2.1.3. Гильзы цилиндров и цилиндры

Назначение: цилиндр, как главная деталь поршневого двигателя, выполняет следующие функции.

1. Составляет основу рабочей полости, в которой происходят процессы, связанные с преобразованием части выделившейся при сгорании топлива тепловой энергии в механическую работу.

2. Стенки цилиндра служат направляющими для поршня при его перемещениях от ВМТ к НМТ. Длина образующей цилиндра определяется величиной хода поршня и его размерами.

Условия работы

1) Переменное давление в надпоршневой полости, достигающее до 4...6 МПа в двигателях с искровым зажиганием (ДсИЗ); до 8…10 МПа в дизелях; до 16 МПа в дизелях с газотурбинным наддувом (ГТН).

2) Непосредственное соприкосновение с пламенем и горячими газами с температурой до 1500...2500С.

3) Высокие значения средней скорости поршня 10…15 м /с, от которой зависит износ стенок цилиндров.

4) Ограниченные условия смазки поверхности цилиндра.

5) Агрессивность среды: сернистый газ, пары воды. При пониженных температурах охлаждающей жидкости (ОЖ ) и масла часть продуктов окисления и пары воды конденсируются на стенках цилиндров. Они растворяют продукты окисления и образуют кислоты, вызывающие коррозию цилиндров, разрушение масляной пленки.

Требования

1. Высокая механическая прочность.

2. Высокая жёсткость и стабильность геометрической формы.

3. Высокая износостойкость в условиях ограниченной смазки и агрессивной среды, а также в условиях абразивного, коррозионного и эрозионного износа.

Материалы должны обладать хорошими литейными свойствами и легко подвергаться механической обработке:  перлитный серый чугун с добавками Ni и Cr (прочность + пластичность);  легированный чугун с неориентированным графитом с добавками хрома, молибдена, фосфора, меди, ванадия для повышения износо- и коррозионной стойкости поверхности цилиндров;  азотированные стали;  алюминиевые заэвтектические сплавы с протравливанием рабочих поверхностей до появления на них вкраплений кремния.

Внутренняя поверхность цилиндра, по которой движется поршень, называемая зеркалом цилиндра, подвергается закалке токами высокой частоты (ТВЧ) для повышения износостойкости.

Конструкция

В двигателях жидкостного охлаждения (ЖО) блок цилиндров

 может быть отлит вместе с цилиндрами (двигатели легковых автомобилей (ЛА) ВАЗ и ЗАЗ), что обеспечивает высокую жесткость БК;

 может иметь вставные цилиндры-гильзы (ЯМЗ, ЗИЛ).

Гильзы цилиндров по способу установки в БЦ и в зависимости от наличия или отсутствия их непосредственного контактирования с охлаждающей жидкостью (ОЖ) подразделяются:

 на сухие гильзы, наружная поверхность которых не соприкасается с ОЖ;

 на мокрые гильзы, наружная поверхность которых соприкасается с ОЖ.

Сухие гильзы, имеющие толщину 2...4 мм, устанавливаются в расточки корпуса БЦ по всей длине цилиндра (или в его верхней части, например, вставка из нирезиста - аустенитного чугуна), и непосредственного контакта с ОЖ не имеют.

Преимущества сухих гильз:

 увеличение износостойкости поверхности при малых затратах дорогостоящих легированных примесей;

 повышение жёсткости конструкции блок-картера (БК).

Недостатки:

 технологическая сложность: сухие гильзы устанавливаются (запрессовываются) по скользящей посадке с зазором 0,01...0,04 мм с последующей окончательной обработкой после установки в блок;

 ограниченный отвод теплоты в стенки цилиндра из-за наличия контактного термического сопротивления по поверхности посадки гильзы;

 неравномерное распределение температуры по окружности посадочной поверхности гильзы, что приводит к местным деформациям.

Мокрые гильзы непосредственно соприкасаются с ОЖ. Они применяются, в основном, для двигателей грузовых автомобилей и тракторов. При установке в БЦ эти гильзы устанавливаются в соответствующие расточки БЦ, выполненные в верхнем и нижнем уровнях блока.

Преимущества мокрых гильз:

 более равномерное и более эффективное охлаждение;

 более простое литье БК;

 упрощение технологии ремонта.

Недостатки:

 снижение жесткости БК;

 наличие элементов стыка по верхнему и нижнему поясу, что может приводить к прорыву горячих газов в систему охлаждения и попадания жидкости в картер.

Для сохранения геометрической формы во время работы мокрая гильза имеет два направляющих центрирующих пояса: верхний и нижний.

Верхний установочный пояс имеет зазор. Центральный буртик, выступающий над верхней поверхностью блока, служит для защиты прокладки от горячих газов и способствует ее лучшему обжатию, так как большая часть усилия от головки блока передается на гильзу. Верхний посадочный пояс гильзы располагают таким образом, чтобы уплотняющая зона поршня при его положении в ВМТ находилась на уровне жидкости в рубашке охлаждения\

Нижний установочный пояс уплотняется с помощью резиновых или медных колец. Резиновые, круглого сечения кольца в количестве 2-3 штук ставят с натягом в специальные проточки.

При использовании резиновых колец прямоугольного сечения нижний установочный пояс снабжает буртом, а в центрирующем гнезде блока делают соответствующий уступ, к которому прижимается резиновое кольцо буртиком гильзы.

При использовании медных уплотнительных колец (двигатель АЗЛК-331) легкосъемные гильзы имеют только один нижний удлиненный установочный пояс, к которому примыкает опорный фланец гильзы. Между опорным фланцем и уступом в блоке цилиндра зажимается медная прокладка. В верхней зоне цилиндра такая гильза вообще не соприкасается со стенками рубашки охлаждения, а имеет небольшое утолщение для уплотнения газового стыка. Недостатки: возможность коробления при затяжке блока.

В дизелях наблюдаются случаи вибрации гильз цилиндров, что приводит к кавитационному изнашиванию наружных поверхностей гильз. Дело в том, что в потоке ОЖ при вибрации гильз возможно появления локальных зон с резким повышением объема, что приводит к низкому давлению и к закипанию (местному) ОЖ с образованием пузырьков пара. При обратной деформации гильзы эти пузырьки лопаются с выделением большой энергии. Для предотвращения кавитационного разрушения в гильзах двигателей ЯМЗ - 236, 238 протачивают специальную канавку, в которую устанавливают антикавитационное кольцо.

Толщину стенок цилиндров назначают минимально достаточной для ограничения до уровня допустимой при его деформации при сборке и работе двигателя (для мокрых чугунных гильз – 5…8 мм). В негильзованных блоках толщину выбирают с учётом его «разностенности» при изготовлении и необходимого припуска на расточку при ремонте.

Длину цилиндра устанавливают минимальной из условия обеспечения возможности свободного прохождения противовесов и шатуна. При этом даже допускается выход нижней кромки юбки поршня за пределы цилиндра при его положении в НМТ на величину 0,2D.

Для уменьшения массы БК высота рубашки охлаждения внизу ограничивается уровнем, соответствующим положению оси поршневого пальца при нахождении поршня в НМТ (что составляет около 70% величины хода поршня).

Снижение динамической деформации гильзы достигается:  повышением ее жёсткости;  более плотной насадкой в направляющих поясах;  уменьшением зазора между поршнем и гильзой. Опорные поверхности для мокрых гильз выбирают таким образом, чтобы при затяжке силовых шпилек как можно меньше нарушалась геометрическая форма гильзы.

Непосредственно под опорным фланцем в месте перехода в гильзе делают проточку, чтобы усилия, возникающие при затяжке шпилек, передавались только на фланец. Это в два раза снижает статическую деформации гильзы.

Двигатели с воздушным охлаждением (ВО) выполняют с раздельными цилиндрами, которые крепят к верхней половине картера цилиндра. При этом используются две силовые схемы:  с несущими шпильками и сжатым цилиндром;  с несущим цилиндром, растягиваемым в осевом направлении силами газов.

В первом случае силовые шпильки подтягивают через головку цилиндра к опорной плоскости картера и одновременно обеспечивают плотность газового стыка.

Во втором случае цилиндры крепят к картеру короткими шпильками, через опорный фланец, а головку навёртывают на цилиндр или подтягивают к нему с помощью шпилек.

Для увеличения теплоотвода сами цилиндры снабжают ребрами прямоугольного или треугольного сечения, что повышает поверхность теплоотдачи в 10 раз по сравнению с поверхностью со стороны зеркала цилиндра.

Повреждения гильз:  износ зеркала цилиндра до 0,15 мм;  задиры;  трещины;  коррозия;  кавитационный износ поверхности мокрых линз;  нарушение цилиндричности (нецилиндричность до 0,01-0,02 мм).