Каков объем двигателя внутреннего сгорания автомобиля? В каком смысле термин «работа» используется для обозначения количества моторного топлива?

Поршень – ключевая деталь КШМ цилиндрической формы, которая предназначена для трансформации топливной энергии в механическую работу автомобильного двигателя.

Рабочий объем двигателя — это один из главных технических параметров автомобиля, от которого зависит мощность, динамика и объем потребления топлива.

В среде автовладельцев сложился стереотип, что автомобили с большим объемом двигателя являются лучшим выбором. Но такое утверждение не всегда соответствует действительности.

Крупнолитражные машины отличаются большим потреблением топлива и имеют высокую себестоимость, что в итоге делает автомобиль менее доступным для рядового покупателя. Кроме того, такие авто более дорогие в обслуживании.

Общие положения

Чтобы понять, как рассматриваемый параметр может влиять на характеристики транспортного средства, важно знать устройство ДВС.

Если говорить вкратце, двигатель состоит из следующих элементов:

• Блока цилиндров;
• Головки блока;
• Камеры сгорания;
• Поршня, который объединен с коленвалом через КШМ;
• Система подачи и зажигания горючей смеси;
• Клапана, через которые отводятся продукты горения (отработавшие газы);
• Картера.

В задачу двигателя входит преобразование одного вида энергии в другой, а именно тепловую энергию (сжигание топливной смеси) в механическую (вращение коленвала). После подготовки горючее под давлением направляется в камеру сгорания и зажигается.

В результате создается давление, достаточное для выталкивания поршня, вращающего коленвал машины.

Объем двигателя — одна из основных характеристик современного автомобиля, работающего по принципу сгорания топлива. С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания эта характеристика является главнейшим показателем, с помощью которого характеризуется силовой агрегат и выделяет его среди других автомобилей модельного ряда.

На машинах объем двигателя даже указывается (во всяком случае — указывался) на кузове в виде отдельной таблички. К примеру, обозначение «БМВ 520i» означает, что перед нами пятая модель БМВ, с инжекторным двухлитровым двигателем.

От рабочего объема мотора непосредственно зависят его мощностные характеристики, предельная скорость, которую развивает данный автомобиль, и некоторые другие показатели. Кроме этого, деление моделей авто по классам, страховые, налоговые и таможенные платежи рассчитываются исходя из объема конкретной машины.

Но не все автомобилисты представляют себе, что это такое. Данный материал прояснит этот вопрос доступным языком.

• Что считается рабочим объемом ДВС
• Классификация автомобилей по классам в зависимости от объёма двигателя
• Что зависит от объема
• Плюсы и минусы большеобъемных двигателей

О ПОРШНЯХ

Хочешь, не хочешь, а охлаждай. Хочешь – дуй, хочешь – плюй, но студи. Хочешь жить – охлаждай.

Одна из самых таинственных и, несомненно, значимых деталей автомобильного двигателя – его величество поршень. Действительно, он занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую, а затем в механическую. И в прямом, и в переносном смысле. И от того, насколько хорошо он справляется с возложенными на него обязанностями, в значительной степени зависят характеристики мотора. Его эффективность и, что более важно, надежность. Особенно когда мы говорим о спортивном применении или модификации автомобиля в тюнинговом ателье.

Вопрос о применении специальных поршней в случае повышения мощности всегда встает перед конструктором. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое привилегированное положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов.

Чаще всего они пользуются услугами фирм, которые специализируются в этой области. Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему столь много тайн, секретов и небылиц распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла. А так как это еще и технологически сложно, практически неисполнимо в условиях стандартного машиностроительного производства, то проблема подгонки, т. е. соответствия поршня требованиям модифицированного мотора, становится камнем преткновения для многих тюнинговых компаний и спортивных конюшен. Кроме того, штучное производство столь сложных изделий финансово обременительно. В этой ситуации часто интуитивные представления тюнера о том, что «улучшенный» двигатель должен иметь «улучшенные» поршни, приводит к тому, что сначала двигатель оснащается чем-то доступным, а потом такое решение находит свое наукообразное обоснование.

Так давайте попробуем разобраться, какие требования предъявляются к поршням и что от чего зависит. Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра. Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ. В‑третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие. В‑четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно – шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можно разделить на две большие группы. Первая – это тепловые процессы. Вторая, значительно более многообразная – механические. Обе группы взаимовлияющие, но в этот раз мы остановимся на тепловых.

Еще раз повторим известный из курса общей физики факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается. Нам известно, что наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что, в конце концов, тепло будет передано окружающему автомобиль воздуху – самому холодному и в то же время при определенном допущении бесконечно теплоемкому. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, студит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Нам осталось найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути. Они совершенно разные по своему вкладу, однако все заслуживают упоминания, так как в зависимости от конструктивных особенностей двигателя имеют большее или меньшее значение.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это также наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока. Второй путь менее очевиден, однако трудно его недооценить. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем и слабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%.

Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выхода из строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя. Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности. И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, а следовательно, и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя.

Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит, во-первых, импульсный характер, во-вторых, отличается скоротечностью, в‑третьих, пропорционален последующему нагреву и, в‑четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Здесь следует упомянуть о стандартном приеме, который используется при настройке спортивных моторов. Дело в том, что теплоемкость смеси сильно зависит от ее состава. Чем больше топлива в ней содержится, тем больше тепла будет потрачено на его испарение. Очень часто, чтобы нормализовать работу мотора, нужно чуть-чуть, всего на 5 – 10 градусов, понизить внутреннюю температуру. Это достигается легким переобогащением смеси, чуть богаче, чем необходимо. На процесс горения это никак не сказывается, а температура падает. Исчезает калильное зажигание, отодвигается порог детонации. Всегда лучше чуть богаче, чем беднее. Моторы, работающие, например, на метаноле, значительно менее требовательны к системе охлаждения из-за втрое большей теплоты парообразования, чем у бензина.

Таким образом, в силу большей значимости следует уделить более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Совершенно понятно, что если этот путь мы по тем или иным причинам перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

Тут я хочу упомянуть такую, на первый взгляд, совершенно не относящуюся к процессу теплообмена характеристику, как компрессия. О компрессии знает каждый человек, хоть раз сталкивавшийся с покупкой подержанного автомобиля. Это наиболее популярный параметр, который хочет знать каждый владелец автомобиля, заботящийся о двигателе своей машины. Компрессия косвенно показывает степень неплотности поршневой группы. С точки зрения теплопередачи это очень важный параметр. Давайте представим себе, что кольцо не прилегает по всей своей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это почти то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Еще более страшная картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Именно поэтому всегда уделяется так много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки. И не ухудшение энергетики здесь главная причина. Ведь небольшое количество газов, прорывающихся в картер, несет в себе слишком малую энергию, чтобы повлиять на потерю давления в такте рабочего хода и, как следствие, на потерю момента двигателем.

Тем более, когда мы говорим о высокооборотном моторе. Гораздо больший вред даже небольшая неплотность наносит двигателю в смысле локальных тепловых перегрузок, потери жесткости и надежности. Вот еще почему не живут долго двигатели, восстановленные методом замены колец или перегильзовкой блока под старые, отжившие свой век «номинальные» поршни. Вот почему первым у спортивного мотора разрушается цилиндр, имеющий меньшую компрессию.

Тут, вероятно, необходимо коснуться вопроса, который всегда обсуждается при изготовлении специальных поршней для спортивных или тюнинговых приложений. Сколько колец будет у нового поршня? Два? Три? Какой толщины должны быть кольца? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс. И чем быстроходней мотор, тем жестче становятся рамки.

Скоротечность процессов диктует меньшие требования к уплотнению. Растущие со скоростью механические потери необходимо уменьшать, иначе все, что преобразовали в механическую мощность, не донесем до колес. Однако и количество тепла в единицу времени вырабатываем пропорционально больше, мостик для охлаждения требуется как можно шире. Вот и нужно одновременно чтобы кольца были и узкие, и широкие. И нужно их два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора. А результаты его работы – в сбалансированности двигателя.

В настоящее время инженерами, работающими в мощных производственных компаниях и научных центрах, накоплен огромный эмпирический материал и на его основе созданы расчетные методы, позволяющие с большой точностью предсказать поле температур и характеристики конкретного изделия. Большинству тюнинговых компаний и спортивных конюшен они недоступны. Автору, к сожалению, тоже. Эта статья намеренно не содержит конкретных значений многих величин, которые позволили бы некоторым читателям взяться за калькуляторы. Тепловые расчеты на пальцах – бесперспективное занятие. Ее задача – показать ту сторону процессов, происходящих в двигателе, которая всегда подразумевается, но никогда всерьез не рассматривается. Я хотел только проявить качественные связи и объяснить важность и необходимость в своей работе учитывать влияние его величества тепла.

Как мы выяснили, значение поршня для эффективности двигателя трудно переоценить. В силу особого положения поршневая группа также очень важный элемент в смысле надежности мотора. Поэтому наше дальнейшее рассмотрение механических аспектов конструкции поршней ДВС построим в таком же порядке. Каждое положение будем оценивать с точки зрения влияния на механические потери и на способность противостоять механическим нагрузкам.

Для начала неплохо бы представить, чего в принципе мы ожидаем от идеального поршня. Какой он, этот стойкий оловянный солдатик? Ну, конечно же, несгибаемый. Как бы мы его ни гнули, толкали, мяли, бросали из жара в холод, он всегда должен оставаться одинаковым. Одинаковым с большой точностью. Наш герой находится в плотном строю сопряженных с ним деталей. Это кольца, поршневой палец, цилиндр. Если механические нагрузки будут столь велики, что канавки деформируются и поршневые кольца потеряют подвижность, тогда работа мотора будет нарушена. Если поршневой палец окажется зажатым в отверстиях бобышек, скорее всего, поршень разрушится. Если зазор от стенок цилиндра вдруг станет большим, мы потеряем ориентацию, а если маленьким – размажем поршень по стенкам. А силы действуют на него немалые. Максимальное давление в камере сгорания у высокофорсированных моторов достигает величины 100 атмосфер. Усилие, с которым поршень толкают газы, измеряется тоннами. Максимальная скорость, с которой он перемещается в быстроходном моторе, достигает 120 км/час. При этом 200 раз в секунду тормозится до полной остановки.

Представьте себе, что ваш автомобиль со скорости 120 км/час остановился на пути в 4 сантиметра. Это почти удар о скалу. Что же представляет собой бампер, если он не должен изменить форму более чем на 0,005 мм? Не забудьте, перед ударом мы его изрядно подогрели газовой горелкой. А еще все это повторяется 200 раз в секунду. Такие вот испытания выпали на долю нашего подопечного.

Идеальный поршень в таких жестоких условиях должен быть абсолютно жестким, т. е. никак не менять свою форму. Тепловые нагрузки не должны его деформировать. Его вес должен быть близок к нулю. Износ от контакта с сопряженными деталями должен отсутствовать. В первой части статьи мы определили характеристики, связанные с тепловыми процессами в двигателе. Совершенно понятно, что нет в природе материалов. отвечающих веем этим требованиям. Прежде чем остановиться на материалах, из которых изготавливают поршни, попробуем понять, почему такие требования предъявляются к поршням. Пожалуй, одним из главных показателей качества работы поршневой группы являются механические потери, которые неизбежны во время движения. Для того чтобы преодолевать силы трения, препятствующие движению, часть механической энергии, полученной от рабочего тела, будет потеряна на нагрев. Доля этих потерь, приходящаяся на поршневую группу в общих механических затратах двигателя, весьма высока. Она порой превышает 50% от общих потерь в двигателе.

Существенным моментом для понимания важности вопроса является тот факт, что желание многих тюнеров увеличить рабочие обороты мотора и за счет газодинамики (доработка сечений каналов, формы камеры сгорания, фаз газораспределения) получить большую мощность при высоком вращающем моменте в широком диапазоне скорости вращения упирается в растущие механические потери. Значительная часть сил сопротивления растет линейно со скоростью, а следовательно, потерянная мощность растет в квадратной зависимости. Если не приняты меры по снижению механических потерь, то все старания могут быть напрасны. Неизбежен тот момент, когда вся механическая энергия будет потрачена на себя любимого и колеса вращать будет просто нечем. Поэтому подход к поршневой группе как к линейному подшипнику скольжения имеет первостепенное значение в конструкции поршня. Конечно, главный вклад в сопротивление движению вносят поршневые кольца, которые в силу их функций должны быть плотно прижаты к стенкам цилиндра. Однако роль поршня состоит в том, чтобы кольца все время были правильно ориентированы и была обеспечена их работоспособность. Также совершенно справедливое желание конструктора не допустить сухого контакта тела поршня с гильзой цилиндра диктует жесткие требования к его геометрии. Дело в том, что, как и и любом подшипнике скольжения, роль разделительного слоя здесь играет масло, препятствующее контакту металлических поверхностей. А точнее, масляный клин, образующийся в зазоре при движении деталей. Высокое давление в масляном клине, способное противодействовать прижимающим силам, может существовать только в зазорах, исчисляемых тысячными долями миллиметра. Величина силы пропорциональна площади, на которую масляный клин давит. Поэтому так важно во время работы сохранять параллельность поверхности юбки поршня стенкам цилиндра с такой сумасшедшей точностью. Совершенно понятно, что не допускается никакой шишковатости, иначе возникнут локальные контакты, которые станут генераторами тепла и приведут к развитию неблагоприятных процессов по всей поверхности. Не забудем еще и о поршневом пальце, которому необходимо создать условия качающегося подшипника скольжения с его стабильными зазорами, исчисляемыми тем же крохотными величинами.

В случае идеального поршня, описанного нами ранее, сказочного «несгибаемого оловянного солдатика», все более-менее понятно. Каким мы его получим после механической обработки, таким он и будет всегда, при любых условиях его работы. Тогда мы заранее с большой точностью можем придать ему нужные формы. А как быть с реальными материалами? Которые от механических нагрузок изгибаются. От температуры распухают. От разностенности коробятся. От неоднородности материала покрываются буграми и шишками. Нет другого пути, как при изготовлении придать ему такие формы, которые учтут все искажения, возникающие при реальных нагрузках во время работы. Именно поэтому поршень имеет такую сложную форму. По высоте он бочкообразный, потому что неравномерный нагрев вызывает большее расширение там, где температура выше. В сечении он овальный, так как механические нагрузки застаыяют поршень «обвисать» на пальце, как лист бумаги, лежащий на карандаше. Причем в каждом сечении и овальность, и бочкообразность имеют свою величину.

Очевиден тот факт, что величины деформации зависят от толщины металла, образующего стенки поршня. Понятно, что увеличение толщины повысит сопротивляемость нагрузкам и облегчит жизнь конструктору. Однако рост массы неизбежно приведет к увеличению инерционных сил, которые испортят жизнь всему кривошипно-шатунному механизму. Тут, как и в любом другом случае, вопрос оптимизации требует от конструктора разрешения.

Так как же, в конце концов, находится выход из трудного положения? Почему все-таки автомобильные двигатели уверенно прогрессируют в сторону их высокооборотности? Каким образом находятся способы разрешения этих противоречий? На заре моторостроения просто изготавливался поршень совершенно цилиндрической формы и двигатель запускали. Давали ему поработать, не доводя мотор до разрушения, и разбирали. Следы контакта с гильзой устраняли механической обработкой и повторяли эксперимент, увеличивая нагрузку. Затем снова обрабатывали места контакта и снова нагружали. Если выявлялись слабые места, которые надо усилить, изготавливали новый поршень со скорректированными толщинами стенок.

Повторялось это многократно до тех пор пока двигатель с полной нагрузкой не начинал работать стабильно и поршень признавался удовлетворительным. В современном мире с хорошей точностью можно расчетными методами проектировать геометрию вновь создаваемых поршней. Последующие за расчетами испытания приводят, как правило, к корректировке, однако количество экспериментов несравнимо уменьшается. Тем не менее, подогнанный под условия работы поршень нельзя считать абсолютно соответствующим предъявляемым требованиям. Ведь величины деформаций, которые компенсируются предварительно заданной формой, зависят и от теплового режима, и от величины сил, на него действующих. Так как автомобильный двигатель многорежимный, эксплуатируемый в широком диапазоне нагрузок и температур, скорее всего, поршень будет хорош только для некоторого диапазона условий работы. Это одна из проблем автомобильных двигателей в целом. В серийном производстве, как правило, на базе одного мотора одновременно выпускается целое семейство разных агрегатов, предназначенных для разных целей. А выпуск новых автомобилей, требующих новых двигателей, часто сопровождается модификацией уже отработанных конструкций с целью удовлетворить новым требованиям.

Известны факты, когда низ мотора, включающий блок цилиндров и коленчатый вал с его подшипниками, практически без изменений стоял на конвейере десятилетиями, переходя из одного кузова в другой. Даже более того, применялся и для бензиновых, и для дизельных моторов одновременно. Поршневые группы, как более зависимые от назначения двигателя, почти всегда подвергались модификации. Именно поэтому в номенклатуре производителей поршней такое большое разнообразие их форм. Именно поэтому, когда мы хотим получить от серийного двигателя больше мощности, будь то его тюнинговый вариант или, более того, спортивный, необходимо сознавать, что, скорее всего, серийный поршень не будет соответствовать новым предъявляемым к нему требованиям. Или мы получим дополнительные потери, которых можно было бы избежать, или съедим весь запас надежности. Наверное, и то и другое одновременно. Случай применения дополнительного наддува или окислителя, такого, как закись азота, точно так же создает новые условия работы поршневой группы.

Существенным моментом в конструкции, как мы выяснили, является материал, из которого поршень изготовлен. Свойства материала определяют характеристики изделия и его конструкцию. Автомобильные поршни изготавливаются преимущественно из алюминиевых сплавов, реже из чугуна. Чугун, обладая рядом таких приятных качеств, как низкий коэффициент линейного расширения, равный по величине материалу гильзы цилиндра, высокая термостойкость, высокая прочность, отличные подшипниковые свойства, в настоящее время практически не применяется.

Тормозом послужили два обстоятельства. Во-первых, низкая теплопроводность и, как следствие, плохая детонационная стойкость мотора, не позволяющая использовать высокие степени сжатия. Во-вторых, большой удельный вес является препятствием к быстроходности. Из алюминиевых сплавов для поршней в подавляющем большинстве используются силумины, то есть сплавы системы алюминий ‑кремний с различным содержанием кремния. Реже – ковкие сплавы системы алюминий – медь. Кремнийсодержащие сплавы в свою очередь делятся на две группы по содержанию в них кремния. Это – доэвтектические и заэвтектические. К первым относят сплавы с содержанием кремния до 12%, ко вторым – более 12%. У первых кремний в свободном виде, так называемый первичный кремний, отсутствует и весь он растворен в алюминии. Это АЛ-25, АЛ-30, АК12, Mahle 124. Вторая категория содержит кремний в свободном виде – в виде кристаллов, которые иногда видны невооруженным глазом на срезе или сломе образца. Известны АЛ-26, АК18, АК21, ВКЖЛС, Mahle 138, Mahle 224. Заэвтектические сплавы с содержанием 18% или 22% кремния применяются в основном для дизелей большого объема. Причина состоит в большей износостойкости и термопрочности, что важно для обеспечения ресурса седельных тягачей. В серийном производстве поршни из алюминиевых сплавов отливают.

Для снижения величины температурного расширения, а значит, и для получения многорежимных свойств используются стальные термокомпенсируюшие вставки внутри отливки. В мелкосерийном и штучном производстве для придания лучших механических характеристик заготовки поршней получают методом изотермической штамповки или жидкой штамповки. Высокие давления в процессе формирования поковок способствуют уплотнению материала и, как следствие, улучшению его свойств. Однако такая технология полностью исключает наличие любых вставок. Это обстоятельство делает изготовленные по такой технологии поршни в большей степени однорежимными. В основном такие поршни используются для сильно нагруженных моторов, выпускаемых малыми сериями. Спортивных, например. Для спортивных моторов, которые по назначению ближе к однорежимным, нашли применение сплавы алюминий – медь. Это АК‑4 – 1, Mahle YG. Заготовки из них также прессуют. В сравнении с силуминами они имеют лучшие физико-механические характеристики при рабочих температурах, но отличаются на 20% большим коэффициентом линейного расширения. Также к недостаткам можно отнести относительно быстрое старение и разрушение от усталостных напряжений. Тем не менее, в авиационных поршневых моторах, а также в автомобильных спортивных, которые ограничены по ресурсу и имеют повышенные требования к весу поршня, встречаются довольно часто.

Несколько слов об износе. Правильно подобранный под требования мотора поршень почти никогда не контактирует со стенкой цилиндра. Исключение составляют холодные пуски и работа под нагрузкой непрогретого мотора. Поэтому даже после значительного пробега, составляющего 200000 км и более, изменение размера юбки незначительно и лежит в пределах 0,01 – 0,03 мм, если двигатель без коллизий нормально изнашивался. Гильза же цилиндра, особенно в верхней ее части, может быть изношена кольцами до 0,15 мм. Но это совсем не означает, что поршень можно продолжать использовать и он в состоянии, близком к новому.

Основной параметр, по которому бракуется поршень, – износ канавок колец. Как правило, к этому сроку и форма, и размер канавки как минимум первого кольца за пределами допуска. Существенным обстоятельством не только износа, но и эффективности мотора является геометрия и состояние поверхности цилиндра. Во-первых, искажение цилиндричности точно так же влияет, как и неверная форма поршня в смысле сохранения зазоров в паре поршень – цилиндр. Наиболее вероятными причинами нарушения формы являются напряжения в блоке от крепежных элементов головки и КПП. Также важна микрогеометрия, г. е. глубина и форма хоновой сетки. Фирма Mahle, ведущий производитель поршней в Европе, считает, что преждевременный износ моторов, прошедших капитальный ремонт, в 80% случаев является следствием именно неправильного микрорельефа поверхности.

В заключение хочу сказать, что в данной статье я показал только некоторые аспекты функционирования поршневой группы. Я исходил из предположения, что читатель не является профессиональным двигателистом, однако интересуется работой мотора и тюнинг – его стиль жизни. Поэтому тут не затронуты многие вопросы, которые всегда стоят перед конструктором нового двигателя. Здесь только небольшое обобщение тех тем, которые по инициативе клиентов тюнингового подразделения компании «Дилижанс» и автоспортсменов обсуждались в различные периоды нашей деятельности.

Каким должен быть литраж?

Производители знают об изменчивости приоритетов автовладельцев, поэтому выпускают автомобили с различными типами двигателей.

Исходя из этого, все транспортные средства делятся на следующие классы:

• Микролитражные авто. Такие ТС имеют объем двигателя до 1,1 л.
• Малолитражки. Особенность этих машин — установка 1,2-1,7-литровых моторов. В нашей стране это наиболее востребованный вариант.
• Среднелитражные машины. Сюда входят ТС с рабочим объемом 1,8-3,5 л.
• Крупнолитражки — авто с 3,5 л и более.

Рассмотренное выше разделение носит условный характер и касается в большей части бензиновых моторов.

Если на авто установлен дизельный силовой агрегат, ситуация будет иной.

Существует еще один тип градации машин — по классам:

• В-класс — от 1,0 до 1,6 л.
• С-класс — от 1,4 до 2,0 л.
• D-класс — от 1,6 до 2,5 л.
• E-класс — от 2.0 л и больше.

При выборе машины стоит обращать внимание на условия эксплуатации транспортного средства. Если авто необходимо для перемещения движения по городу, лучшим вариантом будет малолитражка. Главное — наличие хорошей тяги на «холостых». При недостатке этого параметра двигатель будет тратить больший объем горючего, поэтому об обещанных 7-8 л можно не мечтать.

Также важно знать почему детонирует двигатель.

Стоит учесть, что при включении климат-системы потребление горючего возрастает и падает динамика авто. Если машина имеет мотор небольшой мощности, придется постоянно переводить ручку КПП на более низкую скорость.

Если авто будет использоваться для продолжительных путешествий, лучше отдать предпочтение ТС с большим рабочим объемом.

Причин здесь несколько:

• Уменьшается разница в расходе;
• Включение климат-системы почти не влияет на тягу;
• Под капотом будет присутствовать достаточный запас мощности, необходимый для быстрого обгона.

Зная рассмотренные нюансы, проще определиться с подходящим объемом двигателя. Важно ориентироваться не только на цифры, но и на реальные показатели — мощность, расход топлива и динамику.

Что считается рабочим объемом ДВС

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания — сложное инженерное устройство, включающее в себя множественные системы, электронные и механические компоненты, навесные агрегаты и дополнительное оборудование.

Принцип работы заключается в подаче топливовоздушной смеси в камеры сгорания силового агрегата, где эта смесь под давлением поджигается свечами зажигания или накаливания.

В результате горения (которое представляет собой микровзрыв) происходит выделение большого количества энергии, которая движет поршень, находящийся в цилиндре. Поршень воздействует на кривошипно-шатунный механизм, и энергия из поступательной превращается во вращательную. С ее помощью вращается коленчатый вал мотора. Далее крутящий момент от коленвала передается трансмиссии, а от нее уже на ведущую ось (или оси) автомобиля. Полуось вращает колесо — автомобиль едет.

Вышеуказанный процесс цикличен до тех пор, пока водитель не заглушит двигатель либо пока происходит подача топлива, и нет неполадок, препятствующих нормальному функционированию двигателя. Часть цилиндра, в которой происходит процесс горения топлива — это и есть камера сгорания. Ее объем называется рабочим объемом. Чтобы узнать объем двигателя, суммируйте рабочие объемы его камер сгорания (грубо говоря — сумма объемов цилиндров). Для выражения объема двигателя используются литры, а камер сгорания — сантиметры кубические.

Как пример рассмотрим часто встречающийся двухлитровый бензиновый четырехцилиндровый двигатель. Не претендуя на точность, предположим, что каждая его камера сгорания имеет рабочий объем 499 см3. Цилиндра у этого двигателя четыре, суммарный объем камер сгорания равен 1996 см3. Для выражения в литрах округлите эту цифру к ближайшей целой — 2 литра.

Поршень выполняет ряд важных функций

• обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
• отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
• обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания

Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях – при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы – термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами – литьем или штамповкой.

Что зависит от объема

Чем больше смеси топлива с воздухом попадает в цилиндры двигателя и сгорает там, тем больше энергии при этом выделяется. В цилиндры полуторалитрового мотора войдет за цикл намного меньше топлива, чем в трехлитровый, а значит — и больше энергии выйдет на вращение коленвала. Большой мотор — лучшая разгонная динамика, больше предельная скорость и крутящий момент. Но и большее потребление топлива.

Но с мощностью не все так очевидно. Применение турбин (принудительное нагнетание воздуха) позволило снимать больше мощности с единицы объема. Так, атмосферный двигатель Форд 1.6 л выдает мощность, равную 115 л.с., а 1-литровый Форд Экобуст с турбонаддувом — 125 л.с. И крутящий момент  у турбированных ДВС выше, и пиковое его значение доступно уже с низов.

Машины с большими объемами двигателей стоят дороже, чем такие же, но с меньшим объёмом. Дело в том, что себестоимость такого ДВС дороже, ему нужна другая трансмиссия, выхлопная и охлаждающая системы, другие тормоза и прочее.

По этой причине бюджетные автомобили, как правило, малолитражки, двигатели которых просты в изготовлении, не имеют сложных систем и электроники. Так как вес этих авто небольшой, то маленького моторчика хватает для комфортного перемещения по городу и сносной динамики. Невысокая стоимость в совокупности с низким расходом топлива делает их популярными у автолюбителей.

Почему названия модели больше не содержат в себе объем мотора

Когда на рынок пришли турбированные двигатели (дизельные и бензиновые), ориентироваться по «шильдикам», висящим на задней части машины, стало намного сложнее. Изначально все было понятно: «BMW 535D» — дизельный БМВ пятой серии с двигателем объемом 3.5 литра.

Мощный атмосферный пятилитровый мотор после установки турбонаддува уменьшает свой объем до 4.4 литра, но обозначается все равно как пятилитровый. Наглядно это видно на машинах Мерседес, которые уже отвязали названия своих моделей от объема. Например, версия «AMG63» уже давно не несет в себе 6.2-литровый двигатель. Вместо него теперь устанавливается ДВС объемом пять с половиной литров. Но модель все равно называется «AMG-63».

Как увеличить объем ДВС

Можно физически увеличить камеру сгорания путем расточки цилиндров. Это называется — форсирование двигателя. Сильно прирастить объем таким образом не получится — блоки цилиндров рассчитаны на свои пределы расточки, которые составляют не более трех капитальных ремонтов двигателя. При таких ремонтах цилиндры, имеющие уже от износа форму эллипса, растачиваются до придания им идеально круглой формы, туда устанавливаются ремонтные поршни с ремонтными кольцами и другие детали двигателя, имеющие увеличенный размер.

Купить поршни и прочие детали для двигателя авто можно только в максимальном размере, соответствующем третьему ремонту. Смысл более глубокого тюнинга пропадает из-за его нецелесообразности, так как дешевле и проще купить двигатель большего объема, а вот его уже можно расточить.

Конструкция поршня

Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:

• Головка поршня ДВС
• Поршневой палец
• Кольцо стопорное
• Бобышка
• Шатун
• Юбка
• Стальная вставка
• Компрессионное кольцо первое
• Компрессионное кольцо второе
• Маслосъемное кольцо

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.

Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций – плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения.  Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца

Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца –  предотвращают попадания газов в картер.

Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.

Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.

Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда – пружинным расширителем.

Поршневой палец

Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.

Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.

Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.

Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.

Обязательный процесс работы поршневого устройства – это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:

• разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
• движением масла по змеевику в поршневой головке;
• подачей масла в область колец через кольцевой канал;
• масляным туманом

Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня – маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.

В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива, которое используется.

Днище

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения.  Для снижения трения используется моторное масло. Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.

Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.

В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под поршневой палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.

Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.

Отвод излишков тепла от поршня

Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:

• системой охлаждения от стенок цилиндра;
• внутренней полостью поршня, далее — поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
• частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.

С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:

• разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
• масляного тумана в полости цилиндра;
• впрыскивания масла в зону колец, в специальный канал;
• циркуляции масла в головке поршня по трубчатому змеевику.

Юбка

Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:

• высокую механическую прочность;
• хорошую теплопроводность;
• малую плотность;
• незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства;
• хорошую коррозионную устойчивость.

Требуемым параметрам соответствуют специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть:

• литыми;
• коваными.

В первом варианте их изготовляют путем литья под давлением. Кованые изготовляются методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (в среднем, порядка 15 %), что значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения поршня в диапазоне рабочих температур.

На какие характеристики влияет литраж?

Как уже отмечалось, чем выше объем цилиндра, тем больше топливной смеси может в него поступить. Получается, что при сгорании горючего в цилиндре более «емкого» двигателя энергии получается больше.

Результатом является увеличение мощности силового узла и улучшение общих динамических качеств авто.

Но имеется и недостаток. Двигатели с большим рабочим объемом отличаются прожорливостью. Это легко доказать в цифрах.

Среднестатистический мотор на 1,5 литра потребляет в условиях города 9-10 л на «сотню» пути.

Для двигателей объемом 2,0 л и более этот параметр выше — 12-13 л. При движении вне населенных пунктов и по хорошей дороге разница меньше — 6-7 л и 8-9 л соответственно.

Причина повышенного потребления заключается в большем объеме горючего, которое впрыскивается в камеру сгорания в процессе работы.

Благодаря этому, машина разгоняется до нужной скорости быстрее, что уменьшает время работы мотора на неэкономичном режиме.

Привычная зависимость, что с ростом объема увеличивается мощность, характерна для легковых транспортных средств. В случае с грузовым транспортом ситуация выглядит по-другому.

Так, большой литраж не означает, что двигатель имеет запредельное число лошадиных сил. Для таких автомобилей на первом месте стоит момент вращения на всех диапазонах оборота коленчатого вала.

Например, автомобиль КАМАЗ-54115 с мотором на 1085 куб. см имеет один цилиндр с таким же литражом, как у всего двигателя малолитражного авто.

Несмотря на столь высокие показатели, мощность находится на уровне 240 лошадиных сил.

Для сравнения БМВ модели X5 имеет 3-литровый мотор, который выдает 218 «лошадей».

Но хотелось бы отметить, что на современные грузовые авто (тот же КАМАЗ) ставятся силовые агрегаты на 11.76 л мощностью до 400 «лошадок», что больше соответствует реалиям.

Особенности расчета

От объема двигателя зависит, сколько горючего можно подать в полость цилиндра. Следовательно, чем больший объем топливной смеси поступает в камеру сгорания, тем на более существенный объем энергии можно рассчитывать.

Формула расчета объема цилиндров имеет следующий вид:

Здесь π равно 3,14 (фиксированная величина), r — радиус цилиндра машины, а h — его высота. Можно проводить расчеты через диаметр, разнице нет.

Кроме того, формула для расчета объема может выражаться, как площадь поперечного сечения, умноженная на высоту в точке, когда поршень расположен в нижней мертвой позиции.

С учетом вышесказанного можно сделать следующий вывод, расчетный объем мотора — это:

• Сумма объемов каждого из цилиндров;
• Произведение объема одного цилиндра на их общее число в двигателе.

Единица измерения — литры или кубические сантиметры. При этом 1000 см3 равно одному литру.

Если объем мотора показывается в литрах, производитель округляет число до целого. Так, если параметр имеет размер 1598 куб. см, в литрах это 1,6.

Классификация автомобилей по классам в зависимости от объёма двигателя

Каждый крупный автопроизводитель имеет в своей модельной линейке машины разного класса, веса, размера. Касательно легковых автомобилей, то условно их принято делить на:

• Компактные  и микролитражные (рабочий объем ДВС до 1.2 литра).
• Автомобили малого класса (объем 1.2-1.8) литра.
• Автомобили среднего класса (1.8-3.5 л).
• Мощные спорткары и гражданские автомобили с рабочим объёмом более 3.5 литра.
• Представительские машины с моторами различного объема.

Ещё кое-что полезное для Вас:

• Перегрев двигателя: признаки, причины и последствия
• Почему стучит двигатель на холодную или горячую, причины
• Машина не заводится при нормально работающем стартере: возможные причины

Плюсы и минусы большеобъемных двигателей

• изначальная цена автомобиля;
• высокий расход топлива;
• высокие траты на ТО (больше масла, больше антифриза и т.д.);
• большие затраты на капитальный ремонт;
• высокие налоги и таможенные пошлины (если машина ввозится из-за границы).

• высокая мощность автомобиля;
• большой ресурс самого двигателя;
• комфорт при езде;
• реже приходится переключать передачи на МКПП;
• безопасность при обгоне;
• такие двигатели быстрее и лучше прогреваются в холодный период.

Большие бензиновые атмосферные силовые агрегаты менее требовательны к качеству топлива, чем турбированные малообъемники.

Несколько слов о турбированных моторах и атмосферных

Стоит понимать, что обычный атмосферный ДВС более надежен. Бензиновый турбо-двигатель 1.8-2 литра, имеющий мощность 200 л.с., даже при самом качественном обслуживании попросит капитального ремонта на 180-230 тысяч км пробега. А вот атмосферный 3.5-литровый ДВС, имеющий такую же мощность (или чуть выше), легко отходит 350 тысяч км до первого серьезного ремонта.