ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B77/02 F02F3/10 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к деталям двигателей с поверхностным покрытием.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с гильзой, камеру сгорания и поршень с поверхностным покрытием на его боковой поверхности, установленный в гильзе и имеющий днище, жаровый пояс, канавки для установки поршневых колец и направляющий пояс. Поверхностное покрытие из термостойкого материала нанесено на жаровой пояс поршня (патент ФРГ N 3304320, кл. F 02 D 3/10, опубл. 1984).

Известный двигатель из-за неудовлетворительного базирования поршня при его движении вдоль рабочей поверхности гильзы и перекосов площади его контактирования с ней имеет повышенные износы деталей цилиндро-поршневой группы и недостаточный ресурс и надежность в работе.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с гильзой, камеру сгорания и поршень с антифрикционным покрытием на его боковой поверхности, установленный в гильзе и имеющий днище, жаровой пояс, канавки для установки поршневых колец и направляющий пояс. Упомянутое покрытие из никеля нанесено на всю высоту направляющего пояса поршня (заявка ФРГ N 3937616, кл. F 02 F 3/10, опубл. 1990).

Известны двигатели внутреннего сгорания, в которых поверхность направляющего пояса поршня для лучшей прирабатываемости покрывают тонким слоем олова или свинца. Автомобильные двигатели под ред. Ховаха М. С. М. Машиностроение, 1977, с. 437).

В известных двигателях при их работе имеют место неудовлетворительное базирование поршня при его движении внутри гильзы и перекосы площади его контактирования с ней, а также неравномерное распределение температуры по высоте поршня и гильзы и неравномерные термические нагрузки деталей двигателя. Следствием этого является недостаточная надежность его в работе.

Известен ДВС, содержащий цилиндр с гильзой, камеру сгорания и установленный в гильзе поршень, имеющий днище и боковую поверхность, включающую жаровый пояс, канавки для установки поршневых колец и направляющий пояс, причем жаровый и направляющий пояса боковой поверхности поршня имеют участки с антифрикционным покрытием.

Поскольку в известном двигателе не определены оптимальные зоны расположения участков с покрытием на жаровом и направляющих поясах боковой поверхности поршня, то тем самым не используются резервы для наиболее эффективного использования упомянутой поверхности для опоры поршня в гильзе и выравнивания по высоте температуры деталей цилиндропоршневой группы.

Задачей изобретения является повышение надежности работы двигателя за счет более полного устранения перекосов поршня в гильзе и выравнивания по высоте термической напряженности деталей цилиндропоршневой группы.

Это достигается тем, что в ДВС, содержащем цилиндр с гильзой, камеру сгорания и установленный в гильзе поршень, имеющий днище и боковую поверхность, включающую жаровый пояс, канавки для установки поршневых колец и направляющий пояс, причем жаровый и направляющий пояса боковой поверхности поршня имеют участки с антифрикционным покрытием, высота участка покрытия на жаровом поясе от днища составляет 0,3-0,5 высоты этого пояса, а высота участка покрытия на направляющем поясе от нижней его кромки составляет 0,2-0,4 высоты этого пояса.

Антифрикционное покрытие нанесено на рабочую поверхность гильзы. В качестве материала для упомянутого покрытия использован кристаллический композиционный пористый материал, состоящий из твердых включений фазы α-Al₂O₃, распределенной в матрице из γ-Al₂O₃ и соединениях муллита 3 Al₂O₃ · 2SiO₂.

При таком выполнении двигателя обеспечивается более точное базирование боковой поверхности поршня при его движении вдоль рабочей поверхности гильзы и более эффективное использование опорной длины этой поверхности, устраняются перекосы деталей и снижаются трение и износ деталей цилиндропоршневой группы, достигается автоматическое регулирование интенсивности теплоотдачи от горячих газов из камеры сгорания и теплоотвода от поршня к гильзе и выравниваются по высоте температуры этих деталей. Следствием отмеченного является повышение надежности работы двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 слой антифрикционного покрытия, наносимого на поверхности деталей цилиндропоршневой группы, план; на фиг. 3 то же, разрез.

Двигатель содержит гильзу 1 цилиндра с рабочей поверхностью 2, поршень 3, установленный в гильзе, головку 4 цилиндра, камеру сгорания 5, впускной 6 и выпускной 7 клапаны, шатун 8 и коленчатый вал (не показан). Поршень 3 имеет днище 9 и боковую поверхность, включающую жаровый пояс 10, зону канавок 11, 12, 13 для установки в них поршневых колец и направляющий пояс 14. На жаровый 10 и направляющий 14 пояса поршня в виде участков 15 и 16 нанесен слой антифрикционного покрытия, между которыми расположен участок 17 боковой поверхности поршня без покрытия. Участок 15 покрытия на жаровом поясе 10 начинается от торца днища 9 и протяженность его h₁ по высоте составляет 0,3-0,5 от высоты жарового пояса. Протяженность h₂ участка 16 покрытия, нанесенного в нижней части направляющего пояса 14, от нижней его кромки в направлении жарового пояса составляет 0,2-0,4 высоты направляющего пояса.

Антифрикционное покрытие в виде слоя 18 нанесено на днище 4 поршня, в виде слоя 19 на рабочую поверхность 2 гильзы цилиндра и слоя 20 на рабочие поверхности канавки 11 под первое компрессионное поршневое кольцо.

В качестве материала для упомянутых слоев покрытия используется композиционный дисперсно-упрочненный материал ячеистой глубумерной кристаллической структуры, состоящий из включений высокопрочной фазы α-Al₂O₃ (35-40%), распределенной в матрице из γ-Al₂O₃ (40-50%) и соединениях муллита 3Al₂O₃ · 2SiO₂ (до 100%). Толщина слоя составляет 0,1-0,3 мм. При этих соотношениях фаз и глубине слоя покрытия и при варьировании геометрических параметров его структуры можно обеспечить наилучшие антифрикционные, теплозащитные и прочностные свойства покрытия.

Для нанесения покрытия на детали двигателя (из алюминиевых сплавов или черных металлов с предварительно нанесенным на их поверхность слоем из алюминиевых сплавов) предпочтительно использование технологии анодно-катодного микродугового оксидирования.

Двигатель работает следующим образом. Образующиеся при сгорании топлива в камере сгорания 5 газы с высоким давлением и температурой давят на поршень 3 и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Участки 15 и 16 поверхностного покрытия на жаровом и направляющем поясах поршня, максимально "разнесенные" вдоль его боковой поверхности, при достаточной протяженности этих участков обеспечивают эффективные опорные поверхности, точное базирование и высокую устойчивость поршня при движении его в цилиндре вдоль рабочей поверхности гильзы, устраняют его перекосы, повышенные износы деталей цилиндропоршневой группы. Максимальный эффект достигается при упомянутых значениях протяженности зон с покрытием и сохраняется в процессе всего периода эксплуатации двигателя. Кроме уменьшения износа, наличие упомянутых участков с покрытием в верхней части жарового и нижней части направляющего поясов оказывает положительное влияние на распределение температур по высоте поршня, особенно заметно снижая температуру его жарового пояса, следствием чего является выравнивание температур и термической напряженности деталей цилиндропоршневой группы, уменьшение деформаций этих деталей. Нанесение слоя покрытия на днище поршня усиливает отмеченный эффект. Выравниванию температурного поля, а также устранению перекосов поршня в гильзе дополнительно способствует нанесение упомянутого покрытия на рабочие поверхности канавки под первое компрессионное кольцо.

Имеющиеся в выбранном материале покрытия поры, усиливая его теплозащитный эффект, являются в то же, время капиллярами, способствующими улучшению условий смазки между трущимися деталями. Использование высоких антифрикционных свойств выбранного материала покрытия в сочетании с упомянутым локальным расположением на жаровом и направляющих поясах его слоев, образующих опоры движущегося поршня внутри гильзы, а также нанесение покрытия на рабочую поверхность гильзы обеспечивают максимальное снижение сил трения, уменьшение износа и повышение механического КПД двигателя.

Снижение износов и уменьшение термических деформаций деталей цилиндропоршневой группы обуславливают повышение эксплуатационной надежности двигателя внутреннего сгорания.

Сущность изобретения: двигатель содержит гильзу 1 цилиндра с рабочей поверхностью 2 и поршень 3, установленный в гильзе. Поршень имеет днище и боковую поверхность, включающую жаровый пояс 10, зону канавок 11, 12, 13 для поршневых колец и направляющий пояс 14. На жаровой 10 и направляющий 14 пояса поршня в виде участков 15 и 16 нанесен слой антифрикционного покрытия, между которыми расположен участок 17 боковой поверхности поршня без покрытия. Высота h₁ участка покрытия 15 на жаровом поясе от днища поршня составляет 0,3 - 0,5 от высоты этого пояса, а высота h₂ участка покрытия 16 на направляющем поясе 14 от нижней его кромки составляет 0,2 - 0,4 высоты этого пояса. Антифрикционное покрытие 19 может быть нанесено на рабочую поверхность 2 гильзы 1. Участки покрытия на жаровом и направляющем поясах поршня, максимально разнесенные вдоль его боковой поверхности, обеспечивают точное базирование и высокую устойчивость поршня при его движении в цилиндре вдоль рабочей поверхности гильзы, устраняют его перекосы, стуки и повышенные износы. Одновременно достигается выравнивание по высоте температуры и термической напряженности поршня и гильзы. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндр с гильзой, камеру сгорания и установленный в гильзе поршень, имеющий днище и боковую поверхность, включающую жаровой пояс, канавки для установки поршневых колец и направляющий пояс, причем жаровый и направляющий пояса боковой поверхности поршня имеют участки с антифрикционным покрытием, отличающийся тем, что высота участка покрытия на жаровом поясе от днища составляет 0,3 - 0,5 высоты этого пояса, а высота участка покрытия на направляющем поясе от нижней его кромки составляет 0,2 - 0,4 высоты этого пояса. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что антифрикционное покрытие нанесено на рабочую поверхность гильзы. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве материала для упомянутого покрытия использован кристаллический композиционный пористый материал, состоящий из твердых включений фазы α = Al₂O₃, распределенной в матрице γ = Al₂O₃ и соединениях муллита 3Al₂ O₃ • 2 SiO₂.