Автомобиль ВАЗ, двигатель, поршень

Ключевая роль поршня доказана уже давно. Многое в работе двигателя и в его характеристиках напрямую зависит от того, насколько хорош поршень. Причем, главное здесь даже не производительность его работы, а надежность. Ни для кого не секрет, что любое преобразование спортивных автомобилей и любой тюнинг двигателей никогда не обойдутся без вопросов о поршне. Если необходимо сделать автомобиль ВАЗ более мощным и агрессивным, то нужно прибегнуть к помощи специальных поршней. Поршень в двигателе является сложным многофункциональным элементом, одним из самых сложных по своему складу. Именно поэтому вокруг данного элемента всегда крутится столько вопросов. Даже далеко не каждая компания-производитель авто могут позволить себе изготавливать поршни для своих движков самим. Уж больно сложен процесс. Поэтому они прибегают к массовой закупке поршней, изготовленных компаниями, профессионально работающими именно в этой сфере. 

Поршень – настолько сложная штука, что вокруг него даже мифы складываются. А все потому, что трудно найти два одинаковых поршня на разных движках. Они настолько разнообразны по своим внешним и внутренним данным, что порой можно просто запутаться. Сам по себе процесс изготовления этой загадочной детали очень трудоемок и требует специальных навыков, знаний и умений. Обычное предприятие, занимающееся сборкой автомобилей, вряд ли сможет собрать поршень. А насколько бывает сложно подобрать подходящий поршень для какого-то конкретного двигателя, нуждающегося в его замене!  И чаще всего как раз такие проблемы возникают у спортивных команд, занимающихся доработкой своих двигателей, и у ребят, которые делают тюнинг. Ведь не станешь же изготавливать поршень для какого-то конкретного двигателя. Это слишком затратно, долго и трудно. Поэтому, как правило, подбирается любой удобоваримый вариант, подходящий для улучшения характеристик мотора, и устанавливается на него. Результаты при этом могут быть различными, но открываются они уже потом.

Чтобы провести подборку поршня в систему, нужно сначала понять, для чего он нужен и что дает. Поршень работает в цилиндре, он дает возможность расширения сжатых газов, которые образуются в результате сжигания топлива. Соответственно, он приводит в действие механику двигателя. Из этого можно сделать вывод, что поршень необходимо делать настолько надежным, чтобы он не боялся ни высокой температуры, ни воздействия сжатых газов. Кроме того, поршень должен еще и служить уплотнением для канала цилиндра.

Поршень вместе со всей его системой (то есть, цилиндром и поршневыми кольцами) – это линейный подшипник скольжения. Соответственно, он постоянно подвергается воздействию трения, что может привести к его износу. И делать его нужно так, чтобы он сопротивлялся трению наилучшим образом, с минимальным уровнем механических потерь. Также поршень постоянно находится под нагрузкой от камеры сгорания и работы шатуна. Стойкость к механическим нагрузкам – одно из важнейших требований к поршням. Он постоянно находится в движении, но при этом, не должен отрицательно воздействовать на кривошипно-шатунный механизм.

Из всего вышесказанного можно вывести, что для поршня главные требования, это стойкость к тепловым и механическим нагрузкам. С механическими нагрузками все достаточно сложно, потому что они окружают его со всех сторон. Так что для начала рассмотрим тепловую составляющую.

Процесс горения топлива происходит в пространстве над поршнем. При этом образуется очень много тепла за каждый цикл работы двигателя. Горящие газы могут достигать температуры в 2000 градусов Цельсия. При этом, далеко не все это тепло уйдет в движущиеся части двигателя, многое просто нагреет его снаружи, а какая-то часть выйдет в атмосферу через выхлопную трубу. Вспомним один из законов физики, который все учили в школе: два тела могут передавать друг другу тепло до той поры, пока температура этих тел не станет одинаковой. Поэтому поршень не может быть охлажденным, иначе ему грозит расплавление. Это один из важнейших моментов, особенно в двигателях с увеличенной мощностью. Увеличение мощности мотора всегда приводит к тому, что вырабатывается больше тепловой энергии. Правда, довести поршень до действительно расплавленного состояния достаточно сложно, но практическая каждая неполадка с поршнем так или иначе связана именно с температурой. Когда температура становится больше, материал, который подвергается ее воздействию, становится более хрупким. Допустим, если при температуре в 100 градусов материал просто деформируется, то при температуре в 300 градусов он уже испортит все изделие. А повышение температуры до 450 градусов может и вовсе привести к его разрушению. Именно эти факторы заставляют конструкторов задумываться о том, какие материалы выбрать для изготовления поршня. Это должны быть материалы, которые выдерживают практически любые температуры. Второй вариант – искусственное снижение температуры поршня. Как показывает практика, прибегать надо и к тому, и к другому.

Все тот же закон физики говорит нам о том, что поток тепла передается от тех тел, которые нагреты больше, к тем телам, которые нагреты меньше. Перед тем, как приступать к конструированию поршней, нам нужно понять, каким образом температура распределена по всей поверхности поршня во время его работы. Исходя из этого уже можно будет понять, что и как влияет на его работу, и каким образом можно обеспечить его охлаждение. Самой «горячей» частью всегда будут являться газы, образующиеся в камере сгорания. Как итог, эти газы будут нагревать атмосферу вокруг автомобиля, так как именно она в данной ситуации является наименее нагретым телом. Этот воздух, попадая в радиатор и кружась вокруг корпуса самого двигателя, способствует охлаждению блока цилиндров и корпуса головки. При этом, поршень должен отдавать тепло куда-то дальше – то есть, в блок цилиндров и антифриз. Конструкторы в процессе разработки различных видов поршней нашли четыре различных варианта для этого, каждый из которых заслуживает отдельного описания.

Вариант первый – поршневые кольца. Поршневое кольцо номер один здесь ключевое звено, потому что располагается оно ближе всего к днищу. Именно первое поршневое кольцо способно быстрее всего привести к охлаждающей жидкости. Каждое поршневое кольцо с одной стороны прикрепляется к поршневой канавке, а с другой стороны – к стенке цилиндра. На поршневые кольца приходится практически половина всего потока тепла.

Вариант второй – масло. Масло является второй по значимости охлаждающей жидкостью в двигателе. Масло находится в каждой части двигателя, в том числе и там, где наиболее горячо. Оно способно унести с собой очень большое количество тепловой энергии, перенаправляя его в поддон картера. Многие конструкции предусматривают использование масляных форсунок, которые направляют масло непосредственно на днище поршня изнутри. При этом масло будет полноценным участником теплообменного процесса (на него придется 30-40%). Конечно, в такой схеме не стоит забывать о том, что и масло должно каким-то образом остужаться. Если масло нагреется слишком сильно, то оно может привести к сбоям в работе подшипников. К тому же, горячее масло будет плохим проводником тепла, так как не может забирать на себя много тепловой энергии. 

Вариант третий – бобышки. В данной схеме тепло будет передаваться сначала в бобышки, затем в палец, шатун и, в итоге, в масло. Это гораздо менее эффективный способ, так как получается довольно длинный путь, на котором возникают препятствия. Препятствиями для движения тепла будут являться зазоры и различные детали из металла, которые являются плохими проводниками тепла.

Вариант четвертый – топливно-воздушная смесь. В такте впуска смесь топлива и воздуха поступает  в цилиндр, и ей необходимо нагреться. Таким образом, она может взять на себя часть тепла. Здесь важную роль играет настройка дросселя и его работа. Именно он этого будет зависеть возможное количество тепловой энергии, которую смесь заберет на себя. Но при этом тепло от сгорания будет пропорционально свежему заряду. Поэтому данный способ имеет несколько нюансов. Он будет носить точечный характер, развиваются все события при этом очень и очень быстро. При этом, нагревание каждый раз будет пропорционально следующему. Таким образом, мы получаем достаточно эффективный и интересный способ. Эффективным он будет потому, что часть тепла будет уходить с поршня именно в том месте, где он будет сильнее всего нагреваться.

Последний способ очень часто используется для регулировки спортивных автомобилей ВАЗ. Там конструкторы основываются на следующем факте. Многое зависит от состава топливной смеси, которая будет использоваться на автомобиле ВАЗ. Чем больше в ней непосредственно топлива, тем больше тепла. Понижение внутренней температуры, даже самое незначительное, порой позволяет сделать работу двигателя более стабильной и эффективной. Делается это достаточно просто – подается чуть более богатая смесь. Весь процесс происходит точно так же, но при этом внутренняя температура становится на несколько градусов ниже. В любом случае, более богатая смесь предпочтительнее, чем более бедная. Движок на метаноле всегда будет работать надежнее, чем на бензине и т.д.

Из всех вышеописанных путей для охлаждения поршня наиболее эффективным является первый путь – то есть, через поршневые кольца. Если этого пути для охлаждения у двигателя не будет, то он может просто-напросто перегреться и перегореть. Отсутствие этого варианта приведет к расплавлению поршня, что повлечет за собой полное разрушение всего двигателя. Здесь возникает еще один очень важный момент – компрессия. Скажем о ней несколько слов.

Слово «компрессия» знакомо каждому автовладельцу, которому не безразличен движок его авто. Исходя из показателей компрессии мы можем определить, какова степень неплотности поршневой группы и наоборот.  Неплотность поршневой группы может серьезно сказаться на пути теплоотдачи через поршневые кольца. Дело в том, что если они будут прилегать недостаточно плотно к стенкам цилиндра, то перегоревшие газы неизбежно проникнут внутрь и перекроют возможность отдачи тепла этим способом. Еще хуже будет обстоять дело с таким цилиндром, где кольцо недостаточно плотно прилегает к канавке. Именно такие места, где они соприкасаются неплотно, будут пропускать газы и станут самыми уязвимыми. Поршень в таких местах никаким образом не сможет получать охлаждение. При длительном контакте с газами поршень просто прогорит, и мы лишимся части огневого пояса в том месте, где происходила утечка. Поэтому при рассмотрении характеристик двигателя автомобиля необходимо особо тщательно рассматривать момент нарушений геометрии цилиндра, а также нормальной работу колец и степени износа канавки. При этом, конечно, не так страшен сам факт потери некоторого количества энергии. Конечно, на моменте двигателя это не скажется, - он останется прежним. Особенно ели речь идет о двигателе с высокими оборотами. Однако, любая неплотность в блоке приведет к тому, что возникнут локальные очаги перегрузки тепла, что отрицательно скажется на жесткости и надежности. Двигатель с такими неполадками не прослужит долго. Это доказывают спортивные моторы, в которых в первую очередь рушатся именно те цилиндры, в которых компрессия была наименьшей.

Для того, чтобы сделать специализированный поршень для спортивного авто или для прокачанного мотора, нужно очень тщательно продумать его геометрию, ведь от этого так много зависит. Здесь возникает несколько вопросов. Для начала – о количестве колец в данном поршне. Далее – насколько толстыми должны быть эти кольца? Кольца должны быть как можно более узкими, чтобы повысить эффективность поршневой группы. Правда, количество их уменьшать нельзя, так как из-за этого поршень станет хуже охлаждаться. Здесь нужно найти какую-то «золотую середину». Наиболее актуален этот вопрос для самых мощных моторов и самых быстрых машин. Все процессы на таких авто происходят гораздо быстрее, предъявляя новые требования. Большая скорость приводит к тому, что мы имеем больше механических потерь, которые надо минимизировать. Да и тепла в этом двигателе становится намного больше, что предъявляет большие требования к его охлаждению. То есть, мы делаем вывод, что кольца должны быть и узкими, и широкими одновременно. При этом, необходимо иметь два кольца, если мы добиваемся только лишь скорости. А три кольца нужно тогда, когда требуется лучшее охлаждение. Если все это конструктору удастся совместить в одном поршне, то такой поршень будет работать долго, надежно и эффективно. Сейчас существует множество научных разработок в плане конструкции поршней, годами выработанных учеными и конструкторами на различных предприятиях. Правда, такие труды и доступны только им. А ведь как хорошо бы было, если бы сами конструкторы выпустили специальный материал для тюнинга автомобилей ВАЗ, двигателей, поршней. А до тех пор нам остается обходиться примерными величинами и собственным опытом.