Описание конструкций поршней судовых дизелей
Условия работы поршня тяжелые, так как он подвергается воздействию как механических нагрузок от давления газов и сил инерции, так и термических из-за необходимости отвода тепла от нагретой газами головки в охлаждающую среду. Кроме того, поршневые кольца и направляющая часть (тронк) работают на износ при повышенных температурах. Наконец, поршень передает усилия от расширения газов на шатун, а также должен обеспечивать надежное уплотнение камеры сгорания от пропуска газов и одновременно предохранять камеру сгорания от попадания в нее излишков масла, смазывающего втулку рабочего цилиндра.
Наиболее тяжелые условия работы поршневой группы имеют место у многооборотных форсированных по наддуву дизелей, в особенности двухтактного типа (в связи с их повышенной тепловой нагрузкой).
Таким образом, к конструкции поршня должны быть предъявлены следующие основные требования общего характера:
— надежное уплотнение полости цилиндра от пропуска газов;
— эффективный отвод тепла от головки, обеспечивающий нормальные температуры днища, стенок головки и поршневых колец;
— высокая износостойкость поршневых колец и направляющих поверхностей поршня;
— достаточно развитые опорные поверхности поршневого пальца, обеспечивающие получение умеренных удельных давлений (тронковые);
— минимально возможный вес поршневой группы при сохранении необходимой прочности и жесткости поршня;
— надлежащий выбор материалов головки и направляющей части, обеспечивающих надежную и длительную работу поршня;
— обеспечение надежной смазки направляющей части поршня, поршневых колец и пальца при минимальных, расходах масла;
— надежная защита с помощью маслосъемных колец от попадания излишков масла в полость рабочего цилиндра;
— эффективная система охлаждения головки поршня (где это необходимо) маслом в тронковых дизелях, а также маслом или водой в крейцкопфных;
— максимально возможный срок до первой переборки поршневой группы при эксплуатации дизеля.
 а) |  б) |
Рис.1. Нагрузка на днище поршня (а) и эпюры температур охлаждаемой конструкции по его толщине (б)
 а |  б | 1. По конструктивному выполнению различают поршни судовых дизелей: а) тронковых, б) крейцкопфных. Поршни дизелей в зависимости от тактности, цилиндровой мощности и степени форсирования выполняют с неохлаждаемыми и охлаждаемыми головками. |
| Рис.2. К компоновке поршневой группы а – охлаждаемый поршень; б – неохлаждаемый поршень |
В качестве охлаждающей среды в тронковых дизелях применяют исключительно масло, а в крейцкопфных – и масло, и воду.
Поршни тронковых дизелей изготовляют цельными или с отъемными головками. Преимуществом последней конструкции являются возможности: 1) выполнять головку из жаростойких материалов повышенной прочности; 2) заменять головку запасной в эксплуатации (если это потребуется).
Поршни крейцкопфных дизелей, в отличие от тронковых, не передают нормального давления на цилиндровую втулку. Благодаря этому можно устанавливать увеличенные зазоры между направляющей поршня и втулкой и, таким образом, устранять возможность заедания поршня при ненормальном нагреве.
2. Конфигурация днищ поршней определяется, в основном, системой смесеобразования и системой газообмена. При объемном смесеобразовании и непосредственном впрыске топлива стремятся к тому, чтобы камера сгорания и, следовательно, днище поршня имели конфигурацию, соответствующую количеству, направлению и форме топливных факелов. Во всех 4-тактных дизелях, а также 2-тактных с прямоточно-клапанной продувкой указанное выше требование выполняется, как правило, за счет соответствующей конфигурации днища поршня, так как днище крышек указанных типов двигателей имеет плоскую форму.
Наоборот, в 2-тактных двигателях с контурной продувкой пространство сжатия размещают между поршнем и крышкой или в самом корпусе крышки, поэтому днище поршня имеет чаще плоскую или слегка выпуклую форму.
Наконец, в 4-тактных двигателях с объемно-пленочным смесеобразованием (например, ЦНИДИ) почти вся камера сгорания помещается в самом поршне, что налагает дополнительные требования при конструировании поршня.
Для изготовления поршней используют чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, а также сталь.
Наиболее часто применяют чугун и алюминиевые сплавы. Чугунные поршни имеют высокую прочность и износостойкость, и малый коэффициент линейного расширения. Однако вследствие сравнительно высокой плотности (
7,3 г/см 3 ) чугунные поршни получаются тяжелыми и, как правило, применяются в тихоходных двигателях и в двигателях средней быстроходности.
Алюминиевые сплавы обладают меньшей прочностью и износостойкостью, чем чугун, но зато имеют значительно меньшую плотность (
2,9 г/см 3 ). Поэтому поршень, изготовленный из алюминиевого сплава, несмотря на большую (для обеспечения необходимой прочности) толщину стенок, на 25—30% легче чугунного. В двигателях, работающих с большим числом оборотов, для уменьшения сил инерции поршни изготовляются преимущественно из алюминиевых сплавов. Теплопроводность алюминиевых сплавов в 3 – 4 раза выше чугуна, поэтому температура днища алюминиевых поршней ниже температуры днища чугунных.
Существенным недостатком алюминиевых сплавов является относительно большой коэффициент линейного расширения (в 2 – 2,5 раза больше, чем у чугуна), поэтому поршни из них надо устанавливать в цилиндре с большим зазором. Большие зазоры затрудняют пуск двигателя и вызывают стуки при работе непрогретого двигателя, а также при работе на малых нагрузках.
ОТВОД ТЕПЛА У ГОЛОВОК ПОРШНЕЙ
За время процесса сгорания – расширения к днищу поршня подводится тепло, интенсивность подвода которого зависит от температуры, плотности и степени завихрения заряда.
Наименее благоприятные условия подвода тепла – в дизелях с непосредственным распыливанием топлива, при котором отдельные зоны днища подвергаются местным перегревам. Наибольших значений удельный тепловой поток достигает у многооборотных 2-тактных дизелей с повышенными степенями наддува.
Наиболее простой способ отвода тепла (через поршневые кольца), применяемый у неохлаждаемых поршней, может быть использован только в тронковых дизелях с относительно невысокой цилиндровой мощностью 
, например, при чугунных поршнях 4-тактных дизелей 
э. л. с., а у 2-тактных 
э. л. с. соответственно при поршнях из алюминиевых сплавов в 4-тактных 
э. л. с., а в 2-тактных 
э. л. с., где принято условно, что тепловая нагрузка поршня у 2-тактных дизелей вдвое выше, чем у 4-тактных (при одинаковых индикаторных давлениях).
Отвод тепла у неохлаждаемых поршней осуществляется от головки к охлаждающей цилиндровую втулку воде – через поршневые кольца (60-75%) и тронковую часть поршня (25-40%).
Для получения равномерного распределения теплового потока и максимального снижения температуры днища, целесообразно увеличивать толщину днища примерно до величины 
, также толщину переходных сечений от центра днища к боковым стенкам головки, например, за счет выбора большего радиуса закругления (см. рис. 1). Этот способ отвода тепла с успехом используется у чугунных и у алюминиевых поршней.
Наибольшие температуры у поверхности днищ поршней из алюминиевых сплавов допускаются до 300-350°С, а для чугуна до 450-500°С; температура стенки под канавкой первого поршневого кольца во избежание его пригорания не должна превышать 200-220°С.
Основной недостаток указанного выше способа отвода тепла – увеличение радиального перепада температур и возрастание веса поршня.
3. Наиболее эффективным средством снижения температуры головки поршня, является охлаждение головок, применяемое не только при больших диаметрах цилиндров, но и при относительно малых диаметрах D (менее 200мм), в связи со значительной форсировкой дизеля, как по наддуву, так и по числу оборотов.
Источник
Охлаждение дизелей. Системы: проточная и замкнутая
При рассмотрении теплового баланса двигателя было установлено, что только часть тепла, выделяемого при сгорании топлива внутри цилиндров дизеля, превращается в индикаторную работу (до 47%). Из оставшегося тепла примерно 25% уносится с отходящими газами, а остальное тепло (25—28%) для предотвращения перегрева деталей двигателя отводят охлаждающей водой. Для отвода тепла в основных деталях двигателя (цилиндр, цилиндровая крышка, поршень, корпус выпускного клапана) устраивают специальные полости или зарубашеч-ные пространства, через которые пропускают охлаждающую воду.
Для охлаждения судовых дизелей применяют две системы: проточную и замкнутую. При проточной системе охлаждения специальный насос забирает воду из кингстона и прокачивает ее через зарубашечное пространство дизеля; при замкнутой системе через зарубашечное пространство дизеля прокачивается пресная вода, которая затем в специальном теплообменнике (охладителе) охлаждается забортной водой и снова направляется в двигатель. Проточная система значительно проще замкнутой, однако имеет ряд существенных недостатков, поэтому для охлаждения дизелей на судах, построенных в последние годы, не применяется.
Основные недостатки проточной системы охлаждения дизеля: возможность засорения зарубашечного пространства дизеля илом и другими взвешенными частицами, содержащимися в морской воде; интенсивное отложение солей в зарубашечном пространстве и образование накипи, плохо проводящей тепло и резко ухудшающей теплообмен, в результате чего происходит перегрев деталей и даже их разрушение. Для того чтобы предотвратить образование накипи в зарубашечном пространстве, приходится снижать температуру воды на выходе из дизеля до 50—55° С и тем самым ухудшать температурный режим двигателя и полезное использование тепла. При низкой температуре забортной воды для уменьшения температурных напряжений на входе воды в двигатель устраивают специальные смесители, куда подается вода из кингстона и часть воды, выходящей из двигателя. Минимальная допустимая температура воды на входе в двигатель +15° С. Однако необходимый перепад при охлаждении двигателя забортной водой составляет 10—20° С, таким образом, температура воды на входе составляет 35—45° С.
При замкнутой системе охлаждения применяют пресную воду, которая проходит техническую обработку и не содержит солей, в результате удается поддерживать высокий температурный режим двигателя (температура воды на выходе из систем, сообщенных с атмосферой, — до 85° С, а при наличии паровоздушного клапана у некоторых напряженных четырехтактных дизелей—до 105° С). Необходимый перепад при охлаждении двигателя пресной водой 7—15° С. Для того чтобы предотвратить засоление воды в случае нарушения плотности водоохладителя, давление в системе пресной воды устанавливают несколько большим, чем в системе забортной воды.
Для контроля пресной воды из системы периодически проводят анализ проб воды для определения содержания солей, и если соленость достигает критических значений, воду в системе заменяют.
Следует также отметить, что при охлаждении двигателя пресной водой масляный холодильник, как правило, охлаждается забортной водой.
Для предотвращения коррозии охлаждаемых деталей и трубопроводов в пресную воду добавляют различные присадки (например, бихромат калия) или антикоррозионные масла.
При охлаждении двигателя пресной водой система должна предусматривать аварийное охлаждение забортной водой. Переход на аварийное охлаждение должен осуществляться постепенно, чтобы не вызвать резких температурных напряжений, при этом необходимо соблюдать требования в отношении температур, рекомендуемых для проточных систем (не ниже 15° С на входе и не выше 50—55° С на выходе).
Некоторые фирмы в целях страховки рекомендуют при аварийном охлаждении еще более низкие температуры на выходе воды из двигателя (до 45° С). Если учесть, что двигатель, как правило, работает на аварийном охлаждении короткое время и потери тепла незначительны, эти рекомендации целесообразно выдерживать.
Схемы проточной и замкнутой систем охлаждения
При проточной системе охлаждения (рис. 68, а) забортная вода от кингстона насосом 1 прокачивается через масляный холодильник 2 (часть воды прокачивается мимо масляного холодильника) и смеситель 3, подается через регулировочные вентили 4 в нижнюю часть за-рубашечного пространства цилиндров 5. Из зарубашечного пространства цилиндров вода по патрубкам переходит в цилиндровые крышки 6, а оттуда в сливной коллектор 9 и из него через невозвратный клапан 10 сливается за борт.
Часть воды через терморегулятор 8 направляется в смеситель 3, который необходим для поддержания минимально допустимой температуры воды на входе. Импульс на терморегулятор 8 поступает от сливного коллектора 9, и поэтому он работает автоматически: чем выше температура воды на выходе, тем меньше воды терморегулятор направляет в смеситель 3. Индивидуальное регулирование температуры воды, выходящей из цилиндров, осуществляется вентилями 4 и 7.
При замкнутой системе охлаждения (рис 68, б) пресная вода, подаваемая насосом 5 из расширительного бака 14 через входные вентили 6, поступает на охлаждение цилиндров 7 и цилиндровых крышек 8, через вентили 9 индивидуальной регулировки горячая вода стекает в коллектор 10 и направляется в холодильник пресной воды 15, откуда поступает в расширителный бак 14, с которым связан коллектор 10.
Забортная вода из кингстона забирается насосом 1, прогоняется через масляный холодильник 2 и прокачивается далее через холодильник пресной воды 15 и невозвратный клапан 16 за борт.
Для автоматического поддержания постоянной температуры в замкнутую систему включают терморегулятор 12, который при низкой температуре пропускает часть воды мимо холодильника 15. Импульс на терморегулятор поступает от трубопровода горячей воды. Во время работы дизеля часть воды испаряется, а часть уходит через сальники насосов. Для пополнения утечек предусмотрен трубопровод и насос подачи воды из запасных танков, а также отвод воды из расширительного бака обратно в танк в случае ее перекачки.
Система предусматривает аварийное охлаждение двигателя забортной водой. Переход на забортную воду осуществляется поворотом трехходовых кранов 4 и 11 на 90°, а также отключением вентилями 3 и 13 расширительного бака 14 и водоохладителя 15. При этом температуру воды, выходящей из двигателя, регулируют вручную при помощи вентилей 6 и 9.
Недостатки замкнутой системы охлаждения: наличие дополнительного оборудования и трубопроводов. С целью предупреждения засоления пресной воды при нарушении плотности водоохладителя в системе пресной воды поддерживают более высокое давление.
Источник
