Почему в бензиновых двигателях возникает задир цилиндров?

Почему в бензиновых двигателях возникает задир цилиндров?

Во время работы поршень и поршневые кольца совершают в цилиндре возвратно‑поступательное движение на высокой скорости. Под действием огромной силы расширения, возникающей при сгорании топливно‑воздушной смеси, поршень и поршневые кольца находятся в тесном контакте с внутренней стенкой цилиндра благодаря масляной плёнке, образующейся за счёт моторного масла. При нормальных условиях, благодаря изоляционному и амортизирующему эффекту этой масляной плёнки, поршень и поршневые кольца не соприкасаются с цилиндром напрямую. Однако в определённых специфических условиях они могут вступать в прямой контакт, что приводит к скользящему трению и выделению значительного количества тепла. Если условия отвода тепла не улучшены эффективно, металлические поверхности поршня, поршневых колец или внутренней стенки цилиндра могут расплавиться, в результате чего скользящие поверхности трения срастаются. В ходе высокоскоростного движения поршня на стенках цилиндра появляются продольные задиры; в тяжёлых случаях происходит заклинивание, что известно как явление задира цилиндра.

Основные причины следующие:

1. Недостаточная первоначальная обкатка двигателя и износ цилиндра, вызванный работой на высоких оборотах.

У только что собранного двигателя, казалось бы, гладкая внутренняя поверхность цилиндра и наружные поверхности поршня и поршневых колец на самом деле состоят из бесчисленных микроскопических выступов различной высоты. Прежде чем двигатель сможет работать без ограничений, сопряжённые поверхности должны пройти первоначическую обкатку, чтобы удалить острые вершины этих выступов, сделать поверхности ровными и равномерно нагруженными, а также предотвратить их взаимное задиравание при скольжении, обеспечив плавность работы. Поэтому новый двигатель обязательно должен подвергаться определённой обкатке. В противном случае более высокие выступы на сопряжённых поверхностях поршня, поршневых колец и цилиндра будут воспринимать сосредоточенные нагрузки, создавая чрезвычайно высокое давление на единицу площади. В результате трения температура повышается, выступы размягчаются и плавятся, что может привести к задираванию цилиндра.

2. Задир цилиндра, вызванный перегревом поршня

При перегреве поршня возникают локальные ненормальные расширения. Вследствие деформации поршня канавки поршневых колец приобретают волнистую форму, и поршневые кольца смыкаются с канавками на короткое или длительное время, что приводит к нарушению их нормальной работы. В этот момент край поршневого кольца оказывается в условиях чрезвычайно высокого удельного давления на единицу площади, напрямую контактируя с внутренней стенкой цилиндра; при этом оно не только теряет способность герметизировать сгоревшие газы, но и разрушает масляную плёнку на внутренней стенке цилиндра, что в свою очередь вызывает задир цилиндра.

Основными причинами чрезмерного нагрева поршня являются:

① Низкое качество бензина приводит к ненормальному сгоранию топливовоздушной смеси и вызывает высокие температуры.

② Неправильная работа системы подачи топлива, настройка или регулировка зажигания приводят к ненормальному сгоранию топливовоздушной смеси и вызывают высокие температуры.

③ Недостаточно продуманная конструкция корпуса поршня либо низкая плотность применяемого в поршне алюминиевого сплава приводят к недостаточной теплопередаче от поршня к цилиндру, что вызывает его перегрев.

④ Недостаточное внешнее охлаждение двигателя приводит к его перегреву.

3. Потёртости на цилиндрах, вызванные неправильным зазором поршневых колец

Во время работы двигателя в камере сгорания нередко неизбежно образуются нагарные отложения. Хотя моторное масло и поршневые кольца способны удалять такие отложения, удалить нагар, скопившийся в канавках поршневых колец — особенно в канавке первого газового кольца — крайне сложно. По мере постепенного нарастания нагара в канавках поршневых колец нарушается боковой зазор и задний зазор этих колец, что затрудняет их движение и создает ненормальное давление на кольца; в результате они напрямую контактируют с внутренней стенкой цилиндра и трутся о неё, что приводит к задирам цилиндра.

Основные причины образования нагара в камере сгорания следующие:

① Низкое качество используемого бензина;

② Ненормальное сгорание смеси;

③ Избыточно богатая смесь в системе подачи топлива;

④ Неисправности системы зажигания, особенно неисправности свечей зажигания;

⑤ Избыточное остаточное моторное масло на внутренней стенке цилиндра;

⑥ Утечка моторного масла из головки блока цилиндров в камеру сгорания.

4. Потёртости на цилиндре, вызванные неправильным зазором между поршнем и цилиндром

Из‑за низкой точности механической обработки цилиндрического отверстия и наружных диаметров поршня и поршневых колец зазор между поршнем и цилиндром оказывается недопустимым, что приводит к задирам в цилиндре. При слишком малом зазоре возрастает контактное давление между поршнем и цилиндром, что может даже вызвать заклинивание поршня. При чрезмерно большом зазоре усиливается люфт головки поршня, вследствие чего головка и юбка поршня либо край поршневого кольца соприкасаются с поверхностью цилиндра, что приводит к крайне высокому удельному давлению и, как следствие, к задирам в цилиндре.

5. Потёртости на цилиндре, вызванные низким качеством поверхности поршня и цилиндра

Во время работы двигателя идеальная форма контактных поверхностей поршня и цилиндра должна быть цилиндрической, чтобы обеспечить равномерный контакт и предотвратить чрезмерное давление на больших площадях. Вследствие термического расширения и сжатия при комнатной температуре форма юбки поршня в продольном направлении имеет бочкообразную форму, а в поперечном — эллиптическую. Такая сложная геометрическая форма предъявляет крайне высокие требования к точности изготовления. Однако по причинам, связанным с конструкцией, технологией производства или материалами, форма может оказаться неоптимальной, что приводит к задирам в цилиндре.

Основные причины следующие:

① Недостаточная точность обработки юбки поршня, приводящая к деформации её формы;

② Низкое качество обработки внутренней поверхности цилиндра (чрезмерные отклонения от круглости и цилиндричности);

③ Недостаточная точность обработки наружного диаметра поршневого пальца или внутреннего диаметра отверстия под поршневой палец, приводящая к слишком малому зазору между ними, либо попадание посторонних частиц между этими деталями, что вызывает расширение поршневого пальца и его заклинивание в отверстии после работы двигателя, препятствуя расширению юбки поршня в направлении отверстия и не позволяя ей принять идеальную форму;

④ Недостаточно продуманная конструкция юбки поршня, обусловившая недостаточную жёсткость, приводит к деформации и проседанию передней и задней несущих поверхностей юбки под действием давления; это в свою очередь вызывает повышение локального давления на боковую поверхность юбки под углом 45° и приводит к задирам цилиндра.

⑤ Некачественная конструкция или материалы цилиндрической гильзы, приводящие к деформации цилиндра, что вызывает слишком плотное сопряжение поршня и цилиндра вблизи верхней мёртвой точки, увеличивает трение и приводит к задирам на стенках цилиндра.

6. Потёртости на цилиндрах, вызванные некачественной обработкой поверхности

С материальной точки зрения поршень, поршневые кольца и цилиндр находятся в состоянии высокоскоростного движения, вследствие чего возникает тепло от трения. В тяжёлых случаях металлические поверхности могут расплавиться и сцепиться между собой. Поэтому на поршень, поршневые кольца и даже на внутреннюю поверхность цилиндра обычно наносят различные виды поверхностной обработки — хромирование, никелирование, напыление молибдена, азотирование, фосфатирование и PVD (физическое осаждение из паровой фазы) — чтобы образовать на поверхности слой материала с высокой температурой плавления, предотвращающий спекание при высоких температурах. Однако если поверхностная обработка выполнена некачественно — например, при недостаточной толщине покрытия или плохой адгезии — то при высоких температурах поршень и кольца будут сливаться с цилиндром, что неизбежно.

7. Потёртости на цилиндрах, вызванные нарушением смазки маслом двигателя

Во время работы двигателя моторное масло образует масляную плёнку между цилиндром, поршнем и поршневыми кольцами, эффективно предотвращая их прямой контакт и трение. Однако в следующих случаях моторное масло не может в полной мере обеспечить свою смазывающую функцию, что приводит к задирам цилиндров:

① Недостаточное количество моторного масла. Очевидно, что при недостаточном доливе моторного масла и его постоянном расходе в процессе работы двигателя без своевременного пополнения не формируется достаточно толстая масляная плёнка, что приводит к задирам цилиндров.

② Эмульгирование моторного масла. Особенно зимой, когда двигатель выключен и температура снижается, вода из воздуха, находящегося в нижней части цилиндра и картере (поступающая через вентиляционную трубу), конденсируется и смешивается с моторным маслом, постепенно вызывая его эмульгирование. Одновременно утечка смеси из камеры сгорания непрерывно смешивается с моторным маслом, что также способствует эмульгированию. Эмульгированное моторное масло становится более жидким и теряет свои эксплуатационные свойства, вследствие чего трудно образуется эффективная масляная плёнка между цилиндром, поршнем и поршневыми кольцами.

③ Неправильный выбор марки моторного масла. Необходимо подбирать соответствующие марки моторного масла в зависимости от региона и сезона. Если выбор сделан неверно, зимой масло окажется слишком вязким и будет обладать низкой текучестью, а летом — слишком жидким; в обоих случаях это может привести к ухудшению смазочных свойств.

8. Потёртости на цилиндрах, вызванные посторонними предметами и примесями

Когда между цилиндром и поршнем или поршневыми кольцами попадают твёрдые посторонние предметы, они выступают в роли абразивных материалов, ускоряя износ их поверхностей. В тяжёлых случаях это может привести к задирам на стенках цилиндра.

Основными источниками посторонних предметов являются следующие:

Чужеродные вещества, такие как пыль, попадающая вследствие недостаточной очистки деталей двигателя;

② Заусенцы, оставшиеся на деталях двигателя;

③ Железная и алюминиевая стружка, образующаяся в процессе работы двигателя;

④ Пыль, попадающая с воздухом вследствие недостаточной эффективности фильтрации воздушным фильтром;

⑤ Нагар, образующийся в результате неполного сгорания смеси моторного масла и топлива;

При пескоструйной обработке глушителя остатки железного песка, оставшиеся в нём, всасывались обратно в камеру сгорания.