Крышка цилиндра, являющаяся одним из элементов остова дизеля, служит для плотного закрытия цилиндра, образования камеры сгорания (вместе с днищем поршня и стенками втулки), размещения клапанов и форсунки.
У четырехтактного дизеля крышка состоит из днищ нижнего огневого 1 (рис. 5.1, а) и верхнего 3, соединенных вертикальными стенками и стаканами для форсунки 5, клапанов впускных 4, выпускных 6, пускового и предохранительного. В крышке имеются воздушные и
газовые каналы и полость охлаждения.
Крышки четырех- и двухтактных дизелей с прямоточно-клапанной продувкой конструктивно подобны. Конструкция крышек двухтактных дизелей с контурной продувкой более простые, так как в них отсутствуют впускные и выпускные клапаны.Условия работы крышки — она подвергается воздействию больших механических и термических нагрузок. Механические нагрузки возникают под давлением газов и силы затяга крепежных шпилек. Под действием этих сил крышка изгибается. Опасным, как правило, является сечение, проходящее через отверстия для клапанов. Напряжения растяжения в верхнем днище крышки и напряжения сжатия в огневом днище.
σр=Мизгl1 / I и σсж=Мизгl2 / I
l1 и l2 – расстояния наиболее удаленных волокон днищ от нейтральной оси, м; I — осевой момент инерции опасного сечения крышки, м4
Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением огневого днища крышки с горячими газами. Нагрев днища снижает его прочность, а температурный перепад по толщине вызывает термические напряжения σt. Суммарные напряжения сжатия в огневом днище крышки. σсум=σсж±σt
К конструкции цилиндровой крышки предъявляются следующие основные требования:
1. возможно меньшие напряжения в огневом днище;
2. свободное расширение наиболее нагретых частей;
3. простая и симметричная форма для обеспечения равномерного распределения температур и снижения напряжений от неодинаковой скорости нагрева и остывания отдельных стенок;
4. большие проходные сечения газораспределительных клапанов;
5. оптимальная форма камеры сгорания в соответствии с принятой системой смесеобразования и схемой газообмена;
6. должна способствовать уменьшению тепловых нагрузок верхнего пояса цилиндровой втулки.
Материал для изготовления крышек МОД — легированная сталь (молибденовая или хромоникелевая), крышек СОД — легированный чугун с присадками молибдена, хрома, никеля или серый чугун. Огневую часть составных крышек изготавливают из легированной стали, верхнюю — из чугуна или углеродистой, а шпильки СОД — из легированной стали и др.
По конструкции различают цилиндровые крышки цельные и составные. Крышка может быть четырех -, шести -, восьмигранной или круглой. Многогранная и круглая формы крышки дают возможность расположить крепежные шпильки по окружности, увеличить их число и уменьшить диаметр, а следовательно, уменьшить прогиб участков крышки между шпильками и усилие затяга шпилек.
Форму огневого днища выбирают из условия обеспечения качественных процессов смесеобразования и газообмена с учетом возникающих в нем напряжений (напряжения растяжения нежелательны).
Охлаждается крышка водой, подводимой из фланцевой части цилиндровой втулки или из зарубашечного пространства у дизелей ранней постройки. Поток воды последовательно охлаждает огневое днище, стаканы форсунки и клапанов (часто непосредственно седла клапанов), каналы для газа и воздуха (см. рис. 5.1, а). Для улучшения охлаждения наиболее нагретых поверхностей отливают в крышке направляющие стенки, устанавливают специальные патрубки или сопла. Вода из крышки отводится из наиболее высокой точки полости охлаждения, что предотвращает образование застойных зон, воздушных и паровых мешков.
Конструктивные способы снижения механической и тепловой напряженности цилиндровой крышки. В крышке СОД Зульцер Z40/48 (см. рис. 5.1, а) толстое промежуточное днище 2 является опорой для тонкостенного огневого днища / и принимает на себя механические нагрузки (через стенки, ребра и стаканы клапанов). Снижение механических напряжений в огневом днище достигнуто приближением к нему нейтральной оси крышки (уменьшается расстояние I в формуле 5.1).
Снижение термических напряжений достигается уменьшением толщины тепло воспринимающей стенки огневого днища и его интенсивного охлаждения. Вода в крышку поступает по круговому кожуху 7. Часть воды поступает в полость между огневым и промежуточным днищами, часть — на охлаждение седел клапанов. Затем вода в верхнюю полость крышки проходит по каналу вокруг стакана форсунки.
В конструкции крышек современных форсированных двигателей в связи с ростом тепловых нагрузок промежуточное днище устранено и огневое днище воспринимает все механические и тепловые нагрузки. Поэтому его толщина увеличена, но для снижения тепловых напряжений близко к тепловоспринимающей поверхности просверлены охлаждающие каналы (см рис 5.1 б ). Охлаждающая вода циркулирует в наклонных а, радиальных b и вертикальных с сверлениях. Вследствие близкого расположения охлаждающих каналов к огневой поверхности обеспечивается ее хорошее охлаждение, а температурные перепады концентрируются между каналами и огневой поверхностью. Температура основной массы днища (выше каналов) в крышке двигателя ZA40S остается приблизительно постоянной и относительно невысокой. Несмотря на возросший уровень нагрузок на огневое днище его тепло напряженность осталась приблизительно на прежней уровне (как в дизеле Z40/48), а максимальные механические напряжения снижены почти на 70 %
Увеличение толщины стенок и сверление в них охлаждающих каналов — основной способ снижения механической и тепловой напряженности тепловоспринимающих деталей в современных дизелях. Эффективное снижение напряженности крышек цилиндров
в большинстве форсированных дизелей достигнуто их изготовлением в виде стальной кованой плиты с выточкой для камеры сгорания и интенсивным охлаждением с помощью системы сверленых каналов;
Так в крышке дизеля Зульцер RTA (рис 5.2.) вода подводится по сверлениям для охлаждения не только корпуса, но и непосредственно седла выпускного клапана. Низкая температура крышки за сверлениями и интенсивное охлаждение нижней части стакана форсунки позволили применить для ее охлаждения топливо (вместо воды), что значительно удобнее в эксплуатации. Важно отметить, что крышка имеет колпачковую форму. Это повышает жесткость конструкции, а главное, в ней размещается камера сгорания. Верхняя часть цилиндра перекрывается поршнем при его положении в ВМТ. В результате существенно снижается тепловая нагрузка верхнего пояса втулки, так как он подвергается воздействию газов на ходе расширения, когда их давление и температура сравнительно низкие. Для охлаждения бурта крышки (толстой вертикальной стенки колпака) ближе к огневой поверхности сделаны тангенциальные каналы — сверления, подобные сверлениям в бурте втулки.
Подобная конструкция крышки применена и в новейших, сверхдлинноходных форсированных дизелях МАН — Бурмейстер и Вайн типа L-MC/MCC. Использование колпачковых крышек наряду с отмеченными преимуществами дает возможность отказаться от резьбовых сверлений (для подъемных рымов) в днище поршня, являющихся концентраторами напряжений, а иногда расположить пусковой, предохранительный и индикаторный клапаны на боковой поверхности колпака, в итоге уменьшается количество отверстий в огневом днище.
