Поршень

 

СО3О3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК ф

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4831404/06 (22) 10.10.90 (31) 89 419930 (32) 11 1039 (33) US (46) 30.1г93 бел. f448-47 (71) Викс Мэньюфэкчуринг Компани {US) (72) Джерри Шенкел(0$) (73) Викс Мэньюфэкчуринг Компани (US) (54) ПОРШЕНЬ в) Я (и) 1839697 АЗ (51} 5 РОЗГЗ 16 (57) Сущность изобретения: поршень содержит головку 2 и юбку 3. Поверхность юбки, контактирующая с цилиндром имеет множество сужающихся выступов, разделенных впадинами. Выступы и впадины покрыты фторуглеродным полимером Даны оптимальные размеры выступов. Поршень имеет улучшенную с точки зрения износа поверхность, что позволяет повысить эффективность двигателя. 4 з.п.ф — лы, 4 ил.

1839697

40

Изобретение относится к поршневой сборке, используемой в двигателе внутреннего сгорания.

В двигателях внутреннего сгорания несколько поршней осуществляют возвратно-поступательное движение в соответствующих цилиндрах. Весьма желательно снизить трение между поршнем и в особенности боковой поверхностью тела поршня и стенкой цилиндра, Такое снижение трения обеспечит повышение эффективности работы двига.1 еля.

В настоящее время тело поршня имеет обработанную боковую поверхность, профиль которой представляет собой плавно изогнутые выступающие участки и расположенные между ними впадины. Такой профиль боковой поверхности напоминает график функции синуса в том отношении, что, как и такая функция, имеет плавно чередующиеся изгибы выступающих частей и впадин.

Для дальнейшего снижения трения между телом поршня и стенкой цилиндра известен прием, в соответствии с которым тело цилиндра покрывают фторуглеродным полимером, Например, в патенте США

Ж 2817562 описана поршневая сборка, в которой тело поршня покрыто тонким слоем политетрафторэтилена..

Применяю, у; 1Р ie;oão, легкие матери алы, в частности алюмин .й, что также позволяет повь.сить эффективность двигателя (м патент США М 4338858, 1I982).

В соответствии. с изобретением предлагается поршень, который включает головку и тело, выполненное как единое целое с головкой. Тело поршня имеет вне.днюю поверхность, предназначенную для взаимодействия с цилиндром. Поршень отличается тем, что внешняя поверхность его тела имеет множество сужающихся выступов, отделенных друг от друга впадинами и предназначенных для взаимодействия с цилиндром. Выступы имеют среднюю высоту

10Г-180 микгодюймов и среднюю ширину

500-800 микродюймов, Каждый иэ выступов отстоит о г смежного выступа на расстояние

Съ,01-0,014 дюйма, Таким образом, предлагается поршень, имеющий малый вес и улучшенную финишную обработку внешней поверхности тела, которая позволяет снизить трение между поршнем и стенкой цилиндра и благодаря этому увеличить эффективность двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 1 изображен поршень, общий вид; на фиг. 2 — узел t на фиг. 1; на фиг. 3— часть поверхности тела поршня после неко-opoI o износа: на фиг. 4- часть поверхности тела поршня, подвергнутой известной финик ной обработке, после некоторого износа. .1оршень 1, предназначенный для осущес вления возвратно-поступательного даик,ения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, включает головку 2 и тело 3, выполненное как единое целое с головкой, Головка и тело поршня выполнены из материала, имеющего малый вес, предпочтительн ) из алюминия. Головка поршня имеет верхн,ою концевую поверхность 4 и нижнюю г >льцевую часть 5. Поверхность 4 головки вь полнена круглой, а нижняя кольцевая часть 5 — симметричной и соединена с верхней кс,нцевой поверхностью 4 головки, Нижняя кольцевая часть 5 имеет ряд канавок 6, Канавки имеют кольцевую форму. Одна из них, предпочтительно самая нижняя на фиг.

1, предназначена для размещения в ней гора;-.евого кольца, Две канавки, расположенные над канавкой для кольца сжатия, предназначены для размещения в них колец, предотвращающих попадание масла в цилиндр. Концевая поверхность 4 головки имеет ряд впадин, каждая из которых предназначена для образования соответствующего пространства, вмещающего клапан двигателя (на фигурах не показан). Последний входит во впадину 7 во время возвратно-поступательных движений поршня, причем впадины предотвращают прямой контакт клапанов и концевой поверхности 4 головки поршня. Кроме того, концевая поверхность головки поршня имеет выемку 8, предназначенную для расположения поршня 1 и его ориентации относительно корпуса двигателя, Тело 3 поршня имеет, как правило, цилиндрическую форму и выполнено как единое целое с нижней кольцевой частью 5 .головки поршня, Оно имеет внешнюю поверхность, предназначенную .для взаимодействия с цилиндром (на фигурах не показан). Внешняя поверхность тела 3 поршня имеет множество сужающихся выступов 9 (фиг. 2). Каждый иэ них отделен от других впадиной 10. Сужающиеся выступы

9 отходят от кольцевой внешней поверхности тела 3 поршня и предназначены для взаимодействия с цилиндром. Сужающиеся выступы 9 и впадины 10 на боковой поверхности тела поршня образуют в сечении профиль, напоминающий зубцы пилы, т,е, каждый выступ 9 представляет собой угол между его сходящимися сторонами. При такой конфигурации только сходящиеся выступы 9 взаимодействуют со стенкой цилиндра. При этом трение между телом 3 поршня и стенкой цилиндра существенно

cHvINeHo, поскольку площадь контакта тела

1839697 поршня со стенкой цилиндра значительно меньше, чем эта площадь в конструкциях с известной обработкой поверхности. Нижняя кольцевая часть 5 головки 2 поршня также может иметь множество сужающихся выступов 9, разделенных впадинами 10. Это объясняется тем, что оиа также может взаимодействовать со стенкой цилиндра flpH возвратно-поступательном движении flop" шня. Выполняя сужающиеся выступы иа нижней кольцевой части 5 головки поршня. снижает трение между поршнем 1 и стенкой цилиндра. Концевая поверхность 4 головки поршня может также иметь сужащиеся выступы. Оии и впадины между ними располагаются концентрически относительно центральной части концевой поверхности 4.

В этой части финишная обработка аналогична той. которая применяется для боковой поверхности тела 3 поршня. Последнее имеет, кроме того, соединительную часть 11, которая включает плоскую часть 12 и отверстие 13, предназначенное для приема соединительного стержня, крепящего поршень к штоку, Соединение поршня 1 с соединительным стержнем может быть выполнено одним из известных способов. Для дальнейшего снижения трения между телом 3 поршня и цилиндром тело поршня покрывают фторуглеродным полимером. Покрытие 14 может быть нанесено на тело поршня так, что оно повторяет контур сужающихся выступов 9 и впадин 10, `ри этом профиль выступов и впадин сохраняется и после покрытия (фиг. 2). Покрытие может быть нанесено любым .известным способом. В качестве фторуглеродного полимера, применяемого для покрытия сужающихся выступов 9 и впадин 10, предпочтительно использовать соединение

Эмралон 334, выпускаемое фирмой "Ачесон

Коллоидс Компани". Покрытие 14 непосредственно взаимодействует со стенкой цилиндра и, имея низкий коэффициент трения, уменьшает трение между телом 3 поршня и стенкой цилиндра.

На фиг. 3 показано тело 3 поршня со следами износа в процессе эксплуатации.

Можно видеть, что точки сужения выступов

9 стерты, вместе с ними исчезло в результате истирания находившееся иа них покрытие 14. В результате износа появилась определенная площадь ие несущего покрытие алюминия 15, по краям которой присутствует сохранившееся покрытие 14, Обнаженная алюминиевая поверхность 15 и несущие покрытие 14 края этой поверхности взаимодействуют со стенкой цилиндра при осуществлении поршнем 1 возвратиопоступательиого движения, Как правило, смачиваемую маслом поверхность, т.е. покрытие отталкивает масло. Когда масло собирается в виде капелек иа покрытии 14 между телом поршня и стенкой цилиндра.

15 оно образует некоторую подушку(масляный клин), по которой и осуществляется возвратно-поступательное движение поршня 1, т.е, масло удерживает поверхность тела поршня иа расстоянии от стенки цилиндра во

20 время возвратно-поступательного движе35

50 участки контакта покрытия 14 со стенкой

5 t0

30 для дальнейшего снижения трения между поршнем 1 и стенкой цилиндра в цилиндр подают масло. При этом масло покрывает тело 3 поршня. Имеется теоретическое предположение, что, когда тело поршня подвергается определенному износу (фиг, 3), масло собирается в виде капелек на покрытии 14 в пространстве между самим покрытием и стен кой цилиндра. Это обусловлено тем, что покрытие имеет ие ния поршня в цилиндре. Такое явление особенно желательно после того, как некоторая часть покрытия 14исчезает в результате износа. Поскольку покрытие по-прежнему сохраняет контакт с цилиндром, масло собирается на ием в виде капелек и удерживает обнаженную поверхность 15 иа расстоянии от стенки цилиндра.

Благодаря использованию улучшенной финишной обработки поверхности тела 3 поршня, в результате чего образуется множество сужающихся выступов 9 при износе истиранием поршня, удается достигнуть большее контактное отношение между покрытием 14 и алюминиевым телом 3 поршия, чем что удавалось в известных конструкциях. Другими словами при известной финишной обработке поверхности тела поршня. когда создается волнообразная поверхность, похожая по профилю на функцию синуса, износ покрытия (фиг. 4) приводит к образованию сравнительно больших поверхностей обнаженного алюминия, имеющих малые участки несущих покрытие краев, взаимодействующих со стенкой цилиндра.

Изобретение обеспечивает образование сравнительно малых участков обнаженного алюминия 15, имеющих значительные цилиидра(фиг. 3). Таким образом, используя конфигурацию профиля зубцов пилы или сужающихся выступов, контактное отношение покрытия 14 и обнаженного алюминия 15 удается сделать существенно большим, чем в известных конструкциях. Это абеспечивает повышение эффективности двигателя.

Было установлено, что имеется оптимальная финишная обработка поаерснлсти тела поршня. Если финишная обработка

1839697 слишком тонкая, т,е, выступы 9 расположены слишком. близко один к другому, поверхность оказывается как бы смазанной, т,е, отсутствуют зазоры для инородного материала (масла), в которых он мог бы сохраняться. Если финишная обработка слишком грубая или выступы отстоят далеко один от другого, концы выступов имеют тенденцию обламываться, в результате чего образуется слишком большой зазор между телом 3 поршня и стенкой цилиндра. Было установлено, что оптимальные характеристики достигаются при финишной обработке поверхности с показателем шероховатости в пределах

100-189Ra, 500-800Rz и при шаге 0,01-0,04 дюйма, где Ra, Rz и шаг — это показатели шероховатости. Арифметическая средняя высота каждого выступа (йа) должна составлять 100-189 микродюймов, средняя разность уровней между соседними выступами и впадинами (Rz) -500-800 микродюймов, а расстояние между соседними выступами (u;ar) — 0,01-0,014 дюйма. Шаг определяют как расстояние от точки на одном из выступов до такой же точки на соседнем выступе.

Были изготовлены поршни нескольких конфигураций. Они были установлены в двигатели, и двигатели испытаны по стандартной программе на показатель расхода топлива. Единственной отличительной особенностью при испытаниях была финишная обработка поверхностей тел поршней. Каждое испытание состояло в наработке двигателя (имеющего поршень с определенным качеством обработки поверхности) в пяти различных режимах и сравнении результатов двигателей, имеющих поршни с различным качеством обработки поверхностей.

Первая серия испытаний была проведена на двигателе Шевролет Ч-8 объемом 5,7 л. Двигатели работали со скоростью 500 об./мин и развивали момент 5 фунтов на фут, имитируя таким образом режим холостого хода. Второй режим был со скоростью

750 об./мин при моменте 1 фунт на фут и имитировал условия замедления автомобиля. Для имитации движения с постоянной скоростью двигатели работали со скоростью 1000 об./мин и развивали момент ЗО фунтов на фут или f200 об./мин при значении момента 40 фунтов на фут. Последний режим имитировал ускорение автомобиля и соответствовал значениям скорости f100 об./мин и момента 85 фунтов на фут.

В первом проведенном испытании сравнивались поршни с обычной обработкой поверхности в виде волны синусоидвльной функции, но в одном случае без покрытия, а в другом с покрытием Эмралоном. Результаты испытаний показали, что

30

40 финишную обработку в виде зубцов пилы и

5

15 поршни с покрытием поверхности тела обеспечивали снижение потребления топлива на 1,56$ и, таким образовал, окрытие поршнл, имеющего обычную волнистую обработку поверхности, составом Эмралон приводит к повышению эффективности работы двигателя.

Второе испытание было проведено для сравнения работы поршня, имеющего обычную волнистую поверхность, и работы поршня с поверхностью s виде зубцов пилы (в соответствии с изобретением), причем оба поршня имели поверхности, не несущие покрытия, т.е. чисто алюминиевые, Двигатель с поршнем, поверхность которого имела финишную обработку в виде зубцов пилы, показал снижение расхода топлива на 4,967ь.

В третьем испытании производилось сравнение работы двигателя с поршнем, имеющим поверхность в виде зубцов пилы, с двигателем с таким же поршнем, но покрытым составом Эмралон. Можно было бы ожидать, что покрытие повысит эффективность работы двигателя на сравнимую величину по сравнению с результатами первого испытания (покрытие поршня, имеющего обыкновенную волнистую финишную обработку поверхности). Однако повышение эффективности работы оказалось значительно большим, чем ожидалось. Нанесение состава Эмралон на поверхность поршня, имеющую финишную обработку с профилем в виде зубцов пилы, позволило снизить расход двигателем топлива на 3,7 .

Последним проведенным испытанием было прямое сравнение работы двигателя со стандартным непокрытым поршнем, имеющим волнистую финишную обработку поверхности, и с поршнем, имеющим несущим покрытием. Ожидаемым было сложение эффектов от изменения вида обработки поверхности (второе испытание) и от нанесения состава Эмралон на обработанную в виде зубцов пилы поверхность поршня (третье испытание), Результаты испытаний подтвердили эти ожидания. Покрытая Эмралоном поверхность поршня, имевшая стандартную волнистую обработку (обработку с профилем в виде графика функции синуса), обеспечила снижение расхода двигателем топлива на 8,34% по сравнению со стандартным непокрытым поршнем, поверхность которого имеет волнистую финишную обработку.

Аналогичные испытания были проведены с использованием двигателя V — 6 объемом 3,8 л, а также четырехциликдрового двигателя объемом 2,5 л. В этих испытаниях скорости двигателей несколько отличались, 1839697

10 что позволяло имитировать условия их работы в автомобилях в режимах холостого хода, замедления, движения с постоянной скоростью и ускорения. Проведенные испытания позволили сравнить работу двигателей с ус- 5 тановленными в них поршнями, имеющими финишную обработку в виде зубцов пилы, в одном случае с покрытием. а в другом случае без покрытия, т.е. определить эффект нанесения покрытия на поверхность поршня, 10 имеющую финишную обработку в соответствии с изобретением. Двигатель Y-6 показал снижение расхода топлива на 4.37 относительно непокрытого поршня, Аналогично в четырехцилиндровом двигателе по- 15 крытие, нанесенное на поверхность, выполненную с финишной обработкой в виде зубцов пилы, позволило сократить расход топлива íà 5,13 относительно расхода для непокрытого поршня. Очевидно, что при 20 уменьшении числа цилиндров эффективность нанесения состава Змралон на поверхность поршня, имеющую финишную

2. Поршень по п.1, отличающийся тем, — . что поверхность юбки снабжена фторуглеродным полимерным покрытием.

: 0 3. Поршень по пп. 1 и 2, отличающийся

: тем, что контур покрытия повторяет проф иль выступов и впадин, причем -профиль

,, выступов выполнен сохраняющимся после нанесения покрытия.

4. Поршень по п.1, отличающийся тем, ;, что юбка поршня выполнена цилиндриче, ской, а выступы выполнены по всей ее по;верхности и направлены в сторону

40,цилиндра.

5. Поршень по пп. 1 - 4, отличающийся

jòåì, что головка и юбка поршня выполнены иэ алюминиевого сплава.

1. ПОРШЕНЬ двигателя внутреннего сгорания, установленный в цилиндре двигателя с воэможностью возвратно-поступательного перемещения и содержащий выполненные эа одно целое головку и юбку, причем поверхность юбки, контактирующая с цилиндром, выполнена шероховатой за счет множества сужающихся выступов и впадин, отличающийся тем, что, с целью снижения износа, выступы выполнены со средней высотой f4 100180 микродюймов, средней шириной 14500 - 800 микродюймов, а среднее расстояние между соседними выступами составляет 0,01 - 0.014 дюйма. з

Ф.ормула изобретения обработку в виде зубцов пилы, увеличивается. Конкретные причины. обуславливающие этот эффект не известны, однако результаты во всех случаях показывают значительное снижение расхода топлива, Результаты испытаний ясно показывают, что изменение финишной обработки поверхности поршней с обыкновенной волнистой на предлагаемую, имеющую. профиль.в виде зубцов пилы. повышает эффективность работы двигателей внутреннего сгорания. Нанесение состава Эмралон на поверхность поршня, прошедшую финишную Ьбработку и имеющую профиль в виде зубцов пилы, существенно повышает эффективность работы двигателя и, следовательно, пробег автомобиля при расходе заданного количества топлива;

Возможны различные модификации и изменения. (56) Патент ФРГ М 2438548. кл. F 16.1 1/02, 1976.

1839697 наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагэринл 191

Редактор T.Юрчикова

Заказ 34!3

Составитель Е. Обушева

Тех ред М. Моргентал

Тираж

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва, Ж-35, Раушская

Корректор Л. Пилипенко

Подписное