ПОРШЕНЬ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И ПОДОГРЕВОМ
LIQUID-COOLED AND HEATED PISTON

Изобретение относится к машиностроению, в частности к кривошипно-шатунным механизмам двигателей внутреннего сгорания.
Известен поршень дизеля ЯМЗ-238 с жидкостным охлаждением (Двигатели ЯМЗ-238Н, ЯМЗ-238ПН, ЯМЗ-238ФМ, ЯМЗ-238Л, ЯМЗ-238Б, ЯМЗ-238Д. Инструкция по эксплуатации. - Ярославль.: Ярославский моторный завод, 1989), днище которого охлаждается маслом, подаваемым из форсунки, расположенной у нижней кромки гильзы.
Однако данный способ охлаждения поршня требует подвода масла из смазочной системы через форсунки. Причем масло охлаждает днище поршня и его юбку при пуске и работе холодного двигателя, что приводит к увеличению времени прогрева двигателя, к повышению механических потерь и, как следствие, к снижению его мощности и надежности работы.
Известен поршень с жидкостным охлаждением (авторское свидетельство СССР №1673742, МПК 02F 3/22, 1991 г.), который принят за прототип и содержит корпус с днищем и канавками под поршневые кольца, полость охлаждения, каналы для подвода и слива масла. Для повышения надежности в корпусе поршня установлен золотник с фиксирующими канавками. Золотник расположен в масляном канале, выполненном перпендикулярно к оси поршня. Масляный канал образует три полости: центральную, сообщенную с каналами для подвода масла к днищу поршня, и две крайние, а в корпусе поршня установлены, по меньшей мере, две подающие форсунки, сообщенные с одной стороны с подающими масляными каналами, а с другой стороны с крайними полостями. В корпусе поршня установлен фиксатор, взаимодействующий с фиксирующими канавками золотника.
Однако известный поршень имеет сложную конфигурацию, так как содержит три полости, фиксатор, золотник и по меньшей мере две форсунки. Подача масла в полости поршня осуществляется и при работе холодного двигателя, что приводит к увеличению зазоров между поршнем и гильзой, к повышенному прорыву газов из камеры сгорания в картер и, как следствие, к увеличению износа деталей цилиндро-поршневой группы. Кроме того, при работе холодного двигателя происходит увеличение отвода тепла от днища поршня в масло. Это приводит к понижению температуры рабочего тела в камере сгорания и к нарушениям протекания рабочего цикла в цилиндре двигателя, повышению дымности и токсичности отработавших газов, к снижению надежности работы двигателя.
Перед пуском двигателя прогрев поршня не производится, что снижает надежность пуска двигателя.
Технический результат направлен на повышение надежности работы поршня на различных режимах работы двигателя, а также на снижение расхода масла, уменьшение износа деталей цилиндро-поршневой группы, улучшение условий пуска как дизелей, так и двигателей с принудительным воспламенением.
Технический результат достигается тем, что поршень, содержащий корпус с днищем и канавками под поршневые кольца, полость охлаждения, каналы для подвода и слива теплоносителя, при этом в нижней части корпуса поршня выполнена полость охлаждения (подогрева), образованная внутренними поверхностями стенок юбки, вертикальной стенки, бобышек и крышки, причем на внутренней поверхности крышки размещены трубчатый электронагреватель (ТЭН) и термореле, которые с помощью электрических проводников соединены через электрический выключатель с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного тока, при этом электрические проводники размещены на верхней и нижней качающихся штангах, верхняя штанга с помощью шарниров соединена с крышкой поршня и с нижней штангой, а нижняя штанга соединена с блоком цилиндров.
Отличительными признаками от прототипа является то, что в нижней части корпуса поршня выполнена образованная внутренними поверхностями стенок юбки, вертикальной стенки, бобышек и крышки, причем на внутренней поверхности крышки размещены теплонагревательный элемент и термореле, которые с помощью электрических проводников соединены через электрический выключатель с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного тока, при этом электрические проводники размещены на верхней и нижней качающихся штангах, верхняя штанга с помощью шарниров соединена с крышкой поршня и с нижней штангой, а нижняя штанга соединена с блоком цилиндров.
На фиг.1 и 2 представлен поршень с жидкостным подогревом и охлаждением, на фиг.3 - электрическая схема нагревателя поршня с жидкостным подогревом и охлаждением.
Поршень с жидкостным охлаждением содержит днище 1, канавки под поршневые кольца 2, полость нагрева 3 теплоносителя, полость охлаждения 4 теплоносителя. Полость нагрева 3 теплоносителя образована внутренними поверхностями днища 1, горизонтальной стенки 5, бобышками 6 и головкой 7 поршня. Полость охлаждения 4 теплоносителя образована внутренними поверхностями стенок юбки 8, вертикальной стенки 9, бобышек 6 и крышки 10. Крышка 10 крепится к стенкам юбки 8 с помощью винтов 11. Для обеспечения герметичности полости охлаждения 4 теплоносителя между крышкой 10 и стенками юбки 8 установлена уплотнительная прокладка 12, изготовленная из паранита. В полость охлаждения 4 через отверстия, закрытые технологической пробкой 13, заливают металлический натрий 14. В качестве теплоносителя используется металлический натрий, имеющий низкую температуру плавления 97°С, высокую температуру кипения 880°С, обладающий хорошей смачиваемостью омываемых поверхностей. На внутренней поверхности крышки 10 закреплены с помощью приливов 15 ТЭН 16 и термореле 17, которые с помощью электрических проводников 18 и 19 соединены с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного тока (фиг.3). В электрической цепи размещены электрический включатель 20 и контрольная лампа 21. Для исключения повреждения электрических проводников 18 и 19 при перемещении поршня в цилиндре двигателя применены верхняя 22 и нижняя 23 качающиеся штанги, на которых закреплены электрические проводники 18 и 19. ТЭН 16, термореле 17, элетрические проводники 18 и 19, электрический включатель 20 образуют нагреватель с помощью бобышек 28. Верхняя качающаяся штанга 22 соединена с крышкой 10 поршня и с нижней 23 штангой с помощью шарниров 24 и 25. Нижняя 23 штанга также с помощью шарнира 26 крепится к блоку цилиндров 27 двигателя.
Заявленная конструкция поршня обеспечивает не только принудительное охлаждение поршня при работе двигателя, но и подогрев юбки до температуры в диапазоне 110-120°С перед пуском дизелей и 140-150°С для двигателей с принудительным воспламенением [2]. При этом температура головки и днища поршня также возрастут за счет передачи тепла теплопроводностью и конвективного теплообмена.
Подогрев поршня перед пуском двигателя необходим для поддержания оптимального зазора между юбкой 8 поршня и цилиндром с целью снижения износа поршня, поршневых колец, гильзы цилиндра, уменьшения насосного действия поршневых колец и создания условий для надежного пуска двигателя за счет увеличения компрессии, поскольку температура рабочего тела в поршневых двигателях внутреннего сгорания за время одного рабочего цикла колеблется от 300 до 2200-2800 К [1]. Непосредственный контакт с горячими газами в условиях повышенного давления и интенсивной турбулизации газов приводит к значительной теплоотдаче в поршень. В результате этого днище поршня воспринимает 10-30% теплоты, отводимого от рабочего тела в систему охлаждения двигателя, и нагревается до температуры 300-320°С в центральной части.
Особенно велика теплоотдача в днища поршней дизелей, где вследствие неравномерной макроструктуры топливовоздушной смеси возможно значительное местное повышение температуры поршня при сгорании, а следовательно, и появление локальных перегревов.
Кроме того, нагрев и окисление капель топлива в дизеле в значительной степени протекает при недостатке кислорода. В указанных условиях из-за крекинга капель топлива образуются частички углерода - сажа, а пламя характеризуется значительной степенью черноты и усиленной лучеиспускательной способностью. По этим причинам отдельные участки поршней дизелей могут нагреваться больше, чем поршни карбюраторных двигателей, несмотря на то, что соприкасаются с газами, имеющими меньшую среднюю температуру.
Нагрев поршня опасен прежде всего вследствие возможной потери его подвижности - «заклинивания», вызываемого значительным тепловым расширением. Кроме того, повышение температуры поршня ограничивается коксованием масла в зоне поршневых колец, а также снижением прочности материала.
Оптимальными температурами поршня считается температура его элементов, близкая по своим значениям к наибольшим предельно допустимым величинам. При уменьшении температуры поршня увеличиваются зазоры между юбкой поршня и цилиндром, что приводит к увеличению износа деталей цилиндро-поршневой группы, к возникновению стуков, к поломке деталей и, как следствие, к снижению надежности работы поршня и двигателя.
Перед пуском двигателя водитель замыкает контакты электрического включателя 20 и электрический ток будет протекать от положительного источника постоянного тока по электрическому проводнику 18 через термореле 17 и ТЭН 16, электрический проводник 19 к отрицательному полюсу. В этом случае загорится контрольная лампа 21. При протекании электрического тока по спирали ТЭНа 16 происходят разогрев его спирали и подогрев металлического натрия 14. При температуре 98°С металлический натрий 14 будет плавиться и теплота от натрия 14 путем конвекции и теплопроводности будет передаваться юбке 8, головке 7, бобышкам 6 и днищу 1 поршня. Вследствие передачи тепла от металлического натрия 14 к указанным элементам поршня будет происходить как подогрев воздушного заряда в камере сгорания, увеличение зазора между бобышками 6 поршня и поршневым пальцем, так и уменьшение зазора между юбкой 8 поршня и цилиндром. При нагреве металлического натрия 14 до температуры 120°С у поршня дизеля и 150°С у поршня двигателя с принудительным воспламенением контакты термореле 17 разомкнутся и подогрев натрия 14 прекратится. При охлаждении натрия 14 до температуры 110°С дизеля и 140°С для двигателя с принудительным воспламенением контакты термореле 17 замкнутся и теплоноситель будет нагреваться и передавать теплоту элементам поршня. Об исправности электрической схемы сигнализирует контрольная лампа 21.
Охлаждение поршня происходит и при работе двигателя. В этом случае электрический включатель 20 должен быть включен.
При движении поршня к верхней мертвой точке охлажденный металлический натрий 14 под действием сил инерции возвратно-поступательно движущейся массы протекает из полости охлаждения 4 теплоносителя по каналам подвода и слива теплоносителя 29 в полость нагрева 3 теплоносителя. В полости нагрева 3 температура теплоносителя будет повышаться за счет передачи теплоты от нагретых днища 1 и головки 7 поршня.
При движении поршня к нижней мертвой точке нагретый металлический натрий 14 будет перетекать по каналам 29 из полости нагрева 3 в полость охлаждения 4. В полости охлаждения 4 теплота от теплоносителя будет передаваться через юбку 8 гильзе цилиндров, а через крышку 10 и вертикальную стенку 9 теплота будет передаваться картерным газам.
При работе двигателя на малых частотах вращения коленчатого вала и малых подачах топлива количество теплоты, выделившейся в камере сгорания, будет уменьшаться, поэтому уменьшится и нагрев поршня, что вызовет уменьшение температуры теплоносителя. Контакты термореле 17 замкнутся, и через спираль ТЭНа 16 будет протекать электрический ток, что приведет к повышению температуры теплоносителя и поршня. При достижении температуры 120°С юбкой поршня дизеля и 150°С двигателем с принудительным воспламенением контакты термореле 17 разомкнутся и подогрев натрия 14 теплоносителя будет выключен.
При остановке двигателя водитель размыкает контакты электрического включателя 20, контрольная лампа 21 не горит, что свидетельствует о выключении из работы электрической схемы нагревателя поршня с жидкостным охлаждением и подогревом.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает не только подогрев теплоносителя, а следовательно, и поршня перед пуском двигателя, но и при его работе на режимах малых цикловых подач. При работе двигателя на больших цикловых подачах происходит охлаждение поршня. Особенно значим подогрев поршня при работе двигателя в зимних условиях.
Надежная работа поршня возможна только при строго определенном тепловом состоянии поршня. Перегрев поршня приводит к увеличению теплового расширения поршня, коксованию масла на его поверхности, потере подвижности и в конечном итоге разрушению поршня [1]. При переохлаждении ухудшается смесеобразование, увеличиваются тепловые потери, возрастают механические потери и интенсифицируется износ.
Следовательно, при поддержании нормальной работы двигателя заявленное техническое решение обеспечивает поддержание оптимальных температур элементов поршня, которая близка к наибольшим предельно допустимым значениям.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. П.М.Белов, В.Р.Бурячко, Е.И.Акатов. Двигатели армейских машин. Часть 1. Теория, Воениздат. - М.: 1971, 571 с.
2. П.М.Белов, В.Р.Бурячко, Е.И.Акатов. Двигатели армейских машин. Часть 2. Конструкции и расчет. Воениздат. - М.: 1971, 566 с.