Поршень служит для:
• передачи силы давления газов на шатун (в тронковых дизелях) или на поршневой шток (в крейцкопфных дизелях),
• передачи нормальной силы на стенку цилиндра (в тронковых дизелях),
•образования камеры сгорания и обеспечения ее герметичности,
• управления открытием и закрытием окон (в двухтактных дизелях).
По конструктивному вьполнению различают поршни тронковых дизелей – цельные или составные, неохлаждаемые или охлаждаемые, и крейцкопфных дизелей – составные, охлаждаемые. Поршень состоит (рис.6.1, а) из головки 1 (верхней части с круговыми канавками для уплотнительных колец) и направляющей части – тронка 4 с канавками для маслосъемных колец (в тронковых дизелях) или юбки (в крейцкопфных дизелях). Внутри тронка имеются приливы – бобышки 2 с отверстиями для установки поршневого пальца 3.Головка поршня воспринимает давление газов и осуществляет газораспределение (в двухтактных дизелях), тронк выполняет роль ползуна, скользящего по стенке цилиндра, передает на нее нормальную силу и перекрывает выпускные и продувочные окна при положении поршня в ВМТ для предотвращения прорыва газов и продувочного воздуха в картер (в двухтактных дизелях). Юбка поршня в крейцкопфных дизелях обеспечивает его центровку в цилиндре и перекрывает окна при положении поршня в ВМТ (в двухтактных дизелях с неуправляемым выпуском). Во время работы дизеля поршень нагревается и расширяется больше, чем цилиндровая втулка. Для предотвращения заедания поршня предусматривают между ним и втулкой цилиндра тепловой зазор. Наиболее интенсивно нагревается головка поршня. Поэтому радиальный зазор 5 между головкой и втулкой устанавливают больше, чем между тронком (или юбкой) и втулкой. Для этого головку поршня изготавливают меньшего диаметра, чем тронк, или обрабатывают ее на конус (рис. 6.1,6). Зазор зависит от диаметра цилиндра, конструкции, материала и условий охлаждения поршня, его устанавливают опытным путем, так как при увеличении зазора возрастает температура газа и поршня над верхним поршневым кольцом (рис.6.1, в), ухудшая условия его работы. Зазор между тронком и втулкой должен обеспечивать только свободное перемещение поршня. Большой зазор вызывает стуки при переходе поршня через мертвые точки, так как нормальная сила изменяет свое направление и перекладывает поршень в цилиндре с одной стороны на другую. Кстати, появление глухих стуков свидетельствует об износе цилиндро-поршневой группы. У тронковых дизелей с чугунными поршнями диаметральный тепловой зазор (2 5) между головкой и втулкой обычно равен 0.006D, а между тронком и втулкой -0,001 D; для поршней из алюминиевых сплавов зазоры устанавливают приблизительно в 2 раза больше. Поршень подвергается воздействию больших механических и термических нагрузок.
Механические нагрузки возникают под действием силы давления газов и силы инерции. Сила давления газов Рг вызывает циклически повторяющуюся деформацию днища и стенки поршня (см. рис. 6.1, а), а сила инерции Р4стремится разорвать шпильки крепления головки или днища (в составных поршнях).
Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением головки поршня с горячими газами (через поршень отводится 8-10% теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндре), тепловая нагрузка поршня резко возрастает при увеличении диаметра цилиндра D (квадратичная зависимость) и при переходе от четырехтактного (т = 2) к двухтактному (т = 1) циклу.
У тронковых дизелей при прочих равных условиях тепловая нагрузка поршня выше, чем у крейцкопфных, вследствие дополнительного нагрева тронка поршня от трения о стенку цилиндра. У двухтактных дизелей с контурной схемой газообмена неравномерный нагрев поршня приводит к значительной асимметрии температурного поля относительно его оси и возникновению дополнительных термических напряжений. У 2-х тактных дизелей с прямоточно-щелевой схемой газообмена большая тепловая нагрузка выпускного поршня обусловлена омыванием горячими газами не только днища поршня, но и всей боковой поверхности его головки. В лучших условиях работают поршни дизелей с прямоточно-клапанной продувкой, у которых поток продувочного воздуха хорошо и равномерно охлаждает головку поршня.
Сильный нагрев головки снижает ее прочность, а значительные перепады температур (осевой и радиальный) вызывают в днище поршня высокие термические напряжения, и головка деформируется (рис. 6.1, г). Термические напряжения и характер деформации существенно зависят от формы днища поршня. Если днище условно отделить от стенок головки поршня, то при линейном изменении температуры по толщине термические напряжения в днище не возникнут, а его свободная тепловая деформация выразится в увеличении наружного диаметра и изгибе в сторону газов. В реальных условиях свободной тепловой деформации днища препятствуют более холодные стенки головки поршня, и в местах соединения возникают изгибающие моменты М и сжимающие усилия Q (рис. 27, д.). В результате плоское днище и вогнутое будут изгибаться в сторону холодных поверхностей, и на горячих поверхностях днищ (со стороны газов) возникнут термические напряжения сжатия, усиливающиеся за счет циклически действующих механических нагрузок; холодные поверхности днищ под действием тепловых и механических нагрузок будут испытывать напряжения растяжения. Если во время работы дизеля температура днища достигнет значения, при котором возникает явление «криппа» (ползучести материала), то напряжения сжатия на горячей поверхности снимаются. После уменьшения нагрузки или остановки дизеля поршень охлаждается, и в нем возникают остаточные напряжения растяжения, которые могут вызвать трещины, прогрессирующие при дальнейшей работе дизеля с попеременными нагревами и охлаждениями поршня. В выпуклом днище поршня сила Q на плече / создает изгибающий момент, противоположный по знаку моменту М и обычно более значительный по значению. В результате на горячей поверхности выпуклого поршня возникнут напряжения растяжения. С учетом противоположного направления действия механических нагрузок от газовых сил выпуклая форма днища является наиболее целесообразной. У тронковых дизелей в результате действия силы давления газов на днище поршня (рис. 6.1, а), нормальной силы N на боковую поверхность (рис.6.1, е), нагрева от головки поршня и теплоты трения (рис. 6.1, ж) деформируется также тронк поршня. Вследствие неравномерного распределения металла по сечению тронка он принимает овальную форму с большей осью по оси поршневого пальца, который является как бы направляющей при деформации.
В результате между цилиндровой втулкой в тронком может возникнуть натяг, что приведет к заеданию поршня. Поэтому в большинстве конструкций в районе бобышек с поверхности поршня снимается металл.
У крейцкопфных дизелей юбка поршня разгружена от нормальной силы N, но она может касаться стенки цилиндра при большом зазоре в паре ползун-параллель, а также вследствие вибраций и разности давлений на боковую поверхность поршня со стороны выпуска и продувки в момент открытия выпускных окон (в двухтактных дизелях с контурной продувкой). Наибольшие термические напряжения от радиального перепада температур возникают в днищах неохлаждаемых, а от осевого – в днищах охлаждаемых поршней, хотя общий уровень тепловой нагрузки у последних ниже.
У неохлаждаемых поршней теплота от головки отводится охлаждающей цилиндр водой (рис. 6.1, з) через поршневые кольца (60-80%) и тронк (20-40%). Некоторое количество теплоты отводится через поршневой палец к шатуну, а также передается картерным газам и масляному «туману».
