ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ПОРШЕНЬ БОГДАНОВА)
PISTON OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

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, соединяющие 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 на полезную модель №67651 F02F 3/00 - аналог].
В двигателе внутреннего сгорания осуществляется рабочий цикл преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую и этот цикл существенно зависит от эффективности процессов горения рабочей смеси (заряда) и очистки цилиндров от продуктов горения. Эффективность процесса горения заряда определяется полнотой его сгорания 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 турбулентности заряда в камере сгорания. Так, в пристеночных слоях камеры сгорания 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. Такое развитие процесса является наиболее благоприятным, так как достигается наилучшее теплоиспользование (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М., «Машиностроение», 1977, с. 114, 137).
Диапазон экономичной работы бензинового двигателя находится в пределах 45…75% максимальной частоты вращения коленчатого вала и обусловлен тем, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается турбулентность рабочей смеси в камере сгорания, которая приводит к увеличению скорости распространения фронта пламени во второй фазе сгорания и, как следствие, увеличиваются полнота сгорания и использование выделяющейся теплоты. (Бензиновые двигатели / А.В. Дмитриевский, А.С. Тюфяков. - М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.
Однако при меньших частотах вращения коленчатого вала в режиме работы двигателя на холостом ходу и близкого к нему интенсивность турбулентности рабочей смеси в камере сгорания значительно ниже, что является одной из причин меньшей экономичности двигателя в указанном режиме работы двигателя.
Кроме этого, наибольшие динамические нагрузки испытывают детали кривошипно-шатунного механизма двигателя при его запуске и в режиме холостого хода в момент свершения второй фазы горения рабочей смеси. Поэтому для повышения эксплуатационной надежности особенно важно снижение динамических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя при его запуске и в режиме холостого хода, в котором частота динамических нагрузок на детали двигателя находится в пределах 4…7 герц.
Таким образом, вызывается необходимость в повышении эффективности рабочего цикла преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую в наиболее не благоприятном режиме работы двигателя на холостом ходу и близкого к нему и, как следствие, повышение топливной экономичности двигателя, а так же в снижении, в том числе при пуске, динамических нагрузок на детали его кривошипно-шатунного механизма.
Недостатком поршня бензинового двигателя внутреннего сгорания является то, что жесткое плоское днище поршня аналога на любом режиме работы двигателя не создает дополнительную турбулизацию заряда в камере сгорания и поэтому не влияет на полноту сгорания и использование выделяющейся теплоты в камере сгорания и, как следствие, не влияет на топливную экономичность двигателя, а так же на степень очистки цилиндра от продуктов горения на такте «Выпуск».
Кроме этого, недостатком поршня с жестким плоским днищем является то, что такое днище поршня не снижает динамические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя от сил давления на поршень продуктов горения заряда в камере сгорания во второй фазе горения, которое протекает по характеру близко к взрывному.
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания, принятый за прототип, 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, в котором днище поршня выполнено в виде цилиндрического стакана с упруго деформируемым волнообразным дном из высоко жаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, и на нижнем поясе которого 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 упруго деформируемое волнообразное дно стакана, а своим нижним торцом опирается на фасонную опорную шайбу, при этом, пружина поджата фасонной опорной шайбой к упруго деформируемому волнообразному дну стакана на такую длину, при которой деформация упруго деформируемого 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. [Патент на изобретение «Поршень с упруго деформируемым днищем» №2591377, F02F 3/00 - прототип].
Поршень двигателя внутреннего сгорания, принятый за прототип, имеет следующие недостатки. При такой конструкции днища поршня прототипа не достигается в полной мере топливная экономичность двигателя в диапазоне частоты вращения коленчатого вала, охватывающего режим работы двигателя на холостом ходу и близкого к нему, так как не по всему указанному диапазону частоты вращения коленчатого вала упруго деформируемое волнообразное дно цилиндрического стакана днища поршня успевает деформироваться с максимальным прогибом. Это обусловлено следующими причинами.
Диапазон частоты вращения коленчатого вала двигателя, в котором упруго деформируемое дно цилиндрического стакана днища поршня максимально прогибается и поэтому с наибольшей эффективностью вызывает дополнительное движение заряда, увеличивающее его турбулентность, зависит от чувствительности днища к быстрому изменению давления газов на него в процессе горения заряда в камере сгорания. Чувствительность днища зависит от жесткости пружины, площади деформируемой поверхности и толщины материала упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища поршня, как пружинного элемента, а так же от формы кольцевой периферии упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища.
Наибольшая чувствительность и наименьшая инерционность упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища поршня достигается при наименьшей толщине дна цилиндрического стакана днища и наибольшей площади ее деформируемой поверхности. Однако, при малой толщине упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища поршня снижается его прочность на разрыв от давления продуктов горения заряда в конце процесса сгорания.
Кроме этого, в конструкции поршня прототипа не обеспечивается не разрушаемость тонкого упруго деформируемого дна стакана днища поршня в процессе работы двигателя. Дно стакана днища поршня с увеличением толщины его материала становится более прочным на разрыв и обеспечивается его не разрушаемость. Однако, при этом, снижается чувствительность упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища поршня к быстрому изменению давления в камере сгорания, повышаются его жесткость и инерционность. При высокой инерционности упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища сужается диапазон частоты вращения коленчатого вала двигателя, относящийся к режиму работы двигателя на холостом ходу и близкого к нему, в котором упруго деформируемое дно стакана днища поршня успевает деформироваться с максимальным прогибом для дополнительной турбулизации заряда. Такая конструкция днища поршня прототипа не позволяет повысить в полной мере топливную экономичность двигателя в диапазоне работы двигателя на холостом ходу и близкого к нему.
Кроме этого, деформация упруго деформируемого волнообразного дна стакана днища поршня начинается в момент резкого повышения давления продуктов горения заряда в камере сгорания в начале второй основной фазы горения. Выпуклость упруго деформируемого дна стакана днища из-за поджатия пружиной сохраняется в первой фазе горения горючей смеси и поэтому уменьшается объем камеры сгорания в первой фазе горения. Из-за уменьшения объема камеры сгорания увеличивается относительное количество горючей смеси в пристеночных слоях камеры сгорания, в которых скорость горения ниже из-за меньшей ее турбулентности. Недостаточная турбулентность заряда в первой фазе его горения не способствует созданию наиболее благоприятных условий для эффективного процесса горения заряда во второй основной фазе.
Технический результат предлагаемого изобретения - расширение диапазона экономичной работы бензинового двигателя и повышение его эксплуатационной надежности.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи - расширение диапазона экономичной работы бензинового двигателя и повышение его эксплуатационной надежности путем расширения диапазона частоты вращения коленчатого вала, охватывающего работу двигателя в режиме холостого хода и близкого к нему, в котором упруго деформируемое волнообразное дно цилиндрического стакана днища поршня успевает деформироваться с максимальным прогибом для дополнительной турбулизации заряда в камере сгорания и снижения, в том числе при пуске, динамических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма.
Техническая задача решается тем, что поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с выполненными по меньшей мере двумя канавками для установки поршневых колец и соосно с осью поршня цилиндрической полостью, юбку, бобышки с отверстиями под поршневой палец и днище, установленное герметично в цилиндрической полости головки и выполненное в виде цилиндрического стакана с упруго деформируемым волнообразным дном из высоко жаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, а внутри цилиндрического стакана днища установлена коническая пружина из жаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, которая своим верхним торцом упирается в упруго деформируемое волнообразное дно стакана; в котором днище поршня дополнительно снабжено фасонным жестким опорным диском с цилиндрической юбкой, посредством которой опорный диск установлен и жестко закреплен к нижнему поясу цилиндрического стакана днища, а в центре опорного диска выполнено вогнутое круглое ложе, на которое своим нижним торцом опирается коническая пружина, которая поджата опорным диском к упруго деформируемому волнообразному дну стакана, причем диаметр упруго деформируемого волнообразного дна цилиндрического стакана днища либо равен диаметру нижнего пояса цилиндрического стакана, либо, для увеличения площади ее деформируемой поверхности, больше диаметра нижнего пояса цилиндрического стакана и, кроме этого, по периферии упруго деформируемое волнообразное дно стакана выполнено фасонным по форме одного гофра сильфона, которым прилегает к телу головки поршня вблизи его торца и наружного диаметра, а под давлением поджатой пружины упруго деформируемое волнообразное дно стакана в статическом состоянии выпуклое, причем пружина поджата на такую длину, при которой деформация упруго деформируемого волнообразного дна стакана днища под давлением газов в камере сгорания начинается в начале первой фазы горения рабочей смеси, а к концу первой фазы, соответствующей концу процесса сжатия, выравнивается выпуклость упруго деформируемого дна стакана, образованная в его статическом состоянии под давлением поджатой пружины, и объем камеры сгорания увеличивается до объема, при котором степень сжатия заряда соответствует технической характеристике двигателя, кроме этого, жесткий опорный диск выполнен волнистым и вогнутым с прогибом по оси поршня, равным максимально допустимому прогибу упруго деформируемого дна стакана по оси поршня от давления газов в конце второй основной фазы горения рабочей смеси, причем волнистость упруго деформируемого дна стакана и опорного диска выполнены по форме такими, что при деформации упруго деформируемого дна стакана, волнистая поверхность дна стакана облегает волнистую поверхность опорного диска, кроме этого в фасонном жестком опорном диске выполнены отверстия для перемещения воздуха при деформациях дна цилиндрического стакана из пространства между опорным диском и дном цилиндрического стакана во внутреннюю полость поршня и обратно.
Сущность изобретения заключается в том, что, при снабжении днища поршня фасонным жестким опорным диском с цилиндрической юбкой, посредством которой диск установлен и жестко закреплен к нижнему поясу цилиндрического стакана днища, а в центре опорного диска выполнено вогнутое круглое ложе, на которое своим нижним торцом опирается коническая пружина, кроме этого жесткий опорный диск выполнен волнистым и вогнутым с прогибом по оси поршня, равным максимально допустимому прогибу упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища по оси поршня от давления газов в конце второй основной фазы горения заряда, причем волнистость дна цилиндрического стакана и опорного диска выполнены по форме такими, что при деформации дна стакана, волнистая поверхность упруго деформируемого дна цилиндрического стакана облегает волнистую поверхность опорного диска, кроме этого, в жестком фасонном опорном диске выполнены отверстия для перемещения воздуха при деформациях дна цилиндрического стакана из пространства между опорным диском и дном цилиндрического стакана во внутреннюю полость поршня и обратно, жесткий опорный диск служит надежной опорной подложкой для упруго деформируемого дна стакана, облегающего волнистую поверхность опорного диска и позволяет выполнить упруго деформируемое дно стакана днища из более тонкого материала и обеспечить его не разрушаемость. Упруго деформируемое дно цилиндрического стакана днища поршня из более тонкого материала обладает меньшей жесткостью и инерционностью, повышаются его чувствительность и быстродействие реакции к быстрому изменению давления заряда в камере сгорания цилиндра двигателя. При меньшей инерционности днища поршня увеличивается частотный диапазон вращения коленчатого вала, в котором упруго деформируемое дно цилиндрического стакана днища поршня успевает деформироваться с максимальным прогибом и более эффективно обеспечивает дополнительное движение заряда в камере сгорания. Дополнительное движение заряда увеличивает его турбулентность и повышает полноту сгорания и теплоиспользование, и, как следствие, повышает топливную экономичность двигателя в большем частотном диапазоне вращения коленчатого вала, охватывающего работу двигателя в режиме холостого хода и близкого к нему.
Далее, при выполнении упруго деформируемого волнообразного дна цилиндрического стакана днища диаметром, равным диаметру нижнего пояса цилиндрического стакана, либо, для увеличения площади ее деформируемой поверхности, больше диаметра нижнего пояса цилиндрического стакана и, кроме этого, по периферии упруго деформируемое волнообразное дно стакана выполнено фасонным по форме одного гофра сильфона, которым прилегает к телу головки поршня вблизи его торца и наружного диаметра, достигается в широком размерном ряде диаметров поршней для различных двигателей достаточно высокая чувствительность и быстродействие реакции волнообразного дна цилиндрического стакана днища к быстрому изменению давления заряда в камере сгорания цилиндра двигателя. Так, для поршней большего диаметра достаточно высокая чувствительность и быстродействие реакции упруго деформируемого волнообразного дна цилиндрического стакана днища достигается при его диаметре, равном диаметру нижнего пояса цилиндрического стакана.
Для поршней меньшего диаметра эквивалентная чувствительность и быстродействие реакции упруго деформируемого волнообразного дна цилиндрического стакана днища достигается при его диаметре, большем диаметра нижнего пояса цилиндрического стакана. Гофр кольцевой периферийной части упруго деформируемого дна стакана днища представляет пружинный элемент малой кривизны и так же изгибается под давлением отработанных газов. Гофр упруго деформируемого дна стакана днища вместе с увеличенной площадью деформируемой поверхности дна стакана днища существенно повышают чувствительность и быстродействие реакции днища поршня к быстрому изменению давления заряда. Такое днище поршня эффективно обеспечивает дополнительное движение заряда в камере сгорания и увеличивает его турбулентность. Дополнительная турбулизация заряда повышает скорость горения, уменьшает время процесса сгорания заряда, повышает полноту его сгорания и своевременное теплоиспользование в положении поршня вблизи верхней мертвой точки. Такое развитие процесса горения заряда является наиболее благоприятным, так как достигается топливная экономичность двигателя в большем частотном диапазоне вращения коленчатого вала, охватывающего работу двигателя в режиме холостого хода и близкого к нему.
Кроме этого, коническая пружина служит осевой пружинящей опорой для упруго деформируемого дна стакана и при их совместной деформации обеспечивается максимальный прогиб упруго деформируемого дна цилиндрического стакана днища с наименьшей толщиной в большем частотном диапазоне вращения коленчатого вала, охватывающего работу двигателя в режиме холостого хода и близкого к нему, для повышения топливной экономичности двигателя.
Коническая пружина поджата на такую длину, при которой деформация упруго деформируемого волнообразного дна стакана днища под давлением газов в камере сгорания начинается в начале первой фазы горения рабочей смеси, а к концу первой фазы, соответствующей концу процесса сжатия, выравнивается выпуклость упруго деформируемого дна, образованная в его статическом состоянии под давлением поджатой пружины. При выравнивании выпуклости объем камеры сгорания увеличивается до объема, при котором степень сжатия заряда соответствует технической характеристике двигателя и создаются благоприятные условия начала воспламенения заряда после образования искры в начале первой фазы горения. Увеличение объема камеры сгорания, вследствие выравнивания выпуклости, вызывает дополнительное движение заряда в камере сгорания, которое повышает его турбулентность, в отличие от прототипа, уже в первой фазе горения рабочей смеси.
Таким образом, при указанном поджатии пружины улучшаются условия воспламенения и горения заряда в конце первой фазы, создаются наиболее благоприятные условия для эффективного процесса горения заряда во второй основной фазе. При созданных условиях горения заряда, обеспечивается более своевременное тепловыделение и теплоиспользование в первой и второй фазах горения в положении поршня ближе к верхней мертвой точке для повышения топливной экономичности двигателя в режиме холостого хода и близкого к нему.
Кроме этого, коническая пружина в вогнутом ложе опорного диска имеет возможность сжатия до толщины одного витка, что обеспечивает высокую компактность днища, не мешает размещению в поршне верхней головки шатуна кривошипно-шатунного механизма и не увеличивает габариты поршня. Совместно с упруго деформируемым дном стакана коническая пружина в процессе их деформации, в отличие от прототипа, начинает снижать уже в первой фазе горения заряда динамическое воздействие сил давления продуктов горения заряда в цилиндре двигателя через поршень на детали кривошипно-шатунного механизма в наиболее неблагоприятном для работы двигателя режиме пуска и холостого хода, что повышает его эксплуатационную надежность.
Дальнейший значительный прогиб упруго деформируемого дна стакана днища во второй фазе горения вызывает дополнительное движение заряда в камере сгорания и увеличивает его турбулентность. Дополнительная турбулизация заряда увеличивает скорость горения и уменьшает время горения заряда, что повышает полноту его сгорания и своевременность тепловыделения во второй фазе горения в положении поршня ближе к верхней мертвой точке, обеспечивающее наилучшее теплоиспользование в процессе расширения продуктов горения заряда.
Кроме этого, уменьшается доля смеси, догорающая в третьей фазе горения, что обуславливает повышение использования выделяющейся теплоты за счет снижения времени догорания доли смеси в третьей фазе, протекающее уже в процессе рабочего хода поршня. При таком развитии процесса горения заряда в камере сгорания во второй и третьей фазах повышается топливная экономичность двигателя в большем частотном диапазоне вращения коленчатого вала, охватывающего работу двигателя в режиме холостого хода и близкого к нему.
На такте «Выпуск» в положении поршня вблизи верхней мертвой точки в зоне угла перекрытия впускного и выпускного клапанов давление продуктов горения заряда практически равняется атмосферному и поэтому упруго деформируемое дно стакана становится выпуклым под действием поджатой пружины. Выпуклость упруго деформируемого дна уменьшает объема камеры сгорания из-за частичного замещения ее объема, что приводит к вытеснению отработанных газов из цилиндра в большем объеме. Таким образом, выпуклость упруго деформируемого дна стакана на такте «Выпуск» повышает степень очистки цилиндров от продуктов горения заряда и далее способствует наполнению цилиндров свежим зарядом на такте «Впуск» с меньшим количеством остаточных отработанных газов, что увеличивает полноту сгорания заряда и повышает топливную экономичность двигателя.
При выполнении днища поршня в виде цилиндрического стакана с упруго деформируемым дном в сборе с пружиной и фасонным опорным диском и установка днища герметично в цилиндрической полости головки поршня, например, на клей-герметик высокотемпературный и виброударопрочный, обеспечивается высокая технологичность конструкции днища и ее сборки с поршнем. Кроме этого, при жестком креплении опорного диска к нижнему поясу стакана, исключается динамическое воздействие пружины на клеевое соединение днища с головкой поршня, так как пружина опирается на опорный диск и не выталкивает стакан днища из цилиндрической полости головки поршня.
Предлагаемое конструктивное исполнение поршня с упруго деформируемым днищем, в сравнении с поршнем по прототипу, повышает экономичность работы бензинового двигателя и его эксплуатационную надежность в более широком диапазоне частоты вращения коленчатого вала, охватывающего работу двигателя на холостом режиме и близким к нему. В указанном диапазоне упруго деформируемое волнообразное дно цилиндрического стакана днища поршня успевает деформироваться с максимальным прогибом для дополнительной турбулизации заряда и снижения, в том числе при пуске, динамических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма. Упруго деформируемое дно стакана днища совместно с пружиной аккумулируют энергию давления газов в камере сгорания и возвращают обратно газам в процессе расширения или рабочего хода поршня для совершения ими работы кривошипно-шатунным механизмом.
Таким образом, рассмотренные признаки являются достаточными для достижения заявляемого технического результата, а в новой совокупности признаков возникают новые технические свойства предлагаемого поршня двигателя внутреннего:
- не разрушаемость упруго деформируемого днища поршня при достаточно малой толщине его материала независимо от значения давления заряда в цилиндре двигателя;
- способность вызывать дополнительную турбулизацию заряда в первой и второй фазах горения заряда;
- способность аккумулировать энергию давления газов в камере сгорания в первой и второй фазах горения рабочей смеси и возвращать обратно газам в процессе расширения или рабочего хода поршня для совершения ими работы кривошипно-шатунным механизмом;
- как амортизатор кривошипно-шатунного механизма, снижающий динамическое воздействие на него сил давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания в первой и второй фазах горения;
- способность повышать степень очистки цилиндров двигателя от продуктов горения рабочей смеси на такте «Выпуск».
Заявляемое изобретение поясняется графическим материалом:
на фиг. 1 - показан поршень в разрезе, у которого диаметр упруго деформируемого дна стакана днища равен диаметру нижнего пояса стакана;
на фиг. 2 - показан поршень в разрезе, у которого диаметр упруго деформируемого дна стакана днища больше диаметра нижнего пояса стакана и оно выполнено по форме одного гофра сильфона;
на фиг. 3 - показан вид сверху на жесткий опорный диск в разрезе по А-А;
на фиг. 4 - показан график участка индикаторной диаграммы рабочего цикла бензинового двигателя в координатах p - ϕ° - зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала двигателя, характеризующий процесс горения заряда в камере сгорания;
на фиг. 5 - показан график суммарной жесткости упруго деформируемого дна стакана днища и пружины.
Поршень с упруго деформируемым днищем (фиг. 1, 2, 3) включает в себя головку 1 с выполненными в ней канавками 2 для поршневых колец, юбку 3, бобышки 4 с отверстиями 5 под поршневой палец. Внутри головки 1 поршня выполнена соосно с осью поршня цилиндрическая полость 6, в которое установлено днище, включающее: цилиндрический стакан 7 с упруго деформируемым волнообразным дном 8 из высоко жаропрочного стойкого против релаксации пружинного материала (например, сталь 30ХМА, углепластик и др.); фасонный опорный диск 9 с цилиндрической юбкой 10, вогнутым ложем 11 и отверстиями 12. Опорный диск 9 установлен и жестко закреплен цилиндрической юбкой 10 к нижнему поясу стакана 7, например, посредством контактной сварки или электрозаклепок. Внутри цилиндрического стакана 7 установлена коническая пружина 13, выполненная из жаропрочного стойкого против релаксации пружинного материала, которая своим верхним торцом упирается в упруго деформируемое волнообразное дно 8 стакана, а своим нижним торцом опирается на вогнутое ложе 11 фасонного опорного диска 9.
Диаметр упруго деформируемого дна 8 равен диметру d1 нижнего пояса цилиндрического стакана 7 для поршней большего диаметра (фиг. 1). Для поршней меньшего диаметра, а так же для поршней любого диметра, упруго деформируемое дно 8 цилиндрического стакана 7 днища выполнено по периферии фасонным по форме одного гофра 14 сильфона, которым прилегает к телу головки 1 поршня вблизи его торца и наружного диаметра D (фиг. 2). Причем диаметр d2 упруго деформируемого дна 8 по гофру 14, для увеличения площади деформируемой поверхности, больше диаметра d1 нижнего пояса деформируемого дна 8 стакана 7 и несколько меньше диаметра D головки 1 поршня.
При сборке поршня вначале собирается днище поршня. Для этого в вогнутое ложе 11 опорного диска 9 устанавливается пружина 13. Опорный диск 9 с пружиной 13 вставляется в цилиндрический стакан 7. Опорным диском 9 пружина 13 поджимается до совпадения торцов цилиндрической юбки 10 опорного диска и нижнего пояса стакана 7. Посредством, например, контактной сварки, опорный диск 9 жестко крепится к нижнему поясу стакана 7. Далее днище, включающее цилиндрический стакан 7 в сборе с пружиной 13 и опорным диском 9, устанавливается герметично в цилиндрическую полость 6 головки 1 поршня, например, на клей - герметик высокотемпературный и виброударопрочный.
Жесткое крепление опорного диска 9 с цилиндрической юбкой 10 к нижнему поясу стакана 7 исключает силовое выталкивание пружиной 13 стакана 7 с упруго деформируемым волнообразным дном 8 из кольцевой цилиндрической полости 6 головки 1 поршня и, как следствие, исключает воздействие пружины на клеевое соединение упруго деформируемого днища с головкой поршня.
Предлагаемый поршень двигателя работает обычным способом.
На фиг. 4 показан график участка индикаторной диаграммы рабочего цикла бензинового двигателя в координатах р - ϕ° - зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала. График характеризует процесс горения рабочей смести в камере сгорания и позволяет отразить работу упруго деформируемого днища поршня в положении его вблизи верхней мертвой точки.
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. 4 - линия сжатия).
Искрообразование происходит в точке 1 индикаторной диаграммы, соответствующей началу первой фазы θ1 горения заряда. Давление заряда в камере сгорания в этот момент соответствует ординате p1. 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 горения заряда со скоростью распространения пламени 80 м/с и более, соответствующей 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 камере сгорания будут максимальными. Однако в пристеночных слоях камеры сгорания скорость распространения пламени ниже и сгорание смеси оказывается пока неполным. Догорание заряда происходит уже в третьей фазе θ3, начало которой соответствует точке 3, в такте расширения при движении поршня от верхней мертвой точке к нижней.
Упруго деформируемое волнообразное дно 8 цилиндрического стакана 7 и пружина 14 выполняются с такой жесткостью, при которой прогиб выпуклой части дна 8 цилиндрического стакана 7 начинается от усилия давления газов в камере сгорания в начале первой фазы θ1 горения рабочей смеси, соответствующего давлению p1 в точке 1 диаграммы (фиг. 4), и заканчивается в конце первой фазы в точке 2, соответствующей давлению р2 конца сжатия. При таком прогибе выпуклой части дна 8 объем камеры сгорания увеличивается до объема, при котором степень сжатия рабочей смеси соответствует установленной для двигателя, что очень важно для создания благоприятных условий воспламенения смеси после образования искры в первой фазе горения θ1.
Таким образом, при деформации упруго деформируемого дна 8 цилиндрического стакана 7 выравнивание его выпуклости, образованной в статическом состоянии дна, начинается от усилия давления заряда в начале первой фазы θ1 горения и заканчивается в ее конце. Выравнивание упруго деформируемого дна 8 вызывает дополнительное движение заряда и повышает его турбулентность уже в первой фазе горения заряда. Дополнительная турбулизация заряда улучшает условия воспламенения и более интенсивного горения заряда в конце первой фазы, и, как следствие, создает благоприятные условия для более эффективного процесса горения заряда во второй фазе горения θ2.
max
Дальнейший прогиб упруго деформируемого дна 8 увеличивается из-за резкого подъема давления горючих газов в точке 2 начала второй фазы θ2 горения заряда и достигает максимума в точке 3 (фиг. 4, 5). В отличие от прототипа, прогиб дна 8 по условиям прочности ограничивается опорным диском 9 не более допустимого значения h (фиг. 1, 2). Как следствие деформации упруго деформируемого дна 8 днища во второй фазе θ2 горения: увеличивается турбулентность заряда и более полное и своевременное сгорание его; увеличивается объем камеры сгорания, при котором уменьшается отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и поэтому снижается доля смеси в пристеночных слоях камеры сгорания, догорающая в третьей фазе горения θ3; увеличивается в целом полнота сгорания заряда и использование теплоты. Кроме этого, при прогибе упруго деформируемое дно 8 стакана 7 днища и пружина аккумулируют энергию давления газов в камере сгорания и возвращают ее обратно газам в процессе расширения или рабочего хода поршня для совершения ими работы кривошипно-шатунным механизмом.
На такте «Выпуск», в положении поршня вблизи верхней мертвой точки, когда давление в цилиндре становится равным близко атмосферному давлению, форма упруго деформируемого дна стакана принимает исходное выпуклое состояние. Выпуклое под действием поджатой пружины 13 упруго деформируемое дно 8 стакана 7 замещает часть объема камеры сгорания и приводит к вытеснению отработанных газов из цилиндра в несколько большем объеме, что повышает степень очистки цилиндра от продуктов горения и далее улучшает наполнение цилиндра свежим зарядом с меньшим количеством остаточных газов.
Упруго деформируемое дно 8 стакана 7 с пружиной 13 работают как амортизатор на участках диаграммы θ1 и θ2 (фиг. 4) и поэтому существенно снижают динамическое воздействие сил давления газов через поршень на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя. Такой амортизатор уменьшает износ деталей двигателя и повышает его эксплуатационную надежность. Кроме этого, при деформации дна 8 цилиндрического стакана 7 через отверстия 12 в жестком опорном диске 9 удаляется воздух из пространства между опорным диском 9 и дном 8 для исключения влияния давления воздуха, в связи с изменением его температуры, на прогиб упруго деформируемого дна. При возвратном движении упруго деформируемое дно 8 цилиндрического стакана 7 охлаждается.
Таким образом, предлагаемое изобретение, в сравнении с прототипом: повышает топливную экономичность двигателя в большем диапазоне частоты вращения коленчатого вала двигателя, охватывающего работу двигателя на холостом режиме и близким к нему; обеспечивает не разрушаемость тонкого упруго деформируемого днища поршня при максимальном давлении заряда в цилиндре; повышает степень очистки цилиндров от продуктов горения заряда; аккумулирует энергию давления газов в камере сгорания и возвращает обратно газам в процессе расширения или рабочего хода поршня для совершения ими работы кривошипно-шатунным механизмом; как амортизатор кривошипно-шатунного механизма снижает динамическое воздействие на него сил давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания при пуске и холостом ходу, что повышает эксплуатационную надежность двигателя.