Для чего служат поршни
Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания?
В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ — поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень — первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.
Поршень двигателя имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и выполняет две функции.
Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?
Устройство детали включает в себя три составляющие:
Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.
Днище
Днище — основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.
Главный параметр днища — форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.
В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.
В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.
Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых — устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.
Уплотняющая часть
Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня — канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения. 
Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.
Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 — 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным.
В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.
Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.
Вас также заинтересует:
Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.
Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.
Для фиксации пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.
Типы поршней
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 палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.
Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.
Материалы изготовления
В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.
Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).
Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.
Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:
Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.
Видео: Принцип работы поршня двигателя. Устройство
Поршень двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип работы
Поршень – ключевая деталь КШМ цилиндрической формы, которая предназначена для трансформации топливной энергии в механическую работу автомобильного двигателя.
Поршень выполняет ряд важных функций:
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.
Конструкция поршня
Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:
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:
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.
Поршень двигателя: конструктивные особенности
В статье мы рассмотрим конструктивную особенность поршня двигателя автомобиля. Из какого сплава их делают, состав и прочие особенности поршневых колец.
Поршень двигателя представляет собой деталь, имеющую цилиндрическую форму и совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Он принадлежит к числу наиболее характерных для двигателя деталей, поскольку реализация термодинамического процесса, происходящего в ДВС, происходит именно при его помощи. Поршень:
Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней
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:
Требуемым параметрам соответствуют специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть:
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.
Конструктивные особенности поршня определяются его предназначением
Основными условиями, определяющими конструкцию поршня, являются тип двигателя и форма камеры сгорания, особенности процесса сгорания, проходящего в ней. Конструктивно поршень представляет собой цельный элемент, состоящий из:
Отличается ли поршень бензинового двигателя от дизельного? Поверхности головок поршней двигателей бензинового и дизельного конструктивно отличаются. В бензиновом двигателе поверхность головки — плоская или близкая к ней. Иногда в ней выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Для поршней двигателей, оборудованных системой непосредственного впрыска топлива (СНВТ), свойственна более сложная форма. Головка поршня в дизельном двигателе значительно отличается от бензинового, — благодаря выполнению в ней камеры сгорания заданной формы, обеспечивается лучшее завихрение и смесеобразование.
Поршневые кольца: виды и состав
Благодаря легирующим добавкам хрома, молибдена, никеля и вольфрама, термостойкость колец значительно повышается. Путем нанесения специальных покрытий из пористого хрома и молибдена, лужения или фосфатирования рабочих поверхностей колец улучшают их прирабатываемость, увеличивают износостойкость и защиту от коррозии.
Основным предназначением компрессионного кольца является препятствование попаданию в картер двигателя газов из камеры сгорания. Особенно большие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо. Поэтому при изготовлении колец для поршней некоторых форсированных бензиновых и всех дизельных двигателей устанавливают вставку из стали, которая повышает прочность колец и позволяет обеспечить максимальную степень сжатия. По форме компрессионные кольца могут быть:
При изготовлении некоторых колец выполняется порез (вырез).
На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.
Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной, что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической. Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена. Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.
Состав поршневой группы
Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:
По способу установки поршневые пальцы могут быть:
Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.
Отвод излишков тепла от поршня
Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:
С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:
Видео — работа двигателя внутреннего сгорания (такты, поршень, смесь, искра):
Видео про четырёхтактный двигатель — принцип работы:
Поршень двигателя – конструкция, условия работы, нагрузки
Условия работы, нагрузки
Поршень служит для:
Головка поршня воспринимает давление газов и осуществляет газораспределение (в двухтактных дизелях), тронк выполняет роль ползуна, скользящего по стенке цилиндра, передает на нее нормальную силу и перекрывает выпускные и продувочные окна при положении поршня в ВМТ для предотвращения прорыва газов и продувочного воздуха в картер (в двухтактных дизелях). Юбка поршня в крейцкопфных дизелях обеспечивает его центровку в цилиндре и перекрывает окна при положении поршня в ВМТ (в двухтактных дизелях с неуправляемым выпуском).
Во время работы дизеля поршень нагревается и расширяется больше, чем цилиндровая втулка. Для предотвращения заедания поршня предусматривают между ним и втулкой цилиндра тепловой зазор. Наиболее интенсивно нагревается головка поршня. Поэтому радиальный зазор 5 между головкой и втулкой устанавливают больше, чем между тронком (или юбкой) и втулкой. Для этого головку поршня изготавливают меньшего диаметра, чем тронк, или обрабатывают ее на конус (рис, 6.1 б). Зазор зависит от диаметра цилиндра, конструкции, материала и условий охлаждения поршня, его устанавливают опытным путем, так как при увеличении зазора возрастает температура газа и поршня над верхним поршневым кольцом (рис. 6.1 в), ухудшая условия его работы. Зазор между тронком и втулкой должен обеспечивать только свободное перемещение поршня. Большой зазор вызывает стуки при переходе поршня через мертвые точки, так как нормальная сила изменяет свое направление и перекладывает поршень в цилиндре с одной стороны на другую. Кстати, появление глухих стуков свидетельствует об износе цилиндро-поршневой группы.
Поршень подвергается воздействию больших механических и термических нагрузок.
Механические нагрузки возникают под действием силы давлений газов и силы инерции. Сила давления газов Рг вызывает циклически повторяющуюся деформацию днища и стенки поршня (см. рис. 6.1а), а сила инерции Рj стремится разорвать шпильки крепления головки или днища (в составных поршнях).
Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением головки поршня с горячими газами (через поршень отводится 8-10% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндре), тепловая нагрузка поршня резко возрастает при увеличении диаметра цилиндра D (квадратичная зависимость) и при переходе от четырехтактного (т = 2) к двухтактному (т = 1) циклу.
У тронковых дизелей при прочих равных условиях тепловая нагрузка поршня выше, чем у крейцкопфных, вследствие дополнительного нагрева тройка поршня от трения о стенку цилиндра. У двухтактных дизелей с контурной схемой газообмена неравномерный нагрев поршня приводит к значительной асимметрии температурного поля относительно его оси и возникновению дополнительных термических напряжений.
У 2-тактных дизелей с прямоточно-щелевой схемой газообмена большая тепловая нагрузка выпускного поршня обусловлена омыванием горячими газами не только днища поршня, но и всей боковой поверхности его головки. В лучших условиях работают поршни дизелей с прямоточно-клапанной продувкой, у которых поток продувочного воздуха хорошо и равномерно охлаждает головку поршня.
Сильный нагрев головки снижает ее прочность, а значительные перепады температур (осевой и радиальный) вызывают в днище поршня высокие термические напряжения, и головка деформируется (рис. 6.1 г).
Термические напряжения и характер деформации существенно зависят от формы днища поршня. Если днище условно отделить от стенок головки поршня, то при линейном изменении температуры по толщине термические напряжения в днище не возникнут, а его свободная тепловая деформация выразится в увеличении наружного диаметра и изгибе в сторону газов. В реальных условиях свободной тепловой деформации днища препятствуют более холодные стенки головки поршня, и в местах соединения возникают изгибающие моменты М и сжимающие усилия Q (рис. 6.1d.). В результате плоское днище и вогнутое будут изгибаться в сторону холодных поверхностей, и на горячих поверхностях днищ (со стороны газов) возникнут термические напряжения сжатия, усиливающиеся за счет циклически действующих механических нагрузок; холодные поверхности днищ под действием тепловых и механических нагрузок будут испытывать напряжения растяжения. Если во время работы дизеля температура днища достигнет значения, при котором возникает явление «криппа» (ползучести материала), то напряжения сжатия на горячей поверхности снимаются.
После уменьшения нагрузки или остановки дизеля поршень охлаждается, и в нем возникают остаточные напряжения растяжения, которые могут вызвать трещины, прогрессирующие при дальнейшей работе дизеля с попеременными нагревами и охлаждениями поршня. В выпуклом днище поршня сила Q на плече Ɩ создает изгибающий момент, противоположный по знаку моменту М и обычно более значительный по значению. В результате на горячей поверхности выпуклого поршня возникнут напряжения растяжения. С учетом противоположного направления действия механических нагрузок от газовых сил выпуклая форма днища является наиболее целесообразной.
У тронковых дизелей в результате действия силы давления газов на днище поршня (рис. 6.1а), нормальной силы N на боковую поверхность (рис. 6.1 е), нагрева от головки поршня и теплоты трения (рис. 6. 1.е) деформируется также тронк поршня. Вследствие неравномерного распределения металла по сечению тронка он принимает овальную форму с большей осью по оси поршневого пальца, который является как бы направляющей при деформации. В результате между цилиндровой втулкой и тронком может возникнуть натяг, что приведет к заеданию поршня. Поэтому в большинстве конструкций в районе бобышек с поверхности поршня снимается металл.
У неохлаждаемых поршней теплота от головки отводится охлаждающей цилиндр водой (рис. 6.1 з) через поршневые кольца (60-80%) и тронк (20-40%). Некоторое количество теплоты отводится через поршневой палец к шатуну, а также передается картерным газам и масляному «туману».
Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов (в три-четыре раза выше, чем у чугуна и стали) и небольшой коэффициент трения дают возможность снизить температуру днища поршня, его массу и силы инерции, а также потери на трение. Кроме того, поршни из алюминиевых сплавов более технологичны при изготовлении и на их поверхностях меньше образуется нагара. Передача теплоты от газов к алюминиевому поршню на 30-40% меньше, чем к чугунному или стальному.
Вследствие более низкой температуры (и, следовательно, лучшего наполнения цилиндров воздухом) и меньших потерь на трение при замене чугунных поршней поршнями из алюминиевых сплавов мощность дизеля может быть повышена на 10-15%, а расход топлива снижен.
Недостатки поршней из алюминиевых сплавов: малая прочность при высоких температурах, быстрая разработка канавок поршневых колец и бобышек поршневого пальца, относительно высокая стоимость. Из-за большого коэффициента линейного расширения алюминиевых сплавов (в 2-2,5 раза выше, чем у чугуна и стали) необходимо увеличивать радиальный зазор между тронком поршня и цилиндром почти в два раза по сравнению с чугунными поршнями, что затрудняет пуск дизеля, вызывает стуки в цилиндрах при работе на малых нагрузках и увеличивает тепловую нагрузку верхних поршневых колец.
Высота головки поршня зависит от размеров и расположения поршневых колец, а также расстояния канавки верхнего кольца от кромки днища. Для обеспечения лучшего отвода теплоты и более совершенных условий работы верхнего поршневого кольца его канавку до недавнего времени размещали по возможности дальше от днища так, чтобы при положении поршня в ВМТ кольцо было не выше уровня охлаждающей воды в зарубашечном пространстве; у двухтактных дизелей с контурной продувкой положение верхнего кольца согласуют с расположением верхних кромок окон. Для предотвращения быстрого изнашивания канавок их нижние поверхности хромируют или закаливают, в канавках устанавливают кольца из легированного чугуна с высокой механической прочностью, в головку поршня из алюминиевого сплава заливают обойму 1 из аустенитного чугуна с большим содержанием никеля для одного или двух верхних колец (рис. 6.2d). Для уменьшения тепловой нагрузки верхних поршневых колец у неохлаждаемых поршней в ряде случаев предусматривают наружные, а у охлаждаемых поршней внутренние «тепловые дамбы».
Длину тронка поршня определяют в зависимости от допустимого удельного давления на стенку цилиндра и системы газообмена (в двухтактных дизелях). Толщину стенок тронка под уплотнительными кольцами в цельных неохлаждаемых поршнях часто резко уменьшают (см. рис. 6.2а, б) для снижения теплопотока к тронку, предотвращения его перегрева, деформации и заедания поршня. Необходимую жесткость тронку обеспечивают его оребрением.
Для снижения сил трения и износа тронка на его поверхности иногда выполняют клинообразные углубления. При перетекании масла из одного углубления в другое создается гидродинамическое давление, способствующее уменьшению трения и износа.
Утолщение в нижней части тронка служит для его ужесточения и предотвращения возможных деформаций при сборке и разборке (иногда для этого к торцу юбки крепят стальное кольцо), подгонки поршней по массе и использования в качестве технологической базы при обработке поршня.
Канавки для маслосъемных колец располагают на тронке выше или ниже поршневого пальца. В первом случае тронк будет обильно смазываться маслом, что способствует снижению его износа. Под канавками для колец или в самих канавках для отвода масла высверливают отверстия 2 и 5 (рис. 6.2а), 3 и 4 (рис. 6.2б).
В направляющей части поршней МОД и мощных СОД (среднеоборотные) делают круговые канавки в виде «ласточкина хвоста», в которые закатывают противозадирные кольца из свинцовистой или оловянистой бронзы; после проточки диаметр колец на 0,1-0,4 мм больше диаметра поршня. Указанные кольца одновременно служат для амортизации ударов юбки о стенку цилиндра, привалки поршня по цилиндру и контроля его положения в эксплуатации.
Для предотвращения заедания поршня вследствие неравномерной деформации тронка выполняют следующие мероприятия:
Для улучшения отвода теплоты от днища у неохлаждаемых поршней увеличивают толщину днища от центра к кромкам и сечение головки в зоне колец (см. рис. 6.2а, б), и поршни изготавливают из алюминиевых сплавов, имеющих высокий коэффициент теплопроводности.
У форсированных ВОД применяют тепловую изоляцию днища поршня. Для этого на днище закрепляют стальную жаростойкую накладку или наносят керамическое жаростойкое покрытие (карбид вольфрама с присадкой кобальта, карбид хрома с присадкой никеля и др.). К сожалению, керамические покрытия, имея разные с материалом поршня коэффициенты теплового расширения, со временем отслаиваются и поэтому до сих пор распространения не получили.
В обоих случаях происходит перераспределение статей теплового баланса дизеля: уменьшается теплопоток в поршень и увеличивается температура выпускных газов.
Снижение теплонапряженности охлаждаемых поршней достигается тщательной отработкой их конструкции (выбор материала, оптимальных толщин стенок и т.д.) и системой охлаждения. В качестве охладителя применяют масло или воду.
Преимущества водяного охлаждения: высокая теплоемкость воды (почти в 2,5 раза выше, чем у масла) и больший коэффициент теплоотдачи от стенок поршня к воде. Основные недостатки: возможность применения только в крейцкопфных дизелях, необходимость тщательного изготовления и изоляции системы подвода и отвода воды во избежание ее попадания в масло.
В судовых тронковых дизелях используют следующие способы охлаждения поршней.
Струйное (фонтанное) охлаждение (рис. 6.3а) применяют при умеренной теплонапряженности поршня. Масло по сверлению 1 в шатуне поступает в кольцевую канавку 2 поршневого подшипника 3, через сопло 4 струей омывает днище поршня 5 и стекает в картер дизеля.
Проточное охлаждение с помощью змеевика 1 (рис. 6.3в), залитого в тело головки при изготовлении поршня, или организованной в теле головки кольцевой полости 1 (рис. 6.36).
В змеевик масло обычно поступает по сверлениям в шатуне и поршневом пальце, а затем из поршня или через сверления в пальце и шатуне (см. рис. б.Зв) сливается в картер. В кольцевую полость масло попадает по сверлениям в шатуне и поршневом пальце или через сопло, установленное в картере дизеля соосно с вертикальным сверлением в теле поршня.
Охлаждение взбалтыванием масла (за счет «коктейль-эффекта») является наиболее эффективным, его широко применяют в современных судовых дизелях (рис. 6.4а, б). Сечения подводящих и отводящих масло каналов или высоту сливных отверстий подбирают таким образом, чтобы полость охлаждения была заполнена маслом только частично. Под действием сил инерции объем масла попеременно отбрасывается то к верхней, то к нижней части полости охлаждения, интенсивно омывая нагретые зоны поршня. Нагретое масло заменяется поступающим в поршень холодным маслом. Высокий коэффициент теплоотдачи в масло (почти в два раза больше, чем при циркуляционном охлаждении) обеспечивается за счет высокой средней скорости поршня и участия в теплообмене всей массы масла, а не только пограничного слоя.
Вероятность коксования масла на охлаждаемых поверхностях поршня при охлаждении взбалтыванием значительно уменьшается.
В крейцкопфных дизелях применяют циркуляционное охлаждение поршней (рис. 6.6а, д) или охлаждение взбалтыванием (рис. 6.6е, ж). Охладитель подводят к поршню с помощью телескопических (масло или вода) или шарнирных качающихся труб (масло).
Конструкция поршня со сферическим подшипником имеет следующие преимущества:
На рис. 6.5 приведена конструкция поршня быстроходного двигателя, у которого стальная головка выполнена отдельно от алюминиевой юбки. Оригинальность решения состоит в том, что юбка и боковая поверхность головки полностью разгружены от механических нагрузок, передаваемых с донышка непосредственно на головное соединение, отлитое за одно целое с головкой. Таким образом, юбка, свободно висящая на пальце поршня, выполняет лишь функцию направляющей, а деформация канавок поршневых колец, расположенных в боковой стенке головки, полностью исключается.
У дизеля «Бурмейстер и Вайн» 84VT2BF180 головка 1 поршня (рис. 6.6а) из жароупорной стали, чугунная юбка 5 и фланец штока 6 скреплены шпильками. В канавки уплотнительных колец 2 зачеканены противоизносные чугунные кольца 3. Поршень охлаждается маслом. Масло поступает по подвижной телескопической трубе, закрепленной на поперечине крейцкопфа, трубке 7 в осевом сверлении штока и далее в сварную вставку 4. Вставка имеет направляющие патрубки, обеспечивающие подачу масла с большой скоростью в полость охлаждения поршня. Масло из головки отводится через воронку вставки 4 и далее по кольцевому каналу между трубкой 7 и сверлением штока (такое решение неудачно, так как выходящее из головки масло имеет температуру около 60°С, что ухудшает охлаждение штока).
У дизеля типа K90GF (рис. 6.6ж) сила давления газов передается от днища поршня через стальное силовое кольцо 2 непосредственно фланцу штока поршня. Кольцо выполняет роль дополнительной опоры, уменьшающей механические напряжения изгиба в днище и разгружающей боковые стенки головки поршня. Это дает возможность уменьшить толщину днища и снизить в нем термические напряжения. Для уменьшения напряжений, возникающих из-за разных тепловых расширений, головка поршня и шток не имеют жесткого соединения. Фланец штока опирается на упругое кольцо 3, которое лежит на кольцевом бурте короткой юбки 4, прикрепленной шпильками к головке поршня. Охлаждающее масло подается по кольцевому каналу между трубкой и сверлением в штоке (попутно охлаждая шток), через сопла 1, расположенные по касательной к окружности силового кольца 2, с большой скоростью поступает в периферийную полость поршня, затем омывает днище и отводится по трубке в штоке.
Поршень дизеля MAH KZ70/120 (рис. 6.6в) состоит из головки 1 из жароупорной молибденовой стали с уплотнительными кольцами 5, проставки 6 и длинной юбки 7, отлитых из чугуна. К кольцевому приливу 5 длинными шпильками (для увеличения их податливости) крепится шток поршня 9. Днище поршня подкреплено кольцевым ребром с каналами для прохода охлаждающей воды. Тонкостенная оребренная юбка крепится к нижнему фланцу 8 штока. Для обеспечения свободного теплового расширения головки поршня между юбкой и проставкой предусмотрен зазор. В канавки на юбке и проставке закатаны противозадирные кольца 4 из свинцовистой бронзы. Охлаждающая вода подводится и отводится по подвижным телескопическим трубам, прикрепленным к нижней части штока. По кольцевому каналу между центральной трубкой и штоком вода поступает в головку, а через воронку 2 по трубке 10 уходит из поршня. Для защиты штока от коррозии внутри осевого сверления устанавливают защитную трубку из нержавеющей стали.
Поршень дизеля «Зульцер» RD76 (рис. 6.60) состоит из головки 1 с уплотнительными кольцами 7, отлитой из хромомолибденовой стали, и короткой чугунной юбки 3 с противозадирными кольцами 2 из свинцовистой бронзы. Головка и юбка крепятся к фланцу 6 поршневого штока с помощью длинных шпилек 4 с дистанционными трубками (для увеличения их податливости). Для уменьшения толщины и снижения термических напряжений днище подкреплено ребрами. Охлаждающая вода подводится и отводится по телескопическим трубам 5. После остановки дизеля и прекращения подачи воды она не должна уходить из головки поршня, поэтому выходное отверстие 8 трубы, по которой отводится вода, располагается ближе к днищу и выше отверстия, через которое вода поступает в поршень.
В новой модификации поршня двигателей «Зульцер» RTA охлаждение головки интенсифицировано путем введения струйного охлаждения глухих сверлений (рис. 6.7).
Фирма МАН в своих современных двигателях МСС в целях снижения тепловой нагрузки поршневых колец и в первую очередь первого кольца от проникающих в зазор между верхней боковой стенкой головки поршня горячих газов удлинило эту стенку, спустив весь пакет колец вниз (см. рис. 5.36).
Поршневой палец (в тронковых дизелях) служит для шарнирного соединения поршня с шатуном и передачи ему силы давления газов.
Условия работы пальца. Палец подвержен механическим нагрузкам от действия движущей силы и термическим нагрузкам вследствие нагрева от головки поршня и теплоты трения в поршневом подшипнике.
Под действием механической нагрузки (рис. 6.8а) палец испытывает напряжения изгиба (опасное сечение I-I) и среза (опасное сечение II-II), подвержен деформации. Его рабочая поверхность работает на истирание при высоких удельных давлениях и неблагоприятных условиях смазки (качательное движение шатуна не обеспечивает образования масляного клина).
К поршневому пальцу предъявляются следующие основные требования:
Материал пальцев: малоуглеродистая сталь или легированная сталь. Наружную поверхность пальцев цементируют или азотируют с последующей закалкой и отпуском, а после механической обработки для повышения усталостной прочности полируют.
Конструкции пальцев показаны на рис. 6.8. Пальцы могут быть сплошными и полыми, с постоянным или переменным диаметром расточки. Полые пальцы имеют меньшую массу, а переменный диаметр расточки позволяет рационально распределить материал.
Расположение поршневого пальца по длине тронка поршня определяется условием отсутствия перекоса поршня на такте расширения и минимальной работы трения поршня.
В современных дизелях применяют плавающие пальцы, которые устанавливают в бобышках с незначительным натягом или зазором. Благодаря зазору после нагрева поршня во время работы дизеля палец получает возможность проворачивания в бобышках. Преимущества плавающего пальца: меньше работа трения и нагрев вследствие снижения относительной скорости скольжения; равномерное изнашивание по окружности; возможность проворачиваться в бобышках поршня в случае заедания в поршневом подшипнике.
Для предотвращения повреждения зеркала цилиндра осевые перемещения плавающего пальца ограничивают пружинящими кольцами 1 (кольцами Зегера) прямоугольного или круглого сечения (см. рис. 6.8а), устанавливаемыми в кольцевые выточки в бобышках поршня, или заглушками 3 (рис. 6.86) из антифрикционного сплава или стальными.
Заглушки, установленные в отверстие пальца 1, повышают его радиальную жесткость и улучшают отвод теплоты; отверстия 2 предотвращают сжатие воздуха при их установке и при нагреве пальца во время работы дизеля. Заглушки, установленные в расточки бобышек поршня, фиксируют от проворачивания штифтами. У некоторых дизелей в пальце имеются радиальные и осевые сверления для принудительного подвода масла из поршневого подшипника к трущимся поверхностям бобышек. В этом случае заглушки с уплотняющими прокладками не только ограничивают осевые перемещения пальца, но и предотвращают попадание большого количества масла на стенки цилиндра.
В мощных СОД в пальце часто предусматривают радиальные отверстия для подвода масла от поршневого подшипника через отверстия в бобышках на охлаждение поршня.
Повреждения поршней в эксплуатации
В большинстве случаев выход из строя поршней связан с их перегревом.
Причины перегрева головок поршней:
При масляном охлаждении следы коксования масла (появление темно-коричневой окраски) на внутренней поверхности головки.