С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Поршень дизельного двигателя

Поршень дизельного двигателя


Поршни дизельных двигателей

Рейтинг:  5 / 5

 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.

Поршень форсированного дизельного двигателя

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкциям стальных сварных охлаждаемых поршней кривошипно-шатунных механизмов дизельных двигателей. Изобретение может использоваться при проектировании, изготовлении и эксплуатации дизельных двигателей, применяемых в качестве приводных установок для машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях, таких как карьерные самосвалы, автомобили высокой проходимости, дорожно-строительные машины и механизмы, бронированная техника.

Разработка и применение стальных сварных охлаждаемых поршней является ответными решениями по отношению к устойчиво проявляющейся на практике тенденции возрастания максимального давления сгорания топливовоздушной смеси в форсированных дизелях. В связи с этим становится актуальной проблема повышения срока службы поршней.

Стальной поршень по сравнению, например, с алюминиевым поршнем имеет ряд преимуществ.

Одно из них связано с малым отличием значений коэффициентов линейного расширения чугунного цилиндра и стального поршня. При близких значениях этих коэффициентов реализуется практически значимое уменьшение зазоров в сопряжении «поршень-цилиндр», что является необходимым условием достижения высоких экологических показателей по расходу масла на угар, вредным выбросам, вибрации, стойкости в отношении кавитации. Важно также снижение потерь на трение в сопряжении с цилиндром.

Очевидно, что рассматриваемые высокие значения давлений в цилиндре сопровождаются соответствующими высокими значениями тепловой напряженности цилиндра в целом и его поршня. Из теоретического анализа и практики следует, что в таких условиях не гарантируется достижение приемлемого теплового состояния элементов поршня при традиционном выполнении галерейного масляного охлаждения, когда полость охлаждения примыкает к зоне расположения колец, а центральная область днища организованного охлаждения не имеет. При характерных для применяемых сталей значениях коэффициентов теплопроводности температура в центре днища и на кромках камеры сгорания достигает значений, при которых становится необходимым реализовать дополнительные решения по ее снижению. С увеличением диаметра цилиндра проблема охлаждения днища стального поршня усугубляется. Тем самым ограничивается распространение такого поршня и по диаметру цилиндра и по его тепловой напряженности.

Известен стальной сварной охлаждаемый поршень для двигателя внутреннего сгорания по патенту US 7005620 B2. Известный поршень содержит верхние и нижние фрагменты, имеющие сопрягаемые поверхности, которые соединены друг с другом посредством сварного соединения, образованного методом индукционной сварки. Сваренные стенки верхнего и нижнего фрагментов образуют кольцевую полость, являющуюся емкостью для масла, охлаждающего зону головки поршня, в которой расположены поршневые кольца, и частично зону дна поршня, примыкающую к кольцевой полости.

Недостатком известного технического решения является отсутствие активного масляного охлаждения центральной, наиболее нагруженной части днища поршня, что ограничивает область применения известного поршня в двигателях, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.

Известен стальной сварной охлаждаемый поршень по патенту DE 19846152 (A1), принятый в качестве прототипа.

Фронтальный вид поршня с частичным разрезом представлен на фигуре 1. Поршень состоит из двух стальных сваренных между собой нижнего и верхнего фрагментов, образующих периферийную и центральную полости охлаждения головки поршня, сообщенные каналами, расположенными перпендикулярно продольной оси симметрии поршня.

Поток охлаждающего масла в полостях охлаждения известного поршня организован в соответствии с традиционными представлениями [2]. Из напорной магистрали масло струей по каналу K направляется в периферийную полость охлаждения и частично заполняет ее, как это схематично представлено на фигуре 2, в момент нахождения поршня вблизи нижней мертвой точки (HTM). При последующем движении поршня к верхней мертвой точке (BMT) масло под действием инерционной нагрузки (фиг.3) перемещается в верхнюю часть полости. При таком перемещении (взбалтывании) осуществляется омывание нагретых поверхностей и их охлаждение. При очередном изменении направления действия сил инерции доставленная в верхнюю часть полости порция масла будет возвращена в положение по фигуре 2, соответствующее нахождению поршня вблизи НМТ. При таком положении поршня находящаяся в полости охлаждения порция масла нагружается давлением со стороны струи напорной магистрали и динамическим давлением, образующимся вследствие перемещения порции вместе с поршнем. Под действием результирующего давления задействованная в процессе порция масла частично удаляется по каналам 5 из периферийной полости в центральную, в которой осуществляется аналогичный процесс охлаждения центральной части днища поршня.

Таким образом, за отрезок времени, соответствующий одному обороту коленчатого вала, в системе охлаждения поршня совершается полный цикл изменения состояния периферийной полости, включая ее частичное заполнение, омывание и охлаждение наиболее нагретой верхней части поверхности галереи, возвращение масла в состояние частичного заполнения, передачу его в центральную полость, охлаждение центральной части днища, возвращение масла в картер.

В описании известного поршня не упоминаются технические решения, кроме каналов, расположенных перпендикулярно продольной оси симметрии поршня, влияющие на усиление теплообмена в центральной, наиболее нагруженной части днища поршня, и на повышение интенсивности охлаждения головок поршней при форсировании, например, в условиях максимального давления сгорания топлива до 20 МПа и выше.

Обеспечение работоспособности поршней форсированных дизельных двигателей при максимальном давлении сгорания топлива до 20 МПа и выше требует более активной циркуляции масла в охлаждаемых полостях поршня. Прототип же не обеспечивает активного охлаждения головок поршней форсированных дизельных двигателей.

Задачей изобретения является обеспечение работоспособности поршней форсированных дизельных двигателей при максимальном давлении сгорания топлива до 20 МПа и выше.

Техническим результатом изобретения является достижение более активной, по сравнению с прототипом, циркуляции масла в охлаждаемых полостях поршня.

Технический результат достигается тем, что в поршне форсированного дизельного двигателя, состоящем из двух стальных сваренных между собой нижнего и верхнего фрагментов, образующих периферийную и центральную полости охлаждения головки поршня, сообщенные каналами, выполненными в стенке нижнего фрагмента перпендикулярно продольной оси симметрии поршня, согласно изобретению в стенке нижнего фрагмента выполнены дополнительные каналы, расположенные наклонно к продольной оси симметрии поршня, также сообщающие периферийную и центральную полости охлаждения, при этом дополнительные каналы расположены выше основных каналов.

Сообщение периферийной и центральной полостей охлаждения головки поршня каналами, выполненными в стенке нижнего фрагмента перпендикулярно продольной оси симметрии поршня, и дополнительными каналами, расположенными наклонно к продольной оси симметрии поршня, обеспечивает активное охлаждение головок поршней при форсировании дизеля по сравнению с прототипом в силу того, что достигается лучший результат по теплоотводу.

Практикой установлено, что эффективность рассматриваемой организации процесса теплообмена, при прочих равных условиях, зависит как от количества взбалтываемого масла (на фигуре 2 косвенно характеризуется величиной h2), так и от интенсивности процесса взбалтывания (на фигуре 2 характеризуется величиной h3 перемещения порции масла в периферийной полости).

Наилучший результат по теплоотводу достигается при некотором оптимальном соотношении этих показателей, что обеспечивает взаимоувязанный выбор расположения и величины проходных сечений каналов, сообщающих полости, что в свою очередь влияет на оптимизацию процесса теплоотвода, связанную как с увеличением расхода масла на охлаждение поршня, так и с интенсивностью перемещения масла в периферийной полости.

На фиг.3 представлено состояние галереи периферийной полости при положении поршня, близком к верхней мертвой точке. Здесь порция масла сосредоточена в верхней части галереи в контакте с наиболее нагретой поверхностью. При этом она нагружена динамическим давлением, достаточным для осуществления циркуляции масла по каналу 6, с частичной передачей его из периферии в центральную полость.

Выполнение дополнительных каналов с соответствующими ориентацией и размерами не встречает принципиальных затруднений при выбранном делении поршня на фрагменты со сваркой в двух взаимно перпендикулярных поверхностях. В части организации процесса охлаждения наличие двух типов каналов позволяет осуществлять циклическую передачу масла из периферийной полости в центральную при положениях поршня как вблизи НМТ, так и вблизи ВМТ, т.е. с удвоенной частотой по сравнению с прототипом DE 19846152 (A1). Удвоение частоты замещения масла в периферийной галерее составляет реальную основу для увеличения интенсивности прокачки масла через систему охлаждения поршня.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен фронтальный вид с частичным разрезом поршня по прототипу.

На фиг.2 показан частичный разрез поршня по основным каналам, соединяющим полости охлаждения.

На фиг.3 показан частичный разрез поршня по дополнительным каналам, соединяющим полости охлаждения.

На фиг.4 изображен полный разрез поршня по дополнительным каналам.

Поршень форсированного дизельного двигателя состоит из двух фрагментов: нижнего 1 и верхнего 2, соединенных друг с другом посредством электронной или лазерной сварки. Поверхности сопряжения фрагментов перпендикулярны друг другу. Фрагменты 1 и 2 образуют периферийную 3 и центральную 4 полости охлаждения, сообщенные друг с другом посредством основных каналов 5 и дополнительных каналов 6, выполненных в стенке нижнего фрагмента. Основные каналы 5 по своему расположению идентичны каналам прототипа. Дополнительные каналы 6 расположены наклонно к продольной оси симметрии поршня и выше основных каналов 5, и сообщают верхнюю зону периферийной полости 3 с центральной полостью 4. Охлаждающее масло подается в периферийную полость одним из известных способов.

Наличие двух типов каналов, соединяющих полости охлаждения, позволяет осуществить прокачку охлаждающего масла с удвоенной частотой его циклического замещения в периферийной полости и передачи его в центральную полость. За счет этого достигается эффективное охлаждение центральной зоны днища поршня.

ЛИТЕРАТУРА

1. US 7005620 B2 (аналог).

2. Г.Б. Розенблит. Теплопередача в дизелях. «Машиностроение», Москва, 1977.

3. SAE Technical Paper Series, №881856. The Caterpillar 3176 Heavy Duty Diesel Engine.

4. A forget steel piston for highly diesel engines. SAE Off-Highway Engineering. September, 2000.

5. Magnum Mono Steel Piston. Проспект фирмы Federal-Mogul Corporation.

6. Патент US 8371261 B2.

7. Патент DE 3717767 Al.

8. Патент GB 2232223 A.

9. Патент DE 19846152 (A1) - (прототип).

Поршень форсированного дизельного двигателя, состоящий из двух стальных сваренных между собой нижнего и верхнего фрагментов, образующих периферийную и центральную полости охлаждения головки поршня, сообщенные каналами, выполненными в стенке нижнего фрагмента перпендикулярно продольной оси симметрии поршня, отличающийся тем, что в стенке нижнего фрагмента выполнены дополнительные каналы, расположенные наклонно к продольной оси симметрии поршня, также сообщающие периферийную и центральную полости охлаждения, при этом дополнительные каналы расположены выше основных каналов.

Что такое прогар поршня дизельного двигателя?

Дизельный мотор имеет значительные  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 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.

           Но, при этом, 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 хорошо не бывает в 90% случаев.

3 основные причины, почему прогорел поршень дизельного двигателя

По каким причинам может прогореть поршень дизельного двигателя? Первой и самой вероятной причиной 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 процедура сопровождается характерным «тах-кающим» звуком.

           Если долго использовать машину в подобном режиме, то со временем стенки поршня оплавляются. Причем, проблема проявит себя при первом же плавлении поршней. Материал расплавленного алюминия будет разлетаться по стенкам и ускорит разрушение двигателя.. Чем дольше так ездить, тем больше деталей в двигателе вам потребуется заменить. Вплоть до капитального ремонта или полноценной замены двигателя.

           Происходит так потому, что куски абразива попадают между гильзой и поршнем, стирают поверхность, создают задиры. В этом всём чаще всего виноваты форсунки и их неправильная подача топлива.

  • Также, причиной прогара поршней может стать масло. Такие случаи появляются также довольно часто. Так может происходить потому, что направляющие клапанов головки блока цилиндра могли разболтаться, а сальники потерять свою устойчивость. Масло стекает по впускному клапану и потихоньку капает на поршень двигателя. Температура горения масла выше, чем температура топлива. И эта ситуация заставляет двигатель постепенно умирать.

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

Как справиться с проблемой?

Избежать такой ситуации очень просто. Вовремя проходите технический осмотр машины, при любом непонимании и лишних звуках в районе двигателя обязательно проверяйте машину на СТО. Кроме того, постоянно следите за уровнем масла и антифриза в Вашем авто. Своевременная диагностика двигателя предупреждает его неисправность.

Типы поршней

Рейтинг:  5 / 5

Не буду растягивать вступление, кратко расскажу, о чем будет этот большой пост. И так речь идет о типах поршней, четырех тактные бензиновые, дизельные и двух тактные, Основная задача всех рассмотренных типов поршней, это контролировать тепловое расширение и противостоять определенной нагрузке, ниже разберемся как это решается.

Поршни для четырехтактных бензиновых двигателей

В современных бензиновых двигателях используют поршни с симметричной или асимметричной юбкой с различной толщиной днища и юбки поршня.

Поршни управляемого расширения

Поршни с кольцевой вставкой, которая управляет тепловым расширением. Вставки выполнены из серого чугуна. Главная цель этого кольца уменьшить тепловое расширение алюминиевого сплава поршня, так как чугун имеет относительно небольшое расширение и малую теплопроводность, вставка тем самым сдерживает металл сохраняя форму. Производство таких поршней более затратное, соответственно и выше цена готового продукта. Основной недостаток, это невозможность изготовления кованного поршня, так необходимого для турбированых двигателей, большая масса поршня. Такой тип поршней больше уходит в далекое прошлое.

Авто термические поршни

Авто термические поршни, имеют разделение(пропил) между кольцевым поясом и юбкой в канавке маслосъемного кольца, юбка держится в районе бобышек. Это позволяет снизить теплопередачу от кольцевого пояса поршня к его юбке, тем самым достигается более стабильная форма юбки. Стальная вставка в районе бобышек, контролирует тепловое расширение и увеличивает прочность. Такие поршни не способны выдерживать огромные нагрузки из-за «пропила», в работе отличаются низким шумом и относятся к более современным типам.

Поршни Autothermatik

Действуют по такому же принципу, как и авто термические поршни, но не имеют пропила в маслосъемной канавке. Так же имеют стальные пластины в районе бобышек. Более прочные из-за целостности кольцевого пояса и юбки, лучше выдерживают боковые нагрузки по сравнению с первым вариантом. Применяются как в бензиновых, так и частично в дизельных двигателях.

Поршни Duotherm

Чем- то похожи на авто термические, но вместо пропила в юбке имеют стальную вставку по всему диаметру. Таким образом ограничивая температурный переход от кольцевого пояса к юбке и контролирую форму по всей окружности.

Поршни с перегородками

Этот тип поршней имеет большой холодильник и узкую часто овальную форму юбки. Поршень спроектирован так что при тепловом расширении он меняет свою форму из овальной в правильную круглую.

В дополнение к такому типу поршней еще есть вариант со скошенной юбкой к вершине поршня. имеет более широкую часть юбки снизу сужаясь к кольцевому поясу.

У поршней для двигателей с очень высокой выходной мощностью (больше, чем 100 кВт/л) может быть выполнен охлаждающий канал.

Поршни EVOTEC®

Самый большой потенциал для того, чтобы уменьшить поршневую массу в четырехтактных бензиновых двигателях несут в себе поршни EVOTEC®, в котором прежде всего стоит отметить трапециевидные поддержки бобышек, что позволяет расположить палец особенно глубоко, близко к днищу, сократив всю длину и массу поршня. В посте Масса поршня мы уже говорили о достоинстве такого расположения пальца. Такое расположение стенок юбки позволяет очень хорошо усилить верхнюю часть бобышек имея небольшую толщину перегородок и облегчить нижнюю выполнив поршень асимметричной формы. Юбка достаточно узкая и на краях имеет прочные перегородки, переходящие к бобышкам, это тоже является большим плюсом. Такая компоновка поршня очень хорошо препятствует боковым нагрузкам, мала вероятность деформации юбки, при этом толщина юбки намного меньше чем в обычном поршне, что тоже сокращает общий вес. На всем фоне отмеченных выше достоинств поршень значительно похудел, это позволяет сделать бобышки тоньше, так как инерционная нагрузка на нижние стенки бобышек стала меньше.

Кованные алюминиевые поршни

В двигателях с очень большими удельными нагрузками - такими как турбонадув или впрыск закиси азота используют кованные поршни. Преимуществом несомненно является прочность кованного алюминиевого сплава. Выдерживают более высокую температуру и лучше противостоят детонации. Из недостатков отмечается более высокая цена, невозможность применения некоторых технологий, например, некоторые из тех что описаны выше из-за технологического процесса изготовления.

Кованный поршень для Формулы 1

В следующем посте поговорим о поршнях для двухтактных и дизельных двигателей, где нагрузки и температуры еще больше. Поршни дизельных двигателей

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости