Белоусов Е.В. Дизельные двигатели современных морских судов

Подождите немного. Документ загружается.

– 40 –

лаждаться, для чего внутри крышки преду-

смотрены полости для циркуляции воды.

Ко всему прочему столь насыщенная кон-

струкция должна обладать достаточно вы-

сокой механической прочностью, напри-

мер в малооборотном двигателе MAN

К98МС сила давления газов на крышку

может достигать значений эквивалентных

1100 тоннам. Температура газов со сторо-

ны огневого днища может

превышать

2000°С, чем и объясняется необходимость

интенсивного охлаждения крышек.

Охлаждается крышка водой, поступаю-

щей из зарубашечного пространства по

специальным переходным патрубкам или

сверлениям во фланце втулки цилиндра, а

отводится из самой верхней точки крыш-

ки, чтобы избежать образования паровых и

газовых пробок. Для более интенсивного

отвода теплоты от огневого днища

в го-

ловках четырехтактных двигателей иногда

применяют двухъярусное охлаждение, при

котором над относительно тонким огне-

вым днищем располагают второе силовое

днище, соединяющееся с огневым через

стойки, образуемые колодцами клапанов,

форсунок и т.д. (рис. 3.10 е). Основной по-

ток жидкости движется вдоль тыльной

стороны огневого днища. У высокофорси-

рованных СОД и ВОД

для увеличения же-

сткости, огневое днище изготавливают

достаточно толстым, а температурные на-

пряжения снимаются путем пропускания

воды через систему выполненных в днище

сверлений, максимально приближенных к

огневой поверхности (рис. 3.10 е). У СОД

и ВОД работающих на тяжелых топливах

для предотвращения перегрева выпускного

клапана, как правило, имеется отдельный

контур для подвода

охлаждающей жидко-

сти к проточкам в селах клапанов.

Для очистки полостей охлаждения на

крышке предусматриваются лючки, закры-

тые крышками или пробками. В крышках

современных МОД полости для охлажде-

ния огневого днища выполнены в виде ра-

диальных сверлений по которым вода под-

водится для охлаждения не только корпу-

са, но и непосредственно

седла выпускно-

го клапана (рис. 3.10 г). Все сверления от-

крываются в водяной коллектор, образуе-

мый проточкой на крышке цилиндра и

кольцом, одеваемым на эту проточку (рис.

3.10 г). Низкая температура крышки и ин-

тенсивное охлаждение нижней части ста-

кана форсунки позволили применить для

ее охлаждения топливо вместо воды, как

это было

в более ранних конструкциях.

Безусловно, такая особенность делает эти

двигатели более удобными в эксплуата-

ции.

Рисунок 3.11 – Оснащение крышки цилин-

дров двухтактного дизеля RTA 62U. 1 – рас-

пределитель топлива по форсункам; 2 – инди-

каторный кран; 3 – фланец крышки; 4 – трубка

высокого давления; 5 – форсунка; 6 – привод

выпускного клапана; 7 – пусковой клапан

Для уплотнения стыка между крышкой

цилиндра и втулкой применяются сталь-

ные или красномедные кольца, а так же

композитные прокладки, которые при за-

тяжке обжимаются, обеспечивая уплотне-

ние стыка. В некоторых двигателях уплот-

нение достигается путем точной подгонки

сопрягаемых плоскостей.

Крышки СОД и ВОД, крепятся к ру-

башке блока с помощью шпилек

, количе-

ство которых обычно составляет от 4 до 8

штук. Число шпилек определяется исходя

из конструкции крышки. Увеличение чис-

ла шпилек ведет к боле равномерному рас-

пределению нагрузок, однако усложняет

конструкцию. У двухтактных двигателей

шпильки крепления проходят через специ-

альные отверстия, вынесенные во фланец

крышки. Для двигателей с прямоточно-

– 41 –

клапанной схемой продувки число шпилек

обычно не превышает 8. Для двигателей с

другими схемами продувки, у которых от-

сутствует выпускной клапан, число шпи-

лек может доходить до 20, что позволяет

обеспечить более равномерное обжатие

прокладки.

Подвижные детали. К подвижным де-

талям крейцкопфного дизеля относят пор-

шень в сборе, шток, крейцкопф, шатун и

коленчатый вал с маховиком; у тронкового

двигателя шток и крейцкопф отсутствуют.

3.2.6 – Поршень

Поршень, является наиболее ответст-

венным элементом конструкции любого

двигателя, он воспринимает силу давления

газов и передает ее через детали движения

на коленчатый вал, обеспечивает уплотне-

ние газового стыка с направляющей втул-

кой цилиндра, а в двухтактных двигателях

еще и управляет газовыми потоками.

Поршень работает в условиях высоких,

механических, динамических и темпера

турных нагрузок, что предъявляет ряд осо-

бых требований к его конструкции, мате-

риалу и технологии изготовления.

Металлы, используемые для изготовле-

ния поршней, должен обладать высокой

механической прочностью и износоустой-

чивостью при достаточно высоких темпе-

ратурах, а для эффективного отвода тепло-

ты от огневой поверхности они должны

обладать еще и хорошей теплопроводно-

стью. По конструкции поршни бывают

цельными и составными. У составных

поршней отдельные части обычно изготав-

ливают из различных материалов.

Независимо от назначения, все поршня

состоят из головки и направляющей части

называемой тронком или юбкой. В свою

очередь головка состоит из донышка, ко-

торое ограничивает рабочее пространство

цилиндра, и боковой поверхности, на ко-

торой располагаются канавки для ком-

прессионных и маслосъемных колец назы-

ваемые кепами. Если назначение головок

поршней у всех двигателей одинаковое, то

тронк в зависимости от типа двигателя

может выполнять разные функции. У дви-

гателей с прямой передачей усилий от

поршня на шатун, тронковая часть особен-

но развита, так как она фиксирует положе-

ние поршня относительно оси цилиндра, а,

кроме того, она воспринимает и передает

на стенку цилиндра нормальные силы,

возникающие при отклонении шатуна от

оси цилиндра (рис. 3.11). Именно в виду

такой конструктивной особенности, двига-

тели данной компоновочной схемы полу-

чили название тронковых. У двухтактных

двигателей, тронковая часть помимо всего

прочего служит для управления газовыми

потоками, а в крейцкопфных двигателях, у

которых нормальные силы на поршень не

действуют, функция газораспределения

является основной.

На рис. 3.12 показаны конструкции

поршней современных двухтактных мало-

оборотных двигателей, которые выполня-

ют составным: головку – из жаропрочных

молибденовых или хромо-молибденовых

сталей, а тронк – из легированных чугунов

или алюминиевых сплавов. Составная кон-

струкция поршня позволяет сократить рас-

ход дорогостоящих жаропрочных сталей,

снизить его массу, а в случае необходимо-

сти отдельно заменить головку поршня.

Во время работы двигателя на днище

поршня одновременно действуют высокие

механические и тепловые нагрузки, в ре-

зультате чего к его конструкции предъяв-

ляются достаточно противоречивые требо-

вания. С одной стороны механическая

прочность возрастает с увеличением тол-

щины днища, с другой стороны это ведет к

большим температурным перепадам, в ре-

зультате которых возникают высокие

внутренние напряжения, способные раз-

рушить материал головки. Кроме того,

днище поршня замыкает камеру сгорания,

и его наружная поверхность должна иметь

форму, обеспечивающую наиболее опти-

мальное смесеобразование. Однако, учи-

тывая, что тепловое воздействие на пор-

шень двухтактного двигателя происходит

в два раза чаще, чем у четырехтактного,

теплонапряженность последнего значи-

тельно выше. Для уменьшения площади

теплообмена огневая поверхность поршня

должна быть как можно меньше. На прак-

тике данные требования выполняются пу-

тем выбора оптимальной конструкции

днища и его интенсивного охлаждения.

– 42 –

Для увеличения механической прочности в

конструкции днища применяют дополни-

тельные кольцевые опоры (рис. 3.12 б)

уменьшающие диаметр неподкрепленной

части днища, ребра жесткости (рис. 3.12 г)

или утолщенное днище с системой на-

клонных сверлений (рис. 3.12 в, д). Для

охлаждения головок поршней использует-

ся вода или масло, подводимое во внут-

реннюю полость поршня. Водяное охлаж-

дение более эффективно, так как вода име-

ет более высокую теплоемкость (4,187

кДж/(кг×К)) чем масло (2,094 кДж/(кг×К)),

однако конструктивно создать надежную

систему уплотнений позволяющих подво-

дить воду к поршням достаточно сложно.

По этому в последнее время все произво-

дители МОД постепенно переходят на ох-

лаждение поршней маслом, протечки ко-

торого, в отличие от воды не так опасны.

Рисунок 3.12 – Поршни судовых малооборотных двухтактных двигателей: а – основные элементы

поршня и его штока двигателей серий К, L, S фирмы MAN; б – поршень со штоком двигателей серий

К, L, S фирмы MAN; в – поршень со штоком двигателя RTA 58 фирмы Wärtsilä; г – поршень двигате-

ля серии RND 90 фирмы Sulzer; д –поршень двигателя UEC 50 LSE фирмы Mitsubishi. 1 – сливная

труба; 2 – шток поршня; 3 – крепежные элементы; 4 – юбка поршня; 5 – кепы

с поршневыми кольца-

ми; 6 – головка поршня; 7 – тепловой барьер; 8 – полость охлаждения, 9 – фланец трубы охлаждения;

10 – охлаждающие сопла; 11 – фланец крепления штока; 12 – регулирующая проставка; 13 – труба

подвода охлаждающей воды

)

– 43 –

Охлаждающая жидкость поступает в

поршень по каналу в штоке (рис. 3.12 а, б,

в, д), или по специальным телескопиче-

ским штангам 13 (рис. 3.12 г).

К днищу поршня охлаждающая жид-

кость подводится за счет покачивания

вдоль тыльной поверхности головки,

взбалтывания при ходе поршня от ВМТ к

НМТ (рис. 3.12 б, г) или путем струйного

охлаждения, через систему сопел, каждое

из которых подает масло в соответствую-

щее сверление головки (рис. 3.12 в, д).

Охлаждение поршней организовано так,

чтобы максимально понизить температуру

в районе канавок поршневых колец, осо-

бенно верхнего. С этой целью в головке

иногда выполняется специальная полость

охлаждения, расположенную выше кана-

вок, а для отвода тепловых потоков от зо-

ны установки колец, в верхней части го-

ловки делают кольцевую проточку 7, вы-

полняющую роль теплового барьера (рис.

3.12 б). Учитывая отличия в температурах

нагрева головки поршня и втулки цилинд-

ра, которая приводит к разным тепловым

расширением, диаметр головки выбирают

таким образом, чтобы между ее цилиндри-

ческой частью и втулкой был зазор, доста-

точны, что бы скомпенсировать эту раз-

ность без заклинивания поршня.

Головка поршня к фланцу штока кре-

пится с помощью болтов или шпилек, ко-

торые для увеличения податливости дела-

ются достаточно длинными. Иногда для

удлинения шпилек используются дистан-

ционные проставки. Кроме того, к фланцу

штока крепится фланец трубы для подвода

и отвода охлаждающей жидкости и юбка

поршня. У МОД фирмы MAN серий К, L,

S юбка крепится непосредственно к голов-

ке поршня (рис. 3.12 б). На юбках некото-

рых поршней устанавливают специальные

противозадирные кольца, изготовленные

из свинцовистой или оловянистой бронзы.

Кольца закатываются в специальные ка-

навки и выступают над поверхностью юб-

ки на 0,1…0,4 мм.

Поскольку все современные МОД име-

ют прямоточно-клапанную продувку, юбка

у таких двигателей выполняет только на-

правляющую функцию (рис. 3.12 а, б, в, д),

поэтому ее изготавливают сравнительно

короткой. Это позволяет значительно уве-

личить ход поршня без увеличения высоты

двигателя. Так, например, у двигателя

S80MC/ME-C фирмы MAN этот показа-

тель доведен 3,2 метров. Увеличение

длинноходности дало возможность опти-

мизировать форму камеры сгорания, а

именно повысить ее высоту и вынесли ос-

новной объем в полость крышки цилиндра.

В результате удалось снизить теплонапря-

женность поршня за счет уменьшения

площади огневой поверхности, а основной

тепловой напор перенести на огневое

днище крышки цилиндра, которое гораздо

легшее эффективно охлаждать. Для защи-

ты втулок цилиндра от тепловых воздейст-

вий у современных МОД объем камеры

сгорания образуется только поверхностями

поршня и крышки цилиндра. Для этого го-

ловка поршня при положении в ВМТ зна-

чительно выступает в полость крышки

(рис. 3.13). Таким образом, в момент сго-

рания и на части хода поршня пока темпе-

ратура газов остается достаточно высокой,

они контактируют только с поверхностями

крышки и поршня.

Рисунок 3.13 – Варианты исполнения ЦПГ

двигателя S70MC с низкой (слева) и высокой

(справа) головкой поршня

– 44 –

В результате рассмотренных выше тех-

нических решений удалось добиться зна-

чительного повышения удельных показа-

телей двигателей и их надежности в экс-

плуатации.

У двигателей тронкового типа (рис.

3.14) для шарнирного соединения поршня

с шатуном на тронке предусматриваются

два прилива называемые бобышками, в

которых выполняется расточка под уста-

новку поршневого пальца или подшипника

скольжения под него. У цельных поршней,

бобышки выполняются как продолжение

головки, что обеспечивает дополнитель-

ную жесткость конструкции (рис. 3.14 б).

Рисунок 3.14 – Поршни судовых средне- и высокооборотных двигателей: а – общий вид поршня

четырехтактного двигателя L16/24 фирмы MAN; б – поршень двигателя L23/30 фирмы MAN;

в – поршень двигателя 46 серии фирмы Wärtsilä; г – поршень двигателя Z40 фирмы Sulzer; д – схема

механизма для проворачивания поршня двигателя Z40; е – поршень четырехтактного дизеля М32,

фирмы МаК. 1 – тронк; 2 – поршневой палец; 3 – бобышки; 4 – канал подвода масла на втулку

ци-

линдра; 5 – кепы с поршневыми кольцами; 6 – головка поршня; 7 – полость охлаждения; 8 – тепловой

экран, 9 – резьбовое отверстие для рема; 10 – храповое колесо; 11 – собачки; 12 – выступ храпового

колеса; 13 – кольцевая пружина; 14 – прорезь в пружине; 15 – штуцер подвода охлаждающего масла;

16 – стопорное кольцо;

)

– 45 –

Неравномерное распределение темпера-

тур и масс определяют сложную геомет-

рию поршня тронкового двигателя. Для

компенсации относительно большого ли-

нейного расширения головки поршня, свя-

занного с более высокой температурой на-

грева, образующую поверхность головки

делают меньшего диаметра, чем у тронка,

придавая поршню ступенчатую, конусную

или бочкообразную форму (рис. 3.15 а, б,

в, г).

Рисунок 3.15 – Очертания поршня тронко-

вого двигателя. а – конусная головка; б – сту-

пенчатая головка; в – конические головка и

юбка поршня; г – боковая поверхность поршня

имеет криволинейный профиль с максималь-

ным диаметром в районе оси поршневого

пальца; д – поперечное сечение поршня по оси

поршневого пальца

Для компенсации линейного расшире-

ния более массивных бобышек, основание

поршня выполняют в форме эллипса с

большой осью перпендикулярной оси

поршневого пальца (рис. 3.15 д). Разности

между диаметрами D′, D" и полуосями эл-

липса выбираются такими, чтобы при ус-

тановившемся тепловом режиме поршень

приобретал максимально правильную ци-

линдрическую форму.

У составных поршней тронковых двига-

телей (рис. 3.14 а, в, г, ж) головку обычно

изготавливают из легированных сталей

или чугунов, а тронковую часть из чугуна

или алюминиевых сплавов. Для увеличе-

ния жесткости тронка, его нижнюю часть

делают утолщенной. Соединяется головка

с днищем с помощью удлиненных шпилек

или болтов. На ВОД фирмы Caterpillar не-

которое распространение получили со-

ставные поршни, у которых тронковая

часть соединяется с днищем через порш-

невой палец, который одновременно

вставляется в отверстия на тронке и на бо-

бышках, выполненных как продолжение

головки.

Для усиления днища поршня на нем

размещают ребра жесткости (рис. 3.14 в), а

неподкрепленной части придают сводча-

тую форму, обладающую высокой несу-

щей способностью. Под огневым днищем

поршня в некоторых конструкциях распо-

лагают второе днище, которое замыкает

полость охлаждения и выполняет роль те-

плового экрана защищающего верхний

подшипник шатуна от чрезмерного нагре-

ва (рис. 3.14 а, в, ж).

Охлаждение головок поршней совре-

менных высокофорсированных тронковых

двигателей осуществляется маслом, под-

водимым из общей системы смазки. Для

этого в головке выполняются полости, ко-

торые имеют форму кольцевых пустот, а

также радиальных или наклонных сверле-

ний 7 (рис. 3.14 б, в, г, ж). Для интенсив-

ного охлаждения поршневых колец, дан-

ные полости располагаются выше кепов.

Масло в полость охлаждения поршня

подводится через подпружиненный шту-

цер 10 от верхней головки шатуна или че-

рез сверления в поршневом пальце, куда

оно поступает из системы смазки двигате-

ля по сверлению в стержне шатуна (рис.

3.14 ж). Масло может подаваться непре-

рывным потоком, обеспечивая проточное

– 46 –

охлаждение или отдельными порциями. Во

втором случае полость охлаждения запол-

няется не полностью, а охлаждение проис-

ходит за счет взбалтывания масла при

смене направления движения поршня.

Из полости охлаждения масло сливается

в боковые выборки на наружной стороне

поршня в районе бобышек, которые полу-

чили название холодильников. Кроме того,

часть масла через систему калиброванных

каналов 4 подается непосредственно на

гильзу цилиндра, прямо под маслосъем-

ными кольцами.

У двигателей с умеренной форсировкой

рабочего процесса применяют струйное

охлаждение поршней, при котором днище

поршня омывается струей масла из специ-

ального сопла установленного в верхней

головке шатуна. У ВОД применяются не-

охлаждаемые поршня, которые обычно из-

готавливают из алюминиевых сплавов

имеющих теплопроводность вдвое боль-

шую, чем у чугуна и стали. Это позволяет

упростить конструкцию поршня и умень-

шить его массу. Недостатком использова-

ния алюминиевых сплавов для изготовле-

ния поршней является их относительно

невысокая механическая прочность и

большой коэффициент линейного расши-

рения. Последнее обстоятельство вынуж-

дает делать увеличенные тепловые зазоры

между поршнем и втулкой.

3.2.7 – Поршневой палец

Поршневой палец служит для шарнир-

ного соединения поршня с верхней голов-

кой шатуна. Через него предаются силы,

действующие на поршень, что предъявляет

особо высокие требования к его жесткости

и износоустойчивости. Кроме механиче-

ских воздействий, палец подвержен дейст-

вию высоких температур за счет теплоты

передаваемой от головки поршня и тепло-

ты выделяющейся в результате трения о

бобышки и подшипник верхней головки

шатуна. По условиям работы на палец дей-

ствуют высокие знакопеременные нагруз-

ки в связи, с чем материал пальца должен

быть достаточно вязким и в тоже время

иметь высокую радиальную жесткость. К

тому же в сопряжении пальца с поверхно-

стью подшипников действуют высокие

удельные нагрузки. Это обстоятельство в

сочетании с невозможностью обеспечить

при качательном движении шатуна режим

эффективной гидродинамической смазки,

предъявляют высокие требования к изно-

соустойчивости рабочей поверхности

пальца.

Изготавливают поршневые пальцы из

малоуглеродистых или легированных ста-

лей, подвергая их поверхность азотирова-

нию, цементированию и поверхностной

закалке. Для улучшения условий работы

подшипников, а также для снятия внут-

ренних напряжений в упрочненном слое,

поверхность пальцев шлифуют.

Рисунок 3.16 – Конструкции поршневого

пальца и способы его осевой фиксации. 1 –

бобышки; 2 – поршневой палец; 3 – заглушки;

4 – пружинные фиксаторы

По конструкции поршневые пальцы вы-

полняются в форме цилиндра. Для умень-

шения массы внутри пальца делается рас-

точка, имеющая цилиндрическую или ко-

ническую форму (рис. 3.14 а). Коническая

расточка (рис. 3.16) позволяет распреде-

лить жесткость пальца в каждом сечении

пропорционально действующим нагруз-

кам, и тем самым максимально уменьшить

его массу, что особенно актуально для вы-

сокооборотных двигателей. С целью под-

вода масла под давлением для смазывания

подшипников или охлаждения поршней, в

пальцах некоторых двигателей выполняет-

ся система радиальных и осевых сверле-

ний.

В современных СОД и ВОД посадка

пальца в подшипниках выбирается таким

образом, чтобы при установившемся теп-

ловом режиме поршня палец свободно

вращался как относительно подшипника

– 47 –

верхней головки шатуна, так и относи-

тельно подшипников бобышек. Пальцы с

таким типом посадки называют плаваю-

щими. При их использовании, за счет

меньшей относительной скорости про-

скальзывания, силы трения, действующие

в сопряжении, снижаются, что приводит к

уменьшению изнашивания, а постепенное

проворачивание пальца способствует бо-

лее равномерному распределению износа

по образующей поверхности пальца.

От осевого перемещения пальцы пла-

вающего типа фиксируются с помощью

пружинных колец круглого или прямо-

угольного сечения устанавливаемых в

кольцевые проточки на бобышках или за-

глушек, которые устанавливаются в отвер-

стие пальца (рис. 3.16).

Интересное конструкторское решение в

своих двигателях серии Z, применяет фир-

ма Sulzer. В поршнях двигателей этой се-

рии установлен механизм проворачивания

поршня.

Для обеспечения необходимых степеней

свободы, поршень соединяется с шатуном

посредством шаровой опоры (рис. 3.14 г,

д), в которой имеется сверление перпенди-

кулярное оси цилиндра, и слегка смещен-

ное относительно ее. В сверлении распола-

гается две подпружиненные собачки, ко-

торые упираются в свободновращающееся

в проточке шаровой опоры храповое коле-

со (рис. 3.15).

Рисунок 3.15 – Собачка (слева) и фрагмент

храпового колеса механизма вращения поршня

За счет эксцентричности расположения

собачек, при качании шатуна храповое ко-

лесо совершает вращательное движение,

которое передается на пружину через вы-

ступ входящий в углубление на храповом

колесе. В результате пружина накапливает

энергию, которую она постепенно отдает,

проворачивая поршень.

Отсутствие бобышек способствует более

равномерному распределению материала

поршня по его диаметру. По этой причине

поршни данного типа имеют в основании

окружность а не эллипс. Кроме того, вра-

щение поршня позволяет более равномер-

но распределить температуры по его по-

верхности, а значит улучшить условия его

работы. Перечисленные выше факторы по-

зволяют уменьшить зазоры между порш-

нем и втулкой цилиндра. Сокращение за-

зоров уменьшает расход масла на угар и

снижает ударные нагрузки при перекладке

поршня, увеличивая ресурс ЦПГ. Исполь-

зование шаровой опоры позволяет более

точно центрировать поршень во втулке, и

более равномерно распределить удельные

давления по ее поверхности.

3.2.8 – Поршневые кольца

Для нормального протекания рабочего

процесса, надпоршневая полости должна

быть достаточно герметичной, и в тоже

время, поршень должен быть подвижным

относительно втулки цилиндра. Для вы-

полнения данных, достаточно противоре-

чивых требований, на поршнях устанавли-

ваются уплотнительные элементы, назы-

ваемые компрессионными кольцами (рис.

3.16).

Рисунок 3.16 – Поршневое компрессионное

кольцо. Пунктиром показано кольцо в свобод-

ном состоянии

Количество компрессионных колец зави-

сит от конструкции двигателя и обычно

лежит в пределах от 2 до 6. На современ-

ных двигателях количество колец и их вы-

соту стремятся сократить для уменьшения

сил трения в КШМ. Конструктивно кольцо

представляют разрезной упругий элемент,

который в радиальном сечении может

иметь одну из форм, показанных на рисун-

ке 3.17 (а-е).

– 48 –

В свободном состоянии все поршневые

кольца представляют собой эллипс с выре-

занным сегментом называемым замком.

При установке во втулку кольцо сжимает-

ся, приобретая круглю форму и плотно

прилегая к поверхности втулки (рис. 3.16).

Зазор в замке после его установки во втул-

ку должен быть достаточным для компен-

сации теплового расширения кольца при

нагревании. Поэтому величина установоч-

ного зазора в замке зависит от диаметра

цилиндра и максимально возможной тем-

пературы кольца.

Рисунок 3.17 – Профиль поршневых колец в

радиальном сечении. а – прямоугольное; б –

трапециевидное; в, г – конусные; д – прямо-

угольное с композитной вставкой; е – прямо-

угольное скручивающиеся; ж – маслосъемное

скребкового типа; з – маслосъемное коробча-

того типа

Замковые зазоры выполняют прямыми

(рис. 3.18 в) или профилированными (рис.

3.18 а, б). На современных МОД замок

верхнего кольца выполняют в виде слож-

ного профиля показанного на рис. 3.18 а.

Такие замки обеспечивают хорошее уп-

лотнение газового стыка, однако сложны в

изготовлении. Все последующие кольца на

МОД делают с косым разрезом (рис. 3.18

б), направляя наклон стыка в разные сто-

роны. У колец четырехтактных двигате-

лей, замковой прорез делают прямым (рис.

3.18 в). Такая форма замка обеспечивает

меньшую эффективность уплотнения, од-

нако отличается простотой и надежностью.

Торцевой зазор между кольцом и кепом

должен быть достаточным для предотвра-

щения заклинивания кольца при деформа-

ции поршня под действием механических

и тепловых нагрузок.

К рабочей поверхности втулки цилинд-

ра кольца прижимаются силами собствен-

ной упругости. При этом максимум давле-

ния приходится на область замка. Для

уменьшения изнашивания применяют раз-

личные формы эпюр распределения давле-

ний по окружности. В частности на мало-

оборотных двигателях применяются коль-

ца, у которых концы слегка загнуты во-

внутрь. Такая коррекция служит для пре-

дотвращения ударов и поломок колец о

кромки продувочных и выпускных окон.

Кроме сил упругости, значительную

роль в прижатии колец, особенно верхних

играет давление газов, которое воздейст-

вуют на тыльную сторону кольца.

Рисунок 3.18 – Виды замков в поршневых

кольцах: а – ступенчатый профилированный;

б – с наклонным разрезом; в – с прямым разре-

зом

Система поршневых колец не является

абсолютно герметичным уплотнением, по-

этому газы проходят в зазоры между ци-

линдрической поверхностью поршня и

втулки, зазоры в кепах, а также в замковые

зазоры колец. Замки колец располагают

друг относительно друга смещая их на оп-

ределенный угол, в результате чего фор-

мируется лабиринтное уплотнение. При-

мерное распределение давлений в системе

лабиринтного уплотнения представлено на

рис. 3.19. Как видно из рисунка макси-

мальное давление действует на первое

– 49 –

кольцо р

, которое составляет примерно

75…80% от давления в цилиндре р

. На

последующих кольцах давление значи-

тельно снижается за счет дросселирования

в зазорах.

Профиль кольца в радиальном сечении

существенно влияет на эффективность его

работы. Кольца с прямоугольным профи-

лем применяются в двигателях с умерен-

ным форсированием рабочего процесса

(рис. 3.17 а). У форсированных СОД и

ВОД в качестве верхних применяют коль-

ца с трапецеидальным профилем как менее

склонные к коксованию (рис. 3.17 в, г). В

качестве нижних используют так называе-

мые «минутные» кольца с углом наклона

наружной образующей поверхности

60…90'. Улучшение уплотнения достига-

ется применением колец с несимметрич-

ным сечением (рис. 3.17 е), обеспечиваю-

щим скручивание кольца при работе, что

уменьшает его склонность к зависанию. В

МОД применяются компрессионные коль-

ца композитного типа, у которых в рабо-

чую поверхность завальцовуются алюми-

ниевые или бронзовые кольцевые вставки

(рис. 3.17 д). Это позволяет уменьшить си-

лы трения кольца о втулку и ускорить их

приработку.

Рисунок 3.19 – Распределение давлений в ла-

биринтном уплотнении образованном систе-

мой поршневых компрессионных колец

Помимо уплотняющей функции кольца

играют важную роль в отводе теплоты от

поршня. В двигателях с неохлаждаемыми

поршнями через кольца отводится до 50%

теплоты воспринимаемой поршнем. Для

более интенсивного отвода тепла от порш-

невых колец, их располагают как можно

ниже на головке, так чтобы в ВМТ они на-

ходились на уровне полости рубашки ох-

лаждения втулки.

Исходя из условий работы, материал

поршневых колец должен обладать доста-

точной прочностью при высоких темпера-

турах, износостойкостью, малым коэффи-

циентом трения в условиях ограниченной

смазки и высоких температур. Основным

материалом для колец является серый пер-

литный чугун, легированный молибденом

и ванадием, высокопрочный чугун с гло-

булярным графитом, а также

легированные

стали.

Для повышения износостойкости и ко-

эффициента трения компрессионных колец

применяют специальные покрытия, нано-

симые на рабочие поверхности, пористое

хромирование, а также напыление карби-

дохромомолибденового слоя. Слой порис-

того хрома, насыщаясь маслом, способст-

вует снижению сил трения, а слой молиб-

дена способствует повышению противоза-

дирных свойств кольца.

Для снятия с поверхности втулки цилин-

дра избыточного масла у четырехтактных

двигателей помимо компрессионных колец

устанавливаются кольца специального

профиля называемые маслосъемными (3.16

ж, з). По своей конструкции маслосъем-

ные кольца бывают скребкового (3.16 ж) и

коробчатого (3.16 з) типа. Обычно на

поршне устанавливается одно маслосъем-

ное кольцо сразу под набором компресси-

онных, однако на некоторых двигателях

может быть установлено два кольца. Вто-

рое кольцо обычно устанавливается в про-

точке на нижней части тронка. Масло-

съемные кольца имеют повышенное ради-

альное давление на стенку цилиндра, для

увеличения которого используют расши-

рители в виде плоских профилированных

или цилиндрических витых пружин. Об-

щее давление на стенку цилиндра достига-

ет при этом 3 МПа. Для отвода снимаемого

со стенок масла, по периметру кепа прота-

чивают прорези которые через систему ра-

диальных отверстий соединяются с под-

поршневым пространством. Изготавлива-

ют маслосъемные кольца из тех же мате-

риалов что и компрессионные.