Поршень во время такта расширения воспринимает давление газов и через поршневой палец и шатун передает его на шатунную шейку коленчатого вала. Кроме того, при помощи поршня осуществляются впуск и сжатие газов в цилиндре и выпуск отработавших газов в атмосферу.
В дизелях в момент вспышки давление газов на поршень может достигать 80—90 кг/см2, при этом общая нагрузка на днище поршня превышает 10—15 т. В быстроходных двигателях поршень с большой скоростью совершает возвратно-поступательное движение. При этом на него действуют большие инерционные силы. Кроме того, во время сгорания топлива поршень сильно нагревается. Неблагоприятные условия отвода тепла от поршня приводят к неодинаковому нагреву его различных частей.
Чтобы выдержать большие механические нагрузки и воздействие высоких температур, материал поршня должен иметь высокую механическую прочность, сохраняющуюся при нагреве, малый коэффициент трения, хорошую сопротивляемость износу, хорошую теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения при нагреве.
Перечисленные требования в значительной мере удовлетворяют поршни из алюминиевых сплавов. Однако такие сплавы имеют большой коэффициент линейного расширения. Поэтому поршни из алюминиевых сплавов, чтобы они во время работы не заклинились, вставляют в цилиндры с большими зазорами.
Из алюминиевых сплавов изготовляют поршни почти всех отечественных тракторных двигателей.
Поршень (рис. 21) имеет следующие части: днище /, уплотняющую часть 2У направляющую часть (юбку) 4, бобышки 3.
Днище поршня бывает различной формы. У двухтактных карбюраторных двигателей ПД-10М для лучшей продувки днище поршня сделано выпуклым; у поршней двигателей П-46 и Д-28 Днище плоское. В днищах поршней дизелей Д-54А и Д-20 сделаны выточки против клапанов, предупреждающие удары поршней о тарелки клапанов. У многих дизелей (например, Д-54А) в днище поршня сделаны поддиффузорные выемки; v дизелей Д-20. Д-37М(В), Д-108, АМ-01 и АМ-41— камеры сгорания.
Диаметр днища поршня несколько меньше диаметра юбки. Это сделано для того, чтобы предотвратить возможность заклинивания поршня в результате неравномерного нагрева его частей. Днище поршня нагревается наиболее сильно, а охлаждение его затруднено. С внутренней стороны днище поршня охлаждается маслом. Для улучшения условий охлаждения у некоторых двигателей (КДМ-100) масло направляется струйками от верхней головки шатуна на днище поршня. Для уплотнения поршня в цилиндре в канавки 6 и 7 устанавливают упругие поршневые кольца.
В поршнях некоторых дизелей (Д-54А) над канавкой для верхнего кольца делают глубокую узкую канавку, препятствующую передаче тепла от днища к поршневым кольцам. Это уменьшает подгорание масла в зазорах между стенками канавок и кольцами.
Между поршнем и цилиндром оставляют такой зазор, чтобы, не нарушая уплотнения в соединении, предупредить заклинивание поршня при нагреве. Так, у дизелей СМД-14 и Д-37М зазор между цилиндром и нижней частью поршня допускается 0,24— 0,28 мм; у дизеля Д-54А— 0,32—0,26 мм. У дизеля КДМ-100 зазор равен 0,38— 0,42 мм.
Алюминиевые поршни, сильно расширяющиеся при нагреве, устанавливают в цилиндр с большим зазором, чем чугунные.
Для получения минимального зазора между поршнем и стенкой цилиндра холодного двигателя направляющую часть поршня из алюминиевого сплава иногда делают эллиптической (дизель Д-48М) и на наружной поверхности в зоне бобышек снимают часть металла.
Поршни, так же как и гильзы, сортируют по диаметру направляющей части на группы, которые обозначают метками Б, CI, C2 и М. Поршни дизеля СМД-14 и некоторых других двигателей делят на три группы, которые обозначают метками Б, С и М. Метки выбивают на днище поршня. При сборке для двигателя подбирают поршни и гильзы одной группы.
Поршни, кроме того, сортируют по диаметру отверстия в бобышках под поршневой палец на три группы. Номера группы 01, 02 и 03 на поршне дизеля Д-54А выбивают на днище. У дизеля СМД-14 бобышки поршней первой группы закрашивают белой, поршней второй группы синей и поршней третьей группы желтой краской.
Комплект поршней подбирают не только по размерам направляющей части (юбки) и отверстий бобышек, по и по весу. Допускается разница в весе комплекта поршней 7,0—15,0г. Для подгонки поршней по весу удаляют металл с пояска, находящегося в нижней части поршня.
Поршневые кольца (рис. 22) в двигателях внутреннего сгорания предназначены для уплотнения поршня в гильзе цилиндра.
На поршень надевают два типа колец: компрессионные, или уплотняющие, и масло-съемные. Компрессионные кольца размещены в верхней части поршня около днища, а мас-лосъемные — под ними на направляющей части поршня.
Компрессионные кольца уплотняют зазор между поршнем и цилиндром и препятствуют прорыву газов из надпоршневого пространства в картер. Уплотнение достигается в результате упругого действия колец, которые прижимаются к стенкам цилиндра, образуя между канавками в поршне и своими торцами лабиринт. Газы проходят из надпоршневого пространства через этот лабиринт (рис. 22, а) и теряют давление и скорость. Например, давление под первым (верхним) компрессионным кольцом по величине приблизительно равно 3/4 давления газов в цилиндре, а давление у нижнего кольца почти равно давлению в картере. При проходе в пространстве между кольцами и стенкой канавки газы сильнее прижимают кольца к стенкам цилиндра.
Количество компрессионных колец зависит от давления газов в цилиндре. Поэтому на поршни дизелей обычно надевают больше колец, чем на поршни карбюраторных двигателей. Кроме того, количество компрессионных колец зависит от числа оборотов двигателя. Чем быстрее движется поршень, тем меньше газов успевает прорваться через уплотнения. Поэтому поршни двигателей с большим числом оборотов имеют меньше компрессионных колец. В наиболее трудных условиях работает первое компрессионное кольцо, которое во время работы нагревается до температуры 300—350°. Давление газов на него составляет 60—65 кг/см2. Кроме того, первое кольцо работает при очень недостаточной смазке.
Для повышения износостойкости первого компрессионного кольца и лучшего удержания им смазки его подвергают пористому хромированию. Для ускорения приработки новых колец их рабочую поверхность покрывают оловом.
Чтобы кольца можно было надевать на поршень, их делают разрезными. В свободном состоянии наружный диаметр колец больше диаметра цилиндра. Поэтому для установки в цилиндр кольцо надо сжать. Разрез в кольце называют замком.
В рабочем состоянии в замках должны всегда быть зазоры, чтобы при нагреве кольца не заклинивались.
Нормальная величина зазора в замке поршневых колец при установке в цилиндр у дизелей СМД-14 равна 0,30—0,50 мм; у дизелей Д-54А —0,40—0,80 мм; у дизелей Д-37М —0,20—0,63 мм; у дизелей Д-48ПЛ — 0,40—0,70 мм.
Поршневые кольца изготовляют из специального чугуна и стали. Чугунные поршневые кольца имеют относительно малую упругость. Поэтому на некоторых двигателях под них подкладывают стальные пружинящие кольца-расширители (рис. 22, Д). Для тракторных дизелей чаше всего применяют кольца с прямым замком (рис. 22,6).
Па поршне замки колец располагают под углом 90—120° относительно друг друга, чтобы уменьшить опасность прорыва газов через них. В двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой в замки колец вставляют стопорные штифты (рис. 22,б), не допускающие прокручивания колец.
Уменьшение опорной поверхности поршневого кольца увеличивает удельные давления его на зеркало цилиндра, что улучшает приработку и уплотнение зазора между поршнем и цилиндром.
Для этой цели изготовляют поршневые кольца с конусным срезом наружной поверхности (рис. 22, ///) или «скручивающиеся» кольца (рис. 22,//), имеющие выточку или фаску по верхней кромке внутренней поверхности. Вследствие одностороннего ослабления такие кольца при установке в цилиндр скручиваются и прижимаются к стенке нижней кромкой (рис. 22,Б). При движении поршня вверх и вниз такое поршневое кольцо несколько выгибается и снова скручивается. Это усиливает упругое воздействие кольца на стенку цилиндра.
В результате увеличенного давления на стенки цилиндра такие кольца создают лучшее уплотнение и снижают расход масла.
Насосное действие компрессионных колец заключается в том, что при изменении направления движения поршня масло частично проникает от одного кольца к другому (рис. 23,а). При неизношенном двигателе насосное действие улучшает смазку верхнего компрессионного кольца; при изношенном двигателе насосное действие колец способствует усиленному выгоранию масла.
Работа поршневых маслосъемных колец показана на рисунке 23,6. Эти кольца снимают лишнее масло со стенок цилиндра и сбрасывают его в картер.
На наружной поверхности маслосъемных колец проточены канавки, в которых прорезаны сквозные щели. В поршне, в канавках под маслосъемными кольцами и ниже маслосъемных колец сверлят отверстия. При движении поршня кольцо счищает масло со стенки цилиндра, и оно стекает через отверстия в поршне в картер.
На поршень дизеля СМД-14 и большинства других двигателей надевают по два маслосъемных кольца. На поршне дизеля Д-37М в двух канавках установлено по два маслосъемных хромированных кольца (ptfc. 22, IV), имеющих по одной острой кромке (скребковые кольца).
Поршневой палец соединяет поршень с верхней головкой шатуна. Во время работы поршневой палец воспринимает большие, переменные по величине и направлению, нагрузки от давления газов и действия сил инерции, иногда резкие удары. Чтобы поверхность была очень тверда, хорошо сопротивлялась истиранию, а сердцевина — вязкой и предупреждающей поломку, пальцы подвергают специальной обработке. Для облегчения веса поршневой палец делают пустотелым.
Пальцы изготовляют из углеродистых сталей, наружную поверхность цементируют и закаливают. Для уменьшения трения наружную поверхность пальцев шлифуют и тщательно полируют.
В тракторных двигателях применяют плавающий палец. Такой палец ке закрепляют ни в бобышках поршня, ни в головке шатуна. Во время работы Плавающий палец может поворачиваться. Это способствует равномерному износу его поверхности.
От осевых перемещений плавающий палец удерживается стопорными кольцами (рис. 11) или заглушками (двигатель П-46). В алюминиевых поршнях, сильно расширяющихся при нагреве, палец устанавливают в бобышках с небольшим натягом (до 0,02 мм), чтобы при нагревании поршня не возник большой зазор между отверстием в бобышках и пальцем.
При сборке поршень предварительно нагревают в масляной ванне до температуры 85—150° и только после этого в отверстия бобышек вставляют палец.
По наружному диаметру пальцы сортируют на три размерные группы: 01, 02 и 03. Цифры группы наносят на торцы пальцев. Группы пальцев дизеля СМД-14 обозначают белой (наименьший размер), синей и желтой красками, наносимыми на внутренней поверхности. Для смазки пальца в бобышках поршня сверлят отверстия, в которые поступает масло, снимаемое маслосъемными кольцами или разбрызгиваемое внутри поршня.