Поршень двигателя внутреннего сгорания с галерейным охлаждением

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГАЛЕРЕЙНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ(72) Авторы Волочко Александр Тихонович(22) 2008.02.05 Садоха Мечислав Антонович Овчин(71) Заявитель Производственное респубников Владимир Васильевич Соколов ликанское унитарное предприятие Владимир Николаевич Рачинский СеМинский моторный заводмен Семенович Ласковнев Александр Петрович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Минский моторный завод(57) Поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий расположенную в головке нирезистовую вставку, полую камеру с оболочкой и каналами подвода и отвода охлаждающей среды, отличающийся тем, что полая камера образована нирезистовой вставкой и кольцом-заглушкой, имеющим коэффициент линейного расширения, равный либо более коэффициента линейного расширения нирезистовой вставки, при этом отношение омываемой площади нирезистовой вставки к объему полой с оболочкой камеры составляет как 1(1,23,5).(56) 1. Патент 2101532, МПК 02 3/16,16 1/00, 1998. 2. Патент 2032086, МПК 02 3/20, 1995. 3. Ласковнев А.П., Овчинников В.В., Жданович О.Е. Производство алюминиевых поршней для высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания. - Минск Экоперспектива,2004. - 187 с. 4. Патент 10163060, МПК 02 3/22,16 1/09,02 3/16,16 1/00, 2003. Полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно к поршням, имеющим жидкостное охлаждение. Резервы повышения характеристик двигателей внутреннего сгорания с использованием традиционных схем и материалов в значительной мере исчерпаны. При этом повышение агрегатной мощности, эксплуатационной экономии по топливу и маслу, улучшение экологических характеристик (снижение токсичности, шумности), повышение ресурса и надежности двигателей внутреннего сгорания связано с интенсификацией параметров его работы. Среди перспективных направлений решения данной проблемы рассматривается снижение температуры поршня во время эксплуатации на 20-60 С. Известные в мировой практике решения проблемы охлаждения цилиндро-поршневой группы (струйное охлаждение, использование солевых стержней для получения безоболочковой полости масляного охлаждения) не в полной мере решают задачи достижения требуемых свойств и экологической безопасности. Так струйное охлаждение позволяет снизить температуру поршня не более 10-12 С. Известен поршень из алюминиевого сплава с внутренними охлаждающими каналами масляного охлаждения головки поршня, образующимися при литье в кокиль с помощью соляных стержней 1. Недостатком упомянутого поршня является то, что его изготовление требует освоения ряда дополнительных операций, таких как производство солевых вставок, их удаление из полости поршня, повышенный контроль степени очистки отливок от остатков соли и утилизации отходов. Известна конструкция поршня, содержащего в его головке камеру с оболочкой в виде сетки и каналами подвода и отвода охлаждающей среды, при этом камера содержит перегородку из жаропрочной стали и разделена на две полости, одна из которых связана с каналом подвода, а другая с каналом отвода 2. Недостатками такой конструкции являются малая эффективность отвода тепла от трущейся пары изделий уплотнительные кольца - гильза поршня, а также высокая стоимость такой оболочковой камеры и сложность в изготовлении такого поршня, кроме того, достижение высокого качества отливки также существенно повышает стоимость и делает его неконкурентоспособным. Использование в конструкциях поршней форсированных двигателей внутреннего сгорания нирезистовых вставок под компрессионные кольца 3 определило и необходимость при эксплуатации в большей степени охлаждать эту часть поршня. Известна конструкция поршня, содержащего в головке камеру с оболочкой с каналами подвода и отвода охлаждающей среды. При этом камера выполнена в виде трубки, находящейся по периметру в непосредственной близости к нирезистовой вставке 4. Недостатком данной конструкции является то, что отвод тепла от нирезистовой вставки не позволяет существенно снизить температуру трущейся пары. Конструкция поршня предусматривает изготовление сборочной единицы нирезиста и камеры с оболочкой из материалов, имеющих более низкий коэффициент линейного расширения. При последующем алитировании перед заливкой алюминиевым расплавом и в процессе термообработки поршня может происходить нарушение сплошности между сплавом и сборочной едини 2 47132008.10.30 цей, что при такой конструкции приводит к прорыву газов и влечет за собой вероятность отрыва дна поршня. Задачей заявляемой конструкции поршня с галерейным охлаждением является обеспечение технологичности его изготовления и повышение эффективности теплоотвода. Поставленная задача решается таким образом, что поршень ДВС, содержащий расположенную в головке нирезистовую вставку, полую камеру с оболочкой и каналами подвода и отвода охлаждающей среды, причем полая камера, образованная нирезистовой вставкой и кольцом-заглушкой, имеющим коэффициент линейного расширения равный либо более коэффициента линейного расширения нирезистовой вставки, при этом отношение омываемой площади нирезистовой вставки к объему полой оболочковой камеры составляет как 1(1,23,5). На фиг. 1 представлено в изометрии общее устройство галерейного охлаждения поршня. На фиг. 2 представлена часть разреза поршня, где стальная оболочковая камера приварена к нирезистовой вставке. На фиг. 3 показана часть разреза поршня канал подвода масла, в котором проходит через нирезистовую вставку. На фиг. 4 представлена часть поршня в разрезе, где канал подвода масла проходит через кольцо-заглушку. На фиг. 5 показана часть разреза поршня, где кольцо-заглушка, выполненное в виде тонкостенного кольца, запрессовывается в нирезистовую вставку. На фиг. 6 представлен разрез поршня, в котором кольцо-заглушка выполнено в виде шайбы, впрессованной в нирезистовую вставку. Поршень (фиг. 1) состоит из каналов подвода и отвода масла 1, нирезистовой вставки 2,полой оболочковой камеры (галереи) 3, самой оболочки 4, выполненных в теле поршня 5. Оболочковая камера может быть образована и кольцом-заглушкой 6 (фиг. 3-6). Подача масла и охлаждение во время его эксплуатации (динамика работы) осуществляются через специальную систему впрыска масла, находящегося в двигателе внутреннего сгорания. Использование такой конструкции позволяет существенно интенсифицировать теплоотвод от трущейся цилиндро-поршневой пары через канал подвода и отвода масла 1 и от камеры сгорания в целом. Конструкция поршня достаточно технологична в изготовлении(фиг. 1). Как показали исследования, наиболее эффективным является теплоотвод при заявляемом отношении омываемой площади нирезистовой вставки 2 к объему полой оболочковой камеры 3 как 1(1,23,5) (таблица). Изменяемые параметры При отношении, выходящем за граничные условия 11,2, максимально возможное снижение температуры не превышает 25 С. Обеспечение охлаждения нирезистовой вставки 2 только с внутренней торцевой стороны (фиг. 2) связано с освоением дополнительных технологий. Это производство тороидального профиля (или трубки) 4, их сварку с материалом нирезистовой вставки 2 одним из методов лазерной или электродуговой сварки, повышенных методов контроля качества. 3 47132008.10.30 Использование разнородных материалов может приводить к прорыву газов и отрыву дна поршня. Варьируя формой и размерами канала, были получены данные, позволяющие судить об эффективности заявляемой конструкции поршня. Показания снижения температуры в камере сгорания по сравнению с поршнем без галерейного охлаждения и прототипом были получены на специальном стенде на УП ММЗ. Величина поверхности неспая сборочной единицы (нирезиста и заглушки) с телом поршня вопределяли на ультразвуковой установке. Поршень может быть пригодным к эксплуатации, если площадь поверхности неспая составляет не более 7 . В результате исследований была обработана заявляемая конструкция поршня в разных исполнениях (фиг. 2-6). Результаты показали, что эффект хорошей сцепляемости с алюминиевым сплавом тела поршня 5 и отсутствие брака после алитирования были достигнуты при использовании кольца заглушки 6, имеющего коэффициент линейного расширения,равный либо более коэффициента линейного расширения нирезистовой вставки. Только при этом случае происходит запирание охлаждаемого канала - натягом при сборке и нагревом в процессе алитирования и заливки расплавом. Кроме того, в процессе эксплуатации поршня при температурных перепадах исключается нарушение сплошности вставки с материалом поршня - устраняется брак и заклинивание двигателя внутреннего сгорания. При отношении омываемой площади к объему камеры, выходящем за граничные условия(13,5), очень сложно разместить в конструкции поршня галерею охлаждения и сохранить необходимую целостность поршня при эксплуатации. Дополнительные концентраторы напряжений в теле поршня и их достаточно большая площадь могут приводить к отрыву головки поршня. Таким образом, если сравнивать эффективность предлагаемой конструкции в сравнении с уже известной (галерея выполнена в виде приваренной к нирезистовой вставке трубки), то можно судить о более существенном снижении температуры и исключении брака от неспая. Заявляемая конструкция поршня предлагается для серийного внедрения двигателя внутреннего сгорания, соответствующего европейским нормам ЕВРО-3 и ЕВРО-4 при снижении выделения вредных веществ по норме НС до 0,46, СО до 1,5,до 3,5, твердых частиц до 0,02 г/кВ ч. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5