5.11. Охлаждение поршней

Форсирование двигателя наддувом сопровождается ростом температуры днища поршня, его термонапряжённости. В результате существенно понижается его прочность, ухудшаются условия смазки, а у двигателей с внешним смесеобразованием повышается опасность детонационного сгорания. Вообще, для улучшения процесса сгорания температуру днища поршня целесообразно повышать, конечно, до определённого уровня, при этом обеспечивается также сжигание отложений продуктов неполного сгорания топлива и масла, однако происходит снижение коэффициента наполнения. Для снижения термонапряжённости применяют следующие методы:

1 – отвод тепла от днища поршня в стенки цилиндра через поршневые кольца и юбку;

2 – отвод тепла жидкостью, подводимой к днищу поршня;

3 – применение накладок на днище из жароупорных чугуна или стали с низким коэффициентом теплопроводности.

4 – иногда применяют комбинацию из указанных методов.

У ДВС с наддувом первый способ обычно применяется для алюминиевых поршней увеличением сечений их корпуса.

При втором способе применяют обычно масло, реже – воду.

Известно, что крупные судовые двухтактные дизели принципиально всегда имеют систему охлаждения поршней. Но лёгкие быстроходные двигатели такой системой как правило не оснащаются. Однако, с ростом напряжённости двигателя в связи с турбонаддувом, появилась необходимость такого охлаждения. Рассмотрим несколько принципиальных схем выполнения таких систем. На рис. 5.21 показаны три таких схемы. Они могут быть классифицированы следующим образом. А – охлаждение разбрызгиванием, Б – охлаждение с помощью масляной форсунки и В – масляное охлаждение путём циркуляции масла или путём взбалтывания масла в полостях поршня.

Рис. 5.21. Принципиальные схемы охлаждения поршней

Система А известна давно и применялась ещё тогда, когда отсутствовала принудительная смазка с помощью подкачивающего масляного насоса. В этом случае на шатуне размещено приспособление в виде ложки, так, что при вращении шатуна ложка черпает масло из картера и разбрызгивает его по зеркалу цилиндра и по днищу поршня. Эта система применяется в высокооборотных ДВС с малым диаметром цилиндров, но её возможности эффективно охлаждать поршни высокофорсированных двигателей ограничены.

В быстроходных двигателях с наддувом и сравнительно малым диаметром цилиндра широко применяется система Б, в которой специальная масляная форсунка, неподвижно установленная под цилиндром или в верхней головке шатуна и связанная с каналом подачи масла, непрерывно, а иногда прерывисто, подаёт струю или факел масла вверх – на днище поршня вблизи поршневой головки шатуна, охлаждая поршень. Чтобы не нанести вред основной системе смазки и охлаждения подшипников, которая, естественно, более важна, чем охлаждение головки поршня, эта система охлаждения связана со специальным каналом подвода масла, давление в котором повышается лишь после того, как уровень давления в основной системе превысит необходимое давление для смазки подшипников, т. е. конечно после начала работы двигателя. Эффективность работы такой системы охлаждения поршня существенно зависит от точности направления факела масла, от охвата факелом масла всей поверхности днища, что следует контролировать при монтаже, диагностике двигателя и т. д. Но эффективность метода всё же мала, так как масло находится в контакте с днищем поршня лишь сравнительно короткое время. Наличие рёбер на днище поршня увеличивает эффективность теплоотвода. На рис. 5.22 показано размещение масляной форсунки А в нижней части цилиндра и её связь с масляным каналом в блоке двигателя.

Рис.5.22. Схема размещения масляной форсунки охлаждения поршня.

На схеме В (рис. 5.21) показано, что масло под давлением подводится к каждому коренному подшипнику коленчатого вала (по сверлениям в шейках вала), поступает к шатунным шейкам, затем – по сверлениям в теле шатуна – к поршневой головке шатуна, в подшипник и затем через специальные устройства (ползуны) подаётся в полости охлаждения головки поршня. При этом может обеспечиваться либо непрерывная циркуляция охлаждающего масла в полостях поршня, либо производится охлаждение путём взбалтывания масла в полостях поршня. Когда силы инерции направлены вверх, слой масла, прилегая к днищу, отбирает от него тепло. При обратном направлении сил инерции часть масла вытекает через специальные каналы, а часть вытесняется в карманы в полоти охлаждения. Применение этого способа позволяет снизить температуру поршня почти на 70 градусов по сравнению с температурой при проточном охлаждении.

Охлаждение взбалтыванием широко применяется в двигателях с противоположно движущимися поршнями и двигателях с клапанно – щелевой системой газообмена. Желательно, чтобы поршень имел достаточно большую длину, тогда скорость масла при ударе о днище может быть достаточно высокой, что улучшает охлаждение.

На рис. 5.23 показан шатун с каналами для прохода масла под давлением, показаны зоны 1 шатунного подшипника, наименее нагруженные при работе двигателя, и в них – канавки для прохода масла.

Рис. 5.23. Схема шатуна с каналами для прохода масла под давлением.

В конечном итоге масло почти постоянно подаётся из поршневой головки шатуна в полости головки поршня. Такая подача может происходить двумя путями, которые показаны на рис. 5.24. Схема А применяется для среднеразмерных двигателей, а схема Б – для высокооборотных. Согласно схеме А, масло проходит из сверления в теле шатуна в головку для смазки поршневого подшипника и также по канавке вокруг подшипника – в канал В в специальном “башмаке”, стакане, постоянно связанном с поршнем и способном скользить по головке шатуна при его качании. Далее масло поступает в полости охлаждения головки поршня, выполненные в виде спирального канала и образованного специальными приливами на днище поршня. Пройдя спиральный канал, отобрав какое – то количество тепла от днища поршня, масло по сверлению Г в поршне сливается в картер двигателя.

Рис. 5.24. Схема поршней с внутренним охлаждением.

В варианте Б масло из шатуна проходит в полость поршневого пальца, по каналу В входит в полости под днищем головки поршня, а затем сливается в картер по каналу Г.

Д ля устранения перегрева и прихватывания поршня фирмой Зульцер был использован принудительный поворот поршня вокруг оси во время работы двигателя. При помощи зубчатого колеса, расположенного внутри корпуса поршня, и двух храповиков, размещённых в шатуне, движение шатуна преобразуется в угловое (циклическое) движение поршня (рис. 5.25, а).

Рис. 5.25. Схема поршня двигателя Зульцер.

Х раповое колесо соединяется с поршнем пластинчатой кольцевой пружиной, что обеспечивает плавность поворота поршня вокруг оси (около 10 об/мин при частоте вращения вала 590 об/мин). Шатун и поршень соединены между собой с помощью сферического подшипника (рис. 5.25, б).

Пример выполнения поршня с циркуляционным масляным охлаждением показан на рис. 5.26..

Рис. 5.26. Поршень двигателя 40 Д.

Поршень состоит из головки 8, отлитой из высокопрочного жаростойкого чугуна, корпуса 10 из перлитного чугуна, имеющего хорошие антифрикционные свойства, и штампованной вставки 12 из алюминиевого сплава АК6. Поверхность днища со стороны камеры сгорания хромируется для повышения жаростойкости

Поршень охлаждается взбалтываемым маслом, поступающим из верхней головки шатуна. Перепуск масла в полость вставки осуществляется через стакан 5, прижатый к головке шатуна пружиной 4. Из полости А масло по каналу поступает в полость В и охлаждает днище поршня. После этого масло по каналам Г в опорном бурте перетекает в полость Б, где оно взбалтывается и эффективно охлаждает область компрессионных колец, а затем по каналам Д во вставке стекает в картер двигателя.

А нглийская фирма Лейланд выпускает танковые двигатели с противоположно движущимися поршнями, которые имеют жаровую накладку из нержавеющей стали и охлаждаются маслом, которое подаётся из шатунного подшипника через канал в шатуне. Масло через контактную втулку в поршне, скользящую в поршневой головке шатуна, поступает в круговые канавки жарового кольца. Поршни двигателей с ПДП фирм Рольс – Ройс и РУТ (Англия) также выполняются с накладками и жароупорной стали.

На рис. 5.27 показан поршень двигателя фирмы MAN с петлевой (односторонней) схемой газообмена.

Рис.5.27. Поршень двигателя MAN.

Интересно отметить, что поршни охлаждаются водой, которая по трубке с фланцем 8, прикреплённым к штоку поршня, и наружной трубке 10 направляется в камеру головки поршня, омывает её, а затем через насадок 2 с раструбом по внутренней трубке 7 отводится через муфту 9. Для предотвращения утечки воды в цилиндре в местах присоединения штока расположены уплотнительные кольца 3.

Во всех этих случаях очевидна сложность применяемой системы, её повышенная стоимость, опасность нарушений в её работе. И всё же необходимость их использования становится очевидной, если рассмотреть уровни температур, которые имеют части днища поршня в случаях его форсирования наддувом. На рис. 5.28 показаны уровни температур частей поршня двигателя с вихревой камерой сгорания (типа Рикардо).

Рис. 5.28. Схема распределения температур в поршне.

Видно, что в зоне отвода тепла от поршня через поршневые кольца в стенки цилиндра температуры достигают 200 – 220 ⁰С, а в зоне факела горящей смеси, вытекающей из камеры сгорания, - до 400 ⁰С. При этом, температуры головки цилиндра вблизи места посадки тарелки выпускного клапана могут достигать 650 – 700 ⁰С. Как в двигателе с естественным всасыванием, так и в двигателе с наддувом температуры на днище поршня не должны превышать 400⁰С, причём, температуры внутренней части днища поршня, охлаждаемой маслом, не должны превышать 200 ⁰С. Последнее связано с тем, что при чрезмерно высоких температурах охлаждаемой поверхности внутренней части днища поршня масло быстро стареет, теряет свои качества и т. д.

В данном разделе мы рассмотрели только вопросы охлаждения с помощью масла. Вопросы смазки будут рассмотрены далее.