ГИЛЬЗА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F02F1/18 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах.

Аналогом предлагаемого изобретения может служить гильза цилиндра двигателя внутреннего сгорания, запрессовываемая в его блок и поджимаемая с торца неразделенной головкой блока, охватывающей одновременно все гильзы двигателя /1/.

К недостаткам данного устройства следует отнести

1) зависимость деформации гильзы от точности выполнения отверстия под нее в блоке двигателя;

2) зависимость деформации гильзы от последовательности и усилий затяжки шпилек (болтов) головки блока двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту (прототипом) является гильза двигателя внутреннего сгорания “мокрого” типа, состоящая из тела, размещаемого в отверстии блока двигателя, и верхнего опорного бурта, нагружаемого по одной поверхности усилиями со стороны головки, поджимаемой к блоку через отверстия болтами (шпильками), а противоположной поверхностью опирающегося на блок. При этом каждая гильза поджимается только одной головкой блока /2/.

К недостаткам данного устройства можно отнести овализацию рабочей поверхности гильзы при затяжке шпилек (болтов) головки блока, при этом величины деформации стенки гильзы часто превышают границы адаптации поршневого кольца.

Технической задачей изобретения является изменение характера и уменьшение величины деформаций рабочей поверхности гильзы цилиндра, контактирующей с поршневыми кольцами и определяющей - вместе с ними и поршнем - основные мощностные и экологические характеристики двигателя.

Поставленная техническая задача решается в гильзе двигателя внутреннего сгорания, состоящей из тела, размещенного в отверстии блока двигателя, и верхнего опорного бурта, нагруженного по одной поверхности усилиями со стороны головки, поджимаемой к блоку через отверстия болтами (шпильками), и противоположной поверхностью опирающегося на блок, верхний опорный бурт которой в поперечном сечении имеет форму эллипса, а его большая ось является биссектрисой большего угла между отверстиями под шпильки (болты) крепления головки к блоку.

Оригинальность изобретения состоит в том, что в отличие от прототипа в гильзе двигателя внутреннего сгорания ее верхний опорный бурт, нагружаемый по одной поверхности усилиями со стороны головки и опирающийся противоположной поверхностью на блок, в поперечном сечении имеет форму эллипса, большая ось которого является биссектрисой большего угла между отверстиями под шпильки (болты) крепления головки к блоку, что дает возможность изменять характер и величину деформаций за счет изменения размера малой оси эллипса опорного бурта.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема возникновения деформаций гильзы двигателя внутреннего сгорания в составе цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя, на фиг.2 показано сечение А-А ЦПГ, представленной на фиг.1, на фиг.3 показана расчетная схема овализации бурта гильзы, на фиг.4 показано влияние овализации бурта на изгибающий момент, на фиг.5 приведена конструкция гильзы с уменьшенной деформацией рабочей поверхности, на фиг.6 приведена деформация рабочей поверхности гильзы в координатах “отклонение, мкм-угол, градус” со стандартным опорным буртом (кривая 1) и эллиптическим опорным буртом - разность диаметров осей эллипса d₄-d₅=2 мм (кривая 2 - при расположении большой оси эллипса параллельно оси коленвала, кривая 3 - при расположении большой оси эллипса перпендикулярно оси коленвала).

Гильза двигателя внутреннего сгорания состоит (фиг.1, 2) из тела 1, размещаемого при сборке двигателя в отверстии блока 2, и верхнего опорного бурта 3, нагружаемого по поверхности "АВ" и "ЕС" усилиями со стороны головки 4, формируемыми шпильками 5, 6, 7, 8, и опирающегося противоположной поверхностью на блок 2. Верхний опорный бурт 3 гильзы в поперечном сечении выполнен в виде эллипса, большая ось которого является биссектрисой большего угла между отверстиями под шпильки (болты) 5 и 7, 6 и 8 крепления головки 4 к блоку 2. Под опорный бурт 3 и на нижнюю часть тела 1 гильзы установлены уплотнительные кольца 9, предотвращающие попадание охлаждающей жидкости в камеру сгорания.

Произведем расчет деформаций стенки гильзы, используя следующие обозначения: u - радиальные перемещения точек внутреннего контура гильзы; F - стягивающая сила болтов (шпилек) 5-8; q - интенсивность распределения нагрузки по поверхности верхнего опорного бурта 3 гильзы; M₁ - изгибающий момент, создаваемый силой F; M₂ - изгибающий момент от распределенной нагрузки, действующей по области АВ; S_ec - площадь верхней части гильзы, соответствующей участку ЕС; S_AB - площадь верхней части гильзы, соответствующей участку АВ; S=S_AB=S_EC - площадь верхнего полукольца гильзы, по которой действует распределенная нагрузка с интенсивностью q=const (фиг.1).

Распределенная нагрузка, действующая по верхнему полукольцу гильзы, статически эквивалентна силе F, т.е.:

F=q·S⇒ q=F/S.

При этом

F_AB+ F_ec=F,

где F_AB=q·S_AB, F_EC=q·S_EC.

Моменты, действующие на верхний бурт гильзы:

M₁=F·|ДС|,

М₂=F_AB(1/2|АВ|+1/2|BE|)=1/2F_AB·(|АВ|+|BE|).

Условие равновесия

M∑ =M₁-М₂=F·|ДС|-1/2F_AB·(|АВ+BE|).

Составим следующую систему для вычисления F_AB и F_EC:

Откуда

F_EC=F-F_AB⇒

Тогда суммарный момент будет выглядеть следующим образом:

Суммарный изгибающий момент порождает некоторую силу , действующую по линии, соединяющей стягивающие болты 5 и 6 (фиг.2). Обозначим через u₀ максимальное перемещение точки контура N в направлении к центру гильзы, вызванное силой . Таким образом, максимальное уменьшение диаметра по линии KN будет 2u₀. В силу симметрии в направлении, перпендикулярном KN - по линии LG, - будет наблюдаться увеличение диаметра гильзы на 2u₀.

Радиальное изменение внутреннего (рабочего) диаметра гильзы можно задать формулой

u₁=a·M·cos2ϕ ,

где угол ϕ отсчитывается от линии KN против часовой стрелки, а - коэффициент пропорциональности.

Аналогично для стягивающих болтов 7 и 8 получаем

u₂=a·M·cos2(ϕ -95° ).

В результате полное перемещение точек внутреннего контура (рабочей поверхности) определиться функцией

u=u₁+u₂=а·М·[cos2ϕ +cos2(ϕ -95° )].

Найдем максимум и минимум этой функции, для чего определим ее производную

u’=a·M·[-2sin2ϕ -2sin2ϕ -95° )].

Приравнивая u’=0, получаем

2sin2ϕ +2sin2(ϕ -95° )=0⇒ 2sin(2ϕ -95° )·cos95° =0⇒ sin(2ϕ -95° )=0=⇒

2ϕ -95° =180° ·к.

При к=0 имеем ϕ 1=47,5° , при к=1 ϕ 2=137,5°

u(47,5° )=a·M·(cos95° +cos95° )=-2·a·M·sin5°

u(137,5° )=u(90° +47,5° )=a·M·[cos2(90° +47,5° )+cos2(90° +47,5° -95° )]=

=a·M·[cos(180° +95° )+cos(180° -95° )]=a·M·[-cos95° -cos95° ]=2·a·M·sin5° .

Коэффициент "а" находится из уравнения u₀=а·М.

Овализируем пояс |ЕС|, тогда его площадь выразится следующим соотношением:

S_EC=π ·(d₄·d₅-d23

где d₄ - большая ось, d₅ - малая ось.

Эксцентриситет эллипса и фокальный параметр задаются выражениями

В полярных координатах эллипс задан уравнением

Поскольку при эллипсном исполнении верхнего опорного бурта 3 параметр |ДС| будет зависеть от угла ϕ , то новое плечо действия момента M∑ (фиг.3)

|ДС’|=|ДC|+(d₄/2-ρ (ϕ )).

Поскольку изменится площадь S_EC, то изменится и отношение площадей .

Согласно "золотому правилу механики" малую ось эллипса верхнего опорного бурта необходимо расположить вдоль оси действия максимальных моментов, т.е. выражение для расчета координат эллипса примет вид

Тогда выражение для момента будет иметь следующий вид:

Окончательно отклонения профиля гильзы определятся выражением

u'(ϕ )=a·M’∑ (ϕ )-[cos2ϕ +cos2(ϕ -95° )].

Варьируя диаметром полуоси d5 эллипса верхнего опорного бурта 3 (фиг.4, 5), можно получить требуемую форму деформаций рабочей поверхности тела 1 гильзы (фиг.6), при этом исходный изгибающий момент M_изг.2 в этом сечении больше, чем Мов.изг.2

Предлагаемое устройство работает следующим образом: на тело 1 и под опорный бурт 3 гильзы двигателя внутреннего сгорания устанавливается уплотнительное кольцо 9. После этого гильза размещается в отверстии блока 2 таким образом, чтобы большая ось эллипса верхнего опорного бурта 3 гильзы являлась биссектрисой большего угла между отверстиями в блоке 2 под шпильки 5 и 7, 6 и 8. Посредством шпилек (болтов) 5, 6, 7, 8, проходящих через отверстия в головке 4 и ввинчиваемых в соответствующие отверстия блока 2, на головке 4 создаются усилия, передаваемые на верхний опорный бурт 3 гильзы и удерживающие гильзу в блоке 2, в том числе при протекании рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания.

В прототипе, за счет разности углов между отверстиями в головке 4 под шпильки 5 и 7, 6 и 8, в зоне 0° ..85° 180° ...265° - симметрично - формируются области повышенного удельного давления - в результате на верхний опорный бурт 3 действуют моменты, вызывающие овализацию рабочей поверхности гильзы (фиг.6, кривая 1). Рассматриваемый характер деформаций не удается изменить ни изменением последовательности и усилий затяжки шпилек (болтов) 5-8, проходящих через соответствующие отверстия головки 4 блока, ни применением уплотнительных колец 9, изготовленных из материала с отличающимися от исходного своими физико-механическими свойствами.

При установке гильзы с верхним опорным буртом 3, имеющим форму эллипса, с условием, что его большая ось является биссектрисой большего угла между отверстиями в головке 4 под шпильки 5 и 7, 6 и 8, нагрузки распределяются более равномерно по периметру опорного бурта 3 (фиг.6, кривая 2). При этом, варьируя разностью диаметров осей эллипса верхнего опорного бурта 3 и расположением этих осей относительно оси коленчатого вала, можно добиться желаемых форм и величин деформаций (фиг.6, кривая 3).

Равномерная деформация рабочей поверхности гильзы по периметру позволяет максимально полно поддерживать с ней контакт рабочих поверхностей поршневых колец в процессе работы двигателя и тем самым обеспечить требуемую долговечность всей конструкции.

Техническое преимущество предлагаемой конструкции состоит в том, что имеется возможность изменять характер и величины деформаций рабочей поверхности гильзы цилиндра "мокрого" типа за счет изменения соотношения размеров осей эллипса опорного бурта гильзы.

Источники информации

1. Двигатели внутреннего сгорания. Изд. в 3-х т. Общ. ред. А.С.Орлина. М., Машгиз, 1962. Т.2. Конструкция и расчет, - с.365, фиг.287.

2. Там же, с.360, фиг.279.

Гильза ДВС состоит из тела, размещаемого при сборке двигателя в отверстии блока, и верхнего опорного бурта, нагружаемого по одной поверхности усилиями со стороны головки, формируемыми шпильками, и опирающегося противоположной поверхностью на блок. Верхний опорный бурт гильзы в поперечном сечении выполнен в виде эллипса, большая ось которого является биссектрисой большего угла между отверстиями головки под шпильки (болты) крепления. Под опорный бурт и на нижнюю часть тела гильзы устанавливаются уплотнительные кольца, предотвращающие попадание охлаждающей жидкости в камеру сгорания. При установке гильзы с опорным буртом, имеющим форму эллипса, с условием, что его большая ось является биссектрисой большего угла между отверстиями головки под шпильки (болты) крепления, нагрузки распределяются более равномерно по примеру опорного бурта. Технический результат: изменение характера и уменьшение величины деформаций рабочей поверхности гильзы цилиндра, контактирующей с поршневыми кольцами и определяющей вместе с ними и поршнем основные мощностные и экологические характеристики двигателя. 6 ил.

Гильза двигателя внутреннего сгорания, содержащая тело, размещенное в отверстии блока двигателя, и верхний опорный бурт, нагруженный по одной поверхности усилиями со стороны головки, поджимаемой к блоку через отверстия шпильками, а противоположной поверхностью опирающийся на блок, отличающаяся тем, что верхний опорный бурт в поперечном сечении имеет форму эллипса, большая ось которого является биссектрисой большего угла между отверстиями под шпильки крепления головки к блоку.