книги из ГПНТБ / Махалдиани, В. В. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия

грузку, но зато выдерживает полную тепловую нагрузку, в то время как внутренняя часть поршня, наоборот, в основ­ ном воспринимает механические усилия и свободна от теп­

сжимающими, в подвижном стакане ПАРСС возникает нап­ ряжение растяжения. Такое различие в деформации днища вызвано тем, что в ПАРСС силы по обе стороны головки равны, а соответствующее давление масла с внутренней стороны достигает большего значения, чем давление со сто­ роны газов в цилиндре в результате различия между площа­ дями днища поршня и верхней масляной камеры. По этой причине днище поршня выгибается в направлении, противо­ положном деформации днища в обычном поршне. Нагру­ жающая днище сила определяется из разности дазленпй в цилиндре и в верхней масляной камере.

Благодаря такому распределению нагрузки, при высоких давлениях в цилиндре стакан испытывает значительно мень­ шие механические напряжения, чем обычные поршни. Кроме того, в отличие от обычных поршней, подвергающихся из-за інессиметричности их конструкции существенным деформа­ циям под воздействием тепловых и механических нагрузок, стакан ПАРСС деформируется незначительно. Указанное преимущество объясняется тем, что стакан имеет простую цилиндрическую конфигурацию и воспринимает давление газов в цилиндре слоем масла, имеющегося под днищем.

Вместе с тем, наличие масляных камер под днищем спо­ собствует отводу тепла от днища поршня и от зоны распо­ ложения поршневых колец. Гидравлическая система порш­ ня, служащая для регулирования степени сжатия, одно­ временно выполняет функции системы циркуляционного ох­ лаждения маслом. Все это является основой того, что испы­ туемые конструкции ПАРСС без особых затруднений рабо­ тают при очень высоких литровых мощностях, достигнутых в процессе их испытаний.

110

Но вместе с тем, при (конструировании ПАРСС возни­ кает ряд проблем, от удачного решения которых во многом зависит перспективность используемого способа регулирова­ ния степени сжатия при форсировании дизеля.

Из обычного числа вопросов, подлежащих разрешению, следует выделить вопросы технологическаго и конструктив­ ного характера. Первая группа включает ©се проблемы из­ готовления и подбора материалов деталей ПАРСС. Тот факт, что ПАРСС используется в высокюфорсираванных двигателях, ів которых значения максимальных давлений сгорания находятся на уровне допустимого предела безо­ пасности, повышает требования к прочности детален и к их материалам. Особенно ответственным считается вопрос под­ бора материала для подвижного стакана поршня при его минимальной массе и высокой устойчивости против износа.

Из проблем конструктивного характера наиболее важ­ ным следует считать вопрос снижения массы деталей порш­ ня и обеспечение минимальных удельных давлений в местах •соединения деталей кривошипно-шатунного механизма. Пос­ леднее является объязательным условием при конструирова­

рийных двигателях с постоянной степенью сжатия, в качест­ ве материала стакана поршня в двигателях с ПАРСС воз­

него эффективного давления двигателя вызывает повышение тепловой нагрузки, особенно при более вышкмх значениях Давлений в цилиндре, что приводит к резкому снижению прочности стакана и вызывает его быстрое разрушение, не­ смотря на сравнительно низкие механические нагрузки, ко­ торым подвергается стакан.

Самым уязвимым местом в конструкции стакана яв­ ляется сечение в местах стыковки цилиндрической іповерх-

111

ности стакана и плоское™ под днищем. Цилиндрические растягивающие усилия, которым подвергается угол внутрен­ ней стороны днища стакана, приводят к усталостным разру­ шениям материала стакана в местах деформации. Опыт •фирмы «Континенталь» показывает, что простое усиление это­ го сечения за счет утолщения стенок и днища стакана не да­ ет положительных результатов (351. Разрешение проблемы прочности подвижного стакана возможно при одновремен­ ном решении вопросов выбора материала для стакана и конструктивного оформления конфигурации места перехода днища в цилиндрическую поверхность стакана.

Определению прочности и надежности поршневого ста­ кана фирма «Континенталь» посвятила специальные испы­ тания, имеющие целью установление срока службы стакана поршня из разных материалов и при их различном конструк­ тивном оформлении. Определение напряжений проводилось с помощью специального устройства, позволяющего воспро­ изводить статические нагрузки поршня в лабораторных ус­ ловиях. Устройство представляет собой модель ПАРСС, вмонтированную в закрытый цилиндрический корпус, ими­ тирующий статические нагрузки на поверхности подвижного стакана путем искусственного воспроизведения максималь­ ных усилий, действующих на эти поверхности. Для этого днище стакана с обоих сторон нагружается давлением мас­ ла, соответствующим максимальным значениям давления газов в цилиндре и давления масла в верхней масляной ка­ мере в реальном ПАРСС. Установка позволяет определять статические напряжения в различных сечениях стакана с по­ мощью тензодатчиков, наклеенных на поверхность стакана, •концы которых выведены через центральное сверление в направляющем ползунке, установленном внутри стакана и выполняющим функции вставки ПАРСС.

Испытания показали, что уменьшению напряжений в местах соединения днища с цилиндричеокой поверхностью стакана, способствует наличие в этом месте небольшого за­ кругления. Угловой радиус, выполняемый во всех последую­ щих конструкциях ПАРСС «Континенталь», при расточке (внутренней цилиндрической поверхности стакана, снижает

112

концентрацию 'напряжений в этом месте я ів несколько раз увеліичвает срок службы стакана. Измеренное статическое напряжение в углу днища соответствовало напряжению рас­ тяжения порядка 535 кГ/см2 при нагружении поршня уси­ лиями, эквивалентными рг тах = 112 кГ/см2. Изменения на­ пряжений стакана, изготовленного из алюминиевого сплава А—132—Т551, показали, что при температуре поверхности 260°С, срок службы подвижного стакана составляет 80 ча­ сов. Лабораторные исследования были подтверждены ис­ пытаниями на одноцилиндровой установке трех поршней, изготовленных из алюминиевого сплава А—132—Т551, срок службы которых соответственно составлял 76, 84 и 82 часа 135].

Существенное повышение срока .службы стакана было Достигнуто лишь после применения перлитного ковкого чугу­ на в качестве материала для стакана поршня. Результаты экспериментов в виде графиков, устанавливающих зависи­ мость между напряжениями ів стакане и количеством цик­ лов, потребных для его разрушения, представлены на рис. 58. Из графика видно, что при одинаковой нагрузке стакана Чугун во много раз превосходит по прочности алюминие­ вый сплав. В правом верхнем углу рисунка показано место, в котором производится замер напряжений.

Высокая устойчивость против разрушений перлитного чугуна позволяет значительно уменьшить толщину стенок 'Стакана и снизить массу поршня. Допустимый предел дав­ лений в цилиндре для этой конструкции равняется 145 кГ/см2, а срок службы превосходит 4000 часов, что было эк­ спериментально подтверждено при испытаниях развернутого Двигателя, работающего с нагрузкой, соответствующей сред­ нему индикаторному давлению 19,3 кГ/см2 [35].

Другое преимущество при использовании чугунного ста­ кана то, что в этом случае не требуется устанавливать внут­ ри стакана втулку, по которой скользят уплотнительные Кольца, 'Осуществляющие уплотнение масляных камер, как это требуется в случае применения алюминиевого корпуса.

Вопрос прочности поршневого стакана в конструкциях ПАРСС BJCERJ разрешен несколько иначе. В этих поршнях

корпус наружного стакана изготовлен из алюминиевого сплава, но тепловые напряжения не приводят к его разру­ шению из-за наличия жаровой .нлікладки из чугуна или ста­ ли, е помощью которой достигнута изоляции алюминиевого корпуса от прямого воздействия тепла.

Одним из наиболее важных свойств ПАРСС является его способность уменьшать механические нагрузки на несу­ щие детали кривошипно-шатунного механизма. Масляный слой, имеющийся между стаканом и вставной, служит как бы демпфером, гасящим динамические удары, передаваемые

N

Рис. 58. Изменение максимальных напряжений в стакане

ПАРСС в зависимости от количества рабочих циклов, поткбных для его разрушения: 1—место замера; 2—ков­

кий перлитный чугун; 8—сплав алюминия А —132—Т 551; 4 —измгр.нное напряжение при p z m ах= Ч 2 к Г / с м 2 .

подшипникам коленчатого вала двигателя. Например; не­ смотря на то, что масса ПАРСС фирмы «Континенталь» на 46% превосходит массу обычного алюминиевого поршня, расчитаінного для работы с меньшей нагрузкой, такое увеличе­ ние массы возвратно-поступательно движущихся частей не приводит к увеличению нагрузок на коренные и шатунные шейки коленчатого вала. В табл. 1 показано изменение этих нагрузок в местах соединения кривошипно-шатунного меха­ низма для серийного двигателя AVDS-1100 и для двига­ теля с переменной степенью сжатия AVCR-1100 [35]. Как

114

видно іиз таблицы, значения удельных давлений в коренных и шатунных подшипниках двигателя остаются в расчетных пределах и не требуют внесения изменений в конструкции двигателя. Единственно заметное увеличение нагрузки на­ блюдается в местах скрепления нижней головки шатуна. Как видно из таблицы, нагрузки, приходящиеся на шатунные болты, возрастают примерно на 35%, что вызвано увеличе­ нием сил инерции поршня из-за вы-оокооборотности двигате­

растать вследствие уменьшения его длины и наличия круго­ вой канавки в верхней втулке шатуна. Однаіио данные фир­ мы «Континенталь» свидетельствуют о том, что давление в поршневой головке шатуна оставалось на уровне серийного двигателя и не приводило к разрушениям шатунной втулки. Отмечается, что давление во втулке шатуна меняется в за­ висимости от скоростного режима работы двигателя, притом с увеличением оборотов дыше 2000 об/мин оно уменьшается. Максимальная величина удельных давлений на палец в пор­ шневой головке шатуна было определено при « = 2000 об/мин и равнялось 534 кГ/см2[24].

Как было отмечено выше, ПАРСС обладает свойством ограничивать тепловое напряжение деталей за счет охлаж­ дающего действия масла в гидравлической системе поршня. Вычисления теплового потока указывают на то, что регу­ лированием количества потока масла через верхнюю мас­ ляную камеру можно достичь полного поглащения входя­ щего тепла и его отвод от поверхностей поршня. Количество Масла, циркулирующее через верхнюю масля,нѵю камеру за­ висит от высоты перемещения наружного стакана по отяго­ щению к вставке за один цикл работы двигателя. Увеличение амплитуды колебания стакана от 0,15 мм до 0,5 им обеспе­ чивает достаточный отвод тепла от поршня при 150%-ом уве-

115

Таблица 1

Массы движущихся частей и удельные давления в местах сочленения кривошипно-шатунного механизма для двигателей «Континенталь»

личении мощности двигателя. При этом рост температуры масла составляет 26°С. В этом случае мощность, затрачивае­ мая іна привод масляного насоса большей производитель­ ности и на охлаждение масла растет, но эти затраты оку­ паются в сильно форсированных двигателях, где тепловая нагрузка поршня является ограничивающим фактором при увеличении мощности двигателя. Вместе с тем отмечается, что при работе двигателя с поршнем, изменяющим степень сжатия, общая доля потерь тепла уменьшается, так как с повышением нагрузки средняя величина температуры газов в этом случае изменяется менее ощутимо, чем в двигателе, работающем со стандартной степенью сжатия. Некоторое по­ вышение температуры газов в двигателе с ПАРСС после ВМТ, сопровождающееся незначительным повышением дав­ ления, компенсируется более низкими температурами во вре­ мя хода сжатия и в начале хода расширения.

116

нььміи температурами поверхности. Повышенная таміпѳратура седла выпускного клапана обусловлена тем, что івыпускіной канал в головке цилиндра не охлаждается. Как видно -из рисунка, температура поверхности поршня по сравнению с поршнями обычного многоцилиндрового дизеля выше всего лишь на 15°С, несмотря на то, что ишользуемый поршень не имел масляного охлаждения [30].

В отношении способности ПАРСС ограничивать тешюінапріяженность деталей, следует отметить также, что при помощи ПАРСС возможно создать направленный поток мас­ ла к наиболее нагретым участкам и тем самым осуществить контролируемое охлаждение поршня. В этом случае требуе­ мый объем масла для охлаждения (поршня значительно меньше, чем в обычном двигателе с соплом, производящим охлаждение поршня методам разбрызгивания. Примером та­ кого охлаждения является ПАРСС «Континенталь», в кото­ ром охлаждение зоны расположения компрессионных колец

ленным отверстием, диаметр которого определен в соответ­ ствии с требованиями теплонаіпряжѳнности поршня. Анало­ гичные мероприятия, способствующие лучшему охлаждению поршня, были предприняты в первых конструкциях ПАРСС BJCERJ и в конструкции ПАРСС для двигателя 1ЧИ 36/45. Однако ПАРСС может поддерживать требуемую темпера­ туру поршня помимо специальной системы охлаждения за счет масла, поступающего в камеры поршня. Это иллюстри­ рует график раіапределівния температурных полей в ПАРСС BJCERJ, представленный на рис, 60. Поля определены при нагрузке двигателя, соответствующей среднему индикатор­ ному давлению 20,7 кГ/см2 при п = 600 об/мин. Нижние циф-

температура, зафиксированная на поверхности ПАРСС фир­ мы «Континенталь», .равна 260°С. Эта температура была за-

118

"мерена в центре ікулола днища алюминиевого стакана при ■мощности двигателя 46,5 л.с./л при п = 2800 об/мин [35J.

Отмечается, что по ходу испытаний поршней как с алю­ миниевым, так ,и 'чугунным корпусом, не были замечены сле­ ды иригорания масла к стенкам масляных камер или к внутренней поверхности днища.

іИсследования, проводимые на дизеле 1 ЧН 36/45 также показали, что ПАРСС является надежным средством, сни­ жающим тепланапряженность не только самого поршня, но целого двигателя. Экспериментально было определено, что 'в интервале роста средне эффективных давлений от 10,5 до

Можно объяснить снижением темпа роста среднего за цикл суммарного коэффициента теплоотдачи от газа к стенкам ци­ линдра в дизеле с ПАРСС ([10].

В заключение можно отметить, что ПАРСС является уникальным устройством, обеспечивающим сохранность как

119