ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использована для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания.
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания (SU 527526, F02F 3/00, публ. 05.09.1976) с полуразделенной камерой сгорания, боковые стенки которой образованы конусообразной поверхностью вращения содержащий внутреннюю полость для циркуляции охлаждающей среды. Поперечное сечение полости имеет каплевидную форму и расположено симметрично относительно биссектрисы угла между поверхностью днища поршня и боковыми стенками камеры сгорания так, что головка капли обращена к центру камеры сгорания, а боковые поверхности капли параллельны днищу поршня и стенке камеры сгорания. Такая конструкция позволяет интенсифицировать охлаждение головки поршня для повышения надежности работы двигателя, однако при этом не учитываются тепловые деформации, возникающие при работе двигателя и изменяющие профиль юбки поршня, определяющий режим трения в сопряжении.
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания (RU 2411387, F02F 3/00, публ. 10.02.2011), содержащий верхний корпус, состоящий из головки, воспринимающей давление сгорания, и гребня, к которому прикреплено поршневое кольцо, и юбку, расположенную на нижней стороне верхнего корпуса поршня. Между внешней краевой поверхностью верхнего корпуса поршня и внутренней поверхностью цилиндра со стороны давления имеется зазор, на участке гребня поршня над канавкой второго поршневого кольца между первым и вторым поршневыми кольцами, прикрепленными к внешней краевой поверхности верхнего корпуса поршня, расположена газовая камера. Изобретение обеспечивает снижение потерь на трение между поршневым кольцом, цилиндром и канавкой в поршне и повышает эффективность охлаждения верхней части поршня и скорость горения топливовоздушной смеси. Однако предлагаемая конструкция не обеспечивает снижение потерь на трение между юбкой поршня и цилиндром из-за отсутствия профилирования юбки поршня.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поршень двигателя внутреннего сгорания (RU 2095603, F02F 3/00, публ. 10.11.1997), состоящий из головки и юбки с отверстием для поршневого пальца. Юбка выполнена в виде бочкообразной несимметричной фигуры с отклонениями профиля образующих нагруженной и ненагруженной несущих поверхностей от правильной цилиндрической формы в плоскости, перпендикулярной оси отверстия для поршневого пальца, определяемыми по выражению
,
где
i=1, 2 - соответствуют нагруженной и ненагруженной стороне поршня;
0
h - радиальный установочный зазор между цилиндром двигателя и юбкой;
,
- зазор между цилиндром и юбкой в ее верхней части;
B - длина юбки;
- осевая координата вершины профиля;
R - радиус юбки;
Z - осевая координата с началом в центре отверстия для поршневого пальца;
;
,
- зазор между цилиндром и юбкой в ее нижней части.
Несущие поверхности юбки выполнены в виде Х-образных площадей, которые ограничены сверху и снизу краями юбки и описаны радиусами окружностей с длиной дуги, определяемой соответствующим соотношением. Х-образная несимметричная площадь трения на боковой поверхности поршня в отличие от прямоугольных или трапециевидных наиболее соответствует действительному распределению гидродинамических давлений при работе поршня, уменьшает поверхность трения юбки, снижает потери мощности на трение.
Конфигурация профиля и расположение его вершин выбраны таким образом, что обеспечивают максимальную гидродинамическую подъемную силу на нагруженной стороне, то есть жидкостный режим трения, уменьшают вероятность задира.
Однако подобная конструкция не содержит конструктивных элементов, обеспечивающих охлаждение головки поршня, что может явиться причиной искажения конфигурации профиля юбки поршня и нарушением гидродинамического режима трения в сопряжении «поршень - цилиндр».
Полезная модель решает задачу минимизации трибологических потерь и интенсификации охлаждения головки поршня и, как следствие, повышения надежности и долговечности поршня.
Это достигается тем, что поршень двигателя внутреннего сгорания, содержит юбку в виде бочкообразной асимметричной фигуры с отклонениями профиля образующих нагруженной и ненагруженной несущих поверхностей от правильной цилиндрической формы в плоскости, перпендикулярной оси отверстия для поршневого пальца, определяемыми по выражению
,
где
i=1, 2 - соответствуют нагруженной и ненагруженной стороне поршня;
0
h - радиальный установочный зазор между цилиндром двигателя и юбкой;
,
- зазор между цилиндром и юбкой в ее верхней части;
B - длина юбки;
- осевая координата вершины профиля;
R - радиус юбки;
Z - осевая координата с началом в центре отверстия для поршневого пальца;
;
,
- зазор между цилиндром и юбкой в ее нижней части,
и головку с канавками под поршневые кольца, имеющую внутреннюю полость для циркуляции охлаждающей жидкости, расположенную на уровне верхних канавок под поршневые кольца, при этом поперечное сечение полости имеет форму эллипса, большая ось которого совпадает с биссектрисой угла между поверхностями днища поршня и цилиндра.
Отличием заявляемой конструкции от ближайшего аналога является то, что головка на уровне верхних канавок под поршневые кольца содержит внутреннюю полость для циркуляции охлаждающей жидкости с поперечным сечением в виде эллипса, большая ось которого совпадает с биссектрисой угла между поверхностями днища поршня и цилиндра.
Наличие внутренней полости позволяет минимизировать искажение заданного профиля несущих поверхностей за счет интенсификации охлаждения поршня.
Расположение внутренней полости на уровне верхних канавок под поршневые кольца позволяет снизить градиент температуры юбки поршня за счет охлаждения его верхней, наиболее нагретой, части.
Выполнение внутренней полости для циркуляции охлаждающей жидкости с поперечным сечением в виде эллипса, большая ось которого совпадает с биссектрисой угла между поверхностями днища поршня и цилиндра позволяет добиться более интенсивного и равномерного отвода тепла от стенок камеры сгорания и верхней части юбки поршня.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является минимизация искажения заданного профиля несущей поверхности поршня под действием градиента температур.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема описания профиля образующих несущих поверхностей, на фиг. 2 - поперечный разрез поршня, на фиг. 3 - тепловые деформации заявляемого поршня, на фиг. 4 - тепловые деформации серийного поршня.
Поршень двигателя внутреннего сгорания содержит юбку 1 с отверстием 2 для поршневого пальца и несущими поверхностями 3 и 4, головку 5, имеющую внутреннюю полость охлаждения 6 и канавки под поршневые кольца 7. Позицией 8 обозначен цилиндр двигателя.
Поршень работает следующим образом. При движении поршня в цилиндре 8 боковые силы прижимают его то к одной, то к другой стороне. Нагруженной является та сторона, на которую в течение рабочего цикла действует наибольшая боковая сила.
При этом в смазочном слое между юбкой 1 и цилиндром 8 возникает поддерживающие гидродинамические силы. Конфигурация профиля несущих поверхностей 3 и 4 выбрана таким образом, что обеспечивает жидкостный режим трения, уменьшает вероятность задира. При циркуляции охлаждающей среды во внутренней полости 6 тепло отводится от ее поверхности, что позволяет интенсифицировать охлаждение поршня и минимизировать искажение заданного профиля несущих поверхностей. Таким образом повышается надежность и долговечность поршня.
Пример.
Заявляемая полезная модель поршня двигателя внутреннего сгорания была апробирована расчетным способом для дизельного двигателя размерности ЧН 13/15 производства ООО «ЧТЗ-УРАЛТРАК».
Поскольку изменение геометрии трибосопряжения «поршень-цилиндр», вызванное неравномерным нагревом цилиндра и поршня, оказывает существенное влияние на все гидромеханические характеристики, решалась квазистатическая задача термоупругости методом конечных элементов. В результате этого были определены температурные деформации серийного и заявляемого поршней.
Анализ результатов свидетельствует об интенсификации охлаждения головки поршня и снижении температурных деформаций направляющей поршня для заявляемой конструкции (фиг. 3) по сравнению с серийным образцом (фиг. 4). Такой подход обеспечил минимизацию искажения заданного профиля несущей поверхности поршня под действием градиента температур.
(i)
Полученные температурные деформации были учтены при определении отклонений профиля образующих h нагруженной и ненагруженной несущих поверхностей юбки от правильной цилиндрической формы в плоскости, перпендикулярной оси отверстия для поршневого пальца.
(i)
Параметры выражения, определяющего отклонения h для серийного и заявляемого поршней, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Поршень
K<sup>(1)</sup>
l<sup>(1)</sup>
m<sup>(1)</sup>
K<sup>(2)</sup>
l<sup>(2)</sup>
m<sup>(2)</sup>
серийный
2,921
1,326
-0,217
2,921
1,326
-0,217
заявляемый
2,235
1,342
-0,086
2,235
1,342
-0,086
min
С использованием программы анализа трибосопряжения «поршень -цилиндр» «Поршень-ВТХ» (Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2010611198, 2010 г.) были рассчитаны основные гидромеханические характеристики сопряжения с серийной и предлагаемой конструкциями поршней: потери на трение N, расход смазки в направлении камеры сгорания Q (косвенно характеризует расход смазки на угар), минимальная толщина смазочного слоя inf h. Результаты расчета, приведенные в таблице 2, свидетельствуют о снижении расчетного значения потерь на трение и расхода смазки в направлении камеры сгорания, а также об увеличении более чем на 40% расчетного значения минимальной толщины смазочного слоя, что гарантирует работу сопряжения в режиме гидродинамического трения и обеспечивает снижение износа направляющей части поршня.
Таблица 2
Поршень
N, Вт
Q, см<sup>3</sup>/с
inf h<sub>min</sub>, мкм
серийный
633,8
17,5
10,0
заявляемый
606,0
22,7
16,9