Двигатель внутреннего сгорания

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения по производству дизельных двигателей автомобильных и специализированных транспортных средств, а также к эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) такой сложной наукоемкой техники, как автомобили, транспортные, транспортно-технологические машины и комплексы (ТТМиК), в том числе, сельскохозяйственные, строительные, дорожные, погрузочно-разгрузочные машины, специальные машины и бронетехника. Важным условием является сокращение расходов на обслуживание, ремонт и эксплуатацию, достигаемое за счет повышения надежности ДВС автомобилей и ТТМиК. Но несмотря на это, в эксплуатации ТТМиК по их назначению встречаются отклонения и несоответствия размеров деталей и узлов, их изнашивание, изменение формы, нарушения взаимодействия деталей в соединениях, в системах и механизмах ДВС, в том числе изменение зазоров, натягов и посадок, которые по мере изучения и исследования устраняются различными конструктивно-технологическими мероприятиями по улучшениям.
Уровень техники
Полезная модель направлена на выполнение задачи по использованию назначенного ресурса ДВС, предотвращению аварийных отказов средствами конструктивно – технологических улучшений на основе исследований в стадии доводки на производстве изделия. Производители исследуют и совершенствуют конструкцию ДВС и их системы, повышают качество производства, обеспечивают надежность и ресурс двигателей и их механизмов и систем на протяжении всего  жизненного цикла  изделия.
Предпосылки создания полезной модели
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) [1], в которых для соединения блока цилиндров с головкой блока имеется газовый стык, съемные гильзы цилиндров устанавливаются посадочным поясом в расточку блока и опираются буртами в блок и головку цилиндров. С помощью болтов или анкерных шпилек головка блока, гильза и блок двигателя соединяются и образуют единый узел ДВС, а газовый стык обеспечивается путем затяжки болтов. Эта конструкция имеет ряд существенных недостатков, так как для обеспечения надежности работы необходимы усилия затяжки анкерных связей, значительно превышающие усилия от газовых сил в цилиндре ДВС при вспышке.
Это вызывает необходимость использования анкерных болтов или шпилек повышенной жесткости, приводит к перегрузке деталей блока или блока-картера в местах заделки шпилек, к деформации посадочных и опорных буртов гильз, головок блока, искажению геометрии рабочей поверхности гильз цилиндра, особенно в легких форсированных дизелях [2]. Отклонения от цилиндричности изготовленной гильзы после монтажа достигают ±20-30 мкм. Деформации гильзы приводят к нецилиндричности и некруглости рабочей поверхности, неполному контактированию рабочей поверхности колец с гильзой, прорыву газов через неплотности в местах завышенного диаметра, прижогам и задирам в местах заниженного диаметра внутренней поверхности гильзы (фиг.1), что приводит к отказам ДВС. Значительные усилия затяжки болтов, создающие "запас стыка" в таких конструкциях ДВС не допускают значительного форсирования двигателя по максимальным давлениям сгорания в цилиндре.
Патентные документы
Наиболее близким решением, поясняющим техническую сущность  заявляемой конструктивной проблемы ДВС, является решение по патенту № 2168045МПК F02F1/00, F04B39/12[3], в котором гильза разгружена. Надежное уплотнение в ДВС, состоящем из блока цилиндров и состыкованной с ним при помощи анкерных болтов, завернутых в блок, головки цилиндров, размещенных в расточках блока гильз цилиндров с "разгруженным" газовым стыком достигается тем, что нагрузка от болтов через головку передается на блок, гильза не участвует в передаче усилий от газового стыка, а поджимается к головке своими болтами с меньшими усилиями, благодаря чему деформации гильзы от затяжки газового стыка уменьшаются. Для этого в нижней части установлена опорная плита, поджимающая гильзу через ее нижний торец при помощи болтов, ввернутых в головку и расположенных в сквозных отверстиях блока цилиндров. Такие конструкции весьма сложны технологически, имеют высокую трудоемкость изготовления, сложны для ремонта при износах цилиндровой группы, так как замена гильзы цилиндров требует полной разборки двигателя, поскольку она крепится болтами к головке блока в узле со стороны коленчатого вала.
В аналоге [4] для обеспечения хорошей приработки ДВС по съемным гильзам без задиров добиваются минимальных допустимых отклонений отверстий гильз от цилиндричности, конусности, овальности в допустимых пределах путем обработки внутреннего диаметра нанесением покрытия осталиванием с последующей расточкой и хонингованием, а также осталиванием и последующей шлифовкой наружных посадочных поверхностей гильз.
Для удержания смазки и улучшения приработки на внутреннюю поверхность гильзы может наноситься покрытие фосфатированием или слой пористого хрома гальваническими методами [1].
В качестве прототипа рассматривается патент № 2156370МПК F02F1/00 [5], в котором для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости, а также приработки на рабочую поверхность гильзы цилиндра наносится насколько слоев при помощи напыления сплава алюминия и бронзы, который может быть сделан более или менее твердым, обеспечиваемый составом порошка и режимом нанесения [5].
Применение изложенного в прототипе сложно, требует нанесения гальванических покрытий, несколько операций механической обработки. Стоимость материалов и технологии высокая. Не рассчитано предлагаемое решение на отклонения формы гильз цилиндров ив минус и в плюс к номинальному размеру.
Ввиду того, что возможны отклонения из-за деформаций блока цилиндров, самой гильзы после монтажа в результате затяжки болтов крепления головки цилиндра и воздействия на нее через газовый стык больших нагрузок, образуются дополнительные напряжения в гильзе цилиндра. Гильза цилиндра доводится при изготовлении или ремонте до удовлетворительных параметров по цилиндричности, овальности, конусности, но форма её искажается после установки в блок цилиндров и затяжки болтов головок цилиндров, отклонения достигают ±0,02-0,03 мм от номинального размера.
Краткое описание чертежей и иных материалов
На долговечность работы ДВС существенно влияет состояние пары кольцо-гильза цилиндра. Например, часто происходят случаи неудовлетворительной приработки по рабочей поверхности гильзы (2) и поршневых колец по двигателям 8Ч12/12 КамАЗ 740 (Фиг.1). Причиной является образование овальности, нецилиндричности, конусности съемной гильзы, которая может появиться в процессе монтажа, например при нарушении порядка затяжки болтов по номерам. Овальность гильзы может быть обусловлена также несимметричным расположением отверстий под болты крепления головки блока. Из схемы (Фиг.2) видно, что отверстия под болты крепления (3) одной головки цилиндров расположены неравномерно по периметру окружности с радиусом R и на некотором расстоянии от газового стыка. При затяжке четырех болтов с одинаковым моментом из-за неравномерности расположения происходит овализация гильз. Большая ось овала находится в секторах А и Б, а меньшая – в секторах В и Г.
Задачей настоящей полезной модели является создание в ДВС условий для приработки рабочей поверхности съемной гильзы цилиндров с неразгруженным газовым стыком, а также условий для работы поршневых колец, при которых, несмотря на образование отклонения формы, после монтажа гильзы цилиндра и затяжки болтов головок цилиндров, поверхность колец и гильзы сопрягаются по всей площади.
Для этого на рабочую поверхность съемной гильзы (4), обработанной по всем поверхностям в окончательный размер, наносится покрытие (5), которое хорошо пристает к рабочей поверхности цилиндра (фиг.3), а при работе за счет съема и переноса поршневыми кольцами создает форму, обеспечивающую полное прилегание всей поверхностью колец к гильзе. Для нанесения покрытия на гильзу цилиндра ДВС в заявляемой полезной модели применялось фрикционное латунирование, которое при меньших трудовых затратах и затрат на материалы обеспечивает хорошие условия приработки и работы с компрессионными кольцами и поршнем без натиров и задиров на протяжении длительной эксплуатации.
Покрытие рабочей поверхности латунированием осуществляется на хонинговальном станке СС6101 следующим образом: съемная гильза (6) (Фиг.4), окончательно обработанная по внутреннему диаметру в размер, устанавливается в приспособление (7) хонинговального станка (8) и производится латунирование поверхности гильзы цилиндра за несколько ходов хонинговальной головки. Хонинговальная головка (9) модернизирована для процесса латунирования установкой вместо хонинговальных брусков 3-х латунных роликов (10) в присутствии специального раствора. Ролики (фиг. 5) смачиваются специальным раствором при рабочих ходах и прижимаются к поверхности усилием разжима хонинговальной головки, благодаря чему на поверхность гильзы (втирается, намазывается) наносится слой латуни (11) толщиной 0,02-0,03 мм. Последующая механическая обработка гильзы не требуется. С таким нанесенным покрытием (11) производится установка съемной гильзы (12) в ДВС (фиг.6), производится монтаж головки цилиндра и затяжка болтов головки. Нанесенный слой латуни хорошо сцепляется с основной поверхностью гильзы, обладает хорошей пластичностью, что приводит при работе поршневых колец к его выдавливанию (соскабливанию) с высоконагруженных мест и перенос в места гильзы с неполным прилеганием колец, заполняя их и наращивая размер, что приводит к увеличению площади контакта рабочей поверхности колец и гильзы, снижению контактных давлений и предотвращению местных задиров, прижогов, схватываний колец и гильзы, что допускает работу с полной нагрузкой ДВС, с равномерным давлением поверхности поршневого кольца на внутреннюю поверхность гильзы без прорыва газов через неполное прилегание сквозь пленку смазочного масла.
Особым преимуществом ДВС с покрытием съемных гильз цилиндров латунированием является то, что наносимый слой не требует завершающей обработки, такой как расточка и хонингование; не требует больших затрат при выполнении и может осуществляться в любых условиях - при сборке новых и при ремонте ДВС.
Позиции на чертеже
Таблица 1
<b>Позиция</b>
<b>Обозначение</b>
1
Рабочая поверхность гильзы цилиндров
2
Участок рабочей поверхности гильзы цилиндра с неудовлетворительной приработкой
3
Места расположения болтов крепления головки цилиндра
4
Обработанная в окончательные размеры гильзы цилиндра
5
Покрытие рабочей поверхности слоем латуни
6
Гильза, установленная для покрытия латунированием
7
Приспособление к хонинговальному станку для установки и фиксации съемной гильзы
8
Хонинговальный станок СС 6101
9
Модернизированная хонинговальная головка
10
Латунные ролики
11
Слой латуни на рабочей поверхности гильзы
12
ДВС в процессе сборки с съемными гильзами цилиндров с нанесенным слоем латуни
Источники информации
1. Автомобили КамАЗ: Техническое обслуживание и ремонт автомобилей КамАЗ / под ред. В.Н. Баруна – 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1988. - 352 с., (стр.15, рис.9).
2.Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова, М.: Машиностроение, 1984. – 384 с.(с. 313 – 314.рис. 232 б, в).
3. Патент № 2168045МПК F02F1/00, F04B39/12(пример).
4. Ремонт автомобиля ЗИЛ-130. Под ред. А.Г. Липкинда, П.И. Гринберга, А.И. Ильина. Изд-во «Транспорт», 1970. 360с. (стр.40-41, 56-61)(аналог).
5. Патент № 2156370МПК F02F1/00 (прототип).