Как устроен поршень двигателя
Восприятие давления газов, герметизация камеры сгорания, отвод тепла и передача усилий на шатун — это основные функции поршня. Термодинамический процесс происходит именно с помощью поршня двигателя.
Высокое давление, всплески температуры и иные нагрузки — это условия, в которых приходится работать поршню. По этой причине был выбран материал, из которого производят поршень — чаще из алюминиевого сплава, редко из стали. Производят их через штамповку или литьем под давлением.
Схема поршня двигателя
Конструкция поршня включает в себя «головку» и «юбку», но считается он цельным элементом. Для определенной модели автомобиля поршень будет выглядеть по разному в зависимости от того какой тип двигателя, форма камеры сгорания и само сгорание. Поршни для бензинового и дизельного двигателя различны. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую головку. В ней могут быть быть канавки для открытия клапанов на 100%. Поршни двигателей с простым впрыском топлива немного сложнее. В дизельном двигателе все наоборот, там выполняется непростая камера сгорания, которая создает значительное завихрение и улучшает улучшают условия для смешивания смесей.
У поршня ниже головки проходят определенные и специальные канавки для поршневых колец. Юбка похожа на конус или на простую бочку. При нагреве такая конструкция может пригодиться, потому что может компенсировать температурное расширение. В условиях, когда достигнута нужная температура поршень становится похож на цилиндр. Дисульфид молибдена, графит находится на поршень, чтобы снизить потери на трении. В юбке поршня есть приспособления для крепления поршневого пальца.
Охлаждается поршень по разному:
— масляный туман в цилиндре;
— разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
— разбрызгивание масла специальной форсункой;
— впрыскивание масла в определенный кольцевой канал в зоне колец;
— циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.
Поршневые кольца соединены со стенками цилиндра. Они сделаны из модифицированного чугуна. Кольца трутся в поршне и являются самыми главными источниками трения. Потери на трение в кольцах доходит до 30% всех потерь в двигателе, обусловленных механикой.
Число и расположение колец зависит от того, какой двигатель. Самая часто встречающая схема – 2 компрессионных и 1 маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца имеют разные формы — похожи на трапецию, бочку или конус.
Маслосъемное кольцо справляется с излишками масла с поверхности цилиндра и не дает маслу попасть в камеру сгорания. У кольца много дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.
Соединение поршня с шатуном происходит с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Как установить поршневой палец? Есть несколько способов. Для начала самы известный способ, это со способностью переворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время действия. Чтобы не смещаться его фиксируют стопорными кольцами. Намного редко используется жесткое закрепление концов пальца в поршне или в поршневой головке шатуна.
Из чего состоит поршневая группа? Из поршня, поршневых колец и пальцев.
В каталоге запчастей для автомобиля на нашем сайте можно найти все основные элементы двигателя для любого автомобиля ваз или иномарку. На сайте можно посмотреть цены в интернет каталоге, и сделать заказ на поршни двигателя.
RU2318126C1 — Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания — Google Patents
Publication number RU2318126C1 RU2318126C1 RU2006119271/06A RU2006119271A RU2318126C1 RU 2318126 C1 RU2318126 C1 RU 2318126C1 RU 2006119271/06 A RU2006119271/06 A RU 2006119271/06A RU 2006119271 A RU2006119271 A RU 2006119271A RU 2318126 C1 RU2318126 C1 RU 2318126C1 Authority RU Russia Prior art keywords melt mould piston castings mold Prior art date 2006-06-01 Application number RU2006119271/06A Other languages English ( en ) Inventor Юрий Апполинарьевич Караник (RU) Юрий Апполинарьевич Караник Original Assignee Юрий Апполинарьевич Караник Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2006-06-01 Filing date 2006-06-01 Publication date 2008-02-27 2006-06-01 Application filed by Юрий Апполинарьевич Караник filed Critical Юрий Апполинарьевич Караник 2006-06-01 Priority to RU2006119271/06A priority Critical patent/RU2318126C1/ru 2008-02-27 Application granted granted Critical 2008-02-27 Publication of RU2318126C1 publication Critical patent/RU2318126C1/ru
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при изготовлении поршней ДВС из сплава на основе железа весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия. Способ изготовления поршня включает приготовление расплава металла, подготовку литейной формы для заливки, заполнение формы расплавом, выдержку расплава металла в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок из формы, проведение финишных операций, подготовку формы производят путем изготовления многоместного, многозвенного блока разовых моделей поршня с последующим заформовыванием его огнеупорным зернистым материалом, преимущественно холодно-твердеющими смесями, заполнение формы расплавом производят в жидко-твердом состоянии под механическим давлением со скоростью движения расплава в литниковом ходе 1-10 м/с, а выдержку расплава в форме для затвердевания отливок производят под давлением сжатого газа. В начальный момент поступления расплава в форму и до окончания затвердевания отливок в форме создают газовое давление в пределах 4-6 атм. Использование изобретения позволяет снизить затраты на материалы и себестоимость изготовления поршня. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении поршней двигателя внутреннего сгорания из сплава на основе железа.
Известен способ изготовления поршней из алюминиевых сплавов на автоматической линии (Г.А.Бобров «Автоматическая линия для отливки поршней». «Литье в металлические формы, Труды конференции» под ред. д.т.н. Н.Н.Рубцова, «Машгиз», М., 1952 г., стр.42).
Алюминиевые поршни имеют низкую стойкость, имеют ограничения использования по температурным параметрам, имеют высокую стоимость.
Известны поршни, выполненные из сплава на основе железа, весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия. Эти поршни лишены вышеперечисленных недостатков, присущих алюминиевым поршням.
Однако получение поршней из сплавов на основе железа весом, эквивалентным весу поршня из алюминиевого сплава, проблематично, т.к. возникают трудности изготовления тонкостенных отливок. Поэтому стенки литых поршней на основе железа утолщают путем введения припусков, снаружи, с последующим их удалением при механической обработке. Например, боковую стенку поршней увеличивают до 12 мм при размере толщины стенки готового поршня 1,5-3 мм; технология изготовления включает приготовление расплава, заполнение формы расплавом, выдержку расплава в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок и проведение финишных операций (ВНИ ТОЛ «Литье в металлические формы». Труды конференции, «Машгиз», М., 1952, стр.204). Известный способ литья поршней в кокиль невозможно применить из-за непроливаемости при гравитационной заливке тонких стенок, образования трещин и высоких требований к литью по герметичности. При использовании форм по выплавляемым моделям можно получать отливки с толщиной стенки до 1 мм, однако это дорогой, трудоемкий процесс, и его использование нерационально для литья поршней.
К недостаткам известного способа изготовления тонкостенных поршней и сплавов на основе железа следует отнести низкое качество отливок из-за негерметичности при литье способом гравитационного литья с кристаллизацией под атмосферным давлением. Необходимость введения больших припусков на механическую обработку удорожает литье. Низкий коэффициент использования материала (КИМ) получаемых отливок связан с большим объемом механической обработки и удорожанием изделий.
Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно:
— улучшение качества поршней за счет повышения герметичности,
— снижение расхода на материалы,
— снижение себестоимости.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания из сплава на основе железа весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия, включающем приготовление расплава, заполнение формы расплавом, выдержку расплава в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок и проведение финишных операций, подготовку формы производят путем изготовления многоместного многозвенного блока разовых моделей поршня с последующим заформовыванием его огнеупорным зернистым материалом, преимущественно холодно-твердеющими смесями, заполнение формы расплавом производят в жидко-твердом состоянии под механическим давлением со скоростью движения в литниковом ходе 1-10 м/с, а выдержку расплава в форме для затвердевания производят под давлением сжатого газа. При этом используют давление преимущественно в пределах 4-6 атм.
Заполнение формы расплавом в жидко-твердом состоянии обеспечивает:
— удаление газов из перегретого расплава при его охлаждении в интервале температур Тлик-Тсол,
— получение химической однородности металла отливки с мелким первичным зерном,
— повышение скорости заливки (ламинарный режим в жидко-твердом расплаве сохраняется до скоростей порядка 10 м/с) обеспечивает рост производительности.
Затвердевание отливки под газовым давлением предотвращает выделение газов из металла при кристаллизации, устраняет микропористость за счет микропластической деформации. Нижний предел газового давления 4 атм, принят исходя из практических результатов, а верхний предел 6 атм — из условий достаточности и техники безопасности.
В результате проведения этих приемов отливка поршня получается беспористой, химически однородной, с мелким первичным зерном (структура металла аналогична кованому).
Указанные приемы литья позволяют получить герметичные отливки без трещин, а благодаря давлению при литье проливаются толщины стенок в 1 мм и менее.
На фиг.1 изображен поршень из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, на фиг.2 — звено разовых моделей поршней из легкоплавкого сплава, на фиг.3 — рабочая схема получения поршней.
Поршень 1 имеет цапфы 2, канавки 3 под поршневые кольца, стенку 4 в головной части, отверстия 5 и утолщение 6. Звено моделей поршней (фиг.2) состоит из моделей поршней 7, соединенных через питатели 8 с литником 9, снабженным соединительными частями 10.
Нижняя неподвижная плита 11 (фиг.3) связана колонками (на чертеже не показано) с верхней плитой 12, к которой присоединен контейнер 13 через герметизирующее уплотнение 14 с расположенной в нем литейной формой 15.
На подвижной плите 16, связанной силовым гидроприводом (на чертеже не показано), установлена камера выжимания 17, облицованная слоем 18 кварцевого песка, в которую залит расплав металла 19. На камеру выжимания 17 установлен пуансон 20 с облицовкой 21, имеющий литниковый ход 22, перекрытый пенокерамическим фильтром 23. В контейнере выполнена кольцевая канавка 24 для герметизации его при заливке.
Работа предлагаемых поршней не отличается от известных, за исключением устранения износа «юбки» и разбивания поршневых канавок 3 под поршневые кольца, что обеспечивается в несколько раз более высокой прочностью чугуна с шаровидным графитом, в 2 раза более высокой твердостью и рабочей температурой.
Пример осуществления способа
Поршни из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ60 — 2, имеющим химсостав, %: С 3,2-3,6, Si 2,4-2,6, Mn 0,4-0,7, Р до 0,1, S до 0,02, получают следующим образом.
Звенья моделей 7 поршней из легкоплавкого сплава Sn-Pb-Bi (температура плавления 127°С), по 6 моделей в одном звене, изготавливают на кокильных карусельных автоматах, используемых при литье алюминиевых поршней, с производительностью 6 звеньев в минуту (2160 моделей в час). Модели собирают в блоки по 5 звеньев (30 моделей в блоке).
Готовый блок устанавливают в контейнер 13 и заформовывают холодно-твердеющими смесями. После затвердевания смеси контейнеры продувают горячим воздухом, нагретым до 200°С, и выплавляют модели.
Контейнеры 13 с подготовленными формами 15 в составе поточной линии производительностью 60 заливок в час (1800 отливок в час) подаются для заполнения расплавом.
Выплавленный в индукционной печи модифицированный чугун заливают в камеру выжимания 17 при температуре 1400°С и производят выдержку для отвода теплоты перегрева, в результате которой растворенные газы (больший объем) выходят из расплава. Для ускорения процесса отвода тепла расплав продувают азотом.
При достижении температуры ликвидус происходит выделение твердой фазы и при температуре 1250°С расплав 19 вытесняют в литейную форму 15 пуансоном 20 при перемещении камеры выжимания 17 вверх. Расплав 19 вытесняют через фильтр 22, литниковый ход 23 и литник 9 со скоростью 3 м/с.Одновременно в контейнер 13 через газопровод 25 подают сжатый воздух под давлением 5 атм (первые порции расплава, попадая в канавку 24, герметизируют контейнер).
Т.к. расплав поступает в форму 15 под газовым противодавлением, выделение оставшихся газов из расплава подавляется, устраняется усадочная микропористость, в т.ч. за счет микропластической деформации. За счет наличия в расплаве центров кристаллизации затвердевание отливки происходит объемно. Механическое давление при литье обеспечивает проливание тонких стенок, а кристаллизация под газовым давлением позволяет улучшить качество металла отливки и повысить механические свойства. Полученные отливки имеют σв≥700 МПа, δ≥2,5%, НВ=190-270.
Если отливки выбивают из форм на воздух при охлаждении их до температуры 900°С, то происходит нормализация, а механические свойства поршней возрастают до σв≥750 МПа, δ≥6%. Относительная прочность полученных поршней по сравнению с относительной прочностью поршней из алюминиевых сплавов (с учетом удельного веса металла) выше на 28 -38%. За счет литья в интервале кристаллизации измельчается зерно, улучшается химическая однородность материала, а при кристаллизации металла отливки под давлением 4-6 атм устраняется микропористость и повышается герметичность отливок. Расход на материалы поршня сокращается не менее чем в 2 раза. Уменьшается объем механической обработки.
Полученный, согласно предлагаемому способу, поршень имеет более высокий рабочий ресурс, повышенную надежность.
Использование изобретения позволяет снизить расход материала на поршни за счет уменьшения припусков на мех. обработку, повысить коэффициент использования материала (КИМ), снизить себестоимость поршня.
Claims ( 2 )
1. Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания из сплава на основе железа, весом эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия, включающий приготовление расплава, заполнение формы расплавом, выдержку расплава в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок и проведение финишных операций, отличающийся тем, что подготовку формы производят путем изготовления многоместного многозвенного блока разовых моделей поршня с последующим заформовыванием его огнеупорным зернистым материалом, преимущественно холодно-твердеющими смесями, заполнение формы расплавом производят в жидко-твердом состоянии под механическим давлением со скоростью движения расплава в литниковом ходе 1-10 м/с, а выдержку расплава в форме для затвердевания производят под давлением сжатого газа.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в начальный момент поступления расплава в форму и до окончания затвердевания отливок в форме создают газовое давление в пределах 4-6 атм.
RU2006119271/06A 2006-06-01 2006-06-01 Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания RU2318126C1 ( ru )
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006119271/06A RU2318126C1 ( ru ) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006119271/06A RU2318126C1 ( ru ) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2318126C1 true RU2318126C1 ( ru ) | 2008-02-27 |
Family
ID=39279003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006119271/06A RU2318126C1 ( ru ) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU ( 1 ) | RU2318126C1 ( ru ) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2532652C2 ( ru ) * | 2009-04-27 | 2014-11-10 | Федерал-Могул Нюрнберг Гмбх | Способ и устройство для изготовления поршня для двигателя внутреннего сгорания, а также поршень для двигателя внутреннего сгорания |
- 2006
- 2006-06-01 RU RU2006119271/06A patent/RU2318126C1/ru active
Non-Patent Citations (2)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Title ГЕРМАНОВ А.Н. Поршни современных мощных зарубежных тепловодных дизелей. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1965, с.27-28. ОРЛИН А.С. Двигатели внутреннего сгорания Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей, издание второе. — М. : Машиностроение, 1972, с.217-219. * РУБЦОВ Н.Н. Литье в металлические формы. Труды конференции. — М. : осква, Машгиз, 1952, с.42-50. * Cited By (2)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title RU2532652C2 ( ru ) * 2009-04-27 2014-11-10 Федерал-Могул Нюрнберг Гмбх Способ и устройство для изготовления поршня для двигателя внутреннего сгорания, а также поршень для двигателя внутреннего сгорания US8898898B2 ( en ) 2009-04-27 2014-12-02 Federal-Mogul Nurnberg Gmbh Method and device for producing a piston fro an internal combustion engine and piston for internal combustion engine Similar Documents
Publication Publication Date Title US3703922A ( en ) 1972-11-28 Process for the manufacture of nodular cast iron CN102814465B ( zh ) 2015-01-28 一种球墨铸铁铸型及采用该铸型的无冒口铸造方法 US20070199676A1 ( en ) 2007-08-30 Composite mold with fugitive metal backup US7578336B2 ( en ) 2009-08-25 Casting mold and method for casting achieving in-mold modification of a casting metal CN102784902B ( zh ) 2014-09-10 金属型调压铸造设备 US7134478B2 ( en ) 2006-11-14 Method of die casting spheroidal graphite cast iron CN106238688B ( zh ) 2018-07-03 一种活塞类铸件的铸造方法 RU2318126C1 ( ru ) 2008-02-27 Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания RU2314895C1 ( ru ) 2008-01-20 Устройство литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (лвкд) WO2013172375A1 ( ja ) 2013-11-21 鋳造における冷却方法及びその冷却システム CN107891122A ( zh ) 2018-04-10 一种铝合金精密铸造凝固缺陷控制方法 CN104148584A ( zh ) 2014-11-19 一种金属型铸造方法 US20050126737A1 ( en ) 2005-06-16 Process for casting a semi-solid metal alloy CN109396357B ( zh ) 2020-07-03 一种解决铸件螺栓缩松缺陷的方法 RU2418651C2 ( ru ) 2011-05-20 Устройство для получения отливки поршня RU2335377C1 ( ru ) 2008-10-10 Способ изготовления точных отливок в керамических формах с кристаллизацией под давлением JPH0647149B2 ( ja ) 1994-06-22 鋳型およびその鋳型を用いた減圧鋳造方法 Ohide 1997 Production of iron castings with altered graphite morphology by a modified Inmold process Dotsenko 2015 Influence of heterogeneous crystallization conditions of aluminum alloy on its plastic properties CN105081276A ( zh ) 2015-11-25 低压铸造装置和用于运行低压铸造装置的方法 CN104874745B ( zh ) 2018-06-22 一种发动机主轴承盖的铸造工艺 Vignesh 2017 A review of advanced casting techniques RU51919U1 ( ru ) 2006-03-10 Устройство для получения отливок RU2513672C2 ( ru ) 2014-04-20 Устройство для изготовления моделей поршня RU2323802C1 ( ru ) 2008-05-10 Способ изготовления отливок Из чего делают поршни для двигателя
К материалам для изготовления поршней предъявляются те же требования, что и к материалам цилиндровых втулок и крышек. Головка поршня должна выдерживать высокое давление горячих газов и передавать результирующее усилие на шток поршня. Она должна иметь высокую усталостную прочность, чтобы сопротивляться переменным механическим и термическим напряжениям. В течение каждого рабочего цикла поверхность головки подвергается действию высоких температур продуктов сгорания сразу же после охлаждения продувочным воздухом. Металл головки должен сопротивляться высокотемпературной ползучести, коррозии и эрозии, эффективно отводить тепло в систему охлаждения, но при ограниченном термическом расширении, чтобы сохранять значения рабочих зазоров между втулкой цилиндра и поршневыми кольцами. Выбор материалы и конструкции поршня зависит от быстроходности двигателя, его размеров и применяемого топлива.
Поршни мощных двухтактных дизелей должны иметь повышенную жесткость вследствие большого диаметра цилиндров и применения тяжелых топлив. Головка поршня выполняется с внутренними каналами охлаждения, и при этом должна сохранять прочность на изгиб. Торцевая поверхность днища поршня делается вогнутой, что создает выгодную форму камеры сгорания.
Поршни отливаются из хромолибденовой легированной стали и обрабатываются по всем поверхностям. Канавки для поршневых колец протачиваются по боковой поверхности, а для увеличения износостойкости и коррозионной стойкости они хромируются и шлифуются. Поршень должен иметь небольшую конусность с уменьшением диаметра к головке, для компенсации термического расширения.
Охлаждение поршня необходимо для отвода избыточного тепла от камеры сгорания и снижения термических напряжений. Оно также ограничивает термическое расширение головки для сохранения рабочих зазоров между поршнем и втулкой, а также между поршневыми кольцами и стенками канавок. Охлаждение осуществляется циркуляцией охлаждающей воды и масла. Применение в качестве охлаждающей жидкости пресной воды имеет преимущество по термической эффективности вследствие большей теплоемкости воды и более высокого значения допустимой температуры на выходе (до 70 град.). Для предотвращения коррозии металла полостей охлаждения необходимы добавки ингибиторов коррозии в охлаждающую воду. Необходимо предусмотреть также отвод воздуха из внутренних полостей. Недостатком водяного охлаждения является необходимость в гибких соединениях и сальниках для подвода и отвода воды, которые должны предохранять картерное пространство от попадания в него охлаждающей воды. Это приводит к необходимости иметь отдельную водяную систему для охлаждения поршней.
Термическая эффективность масляного охлаждения поршней ниже, чем водяного, вследствие более низкой теплоемкости масла и пониженного предела допустимых температур (до 56 град.), который определяется возможным коксованием масла на нагретых поверхностях с последующим снижением коэффициента теплопередачи и загрязнением каналов охлаждения, что потребует увеличения расхода масла на охлаждение. Система масляного охлаждения поршней может быть частью общей картерной системы смазки, используя то же масло, общие магистрали и маслоохладители. При этом могут использоваться более простые сальники, так как нет опасности загрязнения картера. Однако эксплуатация системы при повышенных рабочих температурах приводит к более быстрому старению масла и ухудшению его качества.
Периодические осмотры и очистка внутренних полостей должны проводиться как для водяной, так и для масляной систем охлаждения.
Скорость потока охлаждающей жидкости должна быть достаточной, чтобы преодолеть гравитационные эффекты при возвратно-поступательном движении поршня. После остановки двигателя система охлаждения должна продолжать функционировать еще некоторое время, для охлаждения внутренних деталей и снятия термических напряжений.
На рисунке показан разрез водо-охлаждаемого поршня двигателя Sulzer RTA в сборе со штоком и направляющей. Головка поршня литая из легированной стали, имеет полость и высверленные каналы охлаждения.
Сверления подходят вплотную к днищу, подводя охлаждающую воду непосредственно к нагреваемой поверхности. Таким образом, тепло отводится прежде, чем оно достигает зоны поршневых колец. Охлаждающая вода подводится и отводится при помощи телескопических труб, которые проходят сквозь диафрагму. Сальниковое уплотнение обеспечивает полную изоляцию этой системы от картерного пространства.
Пять поршневых колец установлены в хромированных канавках. Короткая чугунная направляющая несколько большего диаметра снабжена бронзовым центрирующим антифрикционным пояском. Вся конструкция крепится к фланцу штока удлиненными болтами с увеличенной податливостью для компенсации термического расширения. Двигатели RTA с увеличенным отношением хода поршня к диаметру цилиндра имеют масло-охлаждаемые поршни, которые по конструкции подобны описанному. Отличие заключается в том, что подводящие каналы системы охлаждения выполнены в теле штока.
На рис. ниже показан разрез поршня дизеля MAN-B&W MC с масляным охлаждением. Головка поршня – цельнолитая, из хромомолибденовой стали. Внутренняя полость отливки образует каналы охлаждения, а ребра подкрепляют днище поршня и передают усилие газов непосредственно на фланец штока, к которому головка крепится жесткими болтами. Снизу охлаждающую полость замыкает короткая чугунная направляющая.
Охлаждающее масло из основной системы смазки двигателя входит в тороидальный канал центрального отверстия штока, омывает головку поршня и выходит через трубу, вставленную в отверстие штока, обратно в крейцкопф.
Количество поршневых колец уменьшено до четырех, установлены они в хромированных канавках. Поверхность штока обработана очень чисто для снижения трения и износа в сальниковом уплотнении диафрагмы.
Сальник состоит из двух частей: верхняя служит для уплотнения продувочной полости и очистки поверхности штока от загрязнений и нагара при его движении вниз. Загрязненное масло должно отводиться в сливную емкость. На некоторых двигателях применяют набивку сальника из тефлоновых колец. Кольца нижней секции обеспечивают съем остатков картерного масла с поверхности штока при его движении вверх. Это масло отводится через дренаж обратно в картер. Между двумя секциями оставляют свободное или вентиляционное пространство, дренаж из которого необходимо регулярно осматривать и прочищать для обеспечения эффективной работы сальника.
Техническое обслуживание сальника заключается в поддержании нормальных зазоров в стыках между сегментами, в осевом и радиальном направлениях; проверке натяжения кольцевых пружин; поддержании в чистоте вентиляционных и дренажных каналов. При выемке поршня со штоком необходимо следить за состоянием сальника, во избежание его серьезных повреждений.
Неправильное или недостаточное техническое обслуживание сальника приводит к загрязнению продувочной полости маслом и продуктами неполного сгорания, потерям продувочного воздуха, загрязнению картерного масла. Вследствие перегрева штока может возникнуть опасность взрыва в картере, заклинивание деталей движения и т.п. В некоторых конструкциях предусмотрено водяное охлаждение диафрагмы.
Устройство автомобилей
Поршневая группа образует подвижную стенку рабочего объема цилиндра. Именно перемещение этой «стенки», т. е. поршня, является показателем работы, выполненной сгоревшими и расширяющимися газами.
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма включает в себя поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец и фиксирующие его детали. Иногда поршневую группу рассматривают вместе с цилиндром, и называют цилиндропоршневой группой.Поршень
Требования, предъявляемые к конструкции поршня
Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через поршневой палец шатуну. При этом он совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Условия, в которых работает поршень:
- высокое давление газов (3,5…5,5 МПа для бензиновых, и 6,0…15,0 МПа для дизельных двигателей);
- контакт с горячими газами (до 2600 ˚С);
- движение с переменой направления и скорости.
Возвратно-поступательное движение поршня вызывает значительные инерционные нагрузки в зонах прохода мертвых точек, где поршень изменяет направление движения на противоположное. Инерционные силы зависят от скорости перемещения поршня и его массы.
Поршень воспринимает значительные усилия: более 40 кН в бензиновых двигателях, и 20 кН – в дизелях. Контакт с горячими газами вызывает нагрев центральной части поршня до температуры 300…350 ˚С. Сильный нагрев поршня опасен возможностью заклинивания в цилиндре из-за температурного расширения, и даже прогоранием днища поршня.
Перемещение поршня сопровождается повышенным трением и, как следствие, изнашиванием его поверхности и поверхности цилиндра (гильзы). Во время движения поршня от верхней мертвой точки к нижней и обратно сила давления поверхности поршня на поверхность цилиндра (гильзы) изменяется и по величине, и по направлению в зависимости от такта, протекающего в цилиндре.
Максимальное давление поршень оказывает на стенку цилиндра при такте рабочего хода, в момент, когда шатун начинает отклоняться от оси поршня. При этом сила давления газов, передаваемая поршнем шатуну, вызывает реактивную силу в поршневом пальце, который в данном случае является цилиндрическим шарниром. Эта реакция направлена от поршневого пальца вдоль линии шатуна, и может быть разложена на две составляющие – одна направлена вдоль оси поршня, вторая (боковая сила) перпендикулярна ей и направлена по нормали к поверхности цилиндра.
Именно эта (боковая) сила и вызывает значительное трение между поверхностями поршня и цилиндра (гильзы), приводящее к их износу, дополнительному нагреву деталей и снижению КПД из-за потерь энергии.
Попытки уменьшить силы трения между поршнем и стенками цилиндра осложняются тем, что между цилиндром и поршнем необходим минимальный зазор, обеспечивающий полную герметизацию рабочей полости с целью не допустить прорыв газов, а также попадание масла в рабочее пространство цилиндра. Величина зазора между поршнем и поверхностью цилиндра лимитируется тепловым расширением деталей. Если его сделать слишком малым, в соответствии с требованиями герметичности, то возможно заклинивание поршня в цилиндре из-за теплового расширения.
При изменении направления движения поршня и процессов (тактов), протекающих в цилиндре, сила трения поршня о стенки цилиндра меняет характер – поршень прижимается к противоположной стенке цилиндра, при этом в зоне перехода мертвых точек поршень совершает удары по цилиндру из-за резкого изменения величины и направления нагрузки.
Конструкторам, при разработке двигателей, приходится решать комплекс проблем, связанных с описанными выше условиями работы деталей цилиндропоршневой группы:
- высокими тепловыми нагрузками, вызывающими температурное расширение и коррозию металлов деталей КШМ;
- колоссальным давлением и инерционными нагрузками, способным разрушить детали и их соединения;
- значительными силами трения, вызывающими дополнительный нагрев, износ и потери энергии.
Исходя из этого, к конструкции поршня предъявляются следующие требования:
- достаточная жесткость, позволяющая выдерживать силовые нагрузки;
- тепловая стойкость и минимальные температурные деформации;
- минимальная масса для снижения инерционных нагрузок, при этом масса поршней в многоцилиндровых двигателях должна быть одинаковой;
- обеспечение высокой степени герметизации рабочей полости цилиндра;
- минимальное трение о стенки цилиндров;
- высокая долговечность, поскольку замена поршней связана с трудоемкими ремонтными операциями.
Особенности конструкции поршня
Поршни современных автомобильных двигателей имеют сложную пространственную форму, которая обусловлена различными факторами и условиями, в которых работает эта ответственная деталь. Многие элементы и особенности формы поршня не заметны невооруженным глазом, поскольку отклонения от цилиндричности и симметрии минимальны, тем не менее, они присутствуют.
Рассмотрим подробнее – как устроен поршень двигателя внутреннего сгорания, и на какие хитрости приходится идти конструкторам, чтобы обеспечить выполнение требований, изложенных выше.Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из верхней части – головки и нижней – юбки.
Верхняя часть головки поршня – днище непосредственно воспринимает усилия со стороны рабочих газов. В бензиновых двигателях днище поршня обычно делают плоским. В поршневых днищах дизелей часто выполняют камеру сгорания.
Днище поршня представляет собой массивный диск, который соединяется с помощью ребер или стоек с приливами, имеющими отверстия для поршневого пальца – бобышками. Внутренняя поверхность поршня выполняется в виде арки, что обеспечивает необходимую жесткость и теплоотвод.
На боковой поверхности поршня прорезаны канавки для поршневых колец. Число поршневых колец зависит от давления газов и средней скорости перемещения поршня (т. е. частоты вращения коленчатого вала двигателя) – чем меньше средняя скорость поршня, тем больше требуется колец.
В современных двигателях, наряду с ростом частоты вращения коленчатого вала, наблюдается тенденция к сокращению числа компрессионных колец на поршнях. Это обусловлено необходимостью уменьшения массы поршня с целью снижения инерционных нагрузок, а также уменьшения сил трения, отнимающих существенную долю мощности двигателя. При этом возможность прорыва газов в картер высокооборотистого двигателя считается менее актуальной проблемой. Поэтому в двигателях современных легковых и гоночных автомобилей можно встретить конструкции с одним компрессионным кольцом на поршне, а сами поршни имеют укороченную юбку.Кроме компрессионных колец на поршне устанавливают одно или два маслосъемных кольца. Канавки, выполненные в поршне под маслосъемные кольца, имеют дренажные отверстия для отвода моторного масла во внутреннюю полость поршня при снятии его кольцом с поверхности цилиндра (гильзы). Это масло обычно используется для охлаждения внутренней поверхности днища и юбки поршня, а затем стекает в поддон картера.
Форма днища поршня зависит от типа двигателя, способа смесеобразования и формы камеры сгорания. Наиболее распространена плоская форма днища, хотя встречаются выпуклая и вогнутая. В некоторых случаях в днище поршня выполняют углубления для тарелок клапанов при расположении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Как упоминалось выше, в днищах поршней дизельных двигателей нередко выполняют камеры сгорания, форма которых может различной.
Нижняя часть поршня – юбка направляет поршень в прямолинейном движении, при этом она передает стенке цилиндра боковое усилие, величина которого зависит от положения поршня и процессов, протекающих в рабочей полости цилиндра. Величина бокового усилия, передаваемого юбкой поршня, значительно меньше максимального усилия, воспринимаемого днищем со стороны газов, поэтому юбка выполняется относительно тонкостенной.
В нижней части юбки у дизелей часто устанавливают второе маслосъемное кольцо, что позволяет улучшить смазывание цилиндра и уменьшить вероятность попадания масла в рабочую полость цилиндра. Для уменьшения массы поршня и сил трения ненагруженные части юбки срезают по диаметру и укорачивают по высоте. Внутри юбки обычно выполняются технологические приливы, которые используются для подгонки поршней по массе.
Конструкция и размеры поршней зависят главным образом от быстроходности двигателя, а также от величины и скорости нарастания давления газов. Так, поршни быстроходных бензиновых двигателей максимально облегчены, а поршни дизелей имеют более массивную и жесткую конструкцию.
В момент перехода поршня через ВМТ изменяется направление действия боковой силы, которая является одной из составляющих силы давления газов на поршень. В результате поршень перемещается от одной стенки цилиндра к другой – происходит перекладка поршня . Это вызывает удар поршня о стенку цилиндра, сопровождающийся характерным стуком. Чтобы уменьшить это вредное явление поршневые пальцы смещают на 2…3 мм в сторону действия максимальной боковой силы; при этом боковая сила давления поршня на цилиндр значительно уменьшается. Такое смещение поршневого пальца называется дезаксажем .
Применение в конструкции поршня дезаксажа требует соблюдения правил монтажа КШМ — поршень должен устанавливаться строго по меткам, указывающим, где передняя часть (обычно это стрелка на днище).Оригинальное решение, призванное снизить воздействие боковой силы, применили конструкторы двигателей фирмы «Фольксваген». Днище поршня в таких двигателях выполнено не под прямым углом к оси цилиндра, а немного скошено. По мнению конструкторов, это позволяет оптимальнее распределить нагрузку на поршень, и улучшить процесс смесеобразования в цилиндре при тактах впуска и сжатия.
Для того, чтобы удовлетворить противоречивые требования герметичности рабочей полости, предполагающие наличие минимальных зазоров между юбкой поршня и цилиндром, и предотвращения заклинивания детали в результате теплового расширения, в форме поршня применяют следующие конструктивные элементы:
-
уменьшение жесткости юбки за счет специальных прорезей, компенсирующих ее тепловое расширение и улучшающих охлаждение нижней части поршня. Прорези выполняют на той стороне юбки, которая наименее нагружена боковыми силами, прижимающими поршень к цилиндру;
Последнее условие выполнить непросто, поскольку поршень нагревается по всему объему неравномерно и имеет сложную пространственную форму – в верхней части его форма симметрична, а в районе бобышек и на нижней части юбки имеются ассиметричные элементы. Все это приводит к неодинаковой температурной деформации отдельных участков поршня при его нагреве во время работы.
По этим причинам в конструкции поршня современных автомобильных двигателей обычно выполняют следующие элементы, усложняющие его форму:-
днище поршня имеет меньший диаметр по сравнению с юбкой и наиболее приближено в поперечном сечении к правильной окружности.
Меньший диаметр сечения днища поршня связан с его высокой рабочей температурой и, как следствие, с большим тепловым расширением, чем в районе юбки. Поэтому поршень современного двигателя в продольном сечении имеет слегка коническую или бочкообразную форму, зауженную к днищу.
Уменьшение диаметра в верхнем поясе конической юбки для поршней из алюминиевого сплава составляет 0,0003…0,0005D, где D – диаметр цилиндра. При нагреве до рабочих температур форма поршня по длине «выравнивается» до правильного цилиндра.Очевидно, что на все эти ухищрения конструкторам приходится идти, чтобы придать поршню в нагретом до рабочих температур состоянии правильную цилиндрическую форму, обеспечив тем самым минимальный зазор между ним и цилиндром.
Наиболее эффективным способом предотвращения заклинивания поршня в цилиндре вследствие его теплового расширения при минимальном зазоре является принудительное охлаждение юбки и вставка в юбку поршня элементов из металла, имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Чаще всего применяются вставки из малоуглеродистой стали в виде поперечных пластин, которые при отливке поршня помещаются в зону бобышек. В некоторых случаях вместо пластин применяются кольца или полукольца, заливаемые в верхнем поясе юбки поршня.
Температура днища алюминиевых поршней не должна превышать 320…350 ˚С. Поэтому для увеличения теплоотвода переход от днища поршня к стенкам делают плавным (в виде арки) и достаточно массивным. Для более эффективного теплоотвода от днища поршня применяют его принудительное охлаждение, брызгая на внутреннюю поверхность днища моторное масло из специальной форсунки. Обычно функцию такой форсунки выполняет специальное калиброванное отверстие, выполненное в верхней головке шатуна. Иногда форсунка устанавливается на корпусе двигателя в нижней части цилиндра.
Для обеспечения нормального теплового режима верхнего компрессионного кольца его располагают значительно ниже кромки днища, образуя так называемый жаровой или огневой пояс. Наиболее изнашиваемые торцы канавки под поршневые кольца часто усиливают специальными вставками из износостойкого материала.
В качестве материала для изготовления поршней широко применяют алюминиевые сплавы, основным достоинством которых является небольшая масса и хорошая теплопроводность. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести невысокую усталостную прочность, большой коэффициент температурного расширения, недостаточную износостойкость и сравнительно высокую стоимость.
В состав сплавов кроме алюминия входят кремний (11…25%) и добавки натрия, азота, фосфора, никеля, хрома, магния и меди. Отлитые или отштампованные заготовки подвергают механической и термической обработке.
Значительно реже в качестве материала для поршней используют чугун, поскольку этот металл значительно дешевле и прочнее алюминия. Но, несмотря на высокую прочность и износостойкость, чугун обладает сравнительно большой массой, что приводит к появлению значительных инерционных нагрузок, особенно при изменении направления движения поршня. Поэтому для изготовления поршней быстроходных двигателей чугун не применяется.
