Результат интеллектуальной деятельности: Двигатель с алюминиевым поршнем со стальной вставкой на его днище

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в поршневых двигателях как дизельных, так и газодизельных.

Целью изобретения является повышение надежности и ресурса поршней и самих дизельных, газодизельных двигателей.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания по патенту RU 2537668, который содержит по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем алюминиевым поршнем со стальной вставкой на его днище, кинематический связанным с коленчатым валом, головку цилиндра с установленными в ней впускным и выпускным клапанами, камеру сгорания на стальной вставке днища поршня, завихрители заряда в форме торцевых выступов с тангенциальными каналами выполняются на стальной вставке и располагаются вокруг камеры сгорания на вставке и примыкают к выемке в головке цилиндра и входят в эту цилиндрическую выемку при положении поршня в ВМТ, клапаны располагаются на выемках головки цилиндра, глубина которых соответствует глубине цилиндрической выемки головки цилиндра, камера сгорания образуется от выемки на вставке, цилиндрической выемки головки цилиндра и выемок под клапана, вихревое движение на впуске в цилиндр совпадает по направлению с направлением тангенциальных каналов на стальной вставке, и источник воспламенения, установленный в выемке головки цилиндра.

Недостатком указанного двигателя является то, что не достигнута достаточная надежность крепления стальной вставки в алюминиевом поршне.

Учитывая разницу коэффициента теплового расширения стали и алюминиевого сплава и высокую температуру поршня при работе двигателя (средняя температура поршня по посадочному диаметру стальной вставки достигает ~ 200÷250°С), натяг посадки стальной вставки в днище алюминиевого поршня должен соответствовать тепловому зазору между деталями плюс натяг достаточный для обеспечения надежного крепления, (известно, что тепловой зазор образуется по посадочному диаметру при температуре на днище поршня ~ 250°С по причине разных коэффициентов теплового расширения алюминиевой части поршня и стальной вставки, натяг достаточный для обеспечения надежного крепления стальной вставки а алюминиевом поршне происходит при прессовой посадке). В этом случае при обычной температуре поршня (±40°С) натяг может достигнуть величины разрушения алюминиевого поршня.

Недостаток устраняется и надежность крепления стальной вставки в алюминиевой поршень достигается тем, что на посадочной поверхности стальной вставки, которая запрессовывается на цилиндрическую поверхность днища алюминиевого поршня, выполняются кольцевые канавки глубиной до 0,6 мм, которые чередуются с посадочными поясками с шириной в пределах от 2 мм до 4 мм. При этом для обеспечения теплоотвода от стальной вставки к алюминиевому поршню соотношение суммарной ширины канавок к суммарной ширине посадочных поясков не должно превышать 1,6.

Несмотря на некоторое ухудшение теплоотвода от стальной вставки к алюминиевому поршню из-за наличия канавок на вставке, поршень не имеет высокую температуру, т.к. эффективно охлаждается на тактах впуска и сжатия микровихрями, возникающими при огибании вращающегося на впуске потока воздуха торцевых выступов с тангенциальными каналами на днище поршня.

Надежность крепления стальной вставки в алюминиевом поршне при длительной эксплуатации двигателя обеспечивается тем, что при остаточной деформации алюминиевой детали в зоне посадочных поясков недеформированный участок в зоне канавок удерживает стальную вставку от смещения.

Посадка стальной вставки в отверстие на днище алюминиевого поршня производится при разогретом поршне до температуры не менее 150°С для исключения возникновения усилий запрессовки и задиров в процессе посадки.

На графиках изображен двигатель с алюминиевым поршнем со стальной вставкой на его днище, где

фиг. 1 - поперечный разрез двигателя,

фиг. 2 - вид на головку цилиндра со стороны поршня,

фиг. 3 - разрез по посадке стальной вставки в алюминиевый поршень,

фиг. 4 - вид на поршень со стороны головки цилиндра.

Двигатель с алюминиевым поршнем со стальной вставка на его днище содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, кинематический связанным с коленчатым валом (на фигурах не показан), головку 3 цилиндра с установленными в ней впускным 4 и выпускным 5 клапанами, камеру сгорания 6 в виде цилиндрической выемки 7 на головке цилиндра и выемки 8 на стальной вставке 9, выемка 7 сопрягается с выемкой 8 при положении поршня в ВМТ. Стальная вставка 9 с дисковым пояском 10 запрессовывается на днище 11 поршня 2. Завихрители заряда на вставке 9 выполнены в виде торцевых выступов 12 с тангенциальными каналами 13, торцевые выступы 12 выполняются на стальной вставке 9 и располагаются вокруг выемки 8 и примыкают к цилиндрической выемке 7 в головке цилиндра и входят в эту выемку при положении поршня в ВМТ.

Камера сгорания образуется от выемки 8 на вставке, цилиндрической выемке 7 на головке цилиндра и выемок 14 и 15 под клапана.

Впускной клапан 4 и выпускной 5 располагаются на выемках 14 и 15 на головке цилиндра, глубина выемок 14 и 15 соответствует глубине выемки 7 на головке цилиндра, а также может соответствовать высоте торцевых выступов 12 на вставке 9.

Для обеспечения эффективного охлаждения поршня на входе в цилиндр двигателя организуется вихревое движение заряда, которое совпадает по направлению с направлением тангенциальных каналов на торцевых выступах. При огибании вращающегося на впуске потока воздуха торцевых выступов на днище поршня генерируются микровихри, которые интенсивно охлаждают стальную вставку и поршень. На выемке 7 головки цилиндра располагается источник воспламенения - форсунка 16.

Для обеспечения жесткости днище вставки 9 выполняется со сферической выпуклостью 17 с радиусом 18 перехода в боковую стенку вставки.

Для обеспечения надежного крепления стальной вставки 9 на днище 11 алюминиевого поршня 2 на посадочной поверхности 19 стальной вставки выполняются кольцевые канавки 20 глубиной до 0,6 мм, которые чередуются с кольцевыми посадочными поясками 21 шириной примерно от 2 мм до 4 мм.

Соотношение суммарной ширины канавок 20 к суммарной ширине посадочных поясков 21 в стальной вставке не должно превышать 1,6 и зависит от диаметра посадочной поверхности 19.

Стальная вставка отливается из пластичной, жаростойкой и коррозионно-стойкой легированной стали (например, 10Х18Н9ТЛ), что исключает прогар завихрителей заряда от коррозии и высокой температуры и исключает возникновение трещин на вставке. Наличие стальной вставки на днище поршня обеспечивает высокую надежность и ресурс поршня, предохраняя поршень от перегрева и повышенного износа юбки и канавок под кольца (коэффициент теплопередачи стали в 3 раза меньше коэффициента теплопередачи алюминиевого сплава).

Двигатель работает следующим образом. Во время такта сжатия при подходе поршня к ВМТ торцевые выступы 12 на вставке 9 отсекают заряд, находящийся в зоне вытеснения, от камеры сгорания. При продолжении движения поршня заряд вытесняется в камеру сгорания через тангенциальные каналы 13 с большой скоростью, при этом генерируются микровихри высоких энергий на кромках торцевых выступов вставки.

При движении поршня вниз повторно генерируются микровихри в смеси заряда и продуктов горения. Двойное генерирование микровихрей высоких энергий значительно повышает скорость и полноту сгорания топлива в воздухе. Достигается значительное повышение давления в цилиндре, увеличивается работа расширения газов, повышается к.п.д. цикла и снижается температура газов в конце такта расширения. Высокая скорость и полнота сгорания значительно уменьшает или исключает образование твердых частиц от несгоревших частиц углерода, а твердые частицы повышают износ поршня, поршневых колец и гильз цилиндров. Таким образом, использование предложенного изобретения позволяет повысить надежность и ресурс поршня и двигателя в целом, значительно снизить расход топлива, в том числе и газового, и выброс СО, СН, NOx и твердых частиц и обеспечить экологические нормы Evro-4, Evro-5, снизить затраты на топливо более, чем в 1,8 раза за счет использования сжатого или сжиженного газа, снизить затраты на ремонт в 1,5 раза за счет значительного увеличения ресурса двигателя.