Поршень для двигуна внутрішнього згоряння з впускним та випускним клапанами

Изобретение относится к области двигателестроения и касается охлаждаемых поршней с камерой сгорания в поршне применительно к двигателям с клапанным газораспределением. Известны поршни для двигателя внутреннего сгорания, содержащие в своем теле камеру сгорания с кромкой [Тракторные дизели//Справочник / Под ред. Б.А. Взорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 535 с]. Общим их недостатком является то, что на работающем двигателе, снабженном клапанным газораспределением, в окружном направлении кромки камеры сгорания имеет место существенный перепад температур, вызванный наличием потоков свежего заряда и отработанного рабочего тела через впускные и выпускные клапаны. Например, в поршне дизеля СМД-60 перепад температур в окружном направлении кромки камеры сгорания достигает 20-30 град. [Современные дизели: повышение топливной экономичности и длительной прочности/Под ред. А.Ф. Шеховцова. - К.: Техника, 1992, стр. 193-195, рис. 65, 67, табл. 52). Это приводит к наличию в различных зонах камеры сгорания различных скоростей испарения контактирующего со стенками камеры топлива, а, следовательно, и различных скоростей тепловыделения, что ухудшает условия протекания рабочего процесса, ограничивая топливную экономичность двигателя. Другим следствием упомянутого перепада температур является наличие повышенного уровня термических напряжений в кромке камеры сгорания, что снижает долговечность этой кромки, а, значит, и поршня в целом. Известен поршень для двигателя внутреннего сгорания [Авторское свидетельство СССР № 1523702, кл. F 02 F 3/14, 1989], содержащий камеру сгорания с кромкой и жаропрочную вставку, выполненную в виде разрезного кольца и установленную в горловине камеры сгорания. Функциональное назначение такой вставки - создание тепловой защиты для устранения опасности разрушения материала поршня в зоне кромки камеры сгорания, но без учета перепада температур в окружном направлении вставки, что ограничивает топливную экономичность двигателя. В качестве прототипа принят поршень для двигателя внутреннего сгорания [Авторское свидетельство СССР № 1560760, кл. F 02 F 3/18, 3/00, 1990], содержащий камеру сгорания с кромкой и соосную с ней кольцевую тонкостенную вставку из высокотеплопроводного материала с отверстиями, выполненными в ее стенках, размещенную в теле поршня в зонах камеры сгорания и поршневых колец, причем вставка имеет переменный радиус кривизны - в зоне кромки камеры сгорания она коническая, в зоне поршневых колец вогнутая, а остальная часть - выпуклая. Функциональное назначение такой вставки - увеличение теплоотвода от зоны кромки камеры сгорания к зоне поршневых колец с учетом существующего направления тепловых потоков в теле поршня. Недостатком прототипа является неравномерное охлаждение зоны кромки камеры сгорания и наличие перепада температур в окружном направлении кромки, что ограничивает топливную экономичность двигателя, долговечность кромки и поршня в целом. Задача изобретения - усовершенствование конструкции поршня для двигателя внутреннего сгорания с впускным и выпускным клапанами, содержащего камеру сгорания с кромкой путем более равномерного распределения температур в окружном направлении кромки камеры сгорания с одновременным снижением максимальной температуры кромки. Задача изобретения заключается в создании поршня для двигателя внутреннего сгорания с впускным и выпускным клапанами, содержащего камеру сгорания с кромкой и соосную с ней кольцевую вставку из высокотеплопроводного материала с отверстиями и размещенную в теле поршня между зоной кромки камеры сгорания и зоной поршневых колец, причем нижний торец вставки перпендикулярен оси поршня. Согласно изобретению, вставка выполнена переменной по высоте и расположена таким образом, что высота вставки со стороны оси выпускного клапана максимальна, а со стороны оси впускного клапана - минимальна, при этом на донышке поршня нанесена метка расположения минимальной или максимальной высоты вставки, причем части верхнего торца вставки со стороны осей выпускного и впускного клапанов выполнены параллельно поверхности донышка поршня. Поставленная задача достигается следующими новыми признаками: - высокотеплопроводная вставка выполнена переменной по высоте; - высота вставки со стороны оси выпускного клапана максимальна; - высота вставки со стороны оси впускного клапана минимальна; - на донышко поршня нанесена метка расположения минимальной или максимальной высоты вставки; - верхний торец вставки со стороны оси выпускного клапана выполнен параллельно поверхности донышка поршня; - верхний торец вставки со стороны оси впускного клапана выполнен параллельно поверхности донышка поршня. Функциональное назначение совокупности заявляемых признаков - снижение перепада температур в окружном направлении кромки камеры сгорания, тем самым повышая экономичность двигателя и долговечность поршня. Переменная по высоте высокотеплопроводная вставка позволяет перераспределить тепловые потоки в теле поршня. При размещении заявляемой вставки в теле поршня таким образом, что ее нижний торец перпендикулярен оси поршня, поток теплоты, воспринимаемый вставкой в зоне ее верхнего торца со стороны максимальной высоты, направляется в зону ее нижнего торца и вследствие более высокой ее теплопроводности, чем материала поршня - далее в окружном направлении вставки. Высота вставки со стороны оси выпускного клапана максимальна, что позволяет организовать теплоотвод к вставке только от наиболее разогретой зоны кромки камеры сгорания. При таком конструктивном решении расстояние между поверхностями, образующими кромку камеры сгорания со стороны оси выпускного клапана, и верхним торцом вставки минимально. Это позволяет тепловому потоку со стороны оси выпускного клапана направиться к вставке, что снижает температуру кромки в этой зоне и повышает ее долговечность. Высота вставки со стороны оси впускного клапана минимальна, что затрудняет теплоотвод от наименее разогретой зоны кромки камеры сгорания. В этом случае расстояние от верхнего торца вставки до кромки камеры сгорания в зоне оси впускного клапана максимально. Вследствие того, что теплопроводность тела поршня ниже теплопроводности вставки, а верхний торец вставки со стороны оси впускного клапана подогревается за счет теплового потока, направленного в окружном направлении вставки, тепловой поток от кромки камеры сгорания в зоне оси впускного клапана к вставке затруднен. Это приводит к выравниванию температуры в окружном направлении кромки, что с одной стороны способствует повышению эффективности испарения контактирующего с поверхностью камеры сгорания топлива и повышает топливную экономичность двигателя, а с другой - снижает уровень термических напряжений в зоне кромки, повышая ее долговечность. Метка, нанесенная на донышко поршня, указывает на расположение минимальной или максимальной высоты вставки. Функциональное назначение метки - обеспечение правильной ориентации вставки в теле поршня относительно осей клапанов при установке поршня в двигатель. В противном случае (при установке поршня произвольным образом) вставка не будет выполнять своего функционального назначения и поставленная задача не будет выполнена. Верхний торец вставки со стороны оси выпускного клапана выполнен параллельно поверхности донышка поршня. Выполнение верхнего торца вставки со стороны оси выпускного клапана параллельно поверхности донышка поршня увеличивает поверхность теплоотвода от наиболее разогретой зоны кромки камеры сгорания для обеспечения допустимой максимальной температуры кромки, что повышает долговечность кромки камеры сгорания. Верхний торец вставки со стороны оси впускного клапана выполнен параллельно поверхности донышка поршня. Выполнение верхнего торца вставки со стороны оси впускного клапана параллельно поверхности донышка поршня способствует уменьшению теплоотвода от наименее разогретой зоны кромки камеры сгорания во вставку и снижает перепад температур. Это с одной стороны приводит к выравниванию скоростей испарения контактирующего со стенками камеры сгорания топлива, что улучшает условия протекания рабочего процесса и повышает топливную экономичность двигателя. С другой стороны снижение перепада температур в окружном направлении кромки камеры сгорания снижает уровень термических напряжений в зоне кромки, повышая ее долговечность. На фиг. 1. показан поршень со вставкой и камерой сгорания, общий вид; на фиг. 2 -то же, вид сверху; на фиг. 3 - вставка, общий вид; на фиг. 4 - вставка, выполненная по п. 2 формулы изобретения. Поршень 1 для двигателя внутреннего сгорания с впускными и выпускными клапанами содержит камеру сгорания 2 с кромкой 3, образованной поверхностью донышка 4 поршня 1 и поверхностью 5 камеры сгорания 2, и соосную с ней кольцевую вставку 6 из высокотеплопроводного материала с отверстиями 7, расположенную в теле поршня 1 между зоной 8 кромки 3 камеры сгорания 2 и зоной 9 поршневых колец (на фиг. не показаны) так, что нижний торец 10 вставки 6 перпендикулярен оси11 поршня 1. Вставка 6 выполнена переменной по высоте и ориентирована таким образом, что высота вставки 6 со стороны оси 12 выпускного клапана (на фиг. не показан) максимальна, а со стороны оси 13 впускного клапана (на фиг. не показан) минимальна, при этом на поверхность донышка 4 поршня 1 нанесена метка 14 (фиг. 2) расположения минимальной или максимальной высоты вставки 6. Верхний торец 15 (см. фиг. 4) вставки б со стороны осей 12 и 13 выпускного и впускного клапанов выполнен параллельно поверхности донышка 4 поршня 1. Заявляемый поршень работает следующим образом. Во время работы двигателя внутреннего сгорания тепловой поток от газов воспринимается поверхностями 4 и 5, образующими кромку 3 камеры сгорания 2. При этом, в окружном направлении кромки 3 камеры сгорания 2 имеет место существенный перепад температур - со стороны оси 12 выпускного клапана температура кромки 3 максимальна, а со стороны оси 13 впускного клапана минимальна. В связи с тем, что со стороны оси 12 выпускного клапана высота вставки 6 максимальна, расстояние от поверхностей 4 и 5 до вставки 6 будет минимально и тепловой поток от кромки 3 камеры сгорания 2 со стороны оси 12 выпускного клапана направлен к вставке 6. Поток теплоты, воспринимаемый вставкой 6 со стороны оси 12 выпускного клапана, минуя технологические отверстия 7, направляется по телу вставки 6 в сторону нижнего торца 10 и распространяется в окружном ее направлении. Вставка 6 разогревается, и тепловой поток от нее направляется в зону 9 поршневых колец. Вследствие того, что вставка 6 выполнена переменной по высоте, площадь теплоотвода от вставки 6 в зоне 9 поршневых колец существенно превосходит площадь теплоподвода к вставке 6 со стороны оси 12 выпускного клапана, осуществляется эффективное охлаждение наиболее разогретой части кромки 3 камеры сгорания 2 (со стороны оси 12 выпускного клапана), что повышает долговечность кромки 3. Так как высота вставки 6 в зоне оси 13 впускного клапана минимальна, а нижний , ее торец 10 выполнен перпендикулярно оси 11 поршня 1, то расстояние от верхнего торца 15 вставки 6 до кромки 3 камеры сгорания 2 со стороны оси 13 впускного клапана максимально. Вследствие того, что теплопроводность тела поршня 1 ниже теплопроводности вставки 6, а верхний торец 15 вставки 6 со стороны оси 13 впускного клапана подогревается за счет теплового потока, направленного по телу вставки 6 со стороны оси 12 выпускного клапана, тепловой поток от кромки 3 камеры сгорания 2 со стороны оси 13 впускного клапана к вставке 6 затруднен. Это приводит к выравниванию температуры в окружном направлении поверхности 5 кромки 3 камеры сгорания 2, что способствует повышению эффективности испарения контактирующего с поверхностью 5 топлива и повышает экономичность работы двигателя. Выравнивание поля температур в окружном направлении кромки 3 приводит к уменьшению термических напряжений в ее зоне, что повышает долговечность работы поршня. Метка 14, выполненная на поверхности донышка 4 поршня 1, служит для правильной ориентации поршня 1 относительно осей 12 и 13 выпускного и впускного клапанов во время установки поршня 1 в двигатель. Использование усовершенствованной конструкции поршня для двигателя внутреннего сгорания с впускным и выпускным клапанами позволяет повысить топливную экономичность двигателя и долговечность работы поршня за счет более равномерного распределения температур в окружном направлении кромки камеры сгорания с одновременным снижением максимальной температуры кромки камеры сгорания.