РАБОЧИЙ ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
WORKING CYLINDER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к двигателестроению, и может быть использовано для повышения ресурсных характеристик двигателя путем одновременной оптимизации таких рабочих характеристик, как кпд, трение, теплонапряженность и износ.
Известен рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащий гильзу и поршень с поршневыми кольцами (см., например, В.И.Анохин. Отечественные автомобили. М.: Машиностроение, 1964, стр.31).
Его недостатками являются значительные потери на трение пары поршневое кольцо - гильза и увеличенный износ гильзы, особенно при запуске двигателя («холодный» пуск), что обусловливает снижение коэффициента полезного действия двигателя и его моторесурса.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение всех основных рабочих характеристик цилиндра, а именно повышение коэффициента полезного действия, снижение трения и износа, а также уменьшение его теплонапряженности и, следовательно, повышение моторесурса двигателя.
Указанный результат достигается тем, что в известном рабочем цилиндре, содержащем гильзу и поршень с поршневыми кольцами, внутренняя поверхность гильзы снабжена направляющими выступами, образованными модифицированным материалом поверхностного слоя с увеличенным удельным объемом на участках поверхности, размещаемых в виде многозаходной спирали, и капиллярной структурой, располагаемой между спиралями направляющих выступов, причем эффективный гидравлический радиус капилляров в структуре выбран в пределах (1,3-3,5) высоты направляющих выступов.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображен фрагмент продольного разреза рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Рабочий цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания содержит гильзу 2, поршень 3 и поршневые кольца 4.
Внутренняя поверхность 5 гильзы 2 снабжена направляющими выступами 6, образованными структурно модифицированным материалом поверхностного слоя на участках поверхности, размещаемыми в виде многозаходной спирали. Направляющие выступы 6 могут быть сформированы, например, с помощью лазерной обработки поверхности 5.
Под действием лазерного нагрева и последующего быстрого охлаждения в поверхностном слое материала гильзы 2 глубиной 0,3-1 мм образуется структура мартенсита и ледебурита, отличающаяся помимо высокой твердости большим удельным объемом по сравнению с необработанным материалом, что и обусловливает выступание обработанного участка над исходным профилем поверхности 1-1. Под исходным профилем в данном случае понимается теоретическая поверхность, шероховатость которой равна нулю (идеально гладкая поверхность). Высота выступов равна примерно 7-8 мкм при ширине - 4-10 мм.
Создание термоупрочненных лазером спиральных полос на внутренней поверхности гильзы известно (см., например, Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. - М.: Высшая школа, 1988, стр.121). Термоупрочнение применяется для повышения износостойкости гильзы рабочего цилиндра. В предлагаемом техническом решении известный признак используется по иному техническому назначению: с целью получения структуры материала с большим удельным объемом и образования капиллярной структуры 7, которой заполнено пространство между исходным профилем (теоретической поверхностью) и эквидистантной ему условной цилиндрической поверхностью 2-2, касательной к вершинам направляющих выступов 6, не заполненное последними.
Капиллярная структура 7 может быть выполнена любым известным способом. В условиях отлаженного производства двигателей наиболее оптимальным является формирование указанного профиля внутренней поверхности 5 токарной обработкой поверхности по седьмому квалитету точности. Строго говоря, при токарной обработке на поверхности образуется один капилляр в виде винтовой треугольной канавки 8 на всей длине точения.
Шириной канавки определяется эффективный гидравлический радиус капилляра по известной формуле:
где b - максимальная ширина канавки;
а - половина угла при вершине треугольника, образующего профиль канавки 8.
Эффективный гидравлический радиус определяет высоту всасывания жидкости капилляром. При параметрах микрогеометрии поверхности, получаемой в результате токарной обработки в условиях реальной смачиваемости поверхности маслом, высота всасывания одного капилляра недостаточна для удержания масла от стекания в картер при неработающем двигателе.
После лазерной обработки поверхности 5 вследствие оплавления и частичного испарения микровыступов 9, образующих стенки капилляра, и модификации структуры материала в зоне лазерного воздействия направляющие выступы 6 разделяют один капилляр на множество изолированных друг от друга микроканалов, т.е. образуется капиллярная структура 7.
Причем оплавленная поверхность направляющих выступов 6 соответствует как минимум девятому классу чистоты и не требует дальнейшей доводки (шлифования, хонингования и т.п.).
При запуске двигателя капиллярная структура 7 заполняется моторным маслом, которое надежно удерживается в каждом ее капилляре силами поверхностного натяжения и не стекает в картер после остановки двигателя. Каждый последующий пуск независимо от времени остановки происходит без дефицита смазки, за счет чего уменьшается износ гильзы.
Таким образом, высота всасывания перестает лимитировать величину эффективного гидравлического радиуса после дробления единого капилляра на множество отдельных микроканалов. Его величина выбирается только из условия размещения капилляров снаружи границы поверхности 2-2, чтобы при перемещениях поршня 3 с поршневым кольцом 4 внутри цилиндра 1 не препятствовать взаимодействию кольца с закаленными вершинами направляющих выступов 6. Указанный критерий позволяет конкретизировать величину эффективного гидравлического радиуса и определить его по формуле:
где h - высота треугольного профиля капиллярной канавки, примерно совпадающая с высотой направляющего выступа.
Учитывая, что а - половина угла при вершине профиля канавки, примерно соответствующего углу между передней и задней режущей кромкой резца, и подставляя его значения от 30° до 45° в формулу (2), получаем R~(1,3-3,5)h.
Количество заходов спирали при формировании направляющих выступов 6 также диктуется необходимостью уменьшения прогиба поршневого кольца 4, опирающегося на соседние закаленные направляющие выступы 6, под действием радиальных составляющих сил, действующих на поршень 3, для минимизации давления поршневого кольца 4 на незакаленные микровыступы 9 с целью недопущения их износа. С учетом величины радиальных сил, жесткости кольца и внутреннего диаметра гильзы число заходов составляет для автомобильных двигателей - 8…12.
Имеющийся между поршневым кольцом и внутренней поверхностью гильзы зазор в силу своей малости (1-50 мкм) является частью капиллярной системы 7 и также заполнен маслом по всему периметру, за исключением замка поршневого кольца. Таким образом, создается гидравлический затвор, препятствующий проникновению продуктов сгорания топлива, обладающих высоким запасом тепловой энергии, в картер надежнее, чем в случае хонингованной поверхности. Действительно, микрорельеф, образованный выступами капиллярных канавок 8 на внутренней поверхности 5 гильзы 2 в зоне взаимодействия с кольцом 4 представляет собой дополнительное лабиринтное уплотнение зазора, позволяющее уменьшать паразитные протечки уплотняемой среды, что, в свою очередь, ведет к повышению кпд двигателя.
Кроме того, капиллярный рельеф на внутренней поверхности гильзы на 20-30% увеличивает ее площадь, что ведет к снижению температуры поверхности, а это, в свою очередь, уменьшает среднюю температуру масла, тормозит процессы его коксования и улучшает теплоотвод от поршня (снижая его теплонапряженность), обусловливает повышение моторесурса двигателя.