Общее устройство поршня и его материал. Поршень тронкового двигателя состоит из головки и тронка (юбки). Головка воспринимает давление газов и несет в себе уплотни тельные кольца. Тронковая часть поршня является направляющей. Она имеет больший диаметр, чем головка. В ее приливах, называемых бобышками, размещен поршневой палец. Над тронком и в его нижней части установлены маслосъемные кольца.
Поршни судовых дизелей изготовляют из чугуна марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и из алюминиевых сплавов марок АЛ-1, АК-2, АК-4. Алюминиевые поршни легче чугунных. Это весьма важное преимущество поршней, так как от их массы зависит величина силы инерции, действующей в кривошипно-шатунном механизме. Вследствие высокой теплопроводности алюминиевых сплавов алюминиевые поршни нагреваются меньше, чем чугунные.
Вследствие сильного нагрева головки при работе двигателя и, значит, ее расширения между головкой и втулкой цилиндра предусматривают значительный зазор: порядка 0,006 диаметра цилиндра. Чтобы предотвратить утечку воздуха и газа через него, в головке устанавливают уплотнительные кольца. В зависимости от размеров и быстроходности двигателя их бывает от трех до шести. В нижнюю канавку вставляют маслосъемное кольцо. Ниже его протачивают канавку, из которой сверлят отверстия для сброса масла внутрь поршня. Иногда сочетание колец бывает другое. Так, у двигателя ЗД6 два верхних кольца являются уплотнительными, а два нижних 3—одновременно и уплотнительными и маслосъемными.
Тронковая часть поршня. Зазор между тронком и втулкой цилиндра составляет у чугунных поршней около 0,001 диаметра цилиндра, у поршней из алюминиевых сплавов—порядка 0,0015—0,0025 диаметра цилиндра. При таких зазорах реальна опасность заедания поршня в случае его перегрева. Чтобы воспрепятствовать нагреванию тронка, сечение стенки поршня при переходе от головки к тронку резко уменьшается. В связи с этим основная часть теплового потока от днища передается через кольца стенке цилиндра и через нее—охлаждающей воде.
Ввиду сосредоточения больших масс металла в районе бобышек тронк будет иметь максимальное тепловое расширение в направлении оси пальца. Поэтому наружную поверхность его в районе бобышек сошлифовывают, в результате чего образуются так называемые холодильники глубиной до 1 мм. У некоторых двигателей в целях уменьшения местной концентрации металла и снижения массы поршня вблизи бобышек выбирают карманы.
Поршень, изображенный на рис. 1, относят к числу укороченных: его длина меньше, чем диаметр. Такой размер выбран для облегчения поршня, но уменьшение длины тронковой части приводит к повышенным удельным давлениям поршня на стенку цилиндра, к увеличению износа втулки и поршня.
У двигателей с укороченным поршнем К превышает 1000 кПа (10 кгс/см2).
Снижение тепловой напряженности поршня. Через уплотнительные кольца передается 75—80% всего теплового потока от днища поршня. При этом через первое (верхнее) кольцо отводится 40—50% всей теплоты, через второе — в 2 раза меньше, через третье — в 4 раза меньше.
Недостаточный отвод теплоты от днища поршня может привести к его перегреву и, как следствие этого, к появлению трещин. Чтобы улучшить отвод теплоты от днища и равномернее распределить ее между всеми кольцами, переход от днища к стенке делают плавным, а толщину днища к стенке увеличивают.
Рис. 1. Поршень двигателя ЗД6
Рис. 2. Отвод теплоты от днища поршня:
а — без теплового барьера; б — с тепловым барьером
Рис. 3. Охлаждение поршней:
а — двйгателя 6Л275ПН; б — двигателя Г70-5
Рис. 4. Составной поршень
В очень тяжелых условиях работает верхнее кольцо. Оно быстрее остальных теряет упругость и закоксовывается.
Для облегчения работы верхнего кольца выше него протачивают канавку, отклоняющую тепловой поток в направлении нижних колец.
При больших диаметрах цилиндров и при высокой средней температуре рабочего цикла перегрев днища поршня можно предотвратить лишь искусственным его охлаждением. Поэтому у некоторых двигателей речных судов поршень охлаждается маслом, подводимым через шатун.
При, умеренной тепловой напряженности поршня применяют охлаждение фонтанирующей струей масла. Подводится масло к головке шатуна по трубке от кривошипного подшипника под давлением. Масло, пройдя по кольцевой канавке к соплу, фонтанирует. Струя масла попадает на днище поршня, охлаждая его, и стекает затем в поддон фундаментной рамы.
Более теплонапряженныедвигатели имеют проточное охлаждение поршня. В этом случае внутри головки поршня делают полость охлаждения. К перегородке, отделяющей полость охлаждения, крепится стакан, внутри которого находится втулка, прижатая пружиной к головке шатуна. Масло из канала стержня и канавки головки шатуна поступает через втулку и стакан в полость, откуда стекает в картер по трубке.
При высокой тепловой напряженности может быть применен составной поршень. Так, у двигателя 10Д40 с цилиндровой мощностью 150 л. с. при 700 об/мин поршень состоит из трех основных частей: головки, тронка и вставки. Головка скрепляется с тронком четырьмя винтами, вставка фиксируется в осевом направлении стопорным кольцом, установленным в проточке тронка.
Головка при такой конструкции поршня может быть выполнена из жаростойкого металла (у двигателя 10Д40 из стали 2×13 или из легированного чугуна) и заменена в случае выхода из строя.
Так как палец поршня находится в расточке вставки, тронк не имеет бобышек и отверстий для пальца, в связи с чем ири нагревании он расширяется равномерно во всех направлениях. Материалом тронка двигателя 10Д40 служит чугун, вставки — алюминиевый сплав.
Поршень охлаждается маслом, подводимым через шатун, к верхней головке которого прижимается башмак. Через канал вставки масло проходит в полость, омывая центральную часть поршня, по каналам перетекает в полость головки и затем стекает в картер двигателя через каналы вставки, не показанные на чертеже.
Прокладка, устанавливаемая между вставкой и опорным буртом» тронка, позволяет регулировать степень сжатия.