2.2Умови роботи вузла.

 При нагріванні поршня знижуються механічні властивості його матеріалу і зростають термічні напруги в ньому. До того ж погіршується наповнення циліндра свіжим зарядом, через що зменшується потужність двигуна, з'являються умови для заклинювання поршня в циліндрі, погіршується робота кільцевого ущільнення. Поршні ДВС, поряд з достатньою міцністю і жорсткістю, повинні мати можливо меншу масу для зменшення сил інерції, володіти високою теплопровідністю і зносостійкість. Конструкція поршня повинна забезпечувати вільне переміщення його в циліндрі і достатню герметичність для запобігання прориву газу з камери згоряння в картер і попадання масла з боку картера в робочу порожнину циліндра, що спостерігається при великих зазорах між кільцем і канавкою поршня. При цьому з'являється так зване насосне дію поршневих кілець, яке відбувається при перекладки зазорів між кільцями і стінками канавок поршня в ВМТ і НМТ. На зовнішній поверхні у верхній циліндричної частини поршня є канавки для поршневих кілець, необхідних для запобігання циліндра від прориву газів і попадання мастила з картера в камеру згоряння. Нижня частина поверхні поршня служить направляє. Верхню частину поршня називають головкою, а напрямну (тронкових) частина - спідницею. На внутрішній поверхні спідниці поршня є бобішки з отворами для установки поршневого пальця. Поршні виготовляють зі сталі, чавуну, алюмінієвих і магнієвих сплавів. На тепловозах застосовують поршні в основному чавунні, а також з алюмінієвих сплавів.

Чавунні поршні відрізняються малим коефіцієнтом лінійного розширення, високу міцність і зносостійкість, але мають велику масу в порівнянні з алюмінієвими. Поршні з алюмінієвих сплавів володіють меншою міцністю і зносостійкістю, але значно легше чавунних. Теплопровідність алюмінієвих сплавів в 3 ... 4 рази вище, ніж у чавуну, тому температура днища поршнів з алюмінієвих сплавів нижче, ніж у чавунних поршнів. У цьому зв'язку в двигунах з поршнями з алюмінієвих сплавів поліпшується наповнення циліндра свіжим зарядом і зменшуються витрати енергії на тертя поршня про циліндр внаслідок меншого коефіцієнта тертя алюмінієвих сплавів. Істотним недоліком поршнів з алюмінієвих сплавів є високий коефіцієнт лінійного розширення в порівнянні з чавунними (приблизно в 2 ... 2,5 рази більше, ніж у чавуну). Тому поршні з цих сплавів встановлюють в циліндри з великим зазором, який ускладнює пуск дизеля, викликає стукіт при роботі непрогрітого двигуна і на малих обертах колінчастого вала. Для кращого охолодження головок поршнів в їх днищах з внутрішньої сторони зроблені канавки, до яких подається масло з верхньої головки шатуна через стакан, притискується пружиною до шатуна. Гаряче масло по каналу в поршні стікає в картер. В отвори бобишек тронка встановлюється палець, сполучає верхню головку шатуна з поршнем, на голівці якого проточені канавки для поршневих кілець. Поршневі кільця за своїм призначенням поділяються на компресійні (ущільнювальні) і масло збиральні. Компресійні кільця призначені для ущільнення зазору між поршнем і циліндром і відведення тепла від поршня. Масло збиральні кільця перешкоджають попаданню масла в камеру згоряння. Розрізні кільця притискаються до стінки циліндра за рахунок власної пружності і тиску газів. У період згоряння палива сили від тиску газів в 40 ... 70 разів перевищують сили пружності кілець. Високі температури і недолік мастила приводять до великих зносу як кілець (особливо першого), так і втулки циліндра. Число поршневих кілець, що забезпечують достатню ущільнення, визначається частотою обертання колінчастого вала і типом двигуна. Чим вище частота обертання, тим менше число поршневих кілець. Виготовляються поршневі кільця зі спеціального чавуну за особливою технологією. У двотактних дизелях типів Д50, Д40, поршні яких працюють у важких термодинамічних умовах,

 Поршень і його деталі відчувають при своїй роботі не тільки дуже високі теплові та механічні навантаження, але і переміщаються з великою швидкістю. У міру повороту колінчастого вала швидкість поршня змінюється від нульової до найбільшої. Середня швидкість поршнів сучасних тепловозних дизелів знаходиться в межах 7,2-11,5 м / с. В результаті змінної швидкості руху виникають і діють на поршень сили інерції. В особливо важких умовах знаходиться головка поршня, яка безпосередньо стикається з гарячими газами (температура 1200 - 1800 ° С). Поршень відчуває великі зусилля від дії газів. Так, на головку поршня дизеля Д50, поверхня днища якої складає приблизно 800 см2, діє сила, що перевищує 450Н. Ця сила більш ніж в 2 рази перевищує вагу самого дизеля з генератором. Не буде перебільшенням сказати, що від деталей поршневої групи перш за все залежить надійність роботи дизеля. Проте розробка надійної конструкції поршня виявляється важкою справою: з одного боку, потрібні міцність і твердість, з іншого - легкість: чим менше вага деталей поршневої групи, тим менше величина сил інерції, що виникають при русі, тим більшу частоту обертання колінчастого вала можна допустити. Положення ускладнюється тим, що поршень повинен інтенсивно охолоджуватися, інакше через високі температури знизяться міцності властивості матеріалу, з якого він зроблений, і поршень може зруйнуватися. А відвести тепло від поршня не так просто, адже він рухається. Прагнення забезпечити високу міцність, легкість і зробити так, щоб поршень не потребував масляному охолодженні, привело до того, що на ряді дизелів (наприклад, Д50, М756, 1Д12) його виготовляють з алюмінієвого сплаву (до алюмінію додають присадки кремнію, нікелю, марганцю та ін.) Чудова особливість цього сплаву полягає в тому, що він добре проводить тепло. Так, якщо при найбільшому навантаженню дизеля головка алюмінієвого поршня нагрівається до 300 ° С, то цей же поршень з сірого чавуну мав би температуру близько 500 ° С, що вимагає вже спеціальної (масляного) охолодження. Чавун проводить тепло в три рази гірше, ніж поршневий алюмінієвий сплав. Якщо до цього додати, що алюмінієвий сплав в 2,6 рази легше чавуну, то стане ясно, чому поршні дизелів багатьох марок виготовлені зі сплавів на основі алюмінію.У різних тепловозних дизелів поршні можуть відрізнятися один від одного конструкцією, матеріалом і розмірами, але всі вони за своєю формою нагадують стакан, висота якого майже завжди більше діаметру. За своєю формою поршні дизеля не є строго циліндричними. Якби поршень по всій довжині мав однаковий зовнішній діаметр, то його голівка, яка працює в зоні високих температур, розширилася б більше, ніж нижня частина, що призвело б до заклинювання поршня в циліндричної втулці. Щоб цього не сталося, діаметр головки поршня при виготовленні дещо зменшують порівняно з діаметром нижньої частини його, що називається спідницею, тобто надають поршню конічну форму. Такий поршень при нагріванні набуває форму, близьку до циліндричної. Бічна поверхня поршнів сучасних дизелів має вельми складну геометричну форму, утворену з ряду конічних і циліндричних поверхонь. Сторона поршня, звернена до камери згоряння, зазвичай робиться ввігнутої, що покращує умови згоряння палива. Розглянемо коротко пристрій поршня дизелів Д50.Главнимі деталями його є корпус (стакан) з днищем увігнутою форми і вставка, яка з'єднується з корпусом за допомогою пружинного стопорного кільця. Корпус поршня виготовлений з сірого чавуну, легованого хромом, нікелем, молібденом і міддю; зроблено це для підвищення міцності матеріалу. Вставка має два отвори, в які запресовані бронзові втулки; в них вставлений поршневий палець. Середньою частиною палець входить у верхню головку шатуна. Така конструкція поршня називається складовою. При складеному поршні камера стиснення дизеля може бути змінена за рахунок регулювальних прокладок різної товщини (від 0,1 до 3,0 мм), що встановлюються між вставкою і верхньої і нижньої плитами. Таке з'єднання корпуса поршня зі вставкою (без шпильок) можливо тільки в двотактних дизелях, де сили тиску газів завжди притискають корпус поршня до вставки, тому що вони перевищують сили інерції.

ПОРШНЕВІ КІЛЬЦЯ

Поршень, що перекриває поперечний переріз циліндра, повинен бути влаштований так, щоб через зазор між поршнем і стінками циліндра в картер дизеля не проникали гази. Витік газів призведе до зниження потужності дизеля. Крім того, гази, проходячи через зазор, викличуть місцевий перерву стінок циліндричної втулки і вигорання масла. Це спричинить за собою інтенсивний знос втулки і поршня. Витік ж повітря при ході стиснення призведе до зниження економічності, а температура, в камері згоряння може виявитися недостатньою для запалення палива. Для чого в такому разі потрібен зазор? Якщо його не передбачити, то під час роботи дизеля поршень розшириться і його заклинить в циліндричної втулці; дзеркало її і бокова поверхня поршня будуть пошкоджені. Щоб цього уникнути, між поршнем і втулкою циліндра доводиться залишати зазор, а конструкцію поршня кілька ускладнювати: і а його поверхні проточують кільцеві канавки (струмки), в які вставляють пружні (пружні) ущільнювальні кільця.