Поршень дизельного двигателя: Поршни дизельного двигателя – это сердце системы внутреннего сгорания

Содержание

Поршни дизельных двигателей

Чугунная вставка в канавку первого компрессионного кольца

 Такая мера увеличения эффективности и надежности компрессионных колец применяется с 1931 года, чаще такая вставка располагалась только на первом компрессионном кольце, в некоторых случаях и второе.

Вставки изготавливаются из аустенитного чугуна (обладает высокой кислотостойкостью, щелочестойкостью и жаропрочностью)к тому же имеет подобный коэффициент теплового расширения, особо стойкие к изнашиванию. В этой оправке из чугуна находится первое компрессионное кольцо, работающее в самых суровых условиях, а это очень высокая температура и давление так распространенное в дизельных двигателях.

Канал охлаждения в поршне

Чтобы охладить область вокруг камеры сгорания наиболее эффективно, учитывая высокие температуры вытекающими из высокой выходной мощности применяют различные типы охлаждающих каналов.


Вариант с отрытым каналом в поршне через который впрыскивается масло из головки шатуна

Поршни со втулками в бобышках

Бобышки одни из высоко нагруженных областей поршня, в дизельных двигателях температура бобышек может подниматься до 240°C , при такой температуре алюминиевый сплав значительно теряет свою прочность. Для предотвращения обрыва бобышек или изменения их формы на овальную на высокой нагрузке устанавливают кремниево-латуниевые втулки, сплав: CuZn31Si1. Значительно увеличивающих прочность.

FERROTHERM поршни

В поршнях FERROTHERM® рисунок вверху справа, днище поршня кольцевой пояс и часть бобышек сделанна из сплава стали несущая основную нагрузку, вторая отдельная часть это юбка из легкого алюминиевого сплава связанная с поршнем через бобышки. Охлаждающий канал головки поршня закрыт стальной пластиной. Такой тип поршня показывает отличные характеристики, низкое линейное расширение, низкий расход масла, повышенные нагрузки, из за высокой температуры днища поршня происходит лучшее сжигание топлива снижая токсичность выхлопа.

поршень MONOTHERM®

Оптимизированный поршень MONOTHERM®

Поршни MONOTHERMR

Поршень MONOTHERM® появился в результате развития THERM®. Эти поршни дизелей полносттью изготовлены из сплава стали с очень точно оптимизированным весом. Применяются в двигателях с очень маленькой высотой сжатия меньше 50% от диаметра цилиндра. Качество обработки на высшем уровне. Масса поршня близка к массе аналогичного поршня из алюминиевого сплава, рассчитанного на такую же нагрузку. Используются в дизельных двигателях с пиковым давлением в цилиндре до 20Мпа.

Оптимизированный MONOTHERM поршень

В оптимизированных поршнях MONOTHERM®, поршневая юбка связана с бобышками со всех сторон, верхний край юбки так же имеет связь с головкой поршня, что увеличивает его устойчивость к нагрузкам. Выдерживает давление в цилиндре до 25 МПа.

Поршни MonoXcompR

Чтобы противостоять еще большему давлению на поршень и выдерживать еще большую температуру в камере сгорания компания MAHLE разработала поршень MonoXcomp®; имеющий сложное строение и состоит из нескольких частей.

Головка поршня и его юбка изготавливается из различных металлов, что позволяет выбирать необходимые значения прочности и стойкости к температуре и окислительным реакциям подбираю необходимые материалы и возможность производить эти части кованными.

Такая компоновка поршня позволяет выдерживать давление больше чем 25 Мпа, тонкие стенки в области стержня так же образуют охлаждающий канал с циркулирующим маслом и эффективно отводят тепло от высоко нагруженных температурных зон, не распространяя высокую температуру на остальные части поршня.

Две части поршня позволяют выполнить большой канал для охлаждения, таким образом получается 2 контура охлаждения- в области стержня(в середине поршня) и в кольцевом поясе, эти каналы соединены между собой.

Соединительный элемент двух деталей поршня(стержень) в состоянии выдерживать инерционные нагрузки даже при 3000 об/мин, в другом случае, когда происходит такт рабочего хода, вся нагрузка передаётся через опорные элементы, не нагружая соединительные детали. Высота поршня может составлять менее 60% от его диаметра.

Поршень MonoXcomp® для грузовика

Поршни MonoWeld®

Детали стального поршня сварены трением и носят название MonoWeld®
Структура более жесткая, чем поршень MONOTHERM®. По сравнению с MonoXcomp®, поршень MonoWeld® так же имеет обширные каналы охлаждения, но не имеет дополнительного канала в центре. Рассчитаны на нагрузку до 25 МПа.

Поршень MonoWeld® для грузовика

 

Поршни для двухтактных двигателей

Поршни двухтактных двигателей подвержены более высокой температуре потому что за два оборота коленчатого вала происходит два рабочих хода, в четырех тактных в этом же промежутке совершается всего один рабочий ход. К тому же поршень управляет фазами газообмена, клапанов там нет. Поршни делают из гиперэвтектического сплава AlSi.

 

 

Какой тип поршня используется в двигателе, конечно имеет большое значение, он рассчитан для определенных режимов и должен соответствовать некоторым критериям, проще говоря Сила поршня способность эффективно отводить тепло, выдерживать переменную нагрузку и многое другой.

 

Причины прогара поршня дизельного двигателя

В процессе эксплуатации автомобиля, его двигатель регулярно подвергается нагрузкам. Как и любой другой механизм, двигатель имеет свой ресурс. Есть также дополнительные факторы, которые могут ускорить поломку двигателя.

Прогар поршня двигателя — одна из частых неисправностей ДВС.

Прогорел поршень симптомы:

  • Двигатель троит. Компрессия в цилиндре отсутствует, двигатель работает неровно.
  • Очень сильно увеличились картерные газы. Продукты горения топлива попадают в картер двигателя и создают излишнее давление.
  • Потеря тяги. При неработающем цилиндре тяга пропадает.
  • Дымность. Признаком прогара поршня также является увеличенная дымность за счет попадания лишнего масла в цилиндр.
  • Жор масла. Расход масла резко увеличивается при прогаре поршня дизельного двигателя.

Основные причины прогара или разрушения поршня дизельного двигателя

  1. Льет форсунка

Первой и самой вероятной причиной прогорания поршня является то, что льет форсунка. Проще говоря, она подает больше топлива, чем допустимо производителем. В итоге, приходится работать с большим объемом горения и пламени, чем позволено. Данная история сопровождается характерным «тах-кающим» звуком.

Если долго использовать машину в подобном режиме, то со временем стенки поршня оплавляются. Материал расплавленного алюминия будет разлетаться по стенкам цилиндра и ускорит разрушение двигателя. Чем дольше так ездить, тем больше деталей вам потребуется заменить. Вплоть до полноценной замены двигателя.

  1. Масло в камере сгорания

Причиной прогара поршней может стать попадание масла в цилиндры вследствии износа сальников, направляющей клапана и закоксованных колец. Масло стекает по впускному клапану и потихоньку капает на поршень двигателя. Температура горения масла выше, чем температура топлива. И эта ситуация заставляет двигатель постепенно разрушаться.

  1. Антифриз в камере сгорания

Бывает так, что в камеру сгорания поршня попадает антифриз. Попадание воды или антифриза внутрь камеры сгорания производит катализацию взрыва.

Поршень в двигателе можно сравнить с раскаленной сковородкой. Каждый из нас знает, что при попадании небольшого количества воды на сковородку, она начинает шипеть и выплескивать масло.

Внутри камеры сгорания температура может достигать 700 градусов, давление также очень высокое. Всё это служит катализатором для сильного микро-взрыва с последующим расплескиванием и повреждением металла.

Даже одна капля воды может стать катализатором проблем с двигателем!

Дизельный мотор имеет отличия от бензинового. Двигатели отличаются в частности принципом воспламенения, у бензина от искры, у дизеля от сжатия. Соответственно, нагрузка на сами поршня также превышает бензиновые аналоги примерно в 3 раза. Компрессия бензинового двигателя достигает значения в 10 бар давления. В свою очередь, дизельный двигатель обеспечивает давление в 30 бар. Степень сжатия также выше в 3 раза.

Дизельный двигатель более износоустойчивый. Правда, существует ряд нюансов, который делает дизельный двигатель менее устойчивым, чем бензиновый. Чаще всего, дизель дольше прослужит своему владельцу, если все в двигателе будет хорошо и обслуживаться он будет вовремя. Но, практика показывает, что в 90% случаев это не так.

Диагностика дизельного двигателя

При заказе вы получаете персонального менеджера который обеспечит максимально быстрое выполнение всех необходимых задач

Заказать диагностику

Сколько стоит ремонт дизельного двигателя

Реставрация посадочных мест насос-форсунок

1000 грн / место

Регулировка зазоров клапанов

от 1500 грн

Замена распределительного вала

от 3000 грн

Ремонт ГБЦ

от 7500 грн

Капитальный ремонт двигателя

от 20000 грн

Почему стоит обратиться к нам?

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД

Любая работа над двигателем выполняется под ключ. Мы снимем мотор с вашего автомобиля и установим его обратно.

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ

Перед любым ремонтом мы обязательно проводим диагностику систем автомобиля, чтобы определить актуальность ремонта и необходимость замены деталей.

БОЛЬШОЙ ОПЫТ РАБОТЫ

С 2013 года мы отремонтировали более 300 дизельных двигателей

Как справиться с проблемой?

Избежать такой ситуации очень просто. Вовремя проходите технический осмотр. Следите за уровнем масла и антифриза и вовремя проводите их замену. При посторонних звуках в районе двигателя обязательно проверяйте машину на СТО. Своевременная диагностика двигателя предупреждает его неисправность.

Нужна консультация?

Наш специалист вам перезвонит!

Поршни современных двигателей / Ремонт двигателей

Не будет преувеличением сказать, что поршень — наиболее ответственная и специфичная деталь в современном двигателе. Он должен быть легким и прочным, способным выдерживать значительные механические нагрузки и тепловые удары, а кроме того, обладать высокой износостойкостью рабочих поверхностей, низким трением при минимально возможном зазоре в цилиндре.

Последнее требование особенно важно для хорошей герметичности, возможности избежать прорыва газов из камеры сгорания в картер и поступления масла в обратном направлении. Иными словами — для минимального расхода масла с одновременным отсутствием шума (стука) поршня о стенки.

И это только часть проблем, которые приходится решать при конструировании и производстве поршней для конкретных двигателей. В целом получается, что поршень как бы концентрирует технические новшества, заложенные в конструкцию мотора. Тут можно перефразировать известное выражение древних: «Покажи мне только поршень, и я скажу, что это за двигатель».

Словом, разработка и изготовление современных поршней — задача особая. На Западе их производством давно занимаются не изготовители автомобилей, а специализированные фирмы. У них накоплен необходимый опыт и создана соответствующая техническая база, без чего невозможно получить надежный результат. В мире существует несколько фирм такого рода, но наибольшую известность по праву получила немецкая марка «Мале» (Mahle).

Фирма Mahle существует с 1920 года. Название она получила по фамилии своих основателей — братьев Мале. Затем последовали десятилетия непрерывного совершенствования, развития и роста. Сегодня Mahle — это целая группа специализированных компаний, которая так и именуется — Mahle Group. Так, производством поршней, цилиндров и блоков цилиндров занимается концерн Mahle GmbH, привлекший дочерние и долевые фирмы США, Мексики, Бразилии, Испании, Франции и Южной Кореи. Туда же входят известные фирмы Mondial Piston (Испания) и Konig KG GmbH (Австрия). Помимо этого, в группу Mahle входят компании, производящие детали двигателей, включая поршневые пальцы, клапаны и др., а также фильтры (в том числе известная фирма Knecht).

Фирма Mahle приобрела свою мировую известность в основном успехами в разработке и производстве поршней для двигателей всех типов — от маленьких мотоциклетных до мощных, в десятки тысяч киловатт, судовых дизелей. Особенности конструкции и технологии изготовления поршней, выпускавшихся фирмой Mahle, — это этапы развития не только самой фирмы, но и всего мирового моторостроения. Они интересны для всех любителей техники, но особенно для тех, кто так или иначе связан с ремонтом автомобильных двигателей.

Известно, что поршни автомобильных двигателей изготавливаются из легких алюминиевых сплавов. Однако не все знают, что именно Mahle первой в Европе освоила серийное производство поршней из сплава алюминия с кремнием (1926 г.). При этом специальные поршневые сплавы «Mahle 124» с 11-13% кремния (1933 г.) и «Mahle 138» с 17-19% кремния (1937 г.) стали классическими для производителей поршней и сегодня применяются не менее широко.

В 1935 году Mahle впервые начала выпуск поршней со специальным профилем наружной поверхности: вместо цилиндрической формы поршень приобрел овальную и бочкообразную. Такая конфигурация оптимальна, поскольку в реальных условиях овальный и бочкообразный поршень, нагреваясь неравномерно (температура днища, омываемого горячими газами, существенно больше температуры юбки, охлаждаемой при контакте со стенками цилиндра), принимает форму, близкую к цилиндрической. В то же время небольшое заужение нижней части юбки создает гидродинамический эффект (своего рода подъемную силу) при движении поршня вниз — он как бы всплывает на масляной пленке. Найденные формы позволили уменьшить зазор в цилиндре без опасности заклинивания, снизить шум двигателя и повысить долговечность цилиндропоршневой группы. Они сохранились и у поршней самых современных двигателей. Правда, у них вдобавок появился еще и микрорельеф (микроканавки на наружной поверхности глубиной порядка 5 мкм), создающий дополнительную подъемную силу при движении в цилиндре.

С 1926 года Mahle для компенсации теплового расширения поршней использует биметаллический эффект: стальные терморегулирующие вставки внутри поршня при нагревании препятствуют температурному расширению, позволяя держать малый зазор между поршнем и цилиндром. Эту же задачу решают и пазы в верхней части юбки поршня (в канавке маслосъемного кольца или под ней), которые препятствуют распространению тепла от верхней части поршня, нагретой горячими газами, в юбку. Из-за этого температура стенок юбки уменьшается, что также препятствует тепловому расширению поршня. Описанная комбинированная конструкция — со вставками и пазами — получила название Autothermik и успешно применялась фирмой Mahle с 1930 года для поршней многих автомобильных двигателей.

Схема только с пазами (без стальных вставок) хотя и позволяет несколько уменьшить массу поршня, но заметно уступает схеме Autothermik по тепловому расширению. В настоящее время она применяется редко, в основном на двигателях малого рабочего объема.

С ростом мощности и соответственно нагрузок на поршень от пазов на юбке вообще пришлось отказаться, поскольку они ощутимо ослабляют деталь. Поэтому с 1955 года как на бензиновых, так и на дизельных двигателях широко используется конструкция со стальными вставками без пазов, получившая название Autothermatik. Кстати, поршни такого типа имеют все вазовские двигатели.

Дальнейшее развитие порш-ней — конструкция Duotherm, применяемая в основном на бензиновых двигателях с 1970 года. Здесь «управление» тепловым расширением юбки осуществляется как с помощью биметаллического эффекта, так и расширением верхней части поршня. Вследствие этого схема Duotherm по тепловому расширению лучше предыдущих схем, но несколько уступает по прочности схеме Autothermatik.

В последние годы поршни без стальных вставок и пазов (с «жесткой» юбкой) снова оказались в центре внимания. Автомобильные двигатели последнего поколения, многие из которых имеют алюминиевый блок цилиндров, потребовали облегчения поршней без ухудшения их тепловых, прочностных и других эксплуатационных характеристик. Это оказалось возможным, если перейти на материалы с повышенным содержанием кремния (включая сплав «Mahle 244» с 23-26% кремния). Одновременно были разработаны более эффективные методы получения заготовок поршней, в частности вместо литья под давлением — штамповкой (ковкой) и «жидкой» штамповкой. В результате поршни двигателей последних моделей имеют достаточно простую форму, низкую массу, высокую прочность и износостойкость, обеспечивая при этом минимальный шум двигателя.

Особо следует остановиться на конструкции поршней для дизельных двигателей. Как известно, дизель характеризуется очень высокой степенью сжатия (до 22-24 против 9-10 у бензинового двигателя) и соответственно большими силовыми и тепловыми нагрузками на детали, включая поршень. Его совершенствование опять-таки хорошо иллюстрируется цепочкой разработок фирмы Mahle.

Еще в 1931 году Mahle впервые применила чугунную вставку канавки для верхнего кольца, что позволило заметно увеличить ресурс дизельного двигателя. Эта конструкция с успехом применяется и по сей день, хотя с 1974 года (а особенно в последнее время) для упрочнения верхней канавки все чаще применяют износостойкие покрытия.

Обычно такое покрытие имеет толщину 40 — 120 мкм и делается по всему днищу поршня с «заходом» в канавку верхнего кольца, одновременно защищая края днища поршня от перегрева. Покрытие представляет собой так называемое твердое анодирование, то есть термохимическое преобразование верхнего слоя алюминиевого сплава в твердую керамику (окись алюминия Al2O3). Кстати, подобное покрытие, но меньшей толщины (обычно 10 — 15 мкм), используют и на поршнях высокофорсированных бензиновых двигателей с наддувом. Здесь помимо уменьшения износа верхней канавки ставится цель защиты днища поршня от разрушения детонацией.

В поршнях современных дизелей с наддувом нередко применяют так называемое внутреннее охлаждение, которое уменьшает температуру днища на 30-80°С. Оно состоит в подаче масла из системы смазки через форсунку во внутреннюю кольцевую полость поршня, расположенную около пояса поршневых колец. Очевидно, что изготовление поршня с подобным кольцевым отверстием требует специальной технологии.

Кроме этих особенностей, в последних конструкциях автомобильных дизелей с непосредственным впрыском топлива в цилиндр, отличающихся очень высокой нагрузкой на поршень, появилась и другая особенность. В бобышках поршня здесь устанавливают бронзовые втулки в отверстия для поршневого пальца, а сам палец делают волнистым с плавным уменьшением диаметра на 10-40 мкм вблизи краев отверстий поршня и шатуна. Такие решения обеспечивают долговечность соединения поршня с пальцем там, где традиционные конструкции и материалы уже не работают.

Среди достижений фирмы, касающихся дизелей, нельзя не отметить поршни с армированием керамическими волокнами типа Liquostatik, а также поршни типа Ferrotherm, состоящие из двух частей — уплотняющей и направляющей. На подходе и другие новинки.

Большинство поршней традиционно покрывается тонким (порядка 5 мкм) слоем свинца, олова или цинка. Покрытие препятствует задиру юбки на нерасчетных режимах, например при запуске и прогреве, когда условия смазки ухудшены. В последние годы на юбку поршней стали наносить покрытие типа Grafal, которое представляет собой графит со специальным наполнителем, обеспечивающим прочное сцепление со стенкой юбки. Покрытие имеет толщину 15-30 мкм и существенно влияет на износостойкость поршня.

Для V-образных двигателей с алюминиевыми блоками цилиндров и их поршней фирма разработала специальные технологии и материалы. Так, поршни имеют покрытие типа Ferrostan (1975 г.), представляющее собой слой железа толщиной 12-20 мкм, покрытый сверху тонким (1-2 мкм) слоем олова. Блок цилиндров отливают по специальной технологии Silumal из алюминиевого сплава «Mahle 147» (17% кремния, 4% меди) с осаждением повышенного количества кремния вблизи цилиндров. После обработки поверхность цилиндров травят соляной кислотой, при этом алюминий «уходит» с поверхности и там остается чистый кремний. Таким образом, пара материалов в двигателях с такими блоками цилиндров как бы обратна привычной: «железный» поршень работает в «алюминиевом» цилиндре. Этим достигается исключительная износостойкость пары (в комплекте с хромированными поршневыми кольцами), а также низкий уровень шума из-за очень малого зазора в цилиндре (порядка 0,01 мм). Такие блоки теперь применяют самые именитые фирмы (V8 — «Мерседес», «Ауди», «Порше»; V12 — «Мерседес» и БМВ).

Следует упомянуть также успехи Mahle в создании специальных износостойких покрытий цилиндров, в частности Chromal (1951) и Nikasil (1967). Chromal — это хромовое покрытие толщиной 0,06-0,08 мм, осаждаемое электрохимическим способом на алюминиевый цилиндр. Nikasil состоит из никеля с включением мелких (размером около 3 мкм) частиц карбида кремния; такое покрытие имеет наивысшую износостойкость. Это определило использование алюминиевых гильз цилиндров с покрытием Nikasil для двигателей гоночных автомобилей.

Здесь уместно заметить, что Mahle — основной производитель поршней и гильз цилиндров для автомобилей «Формулы 1» (F1). Подавляющее большинство команд, включая Феррари, Вильямс — Рено, Бенеттон-Рено, МакЛарен — Мерседес и другие, использует именно эти комплектующие. Поршень двигателя F1 должен оставаться работоспособным при частоте вращения до 17000 мин-1, поэтому он отличается предельно низкой массой и малой высотой, изготавливается «жидкой» штамповкой и имеет, как правило, внутреннее охлаждение, причем на последних модификациях используют только два поршневых кольца.

Сегодня фирма Mahle выпускает поршневые группы (комплекты «поршень — поршневые кольца — поршневой палец») для подавляющего большинства моделей и модификаций автомобилей европейского производства. Перечень марок впечатляет: «Мерседес», БМВ, «Фольксваген», «Ауди», «Опель», «Рено», «Пежо», «Ситроен», «Фиат» и многие другие. Эта продукция Mahle идет как для конвейерной сборки, так и в запасные части. Достаточно велика номенклатура поршней и для двигателей японских машин. Не забыты российские потребители: фирмой Mahle освоены и уже продаются на нашем рынке поршневые группы и кольца для двигателей ВАЗ и ГАЗ.

Несмотря на огромную массу выпускаемых деталей (в последние годы к ним прибавились поршневые кольца и подшипники коленчатых валов), фирма выполняет и индивидуальные заказы. Например, здесь могут изготовить поршни для новых двигателей в единичных количествах. Имея серьезную исследовательскую, конструкторскую и производственную базу, Mahle может спроектировать и сделать поршень для любого двигателя, удовлетворяющий всем необходимым требованиям, будь то низкий расход топлива и масла, малый выброс токсичных веществ с выхлопными газами, невысокий шум, максимально возможные мощность и долговечность двигателя. При этом будут выбраны оптимальные сочетания материала, конструкции, геометрии и покрытий поршня, необходимые для выполнения поставленных условий.

Интересно, что у фирмы можно заказать и любые поршни, которые когда-либо изготавливались фирмой Mahle: со времени ее основания сохраняются все формы для отливки.

Почему прогорел поршень?

Сами по себе дефекты в механической части двигателя, как известно, не появляются. Практика показывает: всегда есть причины повреждения и выхода из строя тех или иных деталей. Разобраться в них непросто, особенно, когда повреждены составляющие поршневой группы.

Поршневая группа — традиционный источник неприятностей, подстерегающих водителя, эксплуатирующего автомобиль, и механика, его ремонтирующего. Перегрев двигателя, небрежность в ремонте, и, пожалуйста, – повышенный расход масла, сизый дым, стук.

При «вскрытии» такого мотора неминуемо обнаруживаются задиры на поршнях, кольцах и цилиндрах. Вывод неутешителен — требуется дорогостоящий ремонт. И возникает вопрос: чем провинился двигатель, что его довели до такого состояния?

Двигатель, конечно, не виноват. Просто необходимо предвидеть, к чему приводят те или иные вмешательства в его работу. Ведь поршневая группа современного двигателя — «материя тонкая» во всех смыслах. Сочетание минимальных размеров деталей с микронными допусками и громадными силами давления газов, и инерции, действующими на них, способствует появлению и развитию дефектов, приводящих в конечном счете к выходу двигателя из строя.

Во многих случаях простая замена поврежденных деталей — не лучшая технология ремонта двигателя. Причина-то появления дефекта осталась, а раз так, то его повторение неминуемо.

Чтобы этого не случилось, грамотному мотористу, как гроссмейстеру, необходимо думать на несколько ходов вперед, просчитывая возможные последствия своих действий. Но и этого недостаточно — необходимо выяснить, почему возник дефект. А здесь без знания конструкции, условий работы деталей и процессов, происходящих в двигателе, как говорится, делать нечего. Поэтому, прежде чем анализировать причины конкретных дефектов и поломок, неплохо было бы знать…

Как работает поршень?

Поршень подвижная деталь, плотно перекрывающая цилиндр в поперечном сечении и перемещающаяся вдоль его оси. Поршень предназначен для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом. современного двигателя — деталь на первый взгляд простая, но крайне ответственная и одновременно сложная. В его конструкции воплощен опыт многих поколений разработчиков.

И в какой-то степени поршень формирует облик всего двигателя. В одной из прошлых публикаций мы даже высказали такую мысль, перефразировав известный афоризм: «Покажи мне поршень, и я скажу, что у тебя за двигатель».

Итак, с помощью поршня в двигателе решается несколько задач. Первая и главная — воспринять давление газов в цилиндре и передать возникшую силу давления через поршневой палец шатуну. Далее эта сила будет преобразована коленвалом в крутящий момент двигателя.

Решить задачу преобразования давления газов во вращательный момент невозможно без надежного уплотнения движущегося поршня в цилиндре. Иначе неминуем прорыв газов в картер двигателя и попадание масла из картера в камеру сгорания.

Для этого на поршне организован уплотнительный пояс с канавками, в которые установлены компрессионные и маслосъемные кольца специального профиля. Кроме того, для сброса масла в поршне выполнены особые отверстия.

Но этого мало. В процессе работы днище поршня (огневой пояс), непосредственно контактируя с горячими газами, нагревается, и это тепло надо отводить. В большинстве двигателей задача охлаждения решается с помощью тех же поршневых колец — через них тепло передается от днища стенке цилиндра и далее — охлаждающей жидкости. Однако в некоторых наиболее нагруженных конструкциях делают дополнительное масляное охлаждение поршней, подавая масло снизу на днище с помощью специальных форсунок. Иногда применяют и внутреннее охлаждение — форсунка подает масло во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Для надежного уплотнения полостей от проникновения газов и масла поршень должен удерживаться в цилиндре так, чтобы его вертикальная ось совпадала с осью цилиндра. Разного рода перекосы и «перекладки», вызывающие «болтание» поршня в цилиндре, негативно сказываются на уплотняющих и теплопередающих свойствах колец, увеличивают шумность работы двигателя.

Удерживать поршень в таком положении призван направляющий пояс — юбка поршня. Требования к юбке весьма противоречивы, а именно: необходимо обеспечить минимальный, но гарантированный, зазор между поршнем и цилиндром как в холодном, так и в полностью прогретом двигателе.

Задача конструирования юбки усложняется тем, что температурные коэффициенты расширения материалов цилиндра и поршня различны. Мало того, что они изготовлены из различных металлов, их температуры нагрева разнятся во много раз.

Чтобы нагретый поршень не заклинило, в современных двигателях принимают меры по компенсации его температурных расширений.

Во-первых, в поперечном сечении юбке поршня придается форма эллипса, большая ось которого перпендикулярна оси пальца, а в продольном — конуса, сужающегося к днищу поршня. Такая форма позволяет обеспечить соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, препятствуя заклиниванию.

Во-вторых, в ряде случаев в юбку поршня заливают стальные пластины. При нагревании они расширяются медленнее и ограничивают расширение всей юбки.

Использование легких алюминиевых сплавов для изготовления поршней — не прихоть конструкторов. На высоких частотах вращения, характерных для современных двигателей, очень важно обеспечить низкую массу движущихся деталей. В подобных условиях тяжелому поршню потребуется мощный шатун, «могучий» коленвал и слишком тяжелый блок с толстыми стенками. Поэтому альтернативы алюминию пока нет, и приходится идти на всяческие ухищрения с формой поршня.

В конструкции поршня могут быть и другие «хитрости». Одна из них — обратный конус в нижней части юбки, призванный уменьшить шум из-за «перекладки» поршня в мертвых точках. Улучшить смазку юбки помогает специальный микропрофиль на рабочей поверхности — микроканавки с шагом 0,2-0,5 мм, а уменьшить трение — специальное антифрикционное покрытие. Профиль уплотнительного и огневого поясов тоже определенный — здесь самая высокая температура, и зазор между поршнем и цилиндром в этом месте не должен быть ни большим (возрастает вероятность прорыва газов, опасность перегрева и поломки колец), ни маленьким (велика опасность заклинивания). Нередко стойкость огневого пояса повышается анодированием.

Все, что мы рассказали, — далеко не полный перечень требований к поршню. Надежность его работы зависит и от сопряженных с ним деталей: поршневых колец (размеры, форма, материал, упругость, покрытие), поршневого пальца (зазор в отверстии поршня, способ фиксации), состояния поверхности цилиндра (отклонения от цилиндричности, микропрофиль). Но уже становится ясно, что любое, даже не слишком значительное, отклонение в условиях работы поршневой группы быстро приводит к появлению дефектов, поломкам и выходу двигателя из строя. Чтобы в дальнейшем качественно отремонтировать двигатель, необходимо не только знать, как устроен и работает поршень, но и уметь по характеру повреждения деталей определить, почему, к примеру, возник задир или…

Почему прогорел поршень?

Анализ различных повреждений поршней показывает, что все причины дефектов и поломок делятся на четыре группы: нарушение охлаждения, недостаток смазки, чрезмерно высокое термосиловое воздействие со стороны газов в камере сгорания и механические проблемы.

Вместе с тем многие причины возникновения дефектов поршней взаимосвязаны, как и функции, выполняемые его различными элементами. Например, дефекты уплотняющего пояса вызывают перегрев поршня, повреждения огневого и направляющего поясов, а задир на направляющем поясе ведет к нарушению уплотнительных и теплопередающих свойств поршневых колец.

В конечном счете это может спровоцировать прогар огневого пояса.

Отметим также, что практически при всех неисправностях поршневой группы возникает повышенный расход масла. При серьезных повреждениях наблюдаются густой, сизый дым выхлопа, падение мощности и затрудненный запуск из-за низкой компрессии. В некоторых случаях прослушивается стук поврежденного поршня, особенно на непрогретом двигателе.

Иногда характер дефекта поршневой группы удается определить и без разборки двигателя по указанным выше внешним признакам. Но чаще всего такая «безразборная» диагностика неточна, поскольку разные причины нередко дают практически один и тот же результат. Поэтому возможные причины дефектов требуют детального анализа.

Нарушение охлаждения поршня — едва ли не самая распространенная причина появления дефектов. Обычно это происходит при неисправности системы охлаждения двигателя (цепочка: «радиатор-вентилятор-датчик включения вентилятора-водяной насос») либо из-за повреждения прокладки головки блока цилиндров. Во всяком случае, как только стенка цилиндра перестает омываться снаружи жидкостью, ее температура, а вместе с ней и температура поршня, начинают расти. Поршень расширяется быстрее цилиндра, к тому же неравномерно, и в конечном итоге зазор в отдельных местах юбки (как правило, вблизи отверстия под палец) становится равным нулю. Начинается задир — схватывание и взаимный перенос материалов поршня и зеркала цилиндра, а при дальнейшей работе двигателя происходит заклинивание поршня.

После остывания форма поршня редко приходит в норму: юбка оказывается деформированной, т.е. сжатой по большой оси эллипса. Дальнейшая работа такого поршня сопровождается стуком и повышенным расходом масла.

В некоторых случаях задир на поршне распространяется на уплотнительный пояс, завальцовывая кольца в канавки поршня. Тогда цилиндр, как правило, выключается из работы (слишком мала компрессия), а говорить о расходе масла вообще трудно, поскольку оно будет просто вылетать из выхлопной трубы.

Недостаточная смазка поршня чаще всего характерна для пусковых режимов, особенно при низких температурах. В подобных условиях топливо, поступающее в цилиндр, смывает масло со стенок цилиндра, и возникают задиры, которые располагаются, как правило, в средней части юбки, на ее нагруженной стороне.

Двухсторонний задир юбки обычно встречается при длительной работе в режиме масляного голодания, связанного с неисправностями системы смазки двигателя, когда количество масла, попадающего на стенки цилиндров, резко уменьшается.

Недостаток смазки поршневого пальца — причина его заклинивания в отверстиях бобышек поршня. Такое явление характерно только для конструкций с пальцем, запрессованным в верхнюю головку шатуна. Этому способствует малый зазор в соединении пальца с поршнем, поэтому «прихваты» пальцев чаще наблюдаются у относительно новых двигателей.

Чрезмерно высокое термосиловое воздействие на поршень со стороны горячих газов в камере сгорания — частая причина дефектов и поломок. Так, детонация приводит к разрушению перемычек между кольцами, а калильное зажигание — к прогарам.

У дизелей чрезмерно большой угол опережения впрыска топлива вызывает очень быстрое нарастание давления в цилиндрах («жесткость» работы), что также может вызвать поломку перемычек. Такой же результат возможен и при использовании различных жидкостей, облегчающих запуск дизеля.

Днище и огневой пояс могут повреждаться при слишком высокой температуре в камере сгорания дизеля, вызванной неисправностью распылителей форсунок. Аналогичная картина возникает и при нарушении охлаждения поршня — например, при закоксовывании форсунок, подающих масло к поршню, имеющему кольцевую полость внутреннего охлаждения. Задир, возникающий на верхней части поршня, может распространяться и на юбку, захватывая поршневые кольца.

Механические проблемы, пожалуй, дают самое большое разнообразие дефектов поршневой группы и их причин. Например, абразивный износ деталей возможен как «сверху», из-за попадания пыли через рваный воздушный фильтр, так и «снизу», при циркуляции абразивных частиц в масле. В первом случае наиболее изношенными оказываются цилиндры в верхней их части и компрессионные поршневые кольца, а во втором — маслосъемные кольца и юбка поршня. Кстати, абразивные частицы в масле могут появиться не столько от несвоевременного обслуживания двигателя, сколько в результате быстрого износа каких-либо деталей (например, распредвала, толкателей и др.).

Редко, но встречается эрозия поршня у отверстия «плавающего» пальца при выскакивании стопорного кольца. Наиболее вероятные причины этого явления — непараллельность нижней и верхней головок шатуна, приводящая к значительным осевым нагрузкам на палец и «выбиванию» стопорного кольца из канавки, а также использование при ремонте двигателя старых (потерявших упругость) стопорных колец. Цилиндр в таких случаях оказывается поврежденным пальцем настолько, что уже не подлежит ремонту традиционными методами (расточка и хонингование).

Иногда в цилиндр могут попадать посторонние предметы. Такое чаще всего происходит при неаккуратной работе во время обслуживания или ремонта двигателя. Гайка или болт, оказавшись между поршнем и головкой блока, способны на многое, в том числе и просто «провалить» днище поршня.

Рассказ о дефектах и поломках поршней можно продолжать очень долго. Но и того, что уже сказано, достаточно, чтобы сделать некоторые выводы. По крайней мере, уже можно определить…

Как избежать прогара?

Правила очень просты и вытекают из особенностей работы поршневой группы и причин появления дефектов. Тем не менее, многие водители и механики забывают о них, что называется, со всеми вытекающими последствиями.

Хотя это и очевидно, но при эксплуатации все-таки необходимо: содержать в исправности системы питания, смазки и охлаждения двигателя, вовремя их обслуживать, излишне не нагружать холодный двигатель, избегать применения некачественного топлива, масла и несоответствующих фильтров и свечей зажигания. А если что-то с двигателем не так, не доводить его «до ручки», когда ремонт уже не обойдется «малой кровью».

При ремонте необходимо добавить и неукоснительно выполнять еще несколько правил. Главное, на наш взгляд, — нельзя стремиться к обеспечению минимальных зазоров поршней в цилиндрах и в замках колец. Эпидемия «болезни малых зазоров», когда-то поразившая многих механиков, все еще не прошла. Более того, практика показала, что попытки «поплотнее» установить поршень в цилиндре в надежде на уменьшение шума двигателя и увеличение его ресурса почти всегда заканчиваются обратным: задирами поршней, стуками, расходом масла и повторным ремонтом. Правило «лучше зазор на 0,03 мм больше, чем на 0,01 мм меньше» работает всегда и для любых двигателей.

Остальные правила традиционны: качественные запасные части, правильная обработка изношенных деталей, тщательная мойка и аккуратная сборка с обязательным контролем на всех этапах.

Поршень — RacePortal.ru

 Детали шатунно-поршневой группы

 

1-Первое компрессионное кольцо

2-Второе компрессионное кольцо

3-Маслосъёмное кольцо

 3.1-Верхнее плоское кольцо

 3.2-Расширитель

 3.3-Нижнее плоское кольцо

4-Поршень

5-Поршневой палец

6-Стопорное кольцо поршневого пальца (2 шт)

7-Шатун

8-Болт крышки шатуна

9-Вкладыши подшипника шатуна

10-Крышка шатуна

11-Гайка крышки шатуна

 Поршень

  Во время работы двигателя на поршень оказываются значительные механические нагрузки, постоянно изменяющиеся как по направлению, так и по величине. Даже во время спокойного, равномерного движения автомобиля по обычной загородной дороге коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 3000 об/мин, следовательно, в течение одной минуты поршень должен разогнаться до высокой скорости, остановиться и опять разогнаться в противоположном направлении 6000 раз в минуту, или 100 раз в секунду. Если принять, что средний ход поршня современного короткоходного двигателя равен 80 мм, за одну минуту поршень пройдёт 480 метров, то есть средняя скорость движения поршня в цилиндре равна 28,8 км/час. Ещё выше эти нагрузки у высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей. Если принять, что скорость вращения двигателя спортивного автомобиля 6000 об/мин (на самом деле может быть значительно выше), в этом случае поршень изменит направление своего движения 200 раз в секунду, линейное расстояние, которое поршень пройдёт за час, будет равно 57,8 км, при этом максимальная скорость движения поршня будет равна 120 км/час. То есть в течение одной секунды, поршню необходимо 200 раз на расстоянии всего 40 мм разогнаться до 120 км/час и на таком же расстоянии снизить скорость с 120 км/час до 0. Двигатели многих спортивных автомобилей имеют максимальную скорость вращения коленчатого вала до 12000 об/мин, а двигатели болидов Формулы 1 раскручиваются до 19000 об/мин.

 Можно представить какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень, даже если просто предположить что коленчатый вал двигателя вращается от постороннего источника энергии. Но на поршень также оказывается воздействие усилия сжимаемых газов на такте сжатия и особенно полезное воздействие расширяющихся газов на такте рабочего хода. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 80 – 100 атмосфер, давление в камере сгорания обычного автомобиля 55 – 60 атмосфер. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн. Так что можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипно-шатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки. Но беда не приходит одна, кроме значительных механических нагрузок, поршень также подвергается воздействию очень высоких температур.

  Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров. Геометрия кривошипного механизма такова, что часть силы, прикладываемой к поршню, расходуется на прижатие поршня к стенкам цилиндра. И не смотря на качественную обработку поверхностей, как цилиндра, так и поршня, даже при наличии смазки, возникает достаточно большая сила трения. Как известно из школьного курса физики, при этом выделяется большое количество тепла. Но в основном тепло, воздействующее на поршень, появляется при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Температура сгоревших в цилиндре газов может достигать 2000º — 2500ºС. Под воздействием таких высоких температур разрушаются все конструкционные материалы, из которых изготавливаются детали современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней. Общее количество тепла, выделенное во время работы двигателя, зависит от количества сгоревшего в цилиндрах двигателя топлива за единицу времени. А этот показатель, в свою очередь зависит от объёма цилиндров и от скорости вращения двигателя. Двигатель превращает в полезную механическую работу только небольшую часть энергии сгоревшего топлива. Некоторая часть тепла выводится из двигателя с горячими отработавшими газами остальноё тепло необходимо рассеять в окружающем пространств.

 Опять вспоминая школьный курс физики можно сказать, что если два тела имеют разную температуру, но тепло от более нагретого тела перемещается к менее нагретому телу, пока температура обоих тел не сравняется. В автомобиле самым холодным телом, способным абсорбировать большое количество тепла, является окружающий воздух, следовательно, необходимо найти способ отвода тепла от нагретых деталей двигателя к окружающему воздуху. Поскольку весь земной шар всё равно не согреешь, можно считать, что окружающая среда способна абсорбировать любое количество тепла. Самая горячая часть поршня это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами. Далее тепло распространяется от днища поршня в направлении юбки.

  Тепло от поршня отводится тремя способами: Основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя. Часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя. Часть тепла отводится от поршня холодной топливовоздушной смесью поступающей в цилиндры двигателя.

1. Отвод тепла чрез поршневые кольца и юбку поршня. Ясно, что подвести охлаждающую жидкость, циркулирующую в системе охлаждения к поршню невозможно, поскольку поршень во время работы двигателя перемещается с большой скоростью. Но система охлаждения двигателя интенсивно охлаждает стенки цилиндров двигателя. Поэтому необходимо сконструировать поршень и поршневые кольца так, чтобы он излишнее тепло чрез поршневые кольца и юбку передавал стенкам цилиндра двигателя. Далее исправная система охлаждения двигателя выведет тепло их двигателя и передаст его окружающему автомобиль воздуху. Если это не сделать, то температура поршня превысит максимально допустимую, после чего начнётся разрушение поршня под воздействием механических нагрузок и даже его оплавление под воздействием высокой температуры. Без необходимого отвода тепла поршень, сделанный из алюминиевого сплава расплавится всего через несколько минут работы двигателя.

Отвод тепла от поршня

 Поступление тепла к поршню от рабочих газов, находящихся в цилиндре двигателя

  • Охлаждение поршня поступающей топливовоздушной смесью
  • Отвод тепла поршневыми кольцами (50% — 70%)
  • Отвод тепла юбкой поршня (20% — 30%)
  • Отвод тепла через внутреннюю полость поршня (5% — 10%)
  • Отвод тепла через поршневой палец и шатун
  • Охлаждающая жидкость рубашки охлаждения

 Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 50% — 60% отводится поршневыми кольцами, это накладывает очень высокие требования к конструкции и точности изготовления поршневых колец. Некоторая часть тепла отводится во внутренне пространство поршня и рассеивается во внутреннем пространстве картера или через поршневой палец передаётся на шатун и тоже рассеивается во внутреннем пространстве картера двигателя.

  1. Отвод тепла от поршня через поршневые кольца
  2. Отвод тепла поршневыми кольцами
  3. Камера сгорания
  4. Стенка цилиндра
  5. Рубашка охлаждения
  6. Поршень
  7. Первое компрессионное кольцо
  8. Второе компрессионное кольцо
  9. Маслосъёмное кольцо

 Поскольку самой горячей частью поршня является его днище, являющейся одной из стенок камеры сгорания, тепло перемещается от верхней части поршня к нижней. При этом из всего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 45% отводится первым компрессионным кольцом, по причине того, что это кольцо всего ближе расположено к самой горячей части поршня, 20% отводится вторым компрессионным кольцом и только 5% отводится маслосъёмным кольцом. Тепло, переданное поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра, отводится системой охлаждения двигателя. Поэтому исправность системы охлаждения оказывает больное воздействие на тепловой режим поршня. Увеличение температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения на 5º — 6ºС, увеличивает температуру поршня на 10ºС. При неисправности системы охлаждения первое что разрушается в двигателе это поршень. У поршня или прогорает днище или поршень заклинивается в цилиндре.

2. Отвод тепла при помощи масла системы смазки двигателя Поскольку многие внутренние детали картера двигателя смазываются распылением масла, масляный туман постоянно присутствует в картере двигателя. Соприкасаясь с горячими частями поршня или стенок цилиндра, масло забирает от них тепло и, осаждаясь в масляный поддон, переносит туда тепло. Обычно в таких системах при помощи масла от поршня отводилось не более 5% — 10% тепла. Но в последнее время в высоконагруженных двигателях, особенно в дизельных, масло системы смазки стало широко использоваться для охлаждения деталей, имеющих наибольшую тепловую нагрузку. Масло для охлаждения поршня может подаваться к поршню двумя способами. Первый способ – через специальный масляный канал, просверленный в стержне шатуна. В этом случае в шатуне имеется специальное отверстие, через которое масло разбрызгивается на внутреннюю стенку днища поршня. Второй способ – в нижней части картера устанавливаются масляные форсунки, которые под давлением распыляют масло во внутренней полости поршня, или впрыскивают его в специальный кольцевой охлаждающий канал, расположенный в головке поршня. Для отбора от поршня большего количества тепла масляный канал имеет волнообразную форму.

 В этом случае при помощи масла может от поршня отводиться от 30 до 50% тепла. В результате при разбрызгивании масла на внутреннюю стенку днища поршня удаётся снизит температуру днища поршня на 15 – 20ºС, а при организованной циркуляции масла в поршне, температуру днища поршня можно снизить на 25 – 35ºС. Масло, охлаждающие поршни и другие детали сильно нагревается. При нагреве масло разжижается и теряет свои смазывающие свойства. По этой причине возникает угроза заклинивания коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.

 В таком случае система смазки двигателя имеет специальный охладитель масла, теплообменник которого передаёт тепло от масла жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя. Далее это тепло при помощи радиатора системы охлаждения рассеивается в окружающем автомобиль воздухе.

Охлаждение поршня маслом

 Масляная форсунка, установленная в нижней части гильзы цилиндра, разбрызгивает мало из системы смазки двигателя на внутреннюю сторону днища поршня. Масло отбирает тепло от днища поршня и стекает в масляный поддон двигателя, где происходит его охлаждение.

 Поршень с масляным каналом

 На этих рисунках показан поршень современного дизельного двигателя 2.0 TDI мощностью 103 кВт концерна VOLKSWAGEN. Масляная форсунка впрыскивает масло в охлаждающий канал поршня. По охлаждающему каналу масло проходит через головку поршня, охлаждая его, выходит из охлаждающего канала поршня с другой стороны и стекает в масляный поддон двигателя.

3. Охлаждение поршня холодной топливовоздушной смесью. Вообще поршень любого двигателя частично охлаждается топливовоздушной смесью. Причем чем богаче смесь, там больше она может забрать энергии от поршня. Но по причинам топливной экономичности и экологии современные двигатели часто работают на обеднённой смеси. Современные электронные системы управления двигателя для избежания детонационного сгорания на некоторых режимах работы двигателя немного переобогащают смесь, за счёт чего несколько снижается температура поршня.

 Конструкция поршня

  1. Днище поршня
  2. Головка поршня
  3. Юбка поршня
  4. Выемка для противовесов коленчатого вала
  5. Отверстие поршневого пальца
  6. Канавка стопорного кольца
  7. Бобышка поршня
  8. Отверстие для отвода масла из канавки маслосъёмного кольца
  9. Отверстие для отвода масла ниже маслосъёмного кольца
  10. Канавка маслосъёмного кольца
  11. Третья перегородка поршневых колец
  12. Канавка второго компрессионного кольца
  13. Вторая перегородка поршневых колец
  14. Канавка первого компрессионного кольца
  15. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
  16. Метки направления установки поршня
  17. Метки группы диаметра поршня

Вид поршня современного форсированного двигателя

  1. Поршеньфорсированного двигателя
  2. Днище поршня
  3. Выемки клапанов
  4. Вытеснитель
  5. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
  6. Канавка верхнего компрессионного кольца
  7. Вторая перегородка
  8. Третья перегородка
  9. Канавка маслосъёмного кольца
  10. Отверстие для отвода масла из канавки компрессионного кольца
  11. Юбка поршня с антифрикционным покрытием
  12. Бобышка отверстия поршневого пальца
  13. Отверстие поршневого пальца
  14. Проточка под стопорное кольцо поршневого пальца
  15. Канавка аккумулирования газов

 На первый взгляд в конструкции поршня нет ничего сложного, поршень очень похож просто на перевёрнутый стакан. Но, учитывая, что к поршню предъявляются очень высокие и часто противоречивые требования, поршень является одной из наиболее трудных в конструировании и изготовлении деталей двигателя. В зависимости от конструкции двигателя, формы его камеры сгорания, расположения клапанов днище, и другие части поршня, могут иметь различную форму.

 Некоторые примеры различных типов поршней

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

 

 Поршень двигателя с непосредственным впрыском топлива автомобиля VOLKSWAGEN с системой управления двигателя FSI FSI

Направление потока смеси

 Очень своеобразную форму имеют поршни двигателей автомобиля VOLKSWAGEN с расположением цилиндров VR и W. У этих двигателей днище поршня в одной плоскости не перпендикулярно оси поршня. Но все остальные детали поршня ось поршневого пальца и канавки поршневых колец строго перпендикулярны оси поршня.

 Порщень RV-образного двигателя

 Ранее отмечалось, во время работы двигателя поршень совершает возвратно поступательные движения с большой средней скоростью и с очень высокими знакопеременными ускорениями, следовательно, для уменьшения сил инерции конструктор должен стремиться сделать поршень, как и все остальные детали, совершающие возвратно-поступательное движение, как можно легче. Способов это сделать всего два, это применение материалов и низким удельным весом, и уменьшения общего количества материала, то есть удаление излишнего материала. Но удаление излишнего материала снижает прочность конструкции, чем деталь массивней, тем легче обеспечить её жесткость и теплоёмкость. Крайне не желательно деформация формы поршня под воздействием механических и температурных нагрузок. Во время работы двигателя поршень контактирует с другими деталями, стенками цилиндра, поршневыми кольцами и поршневым пальцем. Для обеспечения эффективной работы двигателя необходимо обеспечит точные зазоры между всеми этими деталями. Но все эти детали изготавливаются из различных материалов и, соответственно, имеют различные коэффициенты температурного расширения.

 Поршень конструируется так, что после прогрева двигателя до нормальной рабочей температуры все зазоры между движущимися деталями были минимальными и соответствовали расчётным. Вообще наружная форма и размеры поршня должны соответствовать форме цилиндра. При изготовлении стремятся придать отверстию цилиндра строгие геометрические формы. Но, например, неправильная затяжка болтов крепления головки блока цилиндров, может сильно исказить первоначальную форму отверстия цилиндра. Поэтому, при ремонте двигателя всегда строго соблюдайте рекомендованные моменты затяжки всех резьбовых соединений.

 Наружная форма поршня конструируется так, чтобы после прогрева двигателя поршень приобрёл форму строго цилиндра, поэтому при изготовлении поршня в его форму умышленно вносятся некоторые искажения, которые устраняются по мере прогрева двигателя. На холодном двигателе зазор между поршнем и стенками цилиндра увеличен. При прогреве двигателя до нормальной рабочей температуры тепловые зазоры между стенками цилиндра и поршнем уменьшаются и начинают соответствовать норме. Вот почему так важно поддерживать необходимую рабочую температуру двигателя.

 Поршень состоит из трёх основных частей:

  1. Днище поршня
  2. Головка поршня
  3. Юбка поршня

 Днище поршня предназначено для восприятия усилия давления газов. Головка поршня обеспечивает герметизацию подвижного соединения поршня и стенок цилиндров за счёт установленных на головку поршня поршневых колец. Для установки поршневых колец в головке поршня делаются специальные канавки. В верхние канавки современных поршней вставляются компрессионные кольца, а нижняя канавка предназначена для установки маслосъёмного кольца. В канавке маслосъёмного кольца делаются сквозные отверстия, через которые излишнее масло отводится во внутреннюю полость поршня.

 Часть поршня, расположенная ниже нижнего кольца называется юбкой поршня. Юбка поршня, иногда её называют тронковая или направляющая часть поршня, предназначена для удержания поршня в правильном направлении и восприятия боковых нагрузок. То есть юбка является направляющим элементом поршня.

 Очень важным параметром поршня является высота головки поршня относительно оси поршневого пальца (4). Иногда различные модификации двигателя имеют различную степень сжатия. В производстве легче всего изменить степень сжатия изменением высоты головки поршня.

 При конструировании двигателя, для уменьшения сил инерции, конструкторы стремятся сделать поршень как можно легче. Но сделать все стенки поршня одинаковой толщины не удастся. Днище поршня, для восприятия больших нагрузок, всегда делается толще, чем стенки юбки. Но и юбка в различных местах имеет различную толщину. В местах бобышек под поршневой палец юбка имеет значительное утолщение, а, учитывая то, что различные части поршня имеют различную температуру, можно предположить, что при нагреве в разных местах поршень расширяется не одинаково. Поскольку во время рабаты двигателя головка поршня имеет более высокую температуру, следовательно, расширяется больше юбки поршня, головка поршня имеет несколько меньший диаметр по сравнению с юбкой поршня.

Поршень — диаметр головки

 Под воздействием тепловых деформаций поршня, сложенных с боковыми усилиями, действующими на поршень в перпендикулярно оси поршневого пальца, цилиндрический поршень может приобрети овальную форму. Для устранения этого явления поршень изначально делается овальным, но в противоположном направлении, по мере прогрева двигателя поршень, под воздействием боковых сил, приобретает круглую форму. Малая ось овала совпадает с направлением оси поршневого вала, а большая ось овала совпадает с направлением действующих на поршень боковых сил.

                                                                                          

 Но кроме овальности наружная поверхность поршня имеет некоторую конусность. Поршни современного двигателя, кроме овальности, по высоте имеют бочкообразную форму. Поэтому, поршень, кажущийся на первый взгляд простым цилиндром, имеет довольно сложную форму.

 Сложная форма поршня

 На этом рисунке даны отклонения диаметра поршня от номинального размера. Зелёная линия показывает отклонения от номинального диаметра на различной высоте поршня со стороны торцов поршневого пальца, а розовая линия показывает отклонение номинального размера со стороны упорных поверхностей поршня. Ширина жёлтой зоны показывает овальность поршня на различной высоте.

 Подбор точной наружной формы поршня очень трудная инженерная задача. В самом начале развития двигателестроения форма поршня подбиралась только опытным способом. Установив опытный поршнь в двигатель, двигатель нагружали различными нагрузками. После проведения необходимых испытаний поршень снимался и в местах, подвергшихся наибольшему износу, удалялась некоторая часть металла, и после этого проводился следующий цикл испытаний. Ели в результате излишне снятого металла поршень разрушался, толщину стенок или форму поршня изменяли и заново производили полный цикл испытаний. В результате продолжительных испытаний добивались наилучшей формы поршня для данного двигателя. По мере накопления опыта точная форма поршня стала определяться расчётным способом. Но даже сейчас, когда специальная компьютерная программа, может прочитать оптимальную форму поршня быстро, с высокой степью точности и с учётом всех, воздействующих на поршень температурных и механических факторов, проводится обязательное испытание поршней под различной нагрузкой. Другим способом терморегулирования поршня, то есть направленное изменение формы поршня под воздействием температуры является вплавление в алюминиевое тело стальных термостабилизирующих пластин. Термостбилизирующие пластины, при полном прогреве поршня, позволяют снизить радиальное расширение поршня приблизительно в два раза по сравнению с поршнем, полностью изготовленным из алюминиевого сплава.

 Термостабилизирующие пластины

 Термостбилизирующие пластины или кольца являются очень эффективным средством управления расширения поршня в необходимом направлении. Правда эти элементы имеют большое ограничение они могут быть вставлены только в литые поршни, но нет возможности установки этих элементов в современные кованные поршни. Как преднамеренные изменения формы поршня, так и вставка в поршень термостабилизирующих стальных пластин предназначены для обеспечения стабильного минимального теплового зазора между поршнем (юбкой поршня) и стеками цилиндра. Обычно тепловой зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра автомобильного двигателя лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм.

 Боковые силы, приложенные к поршню

 Во время работы двигателя шатун постоянно, кроме положения поршня в ВМТ и НМТ находится под некоторым углом к оси цилиндра, причем этот угол постоянно изменяется. Поэтому сила, приложенная к поршневому пальцу, раскладывается на две. Одна сила действует в направлении шатуна, а вторая сила действует в направлении перпендикулярном оси цилиндра. Эта сила прижимает поршень к стенке цилиндра. При движении поршня вверх на такте сжатия сжимаемый воздух оказывает сопротивление перемещению поршня. Часть это силы прижимает поршень к правой стенке цилиндра, если смотреть со стороны передней части двигателя. Во время рабочего хода расширяющиеся газы с большой силой давят на поршень. Часть этой силы расходуется на прижатие поршня к левой стенке цилиндра. Не стоит думать, что эти силы незначительны. Боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра приблизительно равна 10% — 12% процентов, от силы, действующей в направлении оси цилиндра. Ранее упоминалось, что во время работы двигателя на днище поршня среднего легкового автомобиля действует сила в несколько тонн, следовательно, сила, прижимающая поршень к боковой стенке может быть равна нескольким сотням килограмм. Поскольку сила, действующая на поршень во время рабочего хода в направлении оси цилиндра значительно выше, силы, действующей на поршень во время такта сжатия, поверхность, к которой прижимается поршень, во время такта рабочего хода, называется основной упорной поверхностью.

 Из всего сказанного вытекает, что при прохождении поршнем ВМТ между тактами сжатия и рабочего хода происходит перемещение поршня от вспомогательной упорной поверхности к основной. Поскольку на поршень действуют большие силы, а все процессы в двигателе происходят очень быстро, перемещение поршня происходи в форме удара. Для уменьшения силы удара при перекладке поршня ось поршневого пальца (вернее ось отверстия в бобышках поршня под поршневой палец) смещена в сторону основной упорной поверхности.

 Перекладывание поршня

 При движении поршня вверх на такте сжатия, давление сжимаемого воздуха оказываемого на днище поршня преобразуется в силу, направленную перпендикулярно днищу поршня. Поскольку шатун находится под некоторым углом к оси поршня, возникает нормальная сила, прижимающая поршень к вспомогательной упорной поверхности (2). Сила, возникающая в результате воздействия давления, равна произведению давления, умноженного на площадь, на которую действует давление. Поскольку ось поршневого пальца смещена в сторону основной упорной поверхности (1), площадь правой половины поршня стала несколько больше площади левой половины. В результате чего сила, действующая на правую половину поршня, будет больше силы, действующей на левую половину поршня. Поэтому, когда поршень остановится в ВМТ, в результате разности этих сил, нижняя часть поршня переместится к основной упорной поверхности. А как только давление в камере сгорания начнёт увеличиваться, произойдёт полная перекладка поршня к основной упорной поверхности. Это позволяет произвести перекладку поршня без ударных нагрузок. При движении поршня в низ, при изменении угла шатуна к оси цилиндра и возрастания давления в цилиндре поршень оказывает давление на основную упорную поверхность (1).

 Обычно смещение оси поршневого пальцы относительно оси поршня в автомобильных двигателях лежит в диапазоне 1,0 – 2,5 мм. Учитывая имеющиеся смещения оси поршневого пальца, поршень допускается устанавливать только в одном направлении. Неправильна установка поршня приведёт к появлению ударных звуков во время работы двигателя. Обычно на днище поршня имеется метка, указывающая правильное направление установки поршня. Перед ремонтом двигателя тщательно изучите руководство по ремонту.

 Нормальный тепловой зазор между цилиндром и юбкой поршня лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм. Но для каждого двигателя имеется точное значение этого параметра, которое можно найти в технических нормативах. Уменьшенный зазор приведёт к задирам поршня или поршневых колец и даже заклиниванию поршня в цилиндре.

 Измерение диаметра поршня

 При увеличенном зазоре повышается шумность работы двигателя и износ поршня и поршневых колец.

Измерение диаметра юбки поршня при помощи микрометра.

 

Измерение диаметра поршня Диаметр юбки поршня необходимо проверять в направлении перпендикулярном оси пальца строго на установленной высоте относительно нижнего края юбки. Замерьте диаметр юбки поршня на установленной высоте и запишите результаты измерений.

 Измерение диаметра цилиндра нутромером

 

При помощи нутромера замерьте диаметр цилиндра и запишите результаты измерений. Для определения зазора необходимо из второго полученного результата вычесть результат первого измерения. Измерение зазора при помощи плоского щупа Некоторые производители двигателей предлагают проводить измерение зазора между поршнем и цилиндром при помощи плоского щупа.

Измерение зазора между поршнем и стенками цилиндра

 На этих двух рисунках показаны различные способы измерения зазора при помощи плоского щупа.

Измерение зазора при помощи щупа 

Материалы, из которых изготовлен поршень

 Поскольку к поршням, как к изделию, предъявляются очень высокие требования, такие же высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются поршни. Можно кратко перечислить требования к этим материалам:

  • Для снижения инерционных нагрузок материал должен иметь как можно меньший удельный вес, но при этом быть достаточно прочным.
  • Иметь низкий коэффициент температурного расширения.
  • Не изменять своих физических свойств (прочности) под воздействием высоких температур.
  • Иметь высокую теплопроводность и теплоёмкость.
  • Иметь низкий коэффициент трения в паре с материалом, из которого изготовлены стенки цилиндров.
  • Иметь высокую сопротивляемость износу.
  • Не изменять своих физических свойств под воздействие нагрузок, вызывающих усталостное разрушение материала.
  • Быть не дорогим, общедоступным и легко поддаваться механической и другим видам

 Алюминий значительно легче чугуна, но поскольку он мягче чугуна, приходится увеличивать толщину стенок поршня, по этой причине вес поршневой группы алюминиевого поршня легче подобной группы с чугунным поршнем всего на 30 – 40%. Алюминий обладает высоким температурным коэффициентом расширения, для устранения влияния которого приходится вплавлять в тело поршня стальные термостабилизирующие пластины и увеличивать зазоры между поршнем и другими элементами в холодном состоянии. Алюминий обладает низким коэффициентом трения в паре алюминий – чугун. Что удовлетворяет, по этому показателю, применение алюминиевых поршней в большинстве двигателей имеющих чугунный блок цилиндров или чугунные гильзы, вплавленные или вставленные в алюминиевый блок цилиндров. Но существуют современные прогрессивные двигатели (в основном немецкие – Фольксваген, Ауди и Мерседес) с алюминиевым блоком цилиндров, не имеющих вплавленных чугунных гильз. У этих двигателей поверхность алюминиевых отверстий цилиндров обрабатываются несколькими различными способами. В результате поверхность стенок цилиндров становится очень твёрдой и приобретает возможность сопротивления износу, даже выше чем у чугунных гильз. Но в паре алюминий – алюминий коэффициент трения очень высокий. В этом случае для уменьшения сил трения проводится железнение опорных поверхностей юбки поршня. В процессе железнения на опорную поверхность юбки поршня гальваническим способом наносится тонкий слой стали.

 Блок цилиндров без гильз

 Поршень с железнением юбки

 На этих рисунках показано плазменное напыление на рабочую поверхность цилиндров полностью алюминиевого блока цилиндров без применения вставных или вплавленных гильз цилиндров и соответствующий этой поверхности поршень с железнением опорной поверхности юбки поршня. Отсутствие чугунных гильз значительно уменьшает вес блока цилиндров.

 Поршень с антифрикционным покрытием

 Кроме антифрикционного покрытия на этом рисунке отчётливо видна стальная вставка, в которой проточена канавка для установки верхнего компрессионного кольца. Установка подобной вставки значительно увеличивает срок службы поршня.

Алюминиевые сплавы

 Кремнеалюминиевые сплавы, из которых изготавливаются поршни большинства современных автомобильных двигателей, делятся на две группы – эвтектические (содержания кремния 11 – 13%) и заэвтектические (содержания кремния 25 – 26%). Для улучшения термической стойкости и механических свойств в эти сплавы добавляются никель, медь и другие металлы. В эвтектических сплавах свободный кремний отсутствует, поскольку он полностью растворён в алюминии, в заэвтектических сплавах кремний может присутствовать в виде кристаллов, часто видимых на срезе или расколе материала. Поршни массовых автомобилей изготавливаются методом литья в кокиль из эвтектических сплавов, поскольку эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами. Поршни дизельных двигателей тяжёлых грузовых автомобилей и других нагруженных двигателей изготавливаются из заэвтектических сплавов. Эти сплавы обладают большей прочностью, но имеют большую стоимость в производстве, поскольку изделия из этих сплавов трудней обрабатываются.

Литые и кованые

 На высоконагруженных форсированных автомобильных двигателях применяются поршни, изготовленные не методом литья, а методом ковки (горячей штамповки). Ковка значительно улучшает структуру материала, поэтому кованые поршни обладают большей прочностью и большей устойчивостью к износу. Но вкованные поршни невозможно установить терморегулирующие стальные пластины.

Структура металла кованного поршня

 Литые поршни не применяются, если обороты двигателя в рабочем режиме превышают 5000 об/мин. Кроме того, кованые поршни имеют лучшую теплопроводность, поэтому температура кованых поршней ниже температуры поршней, изготовленных методом литья.

 Сравнение температуры литого и кованного поршня

Ремонтные размеры и селективная подборка

 Как ранее отмечалось, диаметр поршня должен строго соответствовать диаметру цилиндра с обеспечением необходимого зазора между ними. Но в реальном производстве изготовленные детали всегда несколько отличаются друг от друга. Поэтому во многих отраслях машиностроения, и автомобилестроение в том числе, принята селективная подборка. После изготовления измеряются и по результатам измерений детали делятся на несколько классов или групп, с определённым диапазоном измеряемого размера. То есть каждому классу отверстия цилиндра (обычно класс цилиндра выбит в определённом месте на блоке цилиндров), подбирается поршень такого же класса. Например, на ВАЗе поршни подразделяются на пять классов (A, B, C, D и E), но в запасные части для ремонта двигателей поставляются поршни только трёх классов (А, С и Е). Считается, что этого вполне достаточно для выполнения качественного ремонта.

Группы поршня по диаметру

 Таблица и рисунок даны только для примера, поскольку для разных моделей двигателей выпускаются поршни разных номинальных размеров. На рисунке и в таблице упоминаются поршни разного номинального диаметра. Кроме этого выпускаются поршни ремонтного размера, с увеличенным на 0,4 и 0,8 мм диаметром. Не путайте ремонтные размеры, с классами по селективной подборке. Классы селективной подборки отличаются друг от друга на сотые, а, иногда, на тысячные доли миллиметра. А номинальные ремонтные размеры отличаются на несколько десятых долей миллиметра.

 Во время капитального ремонта двигателя с расточкой блока цилиндров под ремонтный размер отверстий цилиндров специалисты ремонтного предприятия точно подгоняют диаметр цилиндра под имеющиеся поршни при хонинговке. Если по причине износа или наличия задиров требуется отремонтировать отверстие одного цилиндра, придётся растачивать все цилиндры. Не допускается применения на одном двигатели поршни разных ремонтных размеров. Диаметр поршня измеряется при помощи микрометра, в направлении, перпендикулярном оси поршневого пальца, на строго установленном расстоянии от низа юбки поршня, указанном в руководстве по ремонту. Все измерения, как диаметра поршня, так и диаметра отверстия цилиндра необходимо проводить при нормальной комнатной температуре – 20º С. Различные производители имеют различные группы или классы поршней по диаметру. Поэтому перед ремонтом двигателя ознакомьтесь с Руководством по ремонту. Кроме селективного подбора поршней по диаметру, поршни также делятся на несколько групп по диаметру отверстия под поршневой палец. Обычно группа поршня определяется цветовой меткой на внутренней поверхности бобышки поршня. Палец поршня имеет соответствующую по цвету метку на торцевой поверхности пальцы.

 Группа поршня по диаметру поршневого пальца

 Каждой группе соответствует установленный диапазон отверстия под поршневой палец, обычно различие между группами не превышает нескольких тысячных миллиметра.

Группа поршня по весу

 Некоторые производители, также делят поршни на несколько групп по весу. Иногда при ремонте двигателя вес поршней уравнивается за счёт снятия металла в установленном месте юбки поршня. Чем меньше различие в весе поршней, тем меньше вибрации двигателя. При замене поршней подбирайте поршни одной весовой группы или, если это указано в Руководстве по ремонту, при помощи удаления металла уравняйте вес поршней.

Данные о размерах поршня и направлении его установки обычно выбиты на днище поршня.

Метки на днище поршня

Маркировка поршня:

  1. Стрелка для ориентирования поршня в цилиндре
  2. Ремонтный размер
  3. Класс поршня по диаметру
  4. Группа отверстия поршневого пальца

И так, поршни одного двигателя делятся по следующим признакам: Класс поршня по диаметру (селективная подборка) Группа отверстия под поршневой палец (селективная подборка) Ремонтный размер Группа по весу поршня

Как устроен поршень двигателя

Восприятие давления газов, герметизация камеры сгорания, отвод тепла и передача усилий на шатун — это основные функции поршня. Термодинамический процесс происходит именно с помощью поршня двигателя.

Высокое давление, всплески температуры и иные нагрузки — это условия, в которых приходится работать поршню. По этой причине был выбран материал, из которого производят поршень — чаще из алюминиевого сплава, редко из стали. Производят их через штамповку или литьем под давлением.

Схема поршня двигателя

Конструкция поршня включает в себя «головку» и «юбку», но считается он цельным элементом. Для определенной модели автомобиля поршень будет выглядеть по разному в зависимости  от того какой тип двигателя, форма камеры сгорания и само сгорание. Поршни для бензинового и дизельного двигателя различны. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую головку. В ней могут быть быть канавки для открытия клапанов на 100%. Поршни двигателей с простым впрыском топлива немного сложнее. В дизельном двигателе все наоборот, там выполняется непростая камера сгорания, которая создает значительное завихрение и улучшает улучшают условия для смешивания смесей.

У поршня ниже головки проходят определенные и специальные канавки для поршневых колец. Юбка похожа на конус или на простую бочку. При нагреве такая конструкция может пригодиться, потому что может компенсировать температурное расширение. В условиях, когда достигнута нужная температура поршень становится похож на цилиндр. Дисульфид молибдена, графит находится на поршень, чтобы снизить потери на трении. В юбке поршня есть приспособления для крепления поршневого пальца.

 Охлаждается поршень по разному:

 — масляный туман в цилиндре;

 — разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;

 — разбрызгивание масла специальной форсункой;

 — впрыскивание масла в определенный кольцевой канал в зоне колец;

 — циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.

 Поршневые кольца соединены со стенками цилиндра. Они сделаны из модифицированного чугуна. Кольца трутся в поршне и являются самыми главными источниками трения. Потери на трение в кольцах доходит до 30% всех потерь в двигателе, обусловленных механикой.

 Число и расположение колец зависит от того, какой двигатель. Самая часто встречающая схема – 2 компрессионных и 1 маслосъемное кольцо. Компрессионные кольца имеют разные формы — похожи на трапецию, бочку или конус.

 Маслосъемное кольцо справляется с излишками масла с поверхности цилиндра и не дает маслу попасть в камеру сгорания. У кольца много дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

 Соединение поршня с шатуном происходит с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Как установить поршневой палец? Есть несколько способов. Для начала самы известный способ, это со способностью переворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время действия. Чтобы не смещаться его фиксируют стопорными кольцами. Намного редко используется жесткое закрепление концов пальца в поршне или в поршневой головке шатуна.

 Из чего состоит поршневая группа? Из поршня, поршневых колец и пальцев.

 В каталоге запчастей для автомобиля на нашем сайте можно найти все основные элементы двигателя для любого автомобиля ваз или иномарку. На сайте можно посмотреть цены в интернет каталоге, и сделать заказ на поршни двигателя.

Расплавление днища и жарового пояса поршня на дизельных двигателях

Описанное в данном разделе повреждение охватывает несколько стадий, начиная с лёгких дефектов поршня и заканчивая капитальной поломкой двигателя.

  • Головка поршня имеет следы эрозии.
  • На головке поршня видны оплавления — вплоть до совершенно расплавленного днища поршня .
  • В наиболее критических случаях на поршне появляются задиры по всей длине и по всей окружности.
  • На поршне имеется отверстие.

Причины проявления

Это повреждение возникает из-за термической перегрузки поршня. В данном случае следует рассматривать две причины повреждения, различающиеся между собой:

Нарушение процесса сгорания топлива:

Этот дефект можно определить по следующим признакам в двигателе:

  • Кромка камеры сгорания имеет «скусы».
  • Плохое струйное распределение инжекторных форсунок.
  • Давление и объём подачи топлива инжекторных форсунок настроены неправильно.
  • Жаровой пояс в направлении оси поршневого пальца имеет задиры.

Сбой процесса сгорания топлива может иметь несколько причин.

  • В камере сгорания находится слишком богатая воздушнотопливная смесь. В этом случае следует рассмотреть следующие неполадки:
    • Подача воздуха ограничена, например, из-за засорённого воздушного фильтра.
    • Неправильно отрегулирован объём подачи топлива.
    • Неправильно отрегулирован начальный момент подачи топлива.
    • Игла форсунки заедает или перемещается с трудом.
    • Засор в газовыпускной системе.
  • Имеет место запаздывание зажигания и перебои в зажигании, а именно, по следующим причинам:
    • Было заправлено неподходящее топливо или топливо со слишком низким цетановым числом, или же в дизельном топливе присутствует бензин.
    • Клапаны негерметичны, что ведёт к потере компрессии.
    • Зазор между днищем поршня и головкой блока цилиндров слишком велик, поэтому слишком мала степень сжатия.
    • Неисправна система предварительного прогрева воздуха (прежде всего, при очень низкой внешней температуре).

 

 

Перегрев головки поршня:

Это явление имеет следующие симптомы:

  • Камера сгорания поршня не повреждена.
  • Наблюдается хорошее струйное распределение на днище поршня.

Слишком высокий уровень температуры головки поршня может иметь следующие причины:

  • Форсунка охлаждающего масла деформирована, вырвана или не установлена (монтажная ошибка).
  • Превышен интервал замены масла. В этом случае опасность полимеризации моторного масла возникает, прежде всего, при использовании биотоплива на основе рапсового и соевого масла, что может привести к засорению форсунок охлаждающего масла.
  • Посторонние включения, например, остатки прокладочных материалов и т. п., мешают требуемой циркуляции масла в контуре.

Устранение дефекта и провилактика

  • Следует настроить количество и момент впрыска топлива в соответствии с рекомендациями производителя.
  • Требуется проверить инжекторные форсунки на герметичность, а также на правильность давления впрыска и струйного распределения.
  • При монтаже форсунок охлаждающего масла следует обращать внимание на их правильное расположение.
  • Необходимо тщательно прочищать масляные каналы в моторном блоке, на коленчатом валу и в головке цилиндра.
  • Следует проверить правильность работы редукционного клапана.
  • При эксплуатации двигателя с биотопливом необходимо существенно сократить интервалы замены масла.

 

Поршень двигателя – x-engineer.org

Содержание

Обзор

Поршень является компонентом двигателя внутреннего сгорания. Основная функция поршня заключается в преобразовании давления, создаваемого горящей воздушно-топливной смесью, в силу, действующую на коленчатый вал. В легковых автомобилях используются поршни из алюминиевого сплава, в то время как в коммерческих транспортных средствах также могут быть стальные и чугунные поршни.

Поршень является частью кривошипно-шатунного привода (также называемого кривошипно-шатунным механизмом ), который состоит из следующих компонентов: Привод коленчатого вала двигателя (кривошипно-шатунный механизм) Кредит: Rheinmetall

Существуют также вторичные функции двигателя, выполняемые поршнем :

  • способствует рассеиванию тепла образующегося при сгорании
  • обеспечивает уплотнение камеры сгорания, утечки газа из него и попадание масла в камеру сгорания
  • направляет перемещение шатуна
  • обеспечивает непрерывную смену газов в камере сгорания
  • создает переменный объем в камере сгорания

Изображение: Колбеншмидт поршни
Кредит: Kolbenschmidt

Назад

Запчасти

Форма поршня в основном зависит от типа двигателя внутреннего сгорания.Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей имеют тенденцию быть легче и короче по сравнению с поршнями дизельных двигателей. Геометрия поршня имеет много тонкостей из-за сложности его рабочей среды, но основными частями поршня являются:

  • поршень головка , также называемая верх или головка : это верхняя часть поршня который вступает в контакт с давлением газа в камере сгорания
  • кольцевой ремень : верхняя средняя часть поршня, когда поршневые кольца расположены
  • втулка пальца : нижняя средняя часть поршня

Изображение: Оси поршневого пальца и юбки

Изображение: Основные детали поршня

где:

  1. верхняя часть поршня
  2. верхняя площадка
  3. кольцевой ремень
  4. стойки управления
  5. фиксатор штифта
  6. втулка штифта
  7. поршневой палец
  8. поршневые кольца
  9. юбка поршня

Поршень соединен с шатуном через поршневой палец (7).Штифт позволяет поршню вращаться вокруг оси штифта. Штифт удерживается на месте в поршне стопорным зажимом штифта (5).

После днища поршня идет кольцевой ремень (также называемый кольцевой зоной) (3). Большинство поршней имеют три кольцевые канавки, в которые устанавливаются поршневые кольца. Верхнее кольцо называется компрессионным кольцом , среднее — маслосъемным кольцом , а нижнее — маслосъемным кольцом . Компрессионное кольцо должно герметизировать камеру сгорания, чтобы предотвратить попадание внутренних газов в блок двигателя.Маслосъемное кольцо счищает масло со стенки цилиндра, когда поршень находится в такте рабочего хода или такте выпуска. Среднее кольцо выполняет комбинированную функцию обеспечения сжатия в цилиндре и удаления излишков масла со стенок цилиндра.

Юбка поршня (8) удерживает поршень в равновесии внутри цилиндра. Обычно он покрыт материалом с низким коэффициентом трения, чтобы уменьшить потери на трение. В поршне отверстие пальца или бобышка (6) содержит поршневой палец (7), который соединяет поршень с шатуном.

Вернуться назад

Геометрические характеристики

Поршни должны исправно работать в широком диапазоне температур от -30°C до 300-400°C. В то же время он должен быть достаточно легким, чтобы иметь низкую инерцию и обеспечивать высокие обороты двигателя. Есть несколько геометрических характеристик поршня, которые представлены ниже.

Овальность поршня

В результате процесса сгорания температура внутри цилиндров двигателя достигает сотен градусов Цельсия.Поршень является одним из основных компонентов, который поглощает часть вырабатываемого тепла и отдает его моторному маслу. Поскольку ось поршневого пальца содержит больше материала, чем ось юбки, тепловое расширение вдоль оси пальца немного больше, чем тепловое расширение вдоль оси юбки. По этой причине поршень имеет овальную форму, диаметр по оси штифта на 0,3-0,8 % меньше диаметра по оси юбки [6].

Изображение: Овальность поршня

Коническая форма поршня

Форма поршня не является идеальным цилиндром.При низкой температуре зазор между поршнем и цилиндром двигателя больше, чем при высокой температуре. Кроме того, зазор не является постоянным по длине поршня, он меньше вокруг верхней части поршня по сравнению с областью юбки поршня. Это сделано для того, чтобы обеспечить большее тепловое расширение головки поршня, поскольку она содержит больший объем металла.

Изображение: поршень клиренс (коническая форма)

Изображение: поршневое тепловое расширение (если цилиндрическая форма)

поршневой булавки на смещении поршня

Движение поршня внутри цилиндра имеет 3 градуса свободы, 1 первичная и 2 вторичная:

  • по вертикальной оси цилиндра, между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ) (первичная, ось Y)
  • вокруг ось пальца (вторичная, α – угол)
  • вдоль оси юбки (вторичная, ось x)

Первичное движение создает крутящий момент на коленчатом валу, это желательно с механической точки зрения.Второстепенные движения происходят из-за сочетания нескольких факторов: двунаправленного движения шатуна и зазора между поршнем и цилиндром. Оба вторичных движения вызывают трение о стенки цилиндра, а также шум, вибрацию (хлопки поршня).

Изображение: Упор поршня и смещение штифта

Когда коленчатый вал вращается по часовой стрелке, левая сторона цилиндра называется упорной стороной (TS) , а противоположная сторона известна как противодействующая сторона (ATS) .Удары поршня могут происходить с любой стороны цилиндра. Стук поршня возбуждает блок двигателя и проявляется в виде поверхностных вибраций, которые со временем излучаются в виде шума вблизи двигателя [9]. Еще одним неудобством является то, что при движении поршня через ВМТ и ВТЦ на коленчатый вал создается повышенная нагрузка, поскольку поршень совмещен с центром вращения коленчатого вала.

Смещение поршневого пальца — это несоосность между центром отверстия поршневого пальца и центром коленчатого вала.Имея его в конструкции, он улучшает шумовые характеристики двигателя за счет стука поршня в ВМТ. Это основная проблема NVH (шум, вибрация и резкость) для инженеров-технологов, которые хотят устранить тревожные шумы везде, где это возможно. Вторая причина заключается в повышении мощности двигателя за счет снижения внутреннего трения на ТС и САР.

Смещение штифта снижает механическое напряжение, возникающее в шатуне, когда он достигает ВМТ или НМТ, поскольку шатуну не приходится толкать поршень в противоположном направлении в конце хода.Это смещение заставляет стержень двигаться по дуге в ВМТ и НМТ.

Вернуться назад

Механическая нагрузка

Поршень – это деталь двигателя внутреннего сгорания (ДВС) , которая должна выдерживать самые большие механические и термические нагрузки. Из-за поршня мощность ДВС ограничена. В случае очень высокой термической или механической нагрузки поршень выходит из строя первым компонентом (по сравнению с блоком цилиндров, клапанами, головкой блока цилиндров). Это связано с тем, что поршень должен представлять собой компромисс между массой и устойчивостью к механическим и термическим нагрузкам.

Циклическое нагружение поршня за счет [6]:

  • силы газа от давления в цилиндре
  • силы инерции от колебательного движения поршня и
  • боковой силы от опоры силы газа наклонным шатуном, а сила инерции колеблющегося шатуна

определяет механическую нагрузку .

Вертикальные силы, действующие на поршень, состоят из: сил давления , создаваемых расширяющимися газами, и сил инерции , создаваемых собственной массой поршня [10].

\[F_{p}=F_{газ}+F_{инерия}\]

Силы инерции намного меньше, чем силы давления, и имеют наибольшую интенсивность, когда поршень меняет направление, в ВМТ и НМТ.

Изображение: поршень Von Mies rights и механическая деформация
Кредит: [7]

Изображение: поршень Вертикальные силы Функция коленчатого вала Угловой
Кредит: [7]

Вышеуказанные поршневые силы рассчитываются с использованием передовых методов анализа методом конечных элементов для алюминиевого поршня, используемого в легковых автомобилях с дизельным двигателем [7].

Процесс сгорания имеет разные характеристики для дизельного и бензинового ДВС. В дизельном двигателе пиковое давление газа при сгорании может достигать 150–160 бар. В бензиновом двигателе максимальное давление ниже 100 бар. Из-за более высокого давления дизельные поршни должны выдерживать более высокие механические нагрузки.

Для того чтобы безотказно работать в таких суровых условиях, поршни дизельных двигателей имеют большую массу, большую прочность.Недостатком является более высокая инерция, более высокие динамические усилия, поэтому более низкие максимальные обороты двигателя. Одной из причин, по которой дизельные двигатели имеют более низкую максимальную скорость (около 4500 об/мин) по сравнению с бензиновыми двигателями (около 6500 об/мин), являются более тяжелые механические компоненты (поршни, шатуны, коленчатый вал и т. д.).

Назад

Термическая нагрузка

Головка поршня находится в непосредственном контакте с горящими газами внутри камеры сгорания, поэтому она подвергается высоким термическим и механическим нагрузкам .В зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый) и типа впрыска топлива (прямой или непрямой) днище поршня может быть плоским или содержать чашу .

Тепловая нагрузка от температуры газа в процессе сгорания также является циклической нагрузкой на поршень. Он действует в основном во время такта расширения на стороне камеры сгорания поршня. В остальных тактах, в зависимости от принципа действия, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже оказывает охлаждающее действие при газообмене.Как правило, передача тепла от горячих продуктов сгорания к поршню происходит в основном за счет конвекции, и лишь незначительная часть возникает за счет излучения.

Изображение: Рабочая температура поршня
Авторы и права: [3]

Тепло, выделяющееся при сгорании, частично поглощается поршнем. Большая часть тепла передается через кольцевую часть поршня (около 70%). Юбка поршня отводит 25% тепла, а остальное передается поршневому пальцу, шатуну и маслу.Более высокая частота вращения двигателя означает более высокую температуру поршня . Это происходит потому, что накопленное тепло не успевает рассеяться между двумя последовательными циклами горения. В то же время более высокая нагрузка на двигатель означает более высокую температуру поршня, потому что происходит большее сгорание воздушно-топливной смеси, которая выделяет больше тепла.

Изображение: Распределение температуры в поршне бензинового двигателя Тепловая нагрузка поршня
Авторы и права: [7]

По отношению к такту расширения продолжительность действия тепловой нагрузки от сгорания очень мала.Поэтому лишь очень небольшая часть массы поршня вблизи поверхности со стороны сгорания подвергается циклическим колебаниям температуры. Таким образом, почти вся масса поршня достигает квазистатической температуры, которая, однако, может иметь значительные локальные колебания.

Назад

Охлаждение

По мере увеличения удельной мощности в современных двигателях внутреннего сгорания поршни подвергаются возрастающим тепловым нагрузкам. Поэтому для обеспечения эксплуатационной безопасности чаще требуется эффективное охлаждение поршня.

Изображение: 2009 Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) Головка поршня и масляная форсунка
Предоставлено: GM

Температура поршня может быть снижена путем циркуляции масла через среднюю часть поршня. Этого можно добиться с помощью маслоструйных устройств, установленных на блоке цилиндров, которые впрыскивают моторное масло через отверстие, когда поршень находится близко к нижней мертвой точке (НМТ).

Компания Tenneco Powertrain разработала новый стальной поршень для дизельных двигателей с «герметизированной на весь срок» камерой охлаждающей жидкости в днище, что позволяет поршням безопасно работать при температуре днища более чем на 100°C выше существующих ограничений.

Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
Предоставлено: Tenneco

Для формирования короны EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается встроенный охлаждающий канал, который затем заполняется высокотемпературным маслом и инертным газом. Эта камера постоянно герметизирована приваренной пробкой. Согласно Tenneco Powertrain, технология EnviroKool позволяет преодолеть температурные ограничения обычных открытых галерей, в которых в качестве теплоносителя используется смазочное масло.

Вернуться назад

Типы

Геометрия поршня ограничена кубатурой ДВС. Поэтому основным путем повышения механической и термической стойкости поршня является увеличение его массы. Это не рекомендуется, поскольку поршень с большой массой имеет большую инерцию, что приводит к большим динамическим усилиям, особенно при высоких оборотах двигателя. Сопротивление поршня можно улучшить за счет оптимизации геометрии, но всегда будет компромисс между массой, механическим и термическим сопротивлением.

На первый взгляд поршень кажется простым компонентом, но его геометрия довольно сложна:

Изображение: техническое описание дизельного поршня Kolbenschmidt

Legend:

  • Чаша Диаметр
  • Piston Crown
  • камера сгорания (чаша)
  • поршень Crown Edge
  • Piston Top Land
  • Compression Ring Ground
  • Ring Land
  • Groove Base
  • Утопленное кольцо Land
  • Groove STORE
  • SCRAPE CONG
  • RING RING BORE
  • BOST BORE
  • Piston Pin BOSS
  • Удержание для канавкой Divide
  • Piston Boss Boss
  • Piston Boss Distance
  • Stegled Edge
  • диаметр поршня снова 90 °C St Piston Pin Bore
  • Piston Pin Bore
  • Bower Глубина
  • Skirt
  • Piston Compression
  • поршневой сжатие
  • нефтяной кулер длиной
  • нефтяной кулер
  • BOOT BUST
  • диаметр измерения диаметра
  • развал короны
  • Как видите, между дизельными и бензиновыми поршнями есть существенные различия.

    Поршни дизельных двигателей должны выдерживать более высокие давления и температуры, поэтому они больше, объемнее и тяжелее. Они могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов, стали или их комбинации. Поршень дизеля содержит часть камеры сгорания в головке поршня. Из-за формы поперечного сечения головки поршня поршень дизельного двигателя также называют поршнем с головкой омега.

    Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей легче, рассчитаны на более высокие обороты двигателя.Они изготавливаются из алюминиевых сплавов и обычно имеют плоскую головку. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (DI) имеют специальные головки, чтобы направлять поток топлива в кувыркающемся движении.

    Ниже вы можете увидеть фотографии дизельных и бензиновых двигателей в высоком разрешении.

    Изображение: поршень LS9 6,2 л V-8 SC (алюминий, бензиновый/бензиновый двигатель с непрямым впрыском) (алюминий, бензиновый/бензиновый двигатель с непосредственным впрыском) )
    Кредит: Tenneco

    Назад

    Материалы

    Большинство поршней для автомобильного оборудования изготавливаются из алюминиевых сплавов .Это связано с тем, что алюминий легкий, имеет достаточную механическую прочность и хорошую теплопроводность. Существуют грузовые автомобили, предназначенные для тяжелых условий эксплуатации, в которых используются поршни из стали , которые более устойчивы к более высоким давлениям и температурам в камере сгорания.

    Алюминиевые поршни изготавливаются из литых или кованых жаропрочных алюминиево-кремниевых сплавов. Существует три основных типа алюминиевых поршневых сплавов. Стандартный поршневой сплав представляет собой эвтектический сплав Al-12%Si, содержащий дополнительно прибл.по 1% Cu, Ni и Mg [3].

    Основные алюминиевые сплавы для поршней [3]:

    • эвтектический сплав (ALSI12CUMGNI): литые или кованые
    • гиперреутектический сплав (ALSI18CUMGNI): литые или кованые
    • специальный эвтектический сплав (ALSI12CU4NI2MG): литье только

    алюминиевый сплав имеет меньшую прочность, чем чугун, поэтому необходимо использовать более толстые секции, поэтому не реализуются все преимущества легкого веса этого материала. Кроме того, из-за более высокого коэффициента теплового расширения для алюминиевых поршней должны быть предусмотрены большие рабочие зазоры.С другой стороны, теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у железа. Это, вместе с большей толщиной применяемых профилей, позволяет алюминиевым поршням работать при температурах примерно на 200 °С ниже, чем чугунных [8].

    В некоторых случаях прочность и износостойкость поршней из алюминиевого сплава недостаточны для удовлетворения требований по нагрузке, поэтому используются черные материалы (например, чугун, сталь). Существует несколько способов применения черных металлов при изготовлении поршней:

    • в качестве местного армирования, вставки из черных металлов (т.(например, держатели колец)
    • в качестве удлиненных частей композитных поршней (например, головка поршня, болты)
    • поршней, полностью изготовленных из чугуна или из кованой стали
    90 для двигателя большой мощности – поперечное сечение
    Кредит: [8]

    Изображение: Композитный поршень для судовых дизельных двигателей
    Кредит: Warstila

    Существует два типа черных металлов, используемых для поршней или поршней Комплектующие [6]:

      • :
        • AusteNitic Chast Ment для кольцевых перевозчиков
        • чугун с сфероидальным графитом для поршней и поршневых юбок
      • сталь
      • Chromium-Molybdreum сплав (42CRMO4)
      • хром-молибден-никелевый сплав (34CrNiMo6)
      • молибден-ванадиевый сплав (38MnVS6)

    Cas Железные материалы обычно имеют содержание углерода > 2%.Поршни высоконагруженных дизелей и другие высоконагруженные детали двигателей и конструкций машин изготавливают преимущественно из сферолитного чугуна марки М-С70. Этот материал используется, например, для цельных поршней и юбок поршней в составных поршнях [6].

    Сплавы железа, обозначаемые как стали, обычно имеют содержание углерода менее 2%. При нагревании они полностью переходят в ковкий (пригодный для ковки) аустенит. Поэтому сплавы железа отлично подходят для горячей штамповки, такой как прокатка или ковка.

    Изображение: стальной поршень по сравнению с алюминиевым поршнем
    Авторы и права: Kolbenschmidt

    По сравнению с алюминиевыми поршнями стальные поршни обладают большей механической прочностью при гораздо меньших размерах. По этой причине они в основном предпочтительны для дизельных двигателей, которыми оснащаются грузовые автомобили.

    Назад

    Технологии

    Существует несколько передовых поршневых технологий, каждая из которых предназначена для повышения механической и/или термической стойкости, снижения коэффициента трения или снижения общей массы (сохраняя при этом механические и термические свойства ).

    Ниже приведены примеры современных поршней, изготовленных компанией Kolbenschmidt , каждый из которых отличается своей технологией.

    Изображение: Дизель поршень с каналом охлаждения, Болт Буш и кольцо Перевозчик
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Дизель сочлененный поршень с кованой верхней стальной секции и алюминиевой юбки
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Поршень бензинового двигателя облегченной конструкции LiteKS® с держателем кольца
    Предоставлено: Kolbenschmidt

    Изображение: Литые держатели колец из чугуна во много раз увеличивают срок службы первой кольцевой канавки дизельных поршней.Kolbenschmidt является лидером в разработке склеивания кольца и держателя кольца Alfin
    . Фото: Kolbenschmidt

    Поршни KS Kolbenschmidt имеют специальные покрытия LofriKS®, NanofriKS® или графит на юбке поршня. Они уменьшают трение внутри двигателя и обеспечивают хорошие аварийные характеристики. Покрытия LofriKS® также используются по акустическим причинам.Их использование минимизирует шум поршня. NanofriKS® является дальнейшим развитием испытанного покрытия LofriKS® и дополнительно содержит наночастицы оксида титана для повышения износостойкости и долговечности покрытия. ®) гарантируют надежную работу при использовании на алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil®)
    Авторы и права: Kolbenschmidt

    долговечность поршня
    Кредит: Kolbenschmidt

    Ниже вы можете найти образцы современных поршней, изготовленных компанией Tenneco Powertrain (ранее Federal Mogul) , каждый из которых использует отличительные технологии.

    Изображение: Поршень Elastothermic® (алюминиевый поршень для бензиновых/бензиновых легковых автомобилей)

    Характеристики:
    – охлаждаемый канал поршня повышает мощность и расход топлива бензиновых двигателей уменьшенного размера
    – эластотермический канал охлаждения снижает температуру днища поршня на около 30°C
    – снижение температуры первой кольцевой канавки примерно на 50°C, что, как следствие, снижение нагарообразования и износа канавок и колец для увеличения срока службы низкий расход масла и продувки на
    – снижение риска неконтролируемого сгорания, например, низкоскоростного предпускового зажигание

    Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: Алюминиевые поршни дизельного двигателя

    Характеристики:
    – оптимизированное расположение каналов для максимального охлаждения может привести к снижению температуры обода дежи до 10 %
    – усовершенствованное боковое литье методы значительно улучшают структурную стабильность (даже при тонкостенных конструкциях)
    – реструктуризация камеры сгорания wl обод и основание чаши могут обеспечить увеличение усталостной долговечности до 100 %

    Поршень Monosteel® обладает прочностью и эффективностью охлаждения, чтобы соответствовать самым жестким требованиям к двигателям для тяжелых и промышленных двигателей, включая новое поколение двигателей с рабочим давлением, требуемых для дорожного движения Euro VI и выше.

    Прочная конструкция из кованых стальных профилей, сваренных инерционной сваркой, образующих большие охлаждающие галереи, позволяет поршням Monosteel выдерживать возрастающие механические нагрузки. Эволюция Monosteel включает в себя последние разработки для промышленных двигателей большого диаметра, а также использование тонкостенных легких поковок и литья для дизельных двигателей легковых автомобилей.

    Особенности продукта:
    – большая закрытая структурная галерея с превосходным охлаждением обода чаши и кольцевой канавки, уменьшающая деформацию канавки и улучшающая контроль масла и газонепроницаемость
    – профилированное отверстие под палец без втулки
    – юбка во всю длину для стабильного поршня динамика, снижение риска кавитации гильзы и улучшение кольцевого уплотнения
    — процесс обеспечивает гибкость материала с вариантами материала короны для снижения коррозии или окисления и/или вариантами материала юбки для повышения технологичности.

    Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul). более эффективные конструкции двигателей, в том числе сниженный расход топлива и выбросы CO 2 . Оно сочетает в себе низкий износ и низкое трение в одном применении и снижает расход топлива на 0,8 % по сравнению с обычными покрытиями поршней.

    Основные преимущества:
    – совместим с существующими и усовершенствованными покрытиями цилиндров и может быть легко внедрен в массовое производство двигателей в качестве замены при эксплуатации
    – состав обеспечивает большую толщину, чем поршни с обычными покрытиями, обеспечивая дополнительную защиту
    – соответствует строгим экологическим стандартам ; не содержит токсичных растворителей
    – запатентованное усовершенствованное покрытие юбки поршня с твердыми смазочными материалами и армированием углеродными волокнами, специально разработанное для тяжелых условий работы с бензиномстандартные покрытия, до 0,4 % улучшение экономии топлива/CO 2 сокращение в европейских испытаниях ездового цикла
    – износ на 40 % меньше, чем у стандартных бензиновых покрытий, повышенная надежность в современных форсированных бензиновых двигателях с прямым впрыском
    – EcoTough® запатентованное покрытие FM

    Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: поршень DuraBowl® (алюминиевый поршень для дизельных легких или большегрузных автомобилей)

    Усиление поршня DuraBowl® :
    – чрезвычайное улучшение структуры алюминиевого материала, полученное путем локального повторного плавления по технологии TIG
    – до 4 раз повышенная износостойкость в двигателях с высокой удельной мощностью по сравнению с поршнями без повторного плавления камеры.Позволяет использовать формы камеры сгорания, подвергающиеся высоким нагрузкам
    – процесс FM DuraBowl® расширяет пределы алюминиевых поршней в самых сложных условиях за счет увеличения усталостной прочности (циклов) поршня

    Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: Elastoval II сверхлегкие поршни (алюминиевый поршень для бензиновых/бензиновых легковых автомобилей)

    Технология бензиновых поршней Avanced Elastoval® II основана на:
    – глубоких подпорных карманах
    – наклонных боковых панелях
    – облегченной конструкции штифтовой опоры
    – тонких стенках 2.5 мм
    – оптимизированная площадь юбки и гибкость
    – высокоэффективный сплав FM S2N

    Особенности и преимущества:
    – снижение веса на 15 % по сравнению с бензиновыми поршнями предыдущего поколения
    – удельная мощность до 100 кВт/л
    – оптимизированный Шум и трение
    Совместимость с держателем кольца Alfin для повышения пикового давления в цилиндре и устойчивости к детонации для?

    Поршни используются в двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия на шатун и коленчатый вал, создавая таким образом крутящий момент двигателя.Поршни преобразуют давление газа из камеры сгорания в механическую силу.

    Что такое поршень и как он работает?

    Поршень — это деталь двигателя внутреннего сгорания, изготовленная из алюминия или стали, используемая для преобразования давления газа из камеры сгорания в механическую силу, передаваемую на шатун и коленчатый вал.

    Из чего сделан поршень?

    Поршень может быть изготовлен из цветного металла, алюминия (Al) или черного материала, например, из чугуна или из стали .

    Какие существуют два типа поршневых колец?

    Два типа поршневых колец: компрессионные кольца и маслосъемные кольца .

    Какие существуют два основных типа поршневых двигателей?

    Два основных типа поршневых двигателей: дизельный двигатель поршень и бензин (бензиновый) двигатель поршень. Функция материала, два основных типа поршня: поршень из алюминия и поршень из стали .

    Как долго должны служить поршни?

    Поршень должен служить в течение всего срока службы автомобиля при номинальных условиях эксплуатации (нормальная смазка, регулярное техническое обслуживание двигателя, отсутствие чрезмерных нагрузок, отсутствие перегрева). В нормальных условиях эксплуатации поршень должен прослужить не менее 300 000 км, а затем 500 000 км и более.

    Что вызывает появление отверстий в поршнях?

    Обычно аномально высокие температуры вызывают плавление поршней, а детонация двигателя может привести к растрескиванию поршней.Неисправные форсунки могут подавать в цилиндры чрезмерное количество топлива, что может привести к аномально высоким температурам сгорания и частичному расплавлению поршней.

    Как узнать, повреждены ли поршни?

    Если поршень поврежден, наиболее вероятными симптомами являются: потеря мощности из-за потери компрессии, чрезмерный дым в выхлопе или необычный шум двигателя.

    Можете ли вы починить сломанный поршень?

    Сломанный поршень ремонту не подлежит, его необходимо заменить.Поршень имеет очень жесткие геометрические допуски, которые, скорее всего, не могут быть соблюдены после ремонта. Кроме того, их механические и термические свойства будут изменены после ремонта, что приведет к дальнейшему повреждению. Сломанный поршень может привести к значительному повреждению блока цилиндров, шатуна, клапанов и т. д. и должен быть немедленно заменен.

    Можно ли водить машину с неисправным поршнем?

    Можно ездить с неисправным поршнем, но не рекомендуется. Повреждение поршня может привести к серьезному выходу из строя блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, клапанов и т. д.Если поврежденный поршень не заменить, это может привести к полной поломке двигателя.

    Повредит ли мой двигатель удар поршня?

    Стук поршня приведет к повреждению двигателя, оставленного без присмотра. Стук поршня в течение длительного времени повреждает гильзу цилиндра и сам поршень.

    Пропадает ли стук поршня при прогреве?

    Стук поршня частично исчезнет, ​​когда двигатель прогреется. Стук поршня возникает из-за чрезмерного износа гильзы цилиндра или самого поршня.Когда двигатель нагревается, поршень подвергается тепловому расширению, и зазор между поршнем и цилиндром уменьшается, что приводит к уменьшению ударов поршня.

    Можно ли ездить с лязгом поршня?

    Ездить с лязгом поршня можно, но долго ездить не рекомендуется. Стук поршня приведет к износу самого поршня и гильзы цилиндра. Стук поршня также может вызвать трещины в поршне, что может привести к полному отказу двигателя, если оставить его без присмотра.

    Что вызывает износ юбки поршня?

    Износ юбки поршня вызван отсутствием масляной смазки гильзы цилиндра.В нормальном рабочем состоянии система смазки разбрызгивает масло на цилиндры, чтобы избежать прямого контакта между юбкой поршня и цилиндром. При неисправности системы смазки или при недостаточном уровне масла на стенках цилиндров будет недостаточно масла, а юбка поршня будет сильно изнашиваться.

    По любым вопросам, наблюдениям и запросам по этой статье используйте форму комментариев ниже.

    Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться!

    Назад

    Ссылки

    [1] Клаус Молленхауэр, Хельмут Чоке, Справочник по дизельным двигателям, Springer, 2010.
    [2] Hiroshi Yamagata, Наука и технология материалов в автомобильных двигателях, Woodhead Publishing in Materials, Cambridge, England, 2005.
    [3] The Aluminium Automotive Manual, Европейская ассоциация алюминия, 2011. , Технология транспортных средств и двигателей, Общество автомобильных инженеров, 1999.
    [5] QinZhaoju et al, Моделирование термомеханического сцепления поршня дизельного двигателя и междисциплинарная оптимизация конструкции, Тематические исследования в области теплотехники, Том 15, ноябрь 2019 г.
    [6] Испытания поршней и двигателей, Mahle GmbH, Stuttgart, 2012.
    [7] Скотт Кеннингли и Роман Моргенштерн, Термическая и механическая нагрузка в области камеры сгорания дизельных поршней AlSiCuNiMg легковых автомобилей; Рассмотрено с акцентом на расширенный анализ методом конечных элементов и методы инструментального тестирования двигателей, Federal Mogul Corporation, документ SAE 2012-01-1330.
    [8] Т.К. Garrett et al., The Motor Vehicle, 13th Edition, Butterworth-Heinemann, 2001.
    [9] N.Dolatabadi et al., Об идентификации случаев удара поршня в двигателях внутреннего сгорания с использованием трибодинамического анализа, Mechanical Systems and Signal Processing, Volumes 58. –59, июнь 2015 г., страницы 308–324, Elsevier, 2014 г.
    [10] Клаус Молленхауэр и Хельмут Чоке, Справочник по дизельным двигателям, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010.

    Поршень и кольца для дизельных двигателей

    ‘) var head = document.getElementsByTagName(«head»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» сценарий.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» script.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.Цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») document.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.селектор запросов(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { toggle.setAttribute(«роль», «кнопка») toggle.setAttribute(«tabindex», «0») toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный переключать.setAttribute(«расширенная ария», !расширенная) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаOption.classList.add(«расширенный») } еще { покупкаOption.classList.remove(«расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = окно.выборка && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Buybox : ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Modal : ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) модальный.domEl.addEventListener(«закрыть», закрыть) функция закрыть () { form.querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox.перехват формы отправки ( Buybox.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { form.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.представить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) document.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { если (документ.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { событие.preventDefault() документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { var buyboxWidth = buybox.смещениеШирина ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (buyboxWidth > 480) { переключить.щелчок() } еще { если (индекс === 0) { переключать.щелчок() } еще { toggle.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

    Анализ причин возгорания поршня дизельного двигателя-QUFU JINHUANG PISTON CO., LTD

    Дизельный двигатель в процессе использования верхнего горения является обычным явлением, эта статья будет в основном из следующих аспектов дизельных поршневых горящих верхних причин, я надеюсь, что пользователи усилит обслуживание использования дизельных двигателей, дизель двигатель поддерживался в хорошем состоянии. Дизельный поршень сжигание верхней части основных причин:

        1. Дизельный поршень сильного износа или разрушения масла на каналах, что приводит к горению поршня сверху. 3. Выбор низкосортных смазочных материалов, ускоренный износ цилиндров дизеля, повышение давления выхлопных газов в картере, повышенное нагарообразование в камере сгорания, в результате чего поршень прогорает сверху.

        2. Подтекание форсунки или плохое распыление, дизельный двигатель в течение длительного времени сгорает в верхней части поршня, вызывая высокую температуру верхней части поршня, так что верхняя часть поршня горит.

        3. Неправильный верхний зазор поршня, неправильная регулировка верхнего зазора поршня при сборке дизеля повлияет на степень сжатия дизеля, что приведет к прогоранию поршневого цилиндра или поршня, что требует строгой регулировки дизеля в соответствии с требованиями при сборке.

         4. Подача топлива в цилиндр дизельного двигателя и время подачи топлива неравномерны, так что часть процесса сгорания в цилиндре ухудшается, образование кокса или серьезное дожигание, теплота сгорания дизельного топлива, так что часть температуры верхней части поршня цилиндра слишком высока, что приводит к термическая усталость материала дизельного двигателя Пригорание, приводящее к пригоранию верхней части поршня.

    5. Поршневое кольцо повреждено или сломано. Поршневые кольца повреждены или сломаны, что приводит к тому, что сборка поршневого кольца не может закрыть стенку цилиндра, верхняя часть поршня не может рассеивать крупномасштабное тепло, но также ведет к канализации высокотемпературного газа, в результате чего верхний поршень и канавка поршневого кольца перегреваются. и плавление.

         6. Проблемы с качеством гильзы цилиндра поршня, если поршень в отливке наличие пористости, пористости, микротрещин, шлака и других дефектов, под действием высокой температуры и высокого давления, эти дефекты станут источником усталость и привести к усталости усталости; поршень Шлак расплавляется первым, вызывая возгорание поршня. Поэтому при выборе поршня в дизельном двигателе необходимо обратить внимание на выбор оригинального поршня или поршня отличного качества.

         7.Перегруженная скорость работы дизеля в течение длительного времени, разрушение системы охлаждения двигателя. Поршни испытывают длительные термические и механические нагрузки, усталость и унос.

         8. Многие малые и средние дизельные двигатели из-за небольшого диаметра цилиндра, выполнить сложную внутреннюю и внешнюю компоновку поршня сложнее, поэтому большая часть поршня не снабжена ребрами жесткости,

    Оба увеличения толщина верхней части поршня соответствует требованиям прочности, но слишком толстая конструкция верхней части поршня увеличивает теплоемкость днища поршня, с одной стороны, и замедляет рассеивание тепла, с другой стороны, что приводит к повышению температуры днища поршня, вызывая головка поршня Высокая термическая нагрузка легко приводит к повреждению верхней части поршня от термической усталости.

    Охлаждение поршня

    Охлаждение поршня

    Ханну Яаскеляйнен

    Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
    Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

    Abstract : Максимальная температура поршня должна контролироваться, чтобы предотвратить преждевременный износ поршня и повреждение двигателя. Поршень может охлаждаться масляной струей, направленной на нижнюю часть поршня, или маслом, протекающим через охлаждающий канал или галерею, встроенную в поршень.

    Температура поршня

    Максимальная температура поршня или, точнее, определенных ключевых областей поршня, таких как канавка верхнего кольца и кромка стакана, должна контролироваться, чтобы предотвратить преждевременный износ и выход из строя поршня и последующее повреждение двигателя. Поршню передается около 3-5% энергии топлива в покоящихся камерах сгорания и 6-8% в вихревых камерах. Если поршень не охлаждается, до 60 % этого тепла может проходить через область поршневых колец в рубашку охлаждения.Дополнительное тепло передается через юбку в рубашку охлаждающей жидкости и от нижней стороны поршня через масляные брызги/туман к картерному маслу [371] . Если поршень охлаждается маслом, значительная часть этого тепла уносится маслом, уменьшая относительное количество тепла, проходящего через область кольца. На рис. 1 показано влияние этой теплопередачи в поршне бензинового двигателя и поршне [3466] дизельного двигателя с масляным охлаждением.

    Рисунок 1 .Максимальное распределение температуры в поршне дизельного двигателя с бензиновым и масляным охлаждением

    (Источник: Мале)

    Температура поршня бензинового двигателя максимальна в центре днища поршня и падает к верхней части поршня. Для поршней дизельных двигателей и бензиновых двигателей с прямым впрыском с чашеобразным поршнем максимальная температура возникает на ободе чаши и оттуда падает к центру чаши и к верхнему поясу. В дизельных двигателях профиль температуры по окружности обода камеры сгорания в значительной степени определяется количеством и ориентацией отверстий для впрыска, давлением впрыска, временем и продолжительностью впрыска, а также геометрией камеры сгорания.Самые высокие температуры вокруг кромки чаши возникают в местах, совпадающих с центром горящих форсунок дизельного топлива. В результате неравномерного подвода тепла через эти «лепестки горения» характерен волнообразный профиль температуры. Разница между максимальной и минимальной температурой по окружности края чаши в некоторых случаях может превышать 40°C.

    Термическая нагрузка на поршень и результирующий температурный профиль влияют на работу поршня и, в случае превышения максимальных температурных пределов, могут привести к выходу из строя компонента и повреждению двигателя.Три критических эффекта: [3466] :

    • Усталостная прочность поршня. Повышенная температура поршня снижает сопротивление усталости поршня. В некоторых алюминиевых поршневых сплавах потеря сопротивления усталости может достигать 80% по сравнению со свойствами при комнатной температуре. Черные металлы менее чувствительны при температурах до 400°C.
    • Если температура в области поршневого кольца становится слишком высокой, это может привести к пластической деформации и повышенному износу, особенно в первой канавке поршневого кольца.Кроме того, закоксовывание смазки может привести к отложению нагара в кольцевой канавке, что может действовать как изолятор или вызывать залипание кольца.
    • Радиальная деформация поршня. Это влияет на шум, потери на трение и зазоры между поршнем и другими компонентами. Если достаточные зазоры не поддерживаются во всех возможных режимах работы двигателя, это может привести к заклиниванию поршня или его контакту с клапанами.

    Некоторые типичные значения температуры для поршней легковых автомобилей составляют [3466] :

    .
    • Центр днища поршня (бензиновый двигатель, порт впрыска) 270–310°C
    • Головка поршня (бензиновый двигатель, непосредственный впрыск) 270–350°C
    • Обод чаши (дизельный двигатель, непосредственный впрыск) 350–400°C
    • Опорная поверхность 200–250°C
    • Отверстие под штифт (зенит) 200–250°C
    • Верхняя кольцевая канавка (струйное охлаждение, канал охлаждения солевой сердцевины) 200–280°C
    • Верхняя кольцевая канавка (охлаждаемый держатель кольца) 180–230°C
    • Охлаждающий канал (зенит) 250–300°C

    Основной причиной охлаждения поршня является контроль температуры в нескольких из вышеперечисленных ключевых областей.Температура поршня масштабируется в зависимости от выходной мощности двигателя, поэтому во избежание перегрева поршня выходная мощность двигателя может быть ограничена температурой поршня, рис. 2. На этом рисунке показана номинальная мощность на единицу площади поршня (π · диаметр отверстия 2 / 4) для двигателей, обследованных в 1990-е годы [371] .

    Рисунок 2 . Мощность двигателя на единицу площади поршня для двигателей примерно 1990-х гг.

    Примечание: Для диаметра/хода ~ 1, 1,0 МВт/м 2 ~ 10 кВт/л

    В устройствах с более низкой удельной мощностью, оснащенных алюминиевыми поршнями, проводимость материала высока, а площади поверхности, контактирующие с гильзой, достаточно велики, чтобы поршень можно было эксплуатировать без охлаждения или с распылением масла, направленным на дно поршня без превышения максимального поршня. температуры.С железными поршнями это, как правило, невозможно из-за меньшей площади поверхности, контактирующей с гильзой, и низкой теплопроводности материала; обязательно масляное охлаждение [371] .

    ###

    Поршни двигателя – обзор

    3.2 Силовые установки на природном газе с поршневым двигателем

    Поршневой или поршневой двигатель имеет долгую историю использования в производстве электроэнергии. Некоторые из самых первых угольных электростанций, построенных в 19 веке, использовали паровые поршневые двигатели для привода генераторов.Современные поршневые двигатели используются в основном для транспорта. Небольшие двигатели используются в отечественных транспортных средствах, а более крупные — в грузовых автомобилях, локомотивах и кораблях. Эквивалентные двигатели могут быть адаптированы для рынка производства электроэнергии. Что касается выходной мощности, размеры могут варьироваться от 0,5 кВт до 65 МВт.

    Существует две основные категории поршневых двигателей, подходящих для выработки электроэнергии, двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия, но только первый из них может работать на природном газе.Двигатели с воспламенением от сжатия обычно работают на дизельном топливе. Существуют также различные циклы, в которых может работать поршневой двигатель. Двумя наиболее распространенными являются двухтактный и четырехтактный двигатель. Двигатели, использующие оба типа цикла, могут работать на природном газе.

    Еще одной переменной является соотношение воздуха и топлива в камере сгорания (цилиндре) двигателя. Некоторые работают с примерно стехиометрическим соотношением кислорода из воздуха и топлива, так что кислорода как раз достаточно для сгорания всего топлива.Такие двигатели относятся к двигателям с богатым горением. Эти двигатели, как правило, работают при высоких температурах сгорания, что может привести к образованию относительно высоких уровней оксидов азота, а также других загрязняющих веществ. Альтернативой является двигатель с обедненной смесью, в котором воздуха (и кислорода) гораздо больше, чем требуется для сгорания. Избыток воздуха приводит к снижению температуры сгорания в цилиндрах двигателя и снижению уровня загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателя. В нормальных условиях двигатель с обогащенным горением обычно обеспечивает более высокий КПД, чем двигатель с обедненной смесью.Однако современная конструкция двигателей, работающих на обедненной смеси, позволяет им достигать столь же высокого уровня эффективности при сохранении более низких уровней выбросов.

    Как и в случае с паротурбинными установками, работающими на природном газе, основным экологическим аспектом является NO x . Двигатели с богатым горением, работающие на природном газе, обычно требуют какой-либо системы каталитического восстановления для удаления NO x и приведения уровня выбросов в соответствие с местными нормами. Некоторые двигатели, работающие на обедненной смеси, могут соответствовать экологическим нормам без необходимости в дополнительных системах контроля выбросов.Двигатели также производят двуокись углерода, но маловероятно, что применение технологии улавливания углерода к поршневым двигателям будет рентабельным, за исключением самых крупных установок.

    Поршневые двигатели, работающие на природном газе, доступны в размерах от 0,5 кВт до примерно 6 МВт. Для электростанций большего размера обычно требуется несколько двигателей. Хотя можно построить более крупные поршневые двигатели, они обычно работают на мазуте в качестве топлива, а не на природном газе. Скорость поршневого двигателя зависит от его размера.Двигатели, работающие на природном газе, могут быть либо высокоскоростными (1000–3000 об/мин) мощностью от 0,5 кВт до 6 МВт, либо среднескоростными (275–1000 об/мин), мощность которых обычно начинается с 1 МВт. Двигатели большего размера с меньшей скоростью обычно более надежны и обычно выбираются для непрерывной работы. Там, где требуется прерывистая работа, часто выбирают меньшие по размеру высокоскоростные двигатели, потому что они, как правило, дешевле, хотя и менее надежны.

    Двигатели, работающие на природном газе, используются для производства электроэнергии по-разному.Многие из них используются для приложений распределенной генерации, где они поставляют электроэнергию непосредственно местным потребителям. Некоторые из этих двигателей используются в режиме когенерации, при котором отработанное тепло двигателя используется для нагрева воды. Это может привести к очень высокой общей эффективности. Другое распространенное применение — резервирование сети, при этом системы спроектированы таким образом, что они запускаются, как только происходит перебой в электроснабжении. Двигатели на природном газе также могут использоваться в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра или солнечная энергия, в приложениях типа микросетей, где они также используются в качестве резервного источника питания.

    Анализ и оптимизация поршня дизельного двигателя на основе метода ABC-OED-FE максимальная температура и максимальное напряжение сцепления. Для начала рассчитываются граничные условия поля температур и напряжений, включающие теплоту, выделяемую при сгорании в цилиндре, теплоту трения и теплоту, передаваемую системе охлаждения.Затем была создана конечно-элементная модель для расчета и анализа температурных и термомеханических полей напряжений сцепления поршня. Комбинируя эту имитационную модель с ортогональными экспериментальными методами проектирования, были выполнены расчеты и анализы, чтобы определить, как пять геометрических параметров (глубина канавок впускных и выпускных клапанов, радиус перехода канавок клапанов, радиус вершины канавок клапанов, высота первого поршневого кольца канавка и глубина канавки поршневого кольца) влияют на два показателя оценки (максимальная температура и максимальное напряжение поршня).В дальнейшем с помощью предложенного метода ABC-OED-FE (искусственная пчелиная семья, ортогональный план эксперимента и уравнения подгонки) были определены уравнения подгонки между геометрическими параметрами и оценочными показателями. Принимая минимальные значения двух оценочных показателей поршня в качестве целей оптимизации, для определения значений параметров был запущен метод искусственной пчелиной семьи. Наконец, были рассчитаны два оценочных показателя оптимизированного поршня. Результаты показывают, что после оптимизации максимальная температура поршня снижается до 16.05 К и максимальное напряжение снижается до 13,54 МПа. Были улучшены как температурные, так и напряженные условия оптимизированного поршня, что демонстрирует эффективность оптимизации и достоверность алгоритма.

    1. Введение

    С развитием науки и техники удельная мощность дизельного двигателя постоянно увеличивается. В результате также увеличилась тепловая нагрузка и механическая нагрузка, воздействующая на высокотемпературные компоненты цилиндров двигателя, особенно на поршни.По результатам имитационного анализа [1], при работе тяжелого дизеля в условиях плато, тепломеханические напряжения муфты могут возрастать до 167 МПа. Продолжительная эксплуатация в таких условиях может привести к усталостному повреждению внутренней части поршней и даже к выходу из строя из-за усталости при ползучести. Совокупный эффект усталости и ползучести резко сократит срок службы поршня и других высокотемпературных компонентов и серьезно повлияет на надежность всего двигателя.

    В связи с такой ситуацией было проведено обширное исследование.Условия сгорания в цилиндре могут обеспечить граничные условия для расчета поля термических напряжений и поля напряжений термомеханической связи поршня. Перед изучением температурного поля поршня необходимо проанализировать сгорание. Джихан и др. [2] проанализировали влияние трех различных типов камер сгорания на условия сгорания. Результаты показывают, что камера сгорания M имеет лучший коэффициент сгорания, и необходимо принять некоторые другие меры для улучшения характеристик сгорания.Ван и др. [3] изучали взаимосвязь между степенью сжатия и типом воспламенения дизеля. Результаты показывают, что для улучшения качества сгорания необходимо увеличить время воспламенения и увеличить пределы воспламеняемости. Юань и др. [4] установили модель сцепления, чтобы имитировать характер сгорания генератора со свободным поршнем. Результаты показывают, что двигатель со свободным поршнем имеет большую продолжительность сгорания и что среднее давление и температура в цилиндре обычно ниже, чем у обычного двигателя.Хан и др. [5] изучали влияние геометрии поршня и других параметров на сгорание двигателя. С помощью программного обеспечения AVL-FIRE они создали модель гидродинамики горения. Различные геометрические формы поршня: тороидальная возвратная камера сгорания (TRCC), тороидальная камера сгорания (TCC) и базовая полусферическая камера сгорания (HCC). Результаты показывают, что TRCC лучше, чем другие камеры. Генг и др. [6] реализовали двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (DACIC), что позволило авторам лучше контролировать процесс сгорания.Результаты показывают, что DACIC имеет более широкий диапазон степени сжатия. Есть также некоторые исследования, посвященные камере сгорания [7], стабильности горения [8], характеристикам горения [9] и так далее [10].

    Для поля температуры поршня другим важным источником тепла является теплота трения. Кроме того, условия трения между поршнем и гильзой цилиндра также могут влиять на динамические характеристики двигателя. Поэтому это важно для изучения трения. Бору Цзя и др.[11] исследовали и сравнивали различные механизмы трения двигателей со свободным поршнем (FPE) и двигателей с коленчатым валом (CSE). Подробное содержание трения включает характеристики трения поршневых колец, характеристики трения юбки поршня, характеристики трения зубчатой ​​передачи и характеристики трения кривошипа и подшипника для CSE. Результаты показывают, что, по сравнению с CSE, FPE не имеют явного преимущества в фрикционных характеристиках. Чтобы реализовать точное измерение фрикционного состояния поршня в режиме реального времени, Fang et al.[12] предложили усовершенствованный метод измерения. Результаты показывают, что улучшенная система измерения является точной и надежной по сравнению с исходной. Сёдерфьялль и др. [13] изучали условия трения в дизельном двигателе при различных переменных, таких как различные конструкции поршневых колец, различная шероховатость гильз цилиндров и различные сорта масла. Используя данные эксперимента, они создали имитационную модель для анализа условий трения поршня. Есть также некоторые исследования, посвященные потерям на трение [14], переносу смазочного масла между поршнем и гильзой цилиндра [15], экспериментальному изучению трения [16] и т.д.

    Чтобы улучшить рабочее состояние поршня и двигателя, многие исследователи изучили метод оптимизации для снижения тепловой и механической нагрузки на поршень. Сюй и др. [17] смоделировал поршень нового кулачкового двигателя с использованием метода конечных элементов. Путем объединения результатов расчета были представлены предложения по оптимизации и усовершенствованию, заключающиеся в установке теплоизоляционных винтов на поршень. Результаты моделирования показывают, что как температура, так и деформация оптимизированного поршня в определенной степени снизились.Ван и др. [18] провели анализ полей температуры и напряжений поршня судового дизеля с помощью созданной конечно-элементной модели. Фрикционный износ поршня был проанализирован путем объединения соответствующих моделей, прежде чем был предложен ряд предложений по оптимизации. Достоверность оптимизации проверена тестами. Чжаоцзюй и др. [19] изучали соответствующие зависимости между «высотой днища поршня», «отверстиями на поршневом пальце», «массой поршня» и «максимальной температурой поршня», «максимальным механическим напряжением» и «максимальной термомеханической нагрузкой». напряжения сцепления», приняв методы экспериментального проектирования.Вес поршня и максимальное напряжение сцепления были оптимизированы по результатам расчета. Чжан и др. [20] сравнили и изучили закон влияния ω волнообразной вершины поршня на сгорание смесевого топлива и работу дизеля. Результаты показывают, что волнообразная верхняя часть поршня лучше подходит для повышения эффективности сгорания и снижения выбросов выхлопных газов. Садик и Айер [21] изучали закономерность влияния степени сжатия, формы днища поршня на сгорание топлива и характеристики двигателя.Результаты показывают, что поршень с большим расщеплением и большая степень сжатия могут улучшить характеристики двигателя. Есть также некоторые исследования, посвященные динамическому моделированию и оптимизации параметров поршня [22], влиянию различной камеры поршня [23], многокритериальной оптимизации поршня с использованием методологии поверхности отклика [24] и так далее [25–27].

    Вышеуказанная литература выявила следующие проблемы, связанные с текущим направлением исследований поршней: (1) существующие исследования редко включали поршни в дизельных двигателях большой мощности; эти поршни обычно работают в суровых условиях окружающей среды и легко страдают от усталостного разрушения, поэтому им следует уделять больше внимания; 2) при расчете и анализе полей температур и напряжений поршня учитывались не все граничные условия; е.ж., такие проблемы, как выделение тепла при трении между комплектом поршневых колец и гильзой цилиндра, в большинстве литературы не рассматривались; (3) оптимизация геометрической структуры поршня была чисто эмпирической или нацелена только на одну переменную, а взаимодействия между различными факторами не учитывались, что вызывало отсутствие теоретической поддержки и надлежащей убедительности.

    Основная цель исследования основана на рабочем состоянии, температуре и условиях напряжения для оптимизации геометрии поршня для облегчения рабочего состояния поршня.На основе соответствующих исследований и в сочетании с максимальной температурой и максимальным напряжением поршня в этой статье обсуждается оптимизация трехмерной геометрической структуры поршня. При расчете полей температур и напряжений поршня учитывались граничные условия, такие как теплота, выделяемая при сгорании, теплота, выделяемая при трении, и теплота, отводимая в систему охлаждения. Кроме того, в процессе оптимизации были приняты метод ортогонального планирования эксперимента (OED) и алгоритм искусственной пчелиной семьи (ABC), что сделало процесс оптимизации более научным, а результаты оптимизации более надежными.Основная работа данной статьи включает в себя следующие части. В первой части были проанализированы граничные условия для расчета температурных полей и полей напряжений поршня, которые включают теплоту, выделяемую при сгорании, теплоту, выделяемую трением между комплектом поршневых колец и гильзой цилиндра, теплоту, отводимую в систему охлаждения, и механическую силу, приложенную к поршню. на поршне. Во второй части с использованием граничного условия и созданной конечно-элементной модели были проанализированы температурное поле и поле термомеханических сопряженных напряжений поршня; результаты расчетов подтверждены испытаниями.В третьей части, исходя из ограничений и целей оптимизации, были определены 5 геометрических параметров, подлежащих оптимизации. Правило влияния этих параметров на два показателя (максимальная температура и максимальное напряжение поршня) было рассчитано и детально проанализировано с использованием метода OED. В четвертой части с помощью предложенного метода АВС-ОЭД-КЭ была установлена ​​соответствующая связь между параметрами оптимизации и показателями оценки, а также определены оптимальные геометрические параметры поршня.В пятой части были рассчитаны и проанализированы поля температур и напряжений оптимизированного поршня, что подтвердило эффективность оптимизации и правильность алгоритма.

    2. Граничные условия полей температур и напряжений поршня
    2.1. Тепло, выделяемое при сгорании

    Для детального расчета и анализа полей температуры и напряжений поршня была создана модель процесса сгорания дизельного двигателя [28] для расчета и анализа граничных условий полей.Путем расчета была получена тенденция изменения температуры и коэффициента теплопередачи газа в цилиндре при изменении угла поворота коленчатого вала, как показано на рисунке 1.


    Для проверки точности модели расчета и результатов, были проведены испытания по измерению таких параметров, как мощность и крутящий момент дизеля. Затем измеренные значения сравнивали с расчетными значениями. Конфигурация испытательного стенда показана на рис. 2. Это устройство, используемое для определения состояния сгорания в дизеле и измерения параметров газа в цилиндре [29].Испытательная система в основном состоит из нескольких частей, включая компьютерную систему управления, дизель и его пусковой двигатель, выходной динамометр, систему анализа сгорания дизельного топлива и блок управления системой. Блок управления системой может контролировать всю лабораторию, измерять данные с помощью датчиков и обрабатывать результаты. Дизель и его стартовый двигатель являются объектом данного исследования и основной частью лаборатории. Выходной динамо-метр может измерять параметры состояния дизеля. Система анализа сгорания дизельного топлива может измерять изменение показателей оценки двигателя, регулируя значение впуска, значение выхлопа и масляный распылитель., , и являются основными компонентами системы блока управления для регулировки масляного распылителя, значения выхлопа и значения впуска. Температура воздуха для горения измеряется датчиком в системе.


    Детальная информация лаборатории отображается в таблице 1.


    Точность

    Выходные данные Dynamo Meter Qzti- QZ1030 <0.1 кВт <0,01 Нм
    Система анализа Дизель любо-3010 <0,1 К <0,1 Па
    WT31820 <1 мг
    DS18B20 <0,1 K
    DS18B20 <0.1 K

    40
    Блок управления температурой Omron CJ1W-TC001 <0.1 K
    блока управления влажностью KZP-5-CA <0,1%

    Сравнение между результатами расчета модели и полученными через эксперименты по эксплуатации Дизельного двигателя показан в таблице 2.


    8 47.5088 0,32 3,44


    Speed ​​ Power (KW) крутящий момент (НМ) (NM)
    Эксперимент Расчет Ошибка (%) Эксперимент Расчет Ошибка (%)

    1400 463 8 2.82 3255,57 3245,30
    1600 525 518,6 -1,24 3205,44 3095,07
    1800 570 558,5 -2.15 3152.88 3152.88 2969.84 5.81
    2000 588 594.7 594.7 1.11 2816.31 2839.40 -0.82

    Как показано в таблице, все ошибки между результатами эксперимента и результатами расчета составляют минус 6% и, следовательно, удовлетворяют требованиям инженерного расчета. Это показывает, что созданная имитационная модель процесса работы дизеля является достаточно точной и может быть использована для последующих исследований тепловой среды поршня.

    2.2. Friction Heat

    Производная уравнения смещения поршня была решена для получения уравнения скорости [30].И ее можно выразить как составную гармоническую функцию, состоящую из двух синусоидальных функций с разной скоростью изменения [31]. Положение поршня относительно верхней мертвой точки и его скорость при изменении угла поворота коленчатого вала, полученные из приведенных выше уравнений, показаны на рисунке 3. от верхней мертвой точки. На рисунке видно, что величина повышения температуры тесно связана со скоростью движения поршневого кольца.При движении поршня к середине гильзы цилиндра скорость изменения температуры достигает максимума, а вместе с ним и скорость движения поршня. Кроме того, на рисунке также показано, что в то время как узел поршня перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, тепло трения продолжает накапливаться, вызывая повышение температуры до 8,67 K исключительно из-за теплоты трения.


    2.3. Охлаждение и отвод тепла

    Поскольку смазочное масло между поршнем и гильзой цилиндра в основном служит для смазки, при расчете и анализе оно принималось в качестве теплового сопротивления [32].В данной работе рассматривалось только смазочное масло в полости поршня и на поверхности гильзы цилиндра. Для дизеля охлаждение полости поршня осуществлялось разбрызгиванием масла; затем рассчитывали коэффициент теплоотдачи по следующей формуле [33]: где , и – температуры газа в цилиндре, днище поршня и стенке днища поршня соответственно; – теплопроводность поршня; — толщина верхней части поршня.

    2.4. Механическая сила

    Это исследование в основном было сосредоточено на температуре поршня и поле термомеханических напряжений при номинальных рабочих условиях.Анализ механических граничных условий заключается в следующем. В течение всей операции на поршень действуют следующие силы: — давление взрыва газа в цилиндре; боковая тяга; – сила инерции, обусловленная возвратно-поступательным движением, – противодействующая сила поршневого пальца. Величина механической силы, действующей на поршень, рассчитывается в момент, когда давление в цилиндре максимально. Масса поршня составляла 2,58 кг, а расчет сил, действующих на поршень, показан в таблице 3.В таблице указано максимальное давление взрыва в баллоне.


    Силы Значения

    102,7
    179,7
    45,1
    134,7
    5,6

    3.Поля температур и напряжений поршня
    3.1. Simulation Model

    В данной работе в качестве объекта исследования был выбран поршень 12-цилиндрового четырехтактного дизельного двигателя с турбонаддувом [34]. Для анализа и расчета его температурных и термомеханических полей напряжений при номинальных условиях эксплуатации авторы создали трехмерную геометрическую модель поршня, как показано на рисунке 5. 190 148 элементов в итоге.Модель сетки показана на рисунке 6.


    3.2. Граничные условия

    Граничные условия температурных и термомеханических полей напряжений сцепления поршня могут быть получены из работы первой части этой статьи. Во время расчета мы разделили поверхность поршня на 17 отдельных зон и применили граничные условия теплопередачи к различным зонам. Значения граничных условий иллюстрируются в таблице 4.

    Зоны 9029 8 второго канавка поршневого кольца третий паз поршневого кольца 90 298 юбки поршня

    Температура (K) Коэффициент теплопередачи (W / M 2 K)

    -типа канавка в поршневом верхней Внутренний круг 679 887
    Средний круг 864
    Наружный круг 836
    Самая высокая область в верхней части поршня Входные и выходные канавки 864
    Другие области 887

    Первый бросовые поршня 560 680
    Первая канавка поршневого кольца 415 2152
    Второй поршень 410 478
    408 1759 1759
    403 438
    397 1405
    Четвертый мусор Piston 390 457
    380 400
    Поршневой палец отверстие 380 400

    поршневой полости Топ 370 887
    Средний 745 745

    Мы можем получить температуру и тепловые напряженные поля поршня с использованием модели и граничных условий.Комбинируя поле термических напряжений с граничными условиями механического напряжения, мы можем окончательно получить поле напряжений термомеханической связи.

    3.3. Проверка результатов и анализ

    Температурное поле поршня, полученное в результате расчета, было проверено с помощью экспериментов с пробками твердости. Расположение контрольных точек показано на рисунке 7, представляющем собой карту профиля по осям.


    Пробки твердости, используемые в этой статье, представляют собой цилиндрические пробки с геометрическим размером 1.Радиус 9 мм и длина 5,6 мм. Подробные параметры пробки твердости отображаются в Таблице 5.


    001 μ м
    Тип HXD-1000TMC
    Ошибка местоположения
    Блок Минимальное измерение 0,025 μ м
    Ошибка <3%
    государственный стандарт GB / T 4340

    Соответствующее уравнение пробки твердости представляет собой температуру отпуска пробки твердости. — значение твердости по Виккерсу после отпуска.

    Контрольные точки в эксперименте показаны на рис. 8.


    В таблице 6 показано сравнение расчетных и экспериментальных значений поршня.

    480.3

    контрольных точек 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

    Расчетное значение 629,2 562,0 572,3 523.0 493,4 493,8 588,5 539,8 504,3 490,4
    Эксперимент значение 621,6 580,8 558,7 530,3 483,7 479,3 582,3 533,5 482.9 480.3
    Ошибка /% 1.21 -3.34 -3.38 -1.39 -1.39 1.97 2,95 1.05 1.16 4.25 4.06 2,25

    Видно из таблицы 5, что ошибки между рассчитанными и экспериментальными значениями были минус 5%, что демонстрирует точность моделирования , и, следовательно, может считаться удовлетворяющим инженерным требованиям.

    На рис. 9 показано температурное поле поршня. По рисунку максимальная температура поршня была 623.67 К, которая наблюдалась во внутренней окружности в верхней части поршня, а минимальная температура составляла 364,17 К, которая наблюдалась на юбке поршня. Разница температур между максимальным и минимальным значением составила 259,5  К. Сверху вниз значение температуры вдоль оси поршня постепенно уменьшалось. Температуры на краях канавок впускного и выпускного клапанов были достаточно высокими, чтобы вызвать эрозию и усталостное повреждение, и к ним следует относиться серьезно.


    На рис. 10 показано распределение поля термомеханических муфтовых напряжений поршня при максимальном давлении в цилиндре.


    Согласно рисунку максимальное напряжение, действующее на поршень, составило 168,67 МПа, которое возникло в месте между окружностью пальца и первой кольцевой канавкой, а минимальное напряжение составило 359 кПа, которое возникло на юбке поршня. Поскольку большая часть тепла поршня, передаваемого охлаждающей жидкости, проходила через кольцо, а поршень поршня был вынужден выдерживать сосредоточенное механическое усилие, максимальное напряжение поршня возникало в области, расположенной между кольцом поршневого пальца и кольцевыми канавками.В то же время в этой области высока вероятность возникновения усталостных повреждений, и поэтому этому следует уделить больше внимания.

    Согласно рисункам 9 и 10, в поршне есть две области, находящиеся в тяжелом состоянии и склонные к усталостному разрушению. Итак, в следующей части статьи мы будем использовать некоторые методы и алгоритмы для оптимизации этих двух областей в поршне, пытаясь снизить термическую и механическую нагрузку, а также повысить его надежность и усталостную долговечность.

    4. Расчет и анализ на основе ортогонального эксперимента

    Результаты приведенного выше расчета и анализа показали, что максимальная температура поршня возникает вблизи канавок впускного и выпускного клапанов, а максимальное напряжение поршня возникает вблизи канавок поршневых колец.Ввиду этого оптимизация была приоритетной для обеих этих позиций, т. е. канавок впускного и выпускного клапанов в верхней части поршня, а также первой канавки поршневого кольца.

    4.1. Условия ограничения для оптимизации

    На основе анализа результатов расчета в сочетании с реальными условиями эксплуатации были определены следующие условия ограничения [35]: (1) Габаритные размеры поршня должны быть неизменными, а постоптимизированный поршень от столкновения с такими компонентами, как головка блока цилиндров, клапаны и шатун(2)Разница в общей массе поршня до и после оптимизации должна быть минус 5%, что необходимо для предотвращения чрезмерного влияния на взаимодействие поршня с гильзой цилиндра и шатуном за счет оптимизации(3)Разница перемещений двигателя между поршнем до и после оптимизации должна быть минус 5% во избежание чрезмерного влияния на процесс сгорания за счет оптимизации(4)Разница объемов поршня оптимизация не должна влиять на работу самой себя и других частей дизеля

    4.2. Цели оптимизации

    На основе приведенных выше расчетов и анализа были определены оптимизации следующих 5 параметров с учетом ограничений и реальных условий работы дизельного двигателя. (1), глубина канавок впускных и выпускных клапанов, должна была регулировать с сохранением габаритных размеров поршня. Начальное значение 6 мм.(2)Добавить плавный переход к дну пазов впускных и выпускных клапанов, не влияющий на открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.Радиус кривизны принимался равным .(3) Необходимо было добавить плавный переход к вершине канавок впускного и выпускного клапанов поршня, не влияющий на открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Радиус кривизны принят равным .(4), высота первой канавки поршневого кольца должна быть отрегулирована (высота места соединения между канавками также должна быть отрегулирована для сохранения габаритных размеров поршня). Исходное значение 2,5 мм.(5), глубина канавок поршневых колец также подлежала корректировке.Начальное значение равно 6 мм.

    , учитывая фактические условия, 5 различных уровней 5 параметров, которые будут оптимизированы, как показано в таблице 7.

    0 4.3. Процесс испытаний и результаты

    Целью исследования является снижение тепловой и механической нагрузки путем оптимизации 5 параметров поршня. Итак, оценочными показателями оптимизации являются показатели состояния поршня: максимальная температура и максимальное напряжение.

    Ортогональный метод планирования эксперимента позволяет быстро и точно определить правила влияния 5 параметров поршня на показатели оценки, что позволяет найти наиболее ценные параметры с использованием минимального набора экспериментов.Таким образом, влияние 5 параметров оптимизации на 2 оценочных показателя поршня было изучено с использованием метода ортогонального планирования эксперимента (OED) [36]. Согласно табл. 5 это ортогональный эксперимент, состоящий из 5 параметров и 5 уровней. В связи с этим использовалась ортогональная таблица эксперимента с 6 факторами и 5 уровнями. Максимальная температура и максимальное напряжение поршня были рассчитаны с помощью модели конечных элементов, установленной в части 1. Схема эксперимента и соответствующие результаты показаны в таблице 8.

    5,6 5,8

    Параметры
    Параметры Уровень I Уровень II Уровень III Уровень IV Уровень V

    5.8 6 6.2 6.4
    2,1 2,3 2,5 2,7 2,9
    2,1 2,3 2,5 2,7 2,9
    2,3 2,4 2.5 2.5 2.6 2.7
    5.9 6 6 6.1 6.2

    617.251 15 6.2 0 5.3. Метод ABC-OED-FE

    Схемы оптимизации параметров поршня определялись с помощью ABC, OED и FE в данной работе (отсюда и название «метод ABC-OED-FE»). Были выполнены следующие шаги: 1. Установите (начальные) значения двух параметров и в алгоритмах ABC (2) Установите (начальный) выбор FE (3) Установите (начальное) количество параметров в FE (4) Установите ( начальные) коэффициенты в FE(5)Рассчитать 5 параметров поршня с помощью алгоритма ABC, объединенного вышеописанной конфигурацией(6)Определить, является ли это оптимальной комбинацией значений параметров ABC, FE и количества параметров в FE

    Поскольку параметры указаны на шагах 1 и 3 взаимосвязаны, их значения не могут быть определены независимо и, следовательно, были определены путем расчета и анализа методом ортогональных экспериментов.Подробные процедуры метода ABC-OED-FE читатели могут посмотреть на рисунке 12.


    5.4. Нормализация выборочных данных

    Коэффициенты выбранного КЭ могут быть определены по данным, рассчитанным на основе ортогональных экспериментов в таблице 8. Перед анализом все выборочные данные были нормализованы по следующему уравнению: где данные после нормализации, исходные данные, а и – максимальное и минимальное значения в наборах данных.

    5.5. Определение параметров

    Оптимальные значения и соответствующие уравнениям, которые должны быть подобраны, не были установлены. Кроме того, количество параметров также может оказывать влияние на оптимальные значения, что усложняет определение оптимальных условий. В этой статье был принят ортогональный эксперимент для определения значения и , вариантов подгонки уравнения и количества параметров. К основным факторам относятся четыре показателя: значения и , уравнение подгонки E q и число параметров .

    См. Таблицу 12 для каждого параметра и соответствующих уровней. Согласно таблице, это ортогональный эксперимент, состоящий из 4 факторов и 5 уровней, и его можно спроектировать с помощью таблицы экспериментов.

    См. Таблицу 13 для получения подробной информации об организации эксперимента и результатах расчетов.


    Число

    1 5,6 2,1 2,1 2,3 5.8 625.140 625.140 165.107
    2 5.6 2.3 2.3 2.4 5,9 629.941 203,957
    3 5,6 2,5 2,5 2,5 6,0 620,375 165,744
    4 5,6 2,7 2,7 2,6 6,1 621.527 621.527 180.359
    5 5.6 2.9 2.9 2.7 2.7 6.2
    151.055
    6
    5.8 2,1 2,3 2,5 6,1 633,482 154,066
    7 5,8 2,3 2,5 2,6 6,2 624,462 175,279
    8 5.8 5.8 2.5 2.7 2.7 5.8 622.167 154.699 154.699
    9 5.8 2.7 2.9 2,3 5,9 625,264 189,055
    10 5,8 2,9 2,1 2,4 6,0 615,824 164,961
    11 6,0 2,1 2.5 2.5 2.7 5.9 631.962 185.224 185.224
    12 6.0 2.3 2.7 2.3 6.0 627,531 166,363
    13 6,0 2,5 2,9 2,4 6,1 619,856 171,368
    14 6,0 2,7 2,1 2,5 6.2 62 625.567 625.567 152.161
    6.0 2.9 2.3 2.6 5.8 633.521 182.215
    16 6,2 2,1 2,7 2,4 6,2 635,168 158,030
    17 6,2 2,3 2,9 2,5 5,8 623,249 161.857 161.857
    18 6.2 2,5 2.1 2.6 5.9 621.284 202.763
    19
    2,7 2,3 2,7 6,0 630,517 150,509
    20 6,2 2,9 2,5 2,3 6,1 619,842 152,142
    21 6.4 6.4 2.9 2.9 2.6 6.0 630.850 152.442 152.442
    22 6.4 2.3 2.1 2,7 6,1 622,847 153,901
    23 6,4 2,5 2,3 2,3 6,2 629,419 150,716
    24 6,4 2,7 2.5 2.5 2.4 5,8 625.861 625.861 159.885
    25 25 6.4 2.9 2.7 2,5 5.4.4. Анализ результатов

    Результаты расчета для каждого уровня и индикатора суммированы в таблице 9.


    показателей

    3118.245 3163.600 3115.660 3133.195 3133.940
    3115.200 3110.030 3146.880 3122.650 3128.070
    3132.435 3110.070 3117.470 3114.260 3119.065
    3124.060 3125.775 3127.050 3127.685 110091 3108 95
    +3128,595 3109.055 3111.470 3120.745 3125.865
    40,490 436,715 160,301 41,000 59,322
    3132,435 3163,600 3146.880 3133.195 3133.195 3133.940
    3115.200 3109.055 3111.470 3114.260 +3111,595
    R 17,235 54,545 35,410 18,935 22,345

    866,220 814,870 838,895 823,385 823.765
    83806091 838.060 861.355 841.465 858.200 858.200 964.145
    857.330 +845,290 838,275 816,975 800,020
    825,300 831,970 842,600 893,060 811,835
    800,090 833,520 825,775 795,390 787.240
    553.347 553.347 237.677 3677 36.323 1181.832 4163.46
    866.220 +861,355 842,600 893,060 964,145
    800,090 814,870 825,775 795,390 787,240
    R 66,130 9,297 16,825 97,670 176,905

    Уравнения для расчета переменных в таблице следующие [37]: ; – значение показателей, соответствующих параметру и уровню ; представляет собой сумму квадратов изменений столбцов, которая указывает на общую вариацию наблюдаемых значений; в этой статье количество параметров равно 5; — количество уровней и его значение равно 5; общее количество данных и его значение равно 25; максимальное значение среди текущих параметров; минимальное значение среди текущих параметров; – разница между и , которая указывает на степень влияния соответствующего параметра.

    Тестовый анализ значений был проведен для каждого параметра, а результаты, как показано в таблице 10.


    показатели параметров F
    0,05 Критическое значение 0,01 Критическое значение Значение


    40.490 0,274 2.87 4,43
    436,715 2,959 2,87 4,43
    160,301 1,086 2,87 4,43
    41,000 0,278 2,87 4,43
    59,322 0,402 2,87 4,43

    553.347 0,448 2,87 4,43
    237,677 0,193 2,87 4,43
    36,323 0,029 2,87 4,43
    1181.832 1181.832 0.957 2.87 4.43
    4163.460 3.373 2.87 4.43


    Способ расчета степени свободы параметров заключается в следующем:

    Анализ таблиц 9 и 10, видно, что закругленные углы а внизу и вверху канавки впускного и выпускного клапанов оказали существенное влияние на максимальную температуру поршня, при этом наибольшее значение показал закругленный угол внизу; высота и глубина первой кольцевой канавки оказывали существенное влияние на максимальное напряжение поршня, при этом наибольшее значение имела глубина первой кольцевой канавки.Поскольку полученные результаты представляют собой группу дискретных точек, определение оптимальных параметров поршня только на основании результатов ортогонального эксперимента вряд ли возможно. В связи с этим, на основе вышеприведенного расчета для решения задачи был предложен метод оптимизации параметров поршня на основе АВС и подгонки полиномов.

    5. Оптимизация параметров поршня на основе ABC-OED-FE
    5.1. Алгоритм ABC

    Алгоритм искусственной пчелиной семьи (ABC) [38] представляет собой метод расчета, представленный Карабогой, основанный на поведении пчелиных семей при поиске источника нектара.Его превосходство заключается в том, что он может обеспечить сильные возможности локального поиска и глобальной оптимизации, чтобы эффективно предотвратить появление локального оптимального решения.

    В алгоритме ABC пчелы делятся на рабочих пчел, пчел-наблюдателей и пчел-разведчиков. Нанятые пчелы берут на себя ответственность за сбор меда в местах с большим количеством нектара, пчелы-наблюдатели обнаруживают места с большим количеством нектара, а пчелы-разведчики случайным образом выпускаются для поиска новых источников нектара, когда текущий нектар почти исчерпан.Пчелы обмениваются информацией о количестве и местоположении нектара с помощью виляющего танца; количество меда в нектаре соответствует количеству занятых пчел. Возможные решения задач имеют отношение взаимно однозначного соответствия с источниками пищи, а значение функции пригодности также имеет отношение взаимно однозначного соответствия с количеством нектара в источниках питания. Алгоритм ABC в основном состоит из следующих шагов:

    Шаг 1. пчелиная семья создается случайным образом по следующему уравнению: где пчела в пчелиной семье; указывает размер проблемы, которую необходимо оптимизировать; и являются верхними и нижними пределами оптимизируемого объема.

    Шаг 2. вычислить вероятность решения;

    Шаг 3. пчелиная семья начинает поиск источников нектара:где указывает новый источник нектара (новое решение) рядом с текущим источником нектара; представляет текущее решение; является случайным решением, близким к текущему решению.

    Шаг 4. оцените и запомните текущее лучшее решение.

    Шаг 5. повторять до нахождения оптимального решения.
    Блок-схема этого процесса представлена ​​на рисунке 11.
    Качество источника нектара будет оцениваться по значениям целевой функции при расчете. В этой статье дважды используется алгоритм ABC. В первый раз целевой функцией является квадратный корень из разницы между прогнозируемыми значениями и исходными значениями максимальной температуры и максимального напряжения поршня. Во второй раз целевая функция представляет собой сумму квадратов разности между целевыми значениями и расчетными значениями максимальной температуры и максимального напряжения. ABC используется для определения оптимальных параметров поршня путем минимизации или максимизации значения целевой функции.Если качество нового источника нектара выше, чем у предыдущего, новый источник будет сохранен. Нанятые пчелы передают информацию об источнике нектара пчелам-наблюдателям. Пчелы-наблюдатели определят местонахождение конкретного нектара на основе качества источника нектара и определенной вероятности. Вероятность рассчитывается по следующему уравнению: где функция пригодности, соответствующая -му -му местоположению источника нектара. В первый раз, используя алгоритм ABC, местоположения представляют прогнозируемые значения максимальной температуры и максимального напряжения; во второй раз, используя алгоритм ABC, местоположения представляют собой расчетные значения максимальной температуры и максимального напряжения.
    После того, как мед в определенном месте источника нектара будет исчерпан, пчелы-наблюдатели откажутся от источника нектара в текущем месте и выпустят пчел-разведчиков для поиска новых источников нектара. В этой статье указывается, что в первый раз ошибка между прогнозируемыми значениями и исходными значениями максимальной температуры и максимального напряжения не может быть дополнительно уменьшена; во второй раз квадратная сумма разности между целевыми значениями и расчетными значениями максимальной температуры и максимального напряжения не может быть дополнительно увеличена.Такой процесс может обеспечить полноту всего алгоритма и предотвратить попадание поиска в ловушку локального оптимального решения.
    В алгоритме ABC есть два важных параметра, т. е. и , которые будут существенно влиять на результаты расчета. представляет количество циклов, прежде чем пчелы-разведчики были выпущены, и представляет длину шага при поиске оптимального решения. При малом значении поиск может быть остановлен до того, как будет найдено оптимальное решение; и наоборот, эффективность решения алгоритма может быть низкой.Если значение мало, эффективность решения алгоритма может быть низкой или даже ограничиваться локальным оптимальным решением; и наоборот, более оптимальные результаты могут быть пропущены. Понятно, что значения двух параметров будут напрямую определять валидность и эффективность решения АВС.


    5.2. Уравнения подгонки

    Согласно анализу в разделе 3.4, для двух показателей (т. е. максимальной температуры и максимального напряжения) высота канавок впускного и выпускного клапанов в верхней части поршня оказала на них незначительное влияние.Закругленные углы, а также верхние и нижние канавки оказывали более существенное влияние на , тогда как высота и глубина канавок поршневых колец оказывали более существенное влияние на . Однако степень влияния 5 параметров на 2 показателя различалась. В связи с этим в данной статье было предложено несколько различных уравнений подгонки (FE) [39] и различные настройки параметров подгонки для имитации их взаимосвязи с целью сокращения продолжительности и стоимости расчета при обеспечении точности.

    Согласно таблице 10 порядок параметров, ранжированных по их влиянию на максимальную температуру поршня, следующий: скругленный угол на дне канавок, скругленный угол на вершине канавок, глубина кольцевых канавок, высота кольцевых канавок и глубины канавки; порядок параметров, ранжированных по их влиянию на максимальное напряжение поршня, следующий: глубина кольцевых канавок, высота кольцевых канавок, глубина канавок, скругленный угол в нижней части канавки и скругленный угол в верхней части. канавки.В процессе подбора были выбраны от 1 до 5 параметров по степени их влияния путем объединения КЭ. КЭ, представленные в этой статье, включают показательное уравнение, логарифмическое уравнение, степенное показательное уравнение, показательное логарифмическое уравнение и полиномиальное уравнение. КЭ и их примеры приведены в таблице 11. В примерах количество подгоночных параметров для показателя «температура» равно 3, что означает, что для расчета были выбраны первые три параметра, оказывающие наибольшее влияние на результаты.


    Уравнение Функции Примеры

    Экспоненциальное
    Логарифмические
    Мощность экспоненциальной
    Экспоненциальная логарифмическая


    уровней

    Уровень 1 50 0.1 (1) (1) 1
    Уровень 2 100 0.3 (2) 2
    Уровень 3 200 0.5 (3) 3
    Уровень 4 500 0,8 (4) 4
    Уровень 5 +1000 1 (5) 5

    1 1 0.32623 1000

    номеров

    1 50 0.1 1 1 0,28690
    2 50 0,3 2 2 0,25553
    3 50 0,5 3 3 0,32210
    4 50 0,8 4 4 0,30773
    5 50 1,0 5 5 0,32243
    6 100 0.1 2 3 0,32187
    7 100 0,3 3 4 0,32488
    8 100 0,5 4 5 0,30178
    9 100 0,8 5 5 1 0.29642
    10
    10 100 1.0 1 2 0.26953
    11 200 0,1 3 5 0,31139
    12 200 0,3 4 1 0,26083
    13 200 0.5 5 5 2 0.30260
    14 200 0.8 1 3 0.31060
    15 200 1.0 2 4 0,31400
    16 500 0,1 4 2 0,28220
    17 500 0,3 5 3 0,25532
    18 500 0.5 1 1 4 0.25861
    19
    19 500 0.8 2 5 0.28804
    20 500 1,0 3 1 0,30510
    21 1000 0,1 5 4 0,27778
    22 1000 0.3 1 5 0.32056
    23
    0.5 2
    24
    0.8 3 2 0,25671
    25 1000 1,0 4 3 0,27472

    Для проектирования эксперимента, целевые параметры которые необходимо решить, определяются следующим образом: где значение температуры, рассчитанное по уравнению; – начальное значение температуры; – значение напряжения, рассчитанное по уравнению; – начальное значение напряжения; общее количество образцов.

    Анализ значимости [40] 4 индикаторов был выполнен с использованием расчетных значений, и результаты показаны в таблице 14. Согласно таблице значения всех четырех индикаторов, т.е., , , , и , не различаются , из чего следует, что их влияние на результаты незначительно различается. Учитывая это, результаты ортогонального эксперимента можно использовать для последующего расчета и анализа.

    91 735

    Индикаторы F 0.10 критическое значение 0,05 критическое значение Значение
    0,002 1,143 2,330 3,010
    0,001 0,571 2,330 3,010
    0.001 0.571 0.571 2.330 3.010 3,010
    0.003 1.714 2.330 3.010

    , Анализируя результаты расчета, мы можем найти, что 17 TH группа экспериментов, создаваемых результатами расчета с наименьшим, как показано, в Таблице 13. Подробные условия этой экспериментальной группы таковы, что , , и . Это означает, что в алгоритме ABC, если оптимальное решение все еще не получено после 500 циклов, пчелы-разведчики будут искать следующую цель, длина шага поиска оптимального решения равна 0.3, а при этом для максимальной температуры и максимального напряжения выбрано полиномиальное уравнение, а число подгоночных параметров равно 3, что означает, что подгоночные параметры для максимальной температуры равны , , и , а подгоночные параметры для максимального напряжения равны , , и .

    Их КЭ следующие:

    Верхние индексы в уравнении указывают на то, что это нормализованные данные.

    Установите  = 500,  = 0,3, решите два приведенных выше уравнения с помощью алгоритма ABC и получите результаты расчета, как показано в таблице 15.


    -0,0534 -0,0824

    Параметры Значения Параметры Значения
    -0,9363
    0.4973
    1.1790

    9009

    .6. Оптимизация набора уравнений

    С результатами, рассчитанными с использованием метода ABC-OED-FE, была установлена ​​следующая целевая функция для оптимизации поршня: где значение равно 635,168, а значение равно 203,957. Эти два значения являются максимальными результатами в Таблице 8.

    Алгоритм ABC был снова принят для определения его максимальных значений. Результаты расчетов представлены в таблице 16. Результаты показывают, что максимальная температура составляет 608,508 К, а максимальное напряжение составляет 153,422 МПа.



    Значения 2.65 2,25 6,15 2,47 5,82

    9 0,0979 9,00979 Результаты оптимизации

    Предложения по оптимизации поршня с оптимальной температурой и напряженным состоянием были получены в результате вышеприведенного анализа: высота канавок впускных и выпускных клапанов уменьшилась до 5,82  мм; добавлен плавный переход к дну канавки и установлен радиус кривизны 2,65 мм; к вершине канавки добавлен плавный переход, а радиус кривизны установлен на 2.25 мм; высота канавки под поршневое кольцо уменьшилась до 2,47 мм, а глубина канавки под поршневое кольцо увеличилась до 6,15 мм.

    Геометрическая форма оптимизированного поршня показана на рисунке 13.


    При проверке оптимизированного поршня с условиями ограничения, описанными в разделе 3.1, выявлены следующие аспекты: (1) Общая высота и радиус оптимизированного поршня остаются неизменными для предотвращения от столкновения с такими компонентами, как головка блока цилиндров, клапаны и шатун. (2) Общая масса оптимизированного поршня равна 2.63 кг, что увеличилось на 1,93% по сравнению с массой 2,58 кг до оптимизации. Это может предотвратить взаимодействие между поршнем и гильзой цилиндра и шатуном от приложения чрезмерных усилий. (3) Рабочий объем оптимизированного дизельного двигателя приблизительно неизменен. Гладкие углы могут способствовать смешиванию воздуха и топлива, что оказывает положительное влияние на сгорание в цилиндре. (4) Оптимизация поршня не влияет на его нормальные функции и функции других частей в дизельном двигателе.

    6.Анализ результатов оптимизации
    6.1. Оптимизированное температурное поле

    Новая конечно-элементная модель поршня была создана путем объединения оптимизированного поршня с тепловыми и механическими граничными условиями. Температурное поле оптимизированного поршня показано на рисунке 14.


    Согласно рисунку максимальная температура оптимизированного поршня составляет 607,56 К, что на 16,11 К ниже, чем до оптимизации. Разница между исходным поршнем и поршнем после оптимизации не слишком велика, что может обеспечить предотвращение существенного влияния на сгорание в цилиндре и мощность дизеля, и не слишком мала, что доказывает эффективность оптимизации.

    6.2. Оптимизированное поле термомеханических напряжений сцепления

    Поле термомеханических напряжений сцепления оптимизированного поршня показано на рисунке 15. Согласно рисунку максимальное тепломеханическое напряжение сцепления оптимизированного поршня составляет 153,458 МПа, что на 15,212 МПа ниже, чем до оптимизации. . Снижение величины является значительным, и общая нагрузка на поршень также снижается.


    Уменьшены как тепловая, так и механическая нагрузки на оптимизированный поршень, что свидетельствует о положительной эффективности оптимизации и достоверности алгоритмов оптимизации.

    6.3. Сравнение результатов

    В таблице 17 показано сравнение термической и стрессовой нагрузки на поршень исходного компонента и оптимизированного компонента.



    исходное состояние После оптимизации Улучшение в процентах (%)

    Максимальная температура (К) 623,67 607,56 2 .57
    максимальный стресс (MPA) 168.67 153.67 8.21 8.21

    Таблица 17 иллюстрирует, что по сравнению с исходным условием максимальная температура на 2,57% улучшилось после оптимизация, а максимальное напряжение улучшилось на 8,21% после оптимизации.

    7. Заключение

    С помощью метода конечных элементов, метода ортогонального планирования эксперимента и алгоритма искусственной пчелиной семьи были рассчитаны и проанализированы температурное поле и поле термомеханических сопряженных напряжений поршня дизельного двигателя.5 параметров геометрической конструкции поршня были оптимизированы для снижения термической и механической нагрузки, воздействующей на поршень. Основные достижения этой статьи включают следующее: (1) Были рассчитаны и проанализированы граничные условия поршня, рассчитывающие его тепловую и механическую нагрузку, с использованием модели теплоты сгорания в цилиндре и модели теплоты трения между комплектом поршневых колец и гильзой цилиндра. Результаты расчетов подтверждены стендовыми испытаниями. Полученные результаты обеспечили граничные условия для последующего расчета оценочных показателей: температурного и термомеханического поля напряжений сцепления поршня.(2) Два оценочных показателя поршня были рассчитаны и проанализированы с использованием установленной модели конечных элементов. Результаты показывают, что в канавках впускных и выпускных клапанов, а также в кольцевых канавках на поршне возникают серьезные термические и механические нагрузки, что может привести к усталостным повреждениям. были рассмотрены и проанализированы показатели оценки поршня по 5 параметрам в двух положениях, канавках клапана в верхней части поршня и канавке первого поршневого кольца.(4) Было предложено пять КЭ для подбора соотношения соответствия между пятью параметрами оптимизации и двумя оценочными показателями поршня. Два параметра для алгоритма искусственной пчелиной семьи и формы уравнений подгонки были проанализированы и определены с помощью метода ABC-OED-FE. (5) Коэффициенты уравнения подгонки и значения 5 параметров при оптимальной температуре поршня и нагрузке были рассчитаны и определены с помощью искусственной пчелы. алгоритм колонии. (6) Были рассчитаны и проанализированы температурное поле и поле термомеханических напряжений сцепления оптимизированного поршня.Результаты показывают, что после оптимизации максимальная температура поршня снижается до 16,05 К, а максимальное напряжение снижается до 13,72 МПа, что свидетельствует о благоприятной эффективности оптимизации и достоверности алгоритмов оптимизации.

    В методе ABC-OED-FE, предложенном в этой статье, неоднократно использовались ортогональный план эксперимента и алгоритм искусственной пчелиной семьи. Преимущества двух методов были полностью использованы для изучения оптимизации температуры и напряжения поршня в дизельном двигателе большой мощности.Процесс оптимизации был конкретным и явным и может быть применим для улучшения и оптимизации других высокотемпературных компонентов дизельного двигателя. Это метод с хорошей расширяемостью. Изучение данной статьи имеет важное значение для обеспечения эффективной и надежной работы высокотемпературных узлов, таких как поршень, головка цилиндра, гильза цилиндра и прокладка, в тяжелонагруженном дизеле.

    В этой статье мы используем метод ABC-OED-FE для оптимизации геометрических параметров поршня.После оптимизации как температура, так и напряженное состояние заметно снижаются, что свидетельствует о хорошей эффективности алгоритма оптимизации.

    В следующем исследовании авторы хотят дать следующие советы: (1) Исследователь должен сосредоточиться на температуре и напряженном состоянии высокотемпературных компонентов дизельного двигателя, включая, помимо прочего, поршень, гильзу цилиндра, прокладку цилиндра. , головка блока цилиндров и значения (2) Некоторые новые алгоритмы должны быть приняты для решения работы по оптимизации высокотемпературных компонентов в дизельном двигателе, включая, помимо прочего, нейронную сеть, машину опорных векторов и байесовскую модель вероятности (3) Прикладные области метод ABC-OED-FE можно распространить на любую часть инженерных расчетов; исследователям следует обратить на это внимание

    Доступность данных

    Доступ к необработанным/обработанным данным, необходимым для воспроизведения этих результатов, можно получить через таблицы в этой статье.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.

    Поршень для судового дизельного двигателя

    Поршень для судового дизельного двигателя Главная || Дизельные двигатели ||Котлы||Системы подачи ||Паровые турбины ||Обработка топлива ||Насосы ||Охлаждение ||

    Поршень для морского дизельного двигателя Поршень, образующий нижнюю часть камеры сгорания: Дизельный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания, который зажигает топливо, впрыскивая его в горячий воздух под высоким давлением при сгорании камера.Как и все двигатели внутреннего сгорания, дизель двигатель работает с фиксированной последовательностью событий, которая может быть достигнута либо за четыре такта, либо за два, причем ход — это ход поршня между его крайними точками. Каждый удар выполняется за половину оборот коленчатого вала.align=»left»> выровнять=»влево»> выровнять=»влево»> Поршень образует нижнюю часть камеры сгорания. Он герметизирует цилиндр и передает давление газа на шатун.Поршень поглощает теплоту сгорания, и это тепло необходимо отводить, если температура металла должна поддерживаться в безопасных пределах. Поршень состоит из двух частей; корона и юбка.

    Коронка подвергается воздействию высоких температур в камере сгорания, и ее поверхность подвержена эрозии/выгоранию. По этой причине материал, из которого изготовлена ​​коронка, должен сохранять свою прочность и противостоять коррозии при высоких температурах.


    Рис. Поршень
    align=»center»>
    Рис. Поршень
    align=»center»>

    Рис. Гильза цилиндра
    align=»center»>
    Используется сталь, легированная хромом и молибденом, а некоторые поршни имеют специальный сплав, приваренный к самой горячей части головки, чтобы попытаться уменьшить эрозию, вызванную горящим топливом.Головка также имеет 4 или 5 канавок для поршневых колец, которые могут быть хромированы.

    Чугунная юбка служит направляющей в гильзе цилиндра. Это только короткая юбка на двигателях с выпускным клапаном (известных как прямоточные двигатели с продувкой), так как, в отличие от тронкового двигателя, боковая тяга на гильзу не передается (это работа направляющих крейцкопфа).

    Нагрузки, которым подвергается поршень, следующие:

    (механические и термические нагрузки)
    Напряжение сжатия и растяжения, вызванное действием изгиба под действием давления газа
    Эффект инерции — движение вверх и вниз

    Термические напряжения — быстрое изменение температуры

    Головка поршня подвергается воздействию очень высокого давления газа, которое подвергает верхнюю поверхность головки сжимающей нагрузке, а нижнюю поверхность головки подвергает при растягивающей нагрузке.Головка поршня будет похожа на равномерно нагруженную балку

    По мере того, как поршень движется вверх, к концу своего хода его скорость будет уменьшаться. Эффект инерции заставит поршень изгибаться вверх, так что поверхность головки вместе с бортами будет нагрузка на растяжение, а нижняя поверхность венца будет на нагрузку на сжатие Когда поршень замедляется при приближении вниз к НМТ, эффект инерции будет обратным.

    Термические напряжения, возникающие в поршне, вызваны различной температурой по сечению.Свободное расширение горячей стороны ограничено более холодной поверхностью поршня. Максимальная безопасная температура в трех наиболее критических зонах для поршня из алюминиевого сплава составляет Корона 370 градусов до 400 градусов C. Канавка верхнего кольца и бобышки поршневого пальца от 200 до 220 градусов C.

    Механические и термические напряжения следует рассматривать как совокупность, поскольку они имеют тенденцию дополнять друг друга. Верхние, а иногда и 2-е кольцевые канавки сужаются до 2-кратного нормального осевого зазора, таким образом:

    i) Зазор позволяет образовываться нагару

    Зазор предотвращает касание днища поршня с гильзой из-за термического напряжения

    Если температура коронки превысит 400°C, возможно разрушение из-за растрескивания.Если температура верхней кольцевой канавки превышает 220 °C в течение любого промежутка времени, могут возникнуть проблемы с:
    . i)Заклинившие поршневые кольца
    ii) Образование нагара на дне кольцевой канавки, в результате чего кольцо утрамбовывается.

    Растрескивание коронки из-за термических и механических воздействий. Трещины в стенке поршня, особенно в области верхней кольцевой канавки, из-за изменчивой газовой нагрузки, чрезмерных термических напряжений. Трещина начинается с внутренней стороны стены. Растрескивание может происходить по следующим причинам, помимо причин, указанных выше:

    i) Неподходящий материал для мощности двигателя или неадекватная обработка
    ii) Чрезмерное образование накипи на стороне охлаждения, кавитационная эрозия
    iii) Высокая температура охлаждающей жидкости
    iv) Локальное столкновение
    v) Плохое распыление, высокое проникновение топлива
    vi) Высокое содержание воды в топливе


    Ниже приведены дополнительные рекомендации по технике безопасности при работе с поршнями морских дизельных двигателей :
    1. Конструкция четырехтактного поршня

    2. Для средне- и высокоскоростных двигателей вес материала становится важным для снижения нагрузки на вращающиеся части.Высокая теплопроводность алюминиевых сплавов в сочетании с малым весом делает этот материал идеальным. Для поддержания термических напряжений на приемлемом уровне охлаждающие трубы могут быть залиты во избежание деформации.
      Подробнее…..
    3. Метод масляного охлаждения поршня — основной принцип

    4. Охлаждающей жидкостью, используемой для отвода и передачи тепла от поршня, может быть пресная вода, дистиллированная вода или смазочное масло. Вода способна отводить больше тепла, чем смазочное масло (удельная теплоемкость воды приблизительно равна 4, а смазочного масла 2, а разница температур 14°С для воды и 10°С для смазочного масла). .

      Подробнее …..

    5. Функция поршневого кольца в судовом дизельном двигателе

    6. Эффективность двигателя зависит от эффективного уплотнения между поршнем и гильзами. Утечка снизит давление сжатия и потеряет мощность. Поршневые кольца герметизируют газовое пространство, расширяясь наружу из-за давления газа, действующего за ними. Они также распределяют смазочное масло вверх и вниз по гильзе цилиндра и передают тепло стенкам гильзы. На поршень устанавливаются от трех до шести силовых или компрессионных колец, количество которых зависит от режима работы двигателя в двухтактном или четырехтактном цикле. .

      Подробнее …..

    7. Требование поршневого кольца

    8. Поршень образует нижнюю часть камеры сгорания судового дизельного двигателя. Он герметизирует цилиндр и передает давление газа на шатун.

      Подробнее …..

    9. Особенности конструкции поршня

    10. Поршень образует нижнюю часть камеры сгорания судового дизельного двигателя. Он герметизирует цилиндр и передает давление газа на шатун.

      Подробнее …..

      Проблемы с поршнем, которых следует избегать
      i) Заклинивание поршня; слишком часто следовал взрыв масляно-воздушной смеси в картере.ii) Растрескивание днища поршня и боковых стенок из-за циклического изменения напряжения давления, наложенного на напряжение из-за градиента температуры.

      Подробнее …..

    11. Обнаружение перегрева поршня

    12. Наиболее распространенные причины перегрева поршня: i) Недостаточная циркуляция охлаждающей среды и/или недостаточная подача. ii) Чрезмерное отложение в охлаждающем пространстве (накипь или сажа). iii) Недостаточная смазка.

      Подробнее …..

    Судовой дизельный двигатель Другие полезные статьи :
    1. Руководство по эксплуатации дизельных двигателей с четырехтактным циклом

    2. Четырехтактный цикл завершается четырьмя ходами поршня или двумя оборотов коленчатого вала.Для работы в этом цикле двигатель требуется механизм для открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов
      Подробнее …..
    3. Руководство по эксплуатации двухтактных дизельных двигателей

    4. Двухтактный цикл завершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. Для работы этого цикла, где каждый событие выполняется за очень короткое время, движку требуется количество особых договоренностей.
      Подробнее …..
    5. Измерение мощности судового дизельного двигателя — Индикатор двигателя

    6. Существует два возможных измерения мощности двигателя: мощность и мощность на валу.Указанная мощность — это мощность, развиваемая внутри цилиндра двигателя и может быть измерен индикатором двигателя. Мощность на валу – это мощность, доступная на выходном валу двигателя. и может быть измерен с помощью крутильного измерителя или с помощью тормоза.
      Подробнее …..
    7. Подача свежего воздуха и удаление отработавших газов газообменником

    8. Основной частью цикла двигателя внутреннего сгорания является подача свежего воздуха и удаление выхлопных газов. это газообмен обработать.Продувка – это удаление выхлопных газов путем вдувания свежего воздух.
      Подробнее …..
    9. Топливная система дизельного двигателя

    10. Систему подачи топлива для дизельного двигателя можно рассматривать в двух части системы подачи топлива и системы впрыска топлива. Поставка топлива связана с подача мазута, подходящего для использования системой впрыска.
      Подробнее …..
    11. Смазочная система для судового дизеля — принцип работы

    12. Система смазки двигателя обеспечивает подачу смазочного масла к различным движущимся частям двигателя.Его основная функция заключается в том, чтобы позволить образование масляной пленки между движущимися частями, что снижает трения и износа. Смазочное масло также используется в качестве очистителя и в некоторые двигатели в качестве охлаждающей жидкости.
      Подробнее …..
    13. Охлаждение судового двигателя — как это работает, требования к системе охлаждения пресной и забортной водой

    14. Охлаждение двигателей достигается за счет циркуляции охлаждающей жидкости по внутренним каналам внутри двигателя. При этом охлаждающая жидкость нагревается. и, в свою очередь, охлаждается охладителем с циркуляцией морской воды.Без адекватного охлаждение некоторых частей двигателя, подвергающихся воздействию очень высоких температура, в результате сжигания топлива, скоро выйдет из строя.
      Подробнее …..
    15. Пневматическая система запуска дизельного двигателя — принцип работы

    16. Дизельные двигатели запускаются подачей сжатого воздуха в цилиндры в соответствующей последовательности для требуемого направления. Поставка сжатый воздух хранится в воздушных резервуарах или «баллонах», готовых к немедленному использованию. использовать. Возможно до 12 пусков с сохраненным количеством сжатого воздух.
      Подробнее …..
    17. Регулятор-Функция регулятора скорости судового дизельного двигателя

    18. Основным управляющим устройством любого двигателя является регулятор. Он регулирует или регулирует скорость двигателя при некотором фиксированном значении, в то время как выходная мощность изменения для удовлетворения спроса. Это достигается губернатором автоматически регулировка параметров топливного насоса двигателя для достижения желаемой нагрузки на установить скорость.
      Подробнее …..
    19. Предохранительный клапан цилиндра судового дизельного двигателя — руководство по эксплуатации

    20. Предохранительный клапан цилиндра предназначен для сброса давления на 10-20% выше нормального.Срабатывание этого устройства указывает на неисправность в двигателе, которая должны быть обнаружены и исправлены.
      Подробнее …..
    21. Взрывозащитный клапан судового дизеля

    22. В качестве практической защиты от взрывов в картере, установлены предохранительные клапаны или двери. Эти клапаны служат для облегчения избыточное давление в картере и прекращение выхода пламени из картер. Они также должны быть самозакрывающимися, чтобы предотвратить возврат атмосферный воздух в картер.
      Подробнее …..
    23. Руководство по эксплуатации поворотного механизма
      Поворотный механизм или двигатель поворота представляет собой реверсивный электродвигатель, который приводит в движение червячную передачу, которая может быть соединена с зубчатым маховиком для включить большой дизель. Таким образом, предусмотрен низкоскоростной привод, позволяющий расположение деталей двигателя при капитальном ремонте.
      Подробнее …..
    24. Муфты, сцепления и редукторы судового дизеля

    25. Основным устройством управления любым двигателем является регулятор.Он регулирует или регулирует скорость двигателя при некотором фиксированном значении, в то время как выходная мощность изменения для удовлетворения спроса. Это достигается губернатором автоматически регулировка параметров топливного насоса двигателя для достижения желаемой нагрузки на установить скорость.
      Подробнее …..
    26. Дизельный двигатель MAN B&W — Основные принципы и руководство по эксплуатации

    27. Один из двигателей серии MC введен в 1982 году, имеет более длинный ход и увеличенный максимальный давление по сравнению с более ранними конструкциями L-GF и L-GB.
      Подробнее …..
    28. Детектор масляного тумана картера судового дизеля

    29. Один из серии MC введен в 1982 году, имеет более длинный ход и увеличенный максимальный давление по сравнению с более ранними конструкциями L-GF и L-GB.
      Подробнее …..
    30. Разное Теплообменник для работающих механизмов на борту грузовых судов

    31. Кожухотрубные теплообменники для водяного охлаждения двигателя и охлаждения смазочного масла традиционно циркулировали с морской водой.Море вода находится в контакте с внутренней частью труб, трубных решеток и водяных камер.
      Подробнее …..
    32. Руководство по требованиям безопасности и эксплуатации турбокомпрессоров

    33. Кожухотрубные теплообменники для водяного охлаждения двигателя и охлаждения смазочного масла традиционно циркулировали с морской водой. Море вода находится в контакте с внутренней частью труб, трубных решеток и водяных камер.
      Подробнее …..
    34. Функция поршня и поршневых колец

    35. Поршень образует нижнюю часть камеры сгорания.Он герметизирует цилиндр и передает давление газа на шатун. Поршень состоит из двух частей; головка и юбка. Головка поршня подвержена механическим и термическим нагрузкам.
      Подробнее …..


    Machinery Spaces.com посвящен принципам работы, конструкции и работе всего оборудования. предметы на корабле предназначены в первую очередь для инженеров, работающих на борту, и тех, кто работает на берегу. Для любых замечаний, пожалуйста Свяжитесь с нами

    Copyright © 2010-2016 Machinery Spaces.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.