ПОРШЕНЬ С УПРУГОДЕФОРМИРУЕМЫМ ДНИЩЕМ
PISTON WITH ELASTICALLY DEFORMABLE BOTTOM

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания, имеющий в основном цилиндрическую форму и включающий плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющимим бобышки с днищем и боковыми стенками поршня, а на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, по крайней мере, две канавки [Патент №67651 F02F 3/00 - аналог].
В двигателе внутреннего сгорания процесс преобразования тепловой энергии топлива в механическую тесно связан с процессом горения рабочей смеси (заряда) и с очисткой цилиндров от продуктов горения. Эффективность этого процесса определяется полнотой сгорания заряда и использования выделяющейся теплоты, которые зависят от многих факторов, в том числе от конструкции поршня.
Как известно, процесс горения рабочей смеси (заряда) для бензиновых двигателей протекает в три фазы: первая фаза - от момента подачи искры до начала резкого повышения давления, когда сгорает 6…8% рабочей смеси; вторая основная фаза - от момента начала резкого повышения давления до момента достижения максимального давления, когда сгорает до 80% рабочей смеси; третья фаза - догорание, в которой происходит догорание рабочей смеси. (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М., «Машиностроение», 1977, с. 110).
В двигателях внутреннего сгорания полнота сгорания рабочей смеси (заряда) и использование выделяющейся теплоты во второй и третьей фазах горения существенно зависят от скорости сгорания заряда, ускоряющим фактором которой является интенсивность турбулизации заряда в камере сгорания. Так, в пристеночных слоях камеры сгорания в третьей фазе горения скорость горения значительно снижается из-за меньшей турбулентности заряда, что не способствует его полному сгоранию и, соответственно, повышению топливной экономичности двигателя. Поэтому для увеличения полноты сгорания и использования выделяющейся теплоты следует создавать дополнительную турбулизацию заряда во второй и третьей фазах горения в зонах догорания. Такое развитие процесса является наиболее благоприятным, так как достигается наилучшее теплоиспользование (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М.: «Машиностроение», 1977, с. 113, 114, 119, 120, 137).
Недостатком поршня двигателя внутреннего сгорания является то, что такая конструкция поршня с жестким днищем не позволяет обеспечить достаточную полноту сгорания и использования выделяющейся теплоты во второй фазе горения и в пристеночных слоях камеры сгорания в третьей фазе горения и, как следствие, повышение топливной экономичности двигателя, а также не влияет на степень очистки цилиндра от продуктов горения на такте «Выпуск».
Кроме этого недостатком поршня с жестким днищем является то, что при такой конструкции поршня в процессе работы детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) испытывают высокие динамические нагрузки сил от давления на поршень продуктов горения рабочей смеси в цилиндре во второй основной фазе горения, которое протекает по характеру близко к взрывному, что снижает эксплуатационную надежность двигателя в целом.
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с днищем и выполненными в ней по меньшей мере двумя канавками для установки поршневых колец, юбку и бобышки с отверстиями под поршневой палец и изготовленный из композиционного материала, состоящего из матричного алюминиевого сплава, включающего кремний, и упрочнителя в виде частиц карбида кремния; в котором матричный алюминиевый сплав композиционного материала включает кремний в количестве 11-26 об. %, а в качестве упрочнителя также использованы частицы оксида алюминия или смесь частиц карбида кремния и оксида алюминия, а расстояние от днища головки до верхней кромки канавки первого поршневого кольца составляет 0,05-0,075 диаметра поршня для двигателя с искровым зажиганием и 0,12-0,16 диаметра поршня для дизельного двигателя [Патент на изобретение №2116487, F02F 3/00 - прототип].
Недостатком поршня двигателя внутреннего сгорания является то, что такая конструкция поршня с жестким днищем не позволяет обеспечить достаточную полноту сгорания и использования выделяющейся теплоты во второй основной фазе горения и в пристеночных слоях камеры сгорания в третьей фазе горения и, как следствие, повышение топливной экономичности двигателя, а также не влияет на степень очистки цилиндра от продуктов горения на такте «Выпуск».
Кроме этого при такой конструкции поршня с жестким днищем двигателя внутреннего сгорания при больших степенях сжатия заряда увеличивается отношение поверхности камеры сгорания к ее объему, так как при этом уменьшается объем камеры сгорания и поэтому возрастает относительное количество смеси, заключенной в пристеночных слоях камеры сгорания. При этом увеличивается доля смеси, догорающей в третьей фазе горения, что приводит к снижению использования выделяющейся теплоты из-за увеличения времени догорания увеличенной доли смеси в третьей фазе и ее значительное догорание уже в процессе расширения, то есть рабочего хода поршня. Следствием этого является неполное использование выделяющейся теплоты при сгорании заряда, что снижает топливную экономичность двигателя. (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М.: «Машиностроение», 1977, с. 115, 116, 134).
Кроме этого недостатком прототипа является то, что при такой конструкции поршня с жестким днищем в процессе работы детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) испытывают высокие динамические нагрузки сил от давления на поршень продуктов горения рабочей смеси в цилиндре во второй основной фазе горения, которое протекает по характеру близко к взрывному, что снижает эксплуатационную надежность двигателя в целом.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи - повышение топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания путем повышения эффективности рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую в двигателях внутреннего сгорания при одновременном повышении его эксплуатационной надежности.
Техническая задача решается тем, что поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с днищем и выполненными в ней по меньшей мере двумя канавками для установки поршневых колец, юбку и бобышки с отверстиями под поршневой палец; у которого днище поршня выполнено в виде цилиндрического стакана с упругодеформируемым волнообразным дном из высокожаропрочного релаксационностойкого пружинного материала и на нижнем поясе которого жестко установлена и жестко закреплена фасонная опорная шайба, кроме этого внутри цилиндрического стакана днища установлена коническая пружина из жаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно стакана, а своим нижним торцом опирается на фасонную опорную шайбу, при этом пружина поджата фасонной опорной шайбой к упругодеформируемому волнообразному дну стакана на такую длину, при которой деформация упругодеформируемого волнообразного дна стакана днища начинается в момент резкого повышения давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания в начале второй основной фазы горения, кроме этого внутри головки поршня дополнительно выполнена соосно с осью поршня цилиндрическая полость, в которой установлено герметично днище.
Сущность изобретения заключается в том, что днище поршня, выполненное в виде цилиндрического стакана с упругодеформируемым волнообразным дном из высокожаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, вызывает за счет упругой деформации волнообразного дна цилиндрического стакана днища, то есть прогиба под возрастающим давлением продуктов горения рабочей смеси (заряда) во второй фазе горения и обратном возврате в исходное состояние при снижении давления в третьей фазе, дополнительное движение заряда и, соответственно, дополнительную турбулизацию его во второй фазе и в пристеночных слоях в зонах догорания в третьей фазе горения. Дополнительная турбулизация заряда обеспечивает более полное его сгорание, уменьшает продолжительность третьей фазы горения - догорания и, как следствие, повышает использование выделяющейся теплоты и, в целом, эффективность рабочего процесса преобразования тепловой энергии топлива в механическую в двигателях внутреннего сгорания, что обуславливает повышение топливной экономичности двигателя.
Кроме этого при прогибе упругодеформируемого волнообразного дна цилиндрического стакана днища поршня под давлением продуктов горения заряда во второй основной фазе увеличивается объем камеры сгорания, что уменьшает отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и снижает относительное количество смеси, заключенной в пристеночных слоях камеры сгорания. При этом уменьшается и доля смеси, догорающей в третьей фазе горения, увеличивается использование выделяющейся теплоты за счет снижения времени догорания доли смеси в третьей фазе и ее значительно меньшее догорание уже в процессе расширения или рабочего хода поршня, что обуславливает повышение топливной экономичности двигателя.
Кроме этого высокожаропрочный релаксационностойкий пружинный материал, из которого изготовлен цилиндрический стакан, позволяет работать без изменения пружинящих свойств его упругодеформируемого волнообразного дна при значительно более высокой температуре, нежели температура поршня, которая может достигать в рабочем цикле двигателя 250°C. Поэтому в указанных условиях не происходит релаксация упругодеформируемого дна стакана и оно стабильно снижает динамическое воздействие на детали кривошипно-шатунного механизма сил от давления на поршень продуктов горения заряда в цилиндре во второй основной фазе горения, которое протекает по характеру близко к взрывному. Снижение динамического воздействия на детали кривошипно-шатунного механизма обусловлено тем, что при прогибе упругодеформируемого волнообразного дна стакана во второй основной фазе горения увеличивается объем камеры сгорания и нарастание давления газов на поршень замедляется.
Установленная на нижнем поясе упругодеформируемого дна стакана фасонная опорная шайба, жестко закрепленная к нижнему поясу стакана, например, посредством электрозаклепок, является опорой для нижнего торца установленной внутри цилиндрического стакана конической пружины, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно стакана. При этом, посредством фасонной опорной шайбы поджимается пружина и удерживается в статике постоянно в поджатом состоянии на такую длину, при которой деформация упругодеформируемого волнообразного дна стакана днища начинается в момент резкого повышения давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания в начале второй основной фазы горения. Так, пружина, поджатая между упругодеформируемым дном стакана и фасонной шайбой при сборке днища, исключает деформацию - прогиб упругодеформируемого дна стакана днища в первой фазе горения и положении поршня в близи верхней мертвой точки, что сохраняет объем камеры сгорания и, соответственно, степень сжатия рабочей смеси (заряда) до конца первой фазы горения и, как следствие, не нарушает благоприятных условий воспламенения и горения заряда в первой фазе, создаваемых для этого необходимым сжатием заряда. Высокожаропрочный релаксационностойкий материал пружины позволяет стабильно работать без изменения пружинящих свойств в пределах рабочего цикла двигателя, при котором температура днища достигает 250°C. Кроме этого совместная упругая деформация волнообразного дна стакана и пружины обеспечивает дополнительное движение заряда и дополнительную его турбулизацию, что способствует его полному сгоранию и использованию выделяющейся теплоты и повышает эффективность рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую, что обуславливает повышение топливной экономичности двигателя.
Установка конической пружины внутри цилиндрического стакана днища, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно стакана днища, а своим нижним торцом опирается на фасонную опорную шайбу, позволяет использовать для цилиндрического стакана днища и, соответственно, волнообразного его дна материал меньшей толщины, что повышает быстродействие реакции упругодеформируемого волнообразного дна стакана на изменение силы от давления заряда на поршень в цилиндре двигателя. Коническая пружина не мешает размещению в поршне верхней головки шатуна кривошипно-шатунного механизма и не увеличивает габариты поршня. Кроме этого коническая пружина совместно с упругодеформируемым дном стакана в процессе деформации при их прогибе обеспечивает снижение динамического воздействия сил давления на поршень продуктов горения заряда в цилиндре двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма, повышая его эксплуатационную надежность и, в целом, эффективность рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую, что способствует повышению топливной экономичности двигателя.
Кроме этого в статике упругодеформируемое дно цилиндрического стакана днища от воздействия на него усилия поджатой пружины становится выпуклым, что повлияет на степень сжатия. Однако под давлением усилия сжатого на такте «Сжатие» заряда и в первой фазе его горения упругодеформируемое дно стакана днища выпрямляется, поэтому не происходит изменение объема камеры сгорания и, соответственно, степени сжатия, что необходимо для создания благоприятных условий для начальной фазы горения заряда, способствующего более полному сгоранию заряда и повышению топливной экономичности двигателя.
На такте «Выпуск» в положении поршня вблизи верхней мертвой точки давление продуктов горения заряда практически равняется атмосферному, поэтому выпуклость упругодеформируемого дна стакана от воздействия на него усилия пружины на такте «Выпуск» сохраняется, что обуславливает уменьшение объема камеры сгорания из-за замещения ее объема выпуклым дном стакана, приводящее к вытеснению отработавших газов из цилиндра в большем объеме. Таким образом, выпуклое упругодеформируемое дно стакана на такте «Выпуск» способствует повышению степени очистки цилиндров от продуктов горения заряда и далее более качественному наполнению цилиндров свежим зарядом на такте «Впуск». Увеличение степени очистки цилиндра от продуктов горения заряда поршнем с упругодеформируемым днищем создает более благоприятные условия для увеличения полноты сгорания заряда, что повышает топливную экономичность двигателя.
Исполнение днища в виде цилиндрического стакана с упругодеформируемым дном в сборе с пружиной и фасонной опорной шайбой и установка днища герметично в цилиндрической полости головки поршня, например на клей-герметик высокотемпературный и виброударопрочный, обеспечивает высокую технологичность конструкции днища и ее сборки с поршнем. Кроме этого силовое замыкание пружины внутри цилиндрического стакана исключает динамическое воздействие пружины на соединение днища с головкой поршня и, как следствие, обеспечивает надежную работу упругодеформируемого днища поршня в повышении эффективности рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую и, как следствие, в повышении топливной экономичности двигателя.
Таким образом, в новой совокупности признаков возникают новые технические свойства поршня двигателя внутреннего сгорания с упругодеформируемым днищем:
- способность вызывать дополнительную турбулизацию заряда во второй фазе горения и в пристеночных слоях в зонах догорания в третьей фазе;
- способность повышать степень очистки цилиндра двигателя от продуктов горения рабочей смеси на такте «Выпуск»;
- способность снижать динамическое воздействие на детали кривошипно-шатунного механизма сил давления на поршень продуктов горения рабочей смеси во второй фазе.
Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение поршня с упругодеформируемым днищем, в сравнении с поршнем по прототипу с жестким днищем, позволяет обеспечить повышение эффективности рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую в двигателях внутреннего сгорания при одновременном повышении его эксплуатационной надежности, что и является новым техническим результатом заявляемого изобретения.
Заявляемое изобретение поясняется графическим материалом: на фиг. 1 показан поршень двигателя внутреннего сгорания в разрезе; на фиг. 2 показан график участка индикаторной диаграммы в координатах p - φ°-зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала двигателя, характеризующий также процесс сгорания; на фиг. 3 показан график суммарной жесткости упругодеформируемого дна стакана днища и пружины.
Поршень содержит головку 1, выполненные в головке канавки 2 для поршневых колец, юбку 3, бобышки 4 с отверстиями 5 под поршневой палец. Внутри головки поршня выполнена соосно с осью поршня цилиндрическая полость 6, в которую установлено днище, включающее: цилиндрический стакан 7 с упругодеформируемым волнообразным дном 8 из высокожаропрочного стойкого против релаксации пружинного материала (например, сталь 30ХМА, углепластик и др.); фасонную упорную шайбу 9, установленную на нижнем поясе стакана 7 и жестко закрепленную к нижнему поясу стакана, например, посредством электрозаклепок 10; коническую пружину 11, установленную внутри цилиндрического стакана 7 и выполненную из жаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно 8 стакана, а своим нижним торцом опирается на фасонную опорную шайбу 9. Пружина 11 поджата фасонной опорной шайбой 9 к упругодеформируемому дну 8 стакана 7 на такую длину, при которой деформация дна стакана начинается в момент резкого повышения давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания в начале второй основной фазы горения.
При сборке поршня вначале собирается днище поршня. Для этого внутрь стакана 7 устанавливается пружина 11 конусом к волнообразному дну 8. Фасонной опорной шайбой 9 пружина 11 поджимается к дну 8 и посредством, например, электрозаклепок, шайба жестко крепится к нижнему поясу стакана 7. Далее днище, включающее цилиндрический стакан 7 в сборе с пружиной 11 и фасонной опорной шайбой 9, устанавливается герметично в цилиндрическую полость 6 головки 1 поршня, например, на клей-герметик высокотемпературный и виброударопрочный.
Предлагаемый поршень двигателя внутреннего сгорания работает обычным способом.
На фиг. 2 показан график участка индикаторной диаграммы в координатах p - φ°-зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала, позволяющий показать работу упругодеформируемого составного днища поршня на участке индикаторной диаграммы, характеризующем также процесс сгорания рабочей смести.
При ходе поршня вверх от нижней мертвой точки (н.м.т.) к верхней мертвой точке (в.м.т.) на такте «Сжатие» четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания рабочая смесь (заряд), поступившая ранее в цилиндр на такте «Впуск», сжимается. При выключенном зажигании давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется практически симметрично относительно в.м.т. (фиг. 2 - линия сжатия).
Искрообразование происходит в точке 1 индикаторной диаграммы, соответствующей началу первой фазы горения θ1 заряда? и давление заряда в камере сгорания в этот момент соответствует ординате ρ1. Заканчивается первая фаза в точке 2 индикаторной диаграммы - участок θ1, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Далее наступает вторая основная фаза θ2 быстрого сгорания со скоростью распространения пламени 80 м/с и более, соответствующая участку диаграммы между точками 2…3, где выделяется основная часть тепла. В точке 3 диаграммы, соответствующей окончанию второй основной фазы горения θ2, температура и давление газов в цилиндре будут максимальными. Однако вдоль стенок камеры сгорания скорость сгорания ниже, сгорание смеси оказывается пока неполным и догорание заряда происходит уже в третьей фазе θ3, начало которой соответствует точке 3, в такте расширения при движении его от в.м.т. к н.м.т.
Упругодеформируемое дно 8 цилиндрического стакана 7 днища поршня при ее прогибе из-за повышения давления продуктов горения заряда на участке диаграммы 2…3 (фиг. 2) вызывает дополнительное движение заряда, что повышает его турбулизацию во второй фазе горения и в пристеночных слоях в зонах догорания в третьей фазе θ3. При этом суммарная жесткость пружины 11 и упругодеформируемого дна 8 стакана 7 должна быть такой, чтобы начало деформации - прогиба дна 8 - начиналось при достижении усилия от давления газов на ее поверхность, соответствующее давлению p2 в конце начальной первой фазы горения θ1, то есть в точке 2 диаграммы (фиг. 2, 3).
Поджатие пружины 11 фасонной шайбой 9 при сборке днища вызывает усилием пружины в статике выпуклость дна 8 стакана 7. На такте «Сжатие» под давлением заряда упругодеформируемое дно стакана на участке 1…2 диаграммы (фиг. 2) выпрямляется и не происходит его прогиб, что сохраняет объем камеры сгорания и, соответственно, степень сжатия заряда до конца первой фазы горения θ1, при которых не нарушаются благоприятные условия воспламенения и горения смеси в первой фазе, создаваемые для этого необходимым сжатием заряда.
Прогиб упругодеформируемого дна 8 начинается в точке 2 и достигает максимума в точке 3 (фиг. 2) и, как следствие деформации увеличивается объем камеры сгорания; уменьшается отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и поэтому снижается относительное количество рабочей смеси, заключенной в пристеночных слоях камеры сгорания, т.е. снижается доля смеси, догорающей в третьей фазе горения θ3. При переходе в точке 3 диаграммы процесса горения к третьей фазе θ3 снижается давление газов на поршень. При этом прогиб упругодеформируемого дна 8 стакана 7 днища уменьшается и форма дна стакана начинает принимать исходное выпуклое состояние, что вызывает дополнительное обратное движение заряда, повышающее его турбулизацию и интенсивность горения в третьей фазе θ3.
Интенсификация процесса горения заряда увеличивает полноту сгорания и использование теплоты за счет снижения времени догорания доли смеси в третьей фазе в процессе расширения или рабочего хода поршня к н.м.т.
На такте «Выпуск», в положении поршня вблизи в.м.т., выпуклое упругодеформируемое дно 8 стакана 7 замещает часть объема камеры сгорания, что приводит к вытеснению отработавших газов из цилиндра в большем объеме и способствует повышению степени очистки цилиндра от продуктов горения заряда и более качественному наполнению цилиндра свежим зарядом на такте «Впуск».
Упругая деформация дна 8 стакана 7 на участке диаграммы 2…3 существенно снижает динамическое воздействие сил давления газов через поршень на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя, что снижает его износ и повышает эксплуатационную надежность.
Таким образом, предлагаемое изобретение, в сравнении с прототипом, повышает топливную экономичность двигателя, повышает степени очистки цилиндра двигателя от продуктов горения заряда, кроме этого снижает динамическое воздействие сил давления на поршень продуктов горения рабочей смеси в цилиндре двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма, что повышает его эксплуатационную надежность.