Способ изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕГО КАНАЛА ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Волочко Александр Тихонович Изобелло Александр Юрьевич Ласковнев Александр Петрович Овчинников Владимир Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания,при котором в головке поршня устанавливают выполненные из нирезиста внутреннее кольцо и наружное кольцо, соединенные друг с другом с образованием полости, при этом в наружном кольце сформирован канал и внутренняя поверхность наружного кольца выполнена с конусностью 3-10, а наружная поверхность внутреннего кольца выполнена с конусностью 3-10, причем соединение колец выполняют запрессовкой внутреннего кольца при температуре наружного кольца от 600 до 850 С, при натяге колец от 0,6 до 1,2 мм. Фиг. 1 Изобретение относится к области машиностроения, в частности к созданию двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано при формировании охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Известен способ изготовления трубчатого охлаждающего канала для поршня ДВС из легкого сплава 1, включающий гибку трубчатой заготовки в кольцо с последующей сваркой встык. На наружной стороне трубчатого канала устанавливают цилиндрические или кольцевые дистанционные элементы, которые свариваются со вставкой под поршневое кольцо для формирования зазора между радиально внутренней стороной вставки и радиально наружной стороной канала от 0,7 мм до 10 от диаметра поршня. Зазор необходим для беспрепятственного затекания металла в литейную форму при отливке поршня. 13832 1 2010.12.3 При таком исполнении канала происходит недостаточный отвод тепла от трущейся пары гильза-поршень. Данный способ предусматривает изготовление вставки под поршневое кольцо и трубчатого канала из материалов, имеющих более низкий коэффициент линейного расширения, чем у поршневого алюминиевого сплава. При последующем алитировании, перед заливкой алюминиевым расплавом и в процессе термообработки поршня может происходить нарушение сплошности между сплавом и внешней стенкой канала,что приводит к прорыву газов и влечет за собой вероятность отрыва дна поршня. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом, является способ изготовления охлаждающей камеры -образного сечения 2, включающий изготовление металлического кольца профилегибочными операциями из полосы на шнековой оправке с последующей сваркой встык гнутого профиля. Далее свободные кромки кольца присоединяются к кольцевым гнездам на внутренней поверхности опорного ободка с помощью кольцевых сварных швов. В результате получается канал для охлаждения, внутренняя поверхность которого образована металлическим кольцом и поверхностью опорного ободка между кольцевыми гнездами. Недостатком прототипа является то, что -образное металлическое кольцо имеет коэффициент линейного расширения более низкий, чем у поршневого сплава, что в свою очередь сказывается на интенсивности теплоотвода, из-за возможности возникновения зазора между кольцом и материалом поршня. Задачей заявляемого изобретения является увеличение интенсивности отвода тепла от головки поршня, за счет оптимизации процесса формирования охлаждающего канала. Поставленная задача решается тем, что способ изготовления охлаждающего канала поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором в головке поршня устанавливают выполненные из нирезиста внутреннее кольцо и наружное кольцо, соединенные друг с другом с образованием полости, при этом в наружном кольце сформирован канал и внутренняя поверхность наружного кольца выполнена с конусностью 3-10, а наружная поверхность внутреннего кольца выполнена с конусностью 3-10, причем соединение колец выполняют запрессовкой внутреннего кольца при температуре наружного кольца от 600 до 850 С, при натяге колец от 0,6 до 1,2 мм. Сущностью заявляемого технического решения является то, что коэффициент линейного расширения нирезиста близок к коэффициенту линейного расширения поршневого алюминиевого сплава, что способствует сохранению надежной связи между этими разнородными материалами в процессе циклического воздействия механических и термических нагрузок 3. Нагрев наружного кольца до температуры менее 600 С недостаточен для запрессовки внутреннего кольца, так как при такой температуре происходит малое термическое расширение наружного кольца, диаметр наружного кольца изменяется на меньшую величину,чем значение натяга колец. Температура нагрева наружного кольца до 850 С обеспечивает необходимое термическое расширение кольца при сборке. Температура нагрева свыше 850 С экономически нецелесообразна и приводит к уменьшению прочностных свойств наружного кольца. При сборке с натягом колец меньше 0,6 мм в процессе алитирования происходит затекание металла в полость масляного охлаждения, а также выпадение внутреннего кольца при неоднородном нагреве, так как натяг колец должен быть не меньше, чем величина перемещения наружного радиуса внутреннего кольца при свободном термическом расширении в отсутствии градиента температуры. При натяге колец свыше 1,2 мм запрессовка внутреннего кольца невозможна. Это связано с тем, что в результате остывания наружного кольца под действием сжимающих сил происходит растрескивание внутреннего кольца. 13832 1 2010.12.3 В процессе сборки колец возникают трудности запрессовки внутреннего кольца, связанные со сложностью центрирования наружного и внутреннего колец. Данная проблема решается изготовлением наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца с конусностью 3-10. При конусности менее 3 сложно сцентрировать внутреннее кольцо относительно наружного в процессе сборки. При конусности более 10 происходит смещение внутреннего кольца во время алитирования и заливки металла, в результате чего металл затекает в полость масляного охлаждения. Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен охлаждающий нирезистовый канал поршня двигателя внутреннего сгорания, на фиг. 2 изображена головка поршня двигателя внутреннего сгорания с охлаждающим нирезистовым каналом. Охлаждающий нирезистовый канал состоит из полости масляного охлаждения (1),наружного кольца (2) и запрессованного внутреннего кольца (3). В головке поршня двигателя внутреннего сгорания (4), на месте установки верхнего компрессионного кольца, расположен охлаждающий нирезистовый канал (5). Способ реализуют следующим образом. Наружное кольцо (фиг. 1, поз. 2) охлаждающего нирезистового канала поршня двигателя внутреннего сгорания нагревают до температуры 600-850 С в течение 20-30 мин. После чего в него помещают холодное внутреннее кольцо (фиг. 1, поз. 3) и дают кольцам остыть. В процессе остывания внутренний диаметр наружного кольца уменьшается и за счет натяга 0,6-1,2 мм происходит запрессовка внутреннего кольца. Далее охлаждающий нирезистовый канал подвергался алитированию и заливке в поршень. Затем поршень распиливали по радиальным направлениям в нескольких местах и оценивали качество сформированной полости масляного охлаждения. Для исследования интенсивности теплоотвода было проведено компьютерное моделирование температурных полей поршней ДВС с охлаждающими каналами, изготовленными по заявляемому способу и прототипу. Моделирование проводилось в программном комплексе 4 методом конечно-элементного анализа. В результате компьютерного моделирования были построены 3-мерные модели, определены статические граничные условия и получены температурные поля поршней двигателей внутреннего сгорания. Результаты исследований приведены в таблице. Режимы изготовления охлаждающего канала Темпе,Конусратура Натяг п/п ность запрес- колец,колец,совки,мм град. С 1 2 3 4 Увеличение интенсивТемператуности теплоотвода ра в районе при формировании верхнего охлаждающего канала компрессипо заявляемому спосоонного бу, в сравнении кольца, С с прототипом,5 6 7 выпадение кольца при алитировании смещение внутреннего кольца при нагреве невозможно запрессовать внутреннее кольцо 7 сложно сцентрировать внутреннее кольцо относительно наружного при сборке недостаточное термическое расширение для запрессовки разупрочнение наружного кольца Из приведенных данных следует, что при использовании заявляемого способа формирования охлаждающего нирезистового канала интенсивность теплоотвода увеличивается до 15 по сравнению с прототипом и уменьшается вероятность нарушения связи между охлаждающим нирезистовым каналом и поршневым алюминиевым сплавом за счет близости коэффициентов линейного расширения. Источники информации 1. Патент Германии 10163060, МПК 02 3/22, 2003. 2. Патент Испании 04000387, МПК 21 53/18, 2005 (прототип). 3. Афанасьев В.К. и др. Поршневые силумины. - Кемерово Полиграф, 2005. - 161 с. 4. Изобелло А.Ю, Волочко А.Т. Моделирование распределения температурных полей поршня двигателя внутреннего сгорания // Новые функциональные материалы, современные технологии и методы исследования. Тез. докл. 4-й региональной конференции молодых ученых. - Гомель ИММС НАН Беларуси, 2008. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4