несмотря на все наши старания, изнашивается практически необратимо. Однако интенсивность такого износа, ресурс двигателя до капитального ремонта, как и долговечность всего автомобиля в целом, во многом зависят от того, насколько качественно он сделан и грамотно эксплуатируется.

Особенно подвержены износу главные детали двигателя – поршни с поршневыми кольцами, шатуны и цилиндры. Работа поршней двигателя наиболее впечатляет. Ведь, двигаясь возвратно-поступательно между верхней и нижней мертвыми точками, они покрывают огромное расстояние. Так, при частоте вращения коленчатого вала 5000 мин^-1 и ходе поршня, скажем, 75 мм суммарный путь, преодолеваемый поршнем в минуту, составляет 375 м. За час работы двигателя это расстояние будет составлять 2 км 250 м, а за месяц эксплуатации по 8 ч в день, исключая выходные (что, конечно, маловероятно для среднестатистического автомобиля), поршень преодолеет расстояние 460 км. При интенсивной эксплуатации автомобиля за 5 лет (а именно такую продолжительность эксплуатации автомобиля до капитального ремонта двигателя подтверждает статистика) поршень покроет расстояние 24 000 км!


Итак, износ поршня и сопрягаемых с ним деталей (цилиндра двигателя) неизбежен. Однако значения износа поршневой группы (поршни-поршневые кольца) до капитального ремонта для двигателей различных фирм весьма сильно отличаются друг от друга. Так, предельный износ поршней и поршневых колец двигателей Mercedes-Benz, Volkswagen, BMW, большинства американских и японских фирм наступает после пробега около 300 000 км.

В то же время двигатели других, скажем, менее совершенных моделей, нуждаются в замене поршней и поршневых колец уже после 50 000 км пробега (почти в 10 раз меньше).

Внимание! В чем тут причина? И как зависит долговечность этих деталей от условий эксплуатации? Для ответа на эти вопросы рассмотрим две типичные конструкции поршневых групп бензинового двигателя и дизеля. Напомним прежде всего, что давление газов внутри цилиндров этих двигателей в начале рабочего хода отличается примерно в два раза. В бензиновом двигателе – карбюраторном или с непосредственным впрыском топлива оно составляет 40–55 кг/см², в дизеле – 70–80 кг/см². Поэтому и поршни бензинового и дизельного двигателей отличаются один от другого, хотя главные конструктивные решения у них одинаковы.

Типичный поршень бензинового двигателя отлит из алюминиевого сплава и покрыт снаружи слоем олова для улучшения приработки к зеркалу цилиндра. Диаметр его верхней части – головки – на 0,1 мм меньше, чем внутренний диаметр цилиндра. Это сделано для предотвращения заклинивания головки поршня в цилиндре при разогреве до рабочей температуры. В кольцевых канавках поршня размещены два компрессионных кольца и одно маслосъемное. Нижняя часть поршня – юбка – в поперечном сечении овальная, а по высоте конической формы: в верхней части диаметр меньше, чем в нижней. Кроме того, внутри бобышек поршня с отверстиями под поршневой палец имеются две стальные терморегулирующие вставки. Все это сделано для предотвращения увеличения трения между юбкой и зеркалом цилиндра при нагревании поршня. При меньшем, чем у алюминия, коэффициенте теплового расширения эти вставки стягивают юбку в направлении, перпендикулярном оси поршневого пальца.


Отверстие под поршневой палец в современных двигателях обычно смещают от оси симметрии поршня в правую сторону двигателя. Для правильной сборки поршня с шатуном и установки их в цилиндр двигателя около отверстия бобышки имеется метка, которая должна быть обращена в сторону передней части двигателя. Такое смещение делают для уменьшения боковой составляющей силы давления газов, прижимающей поршень к одной из сторон цилиндра во время рабочего хода.

Шатун также должен быть правильно ориентирован в двигателе. На его передней стороне выполнены отверстия для подачи струи масла на нагруженную сторону зеркала цилиндра (в некоторых двигателях эти отверстия отсутствуют). Вкладыши и крышка нижней головки шатуна также снабжены соответствующими метками для правильной сборки. От точности изготовления поршня и верного подбора его к отверстию цилиндра существенно зависит его дальнейшая работоспособность и долговечность. Ведущие моторостроительные фирмы применяют сегодня систему, в соответствии с которой поршни по наружному диаметру разбиты обычно на пять или шесть классов с шагом 0,01 мм. Кроме того, они разделены на три или четыре категории с шагом 0,004 мм в соответствии с диаметром отверстия под поршневой палец. Цилиндры двигателя также имеют подобное деление на пять классов. Такая система позволяет более точно подобрать поршень к любому, даже изношенному цилиндру, а поршневой палец нужной категории – к отверстию в бобышках и шатуну. Для капитального ремонта двигателей, заключающегося обычно в расточке (увеличении диаметров) цилиндров, производители запасных частей выпускают так называемые ремонтные поршни увеличенных размеров.


Поршень современного дизеля рассчитан на восприятие более высоких давлений, поэтому толщина его днища и бобышек больше. Кроме того, конструкция поршня дизеля несколько отличается от рассмотренной выше. Главное отличие – это размещение камеры сгорания непосредственно в головке поршня. Поскольку сгорание топливовоздушной смеси происходит при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки, горячие газы сильней нагревают головку поршня, а стенки верхней части цилиндра нагреваются несколько меньше, чем в бензиновых двигателях. Для надежного уплотнения поршня в цилиндре на его наружной поверхности сделаны пять канавок для установки поршневых колец. В трех верхних канавках установлены компрессионные кольца. В нижних канавках размещены два маслосъемных кольца. Многие фирмы изготовляют компрессионные кольца прямоугольного сечения, практически ничем не отличающиеся от колец бензиновых двигателей. Однако более прогрессивной, хотя и более дорогостоящей, является конструкция с конусной верхней рабочей поверхностью кольца. Угол наклона образующей конуса у таких колец делают обычно равным 10°. Применение конусных колец обеспечивает некоторое увеличение их долговечности, поскольку во время рабочего хода составляющая силы давления газов на конусную поверхность кольца дополнительно прижимает его к зеркалу цилиндра. Особенностью обслуживания и ремонта поршней с конусными компрессионными кольцами является необходимость точного контроля зазоров. Зазоры между канавкой и маслосъемными кольцами контролируют так же, как в бензиновых двигателях.


Силы трения между поверхностями юбки поршня и зеркала цилиндра у дизелей выше, чем в бензиновых двигателях. Для увеличения долговечности на поверхность юбки поршней наносят слой специального коллоидно-графитового покрытия. Оно намного улучшает прирабатываемость поршня к цилиндру и увеличивает срок его работы до капитального ремонта. Подобную же обработку трущихся поверхностей поршней применяют сегодня и на бензиновых двигателях.

Кроме износа поверхностей юбки, изнашиваются также канавки компрессионных колец поршней. Кроме того, изнашивается и канавка маслосьемного кольца, хотя такой износ обычно значительно меньше. При износе канавок кольца поршня начинают все более интенсивно перемещаться вниз и вверх по высоте канавки и все более ощутимым становится так называемое насосное действие колец. Это действие проявляется во все более увеличивающемся расходе двигателем моторного масла. Попадая в камеру сгорания, масло сгорает там, образуя сизый дым, который выходит из выхлопной трубы автомобиля. При значительном износе канавок замена колец на новые мало улучшает ситуацию. Наступает объективная необходимость в замене всей поршневой группы, при этом весьма желательна расточка цилиндров до ремонтного размера. Все описанные виды износа – это естественный и, к сожалению, неотвратимый процесс.

Тем не менее этот естественный износ можно растянуть во времени, продливая таким образом срок службы двигателя. Америку тут открывать не нужно. Просто следует точно выполнять требования производителя по эксплуатации автомобиля, пользоваться качественным моторным маслом и масляными фильтрами, правильно регулировать топливную аппаратуру. Хорошие результаты дает применение качественных модификаторов масла и топлива, препаратов, изменяющих микроструктуру поверхностных слоев поверхностей трения двигателей.

Наряду с этим износ двигателя, как и всего автомобиля в целом, во многом зависит от водителя, от его квалификации и технической грамотности. Ведь не зря же автомобили одной и той же марки у одних водителей служат долго и безотказно, у других – ремонтируются чуть ли не каждую неделю. Опытный водитель почти никогда не допускает работы двигателя с перегрузкой, а тем более с детонацией. Он постоянно слушает, как работает двигатель его машины, и немедленно реагирует на всякую перегрузку, обычно сопровождаемую гулким звуком низкого тона на пониженной частоте вращения коленчатого вала. Режим разгона автомобиля также

сопровождается повышенным износом двигателя. Здесь напрашивается аналогия с лошадью и наездником: заботливый хозяин не будет без особой нужды хлестать своего четвероногого друга, заставляя его бежать с места в карьер, особенно когда лошадь еще не разогрелась. Конечно, в критических ситуациях водитель может себе позволить лихо, предельно резко разогнать автомобиль. Но, если такой крутой стиль езды входит в привычку, ремонт двигателя будет обеспечен вдвое раньше, чем предусмотрено техническими условиями.

Зачастую наблюдается и другой, не предусмотренный никакими инструкциями вид износа. Это аварийная поломка элементов шатунно?поршневой группы и прежде всего колец и перемычек кольцевых канавок поршня. В бензиновых двигателях это связано прежде всего с детонацией. Напомним, что детонация – это взрывоподобное сгорание топливовоздушной смеси в цилиндре, сопровождаемое скачкообразным повышением давления в камере сгорания. Это равносильно резкому удару кувалдой по неподвижному поршню и кольцам. Детали, естественно, не рассчитаны на такую нагрузку и могут поломаться, повредив затем своими осколками зеркало цилиндра. Причин детонации несколько. Однако главная из них – эта работа двигателя на бензине с более низким, чем это предусмотрено техническими условиями, октановым числом, а также перегрев и работа на переобогащенной горючей смеси. Опытный водитель обязан слышать детонационные стуки при работе двигателя и немедленно уменьшать подачу топлива при разгоне, а затем устранять причины детонации. Звук детонации – это металлические щелчки высокого тона, совпадающие по частоте с частотой вращения коленчатого вала. Они могут быть едва слышны на фоне других звуков работающего двигателя, особенно при слегка раннем зажигании, и пропадают при совсем незначительном уменьшении подачи топлива (газа). Такая еле заметная детонация свидетельствует о правильно отрегулированном угле опережения зажигания, но бывает и так, что детонационные стуки появляются сразу же при нажатии на педаль акселератора, что, конечно же, недопустимо. Продолжать движение в таком режиме равносильно разбиванию молотком внутренностей двигателя.

Дизельные двигатели не столь чувствительны к изменению состава топлива, хотя и в них случаются неприятности, ведущие к повышенному износу деталей кривошипно-шатунного механизма. Это прежде всего перегрев двигателя и связанное с ним уменьшение вязкости масла, особенно если качество масла невысокое. Повышенный износ может быть также следствием неправильной регулировки топливного насоса высокого давления и ухудшения распыления топлива в камерах сгорания из-за нарушения работы форсунок. И, конечно же, многое зависит от самого водителя.

Итак, из всего сказанного можно сделать такие выводы. Долговечность двигателя вашего автомобиля, как и всего транспортного средства в целом, зависит от двух факторов: качества изготовления, за которое отвечает фирма-производитель, и уровня технической эксплуатации, за который в конечном счете отвечает водитель. Об этом нужно помнить как при покупке автомобиля, так и при подготовке и обучении водителей.