Поршень двигателя внутреннего сгорания
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Поршень двигателя внутреннего сгорания, изготовленный из литого металла, выполнен из сплава на основе железа, весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия. Поршень может быть выполнен из высокоуглеродистой и графитизированной стали, из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, а так же из высокопрочного алюминиевого чугуна с шаровидным графитом. Использование полезной модели позволяет повысить рабочий ресурс поршня и надежность двигателя в эксплуатации, снизить затраты на материалы и себестоимость его изготовления.
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при изготовлении поршней двигателя внутреннего сгорания.
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания, выполненный из литого металла, на «юбку» и головную часть которого нанесено износостойкое покрытие из корунда, а в качестве материала поршня использован специальный поршневой сплав АК21М2,5Н2,5, содержащий 20-22% кремния, 2,2-3% меди, 2,2-2,8% никеля, 0,1-0,3% титана, 0,2-0,4% хрома, 0,2-0,5% магния, 0,2-0,4% марганца по ГОСТ 2685-75 (Никитин М.Д. и др. «Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей», Ленинград, «Машиностроение», 1997, стр.13, 21, 63, 89, 105-106). Жаропрочность такого сплава составляет 300-320°С
К недостаткам известного поршня следует отнести:
- недостаточный рабочий ресурс (выход из строя из-за разбивания канавок в местах расположения поршневых колец)
- высокие рабочие температуры не обеспечивают достаточной надежности при использовании известных поршней в дизельных двигателях
- сложность поршневого сплава и необходимость использования при его выплавке специальных лигатур Al-Si, Al-Ti, Al-Сr, Al-Ni, что удорожает производство двигателей;
- применение корундового покрытия так же удорожает двигатель.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно:
- повышение рабочего ресурса поршней;
- повышение надежности поршней особенно в дизельных двигателях внутреннего сгорания;
- снижение расходов на материалы и удешевление поршня и двигателя в целом.
Поставленная цель достигается тем, что поршень двигателя внутреннего сгорания изготовленный из литого металла, выполнен из сплава на основе железа весом, эквивалентным весу поршня выполненного из сплава на основе алюминия. Поршень может быть выполнен из высокоуглеродистой и графитизированной стали, из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, из высокопрочного алюминиевого чугуна с шаровидным графитом. При этом припуски на механическую обработку поршня из сплава на основе железа не превышают припусков на мехобработку поршней из алюминиевого сплава.
Высокоуглеродистая сталь, например ЭИ293, имеет следующий химический состав: С - 1,5-1,65%, Si - 0.75-0.90%, Mn - 0.20-0.40%, S и Р не более 0,03%.
При структуре металла зернистый перлит + графит механические свойства стали 
в=540-590 МПа, 
=14-17%, НВ=220-230. При параметрах алюминиевого поршневого сплава в=186 МПа и НВ=100 преимущества поршня из сплава на основе железа очевидны. При уменьшении стенки стального поршня в 3 раза по сравнению с алюминиевым (для сохранения веса), относительная прочность его, с учетом удельного веса, выше на 15-25%.
А если структура стали - пластинчатый перлит + графит и в=830-940 МПа, =3-5%, НВ=220-235, то относительная прочность стального поршня, с учетом удельного веса сплава, превышает алюминиевый поршень почтив 1,5 раза.
В случае изготовления поршня из высокопрочного чугуна, например из ВЧ60 он имеет в литом состоянии в=600-700 МПа, =2%, НВ=190-270.
Относительная прочности такого поршня по сравнению с поршнем из алюминиевого сплава, с учетом удельного веса сплава, больше на 20-30%.
Если такой чугун нормализовать, то в возрастет до 650-750 МПа, до 4-6%, а относительная прочность материала поршня - на 28-38%.
Бейнитный высокопрочный чугун с шаровидным графитом имеет в=900-1500 МПа, =2-20%, НВ=280-500, что обеспечивает повышение относительной прочности такого поршня по сравнению с прочностью поршня из алюминиевого сплава более чем в 2 раза.
Поршень из алюминиевого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом имеет следующий химический состав: С - 3,2-3,7%, Si - 2,3-2,7%, Al - 1,4-1,5%. Структура чугуна в литом состоянии состоит из перлита или смеси перлита и эвтектоида (феррит +Fе3АlСх) и графита шаровидной формы. На поверхности алюминиевого чугуна образуется износостойкая пленка из Аl2О 3.
Механические свойства: в=1100 МПа, =5%, НВ=170-210. Такой чугун прочнее алюминиевого сплава (по относительной порочности с учетом удельного веса) более чем в 1,5 раза.
При использовании поршней из прочных и твердых сплавов на основе железа, устраняется такой дефект как, разбивание канавок и износ «юбки» без применения специального покрытия, что повышает рабочий ресурс и надежность двигателя. Стоимость 1 кг материала сплава на основе железа в несколько раз ниже стоимости материала поршня из алюминиевого сплава, что позволяет снизить его себестоимость и соответственно двигателя в целом.
Рабочая температура поршня из сплава на основе железа возрастает по сравнению с рабочей температурой поршня из алюминиевого сплава почти в 2 раза. Приготовление сплава на основе железа упрощается по сравнению с приготовлением алюминиевого сплава, т.к. отпадает необходимость
приготовления лигатур Аl-Si, Al-Ti, Al-Cr, Al-Ni. Затраты на материалы предлагаемого поршня уменьшаются более чем в 5 раз.
На фиг.1 изображен поршень из алюминиевого высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Поршень 1 имеет цапфы 2, канавки 3 под поршневые кольца, стенку 4 в головной части, износостойкую пленку 5 из Аl2O3 образующуюся автоматически на алюминиевом чугуне и утолщение 6.
Работа предлагаемого поршня не отличается от известного за исключением устранения износа «юбки» и разбивания поршневых канавок 3 под поршневые кольца, что обеспечивается в несколько раз более высокой прочностью чугуна с шаровидным графитом, в 2 раза более высокой твердостью и рабочей температурой. Пленка из Аl2О3 на поршне из алюминиевого чугуна, еще более повышает его износостойкость.
Поскольку при замене материала поршня из алюминиевого сплава на высокопрочный чугун или высокоуглеродистую сталь сохраняется неизменным вес поршня и его наружные размеры, динамические процессы при работе двигателя внутреннего сгорания остаются без изменения. В процессе работы поршень совершает возвратно-поступательные движения в гильзе цилиндра под действием импульсов от сгораемого топлива. Благодаря более высоким механическим свойствам материала предлагаемого поршня по сравнению с поршнем из алюминиевого сплава (сплавы на основе железа имеют в 3-5 раз более высокую прочность, в 2 раза более высокую твердость и рабочую температуру по сравнению с алюминиевыми сплавами) устраняется износ «юбки», разбивание канавок под поршневые кольца, разрушение поршней под нагрузкой в дизельных двигателях, прогары.
Использование полезной модели позволяет повысить рабочий ресурс поршня и надежность двигателя в эксплуатации, снизить затраты на материалы и себестоимость его изготовления.
1. Поршень двигателя внутреннего сгорания, изготовленный из литого металла, отличающийся тем, что он выполнен из сплава на основе железа, весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия.
2. Поршень по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из высокоуглеродистой и графитизированной стали.
3. Поршень по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
4. Поршень по п.1 или 3, отличающийся тем, что он выполнен из высокопрочного алюминиевого чугуна с шаровидным графитом.
