ПОРШЕНЬ ФОРСИРОВАННОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
AUGMENTED DIESEL PISTON

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкциям стальных сварных охлаждаемых поршней кривошипно-шатунных механизмов дизельных двигателей. Изобретение может использоваться при проектировании, изготовлении и эксплуатации дизельных двигателей, применяемых в качестве приводных установок для машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях, таких как карьерные самосвалы, автомобили высокой проходимости, дорожно-строительные машины и механизмы, бронированная техника.
Разработка и применение стальных сварных охлаждаемых поршней является ответными решениями по отношению к устойчиво проявляющейся на практике тенденции возрастания максимального давления сгорания топливовоздушной смеси в форсированных дизелях. В связи с этим становится актуальной проблема повышения срока службы поршней.
Стальной поршень по сравнению, например, с алюминиевым поршнем имеет ряд преимуществ.
Одно из них связано с малым отличием значений коэффициентов линейного расширения чугунного цилиндра и стального поршня. При близких значениях этих коэффициентов реализуется практически значимое уменьшение зазоров в сопряжении «поршень-цилиндр», что является необходимым условием достижения высоких экологических показателей по расходу масла на угар, вредным выбросам, вибрации, стойкости в отношении кавитации. Важно также снижение потерь на трение в сопряжении с цилиндром.
Очевидно, что рассматриваемые высокие значения давлений в цилиндре сопровождаются соответствующими высокими значениями тепловой напряженности цилиндра в целом и его поршня. Из теоретического анализа и практики следует, что в таких условиях не гарантируется достижение приемлемого теплового состояния элементов поршня при традиционном выполнении галерейного масляного охлаждения, когда полость охлаждения примыкает к зоне расположения колец, а центральная область днища организованного охлаждения не имеет. При характерных для применяемых сталей значениях коэффициентов теплопроводности температура в центре днища и на кромках камеры сгорания достигает значений, при которых становится необходимым реализовать дополнительные решения по ее снижению. С увеличением диаметра цилиндра проблема охлаждения днища стального поршня усугубляется. Тем самым ограничивается распространение такого поршня и по диаметру цилиндра и по его тепловой напряженности.
Известен стальной сварной охлаждаемый поршень для двигателя внутреннего сгорания по патенту US 7005620 B2. Известный поршень содержит верхние и нижние фрагменты, имеющие сопрягаемые поверхности, которые соединены друг с другом посредством сварного соединения, образованного методом индукционной сварки. Сваренные стенки верхнего и нижнего фрагментов образуют кольцевую полость, являющуюся емкостью для масла, охлаждающего зону головки поршня, в которой расположены поршневые кольца, и частично зону дна поршня, примыкающую к кольцевой полости.
Недостатком известного технического решения является отсутствие активного масляного охлаждения центральной, наиболее нагруженной части днища поршня, что ограничивает область применения известного поршня в двигателях, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.
Известен стальной сварной охлаждаемый поршень по патенту DE 19846152 (A1), принятый в качестве прототипа.
Фронтальный вид поршня с частичным разрезом представлен на фигуре 1. Поршень состоит из двух стальных сваренных между собой нижнего и верхнего фрагментов, образующих периферийную и центральную полости охлаждения головки поршня, сообщенные каналами, расположенными перпендикулярно продольной оси симметрии поршня.
Поток охлаждающего масла в полостях охлаждения известного поршня организован в соответствии с традиционными представлениями [2]. Из напорной магистрали масло струей по каналу K направляется в периферийную полость охлаждения и частично заполняет ее, как это схематично представлено на фигуре 2, в момент нахождения поршня вблизи нижней мертвой точки (HTM). При последующем движении поршня к верхней мертвой точке (BMT) масло под действием инерционной нагрузки (фиг.3) перемещается в верхнюю часть полости. При таком перемещении (взбалтывании) осуществляется омывание нагретых поверхностей и их охлаждение. При очередном изменении направления действия сил инерции доставленная в верхнюю часть полости порция масла будет возвращена в положение по фигуре 2, соответствующее нахождению поршня вблизи НМТ. При таком положении поршня находящаяся в полости охлаждения порция масла нагружается давлением со стороны струи напорной магистрали и динамическим давлением, образующимся вследствие перемещения порции вместе с поршнем. Под действием результирующего давления задействованная в процессе порция масла частично удаляется по каналам 5 из периферийной полости в центральную, в которой осуществляется аналогичный процесс охлаждения центральной части днища поршня.
Таким образом, за отрезок времени, соответствующий одному обороту коленчатого вала, в системе охлаждения поршня совершается полный цикл изменения состояния периферийной полости, включая ее частичное заполнение, омывание и охлаждение наиболее нагретой верхней части поверхности галереи, возвращение масла в состояние частичного заполнения, передачу его в центральную полость, охлаждение центральной части днища, возвращение масла в картер.
В описании известного поршня не упоминаются технические решения, кроме каналов, расположенных перпендикулярно продольной оси симметрии поршня, влияющие на усиление теплообмена в центральной, наиболее нагруженной части днища поршня, и на повышение интенсивности охлаждения головок поршней при форсировании, например, в условиях максимального давления сгорания топлива до 20 МПа и выше.
Обеспечение работоспособности поршней форсированных дизельных двигателей при максимальном давлении сгорания топлива до 20 МПа и выше требует более активной циркуляции масла в охлаждаемых полостях поршня. Прототип же не обеспечивает активного охлаждения головок поршней форсированных дизельных двигателей.
Задачей изобретения является обеспечение работоспособности поршней форсированных дизельных двигателей при максимальном давлении сгорания топлива до 20 МПа и выше.
Техническим результатом изобретения является достижение более активной, по сравнению с прототипом, циркуляции масла в охлаждаемых полостях поршня.
Технический результат достигается тем, что в поршне форсированного дизельного двигателя, состоящем из двух стальных сваренных между собой нижнего и верхнего фрагментов, образующих периферийную и центральную полости охлаждения головки поршня, сообщенные каналами, выполненными в стенке нижнего фрагмента перпендикулярно продольной оси симметрии поршня, согласно изобретению в стенке нижнего фрагмента выполнены дополнительные каналы, расположенные наклонно к продольной оси симметрии поршня, также сообщающие периферийную и центральную полости охлаждения, при этом дополнительные каналы расположены выше основных каналов.
Сообщение периферийной и центральной полостей охлаждения головки поршня каналами, выполненными в стенке нижнего фрагмента перпендикулярно продольной оси симметрии поршня, и дополнительными каналами, расположенными наклонно к продольной оси симметрии поршня, обеспечивает активное охлаждение головок поршней при форсировании дизеля по сравнению с прототипом в силу того, что достигается лучший результат по теплоотводу.
1
2
Практикой установлено, что эффективность рассматриваемой организации процесса теплообмена, при прочих равных условиях, зависит как от количества взбалтываемого масла (на фигуре 2 косвенно характеризуется величиной h), так и от интенсивности процесса взбалтывания (на фигуре 2 характеризуется величиной h перемещения порции масла в периферийной полости).
Наилучший результат по теплоотводу достигается при некотором оптимальном соотношении этих показателей, что обеспечивает взаимоувязанный выбор расположения и величины проходных сечений каналов, сообщающих полости, что в свою очередь влияет на оптимизацию процесса теплоотвода, связанную как с увеличением расхода масла на охлаждение поршня, так и с интенсивностью перемещения масла в периферийной полости.
На фиг.3 представлено состояние галереи периферийной полости при положении поршня, близком к верхней мертвой точке. Здесь порция масла сосредоточена в верхней части галереи в контакте с наиболее нагретой поверхностью. При этом она нагружена динамическим давлением, достаточным для осуществления циркуляции масла по каналу 6, с частичной передачей его из периферии в центральную полость.
Выполнение дополнительных каналов с соответствующими ориентацией и размерами не встречает принципиальных затруднений при выбранном делении поршня на фрагменты со сваркой в двух взаимно перпендикулярных поверхностях. В части организации процесса охлаждения наличие двух типов каналов позволяет осуществлять циклическую передачу масла из периферийной полости в центральную при положениях поршня как вблизи НМТ, так и вблизи ВМТ, т.е. с удвоенной частотой по сравнению с прототипом DE 19846152 (A1). Удвоение частоты замещения масла в периферийной галерее составляет реальную основу для увеличения интенсивности прокачки масла через систему охлаждения поршня.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен фронтальный вид с частичным разрезом поршня по прототипу.
На фиг.2 показан частичный разрез поршня по основным каналам, соединяющим полости охлаждения.
На фиг.3 показан частичный разрез поршня по дополнительным каналам, соединяющим полости охлаждения.
На фиг.4 изображен полный разрез поршня по дополнительным каналам.
Поршень форсированного дизельного двигателя состоит из двух фрагментов: нижнего 1 и верхнего 2, соединенных друг с другом посредством электронной или лазерной сварки. Поверхности сопряжения фрагментов перпендикулярны друг другу. Фрагменты 1 и 2 образуют периферийную 3 и центральную 4 полости охлаждения, сообщенные друг с другом посредством основных каналов 5 и дополнительных каналов 6, выполненных в стенке нижнего фрагмента. Основные каналы 5 по своему расположению идентичны каналам прототипа. Дополнительные каналы 6 расположены наклонно к продольной оси симметрии поршня и выше основных каналов 5, и сообщают верхнюю зону периферийной полости 3 с центральной полостью 4. Охлаждающее масло подается в периферийную полость одним из известных способов.
Наличие двух типов каналов, соединяющих полости охлаждения, позволяет осуществить прокачку охлаждающего масла с удвоенной частотой его циклического замещения в периферийной полости и передачи его в центральную полость. За счет этого достигается эффективное охлаждение центральной зоны днища поршня.
ЛИТЕРАТУРА
1. US 7005620 B2 (аналог).
2. Г.Б. Розенблит. Теплопередача в дизелях. «Машиностроение», Москва, 1977.
3. SAE Technical Paper Series, №881856. The Caterpillar 3176 Heavy Duty Diesel Engine.
4. A forget steel piston for highly diesel engines. SAE Off-Highway Engineering. September, 2000.
5. Magnum Mono Steel Piston. Проспект фирмы Federal-Mogul Corporation.
6. Патент US 8371261 B2.
7. Патент DE 3717767 Al.
8. Патент GB 2232223 A.
9. Патент DE 19846152 (A1) - (прототип).