ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании, производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.

Известны цилиндропоршневые группы для двигателей внутреннего сгорания, в которых внутренняя поверхность цилиндра выполнена цилиндрической или овальной формы, а поршневые кольца имеют рабочую поверхность, выполненную в виде конуса или сферы (Заявка №51-38005, Япония, 1976; Заявка №58-53186, Япония, 1983; патент №2244145, RU, 2000; Заявка №2001112831, RU).

Известна цилиндропоршневая группа для двигателя внутреннего сгорания, содержащая цилиндр, внутренняя поверхность которого имеет цилиндрическую форму, поршень, в поршневой канавке которого установлены верхнее компрессионное кольцо, рабочая поверхность которого выполнена в виде конуса с уклоном к верхнему торцу кольца, и нижнее компрессионное кольцо, выполненное в виде конуса с уклоном к нижнему торцу (Заявка №58-53186, Япония, МПК, F02F 5/00, F16J 9/00, опубл. 1983), ближайшая по технической сущности к заявляемой и принятая за прототип.

Однако в известной цилиндропоршневой группе внутренняя поверхность цилиндра выполнена цилиндрической формы, которая в процессе работы двигателя за счет термодинамических изменений приобретает форму усеченного конуса с вершиной в нижней охлаждаемой части цилиндра и основанием в верхней части цилиндра, находящейся в зоне максимальных рабочих температур. В результате нагрева верхней части диаметр цилиндра увеличивается, плотность прижима рабочей поверхности компрессионного кольца уменьшается, зазор в замке кольца также увеличивается. Эффективность поршневого уплотнения ухудшается на самых ответственных участках рабочих тактов «сжатие» и «рабочий ход», увеличиваются газодинамические потери, снижается «срабатываемость» рабочего давления, падает мощность, ухудшаются технико-экономические характеристики двигателя.

При движении поршня в верхнее положение на рабочем такте «выпуск» верхнее компрессионное кольцо выполняет функцию нагаросъемного кольца. Снимая копоть и сажу со стенки цилиндра, оставшиеся после процесса сгорания на такте «рабочий ход», коническая поверхность способствует попаданию продуктов горения топливовоздушной смеси через зазор между верхним торцом кольца и верхней полкой поршневой канавки в поршневую канавку. Постепенно накапливаясь на свободных поверхностях обоих компрессионных колец и поршневой канавки, под действием высоких температур и давлений они преобразуются в нагар, а затем и кокс. Повышенное нагарообразование и коксование поршневых колец приводит к снижению их подвижности, работоспособности, а затем к заклиниванию и поломке двигателя.

При движении поршня в нижнее положение нижнее кольцо выполняет функцию маслосъемного кольца. Оно снимает масло со стенки цилиндра, оставшееся после маслосъемного кольца, при этом коническая форма нижнего кольца способствует попаданию масла в поршневую канавку, где оно встречается с высокотемпературным рабочим газом, прорвавшимся через верхний зазор, окисляется, образуя нагар и кокс. Все это способствует не только повышенному нагарообразованию, но и увеличенному расходу масла на угар.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении КПД двигателя, его мощности и ресурса, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении его экологических показателей.

Технический результат достигается тем, что в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгорания, содержащей цилиндр и поршень, в поршневой канавке которого установлено компрессионное кольцо с рабочей поверхностью, выполненной в виде конуса, новым является то, что внутренняя поверхность цилиндра выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части цилиндра и 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.

На чертеже представлено частичное сечение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания.

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр 1 и поршень 2, в поршневой канавке которого установлено компрессионное кольцо 3. Внутренняя поверхность цилиндра 1 выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части цилиндра и меньшим основанием в верхней части цилиндра, а рабочая поверхность компрессионного кольца 3 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.

Цилиндропоршневая группа работает следующим образом. При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» компрессионное кольцо 3 занимает положение в нижней мертвой точке, при котором имеет максимально допустимый зазор в замке и минимальные силы прижима рабочей поверхности к стенке цилиндра 1. На начальном этапе движения поршня 2 силы трения минимальные и минимальные механические потери, положительно влияющие на повышение КПД двигателя.

При дальнейшем движении поршня 2 увеличивается давление в цилиндре 1 соответственно увеличиваются силы прижима рабочей поверхности кольца к стенке цилиндра 1 за счет увеличения сил упругости кольца 3. Силы реакции со стороны стенки цилиндра 1 действуют на кольцо 3, сжимают его, сокращая зазор в замке до расчетного значения и минимально возможного в верхней мертвой точке. Уменьшаются газодинамические потери, повышается эффективность уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, достигая максимальных значений в районе ВМТ.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход» происходит постепенное снижение уплотнительных качеств поршневого уплотнения от максимальных до минимально возможных, так как при угле поворота коленчатого вала 30° (приблизительно на половине хода поршня) открываются выпускные окна и в известной степени уплотнение теряет свое значение. Увеличивается зазор в замке кольца, снижаются потери на трение. Это положительно сказывается на полезной работе и повышении эффективной мощности двигателя.

На рабочем такте «выпуск» дифференцирование усилий прижима кольца 3 к стенке цилиндра 1 способствует снижению потерь на трение в начальной стадии движения и более тщательному устранению копоти и нагара со стенки цилиндра 1 в заключительной стадии движения поршня 2 к ВМТ и более полному выбросу выхлопных газов из камеры сгорания.

На рабочем такте «впуск» эффективное уплотнение обеспечивает надежный забор расчетного количества свежего заряда воздуха в начальной стадии, с постепенным снижением потерь на трение в конечной стадии хода поршня 2.

Величина конусности внутренней поверхности цилиндра 1 зависит от его геометрических параметров (наружного и внутреннего диаметров, длины), физических характеристик металла, из которого он изготовлен (коэффициентов линейного и объемного расширений), и термодинамических процессов, воздействующих на него.

Кроме того, необходимо учитывать величину рабочего хода поршня 2 и максимально возможный зазор в замке компрессионного кольца 3, на который допустимо «раскрываться» кольцу 3 при положении поршня 2 в нижней мертвой точке (при пакетном расположении компрессионных колец 3 в одной поршневой канавке последний фактор не столь значителен). В зависимости от этих данных угол наклона внутренней образующей цилиндра 1 к его оси может быть от нескольких десятков минут для малолитражных двигателей и до 1,5°…3° для мощных и сверхмощных дизелей и силовых установок.

Практически можно принимать величину диаметра цилиндра 1 в нижней его части (в месте нахождения компрессионного кольца 3 при положении поршня 2 в нижней мертвой точке) больше его расчетного значения на величину максимально допустимого износа компрессионного кольца 3. Например, диаметр цилиндра двигателя КамАЗ равен 120 мм, при изготовлении цилиндра он сохраняется в его верхней части (в районе ВМТ). В нижней части цилиндра (в районе НМТ) его необходимо увеличить на 3 мм, то есть сделать его 123 мм, так как в практике допускается износ кольца более чем на 1,5 мм на сторону, при котором замок «раскрывается» на 9,42 мм. Такая величина зазора в замке кольца не скажется отрицательно на его упругих свойствах, так как максимальный зазор в замке кольца, находящемся в свободном состоянии, для компрессионного кольца двигателя КамАЗ допускается 16 мм.

В процессе работы двигателя верхняя часть цилиндра 1, находящаяся в зоне максимальных рабочих температур (порядка 2000°С), расширяется, увеличивая внутренний диаметр, в то время как его нижняя охлаждаемая часть остается практически неизменной. В результате этих термодинамических изменений размеров цилиндра 1 соответственно уменьшается его угол конуса. Следовательно, угол конуса рабочей поверхности компрессионного кольца 3 при его изготовлении должен быть скорректирован на эту величину.

Кроме того, максимальная эффективность поршневого уплотнения достигается при условии сохранения упругих свойств компрессионного кольца 3 на всех тактах рабочего цикла двигателя. То есть газодинамические силы, действующие на кольцо 3 (в основном это осевая и радиальная составляющие газодинамических сил), должны быть сбалансированы по известной зависимости. В таком случае, за счет собственных упругих сил рабочая поверхность кольца 3 будет в постоянном контакте со стенкой цилиндра 1 при движении поршня 2 как в верхнее положение, так и в нижнее положение. Равномерный контакт всей рабочей поверхности кольца 3 со стенкой цилиндра 1 обеспечивает не только качественное уплотнение, но и наименьшие удельные силы трения, и соответственно наименьшие потери на трение, наименьший износ гильзы цилиндра и поршневых колец, повышая КПД и ресурс двигателя.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» силы реакции со стороны стенки цилиндра 1 сжимают кольцо 3, противодействуя расчетной величине собственной силы упругости и минимально необходимой радиальной составляющей газодинамической силы.

Использование цилиндров с заданной «обратной» конусностью дифференцирует работу уплотнения между поршнем и цилиндром по ходу поршня в верхнее и нижнее положения в каждом такте рабочего цикла двигателя в зависимости от давления над поршнем. Чем больше давление в цилиндре, тем плотнее прижата рабочая поверхность компрессионного кольца к стенке цилиндра, тем меньше становится зазор в замке компрессионного кольца, тем меньше происходит газодинамических потерь.

Реализация такой конструкции позволит существенно повысить эффективность уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, уменьшить механические потери на трение, увеличить КПД и ресурс цилиндропоршневой группы и самого двигателя.

Предлагаемую конструкцию цилиндропоршневой группы ДВС можно использовать не только при проектировании и изготовлении новых двигателей, но и в процессе капитального ремонта двигателя.

Цилиндропоршневая группа ДВС достаточно проста по конструкции, технологична в изготовлении и эксплуатации, позволит значительно повысить эффективность уплотнения между поршнем и цилиндром, уменьшить механические, газодинамические и теплофизические потери, увеличить КПД двигателя, его мощность и ресурс, сократить расход топлива и масла, улучшить экологические характеристики двигателя.