Рёбра головки цилиндров могут располагаться горизонтально (рис. 2.31,а; 2.32,а, б), вертикально (рис. 2.31,б) и комбинированно

(рис. 2.31,в; 2.32,в, г, д).

Косым расположением рёбер под небольшим углом с направлением охлаждающего потока (рис. 2.33) достигают повышения эффективности охлаждения межклапанного пространства.

5.Какие существуют т па г льз и способы их крепления в блоке? Нарисуйте схемы.

6.Функциональное назначение головки блока цилиндров.

7.Какие формы имеют камеры сгорания бензиновых ДВС? Как располагают свечу зажигания?

8.Какие известны камеры сгорания дизелей? Как располагают форсунку?

9.Как организовывают охлаждение головки и блока цилиндров?

10.Достоинства и недостатки двигателей с воздушным охлаждением.

11.Компоновочные схемы двигателей с воздушным охлаждением.

12.Как осуществляется регулирование охлаждения двигателей с воздушным охлаждением?

13.В чём особенность конструкции корпусных деталей двигателей с воздушным охлаждением?

14.Какие применяются типы и формы рёбер двигателей с воздушным охлаждением? С

53

3.ПОРШНЕВАЯ ГРУППА

Впоршневую группу входят поршень, кольца, палец и детали крепления пальца.

3.1.Конструктивный обзор

Поршень с кольцами, пальцем, деталями крепления пальца составляет поршневую группу, которая должна выполнять следующие функции [6]:

•воспринимать давление газов и передавать их шатуну;

•передавать боковые усилия от шатуна к цилиндру;

•уплотнять цилиндр для предотвращения утечки газов и ограничивать доступ маслу из картера в камеру Исгорания;

•отводить тепло, получаемое от газов;

•служить золотником в двигателях со щелевым газораспределением. В процессе работы двигателя элементыДпоршневой группы под--приусловиях-А

ными нагрузками из-за оковогобперемещения поршня в пределах зазора между поршнемии цилиндром под действием боковой силы во время «перекладки» поршня. В ыстроходных двигателях инерционные силы по своейСвел ч не незначительно уступают газовым силам.

Кроме того, поршень контактирует с рабочим телом, содержащим коррозионно-активные компоненты, имеющие высокие температуры. Вследствие трения, возникающего при передаче сил, рабочие поверхности деталей поршневой группы одновременно подвергаются абразивному, коррозионному и механическому износу.

Механические потери на трение между элементами цилиндропоршневой группы составляют 45…65 % от суммарных потерь на трение в двигателе. При этом 50 % потерь приходится на долю сопряжения «поршневые кольца – зеркало цилиндра».

3.2. Поршень

Поршень является одной из важнейших и наиболее напряжённых деталей поршневой группы.

В связи с непрерывным форсированием двигателей по параметрам

54

рабочего процесса конструкция поршней непрерывно изменяется. В настоящее время созданы поршни определённых типов для двигателей с заданным уровнем форсирования и назначения. Для решения о пригодности конструкции поршня определённого типа используют различные параметры, оценивающие в первую очередь его тепловую напряжённость.

Максимальные температуры газов в двигателях разных типов колеблются в пределах 2300…2800 ºС. Максимальные температуры газов возрастают при форсировании двигателя по среднему эффективному давлению цикла. Теплоодача в поршень при этом увеличивается, его температура повышается и условия работы ухудшаются.

Теплоотдача в поршень в некоторой степени зависит и от пло-

изготовлением поршнейАиз материаловДИ, обладающих высокой теплопроводностью;

применением в конструкции поршня более толстых сечений на пути отвода тепла от горячихбзон;

сокращениемидлины верхнего пояса гильзы, не омываемого охлаждающей жидкостью;

уменьшен ем выхода головки поршня из гильзы, а первого поршневого кольцаС– з охлаждаемой зоны гильзы и др.

Отвод тепла от поршня к стенкам цилиндра происходит через поршневые кольца, межкольцевые перемычки и рабочую поверхность юбки. Небольшая часть тепла 5…10 % снимается посредством воздуха и масла с внутренних поверхностей поршня.

Доля тепла, отводимая тем или иным элементом, зависит от конструкции и размеров элементов и способа охлаждения поршня. Обычно через поршневые кольца отводится основная часть тепла – 40…60 %, через рабочую поверхность юбки – 20…30 %, через межкольцевые перемычки может отводиться до 30 % при условии хорошего контакта перемычек с зеркалом цилиндра.

Помимо тепла, воспринимаемого поршнем от газов, в него переходит часть тепла трения, о которых уже говорилось выше.

Таким образом, работа двигателя сопровождается интенсивным подводом тепла к поршню и неблагоприятными условиями отвода те-щади поверхности днища поршня, непосредственно соприкасающей-

55

пла от поршня в горячие стенки цилиндра, которые к тому же отделены от него слоем масла.

Поршни дизелей работают в особо тяжёлых условиях вследствие неблагоприятного влияния на поршень ряда специфических особенностей рабочего процесса.

Струйная подача топлива приводит к неравномерному распределению температур в объёме камеры сгорания, что вызывает местные перегревы поршня. Отдельные зоны поршня подвергаются действию направленного пламени горящих факелов. Ухудшение распыливания топлива при струйной подаче может вызвать особо опасные местные перегревы и прогорание днища поршня.

Высокие значения плотности, давления и турбулизации газовой среды в период эффективного горения создают благоприятные условия для повышенной конвективной теплоотдачи стенкам камеры сго-

скорость нарастания давления в цилиндре вИпериод эффективного горения вызывают резкую пульсацию газов в зазорах головки поршня и зоне первого кольца. Резкая пульсация приводит к выдуванию масла

рания.

Повышенная жёсткость протекания рабочего процесса, большая

няется прохожден ем углеводородов топлива через фазу сажеобразования. ВследствиеСнал ч я сажи такое пламя обладает настолько интенсивным теплоизлучением, что около 20 % тепла, переходящего в охлаждающую жидкость, обуславливается теплоизлучением.

Вследствие струйной подачи топлива в цилиндре всегда имеется свободный кислород. К концу такта сжатия он имеет высокую активность в соответствии с высокой плотностью и температурой воздуха в цилиндре. Свободный кислород, особенно на периферии поршня, имеется частично и в период эффективного горения, когда температура и давление среды достигают максимального значения. Наличие свободного кислорода в сочетании с резкой пульсацией газов и высокой температурой поршня в зоне от верхнего торца до первого кольца вызывает ускоренное окисление масла и возможность выгорания материала поршня в данном месте.

В соответствии с назначением и условиями работы к поршню предъявляются следующие требования [6]:

56

обеспечение герметичности внутреннего пространства цилин-

дра;

минимальная тепловосприимчивость внешней поверхности днища;

наилучший отвод тепла от днища в стенки цилиндра при минимальном температурном градиенте в материале поршня;

обеспечение малого расхода масла;

минимальная конструктивная масса при достаточной жесткости и прочности;

минимальная работа трения при высокой износостойкости;

обеспечение стабильности зазоров между элементами поршня

ицилиндром на всех режимах работы двигателя.

Вконструкции поршня принятоАДвыделятьИ: головку, юбку, днище, огневую и уплотняющую части (рис. 3.1).

Головку hг образуютбднище hд вместе с огневой hо и уплотняющей hу частями. Юбка поршня hю о разует направляющую часть. Бобышки для пальца hбио ычно относят к юбке поршня.

Днища поршней разноо разны по форме, которая зависит от ти-

па двигателя, способа смесеобразования, величины степени сжатия, размеров цилиндраС, расположен ю форсунки, формы факелов топлива, числа и расположения клапанов и других факторов.

Для бензиновых двигателей, а также для дизелей с раздельными камерами (предкамерные и вихрекамерные двигатели) распространёнными являются плоские днища (рис. 3.2,а). Такая конструкция обладает минимальной поверхностью непосредственного соприкосновения с горячими газами, то есть обеспечивает наименьшую тепловосприимчивость, а также проста в изготовлении.

Вбензиновых двигателях могут использоваться поршни с выпуклым (рис. 3.2,в) или вогнутым днищем (рис. 3.2,б). При вогнутом днище форма камеры сгорания приближается к сферической с увеличенной поверхностью воспринимающей тепло по сравнению с плоским днищем.

Температура выпуклого днища более высокая, что отрицательно сказывается на работе двигателя. Поршни с выпуклым (см. рис. 3.2,в), вогну-Указанные требования справедливы как для бензиновых двига-

57

гнутым (рис. 3.2,б) или плоским (рис. 3.2,а) днищем изменяют степень сжатия, чем можно приспособить двигатель под топливо с различным октановым числом.

Некоторые двигатели имеют поршни с вытеснителями(рис. 3.2,г, к). Вытеснитель способствует: при сжатии – достижению желаемого направления движения заряда, при сгорании – осуществлению плавного нарастания давления путём придания камере необходимой конфигурации. Однако вытеснители увеличивают вес и размеры поршня, поэтому применяются крайне редко и на двигателях с малой мощностью.

У дизелей формы днища особенно разнообразны и зависят от многих уже перечисленных факторов. При центральном расположении форсунки распространена форма камеры сгорания, изображённая на рис. 3.2. Она обеспечивает форму камеры сгорания, согласованную

И часть объёма камеры сгоранияА. Такие камеры применяются обычно

с формой факелов многодырчатой форсунки.

большим углублением в днище, в которых заключается основная

при центральном расположении форсунки для непосредственного

В автотракторных дизелях получилиДраспространение поршни с

впрыска. Они выполняются «открытого» (рис. 3.2,ж) и «прикрытого» (рис. 3.2,з, и) типов. Площадьбсоприкосновения с газами у таких поршней увеличена,ипоэтому они имеют повышенную тепловую на-

грузку и менее надёжны в ра оте. «Прикрытые» тороидальные камеры таких поршней обеспеч вают лучшее перемешивание топлива с воздушным зарядомСболее мягкое протекание процесса. Однако расход топлива при таких камерах больше, чем при «открытых».

В двухтактных двигателях применяют поршни с плоскими, вогнутыми и выпуклыми днищами. Встречаются днища, изображённые на рис. 3.2,д.

Выпуклое днище (см. рис. 3.2,в) имеет небольшое преимущество по прочности по сравнению с плоским (см. рис. 3.2,а).

Толщина днища hд (см. рис. 3.1) определяется из расчёта обеспечения хорошего теплоотвода. Чем толще днище, тем оно лучше отводит тепло, выравнивает температуру кольцевого пояса и облегчает работу колец. Этому содействует увеличение массы металла в местах перехода днища в боковую стенку. Этот переход в ыполняют в виде

галтели с радиусом, равным (0,05…0,10) D. Внутренняя сторона днища часто выполняется с оребрением.

59

Применение рёбер предполагает улучшение охлаждения и повышение прочности поршня. Однако оребрение недостаточно эффективно снижает температуру поршня, если не применять специальных мероприятий. Кроме того, оребрение вызывает в днище концентрацию напряжений.

Уплотняющая часть поршня hу (см. рис. 3.1) – это поверхность от верхней кромки верхнего кольца до нижней кромки нижнего кольца перед поршневым пальцем. Эта часть поршня выполняется с переменным диаметром, увеличивающимся к низу. Это связано с неодинаковой температурой различных точек уплотняющей части, а следовательно, и неодинаковым расширением поршня в различных точках. Форма увеличения может быть ступенчатая, коническая и переменная

по лекальной линии.

личное значение, то длина юбки будет зависетьИот его величины. Только часть юбки участвует в передаче усилия. Она лежит в

Направляющая часть поршня (юбка) hю (см. рис. 3.1) предна-

пределах центрального угла в 90…100º. Поэтому в некоторых двигателях для облегчения поршнябчасть юбки удаляют.

гателях по сравнен ю с д зелями, в этих двигателях можно применять поршни менее жёсткой конструкции из лёгких сплавов, а из-за сравнительно невысок х тепловых потоков от газов в поршень не требуется дополнительного масляного охлаждения.

Вследствие болееинизкого давления сгорания в бензиновых дви-

Возможность использовать нежёсткую конструкцию позволила

Из-за наличия прорезей между уплотняющим и направляющим поясами уменьшается подвод теплоты к направляющему поясу, что позволяет уменьшить зазор между поршнем и цилиндром. Интенсивность ударов при перекладке поршня снижается при соприкосновении с цилиндром нагретого поршня без опасения заклинивания его в цилиндре благодаря уменьшению ширины прорезей. Поршни со сквозными прорезями менее жёсткие и применяются в двигателях с пониженными степенями сжатия. Продольные прорези часто не доводят до нижнего края юбки. В этом случае, как и в поршнях, не имеющих прорезей,

60

б)

61

Как было сказано выше, температура поршня очень высокая и неравномерная по высоте. Самой высокой теплонапряжённости подвергнута головка поршня в огневой части в районе первой поршневой канавки.

Для снижения температуры в этой части применяют охлаждение маслом системы смазки двигателя. Для этого используют [4, 5, 6, 7] :

•масляный туман с внутренней поверхности днища поршня;

•разбрызгивание масла под давлением через стержень шатуна и поршневую головку;

•подачу струи масла под давлением на внутреннюю поверхность через специальную форсунку, установленную в картере двигателя;

•подачу струи масла под давлением в подводящийИ канал (рис. 3.6), через специальную форсунку, с последующим поступлением этого масла в кольцевую полость;

•заливку в головку поршня металлическойД трубки в виде змеевика (рис. 3.7) для циркуляции масла, подаваемого через стержень шатуна и поршневую головку иАдр.б

2 – канал для подвода масла

Поршни тепловозных и судовых двигателей отличаются от автотракторных большой сложностью конструкций. Эти поршни выполняют как цельнометаллическими из чугуна и алюминиевого сплава, так и составными с головкой из жаростойкого материала.

62

Охлаждение поршней осуществляется маслом, подаваемым под давлением через сверления в шатуне в специальные полости. Кроме того, у судовых крейцкопфных двигателей для охлаждения поршня применяют воду, которая поступает в поршень по телескопическим устройствам. На рис. 3.8, 3.9 показаны примеры поршней двухтактного тепловозного и судового крейцкопфного двигателей.

63