ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02F3/28 

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС), конкретнее к конструкции поршня ДВС, имеющей своей целью улучшение антидетонационных качеств двигателя.

Известен способ повышения антидетонационных характеристик ДВС с одновременным сохранением или повышением экономичности двигателя, который связан с устройством резонаторов, сообщающихся с камерой сгорания (патент США N 3063438, кл. 123-191, 1962; патент США N 4788942, кл. F 02 B 17/00, 1988). Наличие резонаторов обеспечивает дополнительные потери энергии колебаний, возникающих в камере сгорания вследствие возмущений, связанных с выгоранием топливной смеси, и тем самым подавление или ограничение роста амплитуд колебаний давления в камере и вызванных ими вибраций конструкции двигателя. Кроме того, вблизи открытого конца резонатора в камере возникают пульсирующий поток, который создается истечением колеблющихся в резонаторе газообразных продуктов и интенсифицирует процесс выгорания топливной смеси.

Известны, поршни двигателей внутреннего сгорания, на днище которых расположены полые тонкостенные устройства с одним открытым концом, которые своими открытыми концами сообщаются с камерой сгорания, или трубчатые элементы, которые своими открытыми концами закреплены на омываемой горячими газами поверхности, образуя полости, связанные с камерой сгорания. Каждая из упомянутых полостей или каждый из трубчатых элементов имеют продольный размер, по меньшей мере вдвое превышающий размер отверстия в упомянутой поверхности. Использование модифицированных поршней дало выигрыш октанового числа топлива на 30 единиц. Однако в этих конструкциях не определены абсолютные длины трубчатых элементов, площадь их отверстий и не конкретизировано их расположение на поршне.

Сущность изобретения заключается в конкретизации длины, площади и места расположения каналов.

Предлагается поршень двигателя внутреннего сгорания, в корпусе которого выполнены глухие каналы, с открытым входом со стороны днища, омываемой горячими газами, отличающийся тем, что длина каналов составляет (0,23-0,37) D, где D средний диаметр поршня, суммарная площадь каналов составляет (0,7-4)% от площади поперечного сечения днища поршня, а входы каналов расположены в периферийной зоне днища поршня на расстоянии от оси поршня, превышающем 0,3 D.

Каналы могут быть выполнены под углом к оси поршня и могут иметь неодинаковую длину. Их можно выполнять в приливах бобышек поршневого пальца и располагать неравномерно по днищу.

Указанная конкретизации осуществлена на основе учета особенностей колебаний, развивающихся в камере ДВС, вследствие чего повышается эффективность подавления или ограничения колебаний, сопровождающихся детонационный стук.

Выполнение сформулированных выше условий и требований обеспечивает, как показали проведенные нами эксперименты, достаточно сильное воздействие каналов-резонаторов на колебательные процессы в ДВС.

Требования к расположению каналов обусловлены тем, что для возбуждения резонатора на его входе заметным образом должно колебаться либо давление, либо объемная скорость, направленная по оси отверстия. Распределение амплитуд колебаний давления в объеме камеры сгорания зависит от ее формы. Обычно форма камеры сгорания, образуемой головкой цилиндра и поршнем при его положении в верхней мертвой точке (ВМТ), не очень сильно отличается от цилиндрической. Соответственно и форма колебаний давления будет близка к форме колебаний давления в цилиндрической камере, для поперечного сечения которой распределение давления P(r, Φ) для обычно развивающейся в ДВС формы с наиболее низкой собственной частотой в полярных координатах r и Φ определяется формулой
P(r, Φ)= AJ1(1,84 r/R) cos Φ, где А постоянная; J1 функция Бесселя первого рода первого порядка; R радиус цилиндра.

Как следует из приведенной формулы, наибольшие амплитуды колебаний наблюдаются при r= R, т. е. вблизи стенки цилиндра. Там и следует стремиться расположить входные отверстия каналов. Наоборот, при радиусе r=0 амплитуда колебаний давления P(r, Φ)| ->> 0 и располагать в этих зонах отверстия каналов-резонаторов на торцовых поверхностях камеры сгорания, т. е. на поршне и головке цилиндра, бесполезно, так как колебания в них разбуждаться не будут.

На фиг. 1 представлена предлагаемая схема, где 1 корпус, 2 днище, 3 каналы, 4 бобышки под поршневой палец, 5 прилив бобышек под поршневой палец.

На фиг. 2. представлено изменение интенсивности колебаний в зависимости от безразмерного радиуса r/R или диаметра d/D=r/R и определено условие размещения входных отверстий каналов-резонаторов, заключающееся в том, чтобы интенсивность колебаний в резонаторах, пропорциональная квадрату амплитуды колебаний давления, уменьшалась по сравнению с максимально возможным значением не более чем в 5 раз. Видно, что входы каналов резонаторов, размещенных на поршне, должны быть расположены в периферийной зоне днища на расстоянии от оси поршня, превышающем 0,3 D.

Условия распространения и диссипации энергии колебаний в камере сгорания с каналами-резонаторами накладывают ограничения на длину каналов, а также на величину площади отверстий резонаторов на поверхности поршня, которая имеет некоторое оптимальное значение, так как при слишком малой площади воздействие резонаторов будет мало, а при слишком большой начнут преобладать колебания, возбуждаемые самыми резонаторами. Длина канала с учетом средней скорости звука в нем определяет собственную частоту канала как четвертьволнового резонатора.

Для демпфирования колебаний в камере сгорания необходимо, чтобы суммарная площадь каналов составляла (0,7-4)% от площади днища поршня, а необходимые длины каналов L составляли (0,23-0,37) D. Средний диаметр поршня D определяется по площади его поперечного сечения F_п по формуле
D= 2, так как поперечное сечение поршня имеет овальную форму, которая близка, но все таки отличается от круговой.

Соотношение между длинами каналов и диаметром поршня эквивалентно соотношению между собственными частотами резонатора и камеры сгорания. Длина каналов L выбирается с учетом отличия средней скорости звука в канале от средней скорости звука в камере сгорания. В экспериментах исследованы цилиндрические каналы диаметром d_к=2-6 мм. При каких-либо отличиях формы канала от цилиндрической его длина определяется по формуле L=V_к/F_к=4V_к/π · d²к, где V_к объем канала; F_к площадь его поперечного сечения.

Для расширения диапазона диаметров канала или при отличии формы канала от цилиндрической следует воспользоваться данными акустики по эффективным длинам каналов. Коррекция на отличие средней скорости звука в канале от скорости звука в камере сгорания была проведена на основе серии стендовых испытаний двигателей с поршнями, в днищах которых со стороны камеры сгорания были выполнены глухие каналы. Каналы 3, если это способствует демпфированию колебаний, можно выполнять неодинаковой длины. Они могут быть расположены не обязательно под прямым углом к поверхности поршня, т. е. под углом к его оси. В испытанной конструкции они были расположены в приливах бобышек поршневого пальца под углом к оси поршня. Каналы и их входы могут быть выполнены неравномерно по днищу.

Анализ результатов стендовых испытаний многоцилиндрового двигателя, часть цилиндров которого была снабжена предлагаемыми поршнями, а часть имела обычные, недоработанные поршни (при взаимной замене модифицированных и обычных поршней), показал, что модификация поршней приводит либо к полному подавлению детонационного стука в камерах сгорания цилиндров с модифицированными поршнями, либо к снижению уровня виброускорений двигателя при сгорании топлива в этих камерах сгорания.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: в днище поршня выполнены глухие каналы с открытым входом со стороны днища, омываемой горячими газами. Длина каналов составляет (0,23 - 0,37)D, где D - средний диаметр поршня, а их суммарная площадь 0,7 - 4% от площади поперечного сечения днища поршня. Входы каналов расположены в периферийной зоне днища на расстоянии от оси поршня, превышающем 0,3D. Каналы могут быть выполнены под углом к оси поршня и иметь различную длину. Каналы могут быть расположены неравномерно. Кроме того, их можно выполнить в приливах бобышек под поршневой палец. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с днищем и бобышками под поршневой палец, причем в корпусе выполнены глухие каналы с открытым входом со стороны днища, омываемой горячими газами, отличающийся тем, что длина каналов составляет (0,23 - 0,37) D, где D - средний диаметр поршня, суммарная площадь каналов составляет 0,7 - 4% площади поперечного сечения днища поршня, а входы каналов расположены в периферийной зоне днища на расстоянии от оси поршня, превышающем 0,3 D. 2. Поршень по п.1, отличающийся тем, что каналы выполнены под углом к оси поршня. 3. Поршень по пп.1 и 2, отличающийся тем, что каналы выполнены различной длины. 4. Поршень по пп.1 - 3, отличающийся тем, что каналы расположены неравномерно. 5. Поршень по пп.1 - 4, отличающийся тем, что каналы выполнены в приливах бобышек под поршневой палец.