ОХЛАЖДАЕМЫЙ ПОРШЕНЬ КРЕЙЦКОПФНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к двигателям, оснащенным крейцкопфом. Полезная модель может быть использована для охлаждения поршня и повышения его долговечности.
При работе двигателя внутреннего сгорания его поршень подвергается значительным механическим и тепловым нагрузкам со стороны горячего газа в камере сгорания. Вследствие воздействия высокой температуры поршни нередко выходят из строя раньше назначенного срока в результате прогорания его верхней стенки или образования трещин в ней из-за повышенных температурных деформаций. Для обеспечения требуемого ресурса поршни форсированных двигателей выполняются охлаждаемыми. Для этого через полости в поршне постоянно прокачивается охлаждающая жидкость, в качестве которой используется, как правило, масло, иногда вода. Техническая проблема состоит в том, что трудно обеспечить достаточно интенсивный отвод тепла от горячих стенок поршня, особенно для современных высоко форсированных двигателей.
Известно устройство охлаждаемого поршня крейцкопфного двигателя внутреннего сгорания, описанное в патенте DK 161405 (В) (публиковано 01.07.1991). Поршень состоит из головки поршня и нижней части корпуса поршня. К нижней части поршня неподвижно прикреплен шток, который соединяет поршень с крейцкопфным механизмом двигателя. Детали поршня в сборе образуют внутри него две полости охлаждения, а именно, центральную полость охлаждения днища поршня, под которым понимается верхняя стенка головки поршня, и боковую периферийную полость охлаждения боковой цилиндрической стенки поршня с поршневыми кольцами. Причем центральная полость охлаждения представляет собой цилиндрическую полость, имеющую относительно большой объем. Через полости охлаждения постоянно прокачивается охлаждающая жидкость, в качестве которой используется масло или вода. Подвод охлаждающей жидкости к поршню и отвод ее от поршня осуществляется через каналы внутри штока.
Недостатком устройства является низкая эффективность охлаждения поршня, а именно, низкая эффективность отвода тепла от верхней стенки днища поршня, которая является наиболее горячей. Причины этого недостатка данного устройства следующие:
1) охлаждающая жидкость первично поступает в пространство центральной охлаждающей полости значительного объема и лишь, затем поступает на теплопередающую верхнюю стенку днища поршня;
2) горячая теплопередающая верхняя стенка днища поршня омывается охлаждающей жидкостью с относительно низкой скоростью движения пристеночных слоев жидкости, что является неэффективным с точки зрения теплопередачи.
Известно устройство охлаждаемого поршня крейцкопфного двигателя внутреннего сгорания, описанное в патенте DE 19962325 (А1) (публиковано 05.07.2001). По совокупности признаков данное устройство является ближайшим аналогом заявляемой полезной модели.
Данное устройство состоит из головки поршня, нижней кольцевой части корпуса поршня и верхнего фланца штока, который одновременно является нижней центральной частью корпуса поршня. Головка поршня содержит верхнюю профилированную стенку днища поршня, боковую цилиндрическую стенку с поршневыми кольцами и внутреннее кольцевое ребро. Между составными частями поршня образованы герметичные полости, через которые прокачивается охлаждающая жидкость. При этом имеется центральная полость охлаждения и боковая периферийная кольцевая полость охлаждения, которая имеет частичное разделение на отдельные объемы.
К нижней части поршня неподвижно прикреплен шток. Шток представляет собой жесткий цилиндрический полый стержень, который соединяет поршень с крейцкопфным механизмом двигателя. Во внутренней цилиндрической полости штока соосно с ним размещена дополнительная труба, в результате чего образованы два канала для подвода к поршню и отвода от него охлаждающей жидкости.
Согласно ближайшему аналогу охлаждающая жидкость подводится к поршню по внутренней центральной трубе, установленной внутри штока. В результате этого охлаждающая жидкость первично поступает в центральную полость охлаждения поршня, где отводит тепло от горячей верхней стенки днища поршня. Затем жидкость перетекает по просверленным радиальным каналам в боковую периферийную полость, где отводит тепло от боковой цилиндрической стенки поршня.
Далее охлаждающая жидкость перетекает по радиальным наклонным каналам в отводящий канал в штоке, который представляет собой кольцевое пространство между внутренней стенкой штока и центральной трубой, установленной внутри него. По этому каналу охлаждающая жидкость отводится от поршня.
Конструкция ближайшего аналога, в отличие от предыдущего аналога, имеет центральную полость охлаждения уменьшенного объема за счет уменьшения вертикального расстояния от верхней стенки днища поршня до верхнего края центральной трубы, установленной внутри штока. Благодаря этому жидкость, поступающая в пространство центральной полости охлаждения, быстрее поступает на горячую верхнюю стенку днища поршня и омывает ее с увеличенной скоростью движения пристеночных слоев жидкости, что способствует некоторому повышению эффективности отвода теплоты.
Недостатком устройства ближайшего аналога является низкая эффективность охлаждения поршня, в частности, его верхней стенки днища поршня. В наибольшей степени этот недостаток проявляется в случае высоко форсированных двигателей внутреннего сгорания, для которых характерны чрезвычайно высокие температуры и давления рабочего тела в цилиндре двигателя и, как следствие, очень высокие температуры стенок поршня.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении эффективности охлаждения поршня крейцкопфного двигателя внутреннего сгорания. Задача решается тем, что устройство содержит дополнительные конструктивные элементы, которые рациональным образом организуют поток охлаждающей жидкости, омывающей теплопередающую верхнюю стенку днища поршня, благодаря чему каждая частица жидкости проходит более длинное расстояние по горячей поверхности днища поршня при одновременном увеличении скорости потока и, как результат, отводит большее количество теплоты. Кроме того, заявляемое устройство отличается повышенной общей площадью теплообмена.
Устройство охлаждаемого поршня крейцкопфного двигателя внутреннего сгорания показано на фиг. 1, 2, 3. Поршень состоит из профилированной головки поршня 1, нижней кольцевой части корпуса 2, верхней фланцевой части штока 3. Шток жестко соединяет поршень с крейцкопфным механизмом двигателя. Одновременно с этим верхняя часть штока выполняет функцию центральной нижней части корпуса поршня.
Головка поршня 1 представляет собой профилированную деталь сложной геометрической формы, которая имеет верхнюю центральную стенку днища 4 поршня, боковую периферийную цилиндрическую стенку 5 с несколькими канавками на наружной поверхности для поршневых колец и внутреннее кольцевое ребро 6, сопряженное с верхним фланцем 3 штока.
Шток представляет собой цилиндрический полый стержень, во внутреннюю полость которого соосно с ним установлена с некоторым радиальным зазором центральная труба 7. При этом верхняя часть центральной трубы 7 герметично закреплена в верхней части штока. Таким образом, внутри штока образовано два канала для подвода к поршню и отвода от него охлаждающей жидкости, а именно, канал 8 внутри центральной трубы 7 и канал 9 в форме кольцевой полости между центральной трубой и внутренней стенкой полости штока.
Головка поршня 1, нижняя кольцевая часть корпуса 2 и верхняя фланцевая часть штока 3 неподвижно и герметично соединены между собой. Детали поршня в сборе образуют две герметичные полости охлаждения, а именно, центральную полость 10 охлаждения днища 4 поршня и боковую периферийную полость 11 охлаждения боковой периферийной цилиндрической стенки 5 поршня. Центральная полость 10 и периферийная полость 11 соединены между собой несколькими радиальными каналами 12. В свою очередь периферийная полость охлаждения 11 соединена с кольцевым каналом 9 внутри штока с помощью нескольких радиальных каналов 13, выполненных в верхней фланцевой части штока 3.
Сущность полезной модели состоит в том, что, в отличие от ближайшего аналога, в центральной полости 10 охлаждения поршня дополнительно установлено направляющее профилированное кольцо 14, верхняя поверхность которого расположена эквидистантно относительно внутренней поверхности днища поршня 4 и образует с ней кольцевой канал 15 для протока охлаждающей жидкости. Наружный диаметр направляющего профилированного кольца 14 равен 80…90% от диаметра центральной полости 10 охлаждения поршня. Направляющее кольцо 14 неподвижно герметично закреплено на верхней части центральной трубы 7, установленной внутри штока 3.
Кроме того, внутренняя поверхность днища поршня 4 имеет несколько радиально направленных дугообразных ребер 16, которые направляют движение пристеночных слоев охлаждающей жидкости по дугообразным траекториям от центра к периферии, что приводит к увеличению абсолютной скорости потока жидкости при неизменном ее расходе. Рекомендуется от 6 до 8 ребер. Высота ребер 16 несколько меньше зазора между днищем поршня 4 и направляющим кольцом 14.
На фиг. 1 показан охлаждаемый поршень в сборе.
На фиг. 2 показано сечение А-А по срединной поверхности кольцевого канала для протока охлаждающей жидкости под днищем поршня.
На фиг. 3 показано поперечное сечение Б-Б кольцевого канала для протока охлаждающей жидкости под днищем поршня.
На фиг. 1, 2, 3 обозначены: 1 - головка поршня; 2 - нижняя кольцевая часть корпуса; 3 - шток; 4 - днище поршня; 5 - боковая периферийная цилиндрическая стенка поршня; 6 - внутреннее кольцевое ребро поршня; 7 - центральная труба; 8 - канал внутри центральной трубы; 9 - кольцевой канал между центральной трубой и внутренней стенкой полости штока; 10 - центральная полость охлаждения днища поршня; 11 - боковая периферийная полость охлаждения внешней цилиндрической стенки поршня; 12 - радиальные каналы в головке поршня; 13 - радиальные каналы в верхнем фланце штока; 14 - направляющее профилированное кольцо; 15 - кольцевой канал для протока охлаждающей жидкости; 16 - направляющие ребра. Движение охлаждающей жидкости в поршне показано стрелками.
Охлаждаемый поршень работает следующим образом. Охлаждающая жидкость постоянно принудительно прокачивается через центральную полость 10 охлаждения днища 4 поршня и периферийную полость 11 охлаждения боковой периферийной цилиндрической стенки 5 поршня с кольцевыми канавками для поршневых колец. Жидкость подается в центральную полость 10 охлаждения поршня по каналу внутри центральной трубы 7, установленной в штоке 3.
Далее жидкость попадает в кольцевой канал 15 между днищем поршня 4 и направляющим профилированным кольцом 14. В канале 15 жидкость движется от центра к периферии, омывая горячую стенку днища 4 поршня и отводя от нее тепло. Причем жидкость движется по дугообразным траекториям движения благодаря наличию направляющих ребер 16 на внутренней поверхности днища поршня. Вследствие этого обеспечивается повышенная абсолютная скорость движения пристеночных слоев жидкости (по сравнению с аналогами) при неизменном ее расходе, поскольку длина дугообразной траектории превышает величину радиуса охлаждаемой части днища поршня. Это в свою очередь приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи от горячей стенки днища поршня 4 к охлаждающей жидкости. Кроме того, благодаря наличию направляющих ребер 16 стенке днища поршня 4 увеличивается общая площадь поверхности теплообмена, что также способствует увеличению теплового потока, отводимого от горячего днища 4 поршня к жидкости.
Охлаждающая жидкость перетекает из центральной полости 10 в боковую периферийную полость охлаждения 11 по нескольким радиальным каналам 12 в головке поршня. Далее жидкость по радиальным каналам 13 в верхнем фланце штока перетекает в кольцевой канал 9 между центральной трубой 7 и внутренней стенкой полости штока 3, по которому далее отводится от поршня.
Таким образом, в заявляемом поршне, в отличие от аналогичных устройств, обеспечена повышенная эффективность его охлаждения путем наиболее рациональной организации движения потока жидкости, охлаждающей днище поршня. Повышенная эффективность охлаждения обеспечивается, во-первых, за счет увеличения коэффициента теплоотдачи от горячей верхней стенки днища поршня к охлаждающей жидкости, благодаря повышенной абсолютной скорости движения пристеночных слоев ее потока и, во-вторых, за счет увеличения общей площади теплообмена, благодаря наличию направляющих ребер на внутренней поверхности днища поршня. Заявляемое устройство является промышленно применимым, поскольку для его реализации достаточно использовать общеизвестные способы изготовления и монтажа деталей из типовых конструкционных материалов.