Общие сведения о повреждениях поршня из-за нарушений режима сгорания

Нарушения режима сгорания в двигателях с принудительным воспламенением смеси

Обычное сгорание топливно-воздушной смеси в цилиндре осуществляется в точно определенном процессе.

Воспламенение начинается от искры свечи зажигания незадолго до достижения верхней мертвой точки. Пламя распространяется в виде круга от свечи зажигания и проходит камеру сжигания с постоянно растущей скоростью сжигания от 5 до 30 м/с. В результате этого давление в камере сгорания резко поднимается и достигает максимального значения сразу после верхней мертвой точки. Для уменьшения нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма скорость роста давления на градус угла коленчатого вала не должна превышать 3,5 бар. Этот обычный процесс воспламенения может, однако, быть нарушен различными воздействиями, что можно обобщить, в основном, в виде трех совершенно разных случаев нарушений режима сгорания:

  1. Калильное зажигание (преждевременное воспламенение): оно приводит к термической перегрузке поршня
  2. Детонационное зажигание: оно приводит к эрозионному съему материала и к механической перегрузке на поршне и на кривошипно-шатунном механизме
  3. Переполнение топливом: он приводит к износу с излишним расходом масла и также к заеданию поршня.

На рис. 1 представлены различия между обычным зажиганием, детонационным зажиганием и калильным зажиганием по времени.

К пункту 1. Калильное зажигание (преждевременное воспламенение):

При калильном зажигании воспламенение начинается каленной деталью в камере сгорания уже до самого момента зажигания. Это может быть горячий выпускной клапан, свеча зажигания, детали уплотнения и отложения на названных деталях и поверхностях, находящихся вокруг камеры сгорания. При калильном зажигании пламя воздействует на конструктивные элементы неконтролируемо, в результате чего температура в днище поршня очень сильно повышается, достигая при продолжающемся калильном зажигании уже в течение нескольких секунд точки плавления материала поршня. В двигателях с камерами сгорания, в основном имеющими форму полусферы, это в днище поршня приводит к дырам, возникающим в продолжении оси свечи зажигания.

В камерах сгорания с большими сжимными поверхностями между днищем поршня и головкой цилиндра плавится жаровой пояс в точке с наибольшей нагрузкой, что доходит часто до маслосъемного кольца и до внутренней части поршня.

Объяснение:

сжимной поверхностью в производстве двигателей называется та поверхность на днище поршня, которая находится довольно близко к головке цилиндра в верхней мертвой точке. При перемещении поршня вверх в направлении верхней мертвой точки свежие газы выдавливаются из этой узкой щели в направлении середины камеры сгорания, что обеспечивает завихрение газов и тем самым улучшает сгорание смеси.

Детонационное горение, приводящее к высокой температуре поверхности отдельных деталей камеры сгорания, может также вызвать калильное зажигание.

К пункту 2: Детонационное зажигание:

При детонационном воспламенении зажигание обычно начинается искрой свечи зажигания. Распространяющееся от свечи зажигания пламя создает волну давления, вызывающую в несгоревшем газе критические реакции. В связи с этим в смеси остаточного газа во многих местах одновременно возникает самовоспламенение. Скорость сжигания возрастает в 10–15 раз. Рост давления на градус угла поворота коленчатого вала и пиковые значения давления существенно повышаются.

Кроме того, в ходе расширения образовываются высокочастотные колебания давления.

Дополнительно поверхности, замыкающие камеру сгорания, сильно нагреваются. Камеры сгорания, из которых в процессе сжигания удалены остатки, являются однозначным признаком детонационного горения. Легкие детонации с прерываниями большинство двигателей выдерживает в течение длительного времени без повреждений.

Сильные, продолжающиеся детонации приводят к эрозионному съему материала поршня на жаровом поясе и на днище поршня. Головка цилиндра и прокладки головки блока цилиндра также могут быть повреждены. Детали в камере сгорания (напр., свеча зажигания) могут при этом настолько сильно нагреться, что это приводит к калильному зажиганию (преждевременное воспламенение) с термической перегрузкой поршня (прогары и отложения).

Тяжелые постоянные детонации по истечении короткого времени приводят к поломкам перемычки колец и юбки поршня, причем обычно без прогаров и отложений и без задиров.

На рис. 1 графически представлена кривая давления в камере сгорания. Синяя линия показывает кривую давления при обычном сжигании. Красная линия показывает кривую давления при детонационном горении, на которое наложены пиковые значения давления.

К пункту 3: Переполнение топливом:

Слишком богатая смесь, уменьшающееся давление сжатия и нарушения режима зажигания вызывают неполное сжигание с переполнением топливом. Смазка поршней, поршневых колец и рабочих поверхностей цилиндров все больше и больше теряет эффективность. Последствием являются полусухое трение с износом и расходом масла, а также задиры (подробности приведены также в разделах «Расход масла» и «Задиры поршня»).

Нарушения режима сгорания в дизельных двигателях

Для оптимального процесса сжигания в дизельном двигателе наряду с механически безупречным состоянием двигателя важную роль играет также крайне тонкое и очень точное распыление форсункой, а также правильное начало впрыска. Только таким образом впрыскиваемое топливо может воспламеняться с наименьшей задержкой зажигания и сгорает без остатков при нормальной характеристике давления. На этот нормальный процесс сжигания, однако, может отрицательно повлиять ряд факторов.

В основном, имеется три существенных вида нарушений режима сжигания:

  1. задержка зажигания
  2. неполное сгорание
  3. подтекание топлива из форсунок


К пункту 1: Задержка зажигания:

Впрыскнутое в начале впрыска топливо воспламеняется лишь с определенной задержкой (задержка зажигания) при недостаточно тонком распылении и попадании в цилиндр не в нужный момент или если температура сжатия в момент впрыска недостаточно высока. Степень распыления зависит только от состояния форсунки. Форсунка, безупречно впрыскивающая при испытании на приборе контроля форсунок, может, однако, заклиниваться при монтаже в головке цилиндра или от температурных напряжений настолько, что в работе уже не будет безупречного распыления. Температура сжатия зависит от давления сжатия и тем самым от механического состояния двигателя. Холодный двигатель всегда имеет определенную задержку зажигания. Холодные стенки цилиндра при сжатии забирают столько тепла из еще более холодного всасываемого воздуха, что в момент начала впрыска имеющаяся температура сжатия оказывается недостаточной для того, чтобы немедленно воспламенить впрыскиваемое топливо. Лишь при продолжающемся сжатии температура зажигания достигается и впрыснутое до тех пор топливо воспламеняется внезапно. Это вызывает резкое взрывообразное повышение давления с образованием шума и сильный нагрев днища поршня. Последствием являются поломки в кривошипно-шатунном механизме, напр., перемычек колец, поршня, и трещины в днище поршня.

К пункту 2: Неполное сгорание:

Если топливо попадает в камеру сгорания не в нужный момент или без распыления, оно не может сжигаться без остатков за имеющееся в распоряжении короткое время. То же самое происходит, если в цилиндр попадает недостаточное количество кислорода, т. е., всасываемого воздуха. Причинами могут быть забитый воздушный фильтр, неправильное открытие впускных клапанов, дефекты в турбонагнетателе или износ поршневых колец или клапанов. Несгоревшее или не полностью сгоревшее топливо частично отлагается на стенках цилиндра и понижает эффективность смазочной пленки или разрушает ее. Рабочие поверхности и боковые поверхности поршневых колец, боковые стороны пазов поршней, рабочая поверхность цилиндра и в конечном счете также юбка поршня из-за этого подвергаются сильному износу или же появляется заедание. В результате этого расход масла повышается и мощность понижается (примеры повреждений см. в разделах «Расход масла» и «Задиры от работы всухую»).

К пункту 3: Подтекание топлива из форсунок:

Чтобы форсунки после конца впрыска из-за колебаний давления от напорного клапана топливного насоса высокого давления через топливопроводы высокого давления до форсунок не открылись повторно, в системе снижается давление на определенную величину через напорный клапан топливного насоса высокого давления. Если давление впрыска форсунок отрегулировано на слишком низкое значение или если оно не может поддерживаться постоянно (механические форсунки), форсунки могут еще несколько раз подряд открываться из-за колебаний давления в топливопроводе высокого давления несмотря на понижение давления после конца впрыска. Негерметичные форсунки или подтекание топлива из форсунок вызывает также неконтролируемую подачу топлива в камеру сгорания.

Из-за отсутствия кислорода топливо, впрыскиваемое неконтролируемо, в обоих случаях попадает на днище поршня в несгоревшем виде. Там топливо накаливается при довольно высоких температурах и нагревает материал поршня в этом месте настолько сильно, что динамические силы и эрозия газов сжигания отрывают частицы поршня от его поверхности.

Следствием этого является существенный съем материала или эрозионное разрушение на днище.

Прогар на головке и юбке поршня (двигатель с принудительным воспламенением смеси)

Описание повреждения

На головке поршня имеется прогар поршня за кольцами. Юбка поршня не имеет задиров, лишь со стороны повреждения на юбку поршня попал материал поршня.

Оценка повреждения

Прогары в головке поршня двигателей с принудительным воспламенением смеси являются последствием калильного воспламенения на поршнях с преимущественно ровным днищем и большими сжимными поверхностями. Калильное зажигание вызывается накаленными деталями в камере сгорания, если их температура превышает температуру самовоспламенения газовой смеси. Это в основном свеча зажигания, выпускной клапан и другие остатки, прилипающие к стенкам камеры сгорания. В зоне сжимных поверхностей головка поршня очень сильно нагревается калильным зажиганием. Температура повышается до такой степени, что материал поршня становится мягким. Из-за динамических сил и проникающих в место повреждения газов сжигания материал снимается до маслосъемного кольца.

Возможные причины повреждения

  • свечи с недостаточным калильным числом
  • слишком бедная смесь и в результате этого повышенные температуры сжигания.
  • Поврежденные, негерметичные клапаны или слишком маленький клапанный зазор. Поэтому клапаны неправильно закрываются. От протекающих газов сжигания клапаны сильно нагреваются и накаливаются. В первую очередь это касается выпускных клапанов, потому что впускные клапаны охлаждаются свежими газами.
  • Накаленные остатки сжигания на днищах поршней, головке цилиндров, клапанов и свеч зажигания.
  • неподходящее топливо со слишком низким октановым числом. Качество топлива должно соответствовать степени сжатия двигателя, т. е., октановое число топлива должно покрыть октановую потребность двигателя во всех режимах работы.
  • дизельное топливо в бензине и в результате этого понижение октанового числа топлива.
  • большое количество масла в камере сжигания из-за высокого расхода масла на поршневых кольцах или на направляющей клапана.
  • высокая температура двигателя или всасываемого воздуха из-за недостаточной вентиляции моторного отсека.
  • общий перегрев.

Прогары и отложения на головке поршня (дизельный двигатель)

Описание повреждения

Зона днища и жарового пояса полностью разрушена (рис. 1). Жаровой пояс прогорел до упрочняющей вставки. Расплавленный материал поршня продвинулся по юбке поршня и вызвал там также повреждения и задиры. Упрочняющая вставка первого компрессионного кольца сохранилась частично только еще на левой стороне поршня.

Остаток упрочняющей вставки отсоединился во время работы от поршня и вызвал в камере сгорания другие разрушения.

Части поршня отлетали с такой силой, что попали через впускной клапан во впускной коллектор и тем самым также в смежный цилиндр и там также нанесли повреждения (следы ударов).

к рис. 2:

в направлении впрыска одной или несколькими струями форсунок на днище поршня и на краю жарового пояса появились эрозионные прогары. Юбка поршня и зона поршневых колец не имеют задиров.

Оценка повреждения

Повреждения такого рода возникают особенно в дизельных двигателях непосредственного впрыска. Предкамерных дизельных двигателей это касается только в том случае, если одна из предкамер повреждена и в результате этого предкамерный двигатель превращается в двигатель непосредственного впрыска.

Если форсунка соответствующего цилиндра не поддерживает давление впрыска после окончания процесса впрыска и давление падает, вибрации в топливопроводе высокого давления могут еще раз поднять иглу форсунки, так что после окончания процесса впрыска снова впрыскивается топливо в камеру сгорания (механические форсунки). Если кислород в камере сгорания исчерпан, то отдельные капли топлива протекают через всю камеру сгорания и попадают на днище перемещающегося вниз поршня ближе к краю. Они быстро догорают там при нехватке кислорода, причем образуется довольно много тепла. При этом материал в этих местах смягчается. Динамические силы и эрозия быстро протекающих газов сжигания вырывают отдельные частицы из поверхности (рис. 2) или снимают головку полностью, что приводит к повреждениям, показанным на рис. 1.

Возможные причины повреждения

  • негерметичные форсунки или тяжело перемещающиеся или заклинившиеся иглы форсунок.
  • поломанные или ослабившиеся пружины форсунок.
  • дефектные клапаны понижения давления в топливном насосе высокого давления
  • количество впрыскиваемого топлива и момент впрыска не отрегулировано по инструкции изготовителя двигателя.
  • в предкамерных двигателях: дефект предкамеры, но только в сочетании с одной из вышеназванных причин.
  • задержка зажигания из-за недостаточного сжатия в результате слишком большого зазора, неправильных фаз газораспределения или негерметичных клапанов
  • слишком большая задержка из-за несклонного к воспламенению дизельного топлива (слишком низкое цетановое число).

Трещины в днище и в углублениях днища (дизельный двигатель)

Описание повреждения

Головка поршня имеет трещину от напряжения, которая распространяется односторонне от днища поршня до отверстия для поршневого пальца (рис. 1 и рис. 2). Горячие газы сжигания, протекавшие через трещину, прожгли канал в материал поршня, проходящий от углубления до литейной канавки под маслосъемным кольцом наружу.

Оценка повреждения

Из-за высокой термической нагрузки материал поршней в предкамерном двигателе сильно нагревается в местах попадания предкамерных струй и в двигателе непосредственного впрыска на краю углубления. В нагретых местах материал сильнее расширяется, чем в других местах. Поскольку перегретые места окружены холодным материалом, материал подвергается постоянной выходящей за пределы эластичности деформации в горячем месте перегрузки. При остывании происходит точно наоборот. В местах, в которых материал сначала подвергался обжатию и затем вытеснению, вдруг возникает нехватка материала.

В результате этого в этой зоне появляются соответствующие напряжения при растяжении, которые вызывают трещины от напряжения (рис. 3 и рис. 4). Если на напряжения от термической нагрузки наложены еще напряжения от прогибания пальца, из трещины напряжения образовывается иногда широкая основная трещина, которая приводит к полной поломке и выходу поршня из строя.

Возможные причины повреждения

  • дефектные или неправильные форсунки, нарушения в работе топливного насоса высокого давления, повреждения на предкамере.
  • высокая температура из-за дефектов в системе охлаждения.
  • дефекты на моторном тормозе или чрезмерное его использование. Впоследствии возникает перегрев.
  • недостаточное охлаждение поршней с охлаждающим каналом, напр., из-за забитых или изогнутых форсунок охлаждающего масла.
  • в двигателях с часто меняющейся нагрузкой, напр., в городских автобусах, землеройных машинах и т. д., названные факторы могут быть особенно критичными.
  • использование поршней неправильной спецификации, напр., монтаж поршней без охлаждающего канала, хотя нужно было использовать поршень с охлаждающим каналом, монтаж поршней других изготовителей, не усиленных волокнистыми вставками на краю углубления.
  • монтаж поршней с неправильной для двигателя формой углубления. см. к этому также пункт «3.4.7 Задиры в головке поршня в результате использования неправильных поршней».

Поломки перемычек между канавками колец

Описание повреждения

На одной стороне поршня поломана перемычка между канавками для первого и второго компрессионных колец (рис. 1). Трещина начинается на верхней кромке перемычки на дне канавки и проходит под углом в материал поршня. Вблизи нижней кромки трещина снова идет к наружной стороне и выходит наружу на нижней кромке перемычки или немного ниже на дне канавки.

Продольные трещины в перемычках между канавками, ограничивающие трещину перемычки сбоку, расширены книзу. Задиры поршня или перегревы не имеются.

Оценка повреждения

Дефекты материала не являются причиной трещины перемычек, хотя это часто предполагается в случае повреждений. Такие трещины всегда являются последствием перегрузки материала. Можно подразделить эти перегрузки на 3 причины:

детонационное сгорание:

Это означает, что октановое число топлива не покрывает потребность двигателя во всех режимах работы и нагрузки. (см. также пункт «3.4.0 Общие сведения о повреждениях из-за нарушений режима зажигания в двигателях с принудительным рис. 2 Кольцевое поперечное ребро воспламенением смеси»).

Трещины перемычек между канавками из-за детонационного зажигания возникают большей частью на нагруженной стороне.

В дизельном двигателе детонационное зажигание может быть вызвано только задержкой зажигания.

Гидравлические удары:

В неработающем или работающем двигателе жидкость (вода, охлаждающее средство, масло или топливо) попадают невольно в камеру сгорания. Поскольку жидкости не поддаются сжатию, в такте сжатия появляется огромная нагрузка на поршень и кривошипно-шатунный механизм. Неизбежным следствием являются трещины на перемычках между канавками, трещины на ступицах или повреждения на шатунах или коленчатом валу.

Рис. 3 показывает процесс поломки, который появляется при детонационном сгорании и при гидравлических ударах. Поверхности лома при этом расширены вниз, потому что усилие, вызвавшее поломку, воздействует сверху на перемычку между канавками.