ЖИДКОШТАМПОВАННЫЙ КОМПОЗИТНЫЙ ПОРШЕНЬ С ПРИРАБОТОЧНЫМ И АНТИФРИКЦИОННЫМ ПОКРЫТИЯМИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F02F3/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании поршней двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащих армированные головки и имеющие различные типы покрытий на юбке.

Известен поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с канавками под компрессионные кольца и юбку, причем параметры поршня (его головки и юбки) выполнены таким образом, чтобы в процессе работы поршня в цилиндре двигателя юбка приобретала оптимальные параметры, учитывающие как термические и динамические нагрузки, так и параметры масляного клина между поршнем и цилиндром (см., например, патент РФ 2007602, F 02 F 3/00, 1994).

Недостатком данной конструкции, как и конструкции аналогичных типов поршней, является то, что, несмотря на попытки оптимизировать профиль рабочей поверхности поршня путем задания ее геометрических параметров, в достаточной мере не удается снизить расход топлива и масла двигателя, шумность и токсичность без оптимизации диаметрального зазора по жаровому поясу головки поршня, т.к. применяемые в известном техническом решении геометрические параметры не являются оптимальными для композитного поршня, имеющего антифрикционное и приработочное покрытие.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, принятым в качестве прототипа, является поршень с антифрикционным и приработочным покрытиями (преимущественно на основе дисульфида молибдена с различными типами высокотемпературных добавок) для автомобильного двигателя, содержащий головку с жаровым поясом, армированную кварцевыми волокнами, канавками под компрессионные и маслосъемное кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью (см. патент СССР 1839697, F 02 F 3/00, опубл. 1993 г.)
Недостатком данной конструкции является то, что хотя данный поршень имеет армированную кварцевыми волокнами головку, приработочное и антифрикционное покрытия, что в конечном итоге повышает его надежность и работоспособность, его конструктивные и геометрические параметры не сбалансированы относительно условий его работы в двигателе, т.е. в настоящее время не найдены оптимальные параметры поршня, учитывающие в достаточной мере сложность динамических и тепловых процессов, происходящих в двигателе при движении такой конструкции поршня в цилиндре.

Целью настоящего изобретения, т.е. тем техническим результатом, который предполагается получить от использования настоящего изобретения, является повышение топливной экономичности, снижения расхода масла на угар, шумности и токсичности отработавших газов путем оптимального подбора его геометрических параметров.

Поставленный результат достигается за счет того, что в жидкоштампованном композитном поршне для автомобильного двигателя с приработочным и антифрикционным покрытиями, содержащем головку с жаровым поясом, армированную кварцевыми волокнами и канавками под компрессионные и маслосъемное кольца, и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, геометрические параметры головки и юбки выполнены в соответствии с соотношениями
Δ₁/D_ц=(2,4...2,59)•10^-3;
Δ₂/D_ц=(0,88...0,94)•10^-3;
Δ₃/D_ц=(0,65...0,78)•10^-3;
Δ₄/D_ц=(0,06...0,075)•10^-3;
Н_о/D_ц=(0,55...0,59)•10^-3,
где Δ_1 1 - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;
Δ₂ - диаметральное отклонение в нижней кромке межколечной перемычки от номинального диаметра поршня, мм;
Δ₃ - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;
Δ₄ - диаметральное отклонение в нижней кромке юбки от номинального диаметра поршня, мм;
Н_о - расстояние от днища поршня до зоны максимального диаметра поршня;
D_ц - диаметр цилиндра;
Кроме того, отношение высоты жарового пояса Н_г к диаметру цилиндра D_ц может быть выполнено равным 0,034...0,049 для двигателей с искровым зажиганием и 0,085...0,090 - дизельных двигателей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан поршень с бочкообразной поверхностью, на фиг.2 - вид I по фиг.1.

Поршень для ДВС содержит головку 1 с жаровым поясом 2, армированную кварцевыми волокнами и с приработочным и антифрикционным высокотемпературными покрытиями, канавки 3 под компрессионные и маслосъемное кольца (условно не показаны), юбку 4 с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью 5.

Диаметральное отклонение Δ₁ в верхней кромке 6 жарового пояса 2 от номинального диаметра поршня D_п относительно диаметра цилиндра D_ц выполнено равным (2,4...2,59)•10^-3. Диаметральное отклонение Δ₂ в нижней кромке 7 первой межколечной перемычки 8 от номинального диаметра поршня D_п относительно диаметра цилиндра D_ц выполнено равным (0,88. ..0,94)•10^-3.Диаметральное отклонение Δ₃ в верхней зоне 9 юбки 4 от номинального диаметра поршня, относительно диаметра цилиндра D_ц, выполнено равным (0,65...0,78)•10^-3. Диаметральное отклонение Δ₄ в нижней кромке 10 юбки 4 от номинального диаметра поршня D_п относительно D_ц выполнено равным (0,06...0,075)•10^-3. Причем отношение расстояния Н_о (расстояние от днища поршня до зоны максимального диаметра поршня) к диаметру цилиндра D_ц выбирается в пределах (0,55... 0,59)•10^-3.

Для двигателей с искровым зажиганием вводят дополнительный параметр профилирования: отношение высоты жарового пояса Н_г к диаметру цилиндра D_ц, которое выбирается в пределах 0,034...0,049. Для дизельных двигателей отношение Н_г/D_ц выбирается равным 0,085...0,090. Отклонения Δ₁, Δ₂, Δ₃, Δ₄ задаются без учета наличия фасок в точках 6, 7, 9 и 10.

Изготовление поршней с геометрическими параметрами, описанными выше, позволяет учитывать динамику колебаний поршня на масляном слое, его тепловую деформацию, и получать изделия способствующие снижению механических потерь в цилиндропоршневой группе, уменьшению так называемых вредных объемов и токсичности газов, уменьшению интенсивности перекладок поршня и шумности двигателя, снижению расхода картерных газов и повышению экономичности по топливу и маслу.

Например, испытания опытных поршней, изготовленных в соответствии с изобретением по сравнению с поршнями двигателя ВАЗ-1111, показали уменьшение удельного эффективного расхода топлива на 6...12%, увеличение крутящего момента на 10...15%, снижение шума на 2,5...3 дБ и расход масла на угар на 10%. С поршнями двигателя КамАЗ снижение: удельного расхода топлива на 2...3 г/лс•ч, шума на 1,2...2 дБ, дымности отработавших газов на 10...15 едениц шкалы Хатриджа, окиси углерода на 8...10%, углеводородов на 10...13%, частиц на 10...15%.

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение при проектировании и изготовлении жидкоштампованных композитных поршней для ДВС, имеющих армированную головку и снабженных различными типами антифрикционных и приработочных покрытий. Сущность изобретения заключается в том, что геометрические параметры составляющих частей поршня выбраны таким образом, что позволяют с оптимальной степенью учитывать его геометрические параметры и режимы работы его в двигателе. Изобретение позволяет повысить топливную экономичность, снизить расход тепла на угар, шумность и токсичность отработавших газов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Жидкоштампованный композитный поршень с приработочным и антифрикционным покрытиями для автомобильного двигателя, содержащий головку, армированную кварцевыми волокнами с жаровым поясом и канавками под компрессионные и маслосъемное кольца, и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, отличающийся тем, что геометрические параметры головки и юбки выполнены в соответствии с соотношениями
Δ₁/D_ц = (2,4. . . 2,59)•10^-3;
Δ₂/D_ц = (0,88. . . 94)•10^-3;
Δ₃/D_ц = (0,65. . . 0,78)•10^-3;
Δ₄/D_ц = (0,06. . . 0,075)•10^-3;
Н_о/D_ц = (0,55. . . 0,59)•10^-3,
где Δ₁ - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;
Δ₂ - диаметральное отклонение в нижней кромке первой межколечной перемычки от номинального диаметра поршня, мм;
Δ₃ - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;
Δ₄ - диаметральное отклонение в нижней кромке юбки от номинального диаметра поршня, мм;
Н_о - расстояние от днища поршня до зоны максимального диаметра поршня;
D_ц - диаметр цилиндра. 2. Поршень по п. 1 отличающийся тем, что отношение высоты жарового пояса Н_г к диаметру цилиндра D_ц выполнено равным 0,034. . . 0,049. 3. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что отношение высоты жарового пояса Н_г к диаметру цилиндра D_ц выполнено равным 0,085. . . 0,090.