5.4. Модификации поршней
Необходимость модификации поршней при модернизации двигателя наддувом связана прежде всего с повышением давлений и температур в камере сгорания. Конструкция современных поршней столь совершенна, что они выдерживают высокие механические и термические нагрузки. Поэтому часто можно снимать металл с днища поршня (в указанных выше сравнительно небольших количествах) без угрозы его прочности. В то же время, снижение степени сжатия создаёт проблемы эффективного пуска двигателя в условиях, когда система наддува не работает и давление и температуры в цилиндре не достигают в процессе сжатия того минимума, который обеспечивает самовоспламенение (или воспламенение) смеси. Для решения этой проблемы приходится пользоваться средствами повышения температуры заряда в цилиндре перед пуском и во время пуска, т. е. использовать специальные нагреватели в камере сгорания и проч. Об этом речь пойдёт в дальнейшем.
Как показано на рис. 5.1, важнейшим показателем, определяющим возможность или невозможность применения данной степени наддува в неизменной конструкции двигателя является температура в цилиндре. При этом речь может идти как о снижении прочности материала поршня, так и о термических деформациях поршней, а также усталостной прочности, в результате знакопеременных тепловых деформаций. Материалы для изготовления поршней и колец должны обладать крипостойкостью (т. е. способностью выдерживать длительные статические и динамические нагрузки при повышенной температуре без накопления остаточных деформаций). Во всех случаях форсирования двигателя головка поршня должна иметь достаточный зазор с цилиндром. Наилучшими путями сохранения этого зазора во время работы двигателя является охлаждение поршня. Возможно применение системы постоянного охлаждения. В этом случае охлаждающее поршень масло подаётся через шатун и его головку к специальному распылителю масла на внутреннюю поверхность днища поршня. С омываемой маслом поверхности днища масло постоянно снимается специальным скребком, связанным с головкой шатуна и прижимаемым к днищу поршня пружиной. Затем масло перетекает в полости охлаждения зоны размещения колец и стекает в картер. Конечно, такая система усложняет конструкцию машины. А вот применение периодического охлаждения днища поршня маслом более просто и достаточно эффективно. На рис. 5.2 показана схема такого охлаждения.
Рис. 5.2. Охлаждение внутренней части поршня с помощью струи масла, подаваемой форсункой 1.
При приближении поршня к нижней мёртвой точке форсунка 1, направленная вверх, впрыскивает масло в его полости. Масло поступает в область днища, омывает его и сливается по соответствующим каналам поршня на поршневую головку шатуна, а затем в картер двигателя. Следует обратить внимание, что полость охлаждения приближена к зоне размещения первого поршневого кольца, т. к. именно оно испытывает наибольшие и механические, и тепловые нагрузки. В данном случае стенки днища поршня и боковые стенки поршня вблизи первого и других колец делаются уменьшенной толщины для лучшего отвода тепла от днища поршня в систему охлаждения. Надёжная работа поршневой группы зависит от обеспечения эффективных способов отвода тепла от днища поршня и создания благоприятных условий для работы поршневых колец. Через поршень может отводиться до 7 – 9 % тепла, вводимого с топливом в цилиндр двигателя.
Проблема отвода тепла от днища поршня может решаться также применением материалов (например, алюминиевых сплавов) с высокой теплопроводностью, а также повышенной толщиной головки поршня для облегчения передачи тепла к кольцам, которые в свою очередь, отдают его втулке цилиндра, охлаждаемой водой. (До 75 – 80 % тепла, полученного головкой поршня, уходит через кольца, а 20 – 25 % отнимается воздухом и разбрызгиваемым в картере маслом).
Геометрическая форма поршня представляет собой несколько усечённых конусов (рис.5.3).
Рис. 5.3. Конструкция поршня дизеля с наддувом. На участках А, В, С и т. д. приведены размеры, определяющие форму поршня.
Конусность верхней части поршня допускает повышенный нагрев в этой части, а следовательно большее расширение, чем в нижней. Поэтому в нагретом состоянии поршень будет иметь форму, приблизительно цилиндрическую. Зазоры колец в поршневых канавках зависят от температуры: чем сильнее нагревается участок поршня, тем больше зазоры в кольцах. Чем меньше зазор в горячем состоянии между головкой поршня над первым кольцом и цилиндром, тем больше дросселирование газа в этом зазоре и лучше условия работы колец. Так, при зазоре 0,05 мм и температуре газа в верхней части зазора, равной 800 0С, уже на расстоянии 20 мм от верхней части температура газа снижается до 400 0С, а при зазоре, равном 0,5 мм – лишь до 700 0С. Давление газа на поршневые кольца меняется как от расстояния до кольца, так и от давления газа в цилиндре. Если принять давление в цилиндре за 100%, то давление, действующее на первое кольцо, составит 75%, на второе – 17%, а на третье – лишь 7%.
Для предупреждения интенсивной выработки ручьёв под кольца, которая наблюдается особенно у алюминиевых поршней, применяется плазменная износостойкая наплавка ручьёв или вставка из специального чугуна (нерезиста) (рис.5.3.б). В высокофорсированных дизелях с диаметрами цилиндра порядка 200 – 300 мм наряду с алюминиевыми охлаждаемыми поршнями применяют и составные – тонкостенная головка из жаропрочной стали, тронк из алюминиевого сплава или чугунный. Составные поршни обеспечивают высокую износостойкость канавок компрессионных колец, благодаря высокой твёрдости жаропрочных сталей при высоких температурах. А также допускают минимальный зазор между головкой и втулкой цилиндра, поскольку коэффициент линейного расширения материалов головки и втулки примерно одинаковы.
Для более нагруженных двигателей рекомендуется применять в качестве верхних колец трапецеидальные кольца (рис. 5.4). В этом случае усиливается перемычка между соседними канавками, уменьшается нагар в канавках за счёт их самоочистки и более интенсивного вымывания нагара.
Рис. 5.4. Схема размещения трапецеидального поршневого кольца в чугунной вставке алюминиевого поршня.
Сравнение поршней двигателя без наддува и после применения наддува показано на рис. 5.5 а и б. Общая длина поршня не изменилась, т. к. увеличение объёма камеры сгорания для снижения степени сжатия выполнено путём увеличения объёма тороидальной камеры в поршне. Количество колец осталось тем же, однако, первое кольцо выполнено трапецеидальным с хромовым покрытием. Второе кольцо выполнено торсионным. Торсионность колец достигается путём создания несимметричного поперечного сечения (односторонняя выточка во внутреннем верхнем углу сечения).
Рис. 5.5. Сравнение конструкций поршней двигателя без наддува (а) и двигателя с наддувом (б). Диаметр поршня в зоне А равен 129,84 мм. Диаметр в зоне В – 129,77 мм.
При установке такого кольца в цилиндр оно принимает слегка тарельчатую форму, так что нижняя кромка выступает наружу и приходит в соприкосновение с зеркалом втулки цилиндра, причём наклон рабочей поверхности кольца не одинаков по периметру кольца, а плавно меняется от минимума у концов кольца до максимума в сечении напротив замка. Третье и четвёртое кольца не менялись (скребкового типа и маслосъёмное кольцо соответственно). Ручей маслосъёмного кольца выполнен с каналами для сброса масла из канавок внутрь поршня. Существенно изменились зазоры между поршнем и цилиндром. В верхней части зазор равен 0,35 – 0,45 мм, в зоне В – 0,30 – 0,25, а в зоне А – 0,20 – 0,17 мм. Поршневой палец размещён с небольшим эксцентриситетом.