ПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ Российский патент 1994 года по МПК F02F3/20 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, конкретнее к конструкциям поршней двигателей внутреннего сгорания, в частности дизелей.

Известна поршневая машина, содержащая цилиндры с противоположно движущимися поршнями, в каждом из которых установлены выпуклые опоры из закаленной стали, сопряженные с плоскими наконечниками из материала высокой твердости, неподвижно закрепленными на концах штоков, шарнирно соединенных вторыми концами с качающимися коромыслами, сопряженными с цапфами качающейся втулки, установленной с возможностью вращения на косых кривошипах силового вала двигателя.

Известное устройство положительно отличается малыми потерями на трение, высокой износостойкостью, благоприятным распределением усилий, устраняющим асимметричные деформации поршня.

Недостатком этого устройства является существенная теплонапряженность поршня вследствие неравномерности тепловых полей, т. е. больших перепадов температур между частями поршня, прилегающими к шаровому поясу, и юбкой поршня.

Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, т. е. снижение теплонапряженности и повышение таким образом надежности и ресурса.

Цель достигается тем, что перегородка (мембрана), в которой закреплена выпуклая опора, соединена с корпусом поршня не в области уплотнительного пояса, где температуры значительны, а вблизи края юбки поршня с минимальной температурой, при этом мембрана выполнена в виде стакана и образует с корпусом поршня герметичную полость, частично заполненную жидким теплоносителем.

На чертеже изображен поршневой узел в осевом разрезе.

В цилиндре 1 с выпускными окнами 2 расположены поршень 3 и поршень 4 (внешний стакан), шарнирно соединенные со штоками 5, связанными с качающимися коромыслами и качающимися втулками, установленными посредством подшипников на косых кривошипах силового вала (на чертеже не изображены). Шарнирное соединение штока с поршнем содержит закаленный наконечник 6, задний торец которого выполнен сферическим и сопряжен через упругую шайбу 7 с резьбовой втулкой 8, завернутой в стакан 9 (внутренний), передний плоский торец наконечника сопряжен с возможностью качения с выпуклой опорой 10, выполненной, например, из закаленной стали ШХ15 и неподвижно установленной на дне стакана. Противоположный конец стакана неподвижно соединен, например, посредством резьбового соединения с уплотнительным фторопластовым кольцом 11 с юбкой поршня вблизи ее заднего торца. Герметичная полость 12 между стаканом и корпусом поршня частично заполнена жидким теплоносителем, например высокотемпературным маслом 13.

Возможны варианты исполнения устройства. В частности, в стакане 9 равномерно по окружности могут быть выполнены продольные каналы 14, сообщающиеся с источником газа с пульсирующим давлением, например с подпоршневой полостью, функционирующей в качестве продувочного насоса, при этом на днище поршня с его внутренней стороны целесообразно исполнение охлаждающих ребер радиального направления.

Возможно также традиционное шарнирное соединение поршня со штоками, при котором головка штока размещена в пазу внутри стакана и надета на цилиндрический палец, концы которого запрессованы в стенках стакана.

Действует устройство подобно прототипу: при качании шатуна в процессе работы двигателя наконечник 6 в условиях трения-качения перекатывается по выпуклой сферической поверхности опоры 10, через пятно контакта между ними шатуну передается осевое усилие поршня, создаваемое сжатым газом в рабочей камере 15. Упругая шайба 7 устраняет люфты в шарнирном сопряжении и утечку смазки. При высокочастотном возвратно-поступательном движении поршня теплоноситель 13 взбалтывается в полости 12 и обеспечивает интенсивный перенос тепла от наиболее нагретых элементов поршня (днище, жаровой пояс) к его частям с более низкой температурой, т. е. к юбке и через стенки цилиндра в охлаждающую среду (воду, воздух).

При исполнении стакана с каналами 14 импульсы давления в подпоршневой камере обеспечивают формирование периодических струй воздуха, направленных на днище и охлаждающих его, а затем смежные с ним участки поршня.

Положительный эффект изобретения обусловлен следующими факторами.

Размещение опоры и наконечника в стакане, неподвижно соединенном с задней наименее нагретой частью поршня, обеспечивает благоприятный для надежной работы температурный режим шарнирного узла, устраняет опасность температурного отпуска закаленных опорных поверхностей опоры и наконечника.

Интенсивный перенос тепла перемешиваемым жидким теплоносителем обеспечивает снижение максимальных температур и выравнивание тепловых градиентов, устраняет температурные деформации заданной формы поршня и вероятность его заклинивания, позволяет оптимизировать зазоры между поршнем и цилиндром. Поршень может быть выполнен из чугуна с характерной для него относительно низкой теплопроводностью, при этом равномерность тепловых полей будет сопоставима с градиентами тепла в алюминиевом поршне.

Поршневой узел ДВС содержит поршень, выполненный в виде внешнего 4 и внутреннего 9 стаканов. Стакан 9 шарнирно связан со штоком 5 поршня и в нем выполнены продольные каналы 14 для сообщения полости 12 с пульсирующим источником сжатого воздуха, т. е. подпоршневой полостью двигателя. Днище внешнего стакана и со стороны полости 12 может быть снабжено ребрами. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОРШНЕВОЙ УЗЕЛ преимущественно для двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршень, выполненный в виде внешнего и внутреннего стаканов, связанных между собой со стороны свободного торца и образующих полость для охлаждающей среды, причем внутренний стакан шарнирно связан со штоком поршня, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем снижения теплонапряженности, во внутреннем стакане выполнены продольные каналы, соединяющие полость для охлаждающей среды с подпоршневой полостью с пульсирующим давлением. 2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что каналы направлены на днище внешнего стакана. 3. Узел по п. 1, отличающийся тем, что днище внешнего стакана со стороны полости снабжено ребрами.