Сборка цилиндра и поршня

Цилиндр вместе с поршнем образуют камеру, в которой происходит сгорание топливо-воздушной смеси и преобразова­ние тепловой энергии в механическую работу.

При работе двигателя на цилиндр действуют следующие

силы:

1. Сила давления газов. Действуя на днище цилиндра, сила Р_г (Рис. 3.20) стремится оторвать цилиндр от картера. Эта сила растягивает стенки цилиндра и крепящие его болты.

Рис.3.19 Детали главного и прицепных шатунов

1. передняя шайба втулки главного шатуна; 2 – кольцо; 3 - пружина; 4 – замок втулки главного шатуна;5 – втулка главного шатуна;6- главный шатун;7- задняя шайба втулки главного шатуна;8- винт для крепления замка пальца;9- замок; 10-палец прицепного шатуна; 11-втулка кривошипной головки прицепного шатуна;12-прицепной шатун;13-втулка верхней головки шатуна;

Рис.3.20 Действие сил на цилиндр

2. Сила бокового давления N. Эта сила действует в плоскости вращении кривошипе и, будучи переменной по вели­чине и направлению, приводит к неравно- черному износу стенок цилиндра,

Кроме того цилиндр находится под дей­ствием термических нагрузок. Температуры отдельных участков цилиндра, в особенности головни, могут резко отличаться (на 150—200°С).

Часть головки цилиндра, на которой рас­положен всасывающий клапан, охлаждается при наступлении свежей смеси; часть же головки с выхлопным клапаном дополни­тельно нагревается при выпуске сгоревших газов. По этим причинам температуры раз­личных участков головки могут резко раз­личаться, вызывая неравномерное расшире­ние их. В результате этого возникают боль­шие внутренние тепловые напряжения, но многих случаях превосходящие но своему значению напряжения от давления газов. Термические нагрузки являются причиной коробления головок цилиндров.

По своему назначению и условиям работы выделяют следующие элементы:

- головку цилиндра;

- гильзу цилиндра;

- охлаждающее устройство цилиндра.

Головка цилиндра

В головке цилиндра расположены впускные и выпускные клапаны, гнезда для свечей, воздушных клапанов и форсунок впрыска топлива (у двигателей с непосредственным впрыском). Вместе с поршнем головка цилиндра образует камеру сгорания.

По форме камеры сгорания делятся на полусфериче­ские, плоские и шатровые.

Полусферическая камера (Рис. 3.21, а) обеспечивает наимень­шие потери тепла, уменьшает склонность к детонации, дает возможности устанавливать клапаны, диаметр которых превосходит 0,5D и облегчает размещение охлаждающих ребер воздушного охлаждении.

Недостаток этой камеры сгорания состоит в том, что она допускает установку лишь двух клапанов, так как при­вел большего числа клапанов, а также размещение клапан­ных коробок и их охлажде­ние представляют большие трудности.

Наиболее простыми и удобными для расположения клапанов являются цилиндри­ческие камеры с шатровыми (Рис. 3.21, б) или плоскими (Рис. 3.21, с) днищами. Эти ка­меры несколько уступают полусферическим по своим тепловым качествам, но более удобны при расположении не­скольких клапанов, свечных и других гнезд. Увеличение числа клапа­нов в камере сгорания дает возможность увеличить про­ходное сечение для газов и, следовательно, уменьшить гидравлическое сопротивле­ние на всасывании и выпуске. Так, например, при располо­жении в плоскодонной камере двух клапанов равного диа­метра отношение суммарной площади клапанов к площади днища цилиндра находится в пределах 0,32—0,35, в то время как при расположении четырех клапанов это отноше­ние составляет примерно 0,5. В рядных двигателях обычно применяют плоскодонные и шатровые камеры сгорания с четырьмя клапанами. В звездообразных двигателях с целью лучшего охлаждения головки наиболее часто применяют полусферические камеры, более удобные для размещения на них охлаждающих ребер.

С целью предохранения головки от ударов и наклепа при закрывании клапанов в головку запрессовывают клапанные седла, изготовленные из алюминиевой бронзы или хромоникелевой стали. Последние предпочтительнее, так как при работе стеллитированных клапанов наблюдаются случаи наволакивания бронзы на фаску клапана, что нарушает плотность прилегания клапана к седлу и способствует их выгоранию.

Свечи в головке располагают так, чтобы струя входящей смеси по возможности охлаждала электроды. Одну из свечей устанавливают вблизи выпускного клапана, с тем чтобы воз­можно быстрее воспламенить смесь в этом месте камеры и тем самым предотвратить детонацию вследствие высокой темпера­туры смеси возле клапана.

Конструкция головки должна обеспечить хороший отвод тепла от наиболее нагретых мест, расположенных у выпускного клапана, и обладать достаточной жесткостью, чтобы противо­стоять короблению и растрескиванию. Наиболее полно этим требованиям отвечают головки из алюминиевых сплавов.

Р ис.3.21 Формы камер сгорания

Гильза цилиндра

Термические условия работы гильзы более благоприятны по сравнению с условиями работы головки. Это объясняется как меньшим значением температур газов, действующих на стенки гильзы, так и возможностью более интенсивного охла­ждения стенок.

Гильза служит направляющей при движении поршня. Ее внутренняя поверхность подвержена износу от действия порш­невых колец и поршня.

Особенно большой износ стенок гильзы происходит вслед­ствие попадания в цилиндр пыли через всасывающую систему. Наблюдается также коррозия гильзы вследствие конденсации продуктов сгорания после остановки двигателя и образования из них сернистой, азотной и других кислот.

Наибольший износ гильзы наблюдается в верхней ее части (Рис.. 3.22) что объясняется повышенным давлением верхнего поршневого кольца, неблагоприятными условиями смазки, а также газовой коррозией, возникающей пол действием горячих газов, особенно при работе из бензинах с примесью этиловой жид­кости.

Для увеличения стойкости против износа и коррозии вну­тренняя поверхность гильзы актируется или хромируется. С целью уменьшения трения гильза внутри обрабатывайся до получения зеркальной поверхности.

Рис.3.22 Распределение Рис. 3.23 Гильза Рис. 3.24 Нижнее уплотнение в

износа по высоте цилиндра цилиндра головке блока: а- без пружинных

стальных колец; б- с пружинными

стальными кольцами;

По условиям прочности гильза может быть выполнена срав­нительно малой толщины (2—3 мм), но такая гильза не обла­дает достаточной жесткостью и, деформируясь под действием силы бокового давления на поршень, принимает овальную форму вместо круглой, что нарушает плотность прилегания поршневых колец. Увеличение жесткости гильзы достигается либо утолщением ее стенок, либо устройством круговых ребер но наружной поверхности гильзы (Рис. 3.23).

В нижней части гильзы имеется толстый фланец для крепле­ния цилиндра к картеру шпильками. Последние должны обеспечить не только прочность и жесткость соединения, но и плот­ность стыка между фланцами цилиндра и картером, поэтому число шпилек берется достаточно большим (12—16).

В гильзах моторов блочной конструкции в нижней части сделаны специальные проточки или буртики для расположения резиновых колец, уплотняющих соединение гильзы с рубашкой блока и предотвращающих вытекание охлаждающей жидкости.

При завертывании манжетной гайки 3 резиновые кольца 1 (Рис.3.24, а) деформируются и плотно прилегают к стенкам гильзы и блока. Чтобы уплотнение находилось под действием постоянной упругой силы, достаточной для деформации рези­новых колец в радиальном направлении, на некоторых моторах между стальными кольцами уплотнения прокладывают пружи­нящие (волнистые) кольца 4 (Рис. 3.24, б), изготовленные из пальмой проволоки. Одновременно этим устраняется опасность перезатяжки стыка.

Уплотнение между гильзой и головкой цилиндра

Соединение стальной гильзы с алюминиевой головкой должно обеспечить герметичность при рабочих температурах цилиндра. Вследствие значительно большего расширения материала головки по сравнению с материалом гильзы возможно образование зазора, достаточного для проникания газов в полость между гильзой и голов­кой. В результате этого образуется нагар, ухуд­шающий отвод тепла, что обычно приводит к мест­ному перегреву и коро­блению головки у двига­телей воздушного охла­ждения и к попаданию волы в цилиндр или вы­теснению ее из блока га­зами в моторах жидкост­ного охлаждения.

Герметичность соединения обеспечивается следующими способами:

1. Нагревом головки до температуры более высокой по срав­нению с рабочей температурой ее перед завертыванием головки на гильзу. Вследствие этого при работе двигателя всегда имеется некоторый натяг между головкой и гильзой.

2. Применением резьбы специального профиля (Рис. 3.25, а) — уплотнительной резьбы. По сравнению с нарезкой нормального профиля такая резьба уменьшает радиальные силы Р_рад, возни­кающие в соединении при вспышке, и поэтому допускает завер­тывание головки на гильзу с большим натягом, достигающим 0,4-0,45 мм.

Рис.3.25 Разложение силы Р_г в резьбе головки цилиндра

3. Выполнением на гильзе острой кромки, которая при завер­тывании врезается в материал головки (Рис. 3.26, б).

4. Применением специальных у плотни тельных приспособлений в виде прокладок из мягкого металла, стальных упругих колец, которые вследствие предварительной их деформации при завер­тывании гильзы плотно прилегают к точно обработанным по­верхностям головки и гильзы, контргайки с коническим срезом и других.

Рис. 3.26 Виды уплотнения между стальной гильзой и алюминиевой головкой

Обычно надежное уплотнение достигается комбинированием нескольких из перечисленных способов, например, завертывание гильзы с острой кромкой и уплотнительной резьбой в предва­рительно нагретую головку или завертывание гильзы с уплотнительной резьбой в предварительно нагретую головку и, кроме того, постановка упругого кольца (для гильзы блока).

Отдельные цилиндры

Отдельно стоящие цилиндры применяются на звездообразных двигателях и на маломощных рядных двигателях жидкостного и воздушного охлаждения.

Цилиндры воздушного охлаждения, как правило, состоят из навертной головки, отлитой из алюминиевого сплава, и стальной гильзы (Рис. 3.27).

В головке цилиндра, обычно сферической, располагают две коротки для клапанов впуска и выпуске с развалом 50—70. Развал позволяет применять клапаны увеличенного диаметра и обеспечивает удобное расположение охлаждающих ребер как на головке, так и на коробке выпускного клапана.

Рис. 3.27 Цилиндр двигателя воздушного охлаждения

До 70 охлаждающей поверхности цилиндра отводится для охлаждения головки, а пятая часть от охлаждающей поверхности головки используется для охлаждения выпускного клапана.

Гильза цилиндра также оребрена и в нижней части снабжена пассивным фланцем для крепления цилиндра к картеру. Уплот­нение между гильзой и головкой осуществляется способами, указанными выше.

Рис.3.28 Цилиндр с наварной стальной рубашкой

В рядных двигателях жидкостного охлаждения с отдельно стоящими цилиндрами каждый из цилиндров охватывается на­варной рубашкой из тонкой листовой стали (Рис. 3.28). Рубашки соседних цилиндров соединяются между собой патрубками. Охлаждающая жидкость поступает в рубашку цилиндра через патрубок, расположенный в нижней части цилиндра. Нагреваясь, жидкость поднимается вверх и через верхний патрубок отво­дится в радиатор.

Большим недостатком двигателей с отдельно стоящими ци­линдрами является недостаточная жесткость цилиндрового ряда, что вызывает вибрацию цилиндров, трещины в сварном шве рубашки, трещины в картере и ряд других неисправностей.

К достоинствам таких двигателей относится:

• хорошая циркуляция охлаждающей жидкости;

• легкая смена цилиндра;

• меньшая емкость системы охлаждения.

Сложность изготовления стальных цилиндров, недостаточная приспособленность к массовому производству и неудовлетвори­тельный отвод тепла от стальных камер сгорания послужили серьезным препятствием для развития двигателей с отдельно стоящими цилиндрами.

Эти недостатки устранены в моторах блочной конструкции. где все цилиндры одного ряда заключены в общий блок из алюминиевого сплава.

Цилиндровые блоки

Блочная конструкции цилиндров обладает следующими до­стоинствами:

• хорошей жесткостью цилиндрового ряда;

• меньшим весом конструкции благодаря применению алю­миниевого литья и сближению цилиндров;

• простотой механической обработки, так как сложные очертания получаются литьем.

Существенный недостаток блочной конструкции — сложность замены клапанов, поршней, гильз и других деталей, так как в случае замены одной из этих деталей приходится снимать весь блок.

По способу передачи давления газов от цилиндра на картер блочные конструкции бывают двух типов:

1. блоки с передачей давления посредством рубашки блока;

2. блоки с передачей давления посредством силовых шпилек.

В блоках первого типа (Рис. 3.29) весь блок изготовлен в одной отливке, в которую на резьбе ввертываются стальные гильзы. К картеру блок крепится при помощи большого числа шпилек, обеспечивающих жесткое крепление и равномерную затяжку стыка между блоком и картером. При такой конструк­ции рубашка блока воспринимает усилия от давления газов на головку и поэтому выполняется достаточно жесткой и прочной. К недостаткам таких блоков относится сложность отливки и трудность замены отдельных гильз.

Блоки второго типа состоят из двух частей (Рис. 3.30): общей для всех цилиндров водяной рубашки, в которую вставляются гильзы, и головки с отлитыми в ней камерами сгорания по числу цилиндров в блоке,

Головка блока и рубашка соединяются при помощи силовых шпилек, ввернутых в картер. При такой конструкции рубашка блока разгружена от усилия давления газов, передающихся на картер через силовые шпильки. Крепление гильз в рубашке такого блока осуществляется весьма просто, отливка рубашки и головки блока сравнительно несложна.

Однако наличие большого числа массивных шпилек, гаек и других дополнительных элементов увеличивает вес кон­струкции.

К недостаткам блоков второго типа следует также отнести сложность монтажа блока на двигатель. Наличие стыка между рубашкой и головкой блока, через который возможен прорыв газов и течь воды, может явиться причиной ряда неисправ­ностей.

Существенным вопросом в конструкциях блоков является система подвода и отвода охлаждающей жидкости. Темпера­тура в различных точках внутренней поверхности блока, осо­бенно головки, меняется в значительных пределах, что может вызвать коробление и трещины в стенках блока. Для пре­дотвращения этого предусматриваются меры к более интен­сивному охлаждению клапанных коробок выхлопа.

В

Рис. 3.29 Блок, в котором давление вспышек воспринимается рубашкой

о избежание образования воздушных и паровых мешков отвод жидкости осуществляется в наивысшей точке блока. Системой каналов и отверстий обеспечивается хорошая цирку­ляция жидкости и устранение карманов, препятствующих уда­лению жидкости из всей системы при сливе.

Блоки отливаются из алюминиевых сплавов, обладающих хорошими литейными качествами и большой механической прочностью. К таким сплавам относится силумин, из которого преимущественно изготовляются блок.

Рис.3.30 Блок, рубашка которого не воспринимает давление вспышек

Поршни

Назначение поршня — воспринимать давление газов в ци­линдре и передавать работу газовых сил через шатун на ко­ленчатый вал.

Поршень с кольцами является подвижной непроницаемой перегородкой, отделяющей полость цилиндра от полости кар­тера. Он работает в трудных условиях, подвергаясь воздей­ствию высоких температур при ограниченных возможностях охлаждения, а также испытывая значительные нагрузки от дей­ствия газовых и инерционных сил.

Исходя из указанных условий работы и сил, действующих на поршень, к нему предъявляют следующие требования:

1. Надежная герметичность. Нельзя допускать утечки газов из полости цилиндра и попадания и нее масла из картера.

2. Малый вес, что особенно важно для двигателей с боль­шим числом оборотов как средство уменьшения сил инерции поступательно движущихся масс.

3. Достаточная прочность и жесткость при температурах, соответствующих рабочим температурам поршня (примерно350° С).

4. Хорошая теплопроводность, обеспечивающая интенсивный отвод тепла в стенки цилиндра.

5. Хорошие антифрикционные свойства с целью уменьшения мощности, затрачиваемой на трение.

Наиболее полно всем этим требованиям удовлетворяют поршни, изготовленные из алюминиевых сплавов.

Наибольшее распространение получили кованые поршни, механические качества которых более высоки по сравнению с литыми и потому их можно изготовить менее массивными, а следовательно, и более легкими.

Конструктивно в поршне отличают следующие элементы: днище поршня, верхний пояс и нижний пояс, или юбка, поршня.

Днище — наиболее нагруженная часть поршня как механи­ческими, так и термическими нагрузками (Рис.3.31), поэтому для повышения жесткости и увеличения поверхности охлажде­ния днища часто снабжают ребрами.

По своей форме днище поршня может быть плоским, вогнутым и выпуклым (Рис. 3.32). При одинаковой толщине плоские днища наиболее просты в производстве, выпуклые — более прочны и жестки. Наиболее часто переход от одной формы днище к другой делается с целью изменения степени сжатия при неизменных размерах других деталей кривошипно-шатунного механизма.

Верхним поясом поршня называют боковую поверх­ность, примыкающую к днищу. В верхнем поясе расположены поршневые кольца.

Надежность работы поршня во многом зависит от точности боковых зазоров между поршневыми кольцами и их канавками. Если зазор мал, то возможно защемление кольца в канавке; увеличенный зазор приводит к резкому повышению расхода масла вследствие возрастания эффекта насосного действия колец.

Величина зазоров берется в пределах 0,1—0.2 мм для уплотнительных колец и 0,05—0.20—для маслосбрасывающих.

Рис. 3.31. Распределение температур в поршне при работе двигателя на максимальной мощности

Рис.3.32 Формы днищ поршня

В нижнем поясе поршня расположены бобышки и в не­которых конструкциях — одно или два маслосбрасывающих кольца.

Высоту нижнего пояса желательно по возможности умень­шить, что выгодно для уменьшения веса и потерь на трение. Но чрезмерное уменьшение высоты нижнего пояса увеличивает удельное давление на стенку, получающееся в результате дей­ствия силы бокового давления. Поэтому высота нижнего пояса подбирается так, чтобы удельное давление не превышало 6—10 м/см². С целью облегчения поршня в нижнем поясе со стороны бобышек делают выемки или даже вырезы.

Учитывая, что коэффициент линейного расширения алюми­ниевого поршни почти в два раза больше коэффициента линей­ного расширения стальной гильзы, диаметральные зазоры в хо­лодном состоянии поршня подбирают так, чтобы допустить свободное расширение поршня при его нагреве. Так как рабо­чая температуря верхнего пояса значительно выше температуры нижнего, то и диаметральный зазор его в холодном состоянии должен быть большим. С этой целью поршни делаются кони­ческими или ступенчатыми, что облегчает их изготовление.

Увеличение зазоров между поршнем и гильзой не попускается, так как под действием переменных по направлению сил N та­кой поршень работает со стуком.

В процессах сгорания, расширения и выпуска газов днище поршня поглощает значительное количество тепла. Поэтому интенсивный теплоотвод от днища является одним из основных требований, обусловливающих надежность работы поршня.

Теплоотдача от поршня осуществляется главным образом через поршневые кольца, плотно прижатые к стенке гильзы, через стенки поршня и путем конвекции тепла в воздух и масло, находящееся в картере. На Рис. 3.33 и 3.31 представлены типич­ные схемы теплопередачи и значения температур поршня у звездообразных двигателей. У двигателей жидкостного охла­ждения температуры поршней на 30—50°С ниже, чем у двига­телей воздушного охлаждения.

Рис. 3.33. Схема поглощения и отвода тепла в поршне

в такте расширения (сплошные линии—теплопоглощение,

пунктир — теплоотвод)

При работе поршня он деформируется под действием силы бокового давления (Рис. 3.34, а), силы давления вспышки (Рис. 3.34 ,б) и вследствие нагрева (Рис. 3.34, в), Дня сохранения круглой формы поршня при его работе поршни некоторых моторов делают овальными. Большую ось овала располагают перпендикулярно к оси поршневого пальца. Разница между большой и меньшей осями овала обычно не превышает 0,1—0,4 мм.

Опальная форма поршней уменьшает также трение в части поршня, не воспринимающей нагрузок от боковых сил.

Рис.3.34 Деформация поршня: а - под действием силы N ;

б - под действием сил давления; в – при нагреве;