Описание конструкций поршней судовых дизелей

Условия работы поршня тяжелые, так как он подвергается воздействию как механических нагрузок от давления газов и сил инерции, так и термических из-за необходимости отвода тепла от нагретой газами головки в охлаждающую среду. Кроме того, поршневые кольца и направляющая часть (тронк) работают на износ при повышенных температурах. Наконец, поршень передает усилия от расширения газов на шатун, а также должен обеспечивать надежное уплотнение камеры сгорания от пропуска газов и одновременно предохранять камеру сгорания от попадания в нее излишков масла, смазывающего втулку рабочего цилиндра.

Наиболее тяжелые условия работы поршневой группы имеют место у многооборотных форсированных по наддуву дизелей, в особенности двухтактного типа (в связи с их повышенной тепловой нагрузкой).

Таким образом, к конструкции поршня должны быть предъявлены следующие основные требования общего характера:

— надежное уплотнение полости цилиндра от пропуска газов;

— эффективный отвод тепла от головки, обеспечивающий нормальные температуры днища, стенок головки и поршневых колец;

— высокая износостойкость поршневых колец и направляющих поверхностей поршня;

— достаточно развитые опорные поверхности поршневого пальца, обеспечивающие получение умеренных удельных давлений (тронковые);

— минимально возможный вес поршневой группы при сохранении необходимой прочности и жесткости поршня;

— надлежащий выбор материалов головки и направляющей части, обеспечивающих надежную и длительную работу поршня;

— обеспечение надежной смазки направляющей части поршня, поршневых колец и пальца при минимальных, расходах масла;

— надежная защита с помощью маслосъемных колец от попадания излишков масла в полость рабочего цилиндра;

— эффективная система охлаждения головки поршня (где это необходимо) маслом в тронковых дизелях, а также маслом или водой в крейцкопфных;

— максимально возможный срок до первой переборки поршневой группы при эксплуатации дизеля.

а)

б)

Рис.1. Нагрузка на днище поршня (а) и эпюры температур охлаждаемой конструкции по его толщине (б)

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОРШНЕЙ

а	б	1. По конструктивному выполнению различают поршни судовых дизелей: а) тронковых, б) крейцкопфных. Поршни дизелей в зависимости от тактности, цилиндровой мощности и степени форсирования выполняют с неохлаждаемыми и охлаждаемыми головками.
Рис.2. К компоновке поршневой группы а – охлаждаемый поршень; б – неохлаждаемый поршень

В качестве охлаждающей среды в тронковых дизелях применяют исключительно масло, а в крейцкопфных – и масло, и воду.

Поршни тронковых дизелей изготовляют цельными или с отъемными головками. Преимуществом последней конструкции являются возможности: 1) выполнять головку из жаростойких материалов повышенной прочности; 2) заменять головку запасной в эксплуатации (если это потребуется).

Поршни крейцкопфных дизелей, в отличие от тронковых, не передают нормального давления на цилиндровую втулку. Благодаря этому можно устанавливать увеличенные зазоры между направляющей поршня и втулкой и, таким образом, устранять возможность заедания поршня при ненормальном нагреве.

2. Конфигурация днищ поршней определяется, в основном, системой смесеобразования и системой газообмена. При объемном смесеобразовании и непосредственном впрыске топлива стремятся к тому, чтобы камера сгорания и, следовательно, днище поршня имели конфигурацию, соответствующую количеству, направлению и форме топливных факелов. Во всех 4-тактных дизелях, а также 2-тактных с прямоточно-клапанной продувкой указанное выше требование выполняется, как правило, за счет соответствующей конфигурации днища поршня, так как днище крышек указанных типов двигателей имеет плоскую форму.

Наоборот, в 2-тактных двигателях с контурной продувкой пространство сжатия размещают между поршнем и крышкой или в самом корпусе крышки, поэтому днище поршня имеет чаще плоскую или слегка выпуклую форму.

Наконец, в 4-тактных двигателях с объемно-пленочным смесеобразованием (например, ЦНИДИ) почти вся камера сгорания помещается в самом поршне, что налагает дополнительные требования при конструировании поршня.

Для изготовления поршней используют чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, а также сталь.

Наиболее часто применяют чугун и алюминиевые сплавы. Чугунные поршни имеют высокую прочность и износостойкость, и малый коэффициент линейного расширения. Однако вследствие сравнительно высокой плотности (~7,3 г/см³) чугунные поршни получаются тяжелыми и, как правило, применяются в тихоходных двигателях и в двигателях средней быстроходности.

Алюминиевые сплавы обладают меньшей прочностью и износостойкостью, чем чугун, но зато имеют значительно меньшую плотность (~2,9 г/см³). Поэтому поршень, изготовленный из алюминиевого сплава, несмотря на большую (для обеспечения необходимой прочности) толщину стенок, на 25—30% легче чугунного. В двигателях, работающих с большим числом оборотов, для уменьшения сил инерции поршни изготовляются преимущественно из алюминиевых сплавов. Теплопроводность алюминиевых сплавов в 3 – 4 раза выше чугуна, поэтому температура днища алюминиевых поршней ниже температуры днища чугунных.

Существенным недостатком алюминиевых сплавов является относительно большой коэффициент линейного расширения (в 2 – 2,5 раза больше, чем у чугуна), поэтому поршни из них надо устанавливать в цилиндре с большим зазором. Большие зазоры затрудняют пуск двигателя и вызывают стуки при работе непрогретого двигателя, а также при работе на малых нагрузках.

ОТВОД ТЕПЛА У ГОЛОВОК ПОРШНЕЙ

За время процесса сгорания – расширения к днищу поршня подводится тепло, интенсивность подвода которого зависит от температуры, плотности и степени завихрения заряда.

Наименее благоприятные условия подвода тепла – в дизелях с непосредственным распыливанием топлива, при котором отдельные зоны днища подвергаются местным перегревам. Наибольших значений удельный тепловой поток достигает у многооборотных 2-тактных дизелей с повышенными степенями наддува.

Наиболее простой способ отвода тепла (через поршневые кольца), применяемый у неохлаждаемых поршней, может быть использован только в тронковых дизелях с относительно невысокой цилиндровой мощностью , например, при чугунных поршнях 4-тактных дизелей э. л. с., а у 2-тактных э. л. с. соответственно при поршнях из алюминиевых сплавов в 4-тактных э. л. с., а в 2-тактных э. л. с., где принято условно, что тепловая нагрузка поршня у 2-тактных дизелей вдвое выше, чем у 4-тактных (при одинаковых индикаторных давлениях).

Отвод тепла у неохлаждаемых поршней осуществляется от головки к охлаждающей цилиндровую втулку воде – через поршневые кольца (60-75%) и тронковую часть поршня (25-40%).

Для получения равномерного распределения теплового потока и максимального снижения температуры днища, целесообразно увеличивать толщину днища примерно до величины , также толщину переходных сечений от центра днища к боковым стенкам головки, например, за счет выбора большего радиуса закругления (см. рис. 1). Этот способ отвода тепла с успехом используется у чугунных и у алюминиевых поршней.

Наибольшие температуры у поверхности днищ поршней из алюминиевых сплавов допускаются до 300-350°С, а для чугуна до 450-500°С; температура стенки под канавкой первого поршневого кольца во избежание его пригорания не должна превышать 200-220°С.

Основной недостаток указанного выше способа отвода тепла – увеличение радиального перепада температур и возрастание веса поршня.

3. Наиболее эффективным средством снижения температуры головки поршня, является охлаждение головок, применяемое не только при больших диаметрах цилиндров, но и при относительно малых диаметрах D (менее 200 мм), в связи со значительной форсировкой дизеля, как по наддуву, так и по числу оборотов.