ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания, используемых для установки в тронковом кривошипно-шатунном механизме блока двигателя, в частности при ремонте блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.
Как известно, поршень для двигателя внутреннего сгорания относится к числу наиболее ответственных и напряженных деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя. Особой популярностью, в нашей стране, по-прежнему, пользуются автомобили семейства ВАЗ, выпускаемые АВТОВАЗом (Россия), в частности автомобили с блоком двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105, в которых используют поршень ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105. Это обусловлено низкой ценой, простотой ремонта и неприхотливостью в эксплуатации автомобилей данного семейства. Кроме того, в двигателях ВАЗ 2103, ВАЗ 2106 и их впрысковых модификациях ВАЗ 2104-20 и ВАЗ 21067-10 также до сих пор используются классические конструкции поршней ВАЗ 2101 и ВАЗ 2105.
Основные функции поршня двигателя внутреннего сгорания следующие: восприятие усилия от давления газов и передача через шатун на коленчатый вал двигателя. Коленчатый вал относится к числу наиболее ответственных и дорогостоящих деталей двигателя. Стоимость изготовления вала часто достигает 25-30% стоимости изготовления всего двигателя.
Следует отметить, что в последнее время АВТОВАЗ сократил производство коленчатых валов блоков ВАЗ 2101. В связи с этим встала проблема ремонта блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.
Для решения этой проблемы используют коленчатый вал блока двигателя ВАЗ 2103 в сочетании с поршнем блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105 и шатуном блока двигателя ВАЗ 2101. При этом учитывают, что ход поршня в блоке двигателя ВАЗ 2103 и ВАЗ 2101 различный, то для обеспечения нормальной работы двигателя шатун блока двигателя ВАЗ 2101 механическим путем доводят до совместимых размеров с блоком двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105. Это создает определенные трудности при ремонте двигателя. Более
целесообразным является применение конструкции поршня, позволяющей совмещать без дополнительной доработки поршень с шатуном и коленчатым валом ВАЗ 2103, который в настоящее время является альтернативным решением при ремонте блоков двигателей ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поршень двигателя внутреннего сгорания [1], имеющий в основном цилиндрическую форму и включающий плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющие бобышки с днищем и боковыми стенками поршня. При этом отверстия для отвода масла в канавке выполнены одного размера и прямоугольноподобной формы и расположены в основном равномерно по всей окружности канавки. Стальные термовставки на внутренней стороне направляющей юбки выполнены прямоугольной формы, при этом над внешними краями термовставок расположены отверстия для отвода масла, что снижает жесткость боковой поверхности юбки и прочность поршня в целом. Ребра жесткости бобышек со стороны днища поршня выполнены в виде ножек, что также снижает жесткость поршня. Кроме того, внутренняя поверхность днища выполнена вогнутой и для упрочнения снабжена ребром жесткости, расположенным вдоль направляющей поршневого пальца. Отверстие для поршневого пальца выполнено с фаской. Боковая поверхность юбки поршня имеет холодильники для подвода масла к поршневому пальцу, которые выполнены в виде прямоугольноподобных выемок, расположенных возле отверстия для поршневого пальца под маслосъемной канавкой. При этом холодильники снабжены небольшими сквозными отверстиями, сообщающимися с внутренней поверхностью отверстия для поршневого пальца.
Недостатком данного поршня является то, что при работе двигателя после ремонта блока ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105 происходит биение днища поршня об головку цилиндра, что обусловлено высотой поршня. Это снижает надежность и срок службы поршня, кроме того, может привести к поломке всего двигателя.
Кроме того, для устранения этого недостатка шатун механическим путем доводят до совместимых размеров с блоком двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105, что увеличивает затраты на ремонт двигателя.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования поршня путем изменения конструкции головки, днища и юбки поршня, что позволяет расширить применение поршня и обеспечить проведение ремонтных работ различных блоков двигателя при снижении стоимости и упрощении его проведения.
Поставленная задача решается тем, что в известном поршне двигателя внутреннего сгорания, который имеет в основном цилиндрическую форму, включает плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющие бобышки с днищем и боковыми стенками поршня, при этом, согласно полезной модели, на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, по крайней мере, две канавки, при этом соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до днища поршня и высоты поршня составляет 1:(2,15-2,30), а соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до края нижней канавки и высоты поршня составляет 1:(5-6), а днище с наружной стороны поршня снабжено форкамерой.
Целесообразно, когда форкамера выполнена в виде круга.
Кроме того, форкамера может быть выполнена в виде круга с двумя выемками под клапана.
Предпочтительно, когда внутренняя поверхность днища выполнена плоской и без ребер жесткости.
Кроме того, ребра жесткости бобышки выполнены сплошными.
Предпочтительно, когда термовставка в верхней части, обращенной к днищу поршня, выполнена со скосами.
Кроме того, отверстия для отвода масла, расположенные в нижней канавке, выполнены разной формы и диаметра.
Целесообразно, когда на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца выполнена канавка, расположенная по окружности.
Такие геометрические параметры поршня как соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до днища поршня и высоты поршня и соотношение расстояния от оси отверстия для поршневого пальца до края нижней канавки и высоты поршня определены экспериментальным путем и являются оптимальными.
Выполнение поршня с такими геометрическими параметрами обеспечивает возможность установки поршня на блок двигателя ВАЗ 2101 и ВАЗ 21011 с коленвалом ВАЗ 2103 и исключает биение днища поршня об головку цилиндра двигателя, что повышает срок службы и надежность поршня и не требует дополнительной доводки шатуна. Кроме того, это обеспечивает проведение ремонта блока двигателя с минимальными затратами.
Днище поршня является наиболее нагруженной частью, оно воспринимает давление газов и высокотемпературные нагрузки со стороны камеры сгорания. Эта часть поршня делается наиболее прочной. Выполнение внутренней поверхности днища поршня плоским обеспечивает достаточную прочность днища поршня без дополнительного упрочнения, поэтому в конструкции днища отсутствуют ребра жесткости. Кроме того, отсутствие ребер жесткости снижает концентрацию напряжений в днище поршня. Кроме того, такое конструктивное выполнение днища поршня позволяет выдерживать высокие температурные нагрузки, что повышает срок службы и надежность поршня.
Наличие форкамеры в днище поршня позволяет сохранить степень сжатия, рекомендуемую заводом-изготовителем двигателей, при сохранении эксплуатационных характеристик и ресурса двигателя в целом.
При этом выполнение форкамеры в виде круга позволяет устанавливать поршень на блок двигателя ВАЗ 2101, а выполнение форкамеры в виде круга с двумя выемками под клапана позволяет устанавливать поршень на блок двигателя ВАЗ 2105 и ВАЗ 21011.
Канавки, расположенные на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей, предназначены для
подвода масла и предотвращают перегрев поршневого пальца, что обеспечивает нормальное скольжение пальца в отверстии поршня и предотвращает заклинивание пальца.
Канавка, расположенная по окружности внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца, позволяет установить стопорные кольца при использовании поршневого пальца 2108, что расширяет возможности применения поршня.
Выполнение ребер жесткости бобышки сплошными способствует увеличению прочности поршня.
Выполнение термовставки в верхней части, обращенной к днищу поршня, со скосами обеспечивает оптимальное тепловое расширение при работе поршня.
Суть полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид спереди поршня двигателя внутреннего сгорания, на вид фиг.2 - вид спереди в разрезе, на фиг.3 - вид сбоку в разрезе, на фиг.4 и на фиг.5 - вид сверху поршня.
Поршень двигателя внутреннего сгорания имеет в основном цилиндрическую форму и состоит из плоского днища 1 округлой формы, при этом внутренняя поверхность днища выполнена плоской и без ребер жесткости, головки поршня 2, снабженной круговыми канавками 3 для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия 4 для отвода масла, выполненные разной формы и диаметра, сквозного отверстия 5 под поршневой палец, расположенного на направляющей юбке 6 поршня, холодильников 7 с выемками 8 для охлаждения поршня, расположенных на наружной поверхности направляющей юбки 6 в основном под отверстием для поршневого пальца. На внутренней стороне направляющей юбки 6 расположены две стальные термовставки 9, выполненные в верхней части, обращенной к днищу поршня, со скосами, и бобышек 10 с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости 11, соединяющие бобышки с днищем 1 и боковыми стенками поршня. Ребра жесткости 11 выполнены сплошными. На внутренней поверхности отверстия 5 для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, две канавки 12. Днище поршня 1 снабжено форкамерой 13, которая может иметь либо форму круга (Фиг.4), либо форму круга с выемками под клапана (Фиг.5). Канавка 14 расположена по окружности
внутренней поверхности отверстия 5 для поршневого пальца, и позволяет устанавливать стопорные кольца поршневого пальца.
Поршень работает таким образом.
При пуске двигателя образовавшееся давление от сгоревших газов во время рабочего хода поршня давит на днище 1 и опускает поршень вниз к нижней мертвой точке. Происходит такт впуска. При движении поршня вверх в верхнюю мертвую точку возникает небольшое давление газа. При этом поступательное движение поршня преобразуется (через шатун) во вращательное движение коленчатого вала. Во время рабочего цикла масло через отверстия 4 заполняет канавку 3 для отвода масла, расположенную в нижней части головки 2 поршня и обеспечивает покрытие масляной пленкой внешней поверхности юбки 6, предотвращая сухое трение и перегрев поршня.
При ремонте блока двигателя ВАЗ 2101 берут коленчатый вал ВАЗ 2103, который является альтернативным решением при отсутствии в настоящее время выпуска коленчатых валов блоков двигателя ВАЗ 2101, и устанавливают поршень, имеющий форкамеру в виде круга. При этом геометрические параметры поршня совместимы с геометрическими параметрами шатуна и коленчатого вала. Во время работы поршня исключено биение днища поршня об головку цилиндра двигателя, что повышает срок службы и надежность поршня и не требует дополнительной доводки шатуна. Ремонт производится быстро и не требует больших затрат.
При ремонте блока двигателя ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105 берут коленчатый вал ВАЗ 2103, который является альтернативным решением при отсутствии в настоящее время выпуска коленчатых валов, устанавливаемых на блок двигателя ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105, и устанавливают поршень, имеющий форкамеру в виде круга с двумя выемками под клапана. При этом геометрические параметры поршня совместимы с геометрическими параметрами шатуна и коленчатого вала. Во время работы поршня исключено биение днища поршня об головку цилиндра двигателя, что повышает срок службы и надежность поршня и не требует дополнительной доводки шатуна. Ремонт производится быстро и не требует больших затрат.
Таким образом, предложенная конструкция поршня имеет высокую надежность и срок службы и позволяет в сочетании с коленчатым валом ВАЗ 2103
обеспечить быстрый и сравнительно недорогой ремонт и тем самым решить проблему ремонта блока двигателя ВАЗ 2101, ВАЗ 21011 и ВАЗ 2105.
Возможность осуществления данной полезной модели подтверждается разработкой новых конструкций поршней, которая была осуществлена в соответствии с заявленным техническим решением на ООО «ТРТ» (г.Харьков). В настоящий момент налажено производство указанных поршней.
Источники информации
1. Поршни ВАЗ. Выбор поршней на классику. http://www/ftdmk.ru/por_text/; найдено в Интернет 30.05.2006.