Что даст установка кованых поршней в двигатель

Причины износа поршней

При ежедневной эксплуатации транспортного средства двигатель работает стабильно лишь до определенного момента. Поршни, как и любые другие элементы двигателя, подвержены износу и возникновению неисправностей.

О некорректной работе поршневой группы свидетельствуют:

• Повышенный расход моторного масла и топлива
• Выделение из выхлопной трубы синего дыма
• Нестабильная работа двигателя на холостых оборотах (вибрация рычага КПП)
• Снижение мощности двигателя и т.д.
• Нагар на свечах зажигания

При демонтаже ЦПГ могут наблюдаться проблемы, требующие срочного решения и определения причин.

Так, задиры на днище поршня возникают вследствие его перегрева, к которому, в свою очередь, могли привести нарушения процесса сгорания топливно-воздушной смеси, деформация или засорение масляной форсунки, установка поршней неправильного размера и параметров, неисправности в системе охлаждения.

Следы от ударов на днище свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неправильной посадке клапана, отложениях масляного нагара, неподходящем уплотнении ГБЦ и др. проблемах.

К появлению трещин на днище приводят недостаточная компрессия в цилиндрах, плохое охлаждение поршня, неисправность впрыскивающей форсунки.

Поршневые кольца могут повреждаться вследствие неправильной установки поршней. В таких случаях кольца подвергаются вибрации и сильному износу в области канавок.

Радиальный износ поршней возникает вследствие избыточного количества топлива в камере сгорания: из-за сбоев в приготовлении смеси, нарушения процесса сгорания, недостаточного давления сжатия, неправильного размера выступов поршней.

Осевой износ происходит в результате загрязнения поршней продуктами износа, образующимися во время приработки двигателя.

Повреждения юбки поршня могут возникать по многим причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры, расположенные под углом, образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Поверхности юбки подвергаются усиленному трению из-за переобогащения топливно-воздушной смеси, ее недостаточного сжатия, неисправности пускового устройства холодного двигателя, перебоев в зажигании и т.д.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация, вызванная недостаточным охлаждением, применением некачественной охлаждающей жидкости, неправильной или неточной посадкой гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Блестящие места в верхней части цилиндра – не что иное как масляный нагар. Он возникает вследствие неисправности некоторых деталей и проникновения масла вместе с газами во всасывающий тракт.

Отличия от литых поршней

Стандартным аналогом рассматриваемых деталей являются литые поршни. Они исправно работают на стандартных двигателях, но по многим причинам не подходят для силовых агрегатов повышенной мощности. Во-первых, они характеризуются высокой массой. Во-вторых, литые поршни обладают неоптимальной формой. В-третьих, данные детали с завода имеют дефекты, представленные кавернами, инородными вкраплениями, пузырьками, которые невидимы и не проявляются при обычной эксплуатации в стандартных силовых агрегатах.

Однако повышение мощности ведет к возрастанию нагрузок (температуры и давления) на многие элементы автомобиля, прежде всего, двигателя. В таких условиях названные дефекты могут привести к растрескиванию или прогоранию поршня. Это может произойти, например, после установки коленвала с нестандартным радиусом кривошипа.

Актуальность

Целесообразность использования кованых поршней вместо литых определяется, прежде всего, особенностями использования автомобиля. Для условий повседневной эксплуатации вполне достаточно литых деталей. Кованые аналоги обычно устанавливают при тюнинге двигателя. Причем даже в этом случае их использование не всегда целесообразно.

Такие детали чаще всего применяют при форсировании маломощных двигателей. Стандартные детали некоторых спортивных моторов имеют достаточный ресурс для неэкстремального повышения мощности. Поэтому наиболее распространены такие детали для двигателей ВАЗ (например, кованые поршни на «Ниву» и кованые поршни на «Приору»).

Данные детали используют не только для автомобилей. Можно установить кованые поршни на мотоцикл. Тюнинг спортивных моделей также весьма распространен. Иногда модифицируют и простые мотоциклы. Например, некоторые устанавливают кованые поршни на «Урал».

Параметры кованых поршней

Чтобы правильно подобрать данную деталь для машины, следует соотнести ее параметры с характеристиками мотора:

модель – легче всего выбрать деталь по марке ДВС, потому что изготовителями в большинстве случаев создаются изделия по определенным модификациям двигателей. И если цилиндры расточены, то предназначенные для них поршни по своим расчетным показателям не подойдут

В данном случае их следует выбирать по размерам;
размер – выбирая поршень, необходимо соотносить его диаметр с размером цилиндра, принимая во внимание возможное расширение от воздействия температурного режима;
сжатие – в технических характеристиках поршней указывается конкретное значение этого показателя;
масса – чем меньше вес поршней, тем лучше это для мотора;
мощность – на мотор необходимо ставить поршни, соответствующие по запасу прочности. В противном случае, можно ускорить изнашивание и полное разрушение.

Форма

Для уменьшения массы кованые поршни обладают особой формой. При этом применение Т-образного профиля не сказывается на расходе масла.

К тому же на основе неравномерного температурного расширения (в большей степени параллельно оси поршневого пальца) некоторые производители выпускают модели овальной формы, перпендикулярно оси поршневого пальца. Таким образом, при нагреве деталь приобретает круглую форму, в соответствии с формой цилиндра. Это обеспечивает плотное прилегание их друг к другу, равномерно распределяя нагрузку по поверхностям и ограничивая попадание газов в картер из камеры сгорания.

Особенности изготовления

Кованые поршни могут называться штампованными, потому что изготавливаются именно по такой технологии. В производстве заготовка создается из особых сплавов методами изотермического или жидкого штампования. В них имеются различия, но положительные результаты гарантируются в любом случае.

При изготовлении жидкой штамповки матрица наполняется металлом, применяется пуансон, помогающий деформировать сплав в строгом соответствии с необходимой скоростью. Такая штамповка одноразового типа дает возможность создать полуфабрикат высокого качественного уровня, который в последующем доводят до необходимых параметров, применяя механический способ обработки.

Во втором случае необходима заранее подготовленная заготовка. Ее получают обжатием через фильеру особых прутьев, изготовленных из алюминия, содержащего в себе много кремния. Данная методика позволяет избавиться от пор внутри металла, сделать его структуру лучше.

Далее матрица вместе с заготовкой подвергается нагреву, после чего деталь можно штамповать на гидравлическом прессе. Большие усилия необыкновенно преобразуют деталь. Одновременно с этим постоянный температурный режим помогает равномерно заполнить форму, от чего зависит качество детали.

Кованый поршень не только не имеет раковин и трещинок, но и является более твердым. Весит он на 50 грамм меньше своего аналога, отлитого в заводских условиях. Целый комплект уменьшает вес двигателя внутреннего сгорания на пятьсот грамм.

Такая разработка считается настоящим прорывом в выпуске машин для спортивных гонок, так как в полной мере отвечает существенным нагрузкам в момент состязаний. Эти же кованые поршни используют в форсированных моторах. Они реже прогорают, так как отличаются значительной термоциклической устойчивостью.

Принципы применения и стоимость

Нередко рассматриваемые детали применяют при установке турбонаддува. Более того, во многих случаях их использование является необходимым условием сохранения ресурса двигателя, так как при этом возрастает температура и нагрузки на детали, что нередко приводит к прогоранию поршней. Кованые поршни турбо-двигателя обычно используют в комплекте с другим коленвалом и Н-образными шатунами.

В любом случае при установке необходимо обеспечить охлаждение юбки и днища описываемой детали. Для этого устанавливают маслоразбрызгивающие форсунки.

Цена на кованые поршни «Нива» (комплект), например, начинается от 4 500 рублей. Для отечественных же мотоциклов они обойдутся дешевле.

Технология производства

В соответствии с названием, для изготовления литых поршней применяют технологию литья металла. В качестве исходного материала используют кремниево-алюминиевый сплав. Его помещают в матрицу, придавая овальную форму. Затем деталь подгоняют под цилиндр. Юбку делают оптимальной бочкообразной формы. Для обеспечения устойчивости к воздействию высоких температур поршень заполняют изнутри термокомпенсирующими вставками из стали

В отличие от литых, кованые поршни производят по технологии штамповки. Применяют изотермический или жидкий методы.

В первом случае матрицу заполняют расплавленным металлом и деформируют его с определенной скоростью с применением пуансона. Таким образом получают высококачественную заготовку. Ее окончательную обработку осуществляют механическим способом.

Для технологии изотермической штамповки используют предварительно подготовленные детали. Их получают из прута, состоящего из высококремнистого алюминия, обжатого через фильеру, что позволяет улучшить структуру металла, удалив поры. Далее нагретую в матрице до 450 °С заготовку штампуют с применением гидравлического пресса скоростным методом. Данная технология состоит в приложении к матрице усилия в 250 т, при поддержании ее температуры на постоянном уровне. В результате получаются точные высококачественные детали.

Преимущества

Положительное влияние кованых поршней на параметры двигателя обусловлено, прежде всего, их небольшой массой. Вес такой детали в среднем на 50 г меньше литого аналога. Например, кованые поршни ВАЗ обеспечивают в комплекте экономию массы в 400-600 г. Это позволяет снизить инерционные силы внутри цилиндра. В результате этого возрастают обороты, снижаются механические потери, увеличивается мощность. К тому же сокращаются инерционные нагрузки на прочие элементы кривошипного механизма, такие как коленвал, шатуны и вкладыши. То есть увеличивается его общий ресурс.

Также кованые поршни отличаются от литых большей твердостью. Данный показатель составляет 120-130 ед., тогда как для гражданских аналогов он равен 80-90 ед.

К тому же данные детали характеризуются повышенной прочностью и устойчивостью к температурному воздействию. Так, по термоциклической устойчивости они превосходят литые аналоги в 5-6 раз. Благодаря этому кованые поршни выдерживают 2500 циклов нагрева-охлаждения, в то время как гражданские модели лишь 400.

Пониженный коэффициент температурного расширения позволил уменьшить тепловой зазор между цилиндром и поршнем до 0,05-0,06 мм.

Материалы изготовления

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

• возможность использования только в дизельных двигателях;
• больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
• необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
• более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

Недостатки

Основным недостатком кованых поршней, в сравнении с литыми, считают высокую стоимость, причем как самих деталей, так и установки. Дороговизна поршней обусловлена сложностью производства. К тому же придется серьезно потратиться на их установку. Это объясняется тем, что такие сложные работы следует доверять лишь профессиональным мастерам, а в данном случае потребуется не только устанавливать, но и подгонять детали.

Кроме того, считается, что кованые поршни делают автомобиль более шумным в сравнении с исходными литыми деталями. Однако это справедливо лишь для непрогретого автомобиля. Данная особенность объясняется различиями в коэффициентах расширения. На основе этого для кованых поршней немного увеличивают зазор со стенкой цилиндра. Поэтому непрогретый двигатель с такими деталями работает громче. Однако после разогрева, когда поршни расширяются, и, следовательно, температурный зазор уменьшается, шум стихает.

Основные параметры

Для грамотного выбора рассматриваемых деталей на автомобиль их параметры соотносят с особенностями двигателя. Далее приведены основные характеристики кованых поршней:

1. Модель двигателя. Проще всего подобрать детали на основе марки мотора, так как производители обычно создают такие изделия под определенные модели двигателей. Однако нужно учитывать, что в таком случае они рассчитаны на стоковые моторы. То есть, если изменены какие-либо параметры двигателя, например расточены цилиндры, рассчитанные на него поршни не подойдут. Тогда их выбирают по прочим параметрам (в данном случае, прежде всего, по размеру).
2. Размер. При подборе деталей нужно соотнести их диаметр с диаметром цилиндра с учетом температурного расширения.
3. Степень сжатия. В технических параметрах поршней указано определенное значение данного показателя, на которое они рассчитаны. Если двигатель не стоковый, это также нужно учитывать.
4. Масса. О значении данного параметра поршней сказано далее. В общем, чем меньше их вес, тем лучше.
5. Мощность. В технических параметрах поршней указано максимальное значение мощности, на которое достаточно запаса их прочности. Не следует устанавливать детали на двигатель с большими характеристиками, так как превышение нагрузок может повлечь их ускоренный износ и разрушение.