ПОРШЕНЬ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям поршней и может быть использована в составе дизельных двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршни для двигателей внутреннего сгорания, содержащие головку с жаровым поясом и канавками под компрессионные и маслосъемное кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью (см. патент RU 2007602, опубликованный 15.02.1994).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является поршень для двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с камерой сгорания в днище и канавки под компрессионные и маслосъемное кольца, юбку с бобышками, имеющими внутреннюю полость над отверстием для поршневого пальца, выполненным с канавками под стопорные кольца и отверстия для слива масла (см. патент на ПМ RU 104246, опубликованный 10.05.2011).
Недостатком известных технических решений является то, что несмотря на попытки оптимизировать профиль рабочей поверхности поршня путем задания ее геометрических параметров, не удается в достаточной мере оптимизировать расход топлива и масла в двигателе, а также шумность и токсичность двигателя. Также не раскрыты в полном объеме способы создания профилей поршня, что затрудняет промышленное изготовление поршней дизельного двигателя внутреннего сгорания.
Также известна конструкция поршня для применения в двигателях внутреннего сгорания, имеющего юбку поршня, включающую в себя стенки юбки и коробчатые стенки, стенки юбки и коробчатые стенки ограничивают выемку; по меньшей мере одна стенка юбки предусмотрена для использования на стороне давления поршня в смонтированном состоянии, в области этой стенки юбки выемка ограничена, по существу, в форме параболы, эллиптического участка или катеноиды, причем эта парабола, этот эллиптический участок или эта катеноида лежат в плоскости, которая, по существу, параллельна днищу поршня (см. патент RU 2575502, МПК F02F 3/02, опубликованный 20.02.2016 г.).
Недостатком данного решения является то, что предлагаемая конструкция больше подходит для слабонагруженных, преимущественно бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Задачей заявляемой полезной модели состоит в оптимизации расхода топлива и масла двигателя, а также в снижении шумности и токсичности дизельного двигателя внутреннего сгорания, не теряя при этом прочностных характеристик поршня.
Предлагаемый вариант поршня для дизельного двигателя внутреннего сгорания может быть изготовлен на существующем оборудовании по известной технологии. Других решений аналогичного назначения с совокупностью подобных существенных признаков при проведении поиска по научно-технической литературе и патентной документации заявителем не обнаружено. Поэтому заявитель считает, что предложение по данной заявке соответствует критериям охраноспособности полезной модели «новизна» и «промышленная применимость».
Решение поставленной задачи достигнуто путем изготовления поршня дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащего головку с жаровым поясом и канавки под компрессионные и маслосъемное кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, отличающегося тем, что для построения геометрии бочкообразного профиля юбки поршня используется, по меньшей мере, несколько точек, соединенных между собой кривой Безье, а в сечении, параллельном оси отверстий под поршневой палец, имеет термокомпенсационные выемки.
Поршень, отличающийся тем, что количество точек для построения профиля бочки юбки поршня не менее девяти.
Поршень, отличающийся тем, что как минимум две точки находятся ниже максимально удаленной от центра поршня точки.
Поршень, отличающийся тем, что существует зависимость между отклонением Δ точки от максимально удаленной точки и высотой НΔ, на которой расположена точка и соответствует значениям, указанным в таблице 1.
Поршень, отличающийся тем, что наружная поверхность юбки, в плоскости, перпендикулярной оси отверстий под поршневой палец имеет несколько выемок с обеих сторон юбки и по обе стороны от отверстий под поршневой палец, а также занижением овала юбки в районе отверстий под поршневой палец.
На чертеже (фиг. 1) показан поршень, у которого юбка выполнена согласно техническому решению.
Поршень, содержащий головку 2 с жаровым поясом 1 и канавками 3 под компрессионные и маслосъемное кольца, юбку 4 с профилированной овально-бочкообразной поверхностью 5. Радиальные отклонения Δ выполняются, начиная кромкой 6 верхней части юбки поршня и заканчивая кромкой 7 нижней части юбки поршня, при этом возможные фаски по кромкам 6 и 7 не берутся в расчет.
Радиальные отклонения Δ в точках на высотах НΔ рассчитываются соотношением, указанным в таблице 1 к номинальному диаметру поршня и зависят от коэффициента температурного расширения материала, из которого выполнен поршень.
Высоты расположения точек НΔ с отклонением Δ относительно номинального диаметра, рассчитываются соотношением, указанным в таблице 1, так же к номинальному диаметру поршня.
Точки, полученные путем расчета, соединяются между собой кривой Безье 8.
Как видно из таблицы 1, номинальный диаметр поршня находится на точке 7 и имеет соотношение 0,7-0,75 от номинального диаметра. Величина номинального диаметра определяется исходя из внутреннего диаметра используемой гильзы цилиндра, с учетом необходимого зазора.
В совокупности с вышеописанным построением профиля юбки поршня в плоскости, перпендикулярной оси отверстий под поршневой палец, следует выполнить также и профиль юбки поршня в плоскости, параллельной оси отверстий под поршневой палец по нескольким возможным вариантам.
На фиг. 2 и 3 видно, что наружная поверхность юбки в плоскости, перпендикулярной оси отверстий под поршневой палец, имеет несколько выемок с обеих сторон юбки и по обе стороны от отверстий под поршневой палец, а также занижение овала юбки в районе отверстий под поршневой палец. Данный вариант больше подходит для поршней, используемых в двигателях мощностью более 250 л.с. Выборки выполнены таким образом, что их края ограничиваются теоретической плоскостью, проходящей по всему контуру бобышек, находящихся во внутренней полости юбки поршня. Из этого следует, что угол наклона ϕ сторон выборок практически соответствует углам наклона сторон бобышек. Но выборки не соединяются с канавкой под маслосъемное кольцо, а также не соединяются с отверстиями под поршневой палец. Внутренние границы выборок огибают отверстия под поршневой палец пропорциональным диаметром, величина которого зависит от нагруженности поршня. Внешние и внутренние границы выборок сопряжены радиусами, обеспечивающими плавность переходов одной границы в другую. Глубина выборок Δ1 переменная по всей длине и выбирается таким образом, чтоб толщина тела поршня в любом сечении, параллельном теоретической поверхности бобышки, проходящем через среднюю точку между внешней и внутренней границы выборок, была приблизительно одинакова, но не обязательно, с толщиной юбки в сечении на той же высоте. Для обеспечения компенсации температурного расширения юбки в районе отверстий под палец, с помощью механической обработки, выполняется занижение овала на величину X из соотношения от 0,8 до 0,98 к номинальному внутреннему диаметру гильзы. Границы перехода овала занижения в основной овал юбки поршня, по крайней мере, совпадает с внешними границами выборок, либо находится между внутренними и внешними границами выборок. Для уменьшения поверхностного напряжения переходов поверхности выборки к наружной поверхности юбки поршня, предпочтительно делать данный переход радиусным сопряжением R. Поверхности выборок допускается выполнять при литье заготовок, что в свою очередь уменьшает затраты на механическую обработку поршня.
Во время работы дизельного двигателя внутреннего сгорания, при возвратно-поступательном движении поршня, в цилиндре происходят сложные гидравлические и тепловые процессы между цилиндром и рабочей поверхностью поршня, приводящие к деформации юбки поршня.
Выполнение профиля юбки поршня с геометрическими параметрами, описанными выше, позволяет учесть температурные расширения тела поршня в разных сечениях, при этом контакт юбки поршня с зеркалом гильзы цилиндра равномерный, что в свою очередь ведет к оптимизации расхода топлива и масла двигателя, а также снижению шумности и токсичности дизельного двигателя внутреннего сгорания.
Заявителем были изготовлены и испытаны опытные образцы предлагаемых вариантов поршня для дизельного двигателя внутреннего сгорания КАМАЗ 740.74-420 с диаметром поршня, находящегося в пределах от 119,88 до 119,90 мм. В ходе испытаний данных опытных образцов были достигнуты следующие показатели: снижение расхода топлива на 0,5%, снижение расхода масла на угар на 0,04%, снижение шумности на 1,5%, снижение токсичности на 1%.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами:
фиг. 1 - профиль наружной поверхности поршня в сечении, перпендикулярном оси отверстий под поршневой палец;
фиг. 2 - поршень для дизельного двигателя внутреннего сгорания, вид сбоку;
фиг. 3 - разрез А-А фиг. 2