Чем охлаждается поршень двигателя - Авто журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чем 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.

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.

Читать еще:  Гидроудар двигателя что это такое следствия

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.

Чем охлаждается поршень 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.

Читать еще:  Двигатель yanmar l100 характеристики

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.

Чем охлаждается поршень двигателя

За прошедшее время в мастерской K-POWER довольно много двигателей ВАЗ 21083 и автомобилей Ока были оснащены форсунками охлаждения поршней. Изначально (в заводских условиях) форсунки устанавливались только на 16 клапанные двигатели 2112.

Плюсы форсунок несомненны, и не раз описывались в отчетах.
Вот лишь несколько примеров установки форсунок при капремонте двигателя:

По прошествии достаточно длительного времени, хотелось бы изложить некоторые результаты установки таких форсунок. Эти результаты сложились из наблюдений за откапиталенными двигателями.

На страницах этой статьи я бы хотел изложить некоторые наблюдения из практики.

Прежде всего — форсунки увеличивают ресурс двигателя, за счет увеличения смазки цилиндров и охлаждения поршней. Это не «миллионники» конечно, но определенное увеличение ресурса однозначно есть.
Форсунки охлаждения поршней практически не оказывают негативного влияния на давление масла в масляной системе. Уместно вспомнить, что на 2112 двигателе добавлено еще 16 дырок, питающих гидрокомпенсаторы клапанов и особых проблем с этим нет (при том же маслонасосе).

Сами форсунки являются, по сути, одноразовыми. При следующем капремонте их необходимо выпрессовывать, иначе невозможно произвести расточку и хонинговку цилиндров. При аккуратной выпрессовке форсунки можно использовать впоследствии, но настоятельно рекомендуется заменить на новые (о наличии запасных форсунок желательно позаботится заранее, перед разборкой двигателя).

На фото далее показан поршень 21083 (слева), работавший в серийном двигателе, без форсунок. Справа показан поршень 2110, работавший в форсированном двигателе с форсунками охлаждения поршней. Хорошо видно, как форсунка «моет» маслом поршень изнутри. Поскольку форсунка направлена строго в одну часть поршня (на фото — в верхнюю часть), на другой части поршня нагара побольше, но всё равно его гораздо меньше, чем без форсунок.

Форсунки лучше охлаждают поршни, что оказывает огромное влияние на отсутствие термических деформаций поршней — известно, что на обычных моторах, хорошо походивших, поршни болтаются в цилиндрах и не сколько из-за износа, но сколько из-за того, что сами поршни «плывут» при работе двигателя — они деформируются, например, днище поршня скукоживается. Причиной этому может послужить любой перегрев двигателя, например, расплавленный поршень из Кунсткамеры уменьшился в диаметре с 82.4 мм до 82.0 мм! По-этому, к пробегу 100 тыс.км поршни у двигателей Оки уже болтаются в цилиндрах. С форсунками охлаждения поршней такое явление в значительной степени менее выражено и это доказано практикой (на сильно походившем моторе Оки с форсунками поршни сидели в цилиндрах так же плотно, как будто блок собрали только вчера)!! Т.е. поршень испытывает меньшие термические нагрузки и не теряет своей формы, не меняет геометрические размеры.

Читать еще:  Что такое торможение двигателем на грузовиках

На фото далее — показана внутренняя часть поршня, куда попадало масло с форсунки. Белесые разводы на поверхности — легкая абразивная эрозия, ведь в масле всегда присутствует определенная толика абразива, не улавливаемого фильтром.

Хорошо известны задиры на юбках поршней 21083. Они вызваны полусухим трением — в момент запуска двигателя, особенно зимой, масло, разбрызгиваемое из опор коленвала, не успевает попасть на цилиндры, ввиду своей высокой вязкости и поршни работают на «собственных запасах» в полусухом режиме. Особенно быстро такие задиры появляются на поршнях, когда цилиндры лишаются сеточки хона ввиду естественного износа — даже если поменять поршни на новые (без расточки и хонинговки цилиндров), юбки новых поршней очень быстро покроются такими задирами.
Мотор с форсунками, прошедший хорошие зимние морозы, практически не имел таких задиров на юбках поршней!

На фото — те же поршни. Рассмотрим теперь юбки поршней. На юбке поршня 21083 (слева) хорошо обычные темные задиры, вызванные граничным режимом полусухого трения. Такие задиры бывают практически на всех поршнях, работавших без форсунок — чем больше пробег и чем более изношены цилиндры, тем они ярче выражены.
Юбка 2110 поршня (справа), работавшего с форсунками, практически лишена таких задиров и имеет лишь легкий матовый оттенок, характерный для приработавшегося поршня.

Таким образом, результируя вышесказанное — форсунки охлаждения поршней дают ряд неоспоримых плюсов (меньший износ ШПГ и цилиндров, меньшие термические нагрузки на поршни, быстрая подача масла к поршням при холодном запуске), а польза от них подтверждается на практике.

Статья написана: 30 августа 2009 г.
Автор статьи, фото-видео материалов: © Квазар
Запрещены без письменного разрешения автора: перепечатка статьи целиком или частично, перепечатка и использование фото-видео материалов, равно как их изменение и редактирование в целях дальнейшей публикации на сторонних сайтах.

Новая технология охлаждения поршней дизельных двигателей

  • Прочитано: 3053
  • Дата: 11-07-2016, 14:14
  • Печатать
Вид в разрезе поршня Monosteel для дизельных двигателей от компании Federal-Mogul Powertrain, демонстрирующий герметичную камеру охлаждения EnviroKool в днище

Герметичная камера охлаждения EnviroKool позволяет днищам поршней двигателей для тяжелой техники работать при больших температурах.

Компания Federal-Mogul Powertrain, подразделение корпорации Federal-Mogul Holdings Corporation (NASDAQ: FDML), разработала первую в мире технологию охлаждения поршней при помощи интегрированной в поршень Monosteel герметичной камеры охлаждения. Технология, получившая название EnviroKool, позволяет безопасно поднять рабочую температуру поршня на 100°C (при использовании стальных сплавов с высокой стойкостью к окислению и защитным покрытием).

«Более эффективное сжигание топлива и увеличенная мощность дизельных двигателей следующих поколений повлекут за собой значительное повышение температуры в камере сгорания, но производители двигателей ограничены температурой, которую может выдерживать днище поршня, – прокомментировал Джан Мария Оливетти (Gian Maria Olivetti), директор по технологиям Federal-Mogul Powertrain. – Технология EnviroKool позволяет поршню работать при повышенной температуре без ущерба для его прочности и срока службы».

Исключительно эффективное охлаждение и минимальная масса – вот основные преимущества технологии EnviroKool, которая, в свою очередь, является вершиной эволюции проверенной временем технологии Monosteel. Интегрированная камера охлаждения заполняется маслом и инертным газом, выдерживающими высокую температуру, а затем герметизируется. Технология EnviroKool позволила компании Federal-Mogul Powertrain преодолеть ограничения по температуре, характерные для поршней с традиционными проточными масляными каналами охлаждения.

«Длительное воздействие высоких температур на моторное масло ведет к снижению его характеристик и скоплению нагара, что отрицательно сказывается на эффективности охлаждения и может стать причиной перегрева, – объяснил Кери Уэстбрук (Keri Westbrooke), руководитель инженерного отдела компании Federal-Mogul Powertrain. – Превосходные свойства технологии охлаждения EnviroKool позволяют поршню уверенно выдерживать тепловую нагрузку. Далее масло, подающееся через форсунку, отводит тепло вниз, где температуры значительно ниже.

За счет отсутствия нагара в камере охлаждения эффективность рассеивания тепла остается на одинаково высоком уровне в течение всего срока службы поршня. Новая технология настолько эффективна, что расход масла для охлаждения поршней сокращается на 50%, снижается нагрузка на масляный насос, уменьшаются паразитные потери и повышается КПД двигателя. Тепло, отводимое от поршня посредством масла из форсунок охлаждения, является частью общего тепла, которое отводится через поршневой палец, юбку поршня и поршневые кольца.

Специалистами компании Federal-Mogul Powertrain уже проведено более 1400 часов испытаний двигателей тяжелой техники с поршнями EnviroKool Monosteel. Все разработки ведутся в сотрудничестве с некоторыми заказчиками: поршни создаются под двигатели, которые запланированы к выпуску в течение пяти следующих лет.

«EnviroKool – новейшая технология в череде успешных решений, призванных помочь нашим клиентам выпускать двигатели и транспортные средства, выбрасывающие меньше вредных веществ в атмосферу, причем это никак не сказывается на их долговечности, надежности или рабочих характеристиках», – подвел итог г-н Уэстбрук.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector