Поршневая группа состоит из поршня, поршневых колец, поршневого пальца (у тронкового дизеля) или поршневого штока (у крейц-копфного дизеля).

Поршень служит для передачи давления газов на шатун (в тронковом дизеле) или поршневой шток (в крейцкопфном дизеле), образования камеры сгорания и обеспечения ее герметичности, управления открытием и закрытием окон (в двухтактном дизеле).

Поршень состоит (рис. 3.2, а) из головки 1 (верхней части с круговыми канавками для уплотнительных колец) и направляющей части - тронка 4 с канавками для маслосъемных колец (в тронковом дизеле) или юбки (в крейцкопфном дизеле). Внутри тронка имеются приливы - бобышки 2 с отверстиями для установки поршневого пальца 3.

Головка поршня воспринимает давление газов и осуществляет газораспределение (в двухтактном дизеле). Тронк выполняет роль ползуна, скользящего по стенке цилиндра, передает на нее нормальную силу и перекрывает выпускные и продувочные окна при положении поршня в ВМТ для предотвращения прорыва газов и продувочного воздуха в картер (в двухтактном дизеле). Юбка поршня в крейцкопфном дизеле обеспечивает его центровку в цилиндре и перекрывает окна при положении поршня в ВМТ (в двухтактном дизеле с неуправляемым выпуском).

Во время работы дизеля поршень нагревается и расширяется больше, чем цилиндровая втулка. Для предотвращения заедания поршня предусматривают тепловой зазор. Наиболее интенсивно нагревается головка поршня, поэтому радиальный зазор б (рис. 3.2, б) между головкой и втулкой устанавливают больше, чем между тронком (или юбкой) и втулкой. Для этого головку поршня изготавливают меньшего диаметра, чем тронк, или обрабатывают ее на конус. Зазор зависит от диаметра цилиндра, конструкции, материала и условий охлаждения поршня. Его устанавливают опытным путем, так как при увеличении зазора возрастает температура газа (рис. 3.2, в) и поршня над верхним поршневым кольцом, ухудшая условия его работы. Зазор между тронком и втулкой должен обеспечивать только свободное перемещение поршня. Большой зазор вызывает стуки при переходе поршня через мертвые точки, так как нормальная сила изменяет свое направление и перекладывает поршень в цилиндре с одной стороны на другую.

У. тронкового дизеля с чугунным поршнем диаметральный тепловой зазор 26 между головкой и втулкой обычно равен 0,006D, а между тронком и втулкой - 0,001D; для поршней из алюминиевых сплавов зазоры устанавливают приблизительно в два раза больше.

Условия работы поршня определяются воздействием больших механических и термических нагрузок.

Механические нагрузки возникают под действием силы действия газов Р на днище поршня, нормальной силы N на тронк (у тронковых дизелей) и силы инерции Pj Силы Р_Г и N вызывают циклически повторяющуюся деформацию днища и стенки поршня (см. рис. 3.2, а, г), а сила Pjстремится оторвать головку, от направляющей части поршня.

Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением головки поршня с горячими газами. Тепловая нагрузка поршня при прочих равных условиях выше у двухтактного дизеля (т = 1) и резко возрастает при увеличении диаметра D цилиндра (квадратичная зависимость); тронк поршня дополнительно нагревается от трения о стенку цилиндра.

У двухтактного дизеля с контурной схемой газообмена неравномерный нагрев поршня приводит к значительной асимметрии температурного поля относительно его оси и возникновению дополнительных термических напряжений.

У дизелей с прямоточно-щелевой схемой газообмена (например, Д100, ДПРН 23/2 х 30, Доксфорд) большая тепловая нагрузка выпускного поршня обусловлена омыванием горячими газами не только днища, но и всей боковой поверхности его головки. В лучших условиях работают поршень дизеля с прямоточно-клапанной продувкой, у которых поток продувочного воздуха хорошо и равномерно охлаждает головку поршня.

Теплоту отводят от головки поршня (8-10% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндре) различными путями: у неохлаждаемого поршня - главным образом через поршневые кольца (60-80 %) и тронк (20-40 %) к стенке цилиндровой втулки и далее к охлаждающей воде цилиндра; у охлаждаемого поршня - через поршневые кольца к стенке втулки и непосредственно к охладителю поршня (воде или маслу).

Неохлаждаемые поршни применяли в малонагруженных дизелях ранней постройки. Однако следует иметь в виду, что в эксплуатации при остановке современного форсированного дизеля иногда охлаждаемые поршни "превращаются" в неохлаждаемые и изменяются пути отвода теплоты, аккумулированной в головке поршня. Это может приводить it-пригоранию поршневых колец.

поршень цилиндр рубашка конструкция

Сильный нагрев головки поршня снижает ее прочность, а значительные перепады температур вызывают в днище высокие термические напряжения, и головка реформируется.

Наибольшие напряжения от радиального перепада температур возникают в днище неохлаждаемого поршня

где kt - коэффициент пропорциональности; q - удельная тепловая нагрузка днища поршня; г - внутренний радиус днища; к - коэффициент теплопроводности материала; 6 - толщина днища,

а от осевого - в днище охлаждаемого поршня

где А - постоянная,

хотя у последнего общий уровень тепловой нагрузки ниже.

Термические напряжения и характер деформации головки поршня зависят от ее конструкции и формы днища. На рис.3.2, д в качестве примера показана тепловая деформация головки поршня дизеля ЧН 21/21, характерными особенностями которой являются: 50

температурные деформации значительно превышают деформации от действия механических нагрузок (почти в 10 раз); днище поршня вспучивается (больше в центральной части); боковая часть головки расширяется и разворачивается.

У тронкового дизеля в результате нагрева от головки поршня и теплоты трения деформируется и тронк. Вследствие неравномерного распределения металла по сечению тронка он принимает овальную форму с большей осью по оси поршневого кольца, который является как бы направляющей при деформации (рис. 3.2, е). Тепловая деформация тронка накладывается на деформацию от действия сил Р_г и N. В результате между тронком и цилиндровой втулкой может возникнуть натяг, что приведет к заеданию поршня.

К конструкции поршня предъявляют следующие основные требования: возможно меньшая механическая и тепловая напряженность: наибольшие температуры не должны превышать для огневой поверхности стального днища поршня - 500°С, алюминиевого - 350°С (из условия сохранения достаточной прочности), охлаждаемой поверхности днища при масляном охлаждении поршня - 200°С (для предотвращения лакообразования и ухудшения теплопередачи), над канавкой верхнего поршневого кольца - 220°С (для обеспечения способности колец сохранять упругость, подвижность и во избежание интенсивного нагаро- и лакообразования); возможно меньшая масса (для снижения сил инерции) при достаточных прочности и жесткости (для предотвращения деформаций); материал головки должен быть жароупорным, а направляющей части - износостойким, иметь хорошие антифрикционные свойства и малый коэффициент линейного расширения.

Материалом для изготовления цельных поршней служат серый чугун СЧ28-48, СЧ32-52, высокопрочный чугун ВЧ45-0, ВЧ50-1.5 и алюминиевые сплавы АЛ1, АЛ 19, АК2, АК4. В составном поршне головку или днище изготовляют отъемными из легированной стали (обычно молибденовой или хромомолибденовой), а направляющую часть - из чугуна или алюминиевого сплава. Это дает возможность получать жароупорную конструкцию при относительно небольшой массе и заменять при необходимости только головку поршня.

Тронки из алюминиевых сплавов подвергают анодизации в электролитической ванне для образования пленки хрома, предотвращающей возникновение на поверхности тронка твердых кристаллов окиси алюминия, способствующей усиленному изнашиванию и задиру тронка и втулки. Для ускорения приработки поверхность тронка иногда покрывают (гальваническим способом) тонким слоем олова.

Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов (в 3-4 раза выше, чем чугуна и стали) и небольшой коэффициент трения дают возможность снизить температуру днища поршня, его массу и силы инерции, а также потери на трение. Кроме того, поршни из алюминиевых сплавов. более технологичны при изготовлении, и на их поверхностях меньше образуется нагара.

Вследствие более низкой температуры и меньших потерь на трение при замене чугунных поршней поршнями из алюминиевых сплавов мощность дизеля может быть повышена на 10-15 %, а расход топлива снижен.

Недостатки поршней из алюминиевых сплавов: малая прочность при высоких температурах, быстрое изнашивание и разработка канавок поршневых колец и бобышек поршневого пальца, относительно высокая стоимость; из-за большого коэффициента линейного расширения (в 2-2,5 раза выше, чем у чугуна и стали) необходимо увеличить радиальный зазор между тронком поршня и цилиндром почти в 2 раза по сравнению с чугунными поршнями, что затрудняет пуск дизеля, вызывает стуки в цилиндрах при работе на малых нагрузках и увеличивает тепловую нагрузку верхних поршневых колец.

Конструкция поршня зависит от типа дизеля и уровня его форсирования.

В днище для обеспечения свободного открытия газораспределительных клапанов делают выемки - карманы а (рис. 3.3, а), а для выемки поршня из цилиндра сверлят и нарезают отверстия Ь для рымов. Сверления являются концентраторами напряжений, поэтому в МОД на поршне часто протачивают канавку а (рис. 3.4, а) для установки специального подъемного бандажа. Форма днища в СОД определяется главным образом способом смесеобразования, а в МОД и форсированных СОД - условием обеспечения наименьшей теплонапряженности головки. Поэтому днище поршня МОД чаще всего выполняют плоским (с маловогнутой или с маловыпуклой поверхностью), так как такая форма имеет наименьшую поверхность нагрева и более равномерное распределение температур в осевом направлении.

Высота головки поршня зависит от размеров и расположения поршневых колец, а также расстояния канавки верхнего кольца от кромки днища. Для обеспечения отвода теплоты и улучшения условий работы верхнего поршневого кольца его канавку размещают по возможности дальше от днища так, чтобы при положении поршня в ВМТ кольцо было ниже уровня охлаждающей воды в зарубашечном пространстве.

Канавки поршневых уплотнительных колец для обеспечения свободного радиального перемещения колец и предотвращения образования наработка выполняют с соответствующими выточками у основания. Для повышения износостойкости нижние поверхности канавок хромируют или закаливают, в канавках устанавливают противоизносные кольца 3 (рис. 3.4, б) из легированного чугуна с высокой механической прочностью, в головку поршня из алюминиевого сплава для одного или двух верхних колец заливают обойму 2 (рис. 3.3, б) из аустенитного чугуяа с большим содержанием никеля. Аустенитный чугун обладает высокой прочностью и низкой теплопроводностью, что одновременно способствует снижению температуры верхних колец.

Длина направляющей части поршня в тронковом дизеле зависит от допустимого давления на стенку цилиндра и системы газообмена (в двухтактном дизеле), а в крейцкопфном - только от системы газообмена. Необходимую жесткость тронку (юбке) обеспечивают его оребрением, утолщением нижней части, креплением к торцу юбки стального кольца (см. рис. 3.3, а, б; рис. 3.4, в); утолщение одновременно используют для подгонки поршней по массе. В направляющей части поршней МОД и СОД часто делают круговые канавки в виде "ласточкина хвоста", в которые закатывают противозадирные кольца 9 (см. рис. 3.4, в) из свинцовистой или оловянистой бронзы; после проточки диаметр колец на 0,1-0,4 мм больше диаметра юбки (или тронка). Указанные кольца одновременно служат для амортизации ударов юбки о стенку цилиндра, привалки поршня по цилиндру и контроля его положения при эксплуатации.

Канавки для маслосъемных колец в четырехтактном дизеле располагают на верхней и нижней частях тронка (см. рис. 3.3, а) или только на верхней части (см. рис. 3.3, б-г); во втором случае тронк обильно смазывают маслом, что способствует снижению его изнашивания. Однако в двухтактном дизеле для уменьшения попадания масла в окна канавки обычно располагают в нижней части тронка (рис. 3.3, <?). Под канавками для колец или в самих канавках высверливают отверстия d, e (см. рис. 3.3, а) для отвода масла.

Конструктивные способы снижения тепловой деформации тронка поршня и ее неравномерности: в районе бобышек поршня сошлифовывают часть металла или выбирают "карманы" - холодильники (во втором случае существенно снижается масса поршня); в цельном неохлаждаемом поршне (см. рис. 3.3, а) толщину стенок тронка под уплотнительными кольцами резко уменьшают, что снижает теплопоток к тронку и его нагрев; тронк изготавливают овальным с большей осью в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца (во время работы дизеля тронк приобретает цилиндрическую форму);

в составном поршне между головкой и тронком предусматривают зазор 6 (см. рис. 3.3, в, д), предотвращающий нагрев тронка от головки и обеспечивающий их не зависимую друг от друга деформацию;

бобышки 5 (см. рис. 3.3, в) изготавливают заодно с силовой частью 4 тронка, прикрепленной к головке и хорошо охлаждаемой. В такой конструкции деформация тонкостенной упругой направляющей части 6 тронка незначительна, что позволяет уменьшить зазор между тронком и цилиндровой втулкой без риска заедания поршня.

При меньшем зазоре уменьшается сила удара о стенку цилиндра и наклонения поршня при его перекладке, а следовательно, тепловая нагрузка верхнего поршневого кольца, загрязнение боковой поверхности головки, кавитационные разрушения охлаждаемой поверхности втулки;

сферическое соединение поршня с шатуном (см. рис. 3.3, д) обеспечивает равномерный нагрев поршня и сравнительно небольшие деформации тронка, что также позволяет уменьшить зазор в паре тронк-цилиндровая втулка.

Конструктивные способы снижения механической и тепловой напряженности поршня:

неохлаждаемый поршень изготовляют цельным (см. рис. 3.3, а) из алюминиевого сплава с высоким коэффициентом теплопроводности л, увеличивают толщину б днища от центра к кромкам и сечение головки в зоне уплотнительных колец. Это дает возможность снизить температуры, радиальный перепад температур и термические напряжения в днище [вследствие увеличения значений А. и б в формуле (1.1)]. Одновременно снижаются и механические напряжения. Для уменьшения тепловой цагрузки верхних поршневых колец иногда предусматривают наружную "тепловую дамбу" с - глубокую канавку, создающую высокое термическое сопротивление (вследствие малой теплопроводности газа) и заставляющую тепловой поток устремляться в обход верхнего кольца к нижним кольцам;

охлаждаемые поршни изготовляют цельными или составными. Основной способ снижения напряженности составного поршня - тщательная отработка их конструкции и системы охлаждения. Обычно это сводится к выполнению днища тонкостенным с подкреплением его ребрами или кольцевыми опорами для передачи механических нагрузок (см. рис. 3.3, в-д; рис. 3.4, а, в-ж). В форсированном дизеле последних моделей толщину днища увеличивают и делают в нем глухие охлаждающие каналы - "соты" (рис. 3.4, з, и). Для уменьшения тепловой нагрузки поршневых колец в охлаждаемом поршне часто предусматривают внутреннюю "тепловую дамбу" g (см. рис. 3.3, г) - внутреннюю круговую полость над поясом колец, уменьшающую поток теплоты к кольцам за счет теплоотвода к охладителю поршня.

Для охлаждения поршней применяют масло или воду. Основное преимущество масляного охлаждения - возможность применения в тронковых и крейцкопфных дизелях (протечки масла в картер не опасны). Основные недостатки: возможность коксования масла на охлаждаемых поверхностях, резко ухудшающего тепло-отвод; меньшая по сравнению с водой теплоемкость (почти в 2,5 раза) и меньший коэффициент теплоотдачи от стенок поршня к маслу.

В тронковых дизелях применяют следующие способы охлаждения поршней.

Струйное (фонтанное) охлаждение - при умеренной теплона пряженности поршня. Масло из поршневого подшипника через сопло струей поступает на днище поршня и стекает в картер дизеля.

Циркуляционное охлаждение цельных поршней осуществляется с помощью змеевика / (см. рис. 3.3, б), залитого в тело головки, или посредством кольцевой полости h (см. рис. 3.3, е). В змеевик масло обычно поступает из поршневого подшипника по сверлениям в поршневом пальце, а затем сливается в картер через сверления в пальце или в пальце и шатуне, а в кольцевую полость - по сверлениям в поршневом пальце или через сопло 18, установленное в картере соосно с вертикальным сверлением в теле поршня (через второе такое сверление масло сливается в картер).

Охлаждение взбалтыванием масла ("коктейль-эффект") является наиболее эффективным, его широко применяют в современных судовых дизелях (см. рис. 3.3, в - д). Сечения подводящих и отводящих масло каналов или высоту сливных отверстий подбирают так, чтобы полость охлаждения была заполнена маслом только частично. Под действием сил инерции масло попеременно отбрасывается то к верхней, то к нижней части полости охлаждения, интенсивно омывая нагретые зоны поршня. Нагретое масло заменяется поступающим в поршень холодным. Высокий коэффициент теплоотдачи в масло (почти в 2 раза больше, чем при циркуляционном охлаждении) обеспечивается вследствие высокой средней скорости поршня и участия в теплообмене всей массы масла, а не только пограничного слоя. Вероятность коксования масла на охлаждаемых поверхностях при охлаждении взбалтыванием значительно уменьшается.

Иногда применяют комбинированное охлаждение: центральная Часть днища охлаждается путем омывания маслом, а кольцевая волость в зоне колец - его взбалтыванием.

В крейцкопфных дизелях применяют охлаждение циркулягшонное поршней (см. рис. 3.4, а-е), взбалтыванием охладителя (СМ. рис. 3.4, ж, и) и струйно-циркуляционное (см. рис. 3.4, з).

Охладитель подводят к поршню с помощью телескопических труб v (масле или воду) или шарнирных качающихся труб (масло).

Конструкции поршней тронковых дизелей различны. И составном поршне дизеля VASAS2 (см. рис. 3.3, в) механические нагрузки от тонкостенного стального днища передаются через две кольцевые опоры силовой части 4 чугунного тронка и далее поршневому пальцу. Наружная опора предотвращает деформации стенки головки 3 в зоне уплотнительных колец от действия газовых сил, а внутренняя опора снижает изгибающие напряжения в месте перехода днища в боковые стенки головки. Охлаждается поршень взбалтыванием масла в большой кольцевой полости в зоне колец, а затем в центральной полости под днищем. Характерной особенностью поршня является принудительное смазывание направляющей части 6 тронка маслом, подаваемым из системы охлаждения поршня по каналам / в круговую канавку на тронке. Обильное смазывание цилиндра и тронка - свежим маслом при каждом ходе поршня вверх и вымывание загрязнений из канавок приблизительно вдвое увеличивает срок службы втулки, поршня и колец.

В составном поршне дизеля МАН 52/55В (см. рис. 3.3, г) тонкостенное стальное днище, которое опирается круговым ребром 7 на тронк 8 из алюминиевого сплава, прикреплено к нему длинными податливыми шпильками (на рисунке не показаны). Верхнее расположение маслосъемных колец и бочкообразная форма тронка способствуют его хорошей смазке и быстрой приработке ко втулке. Центральная часть днища охлаждается омыванием масла, а зона колец - взбалтыванием в кольцевой полости g. Масло поступает из поршневого подшипника в центральную полость под днищем, а затем через небольшие отверстия - в кольцевую полость; через сверления в тронке и поршневом пальце масло сливается в картер.

Поршень дизеля Зульцер Z40/48 (см. рис. 3.3, д) состоит из стальной головки 12, чугунного тронка 9 и разъемной сферической опоры 13, которая вместе со сферической головкой 16 шатуна образует поршневой подшипник. Тонкостенное днище поршня опирается на силовое кольцо //, через которое давление газов передается непосредственно на сферическую опору и далее на головку шатуна. Все части поршня соединены длинными податливыми шпильками 10. На головке поршня установлены уплотнительные кольца, на тронке - маслосъемные кольца. Поршень охлаждается путем взбалтывания масла в кольцевой полости в зоне уплотнительных колец и под днищем поршня. Масло подводится по сверлениям в шатуне и сферической вставке, а затем по многочисленным сверлениям в периферийной и центральной частях силового кольца струей подается в полости в зоне колец и под днищем поршня; по трубке 17 оно стекает в картер. Внутренняя "тепловая дамба" способствует существенному снижению температуры головки поршня в зоне колец.

Помимо обычного возвратно-поступательного движения, поршень медленно вращается во втулке благодаря качательному движению шатуна при помощи специального механизма. Две храповые защелки 19 (см. рис. 3.3, ж) в отверстии сферической головки шатуна, незначительно смещенном относительно ее центра, распираются пружиной и входят в зацепление с зубчатым венцом 14, свободно установленным в поршне между верхней и нижней половинами сферической опоры. Выступ А на торцовой поверхности зубчатого венца входит в прорезь Б круглой пружины 15. Через выступ В пружины вращение передается поршню. Качательное движение шатуна с помощью храповых защелок вызывает прерывистое вращательное движение зубчатого венца; при повороте венца пружина сжимается, накапливая энергию. В момент, когда нагрузка на поршень от действия газов и сил инерции минимальная, пружина отдает накопленную энергию и поворачивает поршень.

Конструкция поршня имеет следующие преимущества г

при каждом ходе поршня нормальная сила передается на стенку цилиндра новым участком поверхности трения тронка, что обеспечивает его равномерное смазывание и изнашивание, нагрев и деформации и устраняет опасность прихватывания и задира поршня;

в результате совместного вращения поршня и поршневых колец предотвращается местный нагрев цилиндровой втулки, обусловленный пропусками газов через замки колец, улучшается смазка колец и уменьшается их изнашивание;

равномерные тепловые деформации поршня и втулки дают возможность уменьшить зазор между ними;

сферическая форма верхней головки шатуна обеспечивает самоцентровку поршня относительно оси цилиндра и отсутствие перекосов в подшипниках.

Конструкции поршней крейцкопфных дизелей следующие. У дизеля Бурмейстер и Вайн 84VT2BF 180 головка / поршня (см. рис. 3.4, б) из жароупорной стали, чугунная юбка 5 и фланец штока 6 скреплены шпильками. В канавки уплотнительных колец 2 зачеканены противоизносные чугунные кольца 3. Поршень охлаждается маслом, которое поступает по подвижной телескопической трубе, закрепленной на поперечине крейцкопфа, трубке 7 в осевом сверлении штока и далее в сварную вставку 4. Направляющие патрубки вставки обеспечивают подачу масла с большой скоростью в полость охлаждения поршня. Масло из головки отводится через воронку вставки 4 и далее по кольцевому каналу между трубкой 7 и сверлением штока (такое решение неудачно, так как выходящее из головки масло имеет температуру около 60°С, что ухудшает охлаждение штока).

У дизеля типа K90GF (см. рис. 3.4, г) давление газов передается от днища поршня через стальное силовое кольцо 15 непосредственно фланцу штока поршня. Кольцо выполняет роль дополнительной опоры, уменьшающей механические напряжения изгиба в днище и разгружающей боковые стенки головки поршня. Это дает возможность уменьшить толщину днища и снизить в нем термические напряжения. Для уменьшения напряжений, возникающих из-за разного теплового расширения, головка поршня и шток не имеют жесткого соединения. Фланец штока опирается на упругое кольцо 16, которое лежит на кольцевом бурте короткой юбки 17, прикрепленной шпильками к головке поршня. Охлаждающее масло подается по кольцевому каналу между трубкой и сверлением в штоке (попутно охлаждая шток), через сопла 14, расположенные по касательной к окружности силового кольца 15, с большой скоростью поступает в периферийную полость поршня, затем омывает днище и отводится по трубке в штоке.

У нового форсированного дизеля МАН-Бурмейстер и Вайи типа L-GB/GBE конструкция поршня усовершенствована с учетом возросших механических и тепловых нагрузок (см. рис. 3.4, а). Фланец штока поршня выполнен в виде высокой жесткой плиты, служащей опорой для боковой стенки головки и кольцевого ребра днища поршня. Охлаждающее масло поступает из кольцевого канала в штоке по сверлениям с во фланце в нижнюю часть кольцевой полости в зоне колец, затем по каналам b - в верхнюю часть кольцевой полости и далее по сверлениям в кольцевом опорном ребре - в полость под центральной частью днища поршня.

Поршень дизеля МАН KZ70/120 (см. рис. 3.4, в) состоит из головки из жароупорной молибденовой стали с уплотнительными кольцами, проставки // и длинной юбки 12, отлитых из чугуна. К кольцевому приливу 10 длинными шпильками (для увеличения их податливости) крепится шток 13 поршня. Днище поршня подкреплено кольцевым ребром с каналами для прохода охлаждающей воды. Тонкостенная оребренная юбка прикреплена к нижнему фланцу штока 13. Для обеспечения свободного теплового расширения головки поршня между юбкой и проставкой предусмотрен зазор. В канавки на юбке и проставке закатаны противозадирные кольца 9 из свинцовистой бронзы. Охлаждающая вода подводится и отводится по подвижным телескопическим трубам, прикрепленным к нижней части штока. По кольцевому каналу между центральной трубкой и штоком вода поступает в головку, а через воронку 8 уходит из поршня. Для защиты штока от коррозии внутри осевого сверления устанавливают защитную трубку из нержавеющей стали.

У поршня дизеля типа KSZ105/180 (см. рис. 3.4, д) днище подкреплено двумя кольцевыми податливыми ребрами 18 (вследствие их наклона), что позволяет уменьшить толщину днища и стенки головки и тем самым снизить в них термические напряжения и улучшить общее тепловое состояние поршня (максимальная температура днища не превышает 455°С, а над канавкой верхнего поршневого кольца - 140°С.

В поршне дизеля МАН KSZ 52/150В (см. рис. 3.4, з) применена головка поршня сотовой конструкции со струйно-циркуляционным охлаждением. В толстом днище высверлено множество глухих каналов - "сот" е, закрытых вставкой 22 с отверстиями / небольшого диаметра, расположенными эксцентрично по отношению к сотам. Охлаждающая вода, подводимая по каналу в поршневом штоке 23 в полость вставки, через отверстия во вставке с большой скоростью поступает в глухие каналы по касательной к их стенкам., а затем отводится в сливной канал штока поршня.

Поршень дизеля Зульцер RD76 (см. рис. 3.4, е) состоит из головки с уплотнительными кольцами из хромомолибденовой стали и короткой чугунной юбки с противозадирными кольцами из свинцовистой бронзы. Головка и юбка прикреплены к фланцу поршневого штока с помощью длинных шпилек 19 с дистанционными трубками. Для уменьшения толщины и снижения термических напряжений днище подкреплено ребрами. Охлаждающая вода подводится и отводится по телескопическим трубам 20. После остановки дизеля и прекращения подачи воды она не должна уходить из головки поршня, поэтому выходное отверстие d трубы, по которой отводится вода, располагается ближе к днищу и выше отверстия, через которое вода поступает в поршень.

У поршня дизеля RND105 увеличены число ребер жесткости, подкрепляющих днище, и длина юбки (для перекрытия окон при положении поршня в ВМТ), интенсифицировано охлаждение вследствие взбалтывания воды в полости головки. Коническая вставка 21 (см. рис. 3.4, ж) делит полость охлаждения на две полости, соединенные вверху и внизу. В результате уровень воды при положениях поршня в НМТ и ВМТ в наружной и внутренней полостях неодинаковый. В НМТ уровень воды во внутренней полости падает быстрее, а в ВМТ - медленнее, чем в наружной кольцевой полости. Это обеспечивает хорошее охлаждение днища поршня и зоны поршневых колец (максимальная температура днища не превышает 394°С, а в зоне канавки верхнего кольца - 102°С).

У дизелей Зульцер типов RLA, RLB, RTA эффективное охлаждение поршня обеспечивается за счет глухих сверлений g в толстостенном днище (см. рис. 3.4, и); максимальная температура днища не превышает 390°С, а над канавкой верхнего кольца - 151°С).

Цилиндры

Общие сведения. Цилиндры являются одним из силовых элементов остова и служат для образования полостей (вместе с поршнями и крышками), в которых осуществляется рабочий цикл дизеля.

Цилиндр состоит из рубашки (отдельной или в виде блока) 9 и вставной втулки 8 (см. рис. 2.5, г). Полость а между рубашкой и втулкой, в которой циркулирует охлаждающая вода, называется зарубашечным пространством. Вода поступает в нижнюю часть этой полости, омывает цилиндровую втулку, поднимается вверх и по перепускным патрубкам (на рис. 2.5, г не показаны) перетекает в полость охлаждения цилиндровой крышки.

Рубашки (блок) цилиндров. Для посадки цилиндровых втулок у рубашек цилиндров имеются опорные 7 и направляющие 10 бурты (см. рис. 2.5, г). В рубашках двухтактных дизелей с контурной продувкой для подвода наддувочного воздуха и отвода газов предусматривают воздушные и газовые полости.

Условия работы рубашек цилиндров определяются конструктивной схемой остова дизеля: при отсутствии анкерных связей работают на разрыв от силы действия газов на поршень и крышку цилиндра, а при наличии связей - нагружены сжимающими усилиями от их затяга (см. § 2.1).

Материалом для изготовления рубашек цилиндров служит серый чугун СЧ 18-36, СЧ 24-44, СЧ 28-48, модифицированный чугун, иногда Сталь 25.

По конструкции различают индивидуальные для каждого цилиндра рубашки и блоки цилиндров. Отдельные рубашки. более просты в изготовлении, их применение значительно уменьшает влияние деформации остова дизеля (вследствие деформации корпуса судна) на положение осей цилиндровых втулок, а при необходимости можно заменить цилиндр в сборе во время эксплуатации).

Необходимая жесткость рубашек обеспечивается: значительной толщиной их стенок; массивными литыми ребрами; анкерными связями индивидуальных рубашек, установленных на станине независимо друг от друга; соединением рубашек между собой болтами в единый блок цилиндров (см. рис. 2.1, е). Отдельный цельнолитой блок цилиндров или выполненный заодно со станиной (см. рис. 2.5, в) имеет высокую жесткость, позволяет уменьшить длину и массу дизеля, но технология его изготовления сложная. Для упрощения изготовления блоков их часто делают составными {см. рис. 2.1, ж).

Цилиндровые втулки. В судовых дизелях применяют вставные "мокрые" втулки (рис. 2.6, а). Имеются нижний 3 и верхний 2 утолщенные круговые пояса и фланец /, опирающийся на опорный бурт рубашки или блока цилиндров. Сверху фланец втулки прижимается буртом крышки цилиндра.

Условия работы цилиндровой втулки определяются воздействием больших механических и термических нагрузок, трением поршневых колец, вызывающим износ и дополнительный нагрев рабочей поверхности ("зеркала"), воздействием коррозии и кавитационной эрозии на охлаждаемую поверхность.

Механические нагрузки возникают под действием сил газов, силы действия поршня (в тронковых дизелях) и силы затяга крепежных шпилек цилиндровой крышки.

Условия работы рубашек цилиндров определяются конструктивной схемой остова дизеля: при отсутствии анкерных связей работают на разрыв от силы действия газов на поршень и крышку цилиндра, а при наличии связей - нагружены сжимающими усилиями от их затяга (см. § 2.1).

Материалом для изготовления рубашек цилиндров служит серый чугун СЧ 18-36, СЧ 24-44, СЧ 28-48, модифицированный чугун, иногда Сталь 25.

По конструкции различают индивидуальные для каждого цилиндра рубашки и блоки цилиндров. Отдельные рубашки. более просты в изготовлении, их применение значительно уменьшает влияние деформации остова дизеля (вследствие деформации корпуса судна) на положение осей цилиндровых втулок, а при необходимости можно заменить цилиндр в сборе во время эксплуатации).

Необходимая жесткость рубашек обеспечивается: значительной толщиной их стенок; массивными литыми ребрами; анкерными связями индивидуальных рубашек, установленных на станине независимо друг от друга; соединением рубашек между собой болтами в единый блок цилиндров (см. рис. 2.1, е). Отдельный цельнолитой блок цилиндров или выполненный заодно со станиной (см. рис. 2.5, в) имеет высокую жесткость, позволяет уменьшить длину и массу дизеля, но технология его изготовления сложная. Для упрощения изготовления блоков их часто делают составными {см. рис. 2.1, ж).

Цилиндровые втулки. В судовых дизелях применяют вставные "мокрые" втулки (рис. 2.6, а). Имеются нижний 3 и верхний 2 утолщенные круговые пояса и фланец /, опирающийся на опорный бурт рубашки или блока цилиндров. Сверху фланец втулки прижимается буртом крышки цилиндра.

Условия работы цилиндровой втулки определяются воздействием больших механических и термических нагрузок, трением поршневых колец, вызывающим износ и дополнительный нагрев рабочей поверхности ("зеркала"), воздействием коррозии и кавитационной эрозии на охлаждаемую поверхность.

Механические нагрузки возникают под действием сил газов, силы действия поршня (в тронковых дизелях) и силы затяга крепежных шпилек цилиндровой крышки.

Давление газов р_г (рис. 2.6, б) вызывает в стенке втулки напряжения растяжения а_p = p_rD/26 (где D - диаметр цилиндра; 6 толщина стенки втулки) и сжатия а_сж - р_г, а нормальное давление р (см. рис. 2.6, а) - напряжения изгиба (наибольший изгибпющий момент М_ия=Fmax*l1*l2/l вибрацию втулки (вследствие изменении момента по значению и направлению).

от силы Р крепежных шпилек (рис. 2.6, в) в опасном сечении опорноого фланца втулки возникают следующие сложные напряженияи растяжение от силы Р_п, сдвига от силы P_t и изгиба от момента М"_л - PL Подобное напряженное состояние будет и в сечении у-у опорного бурта блока.

Для уменьшения изгибающих напряжений во фланце втулки ' (наиболее опасных для чугуна) следует уменьшать плечо / (см. рис. 2.6, в), т.е. кольцевую выточку располагать над опорной частью фланца втулки. При / ~ 0 в опасном сечении действуют только напряжения сдвига, однако зозрастают напряжения в опорном бурте блока, цилиндровой крышке и ее крепежных шпильках. Поэтому положение кольцевой выточки выбирают из условия обеспечения минимальных напряжений во всех элементах этого узла.

Термические нагрузки на втулку обусловлены воздействием горячих газов. Высокая температура зеркала в верхнем поясе втулки (до 200°С) ухудшает условия смазывания и способствует изнашиванию втулки и колец, а перепад температур по толщине стенки втулки вызывает в ней термические напряжения o_t (см. § 1.2).

Суммарные напряжения складываются из механических и термических напряжений в стенке втулки: а ~ о_м + a_t. С увеличением толщины стенки б снижается напряжение о_м, но возрастает a_t. Для каждого диаметра цилиндра определяют оптимальную толщину 6, которой соответствует минимальное напряжение о.

Значительная температурная асимметрия по длине втулки (температура в верхнем поясе втулки выше температур нижерасположенных поясов) и по окружности (особенно в двухтактных дизелях с контурной продувкой, где температура со стороны выпускных окон всегда выше температуры со стороны продувочных окон) вызывает неравномерные осевые и радиальные деформации втулки. В результате искривляется ось втулки и искажается форма ее зеркала.

На рис. 2.6, г показаны схемы осевых деформаций втулки на ее развертке по осям 1 - IV и радиальных деформаций по этим же осям в сечениях (поясах) А-А, Б~Б, В-В.

К конструкции цилиндровой втулки предъявляют следующие основные требования: высокая прочность и жесткость; хорошее охлаждение верхнего пояса при возможно меньших перепадах температур в стенке (температура зеркала втулки против верхнего компрессионного кольца при положении поршня в ВМТ из условия сохранения масляной пленки и обеспечения нормальных условий смазки не должна превышать 180°С); наименьшая неравномерность радиальных и осевых деформаций; герметичность поверхностей; сопряженных с рубашкой и крышкой цилиндра; свободные радиальные и осевые расширения втулки; материал втулки должен быть жароупорным (жаропрочным и жаростойким), износостойким, иметь хорошие антифрикционные качества.

Материалом для изготовления втулок МОД и СОД служит чугун, легированный титаном, хромом, никелем и ванадием, или серый чугун СЧ 28-48, СЧ 32-52.

Для повышения износостойкости втулки СОД иногда покрывают пористым хромом. Для улучшения приработки втулки и поршневых колец и поддержания нормальных условий их смазки в современных форсированных дизелях зеркало втулки хонингуют (наносят сетку микроштрихов), а в МОД делают винтовую нарезку с шагом 12-15 мм, глубиной 0,03-0,06 мм.

По конструкции различают цилиндровые втулки четырех - и двухтактных дизелей, цельные и составные.

В тронковом дизеле втулку делают выступающей в картер, что уменьшает высоту дизеля и расстояние между опорами втулки. Для обеспечения свободного качания шатуна в нижней части втулки часто делают вырезы е (рис. 2.7, а)

В четырехтактных дизелях для нормального открытия газораспределительных клапанов (если края их тарелок выходят за пределы цилиндра) и уменьшения дросселирования потоков воздуха и газа между тарелкой клапана и стенкой втулки в ее верхней части делают выемки (карманы). Во втулках двухтактных дизелей имеются продувочные с и выпускные d окна (рис. 2.8, а, рис. 2.9, а).

Для предотвращения образования наработка (выработки уступом), затрудняющего демонтаж поршня и вызывающего поломку поршневых колец, у дизелей ранней постройки делали цилиндрическую или конусную расточку верхней части втулки на всю высоту камеры сгорания (от середины верхнего поршневого кольца при положении поршня в ВМТ). Расточка втулки облегчает доступ газа к верхнему поршневому кольцу и увеличивает его нагрев.

Поэтому в современных дизелях вместо расточки втулки делают узкую кольцевую выточку - канавку с (см. рис. 2.7, а) \ этим достигаются те же результаты, но затрудняется доступ газа к кольцу.

Крепление втулки в блоке осуществляют путем жесткого закрепления ее фланца между буртами блока и крышки цилиндра с обеспечением радиальных зазоров Ь_г и 6₂ (см. рис. 2.7, а, 2.8, а) между посадочными (центрирующими) поясами втулки и блока. Свободные радиальные и осевые расширения втулки предохраняют блок цилиндров от разрыва, а зеркало втулки от деформаций (при нагревании втулка расширяется быстрее и больше, чем блок).

Уплотнение сопрягаемых поверхностей опорного бурта 3 блока и фланца 4 втулки (см. рис. 2.7, а) обеспечивают их притиркой (между собой или специальными притирами). В современных СОД для улучшения уплотнения и предотвращения коррозии напряженного пояса втулки (под ее фланцем) часто устанавливают резиновое кольцо 5. Для уплотнения газового стыка притирают поверхности фланца втулки и бурта крышки цилиндра или устанавливают между ними прокладку из красной меди или мягкой стали.

Уплотнение нижнего пояса втулки со стороны охлаждающей воды и со стороны картера или подпоршневого пространства осуществляют резиновыми кольцами 6 (на рис. 2.8, а - поз. /, рис. 2.9, б~ поз.7). Резиновые кольца круглого сечения с натягом заводят в канавки, проточенные в утолщенном круговом поясе втулки. У четырехтактных дизелей средней мощности иногда применяют сальниковую набивку с нажимной втулкой, что позволяет устранять протечки воды без демонтажа цилиндровой втулки.

У двухтактных дизелей с контурной продувкой пояс выпускных окон со стороны охлаждающей воды уплотняют кольцами 2 мягкой сальниковой набивки и резиновым кольцом 3 (см. рис. 2.9, а) или резиновыми кольцами 6 (см. рис. 2.9, б), а со стороны газа - красно-медными кольцами 4, проточенными с натягом относительно центрирующего пояса блока.

Контроль уплотнений осуществляют с помощью специального сигнального отверстия в рубашке, соединенного с кольцевой канавкой - сборником g на втулке (см. рис. 2.7, а; рис. 2.9, б) или в блоке (см. рис. 2.9, а). Вытекание воды, выход масляных паров, продувочного воздуха или газа из сигнального отверстия свидетельствует о нарушении герметичности соответствующего уплотнительного кольца. У дизелей с прямоточно-клапанной продувкой состояние уплотнений контролируют через кольцевой зазор d между масляным штуцером 2, ввернутым во втулку на резьбе, и блоком цилиндров (см. рис. 2.8, а).

Смазывание втулок в тронковых дизелях осуществляется за счет разбрызгивания масла, вытекающего из зазоров подшипников; масло забрасывается на нижнюю часть втулки и при движении поршня вверх разносится поршневыми кольцами по всему зеркалу цилиндра. У мощных СОД для верхней части втулки часто предусматривают принудительное смазывание насосами-лубрикаторами через масляные штуцеры. В двухтактных тронковых дизелях применение лубрикаторной системы смазывания обусловлено повышенной тепловой нагрузкой цилиндра и разрывом масляной пленки в поясе окон.

У некоторых дизелей лубрикаторы не применяют и подают масло на смазывание втулок от циркуляционной системы через специальные распылительные сопла, расположенные в картере, по осевым и радиальным сверлениям во втулке или из системы охлаждения поршня в круговую канавку на его направляющей части (например, у дизеля Вяртсиля Ваза 32).

В крейцкопфных дизелях применяют только принудительное смазывание втулок от лубрикаторов или от специальной аккумуляторной системы. Для равномерного распределения масла по окружности на зеркале втулки в районе смазочных отверстий а делают маслораспределительные канавки Ь (см. рис.2.7, а\ 2.8, а\ 2.9, б) или соединяют отверстия сплошной криволинейной канавкой (см. рис.2.9, а). Расположение смазочных отверстий зависит от тактности дизеля и уровня его форсировки.

Конструктивные способы улучшения охлаждения и уменьшения тепловой нагрузки верхнего пояса цилиндровой втулки:

у современного форсированного дизеля фланец втулки обычно изготовлен в виде высокого толстостенного кругового пояса, способного воспринимать большие механические нагрузки от действия газов. Для циркуляции охлаждающей воды в стенке делают сверления f под углом к образующей цилиндра, пересекающиеся с радиальными сверлениями в верхней части втулки (см. рис. 2.7, а, б). Это дает возможность подвести охлаждающую воду близко к поверхности зеркала втулки и значительно снизить ее температуру. Толстая стенка наружной части фланца (за охлаждающими каналами) остается холодной и воспринимает давление газов, снижая механические напряжения. Одновременно такой фланец имеет высокую жесткость, является хорошей опорой для цилиндровой крышки, дает возможность уменьшить высоту блока и массу дизеля. Охлаждающая вода из сверлений d (см. рис. 2.7, а) поступает в водосборное кольцо 2, прикрепленное к фланцу втулки, и далее по переливным патрубкам / перетекает в цилиндровую крышку. Для интенсивного и равномерного охлаждения газового стыка и днища цилиндровой крышки воду в нее часто отводят по круговому кожуху 7 (см. рис. 2.7, б);

во фланце втулки делают пересекающиеся под углом к оси цилиндра сверления, а с наружной стороны фланца устанавливают кольцо 8 (рис. 2.7, в) с внутренними ребрами, образующими каналы для охлаждающей воды вокруг фланца. В результате снижайте и ныравниваются температуры по высоте и толщине фланца.

фланец втулки усиливают надетым в горячем состоянии стальным кольцом 3 (рис. 2.8, б), а в самом фланце делают каналы е для циркуляции охлаждающей воды;

на втулку устанавливают тонкостенную рубашку - кожух 4 (рис. 2.8, в). При этом вследствие увеличения скорости охлаждающей воды в зарубашечном пространстве интенсифицируется охлаждение по всей высоте втулки, а рубашка цилиндра изолируется от воды ("сухая" рубашка) и не подвергается коррозии и эрозии;

в мощном СОД с высокотемпературным охлаждением цилиндров (температура охлаждающей воды достигает 130°С) интенсивное охлаждение только верхней части втулки и газового стыка обеспечивается циркуляцией воды с большой скоростью в каналах, образованных кольцевым. ребром 9 втулки (рис. 2.7, г), в глухих сверлениях h большого диаметра по всему периметру бурта втулки и в каналах и полостях рубашки цилиндра. Интенсивное высокотемпературное охлаждение только верхней части втулки обеспечивает приемлемые температуры зеркала при работе дизеля на полной нагрузке, исключает опасность кислотной коррозии на малых нагрузках (особенно в нижних поясах втулки) и значительно повышает КПД дизеля. Равномерное расположение по окружности большого числа глухих сверлений не только снижает общий температурный уровень рабочей поверхности втулки, но и выравнивает температурное поле бурта. Тангенциальные сверления (рис. 2.8, г) в утолщенном бурте втулки также снижают температуру зеркала и выравнивают температурное поле по окружности (у данного дизеля охлаждается также только верхняя часть втулки);

у некоторых дизелей с составными цилиндровыми втулками (рис. 2.9, в) верхнюю часть 8 отливают из стали, а для обеспечения нормальных условий трения в >нее запрессовывают тонкостенную втулку 9 из износостойкого чугуна. Нижнюю часть с поясом уплотнений, продувочными и выпускными окнами отливают из чугуна. Интенсивное охлаждение верхней чугунной втулки обеспечивается благодаря ее тонкостенности и высокой скорости охлаждающей воды в каналах, образованных ребрами мощной стальной втулки, воспринимающей механические нагрузки;

у дизеля ранней постройки верхний пояс втулки обычно имеет кольцевые ребра / (см. рис. 2.9, а), разделяющие зарубашечное пространство на каналы е для прохода охлаждающей воды. Вследствие уменьшения проходных сечений увеличиваются скорость воды и коэффициент теплоотдачи от стенки втулки к воде;

фланец втулки устанавливают не на опорный бурт блока, а на стальное 5 (см. рис. 2.9, б) или чугунное 10 (рис. 2.9, г) проставоч-ное кольцо. Это дает возможность вынести камеру сгорания за пределы металлоемкого теплоаккумулирующего пояса и улучшить охлаждение ее стенок, уменьшить высоту блока и массу дизеля. Стальное проставочное кольцо одновременно выполняет силовые функции. Зазор между кольцом и ребрами втулки во время работы: