книги из ГПНТБ / Крученок И.Л. Авиационный двигатель М-14В26

Г л а в а II

ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВАЯ ГРУППА

Цилиндро-поршневая группа относится к одному из основных конструктивных узлов двигателя и служит для последовательного преобразования химической энергии топлива в тепловую, а затем тепловой энергии в механическую работу.

Цилиндро-поршневая группа включает в себя цилиндры и порш­ невые комплекты (поршни, поршневые кольца и поршневые паль­ цы). Двигатель имеет девять цилиндров, расположенных по окруж­ ности среднего картера звездообразно в один ряд.

УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ц и л и н д р служит камерой сгорания топливо-воздушной смеси и направляющей поршня при его возвратно-поступательном дви­

жении.

В процессе работы двигателя цилиндр находится под действием быстроизменяющихся по времени и величине механических и теп­ ловых нагрузок. Условия работы цилиндра усугубляются также тем, что смазка его рабочей поверхности осуществляется маслом без давления. На рабочую поверхность цилиндра попадает сажа, полу­ чающаяся при сгорании топлива; нагар, образующийся при сгора­ нии масла, проникшего в камеру сгорания, а также твердые части­ цы пыли, попадающей в цилиндр вместе с атмосферным воздухом. При определенных условиях работы слой масла с рабочей поверх­ ности цилиндра может быть смыт бензином, поступившим во взешенном состоянии в камеру сгорания, или чрезмерно разжижен при перегреве деталей двигателя.

Механические нагрузки, действующие на цилиндр, вызываются силой давления газов, достигающей примерно 4500 кГ, а также си­ лой бокового давления поршня на цилиндр и силами трения о ци­ линдр поршня, поршневых колец и заглушек поршневого пальца.

Сила давления газов достигает наибольшей величины в’ начале такта расширения (рис. 21) и стремится разорвать гильзу в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: по образующей и по плос­ кости, перпендикулярной к оси цилиндра. Действуя на поршень и перемещая его к н. м.т., сила давления газов стремится сорвать го­ ловку цилиндра с гильзы, а гильзу — с болтов крепления цилиндра к картеру. Частота приложения силы давления газов настолько ве­ лика (до 23 раз в секунду на взлетном режиме), что действие ее носит ударный характер и вызывает в деталях усталостные напря­ жения.

Сила бокового давления поршня на цилиндр N (рис. 22) возни­ кает от силы давления газов Рг, которая передается через поршень и шатун на коленчатый вал двигателя, и силы инерции поршня Pj.

Сила инерции поршня возникает вследствие его неравномерного движения. Она направлена по оси цилиндра и переменна по вели­

41

чине и направлению. Максимальное значение силы инерции соот­ ветствует положению поршня н мертвых точках, когда скорость его равна нулю. Ускорение и сила инерции поршня равны нулю, когда кривошип и шатун образуют между 'собой угол 90°. Если направле­ ние силы инерции Pj совпадает с направлением силы Рт, то она

уменьшается (рис. 23). Суммарная сила передается через поршне­ вой палец на шатун. Разложив ее по правилу параллелограмма на два направления, получим силу К, действующую вдоль оси шату­ на, и силу N, действующую перпендикулярно оси цилиндра.

Сила К, действующая вдоль оси шатуна, передается на коленча­ тый вал двигателя. Сила бокового давления N прижимает пере­ менно поршень то к одной, то к другой стенке цилиндра. Пример­ ный характер изменения боковой силы N по углу поворота коленча­ того вала показан на рис. 23. Наибольшей величины сила достигает в такте расширения и направлена в сторону, обратную направлению вращения коленчатого вала. Сила бокового давления увеличивает трение поршня и поршневых колец о гильзу цилиндра. В результа­ те этого происходит повышенный износ деталей цилиндро-поршне­ вой группы и овализация гильзы цилиндра. Сила бокового давления действует на значительном плече, что создает момент, раскачиваю­ щий цилиндр в плоскости вращения коленчатого вала и вызываю­ щий дополнительные нагрузки на фланец цилиндра, шпильки его крепления и картер двигателя.

Момент силы N, стремящейся опрокинуть цилиндр

Рис. 21. Схема действия сил та цилиндр

42

Так как боковые поверхности поршня, поршневых колец и за­ глушек пальца скользят по внутренней поверхности (зеркалу) гильзы цилиндра и прижимаются к ней с некоторой силой, то меж­ ду трущимися поверхностями возникают значительные силы тре­ ния. В общем случае сила трения зависит от коэффициента трения и силы, прижимающей одну трущуюся поверхность к другой. Вели­ чина коэффициента трения резко изменяется в зависимости от ре­ жима трения и качества механической обработки трущихся поверх­ ностей. Для уменьшения силы трения между гильзой и поршнем предусматривается зазор, который при работе двигателя заполня­ ется маслом. Практически в условиях жидкостного трения работает только нижний пояс поршня. Верхний пояс рабочей поверхности поршня вследствие более высоких температур работает в условиях граничного трения, когда трущиеся поверхности разделены лишь очень тонкой пленкой масла, прилипшего к металлу. При перегреве цилиндра и поршня, при смывании масла с поверхности зеркала гильзы бензином верхняя часть рабочей поверхности поршня имеет режим трения, близкий к сухому. Продолжительная работа двига­ теля в таких условиях приводит к задиру поршня и зеркала гильзы цилиндра.

Силы, прижимающие поршневые кольца к стенке цилиндра, обусловлены их упругостью и действием давления газов на тыльную поверхность колец (рис. 24). Последнее обстоятельство особенно неблагоприятно для верхних колец, у которых давление на стенку цилиндра от действия газов может во много раз превы­ сить давление от собственных сил упругости. Это является одной из причин повышенного износа верхних поршневых колец и верх­ него пояса зеркала гильзы цилиндра.

Тепловые нагрузки, действующие на цилиндр, вызываются вы­ сокой температурой газов и неравномерным нагревом и охлажде­ нием отдельных участков цилиндра.

43

Наиболее сильно нагреваются поверхности деталей, располо­ женные вблизи камеры сгорания. Температура верхней части ци­ линдра значительно выше температуры его нижней части. Вследст­ вие этого гильза, имеющая в холодном состоянии строго цилиндри­ ческую форму, в горячем состоянии может приобрести форму раструба, расширяющегося в сторону головки.

При этом зазоры между поршнем и цилиндром, а также в сты­ ках поршневых колец при положении поршня около в.м.т. увели­ чиваются, что ухудшает условия работы всех деталей цилиндро­ поршневой группы.

Велика разность температур и по окружности цилиндра. Тыль­ ная сторона цилиндра имеет температуру более высокую, чем пе­ редняя, обдуваемая потоком охлаждающего воздуха. Температура цилиндра со стороны окна выпуска значительно выше, чем со сто­ роны окна впуска. Объясняется это тем, что часть головки, примы­ кающая к окну выпуска, нагревается от вытекающих горячих га­ зов, тогда как часть головки, примыкающая к окну впуска, перио­ дически охлаждается поступающим в цилиндр воздухом. Особенно велика разность температур в перемычке головки цилиндра между седлами клапанов впуска и выпуска.

Неравномерный нагрев цилиндра приводит к неодинаковому расширению отдельных его участков и появлению больших темпе­ ратурных напряжений. Правильным выбором размеров и располо­ жения ребер головки и гильзы, а также соответствующим дефлектированием добиваются более равномерного поля температур и снижения максимальной температуры, что значительно уменьшает внутренние тепловые напряжения.

Из условий работы цилиндра вытекают требования к его мате­ риалу и конструкции: материал головки и цилиндра должен быть прочным, не терять прочности при нагреве примерно до 300° С, об­ ладать высокой теплопроводностью и хорошей устойчивостью про­ тив газовой коррозии. Соединение головки с гильзой должно быть плотным и прочным.

Рабочая поверхность цилиндра должна быть твердой и износо­

линдра.

Механические нагрузки, действующие на поршень, определяют­ ся величиной сил давления газов Рт, сил инерции поршня Pj и силы бокового давления N. Силы давления газов деформируют днище поршня. В результате этой деформации поршень приобретает фор­ му овала, вытянутого вдоль оси поршневого пальца. Сила бокового давления и температурные напряжения вызывают аналогичную деформацию боковых стенок поршня. Совместные деформации поршня и гильзы могут привести к появлению задиров и даже к заклиниванию их, если между ними в рабочем состоянии не будет достаточного зазора. Необходимость зазора между поршнем и ци­ линдром также вызвана неодинаковыми коэффициентами линейно­

44

го расширения дюралюминиевого поршня и стальной гильзы. Для двигателя М-14В26 диаметральный зазор между холодным порш­ нем и гильзой в ее цилиндрической части равен 0,33—0,965 мм.

В процессе работы двигателя поршень непосредственно сопри­ касается с рабочими газами и интенсивно нагревается. Охлаждение поршня затруднено, так как только часть его боковой; поверхности через масляную пленку имеет контакт с гильзой цилиндра. Основное охлаждение поршня осуществляется свежей топливо-воздушной смесью. Однако если на днище поршня образуется толстый слой нагара от сгорания масла, то отвод тепла от него резко ухудшает­ ся. Вследствие недостаточности охлаждения поршня его максималь­ ная температура в центре днища достигает примерно 300° С. Темпе­ ратура боковой поверхности поршня резко снижается на 120— 140° С. Неравномерность нагрева поршня приводит к возникновению в нем температурных напряжений.

Чтобы поршень мог длительное время работать в указанных ус­ ловиях, материал поршня должен иметь хорошую теплопровод­ ность, прочность, высокие антифрикционные качества. Эти качества должны сохраняться при нагревании до 300—400° С. Для уменьше­ ния инерционных сил поршень должен иметь небольшой вес. Конструкция поршня должна обеспечивать надежную работу без задиров и заеданий при масляном голодании или кратковремен­ ном перегреве.

П о р ш н е в ы е к о л ь ц а обеспечивают герметизацию поршня в цилиндре. Они исключают возможность интенсивного прорыва газов и горючей смеси из цилиндра в картер и чрезмерного подсоса воздуха и масла из картера в цилиндр. Вследствие того, что в про­ цессе работы кольца обжаты стенками цилиндра, на них действу­ ют большие изгибающие механические нагрузки. Поршневые коль­ ца скользят по зеркалу цилиндра, прижимаясь к нему под действи­ ем собственных упругих сил и сил давления газов (ем. рис. 26). При этом возникают силы трения, которые способствуют нагреву и износу колец. Соприкасаясь с рабочими газами и поршнем, кольца нагреваются до температуры примерно 200—250° С. Отвод тепла от поршневых колец недостаточный, так как осуществляется толь­ ко путем теплопередачи в нагретые стенки цилиндра и в омываю­ щее их масло.

Для обеспечения длительной безотказной работы в таких тяже­ лых условиях материал поршневых колец должен обладать хоро­ шей упругостью, достаточной механической прочностью и хороши­ ми антифрикционными свойствами. Наилучшим образом отвечает этим требованиям чугун.

Смазка цилиндров, поршней и поршневых пальцев осуществля­ ется маслом, поступающим под давлением через форсунку, установ­ ленную в коленчатом валу, и воздушно-масляной эмульсией, обра­ зующейся внутри картера двигателя. Высокие температуры и боль­ шие боковые давления на поршень создают затруднения в получении жидкостного трения между поршнем, поршневыми коль­ цами и цилиндром.

45

Рис. 25. Схема насосного действия поршневых колец

Улучшение омазки и охлаждение цилиндро-поршневой группы достигается с помощью поршневых колец. Поршневые кольца уста­ навливаются в канавки поршня с некоторым зазором по высоте и в стыке. Это придает им свойство насоса, непрерывно перекачива­ ющего масло со стенок цилиндра в камеру сгорания (рис. 25).

При движении поршня к н. м. т. в начальный момент сила инер­ ции прижимает кольца к верхним стенкам канавок и масло, соскаб­ ливаемое кольцами, заполняет зазор 'между поршнем и цилиндром (рис. 25, а). Когда поршень подходит к н. м. т., кольца под дейст­ вием собственных сил инерции перемещаются в канавках и прижи­ маются к нижним стенкам канавок. Масло из зазоров между ниж­ ним кольцом и поршнем выдавливается в верхнюю часть нижней канавки и в полость между двумя нижними кольцами (рис. 25, б). Аналогичные явления происходят и при последующих перемеще­ ниях поршня (рис. 25, в, г, д, е).

Таким образом, при подходе поршня к в. м. т. определенное ко­ личество масла вытесняется в камеру сгорания. Кроме того, часть масла проходит в камеру сгорания через зазоры колец в стыке. Наибольшее количество масла по этому пути поступает при работе двигателя на малых оборотах, когда в цилиндре создается значи­ тельное разрежение.

Интенсивность поступления масла в камеру сгорания зависит от количества, конструкции и расположения колец на поршне, а также от величины зазоров между кольцами и поршнем по высоте и величины зазоров колец в стыке. Если величины зазоров нахо­ дятся в допустимых пределах, то поступление масла в камеру сго­ рания незначительно и на работу двигателя существенного влияния не оказывает. Увеличение зазоров или совпадение стыков колец приводит к резкому увеличению поступления масла в камеру сгора­ ния. В камере сгорания масло сгорает, образуя нагар, оседающий на стенках цилиндров, поршнях, клапанах и электродах свечей. Образование нагара приводит к перегреву деталей и снижению мощности двигателя. Замасливание электродов свечей приводит к их отказу, что вызывает тряску двигателя. Таким образом, насос­ ное действие поршневых колец имеет положительное и отрицатель­ ное значения. Благодаря ему улучшается подвод масла к верхней части гильзы и охлаждение верхних поршневых колец. Однако по­ падание масла при этом в камеру сгорания ухудшает работу дви­ гателя и увеличивает расход масла.

46

большой теплопроводностью и малым удельным весом. Для улуч­ шения охлаждения головки снаружи имеют литые горизонтальные и вертикальные ребра. Для равномерного охлаждения горизонталь­ ные ребра расположены эксцентрично относительно оси цилиндра. Наибольшую высоту ребра имеют у выпускного окна, как у более нагреваемой выхлопными газами части цилиндра. На горизонталь­ ных ребрах головки спереди и сзади выполнены при литье два раз­ реза, которые являются температурными компенсаторами. Они ус­ траняют образование трещин на ребрах от различного их нагрева у основания и по краям.

Нижняя часть головки цилиндра имеет внутреннюю пилообраз­ ную резьбу для соединения с гильзой и наружный цилиндрический буртик.

На наружный цилиндрический буртик напрессовано стальное бандажное кольцо 20 (рис. 27), придающее нижней части головки необходимую жесткость.

На передней и задней частях головки цилиндра выполнены три резьбовых отверстия, в которые ввернуты с натягом три бронзовые втулки, имеющие внутреннюю резьбу. Втулки ввернуты в нагретую головку и законтрены каждая двумя латунными штифтами.

Рис. 26. Цилиндр:

а — вид спереди; б — вид сзади;

I — шпилька крепления деталей капота; 2 — штуцера крепления кожуха тяги;

ра; 5 — винты крепления троса клапанной коробки

47

Две втулки 4 (см. рис. 26), расположенные симметрично отно­ сительно оси цилиндра, служат для ввертывания передней и зад­ ней свечей зажигания. В третью втулку 3, расположенную спереди под коробкой клапана впуска, ввертывается клапан системы запус­ ка двигателя. В переднюю часть головки цилиндра ввернута шпиль­ ка 1 для крепления подкосов носовой части капота.

Внутренняя поверхность головки, ограничивающая камеру сго­ рания, имеет полусферическую форму.

В камере сгорания симметрично оси цилиндра выполнены две выточки. В эти выточки запрессованы и развальцованы в верхнем поясе бронзовое седло 5 клапана впуска (см. рис. 27) и бронзовое седло 19 клапана выпуска. Камера сгорания соединена с наружной поверхностью головки двумя окнами. Окна заканчиваются патруб­ ками. В левый патрубок ввернут стальной омедненный штуцер 1 впускной трубы. Для обеспечения герметичности соединения шту­ цер ввертывают в нагретую головку с натягом и смазывают лаком по резьбе. Между штуцером впускной трубы и головкой установле­ на алюминиевая прокладка 2. Штуцер впускной трубы законтрен одной заклепкой. Под наружную головку заклепки положена стальная распорная втулка, имеющая кольцевую проточку по на­ ружному диаметру. Проточка служит для контровки накидной гай­ ки впускной трубы.

На правый патрубок головки навернуто бронзовое кольцо 11. Кольцо имеет наружную резьбу для навертывания на него накид­ ной гайки 12 выпускного коллектора. Кольцо соединено с головкой левой резьбой. Это предотвращает его отворачивание при отвора­ чивании накидной гайки выпускного коллектора. Дополнительно кольцо законтрено зачеканкой материала головки в торцовые шли­ цы на переднем торце кольца. Для обеспечения герметичности сое­ динения между выпускным патрубком и фланцем 14 выпускного коллектора установлено пустотелое сферическое стальное кольцо 13.

Вверхней части головки за одно целое с ней отлиты две короб­ ки клапанного механизма. В коробках расположены клапаны, кла­ панные пружины, тарелочки, замки, рычаги с игольчатыми под­ шипниками и осями. В отверстие бобышек клапанов запрессованы

снатягом бронзовые направляющие втулки клапанов впуска 6 и выпуска 17. Оси направляющих втулок расположены в плоскости вращения коленчатого вала под углом 75° один к другому. Большой угол развала между клапанами позволяет усилить оребрение и улучшить охлаждение центральной части головки над камерой сго­ рания.

Вутолщенной части боковых стенок коробок выполнены отвер­ стия с наружными выточками под уплотнительные шайбы осей ры­ чагов. Сзади на коробках выполнены бобышки с ввернутыми шпиль-

Рис. 27. Цилиндр в разрезе:

48

трубе; 2 5 — набор паронитовых прокладок

ось. На оси свободно установлен упор 16 натяжного винта. В зад­ ней части коробок имеется бобышка с ввернутым винтом 10. На шейку винта надет стальной трос 9 крепления крышки клапанной коробки; другой стороной трос входит в выточку натяжного вин­ та 18, навернутого на резьбу упора. Для плотного прилегания тро­ са к крышке на ее поверхности симметрично продольной оси выпол­ нены две параллельные канавки.

Между крышкой и клапанной коробкой для уплотнения уста­ навливается резиновое кольцо 8.

Г и л ь з а ц и л и н д р а изготовлена из поковки стали 38ХМЮА. На наружной поверхности в средней части гильза имеет охлажда­ ющие ребра, являющиеся одновременно ребрами жесткости. Для исключения концентрации напряжений межреберные канавки гиль­ зы тщательно отполированы.

В нижней части гильзы выполнен фланец е восемью отверстиями под шпильки крепления цилиндра к картеру и цилиндрический пояс (юбка), которым цилиндр входит в окно картера. При установке цилиндра на двигатель между фланцами картера и гильзы устанав­ ливается резиновое уплотнительное кольцо, зажатое в фаске кар­ тера. Гильза цилиндра крепится к картеру гайками, которые конт­ рятся двойными пластинчатыми замками. В верхней части гильзы имеется упорная резьба с уплотнительным пояском для сочлене­ ния гильзы с головкой цилиндра. Для повышения твердости и из­ носоустойчивости внутренняя поверхность гильзы (зеркало) азоти­ руется на глубину 0,5—0,7 мм.

После азотирования поверхность гильзы отшлифовывается и окончательно доводится хонингованием. Наружные поверхности головки и гильзы цилиндра для защиты от коррозии покрываются термостойкой черной эмалью.

Соединение головки с гильзой цилиндра осуществляется при по­ мощи упорной (пилообразной) резьбы (рис. 28). Перед соединени-

50