Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 29
Текст из файла (страница 29)
4.8 приведены значениятемпературы поршня среднеоборотного дизеля типа ЧН40/46 в зоне канавки первого компрессионного кольца при различных способах охлаждения. Наибольший эффект от охлаждения взбалтываемым маслом достигается приблизительно при 50 %м заполнениимаслом полости охлаждения. Следует заметить, что в действительности обычно осуществляется комбинация инерционного охлаждения сэлементами циркуляционного.Вследствие интенсификации охлаждения растут непроизводительные затраты теплоты в систему охлаждения двигателя. Кроме того,неизбежно увеличение поверхности масляных радиаторов двигателя, что не всегда приемлемо с точки зрения компоновки энергоустаРис. 4.8.
Температура поршня в зоне канавкипервого компрессионного кольца при различных способах охлаждения поршня:1 – неохлаждаемого; 2 – с циркуляционныммасляным охлаждением; 3 – с охлаждениемвзбалтываемым маслом136Рис. 4.9. Поршень с жаровой накладкой и неразрезным жаровым кольцом:1 – головка; 2 – неразрезное жаровое кольцо; 3 – термоизоляция; 4 – кольцедержатель; 5 – корпус поршняновки в целом. В таком случае длянадежной работы цилиндропоршневой группы применяют составные поршни (рис. 4.9), в конструкции которых используют термоизоляцию 3 между головкой и тронковой частью. Температура головкиили жаровой накладки может бытьочень высокой и приближаться ксредней результирующей температуре Тг рез газа по теплоотдаче. Поэтому головка поршня должна бытьвыполнена из высоколегированныхсталей или жаропрочных сплавов.Следует отметить, что при повышении температуры стенок камерысгорания уменьшаются жесткостьпроцесса сгорания и тепловой поток от газа в стенки.Наряду с приведенными конструкциями, которые получили широкое распространение, существуетряд оригинальных конструкцийпоршней, имеющих еще ограниченное применение.
Среди нихможно назвать поршни дизелейбольшой мощности с механизмомвращения и шаровой опорой штоРис. 4.10. Поршень с изменяемой степенью сжатия:1 – корпус поршня; 2 – подвижная головкапоршня; 3 – внутренний поршень; 4 и 8 –верхняя и нижняя полости поршня; 5 и 6 –обратные клапаны; 7 – редукционный клапанка, а также составные поршни,обеспечивающие изменение степени сжатия при работе двигателя(рис. 4.10). Конструкция поршня савтоматически регулируемой степенью сжатия (ПАРСС) достаточносложна, трудоемка при доводке,поэтому не получила широкогораспространения.В последнее время много внимания уделялось двигателям суменьшенным отводом теплоты встенки камеры сгорания, в томчисле и в днище поршня. Такиедвигатели иногда называют адиабатными.
Надежды конструкторовна повышение экономичности двигателей за счет теплоизоляции стенок камеры сгорания на сегодняшний день не оправдались. Однакоколичество теплоты, отводимое через стенки деталей, образующихкамеру сгорания, может быть снижено, что для некоторых типов быстроходных дизелей имеет практическое значение, благодаря сниже137нию нагрузки на теплообменникивсей двигательной установки. Вданном случае нашли применениесоставные конструкции поршней сголовкой из жаропрочного материала и корпусом поршня, выполненным из легкого сплава.
Температура поверхности днища поршняможет приближаться к средней результирующей температуре Тг рез газа по теплоотдаче, достигая 1000–1200 К. Примером может служить иприведенная выше конструкциясоставного поршня (см. рис. 4.9).Для блокирования тепловых, в томчисле лучистых, потоков из головки поршня в алюминиевый корпусмежду ними ставятся тепловые экраны. При этом температура зоныпоршневых колец и самого корпусапоршня оказывается на приемлемом для нормальной работы уровне. В опытных вариантах конструкций прорабатывалось применениеконструкционныхкерамическихматериалов, например, Si3N4, ZrO2и другие для головки поршня.4.2.
Анализ конструкцийпоршнейНесмотря на общность рядапринципиальных требований кпоршням двигателей различногоназначения, тип и область применения двигателя накладывают существенный отпечаток на конструкцию поршня (сказанное относится и к другим базовым деталямдвигателя).Поршни автомобильных и тракторных двигателей отличаются разнообразием конструкторских решений. Здесь прежде всего необходимо выделить поршни двигателей спринудительным зажиганием. Особенностью таких двигателей является их малая масса, что связано с высокой быстроходностью указанныхдвигателей, поэтому их поршни выполняются исключительно из легких сплавов.
Одновременно болеенизкое максимальное давление сгорания рz в рассматриваемых двигателях по сравнению с дизелями позволяет иметь конструкцию поршняменее жесткой с уменьшеннымитолщинами днища, перемычек между канавками колец, облегченнойюбкой.
Умеренные тепловые потоки не требуют повышенной интенсивности масляного охлаждения (вчастности, внутренних охлаждающих полостей).На рис. 4.11 приведена типичнаяконструкция поршня автомобильного двигателя с принудительнымзажиганием и некоторые геометрические соотношения (относительнодиаметра D цилиндра) элементовРис. 4.11. Геометрические соотношения элементов поршня из алюминиевого сплава автомобильного двигателя с принудительным воспламенением (в долях диаметра цилиндра D)138конструкции, характерные для быстроходных бензиновых двигателейлегковых автомобилей. Можно отметить тенденцию уменьшения до0,6D длины Нп поршней у современных двигателей с принудительнымвоспламенением по сравнению сдлиной Нп около (0,85–1,00)D упрежних конструкций. Такое уменьшение достигается выбором длиныжарового пояса Н0 = (0,06–0,09)D,уменьшением высоты канавки подкомпрессионные кольца до 1,20–1,75 мм и высоты канавки под маслосъемное кольцо до 2,5–3,0 мм, врезультате длина Н1 уплотняющегопояса поршня становится равнойоколо 0,26D.
Уменьшение массыпоршня достигается применениемукороченных пустотелых поршневых пальцев диаметром dп около0,25D при расстоянии b между бобышками около 0,35D. При этомбобышки облегченных поршнейбензиновых двигателей являютсяодним из наиболее напряженныхэлементов конструкции. Уменьшение напряженности возможно с помощью торцов бобышек, выполненных с наклоном (см. рис. 4.4).При невысоких степенях сжатия,отсутствии турбонаддува, что ранеебыло характерно для двигателей спринудительным воспламенением,возможность использовать нежесткую конструкцию нашла отражениев поршнях с прорезями, имеющимиП и Тобразную форму.
Изза наличия прорезей между уплотняющим и опорным (направляющим)поясами уменьшается подвод теплоты к направляющему поясу, чтопозволяет уменьшить зазор междупоршнем и цилиндром без опасения заклинивания его в цилиндре.При этом снижается интенсивностьударов при перекладках поршня.Выполненные прорези 1 частоне доводят до нижнего края юбкиРис. 4.12. Поршень из алюминиевого сплава сразрезной юбкой:1 – прорезь(рис. 4.12). В поперечной плоскости направляющей части поршня вхолодном состоянии придают эллиптическую форму.
Б\льшая осьэллипса (овала) располагается перпендикулярно оси поршневогопальца. По мере нагревания поршня на работающем двигателе бо' льшее расширение происходит в направлении оси поршневого пальца.Деформации опорной части поршня в данном направлении способствует действие давления газов наднище и боковой силы N на частьповерхности юбки, ограниченной впоперечном сечении дугой с угломy = 70–90° (рис. 4.13).По мере роста температуры наработающем двигателе бо' льшее расширение происходит в направленииоси поршневого пальца, вследствиечего форма юбки приближается кцилиндрической. Поршни с разреРис. 4.13. Схема взаимодействия юбки поршня с цилиндром при работе двигателя139зами имеют повышенные потери натрение и используются в двигателяхс относительно небольшими диаметрами цилиндра.
Диаметральныйзазор на границе между уплотняющим и направляющим поясами составлял для поршней с прорезями0,022–0,027 % диаметра цилиндра,0,7–0,9 % жарового пояса. Увеличение литровой мощности двигателейс принудительным воспламенениемповысило требования к прочностипоршней. В результате бо' льшее распространение стали получать неразрезные поршни. В случае применения монометаллических поршнейбез прорезей величина необходимого диаметрального зазора оказывается весьма значительной. Малаявеличина диаметрального зазорапри достаточной прочности достигается применением биметаллической терморегулируемой конструкции поршня.
Терморегулированиеобеспечивается заливкой (наиболеечасто в районе бобышек) стальныхпластин – вставок, имеющих меньший по сравнению с материаломпоршня коэффициент линейногорасширения, что позволяет уменьшить расширение направляющегопояса поршня при работе двигателя.Форма и расположение вставок(рис. 4.14) могут быть различными.Рис. 4.14. Вставкидля регулированиятеплового расширения поршняРис. 4.15. Поршеньс терморегулирующей вставкойВысокой прочностью обладаютбиметаллические поршни без прорезей со стальной ленточной терморегулирующей вставкой (рис. 4.15),залитой в направляющей части.Кроме того, используются биметаллические терморегулируемые конструкции с поперечными прорезями. Толщина заливаемых пластинсоставляет 1,0–1,5 мм при минимальной толщине стенки 2–3 мм.Диаметральный зазор в направляющей части терморегулируемого поршня составляет 0,04–0,06 % диаметрацилиндра.Недостаток поршней со вставкой– увеличение массы.
Применениеболее совершенных технологий получения заготовок, в частности,жидкой штамповки в вакууме вместообычного литья в кокиль, а такжеболее прочных алюминиевых сплавов и специальных покрытий днищаи канавки верхнего поршневогокольца позволяет отказаться от терморегулирующих вставок. При использовании штампованных поршней увеличивают диаметральный зазор между поршнем и цилиндром (с0,02 мм у поршней традиционнойконструкции до 0,04–0,05 мм). Применение новых материалов и технологий позволяет проводить дальнейшее совершенствование конструкций поршней двигателей с принудительным воспламенением в направлении снижения массы и габарит140Рис. 4.16. Поршень Хобразной формыных размеров. В частности, следуетуказать на Хобразную конструкциюс разрезной облегченной юбкой безсредней части (рис. 4.16), что обеспечивает снижение массы поршня всреднем до 20 %.Поршни автомобильных и тракторных дизелей более массивны (см.рис.
4.1), что связано с б\льшимимеханическими и тепловыми нагрузками, действующими на поршни дизелей, по сравнению с поршнямидвигателей с принудительным воспламенением. Наряду с применяемыми в большинстве случаев поршнями, выполненными из алюминиевых сплавов, применяются составные конструкции с головкой поршня, выполненной из жаропрочногоматериала (например, легированнойстали), и корпусом, выполненнымиз алюминиевого сплава или болеепрочного материала (например, высокопрочного чугуна). Составныепоршни применяются в дизелях автомобилей большой грузоподъемности и гусеничных машин с высокими значениями среднего эффективного ре и максимального рz давления.Соединение головки и корпусапоршня осуществляется поразному. Наряду с широко применяемыми резьбовыми элементами крепления (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
