2.4Детали движения

2.4.1Поршни

Общее устройство поршня и его материал. Поршень тронкового двигателя (Рис. 2 .27, а) состоит из головки и тронка (юбки). Головка воспринимает давление газов и несет в себе уплотнительные кольца 9. Тронковая часть поршня является направляющей. Она имеет больший диаметр, чем головка. В ее приливах 4, называемых бобышками, размещен поршневой палец 5. Над тронком и в его нижней части установлены маслосъемные кольца 8 и 2.

Поршни судовых дизелей изготовляют из чугуна марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и из алюминиевых сплавов марок АЛ-1, АК-2, АК-4. Алюминиевые поршни легче чугунных. Это весьма важное преимущество поршней, так как от их веса зависит величина силы инерции, действующей в кривошипно-шатунном механизме. Вследствие высокой теплопроводности алюминиевых сплавов алюминиевые поршни нагреваются меньше, чем чугунные. Недостатком поршней из алюминиевых сплавов является их несколько более высокая стоимость. Кроме того, они быстрее изнашиваются и в результате значительного коэффициента линейного расширения алюминия требуют увеличенного зазора между поршнем и втулкой цилиндра. Увеличение же его нежелательно потому, что при непрогретом двигателе поршни будут стучать.

Рис. 2.27 Поршни:

а – двигатель NVD 48, б – двигателя 18Д, в – двигателя 3Д6.

Головка поршня. Сверху головка поршня имеет днище 10 (см. Рис. 2 .27), на которое действует давление газов. Форма его, как видно из рисунка, бывает различной в зависимости от условий смесеобразования.

Сечение днища делается с постепенным увеличением его толщины к стенкам головки. Снизу оно подкрепляется обычно ребрами 13 (Рис. 2 .27, б и в). Во многих поршнях сверху предусмотрены карманы 12, исключающие возможность удара поршня во впускной или выпускной клапан. По краям днища часто сверлят и нарезают отверстия 11 (см. Рис. 2 .27, а) для рымов, за которые поршень вынимают из цилиндра.

Под днищем чугунных поршней иногда устанавливают экран 7, защищающий поршневой подшипник шатуна от теплового излучения со стороны днища и предотвращающий коксование масла на днище поршня.

Ввиду сильного нагрева головки при работе двигателя и, следовательно, ее расширения между головкой и втулкой цилиндра предусматривается значительный зазор: порядка 0,006 диаметра цилиндра. Чтобы предотвратить утечку воздуха и газа через него, в головке устанавливают уплотнительные кольца 9. В зависимости от размеров и быстроходности двигателя их бывает от трех до шести. В нижнюю канавку вставляется маслосъемное кольцо 8. Ниже его протачивается канавка, из которой сверлят отверстия 1 (см. Рис. 2 .27, б и в) для сброса масла внутрь поршня.

Тронковая часть поршня. Зазор между тронком и втулкой цилиндра составляет у чугунных поршней около 0,001 диаметра цилиндра, у поршней из алюминиевых сплавов – порядка 0,0015 — 0,0025 диаметра цилиндра. При таких зазорах реальна опасность заедания поршня в случае его перегрева. Чтобы воспрепятствовать нагреванию тронка, сечение стенки поршня при переходе от головки к тронку резко уменьшается. В связи с этим основная часть теплового потока от днища передается через кольца 9 стенке цилиндра и через нее – охлаждающей воде.

Ввиду сосредоточения больших масс металла в районе бобышек тронк будет иметь максимальное тепловое расширение в направлении оси пальца. Поэтому наружная поверхность его в районе бобышек сошлифовывается, в результате чего образуются так называемые холодильники 3 (см. Рис. 2 .27, а и б) глубиной до 1 мм. У некоторых двигателей с целью уменьшения местной концентрации металла и снижения веса поршня вблизи бобышек выбираются карманы 14 (см. Рис. 2 .27, в). Бобышки, как правило, подкрепляются сверху, а иногда и снизу ребрами 6 (см. Рис. 2 .27, а и б).

Снижение тепловой напряженности поршня. Через уплотнительные кольца передается 75 – 80% всего теплового потока от днища поршня. При этом через первое (верхнее) кольцо отводится 40 – 50% всего тепла, через второе – раза в 2 меньше, через третье – в 4 раза меньше.

Недостаточный отвод теплоты от днища поршня может привести к его перегреву и, как следствие этого, к появлению трещин. Чтобы улучшить отвод тепла от днища и равномернее распределить его между всеми кольцами, переход от днища к стенке делается плавным, а толщина днища к стенке возрастает (Рис. 2 .28). В очень тяжелых условиях работает верхнее кольцо. Оно быстрее остальных теряет упругость и закоксовывается.

Рис. 2.28 Отвод теплоты от днища поршня:

а – без теплового барьера, б – с тепловым барьером.

Для облегчения работы верхнего кольца выше него иногда протачивается канавка 1 (Рис. 2 .28, б), отклоняющая тепловой поток в направлении нижних колец.

При больших диаметрах цилиндров и при высокой средней температуре рабочего цикла перегрев днища поршня можно предотвратить лишь искусственным его охлаждением.

Рис. 2.29 Охлаждение поршней:

а – двигатель 6L275PN, б – двигатель ДР 30/50.

В двигателях речных судов. При умеренной тепловой напряженности поршня применяется охлаждение фонтанирующей струей масла (Рис. 2 .29, а). Подводится масло к головке 3 шатуна по трубке 1 от кривошипного подшипника под давлением. Масло, пройдя по кольцевой канавке 2 к соплу 4, фонтанирует. Струя масла попадает на днище поршня 5, охлаждая его, и стекает затем в поддон фундаментной рамы.

Более теплонапряженные двигатели имеют проточное охлаждение поршня (Рис. 2 .29, б). В этом случае внутри головки поршня делается полость охлаждения 2. К перегородке, отделяющей полость охлаждения, крепится направляющая 4 башмака 5, который пружиной 3 прижимается к головке 6 шатуна. Масло из головки шатуна через башмак и его направляющую поступает в полость 2, откуда стекает в картер по трубкам 1.