DSc in Engineering
д-р техн. наук
PhD in Engineering
канд. техн. наук
The article considers the applied methods for improving the thermal strength of pistons of internal combustion engines. Tractor diesels with combustion chamber in the piston have the greatest rate of temperature change at load rise and release, as well as the highest values of temperature gradients. The highest thermal loads occur in pistons with a semi-open combustion chamber. Periodic thermal loads with high value of temperature gradient lead to thermal fatigue fractures. Such fractures may begin with the appearance of cracks on the edge of combustion chamber. The presence even of a small crack on the edge of combustion chamber leads to its further growth, which can cause the destruction of piston. The main causes of cracks formation on the edge of combustion chamber are the alternating stresses induced from alternating gas pressure in cylinder during the working cycle; the low-frequency oscillations of the piston temperature arising from the changing of operation modes of engine; the high-frequency cyclical thermal oscillations caused by the temperature change of material in the surface layer of combustion chamber for each working cycle. The most common design and technology solutions improving the thermal strength of pistons are the following ones: the change of the edge radius of combustion chamber throat; the reinforcement of combustion chamber edge with more heat-resistant materials; the use of materials with high thermal stability for manufacture of pistons; the artificial heat insulation of piston or its cooling by oil. The disadvantage of use of cooling oil gallery is the acceleration of oil aging process. The alternative solution is to limit the heat supply to the walls of combustion chamber by means of heat protection coating applied by gas-flame, detonation or electric-arc way. The easiest way to improve the thermal strength of diesel piston with a semi-open combustion chamber is the design change.
Рассмотрены применяемые методы повышения термической прочности поршней двигателей внутреннего сгорания. Для тракторных дизелей с камерой сгорания в поршне характерны наибольшие скорости изменения температуры при набросе и сбросе нагрузки, а также наибольшие значения температурных градиентов. Наибольшие тепловые нагрузки возникают у поршней с полуоткрытой камерой сгорания. Периодические тепловые нагрузки с высоким значением температурного градиента приводят к термоусталостным разрушениям. Такие разрушения могут начинаться с появления трещин на кромке камеры сгорания. Наличие даже небольшой трещины на кромке камеры сгорания приводит к ее дальнейшему росту, что может стать причиной разрушения поршня. К основным причинам образования трещин на кромке камеры сгорания относятся: переменные напряжения, вызванные воздействием переменного давления газов в цилиндре в течение рабочего цикла; низкочастотные колебания температуры поршня, связанные со сменой режимов работы двигателя; высокочастотные циклические термические колебания, обусловленные изменением температуры материала в поверхностном слое камеры сгорания в течение каждого рабочего цикла. Наиболее распространенные конструкционные и технологические решения, направленные на повышение термической прочности поршней: изменение радиуса закругления кромки горловины камеры сгорания; армирование кромки камеры сгорания более термостойкими материалами; использование материалов для изготовления поршней с повышенной термостойкостью; искусственная теплоизоляция поршня или его охлаждение маслом. К недостаткам использования галерейного масляного охлаждения можно отнести ускорение процессов старения масла. Альтернативное решение - ограничение подвода тепла к стенкам камеры сгорания с помощью теплозащитных покрытий, наносимых на днище газоплазменным, детонационным или электродуговым способом. Наиболее простой способ повышения термической прочности поршня дизеля при полузакрытой камере сгорания - конструкционные изменения.