Модификации поршней форсированного двигателя

Необходимость модификации поршней при модернизации двигателя наддувом связана прежде всего с повышением давлений и температур и камере сгорания. Конструкция современных поршней столь совершенна, что они выдерживают высокие механические и термические нагрузки. Поэтому часто можно снимать металл с днища поршня без угрозы его прочности. В то же время, снижение степени сжатия создаёт проблемы эффективного пуска двигателя в условиях, когда система наддува не работает и давление и температуры в цилиндре не достигают в процессе сжатия того минимума, который обеспечивает самовоспламенение (или воспламенение) смеси. Для решения этой проблемы приходится пользоваться средствами повышения температуры заряда в цилиндре перед пуском и во время пуска, т. е. использовать специальные нагревании в камере сгорания и проч. Об этом речь пойдёт в дальнейшем.

Зависимость давления и температуры сжатия в цилиндре от степени сжатия при разных условиях на впуске

Рис. Зависимость давления и температуры сжатия в цилиндре от степени сжатия при разных условиях на впуске

Как показано на рисунке, важнейшим показателем, определяющим возможность или невозможность применения данной степени наддува в неизменной конструкции двигателя является температура в цилиндре. При этом речь может идти как о снижении прочности материала поршня, так и о термических деформациях поршней, а также усталостной прочности, в результате знакопеременных тепловых деформаций. Материалы для изготовления поршней и колец должны обладать крипо-стойкостью (т. е. способностью выдерживать длительные статические и динамические нагрузки при повышенной температуре без накопления остаточных деформаций). Во всех случаях форсирования двигателя головка поршня должна иметь достаточный зазор с цилиндром. Наилучшими путями сохранения этого зазора во время работы двигателя является охлаждение поршня. Возможно применение системы постоянного охлаждения. В этом случае охлаждающее поршень масло подаётся через шатун и его головку к специальному распылителю масла на внутреннюю поверхность днища поршня. С омываемой маслом поверхности днища масло постоянно снимается специальным скребком, связанным с головкой шатуна и прижимаемым к днищу поршня пружиной. Затем масло перетекает в полости охлаждения зоны размещения колец и стекает в картер. Конечно, такая система усложняет конструкцию машины. А вот применение периодического охлаждения днища поршня маслом более просто и достаточно эффективно. На рисунке показана схема такого охлаждения.

Охлаждение внутренней части поршня с помощью струи масла, подаваемой форсункой 1

Рис. Охлаждение внутренней части поршня с помощью струи масла, подаваемой форсункой 1

При приближении поршня к нижней мёртвой точке форсунка 1, направленная вверх, впрыскивает масло в его полости. Масло поступает в область днища, омывает его и сливается по соответствующим каналам поршня на поршневую головку шатуна, а затем в картер двигателя. Следует обратить внимание, что полость охлаждения приближена к зоне размещения первого поршневого кольца, т. к. именно оно испытывает наибольшие и механические, и тепловые нагрузки.

В данном случае стенки днища поршня и боковые стенки поршня вблизи первого и других колец делаются уменьшенной толщины для лучшего отвода тепла от днища поршня в систему охлаждения. Надёжная работа поршневой группы зависит от обеспечения эффективных способов отвода тепла от днища поршня и создания благоприятных условий для работы поршневых колец. Через поршень может отводиться до 7 — 9 % тепла, вводимого с топливом в цилиндр двигателя.

Проблема отвода тепла от днища поршня может решаться также применением материалов (например, алюминиевых сплавов) с высокой теплопроводностью, а также повышенной толщиной головки поршня для облегчения передачи тепла к кольцам, которые в свою очередь, отдают его втулке цилиндра, охлаждаемой водой. (До 75 — 80 % тепла, полученного головкой поршня, уходит через кольца, а 20 — 25 % отнимается воздухом и разбрызгиваемым в картере маслом).

Геометрическая форма поршня представляет собой несколько усечённых конусов. Конусность верхней части поршня допускает повышенный нагрев в этой части, а следовательно, большее расширение, чем в нижней. Поэтому в нагретом состоянии поршень будет иметь форму, приблизительно цилиндрическую. Зазоры колец в поршневых канавках зависят от температуры: чем сильнее нагревается участок поршня, тем больше зазоры в кольцах. Чем меньше зазор в горячем состоянии между головкой поршня над первым кольцом и цилиндром, тем больше дросселирование газа в этом зазоре и лучше условия работы колец. Так, при зазоре 0,05 мм и температуре газа в верхней части зазора, равной 800 С, уже на расстоянии 20 мм от верхней части температура газа снижается до 400 °С, а при зазоре, равном 0,5 мм — лишь до 700 С. Давление газа на поршневые кольца меняется как от расстояния до кольца, так и от давления газа в цилиндре. Если принять давление в цилиндре за 100%, то давление, действующее на первое кольцо, составит 75%, на второе -17%, а на третье — лишь 7%.

Для предупреждения интенсивной выработки ручьёв под кольца, которая наблюдается особенно у алюминиевых поршней, применяется плазменная износостойкая наплавка ручьёв или вставка из специального чугуна (нерезиста). В высокофорсированных дизелях с диаметрами цилиндра порядка 200 — 300 мм наряду с алюминиевыми охлаждаемыми поршнями применяют и составные — тонкостенная головка из жаропрочной стали, тронк из алюминиевого сплава или чугунный. Составные поршни обеспечивают высокую износостойкость канавок компрессионных колец, благодаря высокой твёрдости жаропрочных сталей при высоких температурах. А также допускают минимальный зазор между головкой и втулкой цилиндра, поскольку коэффициент линейного расширения материалов головки и втулки примерно одинаковы.

Для более нагруженных двигателей рекомендуется применять в качестве верхних колец трапецеидальные кольца. В этом случае усиливается перемычка между соседними канавками, уменьшается нагар в канавках за счёт их самоочистки и более интенсивного вымывания нагара.

Схема размещения трапецеидального поршневого кольца в чугунной вставке алюминиевого поршня

Рис. Схема размещения трапецеидального поршневого кольца в чугунной вставке алюминиевого поршня

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (оцени первым)
Сборка и установка шатунно-поршневой группы на двигатель Поршни с шатунами На днище поршня нанесено обозначение группы поршня по диаметру юбки, на передней части поршня — ремонтной группы и ремонтного размера поршня. Для облегчения индивидуального подбора поршней к цилиндрам каждый из размеров ремонтной группы подразделяют на размерные группы, в которых ...
Разборка и сборка комплекта поршень—шатун (автомобиль Москвич) Необходимый специальный инструмент и приспособления: тонкий бородок сосуд с горячей водой оправка для выпрессовки поршневого пальца Последовательность разборочно-сборочных операций: Вынуть стопорные кольца, удерживающие поршневой палец в бобышках, поддевая каждое из них тонким бор...
Ход поршня Расстояние, которое поршень проходит в цилиндре двигателя, называется ходом поршня. Чем оно больше, тем больше топливно-воздушной смеси поступает в цилиндр, и, следовательно, тем выше давление газов, образующихся при сгорании смеси. Какие детали двигателя определяют ход поршня? Ход поршня — это ра...
✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶
Google+ ()