5. Поршень, поршневые кольца и шатун дизеля
2Д100 тепловоза ТЭ3
Поршень дизеля 2Д100 тепловоза ТЭ3
Поршень непосредственно воспринимает нагрузку от газов, образующихся в
цилиндре при сгорании топлива, и передает это усилие через шатун на
коленчатый вал. В двухтактных двигателях особенно с прямоточно-щелевой
продувкой создание герметичного уплотнения картера решается сложно.
Конструкция бесшпилечного поршня (рис. 12) лучше обеспечивает
герметизацию картера, чем поршень с бобышками.
Поскольку у двухтактных дизелей усилия, действующие на поршень, все
время направлены к н. м. т., силы инерции не вызывают напряжений
растяжения в шатуне и его болтах, а следовательно, применение
чугунных (более тяжелых) поршней, увеличивающих силы инерции, не
вызывает необходимости усиления шатуна и его деталей.
В верхней части поршня установлены четыре уплотнительных кольца. Два
уплотнительных кольца 12 хромированные из высокопрочного чугуна. Два
других уплотнительных (компрессионных) кольца 17 выполнены с
запрессованными в них бронзовыми вставками для прирабатываемости колец к
зеркалу втулки. В нижней части поршня расположены три маслосрезывающих
кольца 2 и 3. Маслосрезывающие кольца так же, как и компрессионные 17,
выполнены из специального чугуна и покрыты оловом для улучшения
приработки их к зеркалу втулки.
Для понижения тепловой напряженности поршневой группы поршень и пояс
уплотнительных колец в области головки поршня охлаждаются маслом. Масло
подается по каналам в стержень шатуна и через ползушку, которая
уплотняет сочленение поршень —верхняя головка шатуна, попадает в полость
между головкой поршня и верхней плитой вставки. Омывая внутреннюю
поверхность головки поршня, масло охлаждает его. Масло выходит из поршня
через отверстия в плите и во вставке, попадая в масляный картер по
каналу К. Из верхнего поршня масло выбрасывается инерционными силами
через сливной канал. Верхняя часть поршня (головка) имеет жаростойкое
хромовое покрытие.
Верхний и нижний поршни конструктивно одинаковы, но не взаимозаменяемы,
так как они по форме днища (камеры сгорания) симметричны, а по юбке
верхний не имеет приливов («бороды»). Верхние опорные плиты и вставки
верхних и нижних поршней также не взаимозаменяемы из-за зеркального
расположения пазов для слива охлаждающего масла.
Поршень, перемещаясь со средней скоростью 7,2 м/с и передавая на шатун
усилие около 300 кН (30 тс), должен в то же время обеспечивать такую
герметизацию, при которой выпускные газы и воздух при его сжатии в
цилиндре не попадали бы в картер дизеля. Герметизация обеспечивается, с
одной стороны, точным зазором Между юбкой поршня и втулкой цилиндра, а с
другой—поршневыми компрессионными кольцами (в двухтактном двигателе со
щелевой продувкой в значительной степени также и маслосрезывающими
кольцами). Во время работы поршень испытывает высокие механические
нагрузки от давления газов и сил инерции, а также тепловую нагрузку от
соприкосновения с горячими газами при совершении каждого оборота
коленчатого вала.
Металл для отливки поршней соответствует требованиям специальных
технических условий и следующему химическому составу в %: углерод
Камера сгорания поршня имеет чечевичную форму. Ребрами на внутренней
поверхности донышка поршень опирается на вставку. Опорные ребра
выполнены в виде двух незамкнутых
колец для прохода масла, охлаждающего днище поршня. По геометрической
форме образующей поршень выполнен идентично поршням шпилечной
конструкции, устанавливаемых ранее на дизелях (вариант ЗА). Расположение
компрессионных и маслосрезывающих колец соответствует поршню варианта
ЗА.
Поверхность юбки поршня покрыта тонким слоем
(0,03—0,05 мм) кадмия иди олова для прирабатываемости ее к втулке.
Антифрикционный слой не допускает задирообразования при длительной
работе. Юбка поршня выполнена удлиненной, так как, находясь в в. м. т.,
поршень должен закрывать выпускные окна и иметь большую устойчивость от
опрокидывания относительно поршневого пальца.
Чугунная вставка 11 в сборе с плитами 5 к 13 к прокладками установлена в
поршень и зафиксирована стопорным кольцом 4. Верхняя опорная плита
крепится к вставке двумя винтами 14 и имеет запрессованный ступенчатый
штифт 15, который фиксирует поршень, плиту 13 и вставку 11 так, чтобы
масляные каналы в плите и вставке совпадали, а также определяет
положение поршня в цилиндре относительно форсунок. Под верхней плитой
установлены прокладки 16 для регулировки линейной величины камеры
сжатия. Расстояние между поршнями, находящимися в цилиндре в собранном
состоянии с шатунами (в наиболее сближенном положении), называется
линейной величиной камеры сжатия. Эта величина играет важную роль в
рабочем процессе двигателя, поэтому ее установку и проверку следует
проводить тщательно. Нормально линейная величина камеры сжатия 4,4—4,8
мм.
В верхней части внутри вставки установлена ползушка 9, которая пружиной
10 прижимается к сферической поверхности верхней головки шатуна. К
нижней части вставки двумя болтами 18 крепится нижняя плита 5, под
которой установлены прокладки 6 для регулировки зазора между плитой 5 и
стопорным кольцом 4.
Для правильной сборки поршней на плитах и вставках клеймят буквы В (для
деталей верхнего поршня) и Н (для деталей нижнего поршня).
В двухтактных двигателях поршень выполняет функции газораспределения.
Положение верхнего кольца на нем определяет фазы распределения, поэтому
верхнее рабочее кольцо двухтактного двигателя поставлено в тяжелые
условия, так как оно испытывает большую тепловую напряженность из-за
высокой температуры газов в момент начала открытия поршнем продувочных и
выпускных окон. Особенно в тяжелых условиях находится нижний выпускной
поршень, который омывается все время горячими газами, в то время как
верхний, так называемый «продувочный», периодически в момент открытия
продувочных окон охлаждается воздухом.
Температура и другие параметры, при которых протекает рабочий процесс,
определяют нагрев головки поршня и верхних поршневых колец, а
следовательно, и их работоспособность. Рациональная форма днища поршня
должна способствовать хорошему смесеобразованию и сгоранию.
Работоспособность (надежность) поршневой группы зависит от многих
факторов. В частности, от эффек: тивности способов отвода тепла от днища
поршня и создания благоприятных условий для работы поршневых колец.
Через поршень может отводиться до 7—8% тепла, вводимого с топливом в
цилиндр двигателя. Очень важен подбор соответствующих антифрикционных
качеств трущейся пары: поршень — кольцо с одной стороны зеркало — втулки
цилиндров с другой, и хорошие условия их прирабатываемости с третьей.
Надежность поршневой группы зависит от геометрических размеров поршня,
конусности его головки, формы юбки поршня (правильный выбор зазоров
между втулкой и юбкой поршня, допускающих тепловое расширение поршня).
Отсутствие эллиптичности, конусности и граненности зеркала втулки
цилиндра, обеспечение хорошего прилегания к зеркалу втулки поршневых
колец способствуют хорошей их приработке и устраняют прорыв газа в
картер. Нельзя забывать и о качестве материалов, применяемых для
изготовления поршней и колец и их способности выдерживать длительную
динамическую и статическую нагрузки
при повышенной температуре без накопления
остаточных деформаций, теплопроводности, коэффициента линейного
расширения, механических свойств и др.