Поршень – один из основных элементов двигателя внутреннего сгорания. Он преобразует энергию сгоревших газов в механическую. Условия работы поршня крайне неблагоприятные. На него действуют механические нагрузки от давления газов и сил инерции, высокие тепловые нагрузки в периоды непосредственного соприкосновения его с горячими газами при сгорании топлива и расширении продуктов сгорания. Дополнительно поршень нагревается от трения о стенки цилиндра.

Поршни двигателей внутреннего сгорания должны иметь достаточную прочность, жесткость при незначительной массе (для уменьшения сил инерции), обладать высокой теплопроводностью и износостойкостью. В современных двигателях наибольшее распространение получили поршни из алюминиевых сплавов. Такие материалы по большинству своих параметров удовлетворяют требованиям, предъявляемым к поршням. Но одним из недостатков алюминиевых сплавов является их низкая тепловая стойкость (повышение температуры до 300 °C приводит к снижению механической прочности алюминия на 50-55 %)

Из приведённых ниже рисунков видно, что температура нагрева поверхности поршня распределена неравномерно как в поперечном сечении (Рис 1), так и в окружном (Рис 2).

Рис №1 Рис №2

Уровень температур в отдельных точках поршня приближается к критическим значениям. И не удивительно, что при сбоях в работе двигателя могут наступить такие условия, при которых в отдельных точках поршня металл не в состоянии противостоять высоким температурам, и мы сталкиваемся с явлением называемым «Прогар поршня». Иногда «сбои» бывают и рукотворные. К примеру, форсируя двигатель по мощности можно как побочный результат получить прогар поршней.

Из вышеизложенного напрашивается вывод – перегрел двигатель – получи прогар поршня, но практика этого не подтверждает. Тут объяснение может быть простым: для того чтобы поршень прогорел требуется время, но за это время двигатель успевает выйти из строя по другим причинам - задиры головки поршня, залегания колец. То есть зафиксировать в двигателе в чистом виде явление «прогар поршня» можно когда этот дефект развивается в основном без сопутствующих дефектов (обычно задиров). Такое случается при локальных перегревах двигателя. Когда в отдельные моменты работы двигателя могут чрезмерно повышаться температуры без существенного изменения общей тепловой напряжённости двигателя. Это сбои в процессах, протекающих в камерах сгорания двигателей.

В процессе горения участвует топливо и кислород воздуха. Рассмотрим каждую из составляющих процесса горения.

Топливо . Топливо на перегрев двигателя может влиять прямо – некачественное низкооктановое топливо приводит к детонации двигателя и косвенно, через топливную аппаратуру – некачественный распыл топлива в результате неисправностей топливоподающей аппаратуры, использование нештатных распылителей.

Детонация происходит в двигателях с внешним смесеобразованием (бензиновых). При этом процессе в реакцию одновременно вступает весь объём топливной смеси (при нормальном горении фронт пламени распространяется от свечи зажигания). Резко повышается давление и температура. При этом значение этих параметров значительно превосходят нормальные рабочие величины. В виду быстротечности процесса сильно перегреваются поверхности, контактирующие с раскалёнными газами (тепло не успевает отводиться). Высокое давление в камере сгорания способствует интенсификации прорыва газов через уплотнения (поршневые кольца) и неплотности (в клапанах). В сочетании с высокой температурой прорывающиеся газы просто вымывают металл с образованием характерных следов износа (Фото.1)

Фото №1 Разрушение поршня автомобиля Мазда в результате детонации. Отчётливо просматривается след вымывания металла потоком прорывающегося газа.

Неисправности топливной аппаратуры могут привести к нарушению течения процесса горения, в результате чего горение топлива растягивается по времени. Такие явления можно наблюдать на двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях). Плохой распыл топлива, попадание топлива на поршень (для тех процессов, где это не предусмотрено) приводит к перегреву днища поршня его оплавлению, прогоранию (Фото. 2).

Воздух - вторая составляющая процесса горения.

Недостаток кислорода воздуха приводит к изменению процесса горения. Процесс горения растягивается по времени (это касается двигателей с внутренним смесеобразованием). Далее процесс развивается аналогично процессу с некачественным распылом топлива. Причины недостатка воздуха – несвоевременное обслуживание воздухофильтров (особенно при работе в условиях повышенной запылённости), неисправности узла наддува (турбокомпрессор, нагнетатель) если такой стоит на двигателе.

Фото №2 Поршень автомобиля HOWO. Оплавление днища поршня.

В двигателе обнаружилось большое количество пыли, использовались нештатные распылители .

Прогорание поршня обычно происходят в зонах максимальных температур (кромки камеры сгорания, зона расположения выхлопного клапана). На рис 2 видно характерное распределение температур по поверхности днища поршня. Можно с меньшей вероятностью ожидать появления прогорания на первом и последнем поршнях двигателя, поскольку их тепловое состояние не столь напряжённое, чем у поршней расположенных в средней части двигателя.

Резюме - На работе поршня сказывается множество факторов и невозможно однозначно дать ответ прогорит конкретный поршень или произойдет, какой -то иной дефект. Можно оценить вероятность свершения того или иного события. И для того чтобы не допустить наступление такого неприятного события как прогар поршня необходимо соблюдать правила записанные в РЭ. Ведь прогар поршня – это чисто эксплуатационный дефект.

Изучение различных повреждений поршней показывает, что все причины дефектов и поломок делятся на 4 группы:

• перебои охлаждения
• несовершенство смазки
• неумеренно большое термосиловое влияние со стороны газов в камере сгорания
• механические проблемы.

Совместно с тем многие причины возникновения дефектов поршней взаимосвязаны, как и функции, выполняемые его различными элементами. В частности, дефекты уплотняющего пояса вызывают перегревание поршня , повреждения огневого и направляющего поясов, а задир на направляющем поясе ведет к нарушению уплотнительных и теплопередающих свойств поршневых колец.

В конечном счете это скорее всего спровоцирует прогар огневого пояса.

Почему прогорел поршень

Бедная горючая смесь

На 1 л бензина включает больше 16 кг кислорода. Она горит не очень быстро, мотор перегревается , падает энергия, как итог перегревается весь двигатель. Поршень в этом списке ключевой, ибо он алюминиевый (если не учитывать тюнингованные поршни) и находится прямо в зоне горения топлива. Как общеизвестно алюминий плавится около 660 °С, а когда размыслить, что предельно допустимая температура двигателя лишь 150 градусов, а потом 200 °С уже никакое масло не смазывает, то не долго расчитать, что бедная смесь всё таки способна накалить детали в середине мотора более нежели в 4 раза больше.

Плохой бензин

Бодяжный бензин прожигает поршень по той же причине — в результате перегрева. Потому, что бензин, который мы заливаем себе в бензобак, частенько, бензином зваться не может. Правильный бензин горит при достаточно низкой температуре, при этом очень усиленно расширяясь, ведь сущность любого газа, загоняемого в верхнюю мертвую точку (ВМТ ), заключается в том, чтоб он предельно расширился относительно своего первоначального объёма, тем самым предельно убедительно толкая поршень книзу, а горение и выделяемая температура — это всё побочные эффекты, лишенный которых двигатель бы прекрасненько обходился. В плохом бензине, как и в нормальном, есть такие составляющие, как бензол, газолин и другие нехорошые вещества. Дело в том, что содержатся они в низкокачественных “бензинах” абсолютно в других пропорциях, а собственно в бОльших пропорцих, чем допускают стандарты.

Прогорел поршень признаки и симптомы

Эти два диво-компонента горят, выделяя побольше тепла и при этом имеют малый коеффицент расширения при сгорании, а и при этом ещё и, будучи в составе бензина, замедляют темп горения, снижая мощь. Следовательно, при езде на таком топливе для достижения должной тяги требуется петлять ручку газа больше, чем при езде на нормальном бензине, но вот несчастье: необходимую тягу мы получаем в комплекте с гораздо большей температурой горения и перерасходом топлива, а результатом этого и есть дыра в поршне.

На работе поршня сказывается множество факторов и невозможно однозначно дать ответ прогорит конкретный поршень или произойдет, какой-то иной дефект. Можно оценить вероятность свершения того или иного события. И для того чтобы не допустить наступление такого неприятного события как прогар поршня необходимо соблюдать правила записанные в РЭ. Ведь прогар поршня это чисто эксплуатационный дефект.

Каждый поршень в двигателе вашего автомобиля снабжен двумя раздельными кольцами сжатия на головке поршня и сборным маслосъемным кольцом на юбке поршня. Кольца катаются в кольцевых канавках внутри поршня. Кольца сжатия сдерживают давление от расширяющихся газов внутри камеры сгорания, помогая использовать энергию, произведенную во время предотвращения попадания картерных газов в картер двигателя. Маслосъемное кольцо соскребает излишки масла со стенок цилиндра перед кольцами сжатия, чтобы предотвратить попадание масла в камеру сгорания. Поломка какого-либо из этих колец приведет к потере производительности, если есть другие проблемы и симптомы.

Сломанные кольца сжатия

Результат от сломанных колец сжатия незамедлительно обнаружит себя в виде потери мощности, неровного холостого хода и, возможно, неисправности в работе поврежденного цилиндра. Недостаточное сдерживание дымовых газов приведет к попаданию картерных газов в картер двигателя и их принудительному выходу через систему вентиляции картера. Клапан вентиляции картера, вероятнее всего, находится на крышке клапана. Отсоедините вытяжную трубку от клапана вентиляции картера, и если вы заметите сильный запах или выход дыма из клапана, то велик шанс того, что кольца сжатия сломаны.

Кроме очевидных проблем в производительности двигателя, со временем могут развиться и другие проблемы. К примеру, дизельный двигатель, работающий на высокосернистом топливе для морских или сельскохозяйственных машин, может быть сильно поврежден в связи с потерей компрессии. Частично сгоревшее топливо ударяет в кольца, а сера из топлива перемешивается с водой, присутствующей в масле, и в результате химической реакции превращается в серную кислоту, которая повреждает внутренние компоненты двигателя.

В бензиновых двигателях топливо работает как растворитель, который разжижает масло и способствует исправной защите внутренних деталей. Проверьте компрессию с помощью тестера. Обычно компрессия должна быть примерно 11-12 бар с разностью между цилиндрами не более чем 15%. Если на одном из цилиндров компрессия меньше этих значений, то, скорее всего, на нем сломано кольцо.

Сломанное маслосъемное кольцо

Сломанное сборное маслосъемное кольцо можно распознать по качеству выхлопных газов, которые становятся голубого цвета и имеют явный запах масла. Выхлопные газы выделяются в виде клубов синего дыма за цикл работы испорченного цилиндра, а выхлоп нормального вида – за цикл работы исправных цилиндров. Эти отрывистые клубы позволяют легко провести визуальную диагностику. Другие симптомы включают потери масла при отсутствии утечек, а также масляные отложения на свече зажигания неработающего цилиндра.

Механические повреждения

Кроме вреда, нанесенного картерными газами, несоответствующей смазкой и свободными углеводородами, содержащимися в масле, существуют очевидные механические повреждения. Края колец могут выдавить стенки цилиндра, препятствуя хорошему контакту других колец со стенками цилиндра, и усугубить симптомы. Кольцевая канавка в поршне может быть повреждена, а поскольку стенки цилиндра и кольца тверже, чем алюминиевый поршень, то и сам поршень может повредиться или частично разрушиться, что приведет к более серьезным повреждениям.

Поскольку любые частички оседают на дне картера двигателя, провоцируя возможный больший вред, то следует заменить сломанные кольца незамедлительно. Можно снять крышку блока цилиндров для осмотра поврежденных стенок цилиндра или использовать механическую камеру, пропущенную через отверстие свечи зажигания. Это будет наименее агрессивная процедура.

Причины поломки колец

Так как кольца были должным образом подобраны по размеру и установлены во время сборки двигателя, то любое повреждение в кольцах, вероятно, было вызвано иными механическими проблемами. Когда двигатель перегревается, то поршень расширяется, уменьшая зазор между поршнем и цилиндром. Этот уменьшенный зазор может приводить к передаче металла от поршня к цилиндру, или к так называемому истиранию.

Перенесенный алюминий может собираться на стенке цилиндра и провоцировать протечку или поломку верхнего компрессионного кольца. Маслосъемные кольца могут сломаться, если есть увеличенный зазор между поршнем и цилиндром, при этом происходят слишком сильные хлопки поршня. Может быть повреждена юбка поршня (а фактически сами станки цилиндра), и это, в свою очередь, может уничтожить сборное маслосъемное кольцо.

Дефекты в механической части двигателя не появляются сами собой. Неисправная топливная аппаратура в дизельных двигателях может приводить к прогоранию поршней и другим неприятным последствиям.

Поршень – один из основных элементов двигателя внутреннего сгорания. В дизельном двигателе поршень работает при высоких тепловых нагрузках, высоком давлении, трении и т.д. Малейшая проблема механического или теплового характера неизбежно приводит к поломке.

Распространенная проблема – стук в цилиндре и сизый дым. Из-за дефектных поршневых колец масло попадает в камеру сгорания. Результат - прогорание поршня. Также нередко прогорают поршни из-за «льющей» форсунки. Форсунка заклинивает в открытом положении и топливо льется в течении всего цикла сгорания. Часто поршень прогорает из-за неравномерного распределения тепла. Неисправная масляная форсунка (форсунка охлаждения поршня) или проблемы в водяном охлаждении приводит к перегреву и прогоранию поршня.

Многие факторы могут сойтись одновременно. Зазоры, огромное давление в цилиндре, неравномерное распределение тепла, качество топлива, работа форсунок и т.д. в конечном счете приводят в общем к выходу двигателя из строя, а в частности к прогоранию поршня.

Возможные причины прогорания поршня:

• неисправные форсунки;
• дефекты в топливном насосе;
• не отрегулировано количество впрыскиваемого топлива и момент впрыска;
• недостаточное сжатия, неправильная фаза газораспределения, негерметичные клапаны;
• масло в камере сгорания (чаще из-за неисправности поршневых колец);
• низкое цетановое число дизельного топлива;
• недостаточное количество смазки;
• нарушение охлаждения поршня.