ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02F1/00 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить технологические и эксплуатационные свойства цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) путем введения выше верхней плоскости верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) кольцевой трапециевидной проточки на внутренней боковой поверхности цилиндра, диаметр которой больше диаметра максимально изношенного цилиндра и заполненной заподлицо с внутренней боковой поверхностью цилиндра металлом или иным материалом, твердость и прочность которого значительно ниже твердости и прочности материалов поршневого кольца и цилиндра.

Известна конструкция (заявка автора N 4909343/06, 1990 г.), где желаемый результат улучшение технологических и эксплуатационных свойств достигается путем введения цилиндрической проточки, соединенной с рабочей поверхностью цилиндра фаской с углом наклона 48^o 88^o /1/. Данная конструкция имеет существенный недостаток, связанный с тем, что при сборке ЦПГ при введении поршня с кольцами в цилиндр со стороны головки блока возможен задир и заклинивание нижней кромки поршневых колец на указанной фаске при малых ее углах, не превышающих углов трения пары цилиндр-поршневое кольцо, что может вызвать поломку поршневых колец.

Известна конструкция ЦПГ двигателя внутреннего сгорания, выбранная в качестве прототипа, включающая цилиндр, имеющий рабочую поверхность с установленным в нее поршнем. В верхней канавке поршня расположено прямоугольное в сечении поршневое кольцо. На внутренней боковой поверхности цилиндра выше точки пересечения верхней плоскости поршневого кольца (при расположении поршня в верхней мертвой точке) и рабочей поверхности цилиндра имеется проточка глубиной 1,5.2,5 мм /2/.

К недостатку предложенного решения можно отнести возможность попадания поршневых колец в проточку цилиндра (из-за их пружинения) при сборке с толщиной проточки большей, чем самое узкое поршневое кольцо (при варианте установки поршня со стороны головки блока), что может вызвать поломку кольца или поршня.

При недостаточном износе в сопряжениях деталей цепочки (ΣΔi): поршневое кольцо поршень палец шатун коленчатый вал цилиндр верхнее поршневое кольцо своей рабочей контактной поверхностью начнет входить в зону проточки цилиндра, что может снизить компрессионные свойства ЦПГ из-за уменьшения длины рабочей поверхности контакта поршневого кольца со стенкой цилиндра, а также из-за уменьшения силы прижима кольца к стенке цилиндра в связи с появлением бокового давления газов P_кс на рабочей поверхности поршневого кольца.

Кроме того, при толщине проточки цилиндра, соизмеримой с удлинением из-за износа указанной выше цепочки деталей, возможны удары верхней плоскости верхнего поршневого кольца о верхнюю плоскость проточки цилиндра при максимально допустимых оборотах коленчатого вала из-за дополнительного удлинения цепочки деталей от инерционных сил, что может также повредить поршневое кольцо.

Задачей изобретения является улучшение технологических и эксплуатационных свойств ЦПГ.

Указанная задача достигается тем, что на внутренней боковой поверхности цилиндра выше верхней плоскости верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) выполнена цилиндрическая кольцевая, трапециевидной формы проточка, диаметр которой больше диаметра максимального изношенного цилиндра с большим основанием на рабочей поверхности цилиндра и углами при этом основании: нижнем от 42^o до 2^o и верхнем от 90^o до 1^o, заполненная заподлицо с боковой поверхностью цилиндра металлом, твердость и прочность которого ниже твердости и прочности материалов верхнего поршневого кольца и цилиндра.

Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т.е. в двигателестроении и смежных областях (компрессорное оборудование) позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемой цилиндро-поршневой группе, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показана цилиндро-поршневая группа, общий вид; на фиг. 2 - аналитическая схема, поясняющая механизм снижения компрессионных свойств прототипа.

Цилиндро-поршневая группа включает цилиндр 1, имеющий рабочую поверхность 2 с установленным в нем поршнем 3. В верхней канавке поршня 3 расположено поршневое кольцо 4. На внутренней боковой поверхности цилиндра 1 выше точки 5 пересечения верхней плоскости 6 поршневого кольца 4 (при расположении поршня в ВМТ) и рабочей поверхности 2 цилиндра 1 имеется трапециевидная кольцевая проточка 7 глубиной l, заполненная заподлицо с рабочей поверхностью 2 и нерабочей поверхностью 9 цилиндра 1 металлом 8, твердость и прочность которого ниже твердости и прочности материалов кольца 4 и цилиндра 1. Угол наклона α при основании трапеции определяется соотношением:

где ΔK максимально допустимый износ рабочей поверхности 2 цилиндра 1 (в радиусном выражении);
ΣΔi суммарное дополнительное удлинение цепочки деталей: поршневое кольцо поршень палец шатун коленчатый вал цилиндр, вызванное максимально допустимым износом сопрягающихся поверхностей, влияющих на это удлинение.

Геометрическое место расположения точек остановки "компрессионной кромки" 5 поршневого кольца 4 в процессе износа ЦПГ будет очень близко совпадать с линией нижней боковой стороны трапеции, что исключает возможность появления ступеньки на стенке цилиндра из прочного материала цилиндра этим исключается возможность затупления острой компрессионной кромки 5 и возможность поломки кольца 4. В случае случайного повышения оборотов коленчатого вала до максимально допустимых возможно значительное растяжение шатуна и изгиб коленчатого вала в ВМТ, что повлечет за собой внедрение острой компрессионной кромки 5 верхнего поршневого кольца 4 и самой верхней плоскости 6 кольца 4 (в случае значительного износа стенки цилиндра) в материал заполнения 8 проточки 7. При незначительной прочности материала заполнения 8 деформация кольца 4 будет не существенной. Невозможно также повреждение острой компрессионной кромки 5, что повлечет за собой сохранение высоких компрессионных свойств ЦПГ.

Наличие заполнения материалом 8 проточки 7 исключает образование нагара в проточке (как это имеет место в прототипе) и, как следствие, не ухудшает токсичность выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Угол наклона γ определяется технологическими возможностями производства и длиной нерабочей поверхности цилиндра 9.

Использование: изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в компрессорной технике. Сущность: на внутренней боковой поверхности цилиндра имеется трапециевидная кольцевая проточка, заполненная материалом с невысокими прочностными характеристиками. В конструктивном решении цилиндро-поршневой группы при стабильной силе трения верхнего поршневого кольца о рабочую поверхность цилиндра поддерживаются высокие компрессионные свойства цилиндро-поршневой группы в течение всего периода эксплуатации, а также исключается возможность поломки верхнего поршневого кольца и перегородки между канавками под поршневые кольца в поршне. Такое выполнение повышает эксплуатационные и технологические свойства цилиндро-поршневой группы. 2 ил.

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания, содержащая цилиндр, размещенный в нем поршень с верхним поршневым кольцом, например, прямоугольного сечения, на внутренней боковой поверхности цилиндра выше верхней плоскости верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке выполнена кольцевая проточка трапециевидной формы, диаметр которой больше диаметра максимально изношенного цилиндра, с большим основанием на рабочей поверхности цилиндра и углами при этом основании: нижнем от 42 до 2^o и верхнем от 90 до 1^o, отличающаяся тем, что объем, образованный проточкой в стенке цилиндра, заполнен заподлицо с рабочей поверхностью цилиндра металлом, твердость и прочность которого ниже твердости и прочности материалов верхнего поршневого кольца и цилиндра.