2.2. Поршневая группа

Состав: поршень с комплектом уплотняющих колец, поршневой палец и детали его крепления.

Назначение

1) Производит изменения надпоршневого объема цилиндра, необходимые для осуществления рабочего цикла.

2) Воспринимает давление газов в такте расширения и передаёт эту силу давления через шатун коленчатому валу (КВ).

3) Уплотняет надпоршневую полость от прорыва газов в картер, а также от излишнего проникновения в нее смазочного масла.

4) В двухтактных ДВС поршневая группа (поршень) управляет процессами газообмена.

5) Передаёт боковые усилия от шатуна к цилиндру.

6) Осуществляет частичный теплоотвод во избежание перегрева.

Условие работы

1) Циклические силовые нагрузки.

2) Циклические температурные нагрузки.

3) Высокие переменные скорости движения.

4) Высокие температурные напряжения, вызванные неравномерностью тепловых полей.

5) Ограниченные условия смазки.

6) Ограниченные условия теплоотвода.

Детали поршневой группы имеют максимальную тепловую напряженность, что учитывается при выборе их конструкции и материалов.

2.2.1. Поршень

Составные элементы

Поршень состоит из днища, уплотняющей части и направляющей части. Днище и уплотняющая часть (канавки под компрессионные и маслосъемные кольца) называется головкой поршня. Направляющая часть, включающая в себя и участок с бобышками для поршневого пальца, называется юбкой. С внутренней стороны поршень имеет приливы для размещения поршневого пальца - бобышки. В зоне выхода бобышек на внешней поверхности поршней делают местное углубление, вследствие чего стенки этих зон не соприкасаются со стенками цилиндров, образуя так называемые холодильники.

Условия работы

1. Поршень воспринимает значительные тепловые и механические нагрузки вследствие действия сил инерции и газовых сил, соизмеримых друг с другом. При высокой частоте циклов характер нагрузок близок к ударному.

2) Передача нагрузок совмещается с высокой скоростью движения поршня.

3) Трение рабочих поверхностей происходит в условиях ограниченной смазки и теплоотвода, что вызывает значительные износы.

4) Высокая тепловая напряженность поршня, вызванная высокими температурами, высокими давлениями, ограниченными условиями теплоотвода.

Требования к материалам поршней

1) Высокая механическая прочность при высоких температурах и переменных нагрузках.

2) Малая плотность, что обеспечивает меньшую массу поршня и соответственно меньшие силы инерции.

3) Хорошая теплопроводность, что обеспечивает интенсивный отвод тепла.

4) Низкий коэффициент линейного расширения, что гарантирует неизменность зазора на всех режимах работы.

5) Высокая стойкость против коррозии;

6) Высокие антифрикционные свойства в условиях повышенных температур и ограниченной смазке.

7) Невысокая стоимость и хорошая обрабатываемость.

Материалов, в полной мере удовлетворяющих этим требованиям, нет. Но в наибольшей степени им удовлетворяют сплавы на основе алюминия.

Материалы для поршней

Литейные сплавы АЛ25, АЛ-30 и штамповочные сплавы АК4. Это кремне-алюминиевые сплавы с добавкой 11-13% Si для поршней бензиновых двигателей и 20-22% Si для поршней дизелей. Кремний придает жаропрочность.

Недостаток алюминиевых поршней - высокий коэффициент линейного расширения, а также снижение механической прочности при повышении температуры и малая износостойкость.

Требования к поршню

1) Герметичность внутреннего пространства цилиндра:

2) Минимальная тепловосприимчивость внешней поверхности поршня.

3) Наилучший отвод тепла в стенки при минимальном градиенте температур.

4) Обеспечение малого расхода масла.

5) Минимальная конструктивная масса при достаточной прочности и жесткости.

6) Минимальная работа трения.

7) Высокая износостойкость.

Реализация этих требований обеспечивается комплексом конструктивных и технологических мероприятий.

Теплоотдача от газов к поршню зависит от:  температуры;  плотности среды;  её турбулизации;  длительности горения;  способности среды к теплоизлучению;  воспринимающей поверхности.

Температуры поршня бензиновых двигателей составляют:

• в центре днища 300… 350C;

• по периферии днища 250С;

• в районе верхней канавки компрессионного кольца - 240С;

• в зоне бобышек должно быть не более 170С;

• у окончания юбки 130 С.

Таким образом, температуры неравномерно распределяются по длине боковой поверхности юбки.

Поршни дизелей работают в более тяжёлых условиях в силу ряда особенностей рабочего процесса.

1) Неравномерное распределение температур в объеме KС, что приводит к местным перегревам поршня.

2) Высокое значение плотности и турбулизации газовой среды в период горения.

3) Повышенная жёсткость протекания рабочего процесса (вызванная высокой скоростью изменения давления по углу ПКВ), что приводит к резкой пульсации горячих газов в зазорах головки поршня.

4) Большая продолжительность горения с высокими температурами, что увеличивает теплоотдачу от газов стенкам.

5) Интенсивное лучеиспускание при сгорании жидких углеводородов.

6) Большая поверхность днища поршня вследствие того, что в нем, как правило, размещается КС.

Работоспособность поршней определяется совокупностью конструктивных и технологических мероприятий. Особенности конструкций поршней определяются назначением и особенностями рабочих процессов двигателей.

1) Днище поршня является одной из стенок КС, воспринимающим давлением и мах температуры газов. Должно обеспечивать интенсивный теплоотвод. Наиболее простой и технологичной является плоская форма днища. Головка при этом имеет минимальную массу и поверхность соприкосновения с газами, что обеспечивает уменьшение тепловой напряженности.

Выпуклая форма днища придает ему большую жесткость и уменьшается возможность нагарообразования; однако, такая форма приводит к наибольшей тепловой напряжённости

Вогнутая форма днища облегчает компоновку сферических КС в бензиновых двигателях, а также способствует организации рабочего процесса в дизелях; в этом случае внутренней поверхности КС придается форма, соответствующая форме факелов топлива, распыливаемых через многодырчатую форсунку. Однако вогнутые днища способствуют нагарообразованию.

Для ДсИЗ наиболее распространённой является плоское днище. В днище поршня некоторых ДсИЗ выполняют углубления, для предотвращения встречи днища с открытым клапаном. Однако выполнение вогнутого днища иногда является следствием специфики организации рабочего процесса.

В дизелях в большинстве случаев в днище поршня формируется камера сгорания, форма которой зависит от особенностей организации рабочего процесса.

2) Головка поршня имеет высокую тепловую напряжённость, что отрицательно сказывается на работе верхнего компрессионного кольца. Канавка этого кольца должна находиться на таком расстоянии от днища, на котором гильза цилиндра омывается охлаждающей жидкостью. В дизелях для предотвращения износа верхней канавки поршня (возникающего вследствие высоких температур, пульсации давления, большого содержания О₂) применяют вставки из нирезиста (аустенитный чугун с 20% содержанием Ni). Его износостойкость, жаропрочность, коэффициент линейного расширения близки к соответствующим характеристикам алюминиевых сплавов. Такие вставки имеют поршни дизелей ЯМЗ, КамАЗ, ВАЗ, а также поршни двигателя ЗИЛ - 130.

3) Неравномерность распределения температур по длине поршня предопределяет соответствующую геометрию боковых поверхностей. Поршни изготовляются:  ступенчатыми,  корсетными,  бочкообразными.

Выбор формы образующей поршня имеет целью сохранение оптимального зазора по длине. Применение бочкообразных поршней позволяет:

 увеличить контактную поверхность в 2 раза;

 снизить теплонапряженность на 20 %;

 уменьшить шум и расход масла.

Зазор по всей длине поршня не должен превышать 0,02... 0,04 мм для обеспечения требуемых уплотняющих свойств поршня.

Бочкообразная форма боковой поверхности поршня обеспечивает масляный клин как при прямом так и при обратном движении поршня.

4. В передаче боковой силы N от поршня к цилиндру участвует только часть боковой поверхности юбки, ограниченная в поперечном сечении дугой с = 80...100. Нерабочая часть юбки деформируется таким образом, что ее размер в направлении оси кольца увеличивается. В итоге поршень приобретает форму овала с большей осью в направлении оси поршневого пальца.

Указанная деформация связанна с действием боковой силы N и температурным расширением днища преимущественно в направлении бобышек. Чтобы избежать заедания поршня в результате этих деформаций в предусматривается технологическая овализация его юбки с меньшим диаметром по оси поршневого пальца.

Овализация юбки доводится до нижней кромки поршня. Овальность лежит в пределах 0,3...0,5 мм, причем большую ось располагают перпендикулярно оси поршневого пальца. Тогда при штатном тепловом состоянии форма юбки приближается к цилиндрической.

5) Ограничение теплового расширения юбки и соответственно сохранение стабильных зазоров понижением ее рабочей температуры. Это достигается ограничением тепловых потоков от головки поршня к юбке. Для этой цели выполняются Т и П - образные прорези между уплотняющими и направляющими поясами. Обладая большим термическим сопротивлением, эти прорези уменьшают ограничивают эти тепловые потоки, что позволяет уменьшить зазор между поршнем и цилиндром.

Прорези делают на стороне юбки, которая не прижимается к зеркалу цилиндра во время рабочего хода. Например, поршни двигателя ЗИЛ- 130 имеют поперечные прорези под головкой и Т- образный разрез для компенсации теплового расширения. Однако поршни с разрезной юбкой имеют повышенное трение и недостаточную жесткость, а также высокую температуру головки. Поэтому они применяются при небольших диаметрах цилиндров и давлениях газов. По этой причине поршни дизелей не имеют разрезов и выполнятся более толстостенными. Это требует увеличения зазоров до 0,15...0,22 мм вместо 0,02...0,10 мм у двигателей с искровым зажиганием.

6) Ограничение теплового расширения в плоскости качания шатуна достигается установкой компенсационных вставок из материалов, имеющих малый коэффициент линейного расширения. Стальные поперечные пластинки заливаются в зоне бобышек, благодаря чему в отливке создаются остаточные напряжения. При нагревании эти препятствуют расширению направляющего пояса по линии действия нормальной силы. Общий коэффициент линейного расширения у таких поршней в 1,3...1,9 раза меньше, чем у алюминиевого сплава, что позволяет обойтись без продольных прорезей. В качестве материала вставок используется инвар - сталь, содержащая 35% Ni.

7) Для уменьшения стуков во время перекладки поршня в некоторых двигателях ось поршневого пальца смещают относительно оси цилиндра на (0,02...0,03) в сторону более нагруженной поверхности поршня. В этом случае:

 во-первых, момент перекладки поршня от одной степени и другой не совпадают с моментом резкого нарастания давления во время сгорания;

 во-вторых, вследствие такого смещения поршень как бы поворачивается в направляющей гильзе и в момент перехода ВМТ не перекладываются, а поворачивается, что уменьшает ударные нагрузки.

8) Для улучшения приработки поршня его наружная поверхность покрывается электролитическим способом слоем олова (0,005 мм). Кроме улучшения приработки это предохраняет поршень от задиров в начальной стадии работы, т.к. при местном перегреве олово плавится и выступает в качестве смазки.

9) При форсировании двигателей по наддуву поршень становится лимитирующим элементом двигателя. В этих случаях применяется принудительное охлаждение поршней с помощью масла.

Способы охлаждения

1. Опрыскивание внутренней поверхности поршней маслом, подаваемым через форсунку в поршневой головке шатуна. Для этого шатун имеет продольное сверление, а вкладыши - кольцевую проточку, поршневой палец - кольцевую канавку. Это уменьшает температуру днища на 20 С.

2. Опрыскивание днища поршня маслом, подаваемым форсунками из главной масляной магистрали (ГММ) при прохождении поршня вблизи НМТ. Температура в центре днища уменьшается на 30...40 С. Двигатели ВАЗ- дизель, Икарус, ЗИЛ - 645.

3. Циркуляция масла в полых полостях (кольцевых) под днищем поршня.

Снижение температуры днища поршня 50...60 С.

4. Применение составных теплонапряженных поршней, имеющих направленную часть из алюминиевого сплава, а днище и уплотняющую из чугуна.