Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

Поршни с бочкообразной фор мой боковой поверхности имеют ряд преимуществ:

•возможность уменьшения ра диального зазора в направляющем поясе;

•снижение интенсивности уда ров поршня о стенку цилиндра при перекладках, что уменьшает опас ность кавитации на охлаждаемой поверхности цилиндра и уровень шума при работе двигателя.

В плоскости, перпендикуляр ной оси цилиндра, оптимальная форма юбки поршня отличается от круглой, она выполняется с не которой эллиптичностью. Боль шая ось эллипса направлена пер пендикулярно поршневому паль цу, что компенсирует при работе двигателя повышенное расшире ние поршня вдоль поршневого пальца от нагрева и давления га зов на днище.

Для уменьшения утечек газа из цилиндра в картер в верхних ка навках уплотнительного пояса поршня устанавливаются ком прессионные кольца. Для удале ния лишнего смазочного материа ла с боковой поверхности цилин дра с целью воспрепятствовать попаданию смазочного масла в камеру сгорания после компрес сионных колец устанавливаются маслосъемные кольца. Число ком прессионных и маслосъемных ко лец, а также расположение по следних зависит от типа и назна чения двигателя. Так, в современ ных быстроходных двигателях, например автомобильных, обычно применяют поршни с двумя ком прессионными и одним масло съемным кольцом. Поршневые кольца, будучи разрезными, нахо дятся при положении поршня в цилиндре в сжатом состоянии, обеспечивая, благодаря силам уп

ругости и дополнительному под жатию газами, уплотнение между рабочими поверхностями колец и стенкой цилиндра.

Видеальном случае утечка газов из надпоршневого пространства в картер происходит только через кольцевой замок – зазор, образую щийся при разрезании кольца и жестко лимитированный при рабо чем положении кольца в цилиндре двигателя. Зазор, равный около 0,15 мм, всегда должен сохранять ся, в противном случае при нагре вании кольцо может быть заклине но в цилиндре. В канавках кольца устанавливаются с небольшим за зором в направлении оси цилинд ра, что обеспечивает необходимую подвижность кольца при работе двигателя. Потеря подвижности кольца в канавке приводит к поте ре его уплотняющей способности. Часто такое опасное явление связа но с чрезмерным ростом темпера туры поршня в зоне расположения колец, что в свою очередь ведет к изменению свойств смазочного ма териала с образованием лаков и смол, приводящим к "зависанию" колец. Чрезмерная подвижность колец в осевом направлении также нежелательна, так как связана с увеличением износа канавок, осо бенно канавки верхнего компрес сионного кольца, что приводит к повышенному уровню вибрации кольца в канавке и, в конечном счете, к его поломке. Для быстро ходных двигателей осевой зазор кольца в канавке составляет около 0,025–0,070 мм. Для предотвраще ния изнашивания канавок матери ал поршня должен обладать доста точной твердостью в рабочем диа пазоне температур.

Взависимости от типа двигате ля, уровня форсирования и требуе мого срока службы применяются

различные средства для обеспече ния работоспособности зоны коль цевых канавок поршня. В настоя щее время считается, что цельно литой поршень из алюминиевого сплава целесообразно применять на двигателях с принудительным воспламенением и малофорсиро ванных дизелях. В форсированных дизелях устанавливаются поршни с залитой вставкой 3 (см. рис. 4.1) под первое, а иногда под первое и второе верхние компрессионные кольца. Вставку выполняют из ле гированной стали, а также из аусте нитного чугуна, что существенно повышает износостойкость кольце вых канавок.

Для надежного соединения вставки с корпусом поршня она должна самофиксироваться при тепловом расширении. Соедине ние материала вставки и поршня, выполненного из алюминиевого сплава, осуществляется посредст вом так называемого алфин про цесса, обеспечивающего сращива ние металлов в граничном слое. Штампованные поршни из де формируемых сплавов превосхо

дят литые по прочности материа ла, но в таком случае надежное крепление вставки связано с труд ностями.

В отличие от бензиновых двига телей, у которых форма поверхно сти поршня, обращенная к камере сгорания, близка к плоской, в дизе лях с непосредственным впрыском камера сгорания формируется в го ловке поршня. На рис. 4.2 пред ставлены камеры сгорания некото рых типов, применяемые в автомо бильных и тракторных дизелях. Расположение камеры сгорания в поршне, обеспечивающее качест венное протекание рабочих про цессов, усложняет конструкцию поршня и увеличивает тепловую напряженность его головки, яв ляющейся, как правило, наиболее нагретым местом поршня.

На рис. 4.3 показано изменение температуры в отдельных точках поршня с камерой типа ЦНИДИ тракторного дизеля ЧН11/12,5 в за висимости от нагрузки (эффектив ного давления) при частоте враще ния коленчатого вала n = 2100 мин 1. Температура вблизи тонкой кром

Рис. 4.3. Зависимость температуры поршня из алюминиевого сплава с камерой сгорания типа ЦНИДИ от эффективного давления (нагрузки):

Т1, Т2, Т3 – соответственно температуры кромки камеры, наружного края поршня, зоны перво го поршневого кольца; ––– и – – температу ра поршня соответственно без охлаждения и с охлаждением наддувочного воздуха

ки значительно превосходит темпе ратуры других элементов поршня и, несмотря на невысокое среднее эффективное давление ре, доста точно велика. При скруглении кромки радиусом 2–4 мм уменьша ются скорость обтекания ее пото ком газа, отвод теплоты в тело поршня, снижаются температур ный градиент и температурные на пряжения. Однако при этом обыч но ухудшается экономичность дви гателя. С ростом уровня форсиро вания двигателей температура кро мок камер сгорания растет, дости гая предельной (350 С и выше) для алюминиевых сплавов. Для повы шения термостойкости кромку (а иногда всю поверхность камеры) армируют жаропрочным материа лом, применяют напыление кера мического материала или анодиро вание поверхности поршня, сопри касающейся с горячими газами.

Вследствие того, что кромка ка меры работает в условиях термиче ской усталости, армирующий мате риал должен быть достаточно пла стичным. Многие теплоизолирую

щие покрытия, способные выдер живать высокие температуры в ус ловиях статического нагружения, будучи хрупкими, плохо работают в условиях циклических тепловых и механических нагрузок, проявляя склонность к растрескиванию. Наиболее эффективно упрочнение материала поршня из алюминиево го сплава осуществляется добавле нием коротких керамических воло кон, например, Al2O3 размером 0,5–1,0 мм. В отличие от обычной заливки в кокиль применяется ли тье под давлением около 100 МПа, что устраняет пористость, связан ную с введением керамических во локон, и улучшает процесс кри сталлизации, увеличивая прочно стные свойства материала. Однако такая технология связана с допол нительными затратами.

В связи с повышением в совре менных двигателях давления газов в цилиндре повышается уровень на пряжений в области опор поршнево го пальца (бобышках поршня). Уве личение температуры в данной об ласти поршня до 200–230 С снижа ет сопротивление усталости алюми ниевых сплавов и повышает опас ность циклических напряжений от механической нагрузки, следствием чего может быть появление трещи ны в районе внутренней кромки бо бышки сверху от отверстия под поршневой палец. Для повышения прочности бобышек отверстию под поршневой палец рекомендуют при давать отличную от цилиндрической специальную форму. По данным фирмы "Маhlе", это может повысить несущую способность бобышек в пределах 5–30 %. Для уменьшения напряжений в бобышках сокращают расстояние между ними, вследствие чего уменьшается нагрузка на опор ную поверхность в бобышках, а так же прогиб поршневого пальца

Рис. 4.4. Поршень с увеличенной поверхно стью бобышек

(рис. 4.4). Повышению работоспо собности бобышек поршня способ ствует предварительная пластиче ская деформация опорных поверх ностей в холодном состоянии.

Работоспособность поршневой группы обеспечивается при не превышении температур в отдель ных зонах поршня некоторых пре дельных значений, зависящих от материалов и конструкции эле ментов поршневой группы, при меняемого смазочного материала, назначенного ресурса двигателя и др. Например, температура в рай оне первой поршневой канавки в случае использования минераль ных масел не должна превышать 220–240 С.

Для снижения температуры головки поршня, в том числе температуры в зоне первого поршневого кольца, используют масляное охлаждение поршней. В зависимости от уровня форси рования (литровой мощности, среднего эффективного давле ния) могут применяться различ ные способы охлаждения. В ма лофорсированных двигателях ох лаждение осуществляется масля ным туманом с внутренней по верхности поршня. При умерен ных уровнях форсирования дни ще может быть охлаждено раз брызгиваемым маслом, подавае мым, например, через стержень

шатуна в верхнюю головку. Од нако при росте частоты враще ния коленчатого вала двигателя эффективность охлаждения с по дачей масла через шатун снижа ется из за усиления влияния по ля центробежных сил вследствие качания шатуна. При повыше нии уровня среднего эффектив ного давления в транспортных дизелях свыше 1,0–1,2 МПа та кой способ охлаждения поршней становится недостаточным. В быстроходных двигателях более эффективное охлаждение дости гается подачей охлаждающего масла через специальную фор сунку, неподвижно установлен ную в картере двигателя. Масло из форсунки в виде струи пода ется на внутреннюю поверхность поршня. Образующаяся при этом пленка стекает по своду внутрен ней поверхности, охлаждая по следнюю. Описанный способ ох лаждения широко применяется в современных автомобильных дви гателях.

Усилить охлаждение, включая зону первого поршневого кольца, можно, сделав в поршне специаль ную кольцевую полость 1 (рис. 4.5),

Рис. 4.5. Схема охлаждения поршня с кольце вой полостью:

1 – кольцевая полость; 2 – подводящий канал

получаемую в отливке с помощью использования соляных раство римых стержней. Форсунка, че рез которую масло подается на поршень, должна надежно фик сироваться с целью обеспечения б льшей подачи масла в полость охлаждения. Приемлемая величи на попадания масла в полость ох лаждения составляет приблизи тельно 80 % общего расхода мас ла через форсунку. В отличие от схемы, показанной на рис. 4.5, конусообразный вход масляного канала смещают в среднюю часть юбки поршня, что избавляет от необходимости утолщения ее стенки.

В некоторых случаях поршни среднеоборотных двигателей с по вышенным диаметром цилиндра охлаждают с помощью залитых в головку поршня в виде змеевика металлических трубок (рис. 4.6), по которым циркулирует охлаж дающее масло, подаваемое через систему отверстий в шатуне, поршневом пальце и бобышках поршня.

Охлаждение с помощью змееви ка обеспечивало удовлетворитель ную работу поршня из алюминие вого сплава даже при диаметре D = = 500 мм до pе = 1,4–1,5 МПа. Эф фективность охлаждения зависит

Рис. 4.6. Поршень из алюминиевого сплава со змеевиком

от коэффициента теплоотдачи, площади поверхности трубки, омываемой маслом, термического сопротивления трубки и зоны кон такта ее с материалом поршня. Б льшие значения коэффициента теплоотдачи в масло соответствуют б льшим скоростям движения мас ла и повышенным температурам масла. Последнее связано с умень шением вязкости охлаждающего масла и, следовательно, наступле нием турбулентного режима тече ния при более низких скоростях потока в змеевике. Например, для змеевика диаметром 10 мм при средней температуре масла Тм, рав ной 80 и 120 С, рекомендуется скорость масла в нем не ниже соот ветственно 6 и 2 м/с. К недостаткам приведенного способа охлаждения относятся технологические трудно сти, связанные с обеспечением ка чественного соединения материала трубки с материалом поршня при заливке и, главное, сохранением на дежного контакта во время длитель ной работы поршня на двигателе при переменных тепловых и меха нических нагрузках. Змеевиковая схема охлаждения вследствие своей сложности и недостаточной надеж ности не получила распростране ния.

В дизелях с достаточно высоким средним эффективным давлением наряду с поршнями, охлаждаемы ми по описанной выше схеме с по лостным охлаждением, применя ются составные поршни. Корпус поршня выполняется из легкого сплава (а иногда и из более прочно го материала), а головка – из доста точно жаропрочного материала, например, легированной стали. На рис. 4.7 схематично представлены конструкции поршней: монометал лического (рис. 4.7, а) и составного (рис. 4.7, б). Там же даны некото

рые ориентировочные геометриче ские соотношения.

Эффективность охлаждения по вышается, когда кольцевая полость охлаждения частично заполнена маслом. В данном случае имеет ме сто инерционное масляное охлаж дение, при котором за счет исполь зования кинетической энергии масла, находящегося в полости поршня при периодических сменах знака и величины ускорения порш ня, происходит встряхивание или взбалтывание масла, что увеличи вает теплоотдачу от стенки полости

вмасло.

Вфорсированных двигателях с диаметрами цилиндра, превышаю щими 150–200 мм, охлаждающая масляная полость удачно реализу ется в составной конструкции поршня с подачей охлаждающего масла в его центральную часть че рез шатун, что при умеренных час тотах вращения коленчатого вала форсированных двигателей обеспе чивает достаточную подачу масла.

На рис. 4.8 приведены значения температуры поршня среднеобо ротного дизеля типа ЧН40/46 в зо не канавки первого компрессион ного кольца при различных спосо бах охлаждения. Наибольший эф

фект от охлаждения взбалтывае мым маслом достигается прибли зительно при 50 % м заполнении маслом полости охлаждения. Сле дует заметить, что в действительно сти обычно осуществляется комби нация инерционного охлаждения с элементами циркуляционного.

Вследствие интенсификации ох лаждения растут непроизводитель ные затраты теплоты в систему ох лаждения двигателя. Кроме того, неизбежно увеличение поверхно сти масляных радиаторов двигате ля, что не всегда приемлемо с точ ки зрения компоновки энергоуста

Рис. 4.8. Температура поршня в зоне канавки первого компрессионного кольца при различ ных способах охлаждения поршня:

1 – неохлаждаемого; 2 – с циркуляционным масляным охлаждением; 3 – с охлаждением взбалтываемым маслом

Рис. 4.9. Поршень с жаровой накладкой и не разрезным жаровым кольцом:

1 – головка; 2 – неразрезное жаровое коль цо; 3 – термоизоляция; 4 – кольцедержа тель; 5 – корпус поршня

новки в целом. В таком случае для надежной работы цилиндропорш невой группы применяют состав ные поршни (рис. 4.9), в конструк ции которых используют термоизо ляцию 3 между головкой и тронко вой частью. Температура головки или жаровой накладки может быть очень высокой и приближаться к средней результирующей темпера туре Тг рез газа по теплоотдаче. По этому головка поршня должна быть выполнена из высоколегированных сталей или жаропрочных сплавов. Следует отметить, что при повыше нии температуры стенок камеры сгорания уменьшаются жесткость процесса сгорания и тепловой по ток от газа в стенки.

Наряду с приведенными конст рукциями, которые получили ши рокое распространение, существует ряд оригинальных конструкций поршней, имеющих еще ограни ченное применение. Среди них можно назвать поршни дизелей большой мощности с механизмом вращения и шаровой опорой што

Рис. 4.10. Поршень с изменяемой степенью сжа тия:

1 – корпус поршня; 2 – подвижная головка поршня; 3 – внутренний поршень; 4 и 8 – верхняя и нижняя полости поршня; 5 и 6 – обратные клапаны; 7 – редукционный кла пан

ка, а также составные поршни, обеспечивающие изменение степе ни сжатия при работе двигателя (рис. 4.10). Конструкция поршня с автоматически регулируемой сте пенью сжатия (ПАРСС) достаточно сложна, трудоемка при доводке, поэтому не получила широкого распространения.

В последнее время много вни мания уделялось двигателям с уменьшенным отводом теплоты в стенки камеры сгорания, в том числе и в днище поршня. Такие двигатели иногда называют адиа батными. Надежды конструкторов на повышение экономичности дви гателей за счет теплоизоляции сте нок камеры сгорания на сегодняш ний день не оправдались. Однако количество теплоты, отводимое че рез стенки деталей, образующих камеру сгорания, может быть сни жено, что для некоторых типов бы строходных дизелей имеет практи ческое значение, благодаря сниже

нию нагрузки на теплообменники всей двигательной установки. В данном случае нашли применение составные конструкции поршней с головкой из жаропрочного мате риала и корпусом поршня, выпол ненным из легкого сплава. Темпе ратура поверхности днища поршня может приближаться к средней ре зультирующей температуре Тг рез га за по теплоотдаче, достигая 1000– 1200 К. Примером может служить и приведенная выше конструкция составного поршня (см. рис. 4.9). Для блокирования тепловых, в том числе лучистых, потоков из голов ки поршня в алюминиевый корпус между ними ставятся тепловые эк раны. При этом температура зоны поршневых колец и самого корпуса поршня оказывается на приемле мом для нормальной работы уров не. В опытных вариантах конструк ций прорабатывалось применение конструкционных керамических материалов, например, Si3N4, ZrO2 и другие для головки поршня.

4.2. Анализ конструкций поршней

Несмотря на общность ряда принципиальных требований к поршням двигателей различного назначения, тип и область приме

нения двигателя накладывают су щественный отпечаток на конст рукцию поршня (сказанное отно сится и к другим базовым деталям двигателя).

Поршни автомобильных и трак торных двигателей отличаются раз нообразием конструкторских реше ний. Здесь прежде всего необходи мо выделить поршни двигателей с принудительным зажиганием. Осо бенностью таких двигателей являет ся их малая масса, что связано с вы сокой быстроходностью указанных двигателей, поэтому их поршни вы полняются исключительно из лег ких сплавов. Одновременно более низкое максимальное давление сго рания рz в рассматриваемых двига телях по сравнению с дизелями по зволяет иметь конструкцию поршня менее жесткой с уменьшенными толщинами днища, перемычек ме жду канавками колец, облегченной юбкой. Умеренные тепловые пото ки не требуют повышенной интен сивности масляного охлаждения (в частности, внутренних охлаждаю щих полостей).

На рис. 4.11 приведена типичная конструкция поршня автомобиль ного двигателя с принудительным зажиганием и некоторые геометри ческие соотношения (относительно диаметра D цилиндра) элементов

конструкции, характерные для бы строходных бензиновых двигателей легковых автомобилей. Можно от метить тенденцию уменьшения до 0,6D длины Нп поршней у современ ных двигателей с принудительным воспламенением по сравнению с длиной Нп около (0,85–1,00)D у прежних конструкций. Такое умень шение достигается выбором длины жарового пояса Н0 = (0,06–0,09)D, уменьшением высоты канавки под компрессионные кольца до 1,20– 1,75 мм и высоты канавки под мас лосъемное кольцо до 2,5–3,0 мм, в результате длина Н1 уплотняющего пояса поршня становится равной около 0,26D. Уменьшение массы поршня достигается применением укороченных пустотелых поршне вых пальцев диаметром dп около 0,25D при расстоянии b между бо бышками около 0,35D. При этом бобышки облегченных поршней бензиновых двигателей являются одним из наиболее напряженных элементов конструкции. Уменьше ние напряженности возможно с по мощью торцов бобышек, выпол ненных с наклоном (см. рис. 4.4).

При невысоких степенях сжатия, отсутствии турбонаддува, что ранее было характерно для двигателей с принудительным воспламенением, возможность использовать нежест кую конструкцию нашла отражение в поршнях с прорезями, имеющими П и Т образную форму. Из за на личия прорезей между уплотняю щим и опорным (направляющим) поясами уменьшается подвод теп лоты к направляющему поясу, что позволяет уменьшить зазор между поршнем и цилиндром без опасе ния заклинивания его в цилиндре. При этом снижается интенсивность ударов при перекладках поршня.

Выполненные прорези 1 часто не доводят до нижнего края юбки

Рис. 4.12. Поршень из алюминиевого сплава с разрезной юбкой:

1 – прорезь

(рис. 4.12). В поперечной плоско сти направляющей части поршня в холодном состоянии придают эл липтическую форму. Б льшая ось эллипса (овала) располагается пер пендикулярно оси поршневого пальца. По мере нагревания порш ня на работающем двигателе бо' ль шее расширение происходит в на правлении оси поршневого пальца. Деформации опорной части порш ня в данном направлении способ ствует действие давления газов на днище и боковой силы N на часть поверхности юбки, ограниченной в поперечном сечении дугой с углом Ε = 70–90 (рис. 4.13).

По мере роста температуры на работающем двигателе бо' льшее рас ширение происходит в направлении оси поршневого пальца, вследствие чего форма юбки приближается к цилиндрической. Поршни с разре

Рис. 4.13. Схема взаимодействия юбки порш ня с цилиндром при работе двигателя

зами имеют повышенные потери на трение и используются в двигателях

сотносительно небольшими диа метрами цилиндра. Диаметральный зазор на границе между уплотняю щим и направляющим поясами со ставлял для поршней с прорезями 0,022–0,027 % диаметра цилиндра, 0,7–0,9 % жарового пояса. Увеличе ние литровой мощности двигателей

спринудительным воспламенением повысило требования к прочности поршней. В результате бо' льшее рас пространение стали получать нераз резные поршни. В случае примене ния монометаллических поршней без прорезей величина необходимо го диаметрального зазора оказыва ется весьма значительной. Малая величина диаметрального зазора при достаточной прочности дости гается применением биметалличе ской терморегулируемой конструк ции поршня. Терморегулирование обеспечивается заливкой (наиболее часто в районе бобышек) стальных пластин – вставок, имеющих мень ший по сравнению с материалом поршня коэффициент линейного расширения, что позволяет умень шить расширение направляющего пояса поршня при работе двигателя. Форма и расположение вставок (рис. 4.14) могут быть различными.

Рис. 4.14. Вставки для регулирования теплового расшире ния поршня

Рис. 4.15. Поршень с терморегулирую щей вставкой

Высокой прочностью обладают биметаллические поршни без про резей со стальной ленточной термо регулирующей вставкой (рис. 4.15), залитой в направляющей части. Кроме того, используются биметал лические терморегулируемые кон струкции с поперечными прорезя ми. Толщина заливаемых пластин составляет 1,0–1,5 мм при мини мальной толщине стенки 2–3 мм. Диаметральный зазор в направляю щей части терморегулируемого порш ня составляет 0,04–0,06 % диаметра цилиндра.

Недостаток поршней со вставкой

– увеличение массы. Применение более совершенных технологий по лучения заготовок, в частности, жидкой штамповки в вакууме вместо обычного литья в кокиль, а также более прочных алюминиевых спла вов и специальных покрытий днища и канавки верхнего поршневого кольца позволяет отказаться от тер морегулирующих вставок. При ис пользовании штампованных порш ней увеличивают диаметральный за зор между поршнем и цилиндром (с 0,02 мм у поршней традиционной конструкции до 0,04–0,05 мм). При менение новых материалов и техно логий позволяет проводить дальней шее совершенствование конструк ций поршней двигателей с принуди тельным воспламенением в направ лении снижения массы и габарит