СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОФИЛЯ БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОРШНЯ ДВС Российский патент 2005 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для оптимизации конструктивных параметров цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ оптимизации профиля боковой поверхности поршня, положения поршневых колец и минимального зазора между поршнем и цилиндром двигателя в холодном состоянии [1], заключающийся в том, что двигатель выводят на заданные режимы, и измеряют толщину масляного слоя между поршнем и цилиндром двигателя, и производят измерение толщины масляного слоя между боковой поверхностью цилиндра и боковой поверхностью кольца. Измерения толщины масляного слоя производят дискретно в сечениях между зонами остановки головки поршня в наружной мертвой точке и юбки поршня во внутренней мертвой точке, измеряют температуру головки поршня и сравнивают измеренные значения толщины масляного слоя и температуры с эталонными значениями для данного типа двигателя, при их несоответствии производят уточнение профиля боковой поверхности поршня, положения поршневых колец и зазора между поршнем и цилиндром и повторяют испытания до получения результатов, соответствующих эталонным параметрам.

Данный способ позволяет уменьшить расход топлива, снизить шум и токсичность отработавших газов.

Однако оптимизация поверхности поршня проводится только с учетом толщины масляного слоя и температуры и сравнения их с эталонными значениями уже существующих поршней для определенного типа двигателя, и не позволяет осуществлять оптимизацию конструктивных параметров при разработке новых поршней в зависимости от различных режимов работы двигателя и для разных типов двигателя, и не обеспечивает достаточное снижение шума, расхода топлива и не повышает надежность работы двигателя.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ оптимизации диаметральных зазоров между поршнем и цилиндром двигателя в холодном состоянии [2], включающем головку с донцем и юбку, заключающийся в том, что двигатель выводят на заданный номинальный режим и производят определение тепловых деформаций по отдельным участкам боковой поверхности поршня при заданных режимах работы двигателя и корректировку профиля боковой поверхности поршня на величину деформаций в зависимости от толщины масляного слоя и с учетом момента срыва масляного слоя на уровне микронеровностей. Производят уточнение диаметральных зазоров по отдельным зонам поршня, сравнивая параметры с эталонными значениями для данного типа двигателя.

Данный способ позволяет снизить расход топлива, шум и токсичность отработавших газов.

Однако этот способ также имеет недостатки в связи с привязкой измерений толщины масляного слоя и температуры с эталонными значениями для конкретного типа двигателя и не позволяет оптимизировать при разработке новых поршней конструктивные параметры поршня для различных типов двигателя в зависимости от различных режимов работы с учетом воздействия температуры на поршень и возникающих деформаций при реальной работе двигателя. Кроме того, проблема снижения расхода топлива, шума остается не до конца решенной. Не удалось также обеспечить приемлемую надежность работы двигателя.

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа оптимизации профиля боковой поверхности поршня ДВС, в котором путем воздействия на поршень температуры, возникающей при нагрузке в 1,1-1,3 раза превышающей номинальную нагрузку двигателя, определяют распределение тепловых деформаций по участкам боковой поверхности поршня и осуществляют температурную коррекцию боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, уменьшая радиусы боковой поверхности поршня на величину локальных тепловых деформаций участков, что позволяет осуществлять оптимизацию конструктивных параметров при разработке новых поршней для различных типов двигателя независимо от его эталонных параметров и толщины масляного слоя, и значительно снизить расход топлива, шум, и повысить надежность работы двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе оптимизации профиля боковой поверхности поршня ДВС, имеющего головку с донцем и юбку, и включающем определение тепловых деформаций на локальных участках боковой поверхности поршня при заданных режимах работы двигателя и корректировку профиля боковой поверхности поршня на величину деформаций, согласно изобретению определяют температуру Т_hϕ локальных участков боковой поверхности цилиндрического поршня с исходным радиусом R при работе двигателя под нагрузкой, которая в 1,1-1,3 раза превышает его номинальную нагрузку, по полученным значениям Т_hϕ определяют распределение локальных тепловых деформаций ΔR_T(h, ϕ) по боковой поверхности поршня, где

h - высота локального участка боковой поверхности поршня от донца поршня;

ϕ - угловая координата локального участка боковой поверхности поршня, и осуществляют температурную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, равным величине

Кроме того, после температурной коррекции профиля боковой поверхности поршня определяют распределение локальных деформаций участков боковой поверхности поршня ΔR_F1(h, ϕ) от давления на донце поршня, которое в 1,05-1,1 раза больше максимального давления в режиме работы двигателя с максимальным моментом в цилиндре, диаметр которого равен максимальному диаметру юбки поршня D_Tmax, и который выполнен с возможностью радиальной деформации, и осуществляют дополнительную нагрузочную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, равным величине

Кроме того, после температурной и нагрузочной коррекции профиля боковой поверхности поршня определяют распределение локальных деформаций участков боковой поверхности поршня ΔR_J(h, ϕ) от ускорения J, равного максимальному ускорению при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента, и осуществляют дополнительную ускорительную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, равным величине

Предпочтительно после температурной и нагрузочной коррекции профиля боковой поверхности поршня определять распределение максимального значения R_т,F1(h)_мах по высоте h и осуществлять дополнительную температурную и нагрузочную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, равным величине

Кроме того, после температурной, нагрузочной и ускорительной коррекции профиля боковой поверхности поршня определяют распределение максимального значения R_T,F1,J(h)_мах по высоте h и осуществляют дополнительную температурную, нагрузочную и ускорительную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, равным величине:

Предпочтительно после коррекции профиля боковой поверхности поршня определять максимальный диаметр юбки поршня D_Fmax и измерять угол α поворота оси поршня от оси цилиндра при работе поршня в цилиндре, диаметр которого равен максимальному диаметру юбки поршня D_Fmax, увеличенному на величину наибольшего допустимого износа цилиндра, и при давлении на донце поршня в 1,05-1,1 раза превышающем максимальное давление при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента, определять локальные радиусы поршня относительно оси цилиндра R_F2(α, h, ϕ), определять распределение R_F2(α, h, ϕ)_mах по высоте h и осуществлять коррекцию профиля боковой поверхности головки поршня путем уменьшения радиуса каждого ее локального участка на величину

Кроме того, локальные радиусы боковой поверхности поршня увеличивают на величину тепловой деформации ΔR_c гильзы цилиндра двигателя и уменьшают на величину установочного зазора ΔR_cy.

Воздействие на боковую поверхность юбки и головки поршня температурой, соответствующей температуре, возникающей при работе двигателя под нагрузкой, в 1,1-1,3 раза превышающей его номинальную нагрузку, создает условия, максимально приближенные к реальным условиям протекания тепловых процессов в двигателе при допустимом перегреве, и вызывает тепловые расширения по боковым поверхностям юбки и головки поршня вследствие физических свойств материала поршня. При этом оптимизацию боковой поверхности поршня проводят, взяв за основу поршень с постоянным радиусом R боковой поверхности, т.е. поршень с цилиндрической поверхностью, что делает возможным осуществление оптимизации боковой поверхности поршня для различных типов двигателя. Под воздействием температуры происходит неравномерное расширение поверхности поршня в зависимости от тепловой нагрузки на каждую точку боковой поверхности поршня. Уменьшение локальных радиусов на величину тепловых деформаций позволяет получить боковую поверхность юбки и головки поршня с геометрическими характеристиками, при которых зазоры между стенками цилиндра и поршня в рабочем состоянии являются минимальными, что влияет на снижение шума, расхода топлива и повышение надежности работы двигателя.

Таким образом, осуществляют температурную коррекцию профиля боковой поверхности поршня.

Кроме того, воздействие на поршень давлением, в 1,05-1,1 раза превышающим максимальное давление, возникающее при работе двигателя при режиме максимального момента, позволяет учесть воздействие давления на поршень и локальную деформацию, возникающую при этом режиме, а помещение поршня в цилиндр с диаметром равным максимальному диаметральному размеру юбки, позволяет приблизить реальные условия протекания процессов в двигателе. Причем при работе двигателя в режиме максимального крутящего момента возникает максимальное давление, действующее на поршень, что вызывает максимальную деформацию поверхности поршня.

Данный способ учитывает возникающие локальные деформации при задании поршню ускорения, которое равно ускорению при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента, что также приближает условия оптимизации к условиям реальной работы двигателя.

Таким образом, данный способ оптимизация боковой поверхности поршня позволяет осуществлять температурную коррекцию с учетом локальных деформаций, возникающих от температурного воздействия, на поршень в режиме, превышающем режим номинальной нагрузки двигателя, нагрузочную коррекцию с учетом локальных деформаций, возникающих от давления на режиме превышающем режим максимального крутящего момента, и ускорительную коррекцию с учетом локальных деформаций от ускорения, возникающего на режиме максимального крутящего момента, и позволяет оптимизировать геометрические параметры поршня при разработке новых поршней для различных типов двигателя, не привязывая их к эталонным значениям для какого-либо конкретного типа двигателя.

Способ оптимизации профиля боковой поверхности поршня ДВС осуществляется следующим образом.

Поршень постоянного радиуса R, свободно опирающийся на пальцевое отверстие, нагревают через донце тепловым потоком, мощность которого соответствует температуре поршня при работе двигателя под нагрузкой, превышающей в 1,1-1,3 раза его номинальную нагрузку. При этом происходит тепловое расширение по боковой поверхности поршня, в том числе юбки и головки. Измеряют тепловую деформацию поверхности поршня ΔR_T(h, ϕ) по всей высоте поршня h, учитывая угловую координату ϕ локального участка боковой поверхности поршня в зависимости от угла поворота кривошипа. Затем уменьшают радиусы боковой поверхности поршня на величину тепловой деформации и определяют локальные радиусы боковой поверхности поршня

После этого измеряют максимальный диаметральный размер юбки поршня D_tmax, Поршень помещают в цилиндр, диаметр которого равен максимальному диаметру юбки поршня D_Tmax, и выполненный с возможностью радиальной деформации. На донце поршня воздействуют давлением, в 1,05-1,1 раза превышающим максимальное давление поршня, возникающим при работе двигателя на режиме максимального момента. Измеряют распределение локальных деформаций от давления ΔR_F1(h, ϕ) по участкам боковой поверхности поршня и уменьшают локальные радиусы R_т(h, ϕ) участков боковой поверхности юбки поршня на величину локальной деформации участков ΔR_F1(h, ϕ). Определяют локальные радиусы боковой поверхности поршня в зависимости от давления и получают радиус каждого ее локального участка, равным величине

Затем поршню задают ускорение J, равное максимальному ускорению при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента. Измеряют локальные деформации от ускорения Δr_j(h, ϕ) и уменьшают локальный радиус R_T,F1(h, ϕ) поршня на величину локальной деформации от ускорения Δ R_j(h, ϕ), а затем определяют локальный радиус, равный величине

Затем определяют максимальное значение локального радиуса R_t,f1,(h)_mах для каждого расстояния h от донца поршня и осуществляют температурную и нагрузочную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, равным величине

После этого определяют максимальные значения Р_т,F1,J(h)_mах каждого расстояния h от донца и осуществляют дополнительную температурную, нагрузочную и ускорительную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка, равным величине

После этого определяют максимальный диаметр юбки поршня D_Fmax. Поршень помещают в цилиндр диаметром, равным максимальному диаметру юбки поршня D_Fmax, увеличенному на величину наибольшего допустимого износа цилиндра, и воздействуют на донце поршня давлением, в 1,05-1,1 раза превышающем максимальное давление при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента. Измеряют угол α поворота оси поршня от оси цилиндра, определяют локальные радиусы поршня относительно оси цилиндра и R_F2(α, h, ϕ), выбирают наибольший R_F2(α, h, ϕ)_mах на каждом расстоянии h от донца по головке поршня и уменьшают локальные радиусы участков боковой поверхности головки поршня на величину

Затем корректируют локальные радиусы боковой поверхности поршня на величину тепловой деформации ΔR_c гильзы цилиндра двигателя и установочного зазора ΔR_cy, при этом боковую поверхность поршня увеличивают на величину тепловой деформации ΔR_c гильзы цилиндра и уменьшают на величину установочного зазора ΔR_су.

В результате получают оптимальную боковую поверхность поршня ДВС с минимальными зазорами. Данный способ может быть применен при разработке новых поршней для различных типов двигателей.

Кроме того, распределение локальных деформаций боковой поверхности поршня может быть определено расчетным путем, к примеру с использованием известных расчетных пакетов на основе МКЭ (метода конечных элементов), например пакета COSMOS.

Таким образом, данный способ позволяет получить боковую поверхность поршня ДВС с учетом реальных процессов, происходящих в двигателе при максимальных нагрузках и максимальном моменте, произвести температурную коррекцию с учетом локальных деформаций, возникающих от температурного воздействия на поршень в режиме, превышающем режим номинальной нагрузки двигателя, нагрузочную коррекцию с учетом локальных деформаций, возникающих от давления на режиме, превышающем режим максимального крутящего момента, и ускорительную коррекцию с учетом локальных деформаций от ускорения, возникающего на режиме максимального крутящего момента, независимо от эталонных параметров поршня и толщины масляного слоя конкретного двигателя, и оптимизировать конструктивные параметры боковой поверхности поршня при разработке новых поршней для различных типов двигателя и тем самым значительно снизить расход топлива, шум и повысить надежность работы двигателя.

Возможность осуществления данного изобретения подтверждается разработкой новых конструкций поршней, которая была осуществлена в соответствии с заявленным способом, на ЗАО “Украинские моторы” и на ОАО “Автрамат” (Харьковский завод “Поршень”). Полученные геометрические параметры боковой поверхности поршней позволили значительно снизить расход топлива, шум и повысили надежность работы двигателя.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации № 2037802, МПК⁶ G 01 M 15/00, опубл. 19.06.1995.

2. Патент Российской Федерации № 2112951, МПК⁶ G 01 M 15/00, опубл. 10.06.1998.

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: определяют тепловые деформации на локальных участках боковой поверхности поршня при заданных режимах работы двигателя. Корректируют профиль боковой поверхности поршня на величину деформаций. Определяют температуры локальных участков боковой поверхности цилиндрического поршня с исходным радиусом при работе двигателя под нагрузкой, которая в 1,1-1,3 раза превышает его номинальную нагрузку, и по полученным значениям определяют распределение локальных тепловых деформаций по боковой поверхности поршня, после чего осуществляют температурную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка. Технический результат: повышение надежности. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ оптимизации профиля боковой поверхности поршня ДВС, имеющего головку с донцем и юбку, включающий определение тепловых деформаций на локальных участках боковой поверхности поршня при заданных режимах работы двигателя и корректировку профиля боковой поверхности поршня на величину деформаций, отличающийся тем, что определяют температуры Т_h,ϕ локальных участков боковой поверхности цилиндрического поршня с исходным радиусом R при работе двигателя под нагрузкой, которая в 1,1-1,3 раза превышает его номинальную нагрузку, по полученным значениям Т_h,ϕ определяют распределение локальных тепловых деформаций ΔR_T(h,ϕ) по боковой поверхности поршня, где h - высота локального участка боковой поверхности поршня от донца поршня; ϕ - угловая координата локального участка боковой поверхности поршня, и осуществляют температурную коррекцию профиля боковой поверхности поршня путем задания радиуса каждого ее локального участка равным величине