ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к области двигателестроения и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Надежность эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, как известно, обусловлена надежностью его деталей узлов, элементов, в частности надежностью цилиндро-поршневой группы, а более конкретно, поршневых колец, моторесурс которых мал по сравнению с другими элементами этой группы, что вызывает необходимость их сравнительно частой замены. При этом установлено, что новые кольца в изношенной поршневой канавке разрушаются значительно быстрее из-за их повышенных напряжений.
Известен целый ряд решений направленных на упрочнение колец.
4
Известно, например, техническое решение, позволяющее увеличить срок службы поршневого кольца путем применения на трущихся поверхностях жаростойкого материала, содержащего 65-90% высокохромистого чугунного порошка и 40-10% порошка медного сплава (см. заявку №58-113368 Японии, МПК С23С 7/00, F02F 5/00).
К повышению абразивной стойкости поршневых колец приводит применение материалов с покрытием методом плазменной наплавки твердых материалов, в том числе хрома, молибдена, композиции RF 4302 и материала Alfit ("Найнен кикан, naineu kikan, Internal Combustion Engine", 1983, 22, №13, 73-82 (яп.)).
4
Известно техническое решение, позволяющее снизить износ и продлить срок службы поршневого кольца путем конструктивного улучшения условий смазки пары трения кольцо-втулка цилиндра (см. а.с. 1016551, СССР, МПК F02F 5/00). Для этого на рабочей поверхности кольца выполнены маслоудерживающие канавки треугольной формы.
Недостатком всех известных технических решений, направленных на повышение
износостойкости поршневых колец путем упрочения поверхности или конструктивного улучшения условия их смазки является невозможность предотвращения неравномерного износа поршневой канавки. Это приводит в итоге к поломке нового непроработанного поршневого кольца, устанавливаемого в изношенную поршневую канавку, до достижения им нормального эксплуатационного износа.
Известны технические решения, конкретно поршни, в которых применяются упрочненные поверхности канавок для поршневых колец.
4
Известен, например поршень из материала алюминиевого сплава для дизеля (см. патент США №4432313, МПК F02F 3/10) с твердосплавным напылением стенок, канавки верхнего кольца. Твердый сплав на основе алюминия, сочетающий высокую твердость и вязкость в условиях высокой температуры содержит 6-12% Si, 6% Си, 2-6% Mn, 3% Fe и 25% Ni. Сплав нанесен методом плазменного напыления в зоне верхней канавки.
Недостатком такого поршня является невозможность и путем твердосплавного напыления предотвратить износ поверхности поршневой канавки, который в конечном итоге приводит к образованию на опорной поверхности характерного выступа у основания канавки, за счет повышенного абразивного износа остальной части опорной поверхности.
В результат при установке в изношенную поршневую канавку нового (неприработанного) кольца, оно провисает на выступе, что приводит к появлению в нем дополнительных напряжений (превышающих номинальные в 10-20 раз), и в итоге - к его поломке до достижения им величины нормального эксплуатационного износа.
Таким образом, дорогостоящая технология упрочнения поршней не решает проблемы надежности поршневых колец и, следовательно, двигателей внутреннего сгорания в целом, в которых в настоящее время применяются как поршни с упрочненными канавками, так и обычные поршни без упрочнения.
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания содержаний
поршневые канавки (см. например описание двигателя МАН K6Z 57/80A), который наиболее близок по технической сущности к заявляемому, как наиболее обобщенный пример.
Недостатком такого поршня является неравномерный износ опорной поверхности поршневой канавки, характеризующийся образованием выступа у ее основания, и обусловленное этим снижение срока службы новых поршневых колец, устанавливаемых в изношенную поршневую канавку.
Технической задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является устранение указанного недостатка, т.е. повышение срока службы поршневого кольца за счет изменения характера износа опорной поверхности поршневой канавки.
Указанная задача достигается тем, что в известном поршне, содержащем поршневую канавку, у основания ее (у дна канавки) на опорной поверхности выполнена кольцевая проточка (кольцевая канавка). Ширина проточки составляет 10-25% глубины канавки. Глубину проточки выбирают исходя из прочности поршня.
Выполнение в поршневой канавки кольцевой проточки у основания в конечном итоге значительно повышает срок службы поршневых колец, устанавливаемых в канавки поршня за весь период его эксплуатации, что обусловлено влиянием этой проточки на характер износа опорной поверхности канавки (износ становится более равномерным) и как следствие этого, значительным снижением дополнительных возникающих напряжений в кольце при его перекосе и зависании. При возвратно-поступательном движении поршня и возникающем при этом радиально-тангенциальном и осевом перемещении поршневого кольца наиболее интенсивному износу подвергается 75-90% опорной поверхности канавки, примыкающей к ее наружной кромке, что при кольцевой проточке у основания не может привести к образованию на ее месте характерного выступа неизношенной поверхности и возникновению дополнительных изгибающих нагрузок (со
сложной эпюрой), что снижает в результате этого неравномерность износа опорной поверхности и предотвращает, таким образом, преждевременную поломку новых поршневых колец, устанавливаемых в изношенную канавку поршня.
На фиг.1 изображен поршень с проточкой в его канавке, на фиг.2 изображена изношенная поршневая канавка без проточки и установленным в нее новым поршневым кольцом.
Поршень 1 содержит поршневую канавку 2 и кольцевую проточку 3, выполненную у основания ее на опорной поверхности 4. Ширина проточки 3 составляет 10-25% глубины Н канавки 2. Глубину h проточки выбирают исходя из прочности поршня. В поршень 1 установлено кольцо 5.
Поршень работает следующим образом.
При работе двигателя внутреннего сгорания поршень 1 совместно с поршневым кольцом 5 совершает возвратно-поступательное движение. Кольцо 5 обеспечивает уплотнение между поршнем 1 и цилиндровой втулкой при этом совершает радиально-тангенциальные, вращательные перемещения в канавке 2 и испытывает осевые нагрузки от давления газов в цилиндре. Эти нагрузки, движения в сочетании с продуктами износа, нагара приводят к износу опорной поверхности 4 канавки 2. Наиболее интенсивному износу подвергается 75-90% опорной поверхности 4 канавки 2, примыкающей к ее наружной кромке. Проточка 3 в поршневой канавке 2, ширина которой составляет 10-25% от глубины канавки, предотвращает образования выступа 6 на опорной поверхности у основания канавки 2, обеспечивая равномерный ее износ и плотное прилегание кольца 5 к опорной поверхности 4, что предупреждает возникновение дополнительных изгибающих нагрузок на кольцо и поломку его по этой причине.
В канавке без проточки в результате неполного износа ее опорной поверхности 4 по глубине образуется характерный выступ 6 неизношенной поверхности. Изнашивается и поршневое кольцо которое меняется в процессе
эксплуатации на новое. Положение нового (неприработанного к опорной поверхности 4) кольца 5 в изношенной канавке 2 с выступом 6 у основания не обеспечивает его плотного прилегания к опорной поверхности 4. Оно как бы «зависает» на выступе 6. В результате этого при работе двигателя кольцо 2 испытывает дополнительные изгибающие нагрузки, которые в конечном итоге приводят к поломке кольца, до достижения им нормального эксплуатационного износа.
Преимуществом заявляемого технического решения по сравнению с прототипом является обусловленное его отличительными признаками значительное сокращение поломок поршневых колец (увеличение срока их службы), снижение износа канавок поршней (увеличение межремонтного срока службы поршней) и, как следствие этого, снижение эксплуатационных затрат на обслуживание двигателей внутреннего сгорания (сокращение межремонтных переборок цилиндро-поршневой группы), снижение затрат на запасные части.