ПОРШЕНЬ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F02F3/02 

Изобретение касается поршня для двигателя внутреннего сгорания согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Ограничительную часть составляет поршень заявки DE 102008002536 A1.

В двигателях внутреннего сгорания периодически в конце такта сжатия и в начале такта расширения воспламеняется и сжигается топливно-воздушная смесь. У двигателей с линейным движением поршня это происходит в камере сгорания, которая ограничивается в направлении картера поршнем, движущимся в цилиндре вверх и вниз. Поршень шатуном соединен с коленчатым валом. Для соединения поршня с шатуном служит, в свою очередь, поршневой палец, который помещен в пальцевой бобышке, выполненной в поршне.

В последние годы у двигателей возникла усиленная тенденция к непосредственному впрыску в сочетании с турбонаддувом. Для разработки поршней это развитие несет с собой новые требования, в частности, в отношении постоянно повышающихся давлений вспышки вместе с увеличивающимся запаздыванием основного сгорания, которые выражаются в высоких нагрузках на юбку поршня от боковых усилий. Вследствие повышенных нагрузок традиционные концепции поршня все реже оказываются достаточными для выполнения требований, в частности, в отношении требуемой долговечности.

Для того чтобы справиться с повышенными нагрузками, в DE 102009032379 A1 описан поршень с коробчатыми стенками на стороне юбки поршня, оказывающей боковое давление на зеркало цилиндра, которые проходят прямолинейно и таким образом наискосок, что расстояние между коробчатыми стенками в области пальцевых бобышек больше, чем в области стенки юбки на стороне юбки поршня, оказывающей боковое давление на зеркало цилиндра. Это должно улучшать привязку стенки юбки и коробчатой стенки.

В EP 0913566 A2 описан охлаждаемый поршень для двигателей внутреннего сгорания, у которого внутри поршня выполнен канал охлаждения, отличающийся местом входа, которое находится вне юбки поршня. Благодаря этому достигается улучшенное охлаждение.

В DE 2008002536 A1, которая уже была процитирована в качестве ограничительной части, описывается поршень, который на стороне давления отличается соединительными стенками, являющимися практически прямыми, а на стороне юбки поршня, противоположной давлению на зеркало цилиндра, изогнутыми стенками. Это сокращает испускание шума и способствует более высокой нагрузочной способности.

Из DE 4019968 C2 известен поршень, у которого так называемая юбочная часть поршня на наружной стороне по меньшей мере в отдельных областях имеет эллиптическую форму.

Также под термином «поршень с уменьшенной поверхностью трения» или «юбка с уменьшенной поверхностью трения» стали известны поршни, включающие в себя стенки юбки и коробчатые стенки, которые при низком весе должны обеспечивать высокую нагрузочную способность.

У высоконагруженных поршней возникает тенденция к трещинам в коробчатой стенке в области привязки коробчатой стенки к юбке поршня. Эти трещины вызываются изгибающим моментом, который возникает при деформации юбки поршня при давлении вспышки и действует в области перехода от юбки поршня к коробчатой стенке. Традиционные методы, в частности попытка более или менее большого переходного радиуса между коробчатой стекой и боковой стенкой, не смогли решить эту проблему удовлетворяющим образом.

В основе изобретения лежит задача создать поршень с уменьшенным образованием трещин в коробчатой стенке в области привязки юбки поршня к коробчатой стенке.

Решение этой задачи осуществляется с помощью поршня, описанного в п.1 формулы изобретения.

Соответственно этому предусмотрен поршень для применения в двигателях внутреннего сгорания, причем этот поршень имеет юбку поршня, включающую в себя стенки юбки и коробчатые стенки, при этом стенки юбки и коробчатые стенки ограничивают выемку, при этом по меньшей мере одна стенка юбки предусмотрена для использования на стороне давления в смонтированном состоянии, и который отличается тем, что в области этой стенки юбки выемка ограничена по существу в форме параболы, эллиптического участка или катеноиды, причем эта парабола, этот эллиптический участок или эта катеноида лежат в плоскости, которая по существу параллельна днищу поршня. Другими словами, описанная форма выемки имеет место по меньшей мере в одном сечении плоскостью сечения, перпендикулярной оси поршня.

В частности, форма катеноиды, то есть форма, которую принимает свободно висящая цепь или свободно висящий трос под действием силы тяжести, обладает тем преимуществом, что при ее использовании в качестве опорной линии нагрузка от боковых усилий в идеальном случае уравновешивается только нормальными усилиями, т.е. изгибающий момент не возникает. Но также формы, более простые в изготовлении, чем катеноиды, могут компенсировать разные состояния нагрузки. Потому что оказалось, что целесообразно не допускать возникновения горизонтальной компоненты, обусловленной действующим нормальным усилием. На практике это приближенно реализуется путем применения эллиптического участка или параболы. Преимущество этой конфигурации в том, что реализуется возможность передачи высоких боковых усилий поршня при только умеренном увеличении веса.

Ось симметрии катеноиды или параболы или главная ось эллипса располагается предпочтительно по прямой, которая исходит от соответствующей стенки юбки, предпочтительно ее середины вдоль окружной протяженности. Иначе говоря, точка вершины катеноиды или параболы или главная вершина эллипса лежит на каждой соответствующей стенке юбки и предпочтительно на ее середине вдоль окружного направления.

Кроме того, предпочтительно, чтобы ось симметрии или, соответственно, главная ось проходила между двумя коробчатыми стеками. Ее направление при этом предпочтительно по существу параллельно коробчатым стенкам и/или перпендикулярно прямой, проходящей через центральные точки возможных бобышек поршня. В частности, в случае эллипса малая ось предпочтительно проходит между коробчатыми стенками и в области между соединительной линией между центральными точками бобышек поршня и участком стенки юбки. Соответственно этому рассматриваемый эллипс может, например, доходить от участка стенки юбки до области между бобышками поршня. Таким образом, длина малой оси эллипса по существу соответствует расстоянию между коробчатыми стенками, а главная ось эллипса соответствует по существу половине диаметра поршня. Предпочтительно малая ось эллипса проходит параллельно оси поршня, то есть соединительной линии между центральными точками бобышек поршня.

Здесь и в остальной части заявки под стенками юбки понимается та часть наружного периметра поршня, которая при использовании прилегает к стенкам цилиндра двигателя внутреннего сгорания и соответственно этому по существу является цилиндрической. Коробчатые стенки, в отличие от этого, представляют собой отодвинутые назад (внутрь) части наружного периметра поршня.

Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах 2-13 формулы изобретения.

Кроме того, предпочтительно, чтобы область в направлении, перпендикулярном днищу поршня, проходила на участке, который одновременно включает в себя противолежащий днищу поршня край юбки поршня. Это имеет то преимущество, что край поршня, который относится к сильнее всего нагруженным частям, выигрывает от предлагаемой изобретением конфигурации и поэтому, в частности, здесь предотвращаются разрушения и ослабления материала.

Кроме того, предпочтительно, чтобы указанная по меньшей мере одна область в направлении, перпендикулярном днищу поршня, проходила на участке, который заканчивается днищем поршня. Благодаря этому предотвращаются переходы между участками выемки с формой в соответствии с изобретением и другими без этой формы, что предотвращает потенциальные напряжения между этими областями. Это имеет, кроме того, то преимущество, что дополнительно повышается стабильность поршня, так как теперь большего размера поверхность поршня становится более жесткой.

Также предпочтительно, чтобы область выемки, которая имеет вышеназванную геометрическую форму, проходила по меньшей мере по всей ширине стенки юбки. Это имеет то преимущество, что здесь также дополнительно повышается жесткость стенки юбки. Кроме того, здесь также предотвращаются переходы между участками стенки выемки с геометрической формой и участками без этой конфигурации, благодаря чему здесь также предотвращаются напряжения, которые могли бы способствовать ослаблению материала.

Кроме того, предпочтительно, чтобы отдельная область выемки, которая имеет вышеназванную геометрическую форму, проходила по одной или всем коробчатым стенкам поршня. Здесь также имеется то преимущество, что жесткость и прочность стенки юбки дополнительно повышаются по сравнению с предыдущими предпочтительными вариантами осуществления. Такие области могут, например, составлять соответственно 10%, 20%, 50% или 100% окружной протяженности каждой коробчатой стенки.

Кроме того, эта конфигурация позволяет расположить коробчатые стенки, если смотреть от центра поршня, радиально «внутри» на пальцевых бобышках. В то время как в других поршнях пальцевые бобышки большей частью находятся внутри коробчатых стенок, у предлагаемого изобретением поршня это предпочтительно иначе. Это имеет то преимущество, что предлагаемая изобретением опорная линия не прерывается. Таким образом, поршень отличается еще раз увеличенной прочностью. Кроме того, это приводит к усилению жесткости блочной опоры.

Другой предпочтительный вариант осуществления заключается в том, что все пальцевые бобышки имеют конфигурацию, как описано выше. Это имеет то преимущество, что теперь уже обе стороны поршня ведут себя симметрично, и поэтому нагрузка с обеих сторон воспринимается примерно одинаково, что выражается в уменьшенном износе.

Другой предпочтительный вариант осуществления заключается в том, что стенка юбки на стороне давления, начиная от прямой, которая находится напротив линии вершин геометрической фигуры выемки ближе всего к наружной стенке, по меньшей мере в одном окружном направлении имеет увеличивающуюся толщину. Это имеет то преимущество, что на сторонах поршня большим количеством материала воспринимаются более сильные нагрузки. Благодаря этому увеличивается нагрузочная способность поршня.

Другой предпочтительный вариант осуществления заключается в том, что стенка юбки на стороне давления, начиная от прямой, которая находится напротив линии вершин геометрической фигуры выемки ближе всего к наружной стенке, в обоих окружных направлениях имеет увеличивающуюся толщину. Это имеет то преимущество, что теперь уже обе стороны стенки юбки ведут себя одинаково и таким образом предотвращаются напряжения и износ стороны, выполненной с меньшей толщиной.

Кроме того, предпочтительно, чтобы обе названные последними формы конфигурации имели место также на стороне противодавления. Даже если эта сторона подвержена меньшему давлению, все же и здесь целесообразно предотвращать износ и напряжения, поэтому эти варианты осуществления выражаются в уменьшенном износе.

Кроме того, предпочтительно, чтобы в поршне стенки юбки на переходе к коробчатым стенкам были толще них. Это имеет то преимущество, что можно работать, экономя материал, так как стенки юбки являются частями поршня, которые подвержены сильным нагрузкам, в то время как коробчатые стенки нагружаются сравнительно мало.

Кроме того, предпочтителен поршень, у которого толщина одной, предпочтительно всех коробчатых стенок увеличивается по мере движения от линии, которая лежит на поверхности выемки и находится ближе всего к центральной оси поршня, в направлении стенок юбки. Это имеет то преимущество, что благодаря этому переход к стенкам юбки может выполняться более непрерывным, так как при этом можно избежать перехода между стенками с очень разными толщинами.

Фиг.1 представляет собой вид предлагаемого изобретением поршня снизу.

Подробное описание одного из предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения теперь описывается со ссылкой на фиг.1.

Изображенный на ней поршень 10 имеет бобышки 18 поршня, которые выполнены в юбке 24 поршня, для приема поршневого пальца (не изображен). Юбка 24 поршня включает в себя две стенки 12, 14 юбки и две коробчатые стенки 16, которые охватывают выемку 20. В смонтированном состоянии поршневой палец (не изображен) проходит сквозь бобышки 18 поршня, которые выполнены в коробчатых стенках 16, и выемку 20.

Стенки 12, 14 юбки, в зависимости от того, предусмотрены ли они для использования на стороне DS давления, или на стороне GDS противодавления, выполнены различно: внутренняя сторона 22 стенки 12 юбки на стороне давления выполнена в виде параболы, причем эта парабола выполнена сплошной от края стенки юбки до днища поршня, в то время как внутренняя сторона стенки 14 юбки на стороне противодавления не выполнена таким образом.

При этом эта парабола располагается так, что ее вершина лежит в окружном направлении в середине соответствующей стенки 14 юбки. Кроме того, ось симметрии параболы проходит перпендикулярно соединительной линии между центральными точками бобышек 18 поршня.

Кроме того, коробчатые стенки 16 находятся «внутри» на пальцевых бобышках 18, т.е. они проходят, если смотреть от центральной оси поршня, через наружную поверхность соответствующей коробчатой стенки 16 наружу за ее пределы. Кроме того, в изображенном поршне стенки 12, 14 юбки в месте их стыка с коробчатыми стенками 16 шире их, и место стыка отличается также переходом между коробчатой стенкой и стенкой юбки, в котором наружная поверхность на переходе имеет выступ наружу. Этот выступ получается оттого, что стенка юбки по существу следует форме поршня, в то время как коробчатая стенка по меньшей мере в местах стыка между коробчатой стенкой и стенкой юбки располагается примерно перпендикулярно к этой поверхности. Кроме того, стенка 12, 14 юбки становится толще по мере удаления от прямой, которая в случае стороны давления удаляется от точки вершины геометрической фигуры или в случае стороны противодавления - от диаметрально противоположной линии GDS.

Изобретение относится к автомобилестроению, в частности к поршням для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Поршень (10) для ДВС содержит юбку (24) поршня, включающую в себя стенки (12) юбки (24) и коробчатые стенки (16). Стенки (12) юбки (24) и коробчатые стенки (16) ограничивают выемку (20). По меньшей мере одна стенка (12) юбки (24) предусмотрена для использования на стороне давления поршня (10) в смонтированном состоянии. При этом в области (22) стенки (12) юбки выемка (20) ограничена по существу в форме параболы, или эллиптического участка, или катеноиды. Причем эта парабола, или эллиптический участок, или катеноида лежат в плоскости, которая параллельна днищу поршня. Изобретение позволяет уменьшить образование трещин в коробчатой стенке в области привязки юбки поршня к коробчатой стенке. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Поршень (10) для применения в двигателях внутреннего сгорания;
поршень имеет юбку поршня, включающую в себя стенки (12) юбки и коробчатые стенки (16);
стенки (12) юбки и коробчатые стенки (16) ограничивают выемку (20);
по меньшей мере одна стенка (12) юбки предусмотрена для использования на стороне давления поршня (10) в смонтированном состоянии;
отличающийся тем, что
в области (22) этой стенки (12) юбки выемка (20) ограничена по существу в форме параболы, эллиптического участка или катеноиды, причем эта парабола, этот эллиптический участок или эта катеноида лежат в плоскости, которая по существу параллельна днищу поршня.

2. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что указанная по меньшей мере одна область в направлении, перпендикулярном днищу поршня, проходит на участке, который одновременно включает в себя противоположный днищу поршня край юбки поршня.

3. Поршень по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанная по меньшей мере одна область (22) проходит в направлении, перпендикулярном днищу поршня, на участке, который заканчивается днищем поршня.

4. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что указанная по меньшей мере одна область (22) выемки (20) проходит по всей ширине стенки (12) юбки.

5. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что указанная по меньшей мере одна область (22) выемки (20) проходит по меньшей мере по одной области одной из коробчатых стенок (16).

6. Поршень по п. 5, отличающийся тем, что указанная по меньшей мере одна область (22) выемки (20) проходит по областям всех коробчатых стенок поршня.

7. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что бобышки (18) поршня для приема пальца выполнены на коробчатых стенках (16), причем по меньшей мере одна такая бобышка (18) поршня проходит, если смотреть от центральной оси поршня, наружу за пределы наружной поверхности соответствующей коробчатой стенки (16).

8. Поршень по п. 7, отличающийся тем, что все бобышки (18) поршня, которые выполнены в коробчатых стенках (16) для приема пальца, если смотреть от центральной оси поршня, проходят наружу за пределы наружной поверхности соответствующей коробчатой стенки (16).

9. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что стенка (12) юбки на стороне (DS) давления, начиная от прямой, которая находится напротив линии вершин геометрической фигуры выемки (20) ближе всего к наружной стенке, по меньшей мере в одном окружном направлении имеет увеличивающуюся толщину.

10. Поршень по п. 9, отличающийся тем, что стенка (12) юбки на стороне (DS) давления, начиная от прямой, которая находится напротив линии вершин геометрической фигуры выемки (20) ближе всего к наружной стенке, в обоих окружных направлениях имеет увеличивающуюся толщину.

11. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что стенка (14) юбки на стороне (GDS) противодавления, от прямой на наружной стенке поршня, которая относительно центральной оси поршня находится диаметрально противоположно линии вершин геометрической фигуры выемки (20), по меньшей мере в одном, предпочтительно в обоих окружных направлениях имеет увеличивающуюся толщину.

12. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что одна или несколько, предпочтительно все стенки (12, 14) юбки на переходе к коробчатым стенкам (16) толще них.

13. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что толщина одной, предпочтительно всех коробчатых стенок (16) увеличивается по мере движения от линии, которая лежит на поверхности выемки и находится ближе всего к центральной оси поршня, в направлении стенок (12, 14) юбки.