керамических вставок проводилось хромель-алюмелевыми термопара-
ми. С этой целью в керамических вставках были просверлены каналы
диаметром 3 мм, в которых с помощью керамических трубок и высоко-
температурного клея крепились термопары. Расположение термопар в
характерных зонах керамической и металлической частей поршня по-
казано ранее на рис. 2. Там же приведены значения локальных темпе-
ратур, полученные в результате физического моделирования на тепло-
вом стенде. Как видно, влияние керамической накладки на локальные
температуры металлической части поршня существенно. Отметим, что
расстояние от горячего спая термопары до тепловоспринимающей по-
верхности поршня находилось в пределах
1
,
9
±
0
,
1
мм, а относительная
погрешность измерений температуры не превышала 3%. Сопоставле-
ние экспериментальных и расчетных значений локальных температур,
полученных при термических граничных условиях, соответствующих
стендовым условиям, показало хорошее согласование (разница в пре-
делах 5%).
Установлено, что нестационарные (циклические) термические на-
грузки способствуют возникновению и развитию трещин в керами-
ческом днище составного поршня. Расчетный анализ температурных
полей составных конструкций показывает, что в области соединения
материалов с различными теплофизическими свойствами возникают
большие градиенты температуры [3, 4], изменение которых носит им-
пульсивный характер, что наглядно наблюдается только при числен-
ных экспериментах. Эти импульсы градиентов температуры и являют-
ся основной причиной образования трещин. В связи с этим целесо-
образно применение керамики с улучшенными теплофизическими и
механическими свойствами [1]. В базовой конструкции поршня, изго-
товленного из алюминиевого сплава, трещин обнаружено не было.
Выводы.
1. Разработаны и реализованы трехмерные модели для
исследования теплонапряженного состояния серийного (базового)
поршня, поршня с керамической вставкой и поршня с керамической
вставкой и дополнительным чугунным кольцом, предназначенных для
быстроходного дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива.
2. Применение керамического материала (нитрида кремния) в ка-
честве теплоизолятора поршня приводит как минимум к трем по-
ложительным факторам: 1) снижению общего температурного уров-
ня поршня; 2) выравниванию температурного поля, в результате чего
уменьшаются термические напряжения, приводящие сначала к образо-
ванию трещин, а затем поломке поршня и выходу двигателя из строя;
3) уменьшению отвода теплоты от рабочего тела, снижению количе-
ства теплоты, переданной в систему охлаждения, увеличению энталь-
пии выпускных газов, что создает благоприятное условие для турбо-
наддува и увеличения мощности турбины.
3. Анализ температур в характерных областях (в центральной части
поверхности огневого днища поршня, на кромке поршня, в области
верхнего компрессионного кольца) показывает, что на режиме мак-
симальной нагрузки базового двигателя максимальные температуры
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2009. № 3 25
