ПОРШЕНЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F16J1/04 F02F3/00 

Изобретение относится к конструктивным элементам двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано в двигателестроении при конструировании, изготовлении и эксплуатации данных двигателей.

Известны поршни для ДВС, содержащие головку, канавки, поршневые кольца в канавках, причем поперечное сечение канавки поршневого компрессионного кольца выполнено в виде прямоугольной трапеции, большим основанием обращенной к оси поршня, при этом угол между большим основанием трапеции и торцом канавки, расположенным напротив головки поршня, выполнен меньшим, чем прямой угол, и составляет 89-89,5^о. Угловая деформация прямоугольного поперечного сечения кольца, вызванная силами инерции, обеспечивает при ходе поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) увеличение маслосъемных функций за счет скребкового эффекта [1].

Недостаток известного поршня состоит в низкой надежности работы ввиду быстрого износа кромки кольца, расположенной напротив головки поршня, в результате чего теряется скребковый эффект съема излишков масла с зеркала цилиндра при ходе поршня в указанном направлении.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является поршень, содержащий головку, канавки, поршневые компрессионные и маслосъемные кольца в канавках, причем поперечное сечение канавок поршневых компрессионных колец выполнено в виде прямоугольной трапеции, меньшее основание которой обращено к оси поршня и параллельно этой оси, а сопрягаемые поверхности кольца и канавки, обращенные к головке, выполнены взаимно соответствующими и составляют тупой угол с меньшим основанием трапеции [2].

Известно, что поршневое компрессионное кольцо под воздействием сил давления газов над поршнем подавляющую часть рабочего цикла ДВС (от 60 до 85% ) находится на торце канавки, расположенном напротив головки поршня. Поэтому угол наклона данного торца к образующей цилиндра при соосно движущемся поршне в значительной мере определяет форму рабочей поверхности кольца (РПК) в ходе его приработки и износа. В данном случае указанный торец канавки составляет с осью поршня (цилинд-ра) прямой угол, что обусловливает формирование прямоугольного профиля РПК из любого исходного профиля, заданного при изготовлении (конического, бочкообразного, прямоугольного со скругленными кром- ками). Из гидродинамики известно, что прямоугольный профиль РПК практически не обладает несущей способностью для глиссирования кольца на слое смазочного материала и не обеспечивает эффективный съем излишков масла с поверхности цилиндра при ходе поршня к нижней мертвой точке (НМТ). Таким образом, надежность работы известного поршня снижается из-за повышенных потерь на трение вязкого сдвига в зазоре кольцо-цилиндр и выгорания излишков масла в горячей зоне головки поршня и цилиндра.

Цель изобретения - повышение надежности поршня за счет снижения расхода масла и механических потерь.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом поршне для двигателя внутреннего сгорания, содержащем головку с канавками на наружной поверхности, в которых установлены поршневые компрессионные и маслосъемные кольца, причем канавки под поршневые компрессионные кольца имеют поперечное сечение в виде трапеции, меньшее основание которой обращено к оси поршня и параллельно этой оси, а сопряженные торцовые поверхности кольца и канавки выполнены взаимно соответствующими, угол наклона торцовой поверхности канавки, расположенной напротив головки, к меньшему основанию трапеции превышает угол наклона к меньшему основанию трапеции противоположной торцовой поверхности канавки на 1,0-1,5^о.

На чертеже представлен фрагмент общего вида и разреза поршня.

Поршень содержит головку 1, канавки 2 с размещенными в них поршневыми компрессионными 3 и маслосъемными кольцами. Поперечное сечение канавки 2 кольца 3 выполнено в виде трапеции, меньшее основание которой обращено к оси поршня и параллельно этой оси, при этом угол α между меньшим основанием трапеции и торцом канавки, расположенным напротив головки 1, превышает угол β наклона к меньшему основанию трапеции противоположного торца канавки на 1^о. Поперечное сечение кольца 3 выполнено в виде равнобочной трапеции, стороны которой составляют между собой угол ϕ, равный 2 ( β- 90^о), а РПК имеет симметрично-бочкообразный профиль.

Работает поршень следующим образом.

В течение двух динамически наиболее нагруженных тактов рабочего цикла ДВС - "сжатие" и "рабочий ход" кольцо 3 под действием сил давления газов и инерции прижимается к торцу канавки 2, расположенному напротив головки 1, подвергаясь при этом угловой деформации скручивания, величина которой составляет (α-β). Во время тактов газообмена силы инерции прижимают кольцо с равной периодичностью как к торцу канавки 2, расположенному напротив головки 1, так и к противоположному торцу, находясь на котором кольцо 3 вследствие равенства углов наклона сопряженных поверхностей кольца 3 и канавки 2, не испытывает угловую деформацию скручивания. В итоге протекания указанных процессов за каждый цикл работы ДВС происходит обусловленное приработкой и износом постепенное формоизменение или самопрофилирование рабочей поверхности кольца 3, характеризуемое переходом симметрично-бочкообразного профиля в асимметрично-бочкообразный с точкой выпуклости РПК, смещенной от центра РПК к торцу канавки, расположенному напротив головки 1. Такой профиль РПК обеспечивает усиление гидродинамической несущей способности кольца 3 при ходе поршня к ВМТ за счет более протяженного участка сужающегося зазора кольцо-цилиндр в направлении навстречу потоку смазки, чем участок расширяющегося зазора данного сопряжения. При обратном ходе поршня данный профиль РПК способствует съему излишков масла с поверхности цилиндра за счет скребкового эффекта, который обеспечивает короткий участок сужающегося зазора кольцо-цилиндр. Таким образом, неизбежное ухудшение служебных свойств известного поршня в ходе эксплуатации, связанное с износом сопряженных поверхностей кольца и цилиндра, в предлагаемом поршне компенсируется самопрофилированием РПК, которым управляет заданная форма поперечного сечения канавки 2.

Экспериментальные исследования предложенных поршней установили повторяемость и однозначность характера самопрофилирования РПК тех поршневых колец, которые работали в канавках поршней, соответствующих признакам данного технического решения, отмеченное при испытаниях повышение надежности работы поршней, выразившееся в снижении расхода масла и механических потерь, составило по сравнению с известными поршнями 10 и 7% соответственно.

Сущность изобретения: в канавках, расположенных на наружной поверхности головки, установлены поршневые компрессионные и маслосъемные кольца. Канавки имеют поперечное сечение в виде трапеции, меньшее основание которой обращено к оси поршня и параллельно этой оси. Сопряженные торцовые поверхности кольца и канавки выполнены взаимно соответствующими. Угол наклона торцовой поверхности канавки, расположенный напротив головки, к меньшему основанию трапеции превышает угол наклона к меньшему основанию трапеции противоположной торцовой поверхности канавки на 1,0 - 1,5°. 1 ил.

ПОРШЕНЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий головку с канавками на наружной поверхности, в которых установлены поршневые компрессионные и маслосъемные кольца, причем канавки под поршневые компрессионные кольца имеют поперечное сечение в виде трапеции, меньшее основание которой обращено к оси поршня и параллельно этой оси, а сопряженные торцевые поверхности кольца и канавки выполнены взаимно соответствующими, отличающийся тем, что угол наклона торцевой поверхности канавки, расположенной напротив головки, к меньшему основанию трапеции превышает угол наклона к меньшему основанию трапеции противоположной торцевой поверхности канавки на 1,0 - 1,5^o.