RU2789316C1 - Device for cooling and lubrication of piston of internal combustion engine - Google Patents
Device for cooling and lubrication of piston of internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789316C1 RU2789316C1 RU2022111474A RU2022111474A RU2789316C1 RU 2789316 C1 RU2789316 C1 RU 2789316C1 RU 2022111474 A RU2022111474 A RU 2022111474A RU 2022111474 A RU2022111474 A RU 2022111474A RU 2789316 C1 RU2789316 C1 RU 2789316C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piston
- oil
- skirt
- hole
- oil nozzle
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и рекомендуется к использованию в четырехтактных, форсированных наддувом и/или имеющих воздушное охлаждение быстроходных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), использующих для снижения теплонапряженности и, частично, трения деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) струйно-масляное охлаждение поршней.The invention relates to mechanical engineering and is recommended for use in four-stroke, supercharged and / or air-cooled high-speed internal combustion engines (ICE), using jet-oil cooling of pistons to reduce heat stress and, in part, friction of parts of the cylinder-piston group (CPG).
Широко известны устройства для охлаждения-смазки поршней ДВС, содержащие поршень, включающий в себя головку, юбку, бобышки, поршневой палец в бобышках, сопряженный с поршневой головкой шатуна, и размещенную на стенке блок-картера масляную форсунку, через которую струя масла подается параллельно центральной оси поршня на внутреннюю, обращенную к масляной форсунке поверхность головки, осуществляя тем самым охлаждение и, частично, за счет разбрызгивания и создания при разбрызгивании масляного тумана, смазывание сопряжений поршневого пальца. Среди таких известных устройств в качестве аналога предлагаемого устройства может быть принято техническое решение, описанное в работе [1] (с.49 и рис.2.49 (б)).Widely known devices for cooling-lubricating pistons of internal combustion engines, containing a piston, including a head, a skirt, bosses, a piston pin in bosses, coupled with the piston head of the connecting rod, and placed on the wall of the crankcase oil nozzle through which the oil jet is supplied parallel to the central piston axis on the inner surface of the head facing the oil nozzle, thereby cooling and, in part, due to spraying and creating oil mist when spraying, lubricating the piston pin mates. Among such well-known devices, the technical solution described in [1] (p. 49 and Fig. 2.49 (b)) can be adopted as an analogue of the proposed device.
К основном недостаткам устройства-аналога следует отнести низкую надежность работы сопряжений юбки поршня с цилиндром ДВС и поршневого пальца с бобышками поршня и шатуном, что обусловлено отсутствием в известном устройстве специально организованного маслоснабжения этих высоконагруженных сопряжений. Образование при соударении струи масла о получаемую известными и наиболее применяемыми способами литья под давлением, т.е. по определению шероховатую, внутреннюю поверхность головки масляного тумана не может считаться достаточным для надежного смазывания не только удаленного от точки контакта струи масла с внутренней поверхностью головки сопряжения юбки поршня с цилиндром, но и находящихся наиболее близко к этой точке сопряжений поршневого пальца с бобышками поршня и поршневой головкой шатуна. Дополнительным недостатком устройства-аналога является низкая эффективность охлаждения головки, связанная с тем, что шероховатость, как результат применяемых при изготовлении поршней технологий литья под давлением, а также сопутствующая этим технологиям криволинейность внутренней маслопринимающей поверхности головки, обусловливают малую площадь омывания сплошным потоком масла нагретой зоны головки, что ухудшает условия теплопередачи в устройстве [1] и, при повышении уровня форсирования ДВС, требует перехода к более интенсивной, но при этом конструкционно и технологически более сложной разновид-The main disadvantages of the analogue device include the low reliability of the mates of the piston skirt with the ICE cylinder and the piston pin with piston bosses and connecting rod, which is due to the absence of specially organized oil supply of these highly loaded mates in the known device. Formation upon impact of a jet of oil obtained by known and most used methods of injection molding, i.e. by definition, rough, the inner surface of the oil mist head cannot be considered sufficient for reliable lubrication not only of the piston skirt-cylinder interface farthest from the point of contact of the oil jet with the inner surface of the piston skirt mating head, but also of the piston pin with the piston bosses and the piston closest to this mating point. connecting rod head. An additional disadvantage of the analogue device is the low efficiency of cooling the head, due to the fact that the roughness, as a result of the injection molding technologies used in the manufacture of pistons, as well as the curvilinearity of the internal oil-receiving surface of the head accompanying these technologies, cause a small area of washing the heated zone of the head with a continuous flow of oil , which worsens the heat transfer conditions in the device [1] and, with an increase in the level of forcing the internal combustion engine, requires a transition to a more intensive, but at the same time structurally and technologically more complex version.
ности организации масляного охлаждения, а именно: галерейного масляного охлаждения или охлаждения взбалтываем масла, которые, однако, так же как и обычное, реализованное в [1], струйное охлаждение не решают отмеченных выше проблем, связанных с дефицитом смазочного материала в трущихся сопряжениях поршня.oil cooling organization, namely: gallery oil cooling or oil shaking cooling, which, however, like the conventional jet cooling implemented in [1], do not solve the problems noted above associated with a shortage of lubricant in the rubbing piston mates.
Наиболее близким к предлагаемому устройству, т.е. его прототипом, является техническое решение согласно [2], в котором работающий в условиях струйной подачи масла поршень, содержащий головку, юбку, канал масляного охлаждения в области стенки юбки и головки поршня, маслоуловительное ребро в канале и по меньшей мере одно сквозное отверстие в стенке юбки, гидравлически соединяющее заполняемый струей масла из расположенной на картере ДВС масляной форсунки канал масляного охлаждения с цилиндром ДВС. Техническим результатом применения устройства-прототипа заявлено снижение трения поршня при его возвратно-поступательном движении в цилиндре, обусловленное подачей масла через сквозное отверстие в стенке юбке поршня в зону сопряжения «юбка поршня-цилиндр». Отмечается, что эффективность подавления трения в указанном сопряжении повышается за счет снижения вязкости масла, обусловленного его (масла) нагревом при контактировании с горячим днищем поршня.Closest to the proposed device, ie. its prototype is a technical solution according to [2], in which a piston operating under conditions of jet oil supply, containing a head, a skirt, an oil cooling channel in the area of the wall of the skirt and the piston head, an oil-catching rib in the channel and at least one through hole in the wall skirts, hydraulically connecting the oil-cooling channel filled with a jet of oil from the oil nozzle located on the crankcase of the internal combustion engine with the cylinder of the internal combustion engine. The technical result of using the prototype device is to reduce the friction of the piston during its reciprocating movement in the cylinder, due to the supply of oil through a through hole in the wall of the piston skirt to the "piston skirt-cylinder" interface. It is noted that the effectiveness of friction suppression in the specified interface increases due to a decrease in the viscosity of the oil, due to its (oil) heating when in contact with the hot piston bottom.
Устройство-прототип имеет ряд недостатков, которые сводятся к следующему.The prototype device has a number of disadvantages, which are as follows.
Выполнение в теле поршня полого канала масляного охлаждения, имеющего значительный (от 0,5 до 0,8 осевой высоты поршня) линейный размер в продольном сечении и до 360° по окружности угловую протяженность в поперечном сечении, является не только технологически трудно выполнимым, но и неизбежно вызывающим увеличение массо-габаритных параметров поршня за счет увеличения общей толщины стенки юбки по причине необходимости размещения в ней полости для масла.The implementation of a hollow oil cooling channel in the piston body, which has a significant (from 0.5 to 0.8 of the axial height of the piston) linear size in the longitudinal section and up to 360 ° along the circumference of the angular extent in the cross section, is not only technologically difficult to implement, but also inevitably causing an increase in the weight and size parameters of the piston due to an increase in the total thickness of the skirt wall due to the need to place an oil cavity in it.
Более значительная (по оценке не менее чем в 1,5…2,5 раза), по сравнению с традиционными галерейными полостями охлаждения, выполняемыми в пределах контуров головки, площадь внутренней теплопередающей поверхности канала охлаждения устройства [2] может вызывать не просто повышение, а превышение допустимых границ температуры масла в результате теплообмена с нагретой до уровня 250…300°С поверхностью головки поршня, приводящее к критически низкому (до 3…5 сСт) значению вязкости моторного масла. Из положений гидродинамики известно, что падение вязкости масла, способствуя минимизации жидкостного трения, одновременно приводит к снижению гидродинамической несущей способности смазываемого сопряжения деталей, что, в случае использования, например, энергосберегающих маловязких моторных масел, может приводить к повышению интенсивности изнашивания, а далее – задиру высоконагруженных смазываемых деталей ЦПГ, т.е. вызывать снижение надежности работы ДВС.More significant (estimated at least 1.5...2.5 times), compared with traditional gallery cooling cavities, performed within the contours of the head, the area of the internal heat transfer surface of the cooling channel of the device [2] can cause not only an increase, but exceeding the permissible limits of oil temperature as a result of heat exchange with the surface of the piston head heated to a level of 250 ... 300 ° C, leading to a critically low (up to 3 ... 5 cSt) value of engine oil viscosity. From the provisions of hydrodynamics, it is known that a drop in oil viscosity, contributing to minimization of fluid friction, simultaneously leads to a decrease in the hydrodynamic bearing capacity of the lubricated interface of parts, which, in the case of using, for example, energy-saving low-viscosity motor oils, can lead to an increase in wear intensity, and then to scuffing highly loaded lubricated parts of the CPG, i.e. cause a decrease in the reliability of the internal combustion engine.
Задачей изобретения является снижение трения, износа и повышение надежности работы ДВС, использующих струйно-масляное охлаждение поршней.The objective of the invention is to reduce friction, wear and increase the reliability of the internal combustion engine using jet-oil cooling of the pistons.
Задача решается тем, что в предлагаемом устройстве для повышения эффективности смазки и охлаждения поршня струя масла из расположенной на стенке картера ДВС масляной форсунки подается в центр гладкой плоской маслопринимающей поверхности теплопередающего элемента, расположенного в зоне сопряжения внутренних поверхностей головки и юбки поршня, вследствие чего после гидравлического удара о маслопринимающую поверхность струя масла разделяется относительно точки соударения на противоположно движущиеся потоки, один из которых в плоскости, проходящей через центральную ось поршня и точку соударения струи масла о маспропринимающую плоскость, направляется через лежащее в этой плоскости сквозное отверстие в стенке юбки поршня к сопряжению юбки поршня с цилиндром ДВС, а другой – к сопряжению поршневого пальца с бобышками и поршневой головкой шатуна, обеспечивая тем самым смазывание указанных сопряжений, при этом, выполнение в устройстве теплопередающего элемента из материала, имеющего более высокую теплопроводность, чем материал головки поршня, приводит к интенсификации локального теплообмена между головкой поршня и струей масла, способствуя дополнительному снижению максимальной температуры головки поршня.The problem is solved by the fact that in the proposed device for increasing the efficiency of lubrication and cooling of the piston, an oil jet from an oil nozzle located on the crankcase wall of the internal combustion engine is fed into the center of a smooth flat oil-accepting surface of the heat transfer element located in the interface zone of the internal surfaces of the head and piston skirt, as a result of which, after hydraulic hitting the oil-receiving surface, the oil jet is divided relative to the point of impact into oppositely moving flows, one of which, in a plane passing through the central axis of the piston and the point of impact of the oil jet on the oil-receiving plane, is directed through a through hole in the wall of the piston skirt lying in this plane to the skirt interface piston with the internal combustion engine cylinder, and the other - to the pairing of the piston pin with the bosses and the piston head of the connecting rod, thereby ensuring the lubrication of these mates, while making the heat transfer element in the device from a material having a higher thermal conductivity than the material of the piston head leads to an intensification of local heat exchange between the piston head and the oil jet, further reducing the maximum temperature of the piston head.
Анализ выполненных конструкций устройств для смазки-охлаждения поршней ДВС показал, что в известных технических решениях отсутствуют расположенные в головке поршня элементы, выполняющие одновременно теплопроводную и маслораспределительную функции в отношении струи масла, направляемой на внутреннюю поверхность днища поршня. Кроме того, в результате обзора известных устройств не обнаружено организации в них распределения подаваемого к внутренней поверхности головки поршня масла на противоположно движущиеся потоки, предназначенные для снабжения смазочным материалом трущихся поверхностей соответственно юбки поршня и поршневого пальца. И, наконец, в описаниях известных устройств нет указаний на улучшение теплоотвода от головки поршня за счет использования интенсификации локального теплообмена без применения сложных с конструкционной и технологической точек зрения систем галерейного масляного охлаждения или их разновидностей. Вышесказанное доказательно свидетельствует о том, что заявляемое техническое решение обладает достаточным изобретательским уровнем.An analysis of the designs of devices for lubrication-cooling of ICE pistons showed that in the known technical solutions there are no elements located in the piston head that simultaneously perform heat-conducting and oil-distributing functions in relation to the oil jet directed to the inner surface of the piston bottom. In addition, as a result of a review of known devices, it was not found that they distribute the oil supplied to the inner surface of the piston head into oppositely moving flows designed to supply lubricant to the rubbing surfaces of the piston skirt and piston pin, respectively. And, finally, in the descriptions of known devices, there is no indication of improving heat removal from the piston head through the use of local heat transfer intensification without the use of gallery oil cooling systems that are complex from a structural and technological point of view or their varieties. The foregoing convincingly indicates that the claimed technical solution has a sufficient inventive step.
Изобретение поясняется рисунками.The invention is illustrated by drawings.
На Фиг.1 представлен сложный продольный разрез и вид варианта конструкционного исполнения предлагаемого устройства, содержащего теплопередающий элемент в головке поршня, выполненный из одного с поршнем материала.Figure 1 shows a complex longitudinal section and a view of a design variant of the proposed device containing a heat transfer element in the piston head, made of the same material as the piston.
На Фиг.2 показано разделение общего потока масла Q o из масляной форсунки на составляющие Q 1 и Q 2 в продольном сечении маслопринимающей поверхности соответственно при прямом (левый фрагмент Фиг.1) и косом (правый фрагмент Фиг.1) ударе струи масла о маслопринимающую поверхность.Figure 2 shows the division of the total oil flow Q o from the oil nozzle into components Q 1 and Q 2 in the longitudinal section of the oil receiving surface, respectively, with a direct (left fragment of Fig. 1) and oblique (right fragment of Fig. 1) impact of the oil jet on the oil receiving surface.
На Фиг.3 проиллюстрировано условие касания (и приведены основные размеры) маслопринимающей и внутренней поверхностей юбки поршня, имеющей дренажное отверстие в стенке.Figure 3 illustrates the condition of contact (and shows the main dimensions) of the oil-receiving and inner surfaces of the piston skirt, which has a drainage hole in the wall.
На Фиг.4 дан сложный продольный разрез и вид варианта конструкционного исполнения предлагаемого устройства, содержащего теплопередающий элемент в головке поршня, выполненный из иного, чем поршень, материала.Figure 4 shows a complex longitudinal section and a view of a design variant of the proposed device, containing a heat transfer element in the piston head, made of a material other than the piston.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Представленное на Фиг.1 устройство включает поршень 1, состоящий из головки 2 с размещенным в ней теплопередающим элементом 3, имеющим гладкую плоскую маслопринимающую поверхность 4, юбки 5, размер которой в направлении центральной оси О-О поршня 1 ограничен верхней, расположенной ближе к головке 1, и нижней, расположенной на расстоянии длины юбки поршня L, кромками 6 и 7 соответственно, и в стенке которой имеется сквозное отверстие 8, ось которого располагается по нормали к центральной оси поршня О-О поршня 1, бобышки 9 с размещенным в них поршневым пальцем 10 и масляную форсунку 11.The device shown in Fig.1 includes a
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
При движения поршня 1 в цилиндре ДВС (на Фиг.1 не показан) под действием давления, создаваемого масляным насосом (на Фиг.1 не показан), из масляной форсунки 11, обеспечивающей предусмотренную работой устройства струйную подачу масла в зону сопряжения внутренних поверхностей головки 2 и юбки 5 поршня 1, происходит истечение струи масла, которая представлена на Фиг.1 прямой пунктирной линией со стрелками, показывающими направление движения струи по траектории, параллельной центральной оси О-О поршня 1 и совпадающей с находящимся в точке К центром гладкой и плоской маслопринимающей поверхности 4 теплоперадающего элемента 3, проекция которой на поперечное сечение поршня 1 имеет форму круга, образующая которого смыкается с образующей внутренней поверхности юбки 5 поршня 1.When the
Благодаря тому, что расположение центра K маслопринимающей поверхности 4 теплопередающего элемента 3 в головке 2 поршня 1 согласовано с расположением масляной форсунки 11 таким образом, что центральная ось масляной форсунки 11 проходит через точку К маслопринимающей поверхности 4, согласно известным положениям гидравлики (удар струи жидкости о гладкую плоскую поверхность) в линейном представлении, а именно: в плоскости сечения А-А на участке его длины, расположенном под углом α от оси Р-Р поршневого пальца 10 (Фиг.1, вид В) струя масла после удара о гладкую прямолинейную маслопринимающую поверхность 4 в точке К распадается на два потока, направленные вдоль маслопринимающей поверхности 4 в противоположные от точки К стороны и характеризуемые в зависимости от угла β расположения этой поверхности по отношению к оси струи масла соответствующими соотношениями расходов масла Q 1 и Q 2, являющимися слагаемыми общего расхода масла Q 0 (Фиг.2), подаваемого со струей из масляной форсунки 11 (на Фиг.2 не показана).Due to the fact that the location of the center K of the oil-receiving
Разделение подаваемого со струей потока масла, характеризуемого расходом Q 0, после прямого либо косого (в зависимости от выбранного варианта конструкционного исполнения маслопринимающей поверхности 4 теплопередающего элемента 3 - Фиг.2) удара струи масла о гладкую плоскую преграду в виде маслопринимающей поверхности 4 на два потока с расходами Q 1 и Q 2 соответственно, благодаря взаимному согласованию размеров и расположения маслопринимающей поверхности 4 с размером и расположением сквозного отверстия 8 в стенке юбки 5, а расположения отверстия 8 - с расположением масляной форсунки 11 обеспечивает попадание соответствующих указанным расходам количеств масла в зоны трения соответственно юбки 5 с цилиндром ДВС и поршневого пальца 10 с бобышками 9, а также сопряженной с поршневым пальцем 10 поршневой головкой шатуна (на Фиг.1 и Фиг.2 цилиндр ДВС, и поршневая головка шатуна не показаны).Separation of the oil flow supplied with the jet, characterized by the flow rateQ 0, after a direct or oblique (depending on the selected design option of the oil-receiving
При организации прямого удара струи масла о маслопринимающую поверхность 4 (угол β между центральной осью струи масла и плоскостью маслопринимающей поверхности равен 90° или 0,5π - Фиг.2: далее по тексту используется радианное представление значений углов) расходы масла по взаимно противоположным направлениям относительно точки удара К вдоль маслопринимающей поверхности 4 согласно известным положениям гидравлики равны между собой: Q 1=Q 2. В случае косого удара струи масла о маслопринимающую поверхность 4 (угол β < 0,5π - Фиг.2) расходы масла по взаимно противоположным относительно точки К направлениям вдоль маслопринимающей поверхности 4 не равны друг другу, причем Q 1>Q 2. Таким образом, изменение угла наклона маслопринимающей поверхности 4 к оси прямолинейной траектории струи масла или, что одно и то же, к центральной оси О-О поршня 1 при выборе варианта конструкционного исполнения устройства позволяет корректировать в нужном направлении распределение количеств масла, предназначенных для смазки соответственно юбки 5 и поршневого пальца 10, при этом количество масла, определяемое общим расходом Q 0=Q 1+Q 2, участвующее в охлаждении поршня 1, в любом случае остается неизменным.When organizing a direct impact of the oil jet on the oil-receiving surface 4 (the angle β between the central axis of the oil jet and the plane of the oil-receiving surface is 90° or 0.5 π - Fig.2: hereinafter, the radian representation of the angle values is used) oil flow rates in mutually opposite directions relative to the impact point K along the oil-receiving
Суть отмеченного выше согласования взаимного расположения составляющих элементов 4, 8 и 11 в предлагаемом устройстве сводится к обеспечению: попадания струи масла, вытекающей из масляной форсунки 11, в центр, т.е. в точку К, маслопринимающей поверхности 4 и примыкания маслопринимающей поверхности 4 к отверстию 8. Под примыканием здесь принимается выполнение требования касания образующей маслопринимающей поверхности 4 образующей внутренней поверхности юбки 5 (Фиг.3).The essence of the above coordination of the relative position of the
За основу при выполнении условия согласования взаимного расположения составляющих элементов 4, 8 и 11 в предлагаемом устройстве принимается расположение относительно поршня 1 в проекции на продольное и поперечное его сечения масляной форсунки 11 на стенке картера ДВС.The basis for fulfilling the condition for matching the relative position of the
Так, из практики применения и анализа известных конструкций устройств струйно-масляного охлаждения поршней ДВС, основанных на использовании жестко закрепленной на блоке ДВС, связанной с его (ДВС) главной масляной магистралью, использующих масляные форсунки, следует, что, во избежание удара движущихся деталей шатунно-поршневой группы (ШПГ), а также вращающихся противовесов коленчатого вала ДВС, направленную внутрь цилиндра ДВС, формирующую траекторию и скорость движения струи ось отверстия масляной форсунки располагают в достаточно узкой зоне, имеющей при взгляде на поперечное сечение поршня 1 со стороны нижней кромки 7 юбки 5 (Фиг.1, вид В) форму сектора, ограниченного частью окружности внутренней поверхности юбки 5, плоскостью, проходящей через торцовую поверхность ближайшей к масляной форсунке 11 бобышки 9 и плоскостью, проходящей параллельно оси Р-Р поршневого пальца 10 касательно к наружной поверхности бобышек 9. Таким образом, для большинства выполненных конструкций ЦПГ четырехтактных ДВС местом размещения оси формирующего струю отверстия масляной форсунки является точка К, лежащая в плоскости, проходящей через центральную ось О-О поршня 1 под определенным углом α к оси Р-Р поршневого пальца 10 на некотором расстоянии r от точки C, лежащей на пересечении осей О-О и Р-Р (Фиг.1, вид В).So, from the practice of applying and analyzing known designs of devices for jet-oil cooling of ICE pistons, based on the use of an ICE rigidly fixed to the block, connected to its (ICE) main oil line, using oil nozzles, it follows that, in order to avoid hitting moving parts of the connecting rod - piston group (SHPG), as well as rotating counterweights of the ICE crankshaft, directed inside the ICE cylinder, forming the trajectory and speed of the jet, the axis of the oil nozzle hole is located in a fairly narrow zone, which, when looking at the cross section of the
С учетом вышеприведенного выполнение первого условия согласования взаимного расположения составляющих элементов 4, 8 и 11 в предлагаемом устройстве, а именно: элементов 4 и 11 - является обеспечение совпадения центра площади маслопередающей поверхности 4 (т.е. точки К) с осью траектории струи масла (осью жиклера масляной форсунки 11), что достигается назначением угловой α и линейной r координат точки К, из следующих значений и соотношений: угол α=π/4; 0,2D≤r≤0,4D, где D –диаметр поршня 1, являющийся компонентом размерности ДВС.In view of the above, the fulfillment of the first condition for matching the relative position of the
С учетом известных теоретических и экспериментальных результатов исследования условий смазки и трения поршней, имеющих наиболее распространенные овально-бочкообразные юбки, известно, что наилучшей зоной подачи смазочного материала в сопряжение «юбка поршня -цилиндр» является начальный участок сужающегося зазора указанного сопряжения на ненагруженной стороне юбки поршня при ходе поршня от нижней к верхней мертвой точке на такте «Сжатие» в прижатом состоянии к ненагруженной (правой на Фиг.1) стороне стенки цилиндра и расположенный по окружности юбки в двух плоскостях под углами примерно π/4 к плоскости качания шатуна, в которых формируется максимальное значение реакции, приложенной к юбке поршня со стороны цилиндра ДВС.Taking into account the known theoretical and experimental results of studying the conditions of lubrication and friction of pistons with the most common oval-barrel-shaped skirts, it is known that the best zone for supplying lubricant to the “piston skirt-cylinder” interface is the initial section of the narrowing gap of the specified interface on the unloaded side of the piston skirt when the piston travels from bottom to top dead center on the "Compression" stroke in the pressed state to the unloaded (right in Fig.1) side of the cylinder wall and located along the circumference of the skirt in two planes at angles of approximately π/ 4 to the connecting rod swing plane, in which the maximum value of the reaction applied to the piston skirt from the side of the internal combustion engine cylinder is formed.
Угловое расположение отверстия 8 в предлагаемом устройстве (α=π/4), показанное на Фиг.1, наилучшим образом соответствует требованию подачи смазки в зону прогнозируемо высокой нагрузки. При этом, для снижения риска поломки прилегающего к верхней кромке 6 юбки 5 участка нижнего торца канавки маслосъемного кольца зона подачи масла в сопряжение юбки поршня с цилиндром ДВС по осевой высоте юбки поршня должна располагаться на расстоянии не менее половины диаметра d отверстия 8 от верхней кромки 6 юбки 5, а для гарантированного устранения дефицита масла в сужающемся навстречу движению поршня на такте «Сжатие» начальном участке профиля юбки 5 для юбок наиболее распространенного бочкообразного профиля, имеющего максимальную высоту в точке, делящей пополам осевую длину L юбки 5, расположение зоны подачи масла в указанное сопряжение не должно выходить за пределы половины длины юбки L юбки 5. Удовлетворению этих условий соответствует выбор отсчитываемого от верхней кромки 6 юбки 5 расстояния h расположения вдоль центральной оси О-О поршня 1 оси отверстия 8 из соотношения 0,01D≤ h ≤0,04D.The angular location of the
Для согласования взаимного расположения элементов 4 и 8 в устройстве угловая координата расположения оси отверстия 8 в юбке 5 принимается равной угловой координате точки К, а линейная координата, определяющая расположение оси отверстия 8 вдоль центральной оси О-О поршня 1 назначается из условия расположения этой оси в одной поперечной плоскости, т.е. на одном уровне по оси О-О с точкой К (Фиг.1 и Фиг.2).To coordinate the relative position of
При использовании косого удара струи масла о маслопринимающую поверхность 4, т.е. при выборе конструкционно исполнения устройства с углом β между траекторией струи масла из масляной форсунки или (что одно и то же) центральной осью О-О поршня 1 и маслопринимающей поверхностью, меньшим π/2 (применение угла β >π/2 является нерациональным по причине трудности согласования направления потоков масла Q 1 и Q 2 в зоны трения соответственно юбки 5 и поршневого пальца 10), необходимо ограничивать минимальное значение угла β с тем, чтобы движение потока масла к отверстию 8 не оказалось перекрытым стенкой юбки 5. С целью сведения к минимуму вероятности возникновения такой ситуации нижнее значение угла β в устройстве ограничено величиной 0,5p-β=arctg(d/Δ), где d – диаметр отверстия в стенке юбки 5; Δ – диаметр окружности проекции маслопринимающей поверхности 4 на поперечное сечение поршня 1. С учетом того, что рациональные значения d лежат в пределах 0,4Δ, после очевидных преобразований рациональный диапазон значений угла β для использования в большинстве вариантов конструкционного исполнения устройства составляет: (π/8)≤β≤ (π/2).When using an oblique impact of the oil jet on the oil-receiving
Для надежного маслоснабжения юбки 5 минимальное значение диаметра d сквозного отверстия 8 не должно снижать расход масла в направлении юбки 5, а максимальное – снижать гидродинамическую несущую способность в сопряжении юбки 5 с цилиндром ДВС. По конструкционным соображениям удовлетворению этих требований в устройстве соответствует выбор значения диаметра d из соотношения 0,02D≤d≤0,04D.For reliable oil supply of the
Все количество масла, характеризуемое расходом Q 0, попадая со струей на маслопринимающую поверхность 4 и имея меньшую температуру по сравнению с головкой 2 и размещенным в ней теплопередающим элементом 3, согласно первому закону термодинамики забирает часть тепла от нагретого поршня 1, снижая тем самым (согласно известным выполненным оценкам на 15…20°С) максимальную температуру головки 2 поршня 1.The entire amount of oil, characterized by a flow rate Q 0 , falling with a jet on the oil-receiving
В одном из предпочтительных вариантов изготовления устройства достигается улучшение теплоотвода от днища головки 2 поршня 1 за счет использования интенсификации локального теплообмена между головкой 2, теплопередающим элементом 3 и охлаждающим маслом, подаваемым на маслопринимающую поверхность 4 теплопередающего элемента 2 масляной форсункой 11. Интенсификация теплообмена происходит за счет того, что материал, из которого выполняется теплопередающий элемент 3, выбирается из числа тех, что обладают лучшими теплопроводными свойствами по сравнению с материалом головки 2.In one of the preferred embodiments of the device, heat removal from the bottom of the
Например, использование в устройстве в качестве материала теплопередающего элемента 3 меди и ее сплавов, значение коэффициента теплопроводности которых в 1,5…1,8 раза превышает таковое у основных, применяемых для изготовления современных поршней, материалов на основе кремнийсодержащих сплавов алюминия (силуминов), согласно выполненным результатам расчета теплового состояния поршня автомобильного ДВС позволяет при использовании предлагаемого устройства дополнительно снизить максимальную температуру головки поршня на 8…12 °С.For example, the use in the device as the material of the
Реализация этого конструкционного варианта устройства предполагает изготовление теплопередающего элемента 3 как отдельной детали, которая затем устанавливается в головку 2 поршня 1 с помощью применения известных технологий, например, прессовой посадки, резьбового соединения, сварки трением и др. (Фиг.4).The implementation of this structural version of the device involves the manufacture of a
Устранение возможной проблемы различия теплового расширения выполненной из силумина головки 2 и изготовленного из меди теплопередающего элемента 3 устраняется в предлагаемом устройстве использованием в качестве поршневого материала силуминов, микролегированных церием: в этом случае коэффициент теплового расширения (КТР) силумина (например, поршневого сплава АК21М2,5Н2,5) становится практически равен таковому для меди, а именно: 17⋅10-6 1/К, вместо значения (21…23) 10-6 1/К для обычных поршневых силуминов. Также снижает и тем самым сближает значение КТР силумина и меди применение технологии изотермической штамповки (ковки) для изготовления поршня 1.Elimination of the possible problem of the difference in thermal expansion of the
Промышленная применимость заявляемого технического решения обусловлена простотой его конструкции и низкой себестоимостью изготовления, при которых наиболее технологически сложным является реализация только варианта устройства, использующего теплопередающий элемент, выполненный из иного, нежели основной материал поршня, материала или сплава.The industrial applicability of the proposed technical solution is due to the simplicity of its design and low manufacturing cost, in which the most technologically difficult is the implementation of only a device variant using a heat transfer element made of a material or alloy other than the main material of the piston.
Обеспечиваемое устройством постоянное и гарантированное маслоснабжение высоконагруженных сопряжений «юбка поршня-цилиндр» и «бобышки - поршневой палец - поршневая головка шатуна», снижает интенсивность трения, износа и риска задира поверхностей деталей ЦПГ и ШПГ, а повышение интенсивности теплообмена при струйном охлаждении приводит к снижению теплонапряженности поршней форсированных наддувом ДВС, в особенности тех из их числа, что имеют воздушное, т.е. менее эффективное по сравнению с жидкостным, охлаждение цилиндров.Provided by the device, constant and guaranteed oil supply to highly loaded “piston-cylinder” and “bosses - piston pin - connecting rod piston head” interfaces reduces the intensity of friction, wear and the risk of scuffing of the surfaces of CPG and BPG parts, and an increase in heat transfer intensity during jet cooling leads to a decrease in the thermal stress of the pistons of forced supercharging internal combustion engines, especially those of them that have air, i.e. less efficient compared to liquid cooling of cylinders.
Благодаря улучшению маслоснабжения высоконагруженных сопряжений ЦПГ и снижению теплонапряженности поршней применение предлагаемого технического решения позволяет за счет снижения трения повысить топливную экономичность, а благодаря минимизации износа и риска задира – поднять надежность работы форсированных ДВС.Due to the improved oil supply of highly loaded CPG mates and a decrease in the thermal stress of the pistons, the use of the proposed technical solution makes it possible to increase fuel efficiency by reducing friction, and by minimizing wear and the risk of scuffing, to increase the reliability of forced internal combustion engines.
Источники:Sources:
1. Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. - М.: Издательство "За рулем", 1999.- 440 с.1. Khrulev A.E. Repair of engines of foreign cars. - M.: Publishing house "Behind the wheel", 1999.- 440 p.
2. Патент RU 2734889 C2, МПК7 F02F 3/22. Поршень для двигателя внутреннего сгорания с поступательным движением поршней / Малисхевский Т. (DE), Риттер Ю. (DE), заявитель и патентообладатель МАН ТРАК УНД БАС АГ (DE).-№ 2017104922; заявл. 16.02.2017; опубл. 23.10.2020, Бюл. № 30.–5 с.2. Patent RU 2734889 C2, IPC 7 F02F 3/22. Piston for an internal combustion engine with translational pistons / Malishevsky T. (DE), Ritter J. (DE), applicant and patent holder MAN TRACK UND BAS AG (DE) .- No. 2017104922; dec. 02/16/2017; publ. 23.10.2020, Bull. No. 30.–5 p.
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2789316C1 true RU2789316C1 (en) | 2023-02-01 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1222874A1 (en) * | 1983-02-18 | 1986-04-07 | Головное Специализированное Конструкторское Бюро По Двигателям Средней Мощности | Device for cooling piston of internal combustion engine |
| RU2153090C1 (en) * | 1996-09-30 | 2000-07-20 | Ман Б Энд В Диесель А/С | Piston for internal combustion engine, large marine diesel engine, in particular |
| EP3208453B1 (en) * | 2016-02-18 | 2020-11-18 | MAN Truck & Bus SE | Piston for a reciprocating piston combustion engine |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1222874A1 (en) * | 1983-02-18 | 1986-04-07 | Головное Специализированное Конструкторское Бюро По Двигателям Средней Мощности | Device for cooling piston of internal combustion engine |
| RU2153090C1 (en) * | 1996-09-30 | 2000-07-20 | Ман Б Энд В Диесель А/С | Piston for internal combustion engine, large marine diesel engine, in particular |
| EP3208453B1 (en) * | 2016-02-18 | 2020-11-18 | MAN Truck & Bus SE | Piston for a reciprocating piston combustion engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1438493B1 (en) | Closed gallery monobloc piston having oil drainage groove | |
| US6907848B2 (en) | Connecting rod with lubricant tube | |
| EP2875229B1 (en) | Piston with oil cooling passage and method of construction thereof | |
| US6668703B2 (en) | Piston with oil trap | |
| US10359000B2 (en) | Functionally optimized design of a cylinder liner | |
| US10428761B2 (en) | Galleryless piston with improved pocket cooling | |
| US10927787B2 (en) | Piston for internal combustion engine | |
| RU2789316C1 (en) | Device for cooling and lubrication of piston of internal combustion engine | |
| US9909528B2 (en) | Piston with abradable coating to generate appropriate contact geometry on running surface | |
| JP2019508624A (en) | Cavityless piston with slotted ring groove | |
| EP1751440B2 (en) | Crosshead bearing for a large two-stroke diesel engine | |
| CN1458399A (en) | Crosshead type engine | |
| CN203515848U (en) | Engine piston | |
| JP2577780B2 (en) | Reciprocating internal combustion engine having at least one cylinder liner | |
| CN108979889A (en) | Wear-resisting lubricated type engine piston | |
| CN208816241U (en) | Wear-resisting lubricated type engine piston | |
| CN112360642A (en) | Piston structure of horizontal engine | |
| US9551291B2 (en) | Steel piston with fourth land guidance and improved friction characteristics | |
| CN114829759A (en) | Piston and method for producing a piston | |
| KR101411235B1 (en) | Bush for connecting rod | |
| CN219691973U (en) | Connecting rod of internal combustion engine, internal combustion engine and vehicle | |
| CN205089470U (en) | Effective lubricated ladder small -end of connecting rod's piston structure | |
| CN219711682U (en) | Cooling ring cavity structure of diesel engine piston | |
| CN213928574U (en) | Piston structure of horizontal engine | |
| US20230228329A1 (en) | Oil scraper ring for pistons of an internal combustion engine |