Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Соединение материала вставки и поршня,выполненного из алюминиевогосплава, осуществляется посредством так называемого алфинпроцесса, обеспечивающего сращивание металлов в граничном слое.Штампованные поршни из деформируемых сплавов превосходят литые по прочности материала, но в таком случае надежноекрепление вставки связано с трудностями.В отличие от бензиновых двигателей, у которых форма поверхности поршня, обращенная к камересгорания, близка к плоской, в дизелях с непосредственным впрыскомкамера сгорания формируется в головке поршня. На рис. 4.2 представлены камеры сгорания некоторых типов, применяемые в автомобильных и тракторных дизелях.Расположение камеры сгорания впоршне, обеспечивающее качественное протекание рабочих процессов, усложняет конструкциюпоршня и увеличивает тепловуюнапряженность его головки, являющейся, как правило, наиболеенагретым местом поршня.На рис.
4.3 показано изменениетемпературы в отдельных точкахпоршня с камерой типа ЦНИДИтракторного дизеля ЧН11/12,5 в зависимости от нагрузки (эффективного давления) при частоте вращения коленчатого вала n = 2100 мин-1.Температура вблизи тонкой кром132Рис. 4.3. Зависимость температуры поршняиз алюминиевого сплава с камерой сгораниятипа ЦНИДИ от эффективного давления(нагрузки):Т1, Т2, Т3 – соответственно температуры кромкикамеры, наружного края поршня, зоны первого поршневого кольца; ––– и – – температура поршня соответственно без охлаждения и сохлаждением наддувочного воздухаки значительно превосходит температуры других элементов поршняи, несмотря на невысокое среднееэффективное давление ре, достаточно велика. При скруглениикромки радиусом 2–4 мм уменьшаются скорость обтекания ее потоком газа, отвод теплоты в телопоршня, снижаются температурный градиент и температурные напряжения.
Однако при этом обычно ухудшается экономичность двигателя. С ростом уровня форсирования двигателей температура кромок камер сгорания растет, достигая предельной (350 °С и выше) дляалюминиевых сплавов. Для повышения термостойкости кромку (аиногда всю поверхность камеры)армируют жаропрочным материалом, применяют напыление керамического материала или анодирование поверхности поршня, соприкасающейся с горячими газами.Вследствие того, что кромка камеры работает в условиях термической усталости, армирующий материал должен быть достаточно пластичным. Многие теплоизолирующие покрытия, способные выдерживать высокие температуры в условиях статического нагружения,будучи хрупкими, плохо работают вусловиях циклических тепловых имеханических нагрузок, проявляясклонность к растрескиванию.Наиболее эффективно упрочнениематериала поршня из алюминиевого сплава осуществляется добавлением коротких керамических волокон, например, Al2O3 размером0,5–1,0 мм.
В отличие от обычнойзаливки в кокиль применяется литье под давлением около 100 МПа,что устраняет пористость, связанную с введением керамических волокон, и улучшает процесс кристаллизации, увеличивая прочностные свойства материала. Однакотакая технология связана с дополнительными затратами.В связи с повышением в современных двигателях давления газов вцилиндре повышается уровень напряжений в области опор поршневого пальца (бобышках поршня).
Увеличение температуры в данной области поршня до 200–230 °С снижает сопротивление усталости алюминиевых сплавов и повышает опасность циклических напряжений отмеханической нагрузки, следствиемчего может быть появление трещины в районе внутренней кромки бобышки сверху от отверстия подпоршневой палец. Для повышенияпрочности бобышек отверстию подпоршневой палец рекомендуют придавать отличную от цилиндрическойспециальную форму. По даннымфирмы "Маhlе", это может повыситьнесущую способность бобышек впределах 5–30 %. Для уменьшениянапряжений в бобышках сокращаютрасстояние между ними, вследствиечего уменьшается нагрузка на опорную поверхность в бобышках, а также прогиб поршневого пальца133Рис. 4.4.
Поршень с увеличенной поверхностью бобышек(рис. 4.4). Повышению работоспособности бобышек поршня способствует предварительная пластическая деформация опорных поверхностей в холодном состоянии.Работоспособность поршневойгруппы обеспечивается при непревышении температур в отдельных зонах поршня некоторых предельных значений, зависящих отматериалов и конструкции элементов поршневой группы, применяемого смазочного материала,назначенного ресурса двигателя идр.
Например, температура в районе первой поршневой канавки вслучае использования минеральных масел не должна превышать220–240 °С.Для снижения температурыголовки поршня, в том числетемпературы в зоне первогопоршневого кольца, используютмасляное охлаждение поршней.В зависимости от уровня форсирования (литровой мощности,среднего эффективного давления) могут применяться различные способы охлаждения. В малофорсированных двигателях охлаждение осуществляется масляным туманом с внутренней поверхности поршня. При умеренных уровнях форсирования днище может быть охлаждено разбрызгиваемым маслом, подаваемым, например, через стерженьшатуна в верхнюю головку.
Однако при росте частоты вращения коленчатого вала двигателяэффективность охлаждения с подачей масла через шатун снижается изза усиления влияния поля центробежных сил вследствиекачания шатуна. При повышении уровня среднего эффективного давления в транспортныхдизелях свыше 1,0–1,2 МПа такой способ охлаждения поршнейстановится недостаточным.
Вбыстроходных двигателях болееэффективное охлаждение достигается подачей охлаждающегомасла через специальную форсунку, неподвижно установленную в картере двигателя. Маслоиз форсунки в виде струи подается на внутреннюю поверхностьпоршня. Образующаяся при этомпленка стекает по своду внутренней поверхности, охлаждая последнюю. Описанный способ охлаждения широко применяется всовременных автомобильных двигателях.Усилить охлаждение, включаязону первого поршневого кольца,можно, сделав в поршне специальную кольцевую полость 1 (рис.
4.5),Рис. 4.5. Схема охлаждения поршня с кольцевой полостью:1 – кольцевая полость; 2 – подводящий канал134получаемую в отливке с помощьюиспользования соляных растворимых стержней. Форсунка, через которую масло подается напоршень, должна надежно фиксироваться с целью обеспеченияб\льшей подачи масла в полостьохлаждения. Приемлемая величина попадания масла в полость охлаждения составляет приблизительно 80 % общего расхода масла через форсунку.
В отличие отсхемы, показанной на рис. 4.5,конусообразный вход масляногоканала смещают в среднюю частьюбки поршня, что избавляет отнеобходимости утолщения еестенки.В некоторых случаях поршнисреднеоборотных двигателей с повышенным диаметром цилиндраохлаждают с помощью залитых вголовку поршня в виде змеевикаметаллических трубок (рис. 4.6),по которым циркулирует охлаждающее масло, подаваемое черезсистему отверстий в шатуне,поршневом пальце и бобышкахпоршня.Охлаждение с помощью змеевика обеспечивало удовлетворительную работу поршня из алюминиевого сплава даже при диаметре D == 500 мм до pе = 1,4–1,5 МПа. Эффективность охлаждения зависитРис.
4.6. Поршень из алюминиевого сплава созмеевикомот коэффициента теплоотдачи,площадиповерхноститрубки,омываемой маслом, термическогосопротивления трубки и зоны контакта ее с материалом поршня.Б\льшие значения коэффициентатеплоотдачи в масло соответствуютб\льшим скоростям движения масла и повышенным температураммасла. Последнее связано с уменьшением вязкости охлаждающегомасла и, следовательно, наступлением турбулентного режима течения при более низких скоростяхпотока в змеевике.
Например, длязмеевика диаметром 10 мм присредней температуре масла Тм, равной 80 и 120 °С, рекомендуетсяскорость масла в нем не ниже соответственно 6 и 2 м/с. К недостаткамприведенного способа охлажденияотносятся технологические трудности, связанные с обеспечением качественного соединения материалатрубки с материалом поршня призаливке и, главное, сохранением надежного контакта во время длительной работы поршня на двигателепри переменных тепловых и механических нагрузках. Змеевиковаясхема охлаждения вследствие своейсложности и недостаточной надежности не получила распространения.В дизелях с достаточно высокимсредним эффективным давлениемнаряду с поршнями, охлаждаемыми по описанной выше схеме с полостным охлаждением, применяются составные поршни.
Корпуспоршня выполняется из легкогосплава (а иногда и из более прочного материала), а головка – из достаточно жаропрочного материала,например, легированной стали. Нарис. 4.7 схематично представленыконструкции поршней: монометаллического (рис. 4.7, а) и составного(рис. 4.7, б). Там же даны некото135Рис. 4.7. Геометрические соотношения элементов поршней форсированных дизелей в долях диаметра D:а – монометаллического; б – составногорые ориентировочные геометрические соотношения.Эффективность охлаждения повышается, когда кольцевая полостьохлаждения частично заполненамаслом.
В данном случае имеет место инерционное масляное охлаждение, при котором за счет использования кинетической энергиимасла, находящегося в полостипоршня при периодических сменахзнака и величины ускорения поршня, происходит встряхивание иливзбалтывание масла, что увеличивает теплоотдачу от стенки полостив масло.В форсированных двигателях сдиаметрами цилиндра, превышающими 150–200 мм, охлаждающаямасляная полость удачно реализуется в составной конструкциипоршня с подачей охлаждающегомасла в его центральную часть через шатун, что при умеренных частотах вращения коленчатого валафорсированных двигателей обеспечивает достаточную подачу масла.На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
