ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02F3/00 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно к поршням ДВС, преимущественно дизельным и может быть использовано в большинстве устройств подобного рода, имеющих поршневые группы.

Одной из центральных проблем при создании двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является конструирование деталей его кривошипно-шатунного механизма и в первую очередь поршней с учетом возникающей при их работе теплонапряженности.

К настоящему моменту накоплено значительное число принципиально отличающихся друг от друга технических решений позволяющих тем или иным образом компенсировать или регулировать тепловое расширение поршня.

В отношении последнего проблема сводится к уменьшению передачи тепла от днища к поршневым кольцам и юбке с целью стабилизации размеров и формы юбки и, как следствие, удержанию заданных тепловых зазоров в сопряжении "поршень-цилиндр" на всех режимах двигателя внутреннего сгорания.

Известны методы отвода тепла и компенсации его воздействия, например, созданием в поршне кольцевых полостей для циркуляции охлаждающей жидкости или выполнением в головке поршня замкнутой полости с вакуумом в ней. Известны технические решения с применением термоизоляционной накладки, позволяющей уменьшить тепловой поток от днища к кольцам. Однако наибольшее практическое распространение получило применение термокомпенсаторов для направленного изменения формы поршня при его нагреве, согласно которому юбка снабжена кольцевыми вставками, например, различных форм (см. а.с. СССР N1333808, кл.F 02 F 3/02 1985, заявка ФРГ N 3410655, кл. F 02 F 3/02 1985), либо обладающими эффектом памяти (см. а.с. СССР N1326750, кл. F 02 F 3/02 1985).

Вместе с тем вышеприведенные пути решения проблемы лежат через создание конструкции поршня, в которой последний состоит из двух и более деталей, сопрягаемых друг с другом разъемным или неразъемным соединением (см. например, патент США 2104347, кл. 92-176, 1938). Это обстоятельство по вполне понятным причинам усложняет технологию изготовления поршня.

К другому остающемуся по прежнему привлекательным, направлению поиска решения упомянутой проблемы относятся такие конструкции поршня, в которых последний представляет собой одну деталь, заготовку которой получают прогрессивными производительными методами, такими как литье, штамповка жидкого металла и т.д.

Известен, например, поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с днищем и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца, бобышки с отверстиями под поршневой палец и сочлененную с головкой юбку, имеющую внутреннюю поверхность, соосную головке и наружную поверхность, в поперечном сечении имеющую форму эллипса, малая ось которого параллельна оси отверстий в бобышках. Днище имеет внутреннюю торцевую поверхность, а бобышки выступают внутрь поршня и имеют боковые стороны. Нижняя канавка под нижнее маслосъемное кольцо имеет нижнюю и верхнюю стенки и дно, а между головкой и юбкой выполнены сквозные прорези в плоскости, проходящей ниже плоскости верхней стенки нижней канавки. Каждая сквозная прорезь выполнена на дуге, составляющей менее половины окружности головки так, что упомянутое сочленение головки с юбкой осуществлено в зоне бобышек (а.с. СССР N 868077, кл. F 02 F 3/02, 1979). Такое выполнение поршня позволяет снизить тепловые потоки от головки к юбке, но при этом несколько снижается жесткость поршня, необходимая сопротивлению рабочей нагрузке, это требует определенного усиления самой головки и бобышек. В качестве ответной меры, решающей проблему усиления поршней со сквозными прорезями, явилось создание ряда конструкций, в которых юбка вовсе освобождена от бобышек, а отверстия для опоры поршневого пальца размещены в специально для этого выполненном приливе к торцевой поверхности днища головки, причем в юбке выполнены отверстия, необходимые лишь для монтажа поршневого пальца (например, заявка ФРГ N2430829, кл. F 02 F 3/00, 1976, а.с. СССР N 1694961, кл. F 02 F 3/04, 1990) Развитие такого технического решения привело к выполнению юбки, состоящей, например, из трех небольших фрагментов (заявка ФРГ N3505037, кл. F 02 F 3/00 1986) или из двух симметричных участков (заявка ФРГ N3723005, кл. F 02 F 3/00, 1989). Логическим завершение развития явилось создание конструкции, в которой юбка представляет собой отдельную от головки деталь (заявка ФРГ N4010062, кл. F 02 F 3/00, 1991).

Вместе с тем, несмотря на оригинальность приведенных технических решений, ощущалась насущная необходимость сохраняя все достоинства широко применяемых поршней традиционной конструкции со сквозными прорезями между головкой и юбкой (см. упоминавшееся а.с. СССР N868017) придать такой конструкции одновременно большее совершенство в трех направлениях: обеспечить более эффективный отвод тепла от юбки и поршневых колец, придать поршню большую жесткость, необходимую для сопротивления рабочей нагрузке и повысить эффективность стабилизации формы и размеров поршня при его нагреве. Явно, что усиление поршня прямым увеличением толщины днища это проигрыш в количестве требуемого материала, это создание нежелательного эффекта большей аккумуляции тепла в головке и конечно же нежелательное увеличение массы поршня.

Преимуществом предложенной конструкции, выгодно отличающей ее от известной по а. с. СССР N868077 и других вышеприведенных технических решений является то, что одновременно существенно снижен уровень теплопередачи от головки к юбке и поршневым кольцам, увеличена жесткость поршня, необходимая сопротивлению рабочей нагрузке и улучшена способность поршня к стабилизации его формы и размеров при нагреве.

Это преимущество реализуется благодаря тому, что на упомянутой головке поршня выполнены сопряженные с ней два кольцевых выступа в виде секторов полого круглого цилиндра, соосного головке, причем наружная поверхность кольцевых выступов выполнена диаметром меньшим, чем диаметр дна канавки под нижнее маслосъемное кольцо с образованием зазора между ней и внутренней поверхностью юбки. Упомянутое сопряжение головки с кольцевыми выступами осуществлено их внутренней поверхностью с торцовой поверхностью днища и их наружной поверхностью с плоскостью сквозных прорезей. Кроме этого внутренняя наружная поверхность кольцевых выступов сопрягаются с обеими боковыми сторонами каждой из бобышек и обе поверхности сопрягаются друг с другом торцевой поверхностью кольцевых выступов.

Торцевая поверхность кольцевых выступов лежит в плоскости, перпендикулярной оси головки ниже плоскости нижней стенки канавки под нижнее маслосъемное кольцо, это обеспечивает эффективный отвод тепла от всех поршневых колец и юбки и повышает эффективность стабилизации формы и размеров поршня при его нагреве. Торцевая поверхность кольцевых выступов может быть выполнена седловидой, при этом ближайшие к торцевой поверхности днища две ее точки находятся в плоскости, проходящей через ось головки перпендикулярно оси отверстий в бобышках, а наиболее удаленное в зонах сопряжения кольцевых выступов с боковыми сторонами бобышек. Это обеспечивает оптимальную жесткость поршня сопротивлению рабочей нагрузке в любой осевой плоскости.

На фиг.1 изображен предлагаемый поршень, фронтальный разрез по его геометрической оси; на фиг.2 сечение поршня А-А на фиг.1 на фиг.3 сечение поршня Б-Б на фиг.1.

Поршень ДВС содержит головку 1 с днищем 2 и канавками 3 под компрессионные и маслосъемные кольца. Поршень имеет бобышки 4 с отверстиями 5 под поршневой палец и сочлененную с головкой 1 юбку 6, имеющую внутреннюю поверхность 7, соосную головке 1 и наружную поверхность 8, в поперечном сечении, имеющую форму эллипса, малая ось которого параллельна оси отверстий 5 в бобышках 4. Днище 2 имеет внутреннюю торцовую поверхность 9, а бобышки 4 выступают внутрь поршня и имеют боковые стороны 10. Нижняя канавка 11 под нижнее маслосъемное кольцо имеет нижнюю стенку 12, и верхнюю стенку 13 и дно 14. Между головкой 1 и юбкой 6 выполнены сквозные прорези 15 в плоскости, проходящей ниже плоскости верхней стенки 13 нижней канавки 11. Сквозные прорези 15 выполнены на дуге, составляющей менее половины окружности головки, так что сопряжение головки 1 с юбкой 6 осуществлено в зоне бобышек 4.

В головке 1 выполнены сопряженные с ней кольцевые выступы 16 в виде секторов полого круглого цилиндра, соосного головке 1. Наружная поверхность 17 кольцевых выступов 16 выполнена диаметром меньшим, чем диаметр дна 14 нижней канавки 11 с образованием зазора "а" между ней и внутренней поверхностью 7 юбки 6. Головка 1 и кольцевые выступы 16 сопрягаются внутренней торцевой поверхностью 9 днища 2 с внутренней поверхностью 18 кольцевых выступов 16 и их наружной поверхностью 17 с плоскостью сквозных прорезей 15. Обе поверхности 17 и 18 сопрягаются с боковыми сторонами 10 бобышек 4 и друг с другом торцовой поверхностью 19 кольцевых выступов 16.

Кроме этого, торцовая поверхность 19 выполнена на расстоянии от внутренней торцовой поверхности 9 днища 2 большем, чем нижняя канавка 11.

Однако торцевая поверхность 19 может быть выполнена седловидной, при этом ближайшие к внутренней торцевой поверхности 9 обе ее точки "б" находятся в плоскости, проходящей через ось головки 1 перпендикулярно оси отверстий 5 в бобышках 4, а наиболее удаленные "в"- в зонах сопряжения кольцевых выступов 16 с боковыми сторонами 10 бобышек 4.

Поршень работает следующим образом.

Поршень перемещается согласно циклу ДВС и нагревается от контакта рабочей смесью. Во время работы днище 2 поршня нагрето значительно сильнее, чем юбка 6, благодаря имеющимся сквозным прорезям 15 и наличию двух кольцевых выступов 16, выполняющих роль эффективных теплоотводов. В результате на юбку 6 и поршневые кольца передается минимум тепла, при этом обеспечивается стабилизация размеров и формы юбки 6 и поршня в целом, а у поршневых колец снижается износ.

Во время действия на поршень рабочей нагрузки днище головки испытывает изгибные напряжения вокруг поршневого пальца. Негативными последствиями действия изгибных напряжений являются: искажение формы головки и связанной с ней юбки, приводящей к боковому износу их наружных поверхностей, а также возникновение усталостных трещин в головке поршня. Предложенная же конструкция благодаря кольцевым выступам 16 имеет повышенную жесткость днища 2, в результате чего полностью компенсируются вышеприведенные негативные последствия.

При прочих равных условиях по сравнению с упомянутыми поршнями, конструкция которых имеет специальный прилив к днищу головки для опоры поршневого пальца, предложенный поршень легче, при этом не уступает известным по жесткости.

Таким образом, предложенный поршень прогрессивен как в части технологии его изготовления благодаря тому, что не требуется закладки в отливку полуколец-термокомпенсаторов или выполнения поршня из нескольких частей, так и в части его технических характеристик, т.к. он имеет меньшую массу при равной жесткости и снабжен эффективным теплоотводом с надежной стабилизацией его размеров и формы при нагреве.

Использование: в двигателях внутреннего сгорания, преимущественно дизельных, а также в большинстве устройств подобного рода, имеющих поршневую группу. Поршень имеет два кольцевых выступа 16 в виде секторов полого круглого цилиндра соосного головке 1, сопряженных своей внутренней поверхностью 18 с внутренней торцовой поверхностью 9 днища 2. Наружная поверхность 17 кольцевых выступов 16 имеет диаметр меньший диаметра 14 нижней канавки 11 под нижнее маслосъемное кольцо и сопрягается с плоскостью сквозных прорезей 15, образуя зазор "а" с внутренней поверхностью 7 юбки 6. Обе поверхности 17 и 18 сопрягаются с боковыми сторонами 10 бобышек 4, а друг с другом - торцевой поверхностью 19. Технический результат - улучшение технологии изготовления поршня благодаря тому, что не требуется закладки в отливку полуколец-термокомпенсаторов и выполнения поршня из нескольких частей, а также улучшение технических характеристик поршня, поскольку он имеет меньшую массу при равной жесткости, которую ему придают кольцевые выступы, при этом последние являются эффективными теплоотводами, обеспечивающими надежную стабилизацию размеров и формы поршня при нагреве. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поршень, содержащий головку с днищем и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца, бобышки с отверстиями под поршневой палец и сочлененную с головкой юбку, имеющую внутреннюю поверхность, соосную с головкой, и наружную поверхность, в поперечном сечении имеющую форму эллипса, малая ось которого параллельна оси отверстий в бобышках, причем днище имеет внутреннюю торцевую поверхность, а бобышки выступают внутрь поршня и имеют боковые стороны, при этом нижняя канавка под нижнее маслосъемное кольцо имеет нижнюю и верхнюю стенки и дно, а между головкой и юбкой выполнены сквозные прорези в плоскости, проходящей ниже плоскости верхней стенки нижней канавки и на дуге, составляющей менее половины окружности головки, так что упомянутое сочленение головки с юбкой осуществлено в зоне бобышек, отличающийся тем, что в головке поршня выполнены сопряженные с ней два кольцевых выступа в виде секторов полого круглого цилиндра, соосного с головкой, причем наружная поверхность кольцевых выступов выполнена диаметром меньшим, чем диаметр дна упомянутой нижней канавки, с образованием зазора между ней и внутренней поверхностью юбки, причем упомянутое сопряжение головки с кольцевым выступом осуществлено их внутренней поверхностью с торцевой поверхностью днища и их наружной поверхностью с упомянутой плоскостью сквозных прорезей, причем внутренняя и наружная поверхности кольцевых выступов сопрягаются с обеими боковыми сторонами каждой из бобышек и, кроме того, обе поверхности сопрягаются одна с другой торцевой поверхностью кольцевых выступов. 2. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая торцевая поверхность кольцевых выступов выполнена на расстоянии от внутренней торцевой поверхности днища большем, чем нижняя канавка. 3. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая торцевая поверхность кольцевых выступов выполнена седловидной, при этом ближайшие к внутренней торцевой поверхности днища две ее точки находятся в плоскости, проходящей через ось головки перпендикулярно оси отверстий в бобышках, а наиболее удаленные в зонах сопряжения кольцевых выступов с боковыми сторонами бобышек.