Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2018 года по МПК F02F5/00 F02F3/00 

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 RU №2425999, 2011; патент RU №2372506, 2009; патент RU №2447307, 2012; заявка №58-53186, Япония, 1983; патент RU №2244145, 2000; заявка RU №2001112831, патент RU №2372506, опубл. 2009).

Известна цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания (патент №2372508, МПК F02F 5/00, опубликовано 10.11.2009), ближайшая по технической сущности к заявляемой и принятая за прототип, содержащая цилиндр и поршень, в поршневой канавке которого установлено компрессионное кольцо с конусной рабочей поверхностью, внутренняя поверхность цилиндра выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части цилиндра и с меньшим основанием в верхней части цилиндра, а рабочая поверхность компрессионного кольца выполнена в виде конуса с уклоном к своему верхнему торцу, причем угол конуса рабочей поверхности кольца α_к меньше угла конуса цилиндра α_ц на величину его изменения в результате термодинамических изменений размеров цилиндра в процессе работы двигателя.

В известном устройстве между поверхностью внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца и поверхностью внешнего диаметра обжимного кольца имеется технологический зазор, который увеличивается по мере продвижения поршня в нижнюю мертвую точку. К тому же этот зазор повышается в процессе эксплуатации двигателя за счет увеличения диаметра цилиндра под действием рабочих температур и износа контактных поверхностей цилиндра и рабочей поверхности компрессионного кольца. Прорыв рабочих газов из камеры сгорания происходит через зазор между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом верхнего компрессионного кольца. Далее через зазор в замке компрессионного кольца попадает в образовавшуюся полость между вертикальными поверхностями компрессионного кольца и обжимного кольца, затем через зазоры в замках нижележащих поршневых колец в придонную полость поршневой расточки, привнося туда, кроме всего прочего, отходы рабочего процесса, со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Кроме того, находясь в зоне самых высоких рабочих температур и давлений, верхнее компрессионное кольцо должно иметь как можно большую контактную площадь со стенкой цилиндра для улучшения условий теплопередачи от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру. Все это приобретает особое значение при проектировании среднеоборотных и, в большей степени, малооборотных мощных и сверхмощных силовых установок.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание эффективного двигателя внутреннего сгорания, за счет обеспечения улучшенных условий теплопередачи в цилиндропоршневой группе.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении коэффициента полезного действия двигателя, уменьшении расхода топлива и моторного масла, увеличении мощности и ресурса двигателя, уменьшении вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах.

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, компрессионные кольца, рабочая поверхность которых выполнена в виде конуса с уклоном к своему верхнему торцу, новым является то, что наружная поверхность поршня выполнена конической формы с углом конуса, равным углу конуса внутренней поверхности цилиндра, дополнительно введены маслосъемные кольца, рабочая поверхность которых выполнена под углом к стенке цилиндра, все кольца расположены в одной поршневой расточке, при этом верхняя часть расточки выполнена меньшим радиусом с образованием ступеньки, верхнее компрессионное кольцо установлено в верхней части расточки, площадь поверхности его верхнего торца равна площади вертикальной поверхности его внутреннего диаметра, а радиальная толщина верхнего компрессионного кольца равна радиальной глубине верхней части расточки, среднее компрессионное кольцо, расположенное под верхним компрессионным кольцом снабжено обжимным разрезным кольцом, наружный радиус которого больше внутреннего радиуса верхнего компрессионного кольца, при этом внутренний радиус среднего компрессионного кольца больше внутреннего радиуса верхнего и нижнего компрессионных колец, радиальная толщина нижнего компрессионного кольца, верхнего и нижнего маслосъемных колец равна глубине расточки, а среднее маслосъемное кольцо имеет обжимное разрезное кольцо.

Верхнее компрессионное кольцо выполнено из металлов и сплавов с повышенными теплопроводными свойствами и наименьшими механическими потерями на трение.

В верхней части поршневой расточки установлено дополнительное компрессионное кольцо, при этом величина площади верхнего торца верхнего компрессионного кольца равна величине суммы площадей поверхностей внутренних диаметров обоих поршневых колец.

На фигуре представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке и условно в нижней мертвой точке.

Двигатель внутреннего сгорания содержит: цилиндр 1; поршень 2; верхнее компрессионное кольцо 3, установленное в верхней поршневой расточке 4; среднее компрессионное кольцо 5; нижнее компрессионное кольцо 6; верхнее маслосъемное кольцо 7; среднее маслосъемное кольцо 8; нижнее маслосъемное кольцо 9; обжимное разрезное кольцо 10; обжимное разрезное кольцо 11, расположенные в поршневой расточке 12.

На фигуре представлено положение поршня 2 в верхней мертвой точке и условно показано положение поршня 2 и расположение всех поршневых колец относительно цилиндра 1 в нижней мертвой точке.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При запуске двигателя поршень 2 находится в верхней мертвой точке на такте «всасывание», все зазоры в системе «цилиндр 1 - поршневые кольца - поршень 2» 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, увеличивают свои внешние и внутренние диаметры. В результате этих смещений появляются постепенно увеличивающиеся зазоры между вертикальными поверхностями внутренних диаметров компрессионных 3, 5, 6 и маслосъемных колец 7, 8, 9 и неподвижных поверхностей наружных диаметров обжимных колец 10, 11 и дна поршневых расточек 4 и 12.

За счет повышенного трения «скоблящих» маслосъемных колец 7, 8 и 9 о стенку цилиндра 1 весь пакет поршневых колец, включая обжимные кольца 10 и 11, смещается вверх, образуя зазор между нижней полкой поршневой расточки 12 и нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 9, который в процессе прогрева двигателя увеличивается за счет более активного теплового расширения поршневой расточки. Плотно прижатые друг к другу все поршневые кольца в пакете с зазорами в замках колец, расположенными под 180° по отношению друг к другу, а также перекрытие основного зазора в придонной полости поршневой расточки обжимными кольцами 10 и 11, практически исключают газодинамические потери, образуя глубокое разряжение 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 зазор и основной зазор, образующийся в придонной полости поршневой расточки 12, исключая проникновение масла 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 на верхний торец верхнего компрессионного кольца 3, весь пакет поршневых колец, смещаясь в нижнее положение, прижимается к нижней полке поршневой расточки 12, закрывая зазор между нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 9 и нижней полкой поршневой расточки 12 и открывая зазор между верхней полкой поршневой расточки 4 и верхним торцом верхнего компрессионного кольца 3. Путь прорыва возрастающего давления рабочих газов, через открывшийся зазор в придонную полость поршневой расточки 12 и далее в картер двигателя, преграждают обжимные кольца 10 и 11, а зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 перекрыт промежуточным компрессионным кольцом 5 и остальными поршневыми кольцами, включая маслосъемные поршневые кольца 7, 8 и 9. «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». 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 удаляет 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 2 и цилиндром 1, 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 и наружной поверхности поршня, все это в совокупности создают новые условия повышения работоспособности цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр (1), у которого внутренняя поверхность выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части и меньшим основанием в верхней части, поршень (2) и компрессионные кольца (3), (5) и (6). Рабочая поверхность компрессионных колец (3), (5) и (6) выполнена в виде конуса с уклоном к своему верхнему торцу. Наружная поверхность поршня (2) выполнена конической формы с углом конуса, равным углу конуса внутренней поверхности цилиндра (1). Дополнительно введены маслосъемные кольца (7), (8), (9), рабочие поверхности которых выполнены под углом к стенке цилиндра (1). Все кольца расположены в одной поршневой расточке (12). Верхняя часть (4) расточки (12) выполнена меньшим радиусом с образованием ступеньки. Верхнее компрессионное кольцо (3) установлено в верхней части (4) расточки. Площадь поверхности верхнего торца верхнего компрессионного кольца (3) равна площади вертикальной поверхности его внутреннего диаметра. Радиальная толщина верхнего компрессионного кольца (3) равна радиальной глубине верхней части (4) расточки (12). Среднее компрессионное кольцо (5) расположено под верхним компрессионным кольцом (3). Среднее компрессионное кольцо (5) снабжено обжимным разрезным кольцом (11), наружный радиус которого больше внутреннего радиуса верхнего компрессионного кольца (3). Внутренний радиус среднего компрессионного кольца (5) больше внутреннего радиуса верхнего и нижнего компрессионных колец (3) и (6). Радиальная толщина нижнего компрессионного кольца (6), верхнего и нижнего маслосъемных колец (7), (9) равна глубине расточки (12). Среднее маслосъемное кольцо (8) имеет обжимное разрезное кольцо (10). Технический результат заключается в повышении эффективности уплотнения между цилиндром и поршнем. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

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, компрессионные кольца, рабочая поверхность которых выполнена в виде конуса с уклоном к своему верхнему торцу, отличающаяся тем, что наружная поверхность поршня выполнена конической формы с углом конуса, равным углу конуса внутренней поверхности цилиндра, дополнительно введены маслосъемные кольца, рабочая поверхность которых выполнена под углом к стенке цилиндра, все кольца расположены в одной поршневой расточке, при этом верхняя часть расточки выполнена меньшим радиусом с образованием ступеньки, верхнее компрессионное кольцо установлено в верхней части расточки, площадь поверхности его верхнего торца равна площади вертикальной поверхности его внутреннего диаметра, а радиальная толщина верхнего компрессионного кольца равна радиальной глубине верхней части расточки, среднее компрессионное кольцо, расположенное под верхним компрессионным кольцом, снабжено обжимным разрезным кольцом, наружный радиус которого больше внутреннего радиуса верхнего компрессионного кольца, при этом внутренний радиус среднего компрессионного кольца больше внутреннего радиуса верхнего и нижнего компрессионных колец, радиальная толщина нижнего компрессионного кольца, верхнего и нижнего маслосъемных колец равна глубине расточки, а среднее маслосъемное кольцо имеет обжимное разрезное кольцо.

2. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что в верхней части поршневой расточки установлено дополнительное компрессионное кольцо.