Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания
CYLINDER-PISTON GROUP OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к цилиндропоршневой группе (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных областях промышленности, в том числе в авиационной.
ЦПГ двигателя подвержена высокому давлению горячих газов, термическим нагрузкам, обусловленным градиентом температур в радиальном и осевом направлениях, воздействию сил инерции. Кроме того, неблагоприятные условия смазки части цилиндра приводят к повышенному износу ЦПГ в результате коррозии под действием высокотемпературных продуктов сгорания, причем в большей степени в его верхней части в зоне камеры сгорания. В результате воздействия термических напряжений цилиндр принимает вид усеченного конуса, большее основание которого направлено в сторону камеры сгорания. При этом поршень при работе под влиянием перечисленных неблагоприятных факторов принимает в поперечном сечении форму овала, вытянутого вдоль оси поршневого пальца.
Известна ЦПГ двигателя внутреннего сгорания, содержащая гильзу цилиндра и установленный в ней поршень с термостойкой вставкой, охватывающей головку поршня, отверстием под поршневой палец и компрессионные кольца (Авт. св-во СССР №1209913, кл. F02F 3/00, 1986 г.). Термостойкие вставки обеспечивают определенное повышение износостойкости пары, однако применение в конструкции различных по свойствам материалов приводит к необходимости использования поршневых колец, что является недостатком известного технического решения.
Известна ЦПГ двигателя внутреннего сгорания, содержащая гильзу цилиндра и установленный в ней поршень из алюминиевого сплава с отверстием под поршневой палец, рабочие поверхности которых покрыты многослойным антифрикционным покрытием на основе окиси алюминия (Авт. св-во СССР №1731968, кл. F02F 3/00, 1992 г.). Недостатком известного технического решения является недостаточная прочность антифрикционного покрытия при температурах, превышающих 1000°С.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания, содержащая гильзу цилиндра, выполненную с применением керамических материалов и установленный в ней поршень с отверстием под поршневой палец, ось которого перпендикулярна оси гильзы (Патент ЕР №321159, кл. F02B 77/11, 1989 г.). В известном техническом решении гильза цилиндра выполнена из керамического материала (нитрида или карбида кремния), а поршень выполнен составным, содержащим конструктивные элементы, расположенные на поверхности, обращенной к камере сгорания, и выполненные из керамических материалов, включающих упрочняющие волокна из оксида алюминия, диоксида циркония или углеродные волокна, и содержит поршневые кольца.
Таким образом, недостатком известного технического решения является сложность конструкции и недостаточная надежность, обусловленная необходимостью применения поршневых колец, уплотняющих зазор между поверхностями поршня и зеркала гильзы цилиндра.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении конструкции цилиндропоршневой группы при одновременном повышении ее надежности.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в обеспечении постоянного теплового зазора между зеркалом гильзы цилиндра и боковой поверхностью поршня, что позволяет исключить необходимость использования поршневых колец.
Результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания содержит гильзу цилиндра, выполненную с применением керамических материалов, и установленный в ней поршень с отверстием под поршневой палец, ось которого перпендикулярна оси гильзы. Согласно изобретению гильза и поршень выполнены из металлокерамоматричного композиционного материала на основе наноструктурного дисперсноупрочненного реакционноспеченного карбида кремния, гильза имеет градиентную структуру с уменьшением содержания карбида кремния по длине гильзы, причем со стороны камеры сгорания от торца гильзы цилиндра на участке, длина которого составляет около 0,4 высоты гильзы, содержание компонентов составляет, мас.%:
карбид кремния (SiC)
75-93
нитрид кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
6,5-20
углерод
0,5-5,
на оставшемся участке до торца гильзы цилиндра, противоположного камере сгорания, содержание компонентов составляет, мас.%:
карбид кремния (SiC)
47-75
нитрид кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
20-43
углерод
5-10,
поршень армирован не менее чем четырьмя бескерновыми волокнами карбида кремния (SiC), толщина которых составляет 88-95 мкм, расположенными равномерно по окружности и параллельно оси отверстия под поршневой палец на расстоянии (1,3-1,7) диаметра отверстия от оси последнего, а содержание компонентов составляет, мас.%:
карбид кремния (SiC)
80-93
кремний (Si)
18-6,5
углерод
2-0,5
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы, поскольку:
- выполнение гильзы и поршня из металлокерамоматричного композиционного материала на основе наноструктурного дисперсноупрочненного реакционноспеченного карбида кремния, причем гильзы, имеющей градиентную структуру, с уменьшением содержания карбида кремния по ее длине со стороны камеры сгорания от торца на участке, длина которого составляет около 0,4 высоты гильзы, с содержанием компонентов, составляющем, мас.%:
карбид кремния (SiC)
75-93
нитрид кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
6,5-20
углерод
0,5-5,
с содержанием компонентов на оставшемся участке до торца, противоположного камере сгорания, мас.%:
карбид кремния (SiC)
47-75
нитрид кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
20-43
углерод
5-10,
и поршня с содержанием компонентов, составляющим, мас.%:
карбид кремния (SiC)
80-93
кремний (Si)
18-6,5
углерод
2-0,5
повышает износостойкость и обеспечивает постоянство теплового зазора между гильзой и цилиндром, что позволяет упростить конструкцию за счет исключения из конструкции поршневых колец;
- армирование поршня не менее чем четырьмя бескерновыми волокнами карбида кремния (SiC), толщина которых составляет 88-95 мкм, расположенными равномерно по окружности и параллельно оси отверстия под поршневой палец на расстоянии (1,3-1,7) диаметра отверстия от оси последнего, обеспечивает надежность пары за счет исключения возможности деформации поршня и гильзы в рабочем процессе.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на чертежах, где:
- на фиг. 1 изображена схема предложенной цилиндропоршневой группы;
- на фиг. 2 изображена диаграмма распределения компонентов по высоте гильзы;
- на фиг. 3 изображен полученный в результате экспериментальных исследований график зависимости степени износа от высоты гильзы;
- на фиг. 4 показан опытный образец гильзы с системой охлаждения, полученный методом реакционного спекания;
- на фиг. 5 показан опытный образец поршня, полученный методом реакционного спекания.
Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания выполнена следующим образом. В гильзе 1 цилиндра установлен поршень 2 с отверстием 3, предназначенным для размещения поршневого пальца (не показан). Гильза 1 и поршень 2 выполнены из металлокерамоматричного композиционного материала на основе наноструктурного дисперсноупрочненного реакционноспеченного карбида кремния. При этом гильза имеет градиентную структуру с уменьшением содержания карбида кремния по длине цилиндра, а именно со стороны камеры сгорания от торца гильзы на участке, длина которого составляет около 0,4 ее высоты, содержание компонентов составляет, мас.%:
карбид кремния (SiC)
75-93
нитрид кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
6,5-20
углерод
0,5-5,
На оставшемся до торца участке, противоположного камере сгорания, содержание компонентов составляет, мас.%:
карбид кремния (SiC)
47-75
нитрид кремния (Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)
20-43
углерод
5-10
Градиентная структура гильзы обеспечивается следующей технологией изготовления:
1. Для получения металлокерамоматричного композиционного материала на основе наноструктурного дисперсноупрочненного реакционноспеченного карбида кремния используют следующие исходные вещества, мас.%:
углерод
20
кремний
25
бор
1
алюминий
0,5
остальное
карбид кремния (SiC)
3
3.
2. Методом холодного прессования в закрытом объеме (матрице) изготавливается заготовка гильзы градиентной плотности. В процессе прессования сила трения уменьшает усилие прессования по величине и у верхнего торца исходной заготовки плотность составляет 3,1 г/см, а у нижнего - 2,4 г/см
3. Для проведения химической реакции реакционного спекания материалов используются следующие газы:
азот - 1 часть;
метан - 1 часть;
метилсилоксан - 3 части.
3. Проводится насыщение заготовки гильзы метаном с целью образования углеродного скелета.
4. Проводится получение вторичного карбида кремния (SiC) насыщением кремния свободным углеродом в процессе силицирования в среде диметилсилоксана.
5. В среде азота производится преобразование свободного кремния в пористый нитрид кремния, который образуется в нижней части заготовки, имеющей более низкую плотность.
6. В результате повышается прочность и износостойкость гильзы, поскольку величина плотности карбида кремния у верхнего торца гильзы больше на 70-72% величины плотности карбида кремния у нижнего торца гильзы, а величина микротвердости карбида кремния на 50-60% больше величины микротвердости нитрида кремния.
Для изготовления поршня 2 используют те же исходные вещества, мас.%, что и при изготовлении гильзы. При этом в процессе подготовки материала поршня 2 к спеканию последний предварительно армируют не менее чем четырьмя бескерновыми волокнами 4 карбида кремния (SiC), толщина которых составляет 88-95 мкм, которые располагают равномерно по окружности и параллельно оси отверстия под поршневой палец на расстоянии (1,3-1,7) диаметра отверстия от оси последнего и параллельно оси отверстия 3 под поршневой палец. Данное расстояние определяется исходя из условия обеспечения прочности поршня в процессе эксплуатации. Изменением технологических параметров процесса в результате химической реакции содержание компонентов в материале поршня 2 после его изготовления составляет, мас.%:
карбид кремния (SiC)
80-93
кремний(Si)
18-6,5
углерод
2-0,5
В таблице приведены характеристики металлокерамоматричного материала в зависимости от процентного содержания карбида кремния (SiC).
Поскольку гильза 1 и поршень 2 имеют равные величины коэффициента линейного расширения, зазор между ними гарантированно сохраняется в процессе работы ЦПГ. Кроме того, реакционно-спеченный карбид кремния характеризуется низкими значениями коэффициента трения, а наличие в его структуре определенной пористости, способствующей удержанию смазки в зазоре между гильзой и поршнем, исключает возможность заклинивания в процессе работы при температурах, превышающих 1000°С. При этом армирование поршня бескерновыми волокнами карбида кремния, расположенными равномерно по окружности и вдоль оси отверстия под поршневой палец, исключает возможность деформации поршня.
Таким образом, выполнение гильзы, имеющей градиентную структуру, с уменьшением содержания карбида кремния по ее длине и поршня, армированного бескерновыми волокнами карбида кремния (SiC), обеспечивает постоянный тепловой зазор между гильзой цилиндра и поршнем и исключает деформации гильзы и поршня в рабочем процессе, что позволяет решить поставленную задачу упрощения конструкции цилиндропоршневой группы за счет исключения поршневых уплотнений при одновременном повышении надежности пары.