Детали цилиндро-попоршневой группы, образующие камеру сгорания, помимо механических нагрузок испытывают еще и действие высоких температур газов. Воспринимаемый поршнем, втулкой цилиндра и крышкой поток теплоты отводится через их стенки в охлаждающую воду или масло. Процессу теплоотвода препятствуют термические сопротивления металла стенок. Вследствие неодинаковых условий подвода тепла от газов к разным участкам втулки, поршня и крышки, различия в условиях охлаждения и термических сопротивлений температуры по поверхностям и толщинам стенок этих деталей распределяются неравномерно (см рис 2.3 а и б и рис 2.4). При этом, чем больше тепловой поток, приходящийся на единицу поверхности стенки q, больше теплопередающая толщина стенки δи меньше коэффициент теплопроводности материала стенки λ, тем больше перепад температур по толщине стенки Δt = qδ/λ и тем неравномернее распределяются температуры по поверхности и объему детали.На рис 2.3 в представлен участок теплопередающей стенки, здесь: t’CT – температура стенки со стороны газов, t”CT – температура со стороны охлаждения и средняя температура стенки по толщине tCT.
Наличие перепадов температур Δt= t’CT – t”CT вызывает появление в деталях термических напряжений, которые совместно с напряжениями от механических нагрузок определяют их общее напряженное состояние.
Термические напряжения σt = AΔt = qδ/λ, где А – постоянная, характеризующая физические свойства материала.
Из уравнения следует, что термические напряжения пропорциональны перепаду температур в стенке и увеличиваются с ростом удельного теплового потока (увеличением количества сгорающего в цилиндрах топлива), толщины стенки, и уменьшаются с ростом коэффициента теплопередачи.
Физическая сущность возникновения термических напряжений состоит в следующем. Если медленно и равномерно по объему нагревать свободно лежащий на опорах брус, то будет происходить его свободное удлинение, и термические напряжения в нем не возникают. Если же брус закрепить между жесткими опорами, то при его нагревании со стороны нагрева более горячие слои металла будут стремиться расшириться относительно более холодных слоев, сопротивляющихся растягивающим усилиям. В результате в горячих слоях возникают напряжения сжатия, а в холодных слоях – напряжения растяжения.
Тепловое состояние деталей ЦПГ определяет их работоспособность и надежность в эксплуатации и обобщается термином тепло напряженность двигателя. Это понятие может быть отнесено как к отдельной детали, так и ее части. Показателями тепло напряженности принято считать температуры стенок деталей и температурные перепады в них.
Работоспособность деталей ЦПГ зависит не только от возникающих в них термических напряжений, но и от максимальных и местных
значений температур, так как с увеличением температуры снижаются прочностные свойства металла, создаются условия для интенсивного нагаро- и лакообразования, ухудшаются условия смазки рабочей поверхности цилиндров. В целях обеспечения надежности двигателей максимальные значения температур теплонапряженных деталей в процессе эксплуатации для применяемых в настоящее время металлов не должны превышать следующих значений:
Огневая поверхность стального днища поршня …….420-500° С
алюминиевого “ “ …….. 300-350
Огневая поверхность днища крышки цилиндра …….350- 380
Охлаждаемая “ ” < 200
Поршень в зоне канавок поршневых колец (во избежание интенсивного лако- и нагарообразования и зависания колец) ………….150-200
Зеркало втулки цилиндра (из условия сохранения масляной пленки на рабочих поверхностях) ……..150-200
Посадочная поверхность выпускного клапана …….< 500
