Конспект лекции "Крышки (головки) цилиндров."

КРЫШКИ РАБОЧИХ ЦИЛИНДРОВ

Крышка цилиндра, являющаяся одним из элементов остова дизе­ля, служит для плотного закрытия цилиндра, образования камеры сго­рания (вместе с днищем поршня и стенками втулки), размещения кла­панов и форсунки.

У четырехтактного дизеля крышка состоит из днищ нижнего ог­невого 1 (рис. 5.1а) и верхнего 3, соединенных вертикальными стенка­ми и стаканами для форсунки 5, клапанов впускных 4, выпускных 6, пускового и предохранительного. В крышке имеются воздушные и га­зовые каналы и полость охлаждения.

Крышки четырех- и двухтактных дизелей с прямоточно-клапанной продувкой конструктивно подобны. Конструкции крышек двух­тактных дизелей с контурной продувкой более простые, так как в них отсутствуют впускные и выпускные клапаны.

Условия работы крышки - она подвергается воздействию боль­ших механических и термических нагрузок.

Механические нагрузки возникают под давлением газов и силы затяга крепежных шпилек. Под действием этих сил крышка изгибает­ся. Опасным, как правило, является сечение, проходящее через отвер­стия для клапанов.

Напряжения растяжения в верхнем днище крышки и напряжения сжатия в огневом днище

и (5.1)

где l₁ и l₂ - расстояния наиболее удаленных волокон днищ от нейтраль­ной оси, м; I - осевой момент инерции опасного сечения крышки, м⁴.

Термические нагрузки обусловлены непосредственным соприкосновением огневого днища крышки с горячими газами. Нагрев днища снижает его прочность, а температурный перепад по толщине вызывает термические напряжения Суммарные напряжения сжатия в огне­вом днище крышки

σ_сум=σ_сж±σ_t,

К конструкции цилиндровой крышки предъявляются следующие основные требования:

• возможно меньшие напряжения в огневом днище;

• свободное расширение наиболее нагретых частей;

• простая и симметричная форма для обеспечения равномерного распределения температур и снижения напряжений от неоди­наковой скорости нагрева и остывания отдельных стенок;

• большие проходные сечения газораспределительных клапанов;

• оптимальная форма камеры сгорания в соответствии с приня­той системой смесеобразования и схемой газообмена;

• должна способствовать уменьшению тепловых нагрузок верх­него пояса цилиндровой втулки.

Материал для изготовления крышек МОД - легированная сталь (молибденовая или хромоникелевая), крышек СОД - легированный чугун с присадками молибдена, хрома, никеля или серый чугун. Огне­вую часть составных крышек изготавливают из легированной стали, верхнюю - из чугуна или углеродистой, а шпильки СОД - из легиро­ванной стали и др.

По конструкции различают цилиндровые крышки цельные и со­ставные. Крышка может быть четырех-, шести-, восьмигранной или круглой. Многогранная и круглая формы крышки дают возможность расположить крепежные шпильки по окружности, увеличить их число и уменьшить диаметр, а, следовательно, уменьшить прогиб участков крышки между шпильками и усилие затяга шпилек.

Форму огневого днища выбирают из условия обеспечения каче­ственных процессов смесеобразования и газообмена с учетом возни­кающих в нем напряжений (напряжения растяжения нежелательны).

Охлаждается крышка водой, подводимой из фланцевой части ци­линдровой втулки или из зарубашечного пространства у дизелей ран­ней постройки. Поток воды последовательно охлаждает огневое дни­ще, стаканы форсунки и клапанов (часто непосредственно седла кла­панов), каналы для газа и воздуха (см. рис. 5.1а). Для улучшения ох­лаждения наиболее нагретых поверхностей отливают в крышке направ­ляющие стенки, устанавливают специальные патрубки или сопла. Вода из крышки отводится из наиболее высокой точки полости охлаждения, что предотвращает образование застойных зон, воздушных и паровых мешков.

Конструктивные способы снижения механической и тепловой напряженности цилиндровой крышки.

В крышке СОД «Зульцер» Z40/48 (см. рис. 5.1а) толстое проме­жуточное днище 2 является опорой для тонкостенного огневого днища 1 и принимает на себя механические нагрузки (через стенки, ребра и стаканы клапанов). Снижение механических напряжений в огневом днище достигнуто приближением к нему нейтральной оси крышки (уменьшается расстояние l в формуле 5.1).

Снижение термических напряжений достигается уменьшением толщины тепловоспринимающей стенки огневого днища и его интен­сивного охлаждения. Вода в крышку поступает по круговому кожу­ху 7. Часть воды поступает в полость между огневым и промежуточным днищами, часть - на охлаждение седел клапанов. Затем вода в верхнюю полость крышки проходит по каналу вокруг стакана форсунки.

В конструкции крышек современных форсированных двигателей в связи с ростом тепловых нагрузок промежуточное днище устранено, и огневое днище воспринимает все механические и тепловые нагруз­ки. Поэтому его толщина увеличена, но для снижения тепловых напря­жений близко к тепловоспринимающей поверхности просверле­ны охлаждающие каналы (см. рис. 5.1б). Охлаждающая вода циркулирует в наклонных а, ра­диальных b и вертикальных с сверлениях. Вследствие близко­го расположения охлаждающих каналов к огневой поверхности обеспечивается ее хорошее ох­лаждение, а температурные пере­пады концентрируются между каналами и огневой поверхнос­тью. Температура основной мас­сы днища (выше каналов) в крышке двигателя ZA40S остает­ся приблизительно постоянной и относительно невысокой. Не­смотря на возросший уровень нагрузок на огневое днище, его теплонапряженность осталась приблизительно на прежнем уровне (как в дизеле Z40/48), а максимальные механические на­пряжения снижены почти на 70%.

Увеличение толщины стенок и сверление в них охлаждающих каналов - основной способ сни­жения механической и тепловой напряженности тепловоспринимающих деталей в современных дизелях. Эффективное снижение напряженности крышек цилинд­ров в большинстве форсированных дизелей достигнуто их изготовлением в виде стальной кованой плиты с выточкой для камеры сгорания и интенсивным охлаждением с помощью системы сверленых каналов.

Так, в крышке дизеля «Зульцер» RTA (рис. 5.2) вода подводится по сверлениям для охлаждения не только корпуса, но и непосредствен­но седла выпускного клапана. Низкая температура крышки за сверле­ниями и интенсивное охлаждение нижней части стакана форсунки по­зволили применить для ее охлаждения топливо (вместо воды), что зна­чительно удобнее в эксплуатации.

Важно отметить, что крышка имеет колпачковую форму. Это по­вышает жесткость конструкции, а главное, в ней размещается камера сгорания. Верхняя часть цилиндра перекрывается поршнем при его положении в ВМТ. В результате существенно снижается тепловая на­грузка верхнего пояса втулки, так как он подвергается воздействию газов на ходе расширения, когда их давление и температура сравни­тельно низкие. Для охлаждения бурта крышки (толстой вертикальной стенки колпака) ближе к огневой поверхности сделаны тангенциаль­ные каналы - сверления, подобные сверлениям в бурте втулки.

Подобная конструкция крышки применена и в но­вейших, сверхдлинноходных форсированных дизе­лях «МАН-Бурмейстер и Вайн» типа S/L-MC/MCC (см. рис. 5.3). Использова­ние колпачковых крышек наряду с отмеченными пре­имуществами дает возмож­ность отказаться от резьбо­вых сверлений (для подъ­емных рымов) в днище пор­шня, являющихся концент­раторами напряжений, а иногда расположить пуско­вой, предохранительный и индикаторный клапаны на боковой поверхности кол­пака, в итоге уменьшается количество отверстий в ог­невом днище.

Литература

Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Том 2. / И.В.Возницкий, А.С.Пунда – М.:МОРКНИГА, 2010.- 382 с. Стр. 57-61