Спосіб оптимізації профілю бічної поверхні поршня двигуна внутрішнього згоряння

Винахід відноситься до області машинобудування і може бути використаний для оптимізації конструктивних параметрів циліндропоршневої групи двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Відомий спосіб оптимізації профілю бічної поверхні поршня, положення поршневих кілець і мінімального зазору між поршнем і циліндром двигуна в холодному стані [1], що полягає в тому, що двигун виводять на задані режими і вимірюють товщину масляного шару між поршнем і циліндром двигуна і проводять вимірювання товщини масляного шару між бічною поверхнею циліндра і бічною поверхнею кільця. Вимірювання товщини масляного шару виробляють дискретно в перетинах між зонами зупинки головки поршня в зовнішній мертвій точці і юбки поршня у внутрішній мертвій точці, вимірюють температуру головки поршня і порівнюють виміряні значення товщини масляного шару і температури з еталонними значеннями для даного типу двигуна, при їх невідповідності проводять уточнення профілю бічної поверхні поршня, положення поршневих кілець і зазору між поршнем і циліндром і повторюють випробування до отримання результатів, відповідних еталонним параметрам. Даний спосіб дозволяє зменшити витрату палива, знизити шум і токсичність газів, що відпрацювали. Однак, оптимізація поверхні поршня проводиться тільки з урахуванням товщини масляного шару та температури і порівнянь їх з еталонними значеннями вже існуючих поршнів для певного типу двигуна, і не дозволяє здійснювати оптимізацію конструктивних параметрів при розробці нових поршнів в залежності від різних режимів роботи двигуна і для різних типів двигуна, не забезпечує достатнє зниження шуму, витрати палива і не сприяє підвищенню надійності роботи двигуна. Найбільш близьким до способу, що заявляється є спосіб оптимізації діаметральних зазорів між поршнем і циліндром двигуна в холодному стані [2], що включає головку з денцем і юбку, що полягає в тому, що двигун виводять на заданий номінальний режим і проводять визначення теплових деформацій по окремих дільницях бічної поверхні поршня при заданих режимах роботи двигуна і коректування профілю бічної поверхні поршня на величину деформацій в залежності від товщини масляного шару і з урахуванням моменту зриву масляного шару на рівні мікронерівностей. Проводять уточнення діаметральних зазорів по окремих зонах поршня, порівнюючи параметри з еталонними значеннями для даного типу двигуна. Даний спосіб дозволяє знизити витрату палива, шум і токсичність газів, що відпрацювали. Однак, цей спосіб також має недоліки в зв'язку з прив'язкою вимірювань товщини масляного шару і температури з еталонними значеннями для конкретного типу двигуна і не дозволяє оптимізувати при розробці нових поршнів конструктивні параметри поршня для різних типів двигуна в залежності від різних режимів роботи з урахуванням впливу температури на поршень і виникаючих деформацій при реальній роботі двигуна. Крім того, проблема зниження витрати палива, шуму залишається не до кінця вирішеної. Не вдалося також забезпечити прийнятну надійність роботи двигуна. У основу винаходу поставлена задача створення такого способу оптимізації профілю бічної поверхні поршня ДВЗ, в якому шляхом впливу на поршень температури, виникаючої при навантаженні в 1,1-1,3 рази більшим, ніж номінальне навантаження двигуна, визначають розподіл теплових деформацій по дільницях бічної поверхні поршня і здійснюють температурну корекцію бічної поверхні поршня шляхом завдання радіуса кожної її локальної дільниці, зменшуючи радіуси бічної поверхні поршня на величину локальних теплових деформацій дільниць, що дозволяє здійснювати оптимізацію конструктивних параметрів при розробці нових поршнів для різних типів двигуна незалежно від його еталонних параметрів і товщини масляного шару, і значно знизити витрату палива, шум і підвищити надійність роботи двигуна. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі оптимізації профілю бічної поверхні поршня ДВЗ, що має головку з денцем і юбку, і що включає визначення теплових деформацій на локальних дільницях бічної поверхні поршня при заданих режимах роботи двигуна і коректування профілю бічної поверхні поршня на T величину деформацій, згідно з винаходом визначають температуру h,j локальних дільниць бічної поверхні циліндричного поршня з початковим радіусом R при роботі двигуна під навантаженням, яке в 1,1-1,3 рази T перевищує його номінальне навантаження, по отриманих значеннях h,j визначають розподіл локальних DR T (h, j ) , по бічній поверхні поршня, де: теплових деформацій h - висота локальної дільниці бічної поверхні поршня від денця поршня; j - кутова координата локальної дільниці бічної поверхні поршня, і здійснюють температурну корекцію профілю бічної поверхні поршня шляхом задання радіуса кожної її локальної дільниці, рівним величині: R T (h, j ) = R - DR T (h, j ) . Крім того, після температурної корекції профілю бічної поверхні поршня визначають розподіл локальних DR F1 (h, j ) деформацій дільниць бічної поверхні поршня відтиску на денце поршня, який в 1,05-1,1 рази більше максимального тиску в режимі роботи двигуна з максимальним крутним моментом в циліндрі, діаметр якого рівний максимальному діаметру юбки поршня DТmax. і який виконаний з можливістю радіальної деформації, та здійснюють додаткову навантажувальну корекцію профілю бічної поверхні поршня шляхом задання радіуса кожної її локальної дільниці, рівним величині: R T,F1 (h, j) = R T (h, j ) - D R F1 (h, j ) . Крім того, після температурної і навантажувальної корекції профілю бічної поверхні поршня визначають DR J (h, j ) розподіл локальних деформацій дільниць бічної поверхні поршня A від прискорення J, рівного максимальному прискоренню при роботі двигуна на режимі максимального крутного моменту, і здійснюють додаткову прискорювальну корекцію профілю бічної поверхні поршня шляхом задання радіуса кожної її локальної дільниці, рівним величині: R T,F1,J (h, j) = R T,F1 (h, j) - D R J (h, j ) Переважно після температурної і навантажувальної корекції профілю бічної поверхні поршня визначати розподіл максимального значення RT,F1(h)max по висоті h і здійснювати додаткову температурну і навантажувальну корекцію профілю бічної поверхні поршня шляхом задання радіуса кожної її локальної дільниці, рівним величині: R * T,F1 (h, j ) = R T,F1 (h, j ) - R - R T,F1 (h )max [ ] Крім того, після температурної, навантажувальної і прискорювальної корекції профілю бічної поверхні поршня визначають розподіл максимального значення RT,F1,J(h)max по висоті h і здійснюють додаткову температурну, навантажувальну і прискорювальну корекцію профілю бічної поверхні поршня шляхом задання радіуса кожної її локальної дільниці, рівним величині: R * * T,F1,J (h, j) = R T,F1 (h, j) - R - R T,F1,J (h )max [ ] Переважно після корекції профілю бічної поверхні поршня визначати максимальний діаметр юбки поршня DFmax і вимірювати кут а повороту осі поршня від осі циліндра при роботі поршня в циліндрі, діаметр якого рівний максимальному діаметру юбки поршня DFmax збільшеному на величину найбільшого допустимого зносу циліндра, і при тиску на денце поршня, який в 1,05-1,1 рази більше максимального тиску при роботі двигуна на режимі R F2 (a, h, j ) , максимального крутного моменту, визначати локальні радіуси поршня відносно осі циліндра R (a, h, j )max визначати розподіл F 2 по висоті h і здійснювати корекцію профілю бічної поверхні головки поршня шляхом зменшення радіуса кожної її локальної дільниці на величину: DR F2 (h ) = R F2 (h, j, a )max - D R T,F1,J (h, j ) DR c Крім того, локальні радіуси бічної поверхні поршня збільшують на величину теплової деформації гільзи DR cн циліндра двигуна і зменшують на величину встановлювального зазору . Вплив на бічну поверхню юбки і головки поршня температурою, відповідною температурі, виникаючій при роботі двигуна під навантаженням в 1,1-1,3 рази більшим, ніж його номінальне навантаження, створює умови максимально наближені до реальних умов протікання теплових процесів в двигуні при допустимому перегріві і викликає теплові розширення по бічних поверхнях юбки і головки поршня внаслідок фізичних властивостей матеріалу поршня. При цьому, оптимізацію бічної поверхні поршня проводять, взявши за основу поршень з постійним радіусом R бічної поверхні, тобто поршень з циліндричною поверхнею, що робить можливим здійснення оптимізації бічної поверхні поршня для різних типів двигуна. Під впливом температури відбувається нерівномірне розширення поверхні поршня в залежності від теплового навантаження на кожну точку бічної поверхні поршня. Зменшення локальних радіусів на величину теплових деформацій дозволяє отримати бічну поверхню юбки і головки поршня з геометричними характеристиками, при яких зазори між стінками циліндра і поршня в робочому стані є мінімальними, що впливає на зниження шуму, витрати палива і підвищення надійності роботи двигуна. Таким чином, здійснюють температурну корекцію профілю бічної поверхні поршня. Крім того, вплив на поршень тиском в 1,05-1,1 разу більшим, ніж максимальний тиск, виникаючий при роботі двигуна при режимі максимального моменту, дозволяє врахувати вплив тиску на поршень і локальну деформацію, виникаючу при цьому режимі, а розміщення поршня в циліндрі з діаметром рівним максимальному діаметральному розміру юбки, дозволяє наблизити реальні умови протікання процесів в двигуні. Причому при роботі двигуна в режимі максимального крутного моменту виникає максимальний тиск, діючий на поршень, що викликає максимальну деформацію поверхні поршня. Даний спосіб враховує виникаючі локальні деформації при заданні поршню прискорення, яке дорівнює прискоренню при роботі двигуна на режимі максимального крутного моменту, що також наближає умови оптимізації до умов реальної роботи двигуна. Таким чином, даний спосіб оптимізація бічної поверхні поршня дозволяє здійснювати температурну корекцію з урахуванням локальних деформацій, виникаючих від температурного впливу на поршень в режимі, що перевищує режим номінального навантаження двигуна, навантажувальну корекцію з урахуванням локальних деформацій, виникаючих від тиску на режим, що перевищує режим максимального крутного моменту, і прискорювальну корекцію з урахуванням локальних деформацій від прискорення, виникаючого на режимі максимального крутного моменту, і дозволяє оптимізувати геометричні параметри поршня при розробці нових поршнів для різних типів двигуна, не прив'язуючи їх до еталонних значень для якого-небудь конкретного типу двигуна. Спосіб оптимізації профілю бічної поверхні поршня ДВЗ здійснюється таким чином. Поршень постійного радіуса R, що вільно спирається на пальцевий отвір, нагрівають через денце тепловим потоком, потужність якого відповідає температурі поршня при роботі двигуна під навантаженням, що перевищує в 1,1-1,3 рази його номінальне навантаження. При цьому відбувається теплове розширення по бічній поверхні DR T (h, j ) по всій висоті поршня, в тому числі юбки і головки. Вимірюють теплову деформацію поверхні поршня j локальної дільниці бічної поверхні поршня в залежності від кута поршня h, враховуючи кутову координату повороту кривошипа. Потім зменшують радіуси бічної поверхні поршня на величину теплової деформації і визначають локальні радіуси бічної поверхні поршня: R T (h, j ) = R - DR T (h, j ) . Після цього вимірюють максимальний діаметральний розмір юбки поршня DTmax. Поршень вміщують в циліндр, діаметр якого рівний максимальному діаметру юбки поршня DTmax, і виконаний з можливістю радіальної деформації. На денце поршня впливають тиском в 1,05-1,1 разу більшим, ніж є максимальний тиск поршня, виникаючий при роботі двигуна на режимі максимального крутного моменту. Вимірюють розподіл локальних DR F1 (h, j ) R (h, j ) деформацій від тиску по дільницях бічної поверхні поршня, і зменшують локальні радіуси T DR F1 (h, j ) дільниць бічної поверхні юбки поршня на величину локальної деформації дільниць . Визначають локальні радіуси бічної поверхні поршня в залежності від тиску і отримують радіус кожної її локальної дільниці, рівним величині: R T,F1 (h, j) = R T (h, j ) - D R F1 (h, j ) . Потім поршню задають прискорення J, рівне максимальному прискоренню при роботі двигуна на режимі DR J (h, j ) максимального крутного моменту. Вимірюють локальні деформації від прискорення і зменшують R T,F1 (h, j ) DR J (h, j ) поршня на величину локальної деформації від прискорення , а потім локальний радіус визначають локальний радіус, рівний величині: R T,F1,J (h, j) = R T,F1 (h, j) - D R J (h, j ) . Потім визначають максимальне значення локального радіуса RT,F1(h)max для кожної відстані h від денця поршня і здійснюють додаткову температурну та навантажувальну корекцію профілю бічної поверхні поршня шляхом задання радіуса кожної її локальної дільниці, рівним величині: R * T,F1 (h, j ) = R T,F1 (h, j ) - R - R T,F1 (h )max [ ] Після цього визначають максимальні значення RT,F1,J(h)max відповідно для кожної відстані h від денця і здійснюють додаткову температурну, навантажувальну та прискорювальну корекцію профілю бічної поверхні поршня шляхом завдання радіуса кожної її локальної дільниці, рівним величині: R * * T,F1,J (h, j ) = R T,F1 (h, j) - R - R T,F1,J (h )max [ ] Після цього визначають максимальний діаметр юбки поршня DFmax. Поршень вміщують в циліндр діаметром рівним максимальному діаметру юбки поршня DFmax, збільшеному на величину найбільшого допустимого зносу циліндра, і впливають на денце поршня тиском в 1,05-1,1 разу більшим, ніж максимальний тиск при роботі двигуна на режимі максимального крутного моменту. Вимірюють кут a повороту осі поршня від осі циліндра, R (a, h, j) R (a, h, j) , вибирають найбільший F2 на визначають локальні радіуси поршня відносно осі циліндра і F2 кожній відстані h від денця по головці поршня і зменшують локальні радіуси дільниць бічної поверхні головки поршня на величину: R F 2 (h ) = R F2 (h, j, a )max - D R T,F1,J (h, j) . Потім коректують локальні радіуси бічної поверхні поршня на величину теплової деформації DRс гільзи DR CH циліндра двигуна і встановлювального зазору , при цьому бічну поверхню поршня збільшують на величину DR C DR CH теплової деформації гільзи циліндра і зменшують на величину встановлювального зазора . У результаті отримують оптимальну бічну поверхню поршня ДВЗ з мінімальними зазорами. Даний спосіб є універсальним і може бути застосовано при розробці нових поршнів для різних типів двигунів. Крім того, розподіл локальних деформацій бічної поверхні поршня може бути визначений розрахунковим шляхом, наприклад з використанням відомих розрахункових пакетів на основі МКЕ (методу кінцевих елементів), наприклад пакету COSMOS. Таким чином, даний спосіб дозволяє отримати бічну поверхню поршня ДВЗ з урахуванням реальних процесів, що відбуваються в двигуні при максимальних навантаженнях і максимальному моменті, зробити температурну корекцію з урахуванням локальних деформацій, виникаючих від температурного впливу на поршень в режимі, що перевищує режим номінального навантаження двигуна, навантажувальну корекцію з урахуванням локальних деформацій, виникаючих від тиску на режимі, що перевищує режим максимального крутного моменту, і прискорювальну корекцію з урахуванням локальних деформацій від прискорення, виникаючого на режимі максимального крутного моменту, не залежно від еталонних параметрів поршня і товщини масляного шара конкретного двигуна, і оптимізувати конструктивні параметри бічної поверхні поршня при розробці нових поршнів для різних типів двигуна і тим самим значно знизити витрату палива, шум і підвищити надійність роботи двигуна. Можливість здійснення даного винаходу підтверджується розробкою нових конструкцій поршнів, яка була здійснена відповідно до заявленого способу, на ЗАТ «Українські мотори» і на ВАТ «Автрамат» (Харківський завод «Поршень»). Отримані геометричні параметри бічної поверхні поршнів дозволили значно знизити витрату палива, шум і підвищили надійність роботи двигуна. Джерела інформації. 1. Патент Російської Федерації №2037802, МПК6 G01M15/00, опубл. 19.06.1995. 2. Патент Російської Федерації №2112951, МПК6 G01M15/00, опубл. 10.06.1998.