ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована при проектировании и изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания.
Известна конструкция поршня для двигателей внутреннего сгорания, часть юбки которого имеет слегка овальную, а не цилиндрическую форму и размер овальной части изменяется вдоль юбки, образуя контактные поверхности со специфическим профилем, соприкасающиеся со стенками цилиндра (см. патент Великобритании 2166217 А от 30.04.1986 г., кл. F 16 J 1/00).
Также известна конструкция поршня, который имеет юбку, бочкообразную в направлении оси поршня и имеющую овальное сечение, причем юбка поршня в плоскости, проходящей через ось пальца и продольную ось поршня, расположенной на стороне отсутствия давления поршня на стенку цилиндра (CDS-область), имеет большую овальность, чем в области, расположенной на стороне давления на стенку цилиндра (DS-область) (см. патент Германии 3843761 А1 от 24.12.1988 г., кл. F 16 J 1/00).
Недостатком вышеуказанных конструкций является малая точность конструктивного исполнения кривой вертикального профиля, вследствие определения ее опытным, а не расчетным путем, что требует проведения большого количества экспериментов, не гарантирующих от получения кривой с участками излома, которые ведут к нарушению масляного клина в паре трения: «поршень - цилиндр».
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является конструкция поршня для двигателя внутреннего сгорания, состоящая из головки с канавками под поршневые кольца и юбки с отверстием для поршневого пальца, причем рабочие поверхности, соприкасающиеся со стенками отверстия цилиндра, находятся в пределах созданной поверхности, расположенной ассиметрично
относительно оси цилиндра двигателя вмещающего поршень без вредного пространства в продольном направлении поршня и/или в направлении вдоль окружности (см. патент США 4,716,817 от 5.01.1988 г., кл. F 16 J 1/00).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, является недостаточное соответствие профиля юбки поршня характеру ее теплового расширения и вследствие этого необходимость завышенных тепловых зазоров между юбкой поршня и цилиндром, ведущих к увеличению длины юбки и соответственно габаритов и массы поршня.
Сущность полезной модели - выполнение формы профиля поверхности поршня, находящегося под поршневыми кольцами, с учетом действующих на поршень сил и моментов математическими методами, обеспечивающими благоприятные режимы жидкостного трения и теплового состояния поршня.
Технический результат - повышение надежности и долговечности поршня, уменьшение прорыва газов в картер, уменьшение расхода масла на угар, снижение массы поршня.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в поршне двигателя внутреннего сгорания, содержащем головку с канавками под поршневые кольца и юбку с отверстием под поршневой палец особенностью является то, что вертикальный профиль юбки выполнен в виде симметричной бочкообразной фигуры, несущие поверхности которой ограничены базовыми точками А, В, С, Е, а кривые, проходящие через них определяются в декартовой системе координат XOZ
1
2
1
2
1
2
1
2
параболической зависимостью по формулам  соответственно для верхней и нижней части профиля, где k, k, m, mявляются безразмерными коэффициентами, находящимися в диапазонах k, k=0,000001...0,5; m, m=1,3...6,0 и определяемыми аналитически по формулам:
кроме того, величина смещения а плоскости максимального диаметра относительно оси поршневого пальца вверх или вниз в зависимости от
максимального диаметра юбки поршня D, определяется соотношением a=f·D, где f=0,08...0,22.
На чертеже представлено: на фиг.1 изображен поршень двигателя
внутреннего сгорания с вертикальной образующей профиля, расположенной перпендикулярно оси поршневого пальца в плоскости качания шатуна. На фиг.2 изображена вертикальная образующая профиля, состоящая из верхней и нижней частей.
Поршень ДВС содержит: отверстие под поршневой палец 1; головку поршня с канавками под поршневые кольца 2; направляющую юбку 3 бочкообразной формы, состоящую из верхней части 4 и нижней части 5, имеющей максимальный диаметр D, который смещен относительно оси поршневого пальца на расстояние а. На образующей вертикального профиля, приведенной к координатным осям XOZ расположены базовые точки А, В, С, Е. OX - горизонтальная ось, совпадающая с плоскостью максимального диаметра юбки поршня; OZ - вертикальная ось, параллельная оси поршня и совпадающая с цилиндрической образующей; А - точка максимального отклонения верхней части профиля, расположенная под нижним поршневым кольцом; В - точка максимального отклонения нижней части профиля, расположенная у нижнего среза юбки; С, Е - промежуточные точки, принадлежащие образующим верхнего и нижнего профилей юбки соответственно; О - точка перегиба образующей вертикального профиля совпадает с точкой пересечения плоскости максимального диаметра и цилиндрической образующей и определяется в зависимости от габаритных размеров поршня и характера распределения массы вдоль вертикальной оси поршня.
Работа поршня осуществляется следующим образом: поршень при движении в цилиндре от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и обратно под действием боковых сил прижимается то к одной, то к другой стороне цилиндра с возникновением опрокидывающих моментов в мертвых точках. При этом возникает зона повышенного давления масла (масляный
клин): со стороны верхней части юбки 4 при движении поршня вверх и со стороны нижней части юбки 5 при движении поршня вниз, обеспечивая всплытие юбки поршня на слое смазки. Профиль юбки спроектирован из условия минимизации уровня стука при перекладке поршня в мертвых точках, из условия гарантированного сохранения жидкостного трения и с учетом температурного расширения поршня при работе двигателя на максимальных режимах. Толщина масляного клина минимизирована с целью снижения расхода масла на угар и потерь на трение.
Профиль юбки, спроектированный по указанному способу, обеспечивает улучшение мощностных показателей двигателя вследствие уменьшения прорывов газов в картер, высокую степень надежности и долговечности поршня вследствие снижения механических потерь на трение, уменьшение опасности задира трущихся поверхностей поршня и гильзы цилиндров, снижение расхода масла на угар.