СОСТАВНОЙ ПОРШЕНЬ Советский патент 1994 года по МПК F02F3/14 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройству теплоизолированных керамическими вставками поршней дизелей.

Известен составной поршень, содержащий корпус, в головке которого размещена керамическая вставка, образующая камеру сгорания, опорные элементы, на которые установлена вставка, и компенсатор теплового расширения, выполненный в виде кольцевой тарельчатой пружины, прижимающей керамическую вставку к головке поршня по конической поверхности.

Однако упругие свойства тарельчатой пружины ухудшаются при нагреве, что приводит к снижению надежности известного крепления при высоких температурах. Кроме того, для обеспечения надежной компенсации разности температурных расширений деталей поршня в большом диапазоне температур необходимо создавать начальный избыточный прижим керамической вставки к головке, поскольку усилие прижима, развиваемое пружиной, будет ослабевать по мере нагрева поршня и самой пружины. Это приводит к возникновению дополнительных напряжений во вставке и повышению вероятности ее растрескивания.

Однако в известном устройстве используется один опорный элемент и один компенсатор расширения, в результате чего отсутствует возможность раздельного прижима отдельных фрагментов керамической вставки в случае ее растрескивания. Таким образом, возникает опасность выпадения фрагментов вставки, что недопустимо при работе двигателя.

Цель изобретения - повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что в составном поршне преимущественно для дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус, в головке которого свободно размещена керамическая вставка, имеющая поверхность контакта с головкой и по меньшей мере частично охватывающая камеру сгорания, опорные элементы, на которые установлена вставка, и компенсатор теплового расширения, последний размещен между корпусом поршня и вставкой и выполнен в виде набора биметаллических сегментов, причем опорные элементы и биметаллические сегменты равномерно расположены по окружности. Для защиты керамической вставки от растрескивания при воздействии низких температур биметаллические элементы могут быть закреплены консольно. Для удержания фрагментов при разрушении торцовой наружной части вставки ее торец закрыт кольцевым козырьком.

На фиг. 1 изображено крепление цилиндрической керамической вставки; на фиг. 2 - крепление вставки с днищем; на фиг. 3 - вариант консольного закрепления биметаллических элементов; на фиг. 4 - биметаллические элементы; на фиг. 5 - расположение биметаллических сегментов по окружности для креплений, изображенных на фиг. 1 и 2.

Поршень содержит керамическую вставку 1, окружающую камеру сгорания и при сборке поджатую головкой 2 к корпусу поршня 3 через биметаллические сегменты 4 и опорные элементы. Последние могут быть плоскими элементами 5 (см. фиг. 1 и 2) и служить для увеличения поверхности контакта вставки с биметаллическими сегментами или удлиненными элементами 6 (см. фиг. 3) для вынесения биметаллических сегментов 4 в более холодную область поршня.

Биметаллический сегмент может располагаться непосредственно между вставкой 1 и корпусом поршня 3 (фиг. 1 и 2) или закрепляться консольно (см. фиг. 3). В этом случае керамическая вставка 1 опирается на свободный конец 7 биметаллического сегмента 4. Для равномерного поджима вставки 1 биметаллические сегменты 4 и опорные элементы 5 и 6 распределены равномерно по периметру контактной поверхности.

Вставка изготавливается, например, из горячепрессованного нитрида кремния и контактирует с головкой 2 поршня по поверхности 8, которая может быть конической (фиг. 1 и 2). В этом случае торец вставки может быть закрыт козырьком 9, выполненным в головке 2 вокруг отверстия над камерой сгорания.

Для термокомпенсации в широком диапазоне температур может быть использован биметалл со знакопеременной термочувствительностью.

Поршень работает следующим образом.

Вариант выполнения изображен на фиг. 1 и 2. В холодном состоянии керамическая вставка 1 через плоский опорный элемент 5 и биметаллический сегмент 4 опирается на корпус поршня 3. Во время работы двигателя все детали поршня прогреваются и увеличиваются в размерах в соответствии со своим коэффициентом линейного расширения (≈ 2-4 ˙10^-6 град ^-1 у керамики, ≈ 12-21˙10^-6 град-¹ у используемых металлов: сталь, алюминий). Из-за большого КТР головка 2 расширяется больше, чем керамическая вставка 1, но одновременно прогреваются и изгибаются биметаллические сегменты 4, которые продолжают поджимать вставку 1 к головке 2 по конической поверхности 8. Поэтому детали 1 и 2 при любых температурах будут соприкасаться по поверхности 8 с возможностью их взаимного перемещения, практически не испытывая температурных напряжений. Необходимо только, чтобы прогиб биметаллического сегмента в свободном состоянии был больше термического зазора, который появился бы при жестком закреплении вставки 1 относительно головки 2.

Вариант выполнения на фиг. 3 иллюстрирует преимущества консольного закрепления сегментов. Здесь биметаллические сегменты не находятся в непосредственном контакте со вставкой 1, отделены от нее опорными элементами 6 (цилиндрические стержни или кольцо, разрезанное на сегменты) и вынесены на тыльную сторону поршня. Такое расположение учитывает допустимый для данного биметалла диапазон температур, при которых он работает в температурной области линейности.

Конкретная марка биметалла и его расположение в поршне выбирается в зависимости от уровня температур в камере сгорания работающего двигателя и температуропроводности используемых материалов.

Данный пример может быть реализован в двигателях, подвергаемых сильному охлаждению в неработающем состоянии, когда необходима термокомпенсация напряжений сжатия, возникающих в паре металл - керамика при низких температурах. При этом свободный конец биметаллического сегмента, изгибаясь, опускается вниз как под действием собственных изгибающих сил, так и под давлением со стороны вставки 1.

В горячем состоянии данное устройство работает аналогично описанному в варианте, изображенном на фиг. 1 и 2. Большая, чем в устройстве на фиг. 1 и 2, тепловая инерционность вынесенных на тыльную часть поршня биметаллических элементов компенсируется здесь большей их гибкостью благодаря консольному закреплению, что позволяет компенсировать температурные изменения размеров деталей за счет изгибного силового деформирования биметалла.

Если во время работы поршня (по любому из описанных вариантов) произойдет растрескивание керамической вставки по образующей, то каждый фрагмент вставки будет прижиматься по отдельности к поверхности 8 своим сегментом (поскольку последние равномерно распределены по окружности). Выпадения фрагментов вставки не произойдет. Защитой от выпадения фрагментов торцового цилиндрического участка вставки является козырек 9.

Таким образом в предлагаемом поршне использованы средства температурной компенсации и защиты от выпадения фрагментов разрушающейся керамики, что позволяет повысить надежность поршня при работе в большом интервале температур, всегда возникающем при использовании термоизолирующей керамической вставки. В предлагаемом поршне решена проблема совместимости деталей из материалов с очень разными свойствами путем максимального снижения температурных напряжений в них. Даже в случае растрескивания вставки двигатель защищен от выпадения ее частей благодаря возможности индивидуального поджима их биметаллическими элементами. В предлагаемом поршне также снижен уровень температурных напряжений, возникающих при сильном охлаждении двигателя. Консольное закрепление биметаллических сегментов в данной конструкции играет роль дополнительного "предохранителя" керамической вставки, позволяя за счет возможности изгибного силового деформирования упругого элемента снимать напряжения, не компенсированные по какой-либо причине биметаллом.

Сущность изобретения: поршень содержит корпус, в головке 2 которого свободно размещена керамическая вставка 1, имеющая коническую поверхность контакта с головкой и по меньшей мере частично охватывающая камеру сгорания, опорные элементы 5 и биметаллические сегменты 4, размещенные равномерно по окружности между корпусом и вставкой 1 для поджатия последней к головке. Даны варианты конструкции. Предлагаемая конструкция позволяет повысить надежность работы поршня. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. СОСТАВНОЙ ПОРШЕНЬ преимущественно для дизельного двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, в головке которого свободно размещена керамическая вставка, имеющая поверхность контакта с головкой и по меньшей мере частично охватывающая камеру сгорания, опорные элементы, на которые установлена вставка, и компенсатор теплового расширения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, компенсатор теплового расширения размещен между вставкой и корпусом и выполнен в виде набора биметаллических сегментов, причем опорные элементы и биметаллические сегменты равномерно расположены по окружности. 2. Поршень по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих температур, биметаллические сегменты закреплены консольно. 3. Поршень по пп.1 и 2, отличающийся тем, что головка со стороны камеры сгорания снабжена кольцевым козырьком, закрывающим торец вставки.