ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02F1/00 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить эксплуатационные и технологические свойства цилиндропоршневой группы путем упрощения конструкции верхнего поршневого кольца и введением проточки на внутренней боковой поверхности цилиндра выше верхней мертвой точки верхней плоскости верхнего поршневого кольца, соединенной с рабочей поверхностью цилиндра фаской под углом β = 48...88^о.

Известна конструкция цилиндропоршневой группы, где желаемый результат - улучшение эксплуатационных свойств - достигается увеличением количества деталей цилиндропоршневой группы, содержащей цилиндр, поршень, верхнее основное, уплотнительное кольцо и установленным в цилиндре дополнительным уплотнительным кольцом.

Дополнительное уплотнительное кольцо установлено в цилиндр с помощью двух пружинных колец. Данная конструкция достаточно сложная, кроме того, при движении поршня вниз во время рабочего хода по окончании влияния дополнительного уплотнительного кольца компрессионные свойства цилиндропоршневой группы резко снижаются из-за образованной в результате износа скругленной "компрессионной" кромки верхнего основного уплотнительного поршневого кольца, что особенно сильно скажется после достаточного износа.

При наличии давления Р_кс на основное уплотнительное поршневое кольцо действует дополнительная сила F, проекция которой F₁ уменьшает силу прижима кольца к стенке цилиндра и, как следствие, уменьшает компрессионные свойства цилиндропоршневой группы.

Кроме того, при наличии достаточного износа в сопряжениях цепочки деталей: поршневое кольцо - поршень - палец - шатун - коленчатый вал - цилиндр, в верхней мертвой точке поршня возникает изгиб с кручением у верхнего основного уплотнительного кольца, связанный с дополнительным перемещением этого кольца вверх на величину указанного износа, так как поршневое кольцо не в состоянии передвинуть вверх уже значительную ступеньку, возникшую на рабочей поверхности цилиндра, что может привести к поломке последнего.

Известна конструкция цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащая цилиндр с размещенным в нем поршнем с верхним прямоугольным поршневым кольцом, на верхнем торце которого имеется проточка.

Одним из недостатков этой цилиндропоршневой группы является сложность конструкции верхнего поршневого кольца; кроме того, при наличии на поршневом кольце проточки, расположенной под углом α, дополнительно увеличивается сила трения поршневого кольца о стенку цилиндра, что снижает эффективность работы цилиндропоршневой группы.

Исходя из необходимой прочности сечения поршневого кольца при прочих равных условиях кольцо, имеющее проточку, будет более массивным чем обычное прямоугольное, что увеличивает расход металла и, как следствие, увеличивает инерционные нагрузки на цилиндропоршневую группу.

Целью изобретения являются повышение эксплуатационных и технологических свойств, а также упрощение конструкции цилиндропоршневой группы.

Указанная цель достигается тем, что в цилиндропоршневой группе верхнее поршневое кольцо имеет обычную прямоугольную в сечении форму, а на внутренней боковой поверхности цилиндра имеется проточка.

На фиг. 1 показана цилиндропоршневая группа, общий вид; на фиг. 2 - аналитическая схема, поясняющая расчетные зависимости для проточки на внутренней боковой поверхности цилиндра; на фиг. 3 - аналитическая схема, показывающая механизм снижения компрессионных свойств цилиндропоршневой группы аналога; на фиг. 4 - аналитическая схема, показывающая механизм образования дополнительной силы трения в цилиндропоршневой группе прототипа.

Цилиндропоршневая группа включает цилиндр 1, имеющий рабочую поверхность 2 с установленным в нем поршнем 3. В верхней канавке поршня 3 расположено прямоугольное в сечении поршневое кольцо 4.

На внутренней боковой поверхности цилиндра 1 выше точки 5 пересечения верхней плоскости 6 кольца 4 (при расположении поршня в верхней мертвой точке) и рабочей поверхности 2 цилиндра 1 имеется проточка 7 глубиной Δ К, соединенная с рабочей поверхностью 2 цилиндра 1 фаской 8. Угол β наклона фаски 8 определяется соотношением
tgβ = , где ΣΔi - суммарное дополнительное удлинение сопряжений цепочки деталей;
поршневое кольцо - поршень - палец - шатун - коленчатый вал - цилиндр, вызванное максимально допустимым износом сопрягающихся поверхностей, а также дополнительное удлинение в пределах упругости этой же цепочки деталей, вызванное инерционными силами, возникающими при максимально допустимых оборотах коленчатого вала;
Δ К - максимально допустимый износ рабочей поверхности 2 цилиндра 1.

Цилиндропоршневая группа работает следующим образом.

Во время работы двигателя поршень 3 с поршневым кольцом 4 совершает возвратно-поступательные движения, изнашивая рабочую поверхность 2 цилиндра 1. За один оборот коленчатого вала этот износ составляет малую величину d Δ К (см. фиг. 2). За этот же один оборот коленчатого вала происходит износ сопряжений в цепочке деталей: поршневое кольцо - поршень - палец - шатун - коленчатый вал - цилиндр на величину dΣΔi.

Острая кромка 5 поршневого кольца 4 в результате перемещается по гипотенузе треугольника образованного катетами, равными соответственно d ΔК и dΣΔ i, в точку 5. В результате износа при длительной эксплуатации цилиндропоршневой группы геометрическое место расположения точек 5 поршневого кольца 4 исходя из соотношения ≈ образует линию, близко совпадающую с линией фаски 8, что исключает возможность образования ступеньки на рабочей поверхности 2 цилиндра 1 и затупления верхней кромки (точка 5) поршневого кольца 4 и как следствие этого длительно поддерживаются высокие компрессионные свойства цилиндропоршневой группы.

Использование конструкции цилиндра 1 с проточкой 7, фаской 8 и прямоугольным в сечении верхним поршневым кольцом 4 уменьшает при прочих равных условиях силу трения поршневого кольца о стенку цилиндра по сравнению с прототипом на величину (см. фиг. 4).

F_тр = S_{проточки} ˙ Р_кс ˙ соsα ˙ f_тр где S_{проточки} - площадь поверхности проточки поршневого кольца прототипа;
Р_кс - давление газов в цилиндре;
α - угол наклона проточки на поршневом кольце прототипа;
f_тр - коэффициент трения материалов поршневого кольца и стенки цилиндра; и, как следствие, увеличивает ресурс и улучшает эксплуатационные свойства заявляемой цилиндропоршневой группы.

Наличие проточки 7 дает возможность визуального контроля степени износа цилиндропоршневой группы: начало исчезновения фаски 8 у проточки 7 на внутренней боковой поверхности цилиндра 1 означает полный износ цилиндропоршневой группы.

Использование: изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в компрессорной технике. Сущность: цилиндрическая проточка 7 на внутренней боковой поверхности цилиндра 1 выше верхней мертвой точки верхней плоскости верхнего поршневого кольца соединяется с рабочей поверхностью цилиндра 1 конической фаской с углом наклона β = 48 ... 88^° 4 ил.

ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая цилиндр, размещенный в нем поршень с верхним поршневым кольцом прямоугольного сечения, на внутренней боковой поверхности цилиндра выше верхней плоскости верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке выполнена цилиндрическая проточка, диаметр которой равен диаметру максимально изношенного цилиндра, отличающаяся тем, что тем, что с целью повышения надежности и облегчения возможности визуального контроля максимально допустимого износа стенки цилиндра, рабочая поверхность цилиндра соединена с нижней кромкой цилиндрической проточки при помощи конической фаски с углом наклона 48 - 88^o.