Композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания

 

Композитный поршень с антифрикционным покрытием для ДВС содержит головку с антифрикционным покрытием и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, причем поршень снабжен вставкой из волокнистого материала, соответствующей размеру головки поршня и состоящей из двух частей, одна из которых расположена в днище поршня и имеет волокна материала ее изготовления ориентированные перпендикулярно днищу поршня, а вторая выполнена не более размера канавок под компрессионные кольца и имеет волокна ориентированные параллельно днищу поршня. Приведены геометрические параметры головки и юбки. Антифрикционное покрытие может быть выполнено на жаровом поясе в виде высокотемпературного кремнеорганического покрытия, а на юбке поршня - в виде эпоксифенольного покрытия. Изобретение позволяет повысить прочностные свойства поршня. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в авиации, автомобилестроении, энергостроении и других областях техники.

Известен поршень для двигателя внутреннего сгорания, описанный в патенте РФ №2007602, кл. F 02 F 3/00, 15.02.1994. “Поршень для двигателя внутреннего сгорания”. Данный поршень содержит головку с жаровым поясом и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку, спрофилированную таким образом, что отношения диаметральных отклонений от номинального диаметра поршня соответственно в верхней кромке жарового пояса (1), в нижней кромке первой межколечной перемычки (2), в верхней зоне юбки (3), в нижнее кромке юбки (4) к диаметру цилиндра Dц при заданной величине расстояния от днища поршня до минимального диаметра Н0 приводит к оптимизации профиля боковой поверхности поршня, учитывающей в достаточной мере сложность динамических и тепловых процессов, происходящих в двигателе при движении поршня в цилиндре.

Геометрические параметры головки и юбки поршня выполнены в соответствии с соотношениями

1/Dц=(2,36-4,8)10-3,

2/Dц=(0,95-3,25)10-3,

3/Dц=(0,74-1,84)10-3,

4/Dц=(0,08-0,04)10-3,

Н0/Dц=0,6-0,9.

Недостатком данной конструкции является невысокие прочностные свойства поршня из-за отсутствия в поршне композитных материалов и антифрикционных покрытий, повышающих прочность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному жидкоштампованному поршню с антифрикционным покрытием является поршень, содержащий головку, армированную кварцевыми волокнами с антифрикционным высокотемпературным покрытием и канавками под компрессионные и маслосъемные кольца, юбку с профилированной овально-бочкообразной поверхностью. Геометрические параметры головки и юбки поршня выполнены в соответствии с соотношениями

1/Dц=(2,4-2,59)10-3,

2/Dц=(0,88-0,94)10-3,

3/Dц=(0,65-0,73)10-3,

4/Dц=(0,06-0,075)10-3,

Н0/Dц=0,55-0,59.

Недостатком данной конструкции является то, что, несмотря на попытки оптимизировать профиль рабочей поверхности поршня путем задания ее геометрических параметров, армирование головки кварцевыми волокнами и выполнение ее с антифрикционным высокотемпературным покрытием, в достаточной мере не удалось повысить прочностные свойства поршня из-за произвольной ориентации композитных материалов и отсутствия усиления ими мест наибольших нагрузок, приходящихся на поршень при его работе.

Целью настоящего изобретения является повышение прочностных свойств поршня за счет выполнения в местах наибольших напряжений вставок с ориентированными определенным образом композитными волокнами и оптимизации профиля рабочей поверхности поршня путем задания ее геометрических параметров. Выполнение предложенных антифрикционных покрытий на жаровом поясе и юбке позволяет снизить коэффициент трения, что способствует улучшению приработки цилиндропоршневой группы и служит повышению прочностных свойств поршня.

Поставленная цель достигается тем, что композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с антифрикционным покрытием, канавки под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, снабжен вставкой из волокнистого материала, соответствующей размеру головки поршня и состоящей из двух частей, одна из которых расположена в днище поршня и имеет волокна материала ее изготовления, ориентированные перпендикулярно днищу поршня, а вторая выполнена не более размера канавок под компрессионные кольца и имеет волокна, ориентированные параллельно днищу поршня, при этом геометрические параметры головки и юбки выполнены в соответствии с соотношениями

1/Dц=(2,35-2,39)10-3,

2/Dц=(0,81-0,87)10-3,

3/Dц=(0,61-0,65)10-3,

4/Dц=(0,05-0,055)10-3,

Н0/Dц=0,51-0,54,

где 1 - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

2 - диаметральное отклонение в нижней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

3 - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

4 - диаметральное отклонение в нижней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

Н0 - расстояние от днища поршня до зоны номинального диаметра, мм;

Dц- диаметр цилиндра, мм.

Поршень отличается тем, что антифрикционное покрытие выполнено на жаровом поясе в виде высокотемпературного кремнеорганического покрытия, а на юбке в виде эпоксифенольного покрытия.

На фиг. 1 изображен композитный поршень с армированной волокнами головкой объемного наполнения.

Композитный поршень содержит головку 1 с жаровым поясом 2 и канавками 3 под компрессионные и маслосъемное кольца, юбку 4, спрофилированную определенным образом, и бобышки 5 под поршневой палец с выполненными в них отверстиями 6. Вставка, например, из керамических волокон имеет сложную форму: в верхней части 7 вставки волокна имеют направление, перпендикулярное днищу поршня, а в нижней части 8 волокна ориентированы параллельно днищу поршня. На поршень нанесено антифрикционное покрытие, причем на жаровой пояс 2 нанесено жаростойкое кремнеорганическое покрытие, а на юбке 4 находится эпоксифенольное покрытие.

Композитный материал верхней части поршня с волокнами, направленными перпендикулярно действию нагрузки, позволяет значительно повысить прочность и жаростойкость днища поршня, в то время как композитный материал, находящийся ниже, с волокнами, ориентированными параллельно днищу, увеличивает износостойкость боковой части головки поршня, включающей жаровой пояс.

При движении поршня в цилиндре происходят сложные гидравлические и тепловые процессы между цилиндром и боковой поверхностью поршня, приводящие к необходимости профилирования поршня и выбора положения поршневых колец. Отношение диаметральных отклонений от номинального диаметра поршня соответственно в верхней кромке жарового пояса (1), в нижней кромке первой межколечной перемычки (2), в верхней зоне юбки (3), в нижней кромке юбки (4), к диаметру цилиндра Dц при заданной величине расстояния от днища поршня до номинального диаметра Н0 приводит к оптимизации профиля боковой поверхности поршня, учитывающей в достаточной мере сложность динамических и тепловых процессов, происходящих в двигателе при движении поршня в цилиндре.

1/Dц=(2,35-2,39)10-3,

2/Dц=(0,81-0,87)10-3,

3/Dц=(0,61-0,65)10-3,

4/Dц=(0,05-0,055)10-3,

Н0/Dц=0,51-0,54.

Антифрикционное покрытие, наносимое на боковые поверхности поршня, позволяет значительно снизить коэффициент трения поршня о стенки цилиндра. Кроме этого покрытие ускоряет процесс приработки поршня.

При возникновении вспышки в цилиндре рабочее тело, имеющее высокую температуру, воздействует на днище поршня. В днище поршня возникают сильные механические и тепловые напряжения, композитный материал верхней части препятствует появлению деформаций от этих напряжений, что, в свою очередь, повышает запасы прочности поршня в целом. Тепловой поток, направленный от днища поршня к жаровому поясу и канавкам, вызывает диаметральное увеличение головки поршня. Нижняя часть композитного материала позволяет уменьшить тепловые деформации, а за счет этого минимизировать диаметральные зазоры в жаровом поясе.

Предлагаемое устройство позволяет повысить прочностные свойства, что позволяет оптимизировать диаметральные зазоры в цилиндропоршневой группе. При этом снижаются массовые характеристики двигателя и уменьшаются нагрузки на основные детали двигателя.

Формула изобретения

1. Композитный поршень с антифрикционным покрытием для двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с антифрикционным покрытием, канавки под компрессионные и маслосъемные кольца и юбку с профилированной овально-бочкообразной рабочей поверхностью, отличающийся тем, что поршень снабжен вставкой из волокнистого материала, соответствующей размеру головки поршня и состоящей из двух частей, одна из которых расположена в днище поршня и имеет волокна материала ее изготовления, ориентированные перпендикулярно днищу поршня, а вторая выполнена не более размера канавок под компрессионные кольца и имеет волокна, ориентированные параллельно днищу поршня, при этом геометрические параметры головки и юбки выполнены в соответствии с соотношениями

1/Dц=(2,35-2,39)10-3

2/Dц=(0,81-0,87)10-3

3/Dц=(0,61-0,65)10-3

4/Dц=(0,05-0,055)10-3

Н0/Dц=0,51-0,54,

где 1 - диаметральное отклонение в верхней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

2 - диаметральное отклонение в нижней кромке жарового пояса от номинального диаметра поршня, мм;

3 - диаметральное отклонение в верхней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

4 - диаметральное отклонение в нижней зоне юбки от номинального диаметра поршня, мм;

Dц - диаметр цилиндра, мм;

Н0 - расстояние от днища поршня до зоны номинального диаметра.

2. Поршень по п.1, отличающийся тем, что антифрикционное покрытие выполнено на жаровом поясе в виде высокотемпературного кремнийорганического покрытия, а на юбке - в виде эпоксифенольного покрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС)

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к области тепловых двигателей и может быть использовано, в частности в двигателях внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к деталям двигателей с поверхностным покрытием

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к методу теплоизоляции поршня двигателя внутреннего сгорания из легкого металла, предпочтительно алюминия или алюминиевого сплава на днище которого сформировано термозащитное покрытие

Поршень // 1839697

Изобретение относится к машиностроению

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит четыре полых цилиндра (2), каждый из которых снабжен поршнем (1), установленным в полости цилиндра (2) и соосно с ним, входом для поступления в полость цилиндра (2) свежего рабочего тела и выходом для удаления из полости цилиндра (2) отработанного рабочего тела. Цилиндры (2) расположены попарно таким образом, что цилиндры (2) одной пары имеют общую ось и установлены неподвижно и напротив друг друга. Соответствующие им поршни (1) установлены с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль названной оси пары цилиндров (2), сближаясь и отдаляясь между собой. Оси пар цилиндров (2) расположены в общей плоскости цилиндров и пересекаются между собой под прямым углом. Двигатель имеет четыре вала (6), установленных перпендикулярно плоскости цилиндров (2) с возможностью вращения. Каждый вал (6) кинематически соединен с соответствующими поршнями (1) кривошипно-шатунными механизмами таким образом, что возвратно-поступательное движение поршней (1) преобразуется во вращательное движение валов (6). Цилиндры (2) установлены между поршнями (1) каждой пары цилиндров (2) противоположно друг другу. Каждый поршень (1) подвижно соединен с двумя парами шатунов (3) кривошипно-шатунных механизмов. Кривошипно-шатунные механизмы одной пары шатунов (3) и другой пары шатунов (3) расположены с противоположных сторон от плоскости цилиндров (2). Технический результат заключается в снижении уровня шума и вибрации. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа включает в себя поршень и гильзу (8) цилиндров. Поршень с компрессионными и маслосъемными кольцами контактирует с рабочей поверхностью гильзы (8) цилиндра, имеющей канавки (9) и (10), заполненные цветным металлом. На днище поршня и на канавки компрессионных и маслосъемных колец наносят упрочняющее покрытие микродуговым оксидированием в виде сплошного оксидированного слоя. В местах наибольшего износа гильзы (8) цилиндра, соответствующего положениям поршня в верхней и нижней мертвых точках, выполнены канавки (9). Канавки (9) имеют форму встречных синусоид. В средней части гильзы (8) цилиндров на расстоянии 0,10…0,12 от высоты гильзы цилиндра крайних точек верхней и нижней синусоид выполнены две канавки (10) в виде встречных замкнутых колец, отдельных друг от друга. Расстояние от начала первых синусоидальных канавок (9) до верхнего торца гильзы равно 8…10% от высоты рабочей поверхности гильзы. В поперечном сечении канавки (9) и (10) имеют глубину и ширину, равные 0,25 от минимальной толщины гильзы. Максимальное расстояние между соседними канавками соответствует расстоянию между верхним компрессионным и нижним маслосъемным поршневыми кольцами. Технический результат заключается в повышении износостойкости и снижении неравномерности износа гильзы цилиндра. 5 ил.

Изобретение может быть использовано в устройствах дозирования топлива. Поршень для устройства дозирования топлива, изготовленный из алюминиевого сплава, содержит упрочненную интенсивной пластической деформацией головку (1) с ультрамелкозернистой структурой материала. Торец головки поршня имеет центральную антикавитационную область (4) с рыхлой структурой, полученной лазерной обработкой, углубленную по дуге окружности на 3-5 мм. Диаметр антикавитационной области (4) меньше диаметра головки (1) и образует по краям торца высокопрочное кольцо (3) шириной 2-5 мм. Технический результат заключается в снижении вероятности появления кавитации. 2 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для создания теплозащитных покрытий на поршнях из алюминиевых сплавов. Способ тепловой защиты поршня двигателя внутреннего сгорания включает нанесение теплоизолирующего покрытия на днище поршня путем анодно-катодно-микродугового оксидирования, при этом покрытие содержит твердые включения фазы α-Al2O3, диспергированные в матрице из фазы γ-Al2O3 и соединениях муллита 3⋅Al2O3⋅SiO2. Покрытие наносят в электролите, состоящем из раствора гидрата окиси калия, раствора стекла натриевого жидкого и дистиллированной воды, причем анодом является поршень, а катодом - пластина, закрепленная на расстоянии 90-100 мм от днища поршня, которое располагают параллельно катоду, при этом процесс осуществляют в течение 90-120 мин при температуре электролита 298°-318°K, напряжении на аноде 295-315 B, поверхностной плотности тока 16-17 А/дм2, при соотношении катодного и анодного токов - 1:1, причем покрытие наносят на днище поршня до достижения толщины покрытия 100-160 мкм, исключая область кромки шириной 2-3 мм по периметру днища, после чего с поверхности покрытия механическим путем удаляют соединения муллита до достижения толщины покрытия 50÷110 мкм. Способ позволяет получить теплозащитное покрытие на днище поршня, способное при термоциклических нагрузках защищать поршень от разрушения, со снижением трудоемкости и энергоемкости способа.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Поршень (10) для двигателя внутреннего сгорания содержит теплозащитную пленку (32) на верхней поверхности гребня поршня (10) и первую теплоаккумулирующую пленку (34) на боковой поверхности гребня поршня (10). Теплозащитная пленка (32) имеет меньшую теплопроводность, чем основной материал поршня (10), и имеет меньшую объемную теплоемкость, чем основной материал поршня. Первая теплоаккумулирующая пленка (34) имеет меньшую теплопроводность, чем основной материал поршня (10), но имеет большую объемную теплоемкость, чем теплозащитная пленка (32). Раскрыты двигатель внутреннего сгорания с поршнем и способ изготовления поршня. Технический результат заключается в предотвращении прилипания топлива к боковой поверхности гребня поршня и уменьшение во время такта всасывания в двигателе нагрева рабочего тела поршня. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх