Как охлаждается поршень двигателя

Охлаждение поршней форсированного двигателя

Форсирование двигателя наддувом сопровождается ростом температуры днища поршня, его термонапряжённости. В результате существенно понижается его прочность, ухудшаются условия смазки, а у двигателей с внешним смесеобразованием повышается опасность детонационного сгорания. Вообще, для улучшения процесса сгорания температуру днища поршня целесообразно повышать, конечно, до определённого уровня, при этом обеспечивается также сжигание отложений продуктов неполного сгорания топлива и масла, однако происходит снижение коэффициента наполнения.

Для снижения термонапряжённости применяют следующие методы:

  1. отвод тепла от днища поршня в стенки цилиндра через поршневые кольца и юбку;
  2. отвод тепла жидкостью, подводимой к днищу поршня;
  3. применение накладок на днище из жароупорных чугуна или стали с низким коэффициентом теплопроводности.
  4. иногда применяют комбинацию из указанных методов.

У ДВС с наддувом первый способ обычно применяется для алюминиевых поршней увеличением сечений их корпуса. При втором способе применяют обычно масло, реже — воду. Известно, что крупные судовые двухтактные дизели принципиально всегда имеют систему охлаждения поршней. Но лёгкие быстроходные двигатели такой системой, как правило, не оснащаются. Однако с ростом напряжённости двигателя в связи с турбонаддувом появилась необходимость такого охлаждения. Рассмотрим несколько принципиальных схем выполнения таких систем. На рисунке показаны три таких схемы. Они могут быть классифицированы следующим образом. Л — охлаждение разбрызгиванием, Б — охлаждение с помощью масляной форсунки и В — масляное охлаждение путём циркуляции масла или путём взбалтывания масла в полостях поршня.

Рис. Принципиальные схемы охлаждения поршней

Система А известна давно и применялась ещё тогда, когда отсутствовала принудительная смазка с помощью подкачивающего масляного насоса. В этом случае на шатуне размещено приспособление в виде ложки так, что при вращении шатуна ложка черпает масло из картера и разбрызгивает его по зеркалу цилиндра и по днищу поршня. Эта система применяется в высокооборотных ДВС с малым диаметром цилиндров, но её возможности эффективно охлаждать поршни высокофорсированных двигателей ограничены.

В быстроходных двигателях с наддувом и сравнительно малым диаметром цилиндра широко применяется система Б, в которой специальная масляная форсунка, неподвижно установленная под цилиндром или в верхней головке шатуна и связанная с каналом подачи масла, непрерывно, а иногда прерывисто, подаёт струю или факел масла вверх — на днище поршня вблизи поршневой головки шатуна, охлаждая поршень. Чтобы не нанести вред основной системе смазки и охлаждения подшипников, которая, естественно, более важна, чем охлаждение головки поршня, эта система охлаждения связана со специальным каналом подвода масла, давление в котором повышается лишь после того, как уровень давления в основной системе превысит необходимое давление для смазки подшипников после начала работы двигателя. Эффективность работы такой системы охлаждения поршня существенно зависит от точности направлении факела масла, от охвата факелом масла всей поверхности днища, что следует контролировать при монтаже, диагностике двигателя и т.д. Но эффективность метода всё же мала, так как масло находится в контакте с днищем поршня лишь сравнительно короткое время. Наличие рёбер на днище поршня увеличивает эффективность теплоотвода.

На схеме В показано, что масло под давлением подводится к каждому коренному подшипнику коленчатого вала (по сверлениям в шейках), поступает к шатунным шейкам, затем по сверлениям в теле шатуна — к поршневой головке шатуна, в подшипник и затем через специальные устройства (ползуны) подаётся в полости охлаждения головки поршня.

При этом может обеспечиваться либо непрерывная циркуляция охлаждающего масла в полостях поршня, либо производится охлаждение путём взбалтывания масла в полостях поршня. Когда силы инерции направлены вверх, слой масла, прилегая к днищу, отбирает от него тепло. При обратном направлении сил инерции часть масла вытекает через специальные каналы, а часть вытесняется в карманы в полости охлаждения. Применение этого способа позволяет снизить температуру поршня почти на 70 градусов по сравнению с температурой при проточном охлаждении.

Рис. Схема размещения масляной форсунки охлаждения поршня

На рисунке показано размещение масляной форсунки А в нижней части цилиндра и её связь с масляным каналом в блоке двигателя. На юбке поршня видна специальная выемка, куда входит масляная форсунка, когда поршень опускается к нижней мёртвой точке. Наличие выемки позволяет приблизить днище поршня к форсунке в положении вблизи НМТ. Нагретое масло после отвода тепла от днища поршня сбрасывается в картер двигателя. При этом, конечно, повышаются общий уровень температуры масла, а следовательно требуется повышенное охлаждение его в масляном холодильное. Охлаждение взбалтыванием широко применяется в двигателях с противоположно движущимися поршнями и двигателях с клапанно-щелевой системой газообмена.

Читайте также:  Двигатель k12b технические характеристики

Желательно, чтобы поршень имел достаточно большую длину, тогда скорость масла при ударе о днище может быть достаточно высокой, что улучшает охлаждение.

На рисунке показан шатун с каналами для прохода масла под давлением, показаны зоны 1 шатунного подшипника, наименее нагруженные при работе двигателя, и в них — канавки для прохода масла. В конечном итоге масло почти постоянно подаётся из поршневой головки шатуна в полости головки поршня. Такая подача может происходить двумя путями, которые показаны на рисунке.

Рис. Схема шатуна с каналами для прохода масла под давлением

Рис. Схема поршней с внутренним охлаждением

Схема А применяется для среднеразмерных двигателей, а схема Б — для высокооборотных. Согласно схеме А, масло проходит из сверления в теле шатуна в головку для смазки поршневого подшипника и также по канавке вокруг подшипника — в канал В в специальном «башмаке», стакане, постоянно связанном с поршнем и способном скользить по головке шатуна при его качании. Далее масло поступает в полости охлаждения головки поршня, выполненные в виде спирального канала и образованного специальными приливами на днище поршня.

Рис. Схема распределения температур в поршне

На схеме видна существенная неравномерность температур.

Видно, что в зоне отвода тепла от поршня через поршневые кольца в стенки цилиндра температуры достигают 200 — 220 °С, а в зоне факела горящей смеси, вытекающей из камеры сгорания, — до 400 °С. При этом температуры головки цилиндра вблизи места посадки тарелки выпускного клапана могут достигать 650 — 700 °С. Как в двигателе с естественным всасыванием, так и в двигателе с наддувом температуры на днище поршня не должны превышать 400°С, причём температуры внутренней части днища поршня, охлаждаемой маслом, не должны превышать 200 °С. Последнее связано с тем, что при чрезмерно высоких температурах охлаждаемой поверхности внутренней части днища поршня масло быстро стареет, теряет свои качества и т.д.

Источник

ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ: ФУНКЦИИ, КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПОЛОМКИ

AutoBlogCar.Ru – Полезные статьи для автолюбителей | https://autoblogcar.ru/engine/

Добрый день, сегодня мы узнаем, что называется автомобильным поршнем двигателя, каково его основное предназначение и принцип работы, а также, из каких материалов изготавливаются эти ключевые компоненты любой силовой установки. Кроме того, расскажем про то, какие требования на современном этапе предъявляются к поршням двигателя и какими конструкторскими особенностями обладают данные детали силовой установки. В заключении поговорим о том, в совокупности с какими узлами двигателя функционируют поршни и каковы их технические характеристики, а также, какую роль играют эти незаменимые элементы мотора транспортного средства.

Итак, что же такое автомобильный поршень двигателя и какую роль он играет в силовой установке? Поршнем двигателя называется специальная деталь цилиндрической формы, которая осуществляет возвратно-поступательные движения внутри рабочей области цилиндра и служит для преобразования топливно-воздушной смеси с целью изменения давления (газа, пара, жидкости) и превращение его в механическую работу. Другими словами, поршень силовой установки совершает возвратно-поступательные движения для изменения показателя давления в цилиндре. Таким образом, можно уверенно утверждать, что поршень занимает центральное место в процессе преобразования топлива в механическую энергию. Чтобы понимать, каков принцип работы поршня двигателя, необходимо знать его назначение и задачи, которые он выполняет в процессе функционирования силовой установки. Этот вопрос мы подробно разберем в нашей статье, чтобы получить исчерпывающее понятие о поршне и его роли в системе двигателя автомобиля.

Справочно заметим, что еще совсем недавно производители автомобильных деталей изготавливали (отливали) поршни силовых установок из чугуна. Как все мы знаем технологии не стоят на месте и замена тяжелому, а также довольно хрупкому чугуну нашлась, им стал алюминий. Поршни из алюминия обладают рядом достоинств по сравнению с чугуном, например, при использовании этого материала, автопроизводители добились роста оборотов с мощностью двигателя, а также снизили нагрузку на детали мотора, повысилась теплоотдача и как следствие увеличился ресурс силовой установки. С того момента, как производители начали использовать в деталях двигателя алюминий, мощность моторов начала расти, причем стремительно, температура и давление в цилиндрах на большинстве современных силовых установках, на примере дизельных стала предельной для прочности алюминия. Поэтому производители стали снова искать альтернативу алюминию. И нашли, ею оказалась сталь.

На сегодняшний день большинство современных двигателей оснащаются стальными поршнями, которые надежно и уверенно выдерживают постоянно возрастающие нагрузки. Стальные поршни в сравнении с алюминиевыми и чугунными обладают меньшим весом, благодаря более тонким стенкам, а также меньшей компрессионной высотой, то есть расстоянием от днища детали до оси алюминиевого пальца. Кроме того, поршни из стали идут не литыми по конструкции, а сборные.

Читайте также:  Схема устройства судового двигателя

Также отметим, что благодаря уменьшению вертикальных габаритов стального поршня при неизменном блоке цилиндров это дает возможность производителю удлинять шатуны. Это позволяет в свою очередь снизить нагрузку на рабочую пару, то есть на цилиндр и поршень, что довольно положительно сказывается на оптимизации расхода топлива, а также на ресурсе силовой установки. Кроме того, при замене шатунов и коленчатого вала, можно довольно просто укоротить блок цилиндров, что даст возможность облегчить по массе двигатель.

1. Требования, предъявляемые к поршням двигателя

На сегодняшний день существует 4 основных требования, которые предъявляются к поршням двигателя транспортного средства и все они так или иначе сводятся к единственному, а также самому ключевому параметру — сроку службы детали. Справочно заметим, что требования, которые мы сейчас перечислим, предъявляются современными условиями эксплуатации автомобилей.

Требования, предъявляемые к поршням силовой установки :

— Первое требование относится к сопротивляемости поршня высокой температуре, давлению газов и надежной герметизации канала цилиндра. Происходит это благодаря перемещению поршня в цилиндре, что позволяет расширять сжатые газы и продукты горения топлива, что обеспечивает высвобождение механической энергии.

— Второе требование заключается в том, что цилиндр с поршнем и кольцами (поршневыми) обеспечивает оптимальное скольжение линейного подшипника, который минимизирует механические потери во время трения деталей в цилиндре, что как следствие выливается в более долгий срок службы узлов.

— Третье требование заключается в том, что поршень двигателя постоянно испытывает высокие нагрузки со стороны камеры сгорания топливно-воздушной смеси и удары от шатуна, поэтому деталь должна выдерживать любые механические воздействия на нее.

— Четвертое требование заключается в том, что поршень двигателя совершая возвратно-поступательные движения на высокой скорости, не должен создавать нагрузку на кривошипно-шатунный узел своими инерционными воздействиями.

На самом деле требований к поршням двигателя, да и к другим ключевым деталям силовой установки насчитывается более десятка, однако по мнению большинства специалистов по ремонту транспортных средств, данная группировка является одной из самых точных. Вышеописанные требования наиболее четко описывают и показывают, какую важную роль в функционировании двигателя играют поршни.

2. Основное назначение и принцип работы поршней двигателя

Справочно заметим, что в процессе функционирования двигателя, топливо сгорает в камере над поршнем и выделяет при этом большое количество тепла, причем происходит это при каждом цикле работы силовой установки. Температура сгоревших газов порой составляет около 2 тысяч градусов по Цельсию, причем только часть энергии передается движущимся узлам мотора, а остальная реакция остается в двигателе сильно его нагревая. Определенные остатки тепла также выходят в выхлопную трубу с отработанными газами. Таким образом, если поршень не будет подвергаться охлаждению, то он через какое-то время просто расплавиться, из какого материала он не был бы изготовлен. Выше описанная процедура является очень важным нюансом, который раскрывает всю сложность условий работы поршневой группы.

Все мы прекрасно знаем, что образовавшийся тепловой поток всегда направлен от более нагретых элементов к деталям с меньшей температурой. Данный физический процесс позволяет увидеть распределение температур по поршню во время его активной рабочей фазы. Кроме того, это позволит определить конструктивные особенности и нюансы, которые влияют на его температурный режим, то есть понять благодаря, каким факторам он охлаждается.

Что касается наиболее нагреваемых участков во время функционирования двигателя, то наивысшая температура образуется в камере сгорания у топливно-воздушной смеси. Исходя из ранее сказанного, тепло будет передаваться самой холодной поверхности или воздуху. Если тепло передается окружающему воздуху в моторе, то он омывая радиатор, а также корпус силовой установки, остудит в жидкость охлаждающего типа, блок цилиндров и корпус головки. Однако мы забыли про поршень, как же он остывает? А для него необходим специальный, так называемый тоннель, по которому будет передаваться тепло детали на блок цилиндров, а затем направляться в охлаждающую жидкость. Процедура по охлаждению поршня происходит благодаря дополнительным элементам и жидкостям, которые помогают эффективно осуществить этот процесс.

Первый элемент, который обеспечивает охлаждение поршню — это поршневые кольца. Главная функция в этом процессе отведена первому кольцу, которое расположено ближе к днищу поршня, так как это место на детали является наиболее коротким путем к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Справочно заметим, что компрессионное и маслосъемное кольца одновременно прижаты к специальным канавкам, а также к стенке цилиндра. Таким образом, кольца обеспечивают примерно 40-50 процентов теплового потока.

Читайте также:  Из чего делают маховики на двигатель

Следующим элементом, обеспечивающим охлаждение поршней, является моторное масло. Благодаря тому, что масло имеет прямой контакт с наиболее нагретыми участками двигателя, образующийся в процессе работы масляный туман забирает с собой в поддон картера значительную часть тепла от наиболее горячих областей. Если силовая установка оборудована масляными форсунками, которые направляют струю технической жидкости на внутреннюю поверхность днища поршня, доля моторного масла в процессе теплообмена порой достигает 35 процентов от общего показателя охлаждения детали. Следовательно, нагружая масло дополнительной функцией по охлаждению поршней, необходимо понимать, что оно также нуждается в понижении своей температуры, потому что перегретая жидкость будет мгновенно терять свои полезные свойства. Кроме того, чем выше рабочая температура масла, тем, следовательно, меньше тепла возьмет на себя эта жидкость.

Кроме поршневых колец и моторного масла, охлаждение поршней осуществляется также при помощи специальных бобышек, расположенных в пальце, которые затем вставляются в шатуны, а оттуда уже в моторное масло. Этот способ охлаждения является чуть менее эффективным ранее описанных, однако в совокупности они образуют оптимальный температурный режим деталей двигателя, в том числе и поршней. Справочно заметим, что по пути охлаждения встречаются серьезные тепловые сопротивления, на примере различных зазоров, стальных деталей, которые обладают существенной длиной и низким коэффициентом теплопроводности.

Заключительный способ охлаждения поршней заключается в том, что часть тепла забирается топливно-воздушной смесью на свой нагрев, которая поступает в камеру сгорания. Доля тепла, которую заберет образованная смесь, напрямую зависит от режима функционирования и степени открытия дроссельной заслонки. Как правило, тепло образованное при сгорании, прямо пропорционально заряду. Таким образом, охлаждающий путь носит импульсный характер. Как правило, данное охлаждение отличается от других, ранее описанных своей скоротечностью и высокой эффективностью. Это происходит благодаря тому, что тепло отбирается с того участка, где поршень больше нагревается.

3. Что влияет на оптимальную работу поршней двигателя?

На оптимальную, надежную и долговечную работу поршней двигателя влияет в первую очередь их быстрое охлаждение. Из всех способов, которые мы перечислили ранее, большую значимость следует уделять передаче тепла через кольца поршня. Если представить, что мы снимем кольца с поршня и запустим силовую установку, то навряд ли двигатель сможет пережить различные форсированные режимы. В итоге произойдет сильный нагрев деталей установки, а затем материал поршня просто начнет разрушаться.

Кроме того, в случае отсутствия колец или их неплотного прилегания друг другу образуется еще одна проблема, которая называется компрессией. Например, одно из колец поршня не прилегает по своей длине к стенке цилиндра, тогда образовавшиеся сгоревшие газы в камере будут прорываться в появившуюся щель. Этот процесс создаст определенный барьер, который начнет препятствовать передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это примерно тоже самое, если бы мы взяли и закрыли участок радиатора, тем самым лишили бы его способности охлаждаться поступающим воздухом.

Наиболее страшная ситуация для поршня, если кольцо не обладает плотным контактом с канавкой. Дело в том, что в тех местах, где появляется возможность газам протекать мимо колец через канавку, у определенной области поршня просто пропадает возможность охлаждаться. Таким образом, появляется известное в народе понятие, как «тепловой мешок». Результатом такого процесса становится всем известный прогар, а также выкрашивание стенок огневым поясом, который прилегает к участку утечки газов. Вот поэтому большинством специалистов по ремонту и обслуживанию транспортных средств особое внимание уделяется геометрии цилиндра, кольцам, а также износу канавок.

В заключении отметим, что, отвечая на распространенный вопрос автолюбителей: «Сколько колец должно быть у нового поршня?», скажем так, что с точки зрения устройства двигателей по теории механики, чем меньше колец у поршня, тем лучше. Справочно заметим, что если кольца узкие, то будут меньше потерь в цилиндропоршневой группе. Однако при сокращении количества колец с их высотой, мы однозначно ухудшим оптимальное условие охлаждения поршня, которое выглядит, как: днище детали, затем кольцо и стенка цилиндра. Таким образом, выбор оптимальной конструкции той или иной детали двигателя — это всегда своего рода компромисс.

Источник

Adblock
detector