Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания
Владельцы патента RU 2624376:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа содержит цилиндр (1), поршень (2), верхнее компрессионное кольцо (3), второе компрессионное кольцо (4), нижнее компрессионное кольцо (5), верхнее маслосъемное кольцо (6), второе снизу маслосъемное кольцо (7), нижнее маслосъемное кольцо (8), верхнее обжимное поршневое кольцо (9) и нижнее обжимное поршневое кольцо (10), установленные в поршневой расточке (11). За счет применения конической формы цилиндра (1) и поршня (2), пакетного расположения всех поршневых колец, особой роли разрезных обжимных поршневых колец (9) и (10), существенно повышающих эффективность уплотнения между цилиндром (1) и поршнем (2), обеспечивающих, особенно верхнее обжимное кольцо (10), лучшие условия теплопередачи от перегретой головки поршня (2) через пакет всех поршневых колец, охлаждаемому цилиндру (1). 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны цилиндропоршневые группы двигателей внутреннего сгорания, в которых проведена минимизация зазоров, применено обжимное поршневое кольцо, внутренняя поверхность цилиндра выполнена цилиндрической, овальной или конической формы, а поршневые кольца имеют рабочую поверхность, выполненную в виде конуса или сферы (патент №2425999, RU, 2011; №2372506, RU, 2009; патент №2447307, RU, 2012; Заявка №58-53186, Япония,1983; патент №2244145, RU, 2000; Заявка №2001112831, RU; патент №2372506, RU, 2009; патент №2372508, RU, 2009).
Известна цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания (патент №2372508, RU, МПК F02F 5/00, опубл. 10.11. 2009 Бюл. №31), ближайшая по технической сущности к заявляемой и принятая за прототип, содержащая цилиндр, у которого внутренняя поверхность выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части и меньшим основанием в верхней части, уплотнительные кольца с конусной рабочей поверхностью. В известном устройстве угол наклона образующей конуса ограничивается «в результате термодинамических изменений размеров цилиндра в процессе работы двигателя, которые в свою очередь ограничивают возможности конической формы внутренней поверхности в большей степени увеличивать рабочий объем цилиндра и, следовательно, мощность двигателя. Кроме того, при движении поршня в нижнюю мертвую точку разжимное уплотнительное поршневое кольцо, находясь в плотном контакте со стенкой цилиндра, разжимаясь, существенно увеличивает зазор в замке кольца. Например, при увеличении диаметра цилиндра двигателя в нижней мертвой точке всего на 1,0 мм, т.е. 0,5 мм на сторону, зазор в замке уплотнительного кольца увеличивается на 3,14 мм, если диаметр цилиндра увеличивается на 2,0 мм, то на 6,28 мм, и т.д. То есть при движении поршня в нижнюю мертвую точку зазор в замке поршневого кольца выходит за пределы допустимого. Известно, что в стандартных нормальных условиях «приблизительно 60-70% всех утечек происходит через замки поршневых колец». В данном случае огромные газодинамические потери негативно сказываются на всех технико-экономических характеристиках двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в сокращении газодинамических потерь на любых режимах работы двигателя, увеличении объема свежего заряда воздуха в результате увеличения рабочего объема цилиндра.
Технический результат достигается тем, что в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгорания, содержащей цилиндр, у которого внутренняя поверхность выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части и меньшим основанием в верхней части, уплотнительные кольца с конусной рабочей поверхностью, новым является то, что наружная поверхность поршня, начиная от верхней полки поршневой расточки, выполнена конической, при этом угол конуса равен углу конуса внутренней поверхности цилиндра.
Коническая поверхность цилиндра отстоит от верхнего торца цилиндра на величину высоты жарового пояса поршня и камеры сгорания.
В одной поршневой расточке расположены уплотнительные и дополнительно введенные маслосъемные кольца, причем рабочая поверхность маслосъемных колец выполнена под углом к стенке цилиндра.
Уплотнительное кольцо, расположенное под верхним уплотнительным кольцом, снабжено обжимным разрезным поршневым кольцом, внутренний диаметр которого равен диаметру дна поршневой расточки, а наружный диаметр равен диаметру внутренней поверхности вышеупомянутого уплотнительного кольца, причем высота обжимного кольца и высота уплотнительного кольца равны.
Маслосъемное поршневое кольцо, расположенное над нижнем маслосъемным кольцом, снабжено обжимным разрезным поршневым кольцом, внутренний диаметр которого равен диаметру дна поршневой расточки, а наружный диаметр равен диаметру внутренней поверхности вышеупомянутого маслосъемного кольца, причем высота обжимного кольца и высота маслосъемного кольца равны.
На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (при положении поршня в ВМТ и пунктиром в НМТ).
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее компрессионное кольцо 3, второе сверху компрессионное кольцо 4, нижнее компрессионное кольцо 5, верхнее маслосъемное кольцо 6, второе снизу маслосъемное кольцо 7, нижнее маслосъемное кольцо 8, обжимное поршневое кольцо 9 и обжимное поршневое кольцо 10, установленные в поршневой расточке 11.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При запуске двигателя поршень 2 находится в верхней мертвой точке на такте «всасывание», зазоры в замках всех поршневых колец, а также между дном поршневой расточки 11 и внутренними поверхностями компрессионными кольцами 3, 5 и маслосъемными кольцами 6, 8, между наружными поверхностями обжимных колец 9, 10 и внутренними поверхностями колец 4, 7, близки к нулю. При движении поршня 2 в нижнее положение диаметр цилиндра 1 постепенно увеличивается, компрессионные и маслосъемные кольца, плотно контактируя со стенкой цилиндра 1, разжимаясь, выходят из поршневой расточки 11, увеличивая зазор между внутренними поверхностями дна поршневой расточки 11, между наружным диаметром обжимных колец 9, 10 и внутренними поверхностями компрессионного кольца 4 и маслосъемного кольца 7, соответственно. За счет повышенного трения «скоблящих» маслосъемных колец 6, 7 и 8 о стенку цилиндра 1 весь пакет поршневых колец, включая обжимные кольца 9 и 10, смещается вверх, образуя термодинамический зазор между нижней полкой поршневой расточки 11 и нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 8, который в процессе прогрева двигателя увеличивается за счет более активного теплового расширения поршневой расточки 11. Плотно прижатые друг к другу поршневые кольца без привычных перемычек между ними, с зазорами в замках колец, расположенными под 180° по отношению друг к другу, перекрытие основного зазора в придонной полости поршневой расточки 11 обжимными кольцами 9 и 10, практически исключают газодинамические потери, образуя глубокое разрежение и активное всасывание свежего заряда воздуха в увеличивающееся пространство над поршнем 2. Одновременно обжимное кольцо 10 перекрывает путь прорыва моторного масла, снимаемого со стенки цилиндра 1, через нижний термодинамический зазор и основной зазор, образующийся в придонной полости поршневой расточки 11, исключая его проникновение в зону высокотемпературных рабочих газов, влияющих на ухудшение физико-химических качеств моторного масла и досрочную его сменяемость.
При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» процесс повторяется в обратном порядке, под действием возрастающего давления над поршнем 2 весь пакет поршневых колец, смещаясь, прижимается к нижней полке поршневой расточки 11, закрывая термодинамический зазор между нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 8 и нижней полкой поршневой расточки 11 и, открывая зазор между верхней полкой поршневой расточки 11 и верхним торцом верхнего компрессионного кольца 3. Путь прорыва возрастающего давления рабочих газов через открывшийся зазор в придонную полость поршневой расточки 11 и далее в картер двигателя преграждают обжимные кольца 9 и 10, а зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 перекрыт вторым сверху компрессионным кольцом 4 и остальными поршневыми кольцами, включая маслосъемные поршневые кольца 5, 6 и 7. «Пакетная» конструкция уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1 обеспечивает практическое равенство действительного количества свежего заряда воздуха L с теоретически необходимым L0, т.е. коэффициент избытка воздуха α=L/L0≈1, что является свидетельством нецелесообразности применения каких-либо систем дополнительных «наддувов». Кроме того, при подходе к верхней мертвой точке диаметры цилиндра 1 и поршня 2 уменьшаются, следовательно, снижаются усилия создания более ранней критической величины давления рабочих газов над поршнем 2, обеспечивая более раннее воспламенение рабочей смеси и увеличение времени распространения пламени по всему фронту, тем самым содействуя более полному сгоранию топливовоздушной смеси и увеличению мощности двигателя, сокращению вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход» высокоэффективное уплотнение между цилиндром 1 и поршнем 2, исключая прорыв высокотемпературных рабочих газов в картер двигателя, обеспечивает более полное срабатывание рабочего давления, повышая полезную работу двигателя, при этом маслосъемное поршневое устройство устраняет моторное масло со стенки цилиндра 1, исключая его встречу с высокотемпературными рабочими газами, более длительное время сохраняя физико-химические качества масла, существенно продлевая ресурс и увеличивая сроки его сменяемости.
При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» высокоэффективное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1 обеспечивает более полное освобождение цилиндра 1 от отработавших рабочих газов, при этом маслосъемное поршневое устройство практически исключает попадание моторного масла в камеру сгорания и далее на выхлоп, существенно уменьшая расход моторного масла на угар и положительно влияя на экологические показатели двигателя.
Минимизация всех термодинамических зазоров в цилиндропоршневой группе двигателя, высокоэффективное уплотнение между поршнем и цилиндром, обеспечивающие незначительные газодинамические потери и механические потери на трение, высокоэффективное маслосъемное поршневое устройство, ограничивающее попадание моторного масла в зону высокотемпературных рабочих газов, сохраняя его физико-химические свойства более длительное время и, соответственно, существенно увеличивая сроки его замены, применение конической формы внутренней поверхности цилиндра, все это в совокупности создало эффективные условия работоспособности цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания.
1. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания, содержащая цилиндр, у которого внутренняя поверхность выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части и меньшим основанием в верхней части, уплотнительные кольца с конусной рабочей поверхностью, отличающаяся тем, что наружная поверхность поршня, начиная от верхней полки поршневой расточки, выполнена конической, при этом угол конуса равен углу конуса внутренней поверхности цилиндра.
2. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что коническая поверхность цилиндра отстоит от верхнего торца цилиндра на величину высоты жарового пояса поршня и камеры сгорания.
3. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что в одной поршневой расточке расположены уплотнительные и дополнительно введенные маслосъемные кольца, причем рабочая поверхность маслосъемных колец выполнена под углом к стенке цилиндра.
4. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что уплотнительное кольцо, расположенное под верхним уплотнительным кольцом, снабжено обжимным разрезным поршневым кольцом, внутренний диаметр которого равен диаметру дна поршневой расточки, а наружный диаметр равен диаметру внутренней поверхности вышеупомянутого уплотнительного кольца, причем высота обжимного кольца и высота уплотнительного кольца равны.
5. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что маслосъемное поршневое кольцо, расположенное над нижним маслосъемным кольцом, снабжено обжимным разрезным поршневым кольцом, внутренний диаметр которого равен диаметру дна поршневой расточки, а наружный диаметр равен диаметру внутренней поверхности вышеупомянутого маслосъемного кольца, причем высота обжимного кольца и высота маслосъемного кольца равны.
