Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: цилиндропоршневая группа (ЦПГ) содержит цилиндр 1, размещенный в нем поршень с верхним поршневым кольцом прямоугольного сечения. На внутренней боковой поверхности цилиндра 1 выше верхней плоскости верхнего поршневого кольца 4 выполнена кольцевая проточка 7, диаметр которой равен диаметру максимально изношенного цилиндра. Проточка 7 в сечении выполнена трапециевидной с большим основанием на рабочей поверхности цилиндра углами при этом основании нижним от 42 - до 2° и верхним 990 1°. При этом длина большего основания меньше толщины самого тонкого кольца ЦПГ. Такое выполнение позволить улучшить технологические и эскплуатационные свойства ЦПГ. 2 ил. 1 табл.

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить технологические и эксплуатационные свойства цилиндропоршневой группы (ЦПГ).

Известна конструкция ЦПГ двигателя внутреннего сгорания, выбранная в качестве прототипа, включающая цилиндр, имеющий рабочую поверхность с установленным в нем 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. К недостатку можно отнести возможность попадания поршневых колец в проточку цилиндра (из-за их пружинения) при сборке при толщине проточки большей, чем самое узкое поршневое кольцо (при варианте установки поршня со стороны головки блока), что может привести к поломке либо кольца, либо поршня.

При достаточном износе в сопряжениях деталей цепочки: поршневое кольцо поршень палец шатун коленчатый вал цилиндр, верхнее поршневое кольцо своей рабочей контактной поверхностью входит в зону проточки цилиндра, что снижает 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 паразитного давления газа на рабочей поверхности контакта поршневого кольца.

Кроме того, при толщине проточки цилиндра, соизмеримой с удлинением из-за износа указанной выше цепочки, 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 повредить поршневое кольцо.

Целью изобретения является улучшение технологических и эксплуатационных свойств ЦПГ.

Это достигается тем, что на внутренней боковой поверхности цилиндра выше верхней плоскости верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке выполнена кольцевая проточка трапециевидной формы, большее основание которой лежит на рабочей поверхности цилиндра, а максимальный диаметр равен диаметру максимально изношенного цилиндра, причем нижний и верхний углы при основании трапеции соответственно равны α 42-2^о; γ 90-1^о, при этом размер большего основания трапеции меньше толщины самого тонкого поршневого кольца ЦПГ.

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 прямоугольное в сечении поршневое кольцо 4. На внутренней боковой поверхности цилиндра 1 выше точки 5 пересечения верхней плоскости 6 поршневого кольца 4 (при расположении поршня в верхней мертвой точке) и рабочей поверхности 2 цилиндра 1 имеется трапециевидная кольцевая проточка 7 глубиной ΔК.

Угол наклона при основании трапеции определяется соотношением tgα где Δ К 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, вызванный максимально допустимым износом сопрягающихся поверхностей, влияющих на это удлинение, а также с учетом дополнительного удлинения в пределах упругости этой же цепочки деталей, вызванное инерционными силами, возникающими в них при номинальных оборотах коленчатого вала.

Геометрическое место расположения точек остановки "компрессионной" кромки 5 поршневого кольца 4 в процессе износа ЦПГ очень близко совпадает с линией нижней боковой стороны трапеции, что исключает возможность появления ступеньки на стенке цилиндра 1, ударов кольца 4 о верхнюю поверхность проточки 7, значительного выхода компрессионной кромки 5 в зону проточки 7 и как следствие снижения компрессии кольца 4.

Это дает возможность сохранять высокие компрессионные свойства ЦПГ, вплоть до капитального ремонта.

Размер меньшего основания трапеции в проточке определяется дополнительным удлинением указанной выше проточки деталей, вызванным максимально возможными оборотами коленчатого вала максимально изношенной ЦПГ.

Размер большего основания трапеции должен быть меньше толщины самого тонкого поршневого кольца, но не меньше, чем дополнительные удлинения указанной выше цепочки деталей новой ЦПГ при максимально возможных оборотах коленчатого вала, в противном случае возможны удары верхнего поршневого кольца о верхнюю поверхность проточки, даже при незначительном износе стенки цилиндра.

Исходя из допустимых зазоров и износов, имеющихся в литературных источниках (например, по двигателям ВАЗ: Шувалов Л.П. "Автомобили "Жигули" изд. ДОСААФ, 1974 г.) имеем следующие значения, сведенные в таблицу.

Суммарный максимальный износ может быть 0,285 мм, а минимальный суммарный износ 0,15 мм.

Удлинение цепочки деталей, вызванное инерционными силами в пределах упругости, в основном приходится на наиболее протяженную деталь шатун.

Расчетом деформации остальных деталей цепочки можно пренебречь, увеличив деформацию шатуна на 5-10% Примем расчетную длину шатуна 105 мм. По формуле ε найдем относительное удлинение шатуна при максимальных растягивающих напряжениях σ, считая, что они не превышают половины допустимых значений [σ 110 кг/мм² для хороших сталей.

Модуль упругости Е 2х10⁴ кг/мм².

Относительное удлинение при этом ε 2,75·10^-3 Абсолютное удлинение шатуна определяем по формуле Δ l ε˙l 2,75 ˙10^-3 ˙105 0,289 мм Учитывая, что номинальные и максимальные режимы работы двигателя внутреннего сгорания соотносятся примерно как 3 к 9,5 и учитывая десятипроцентную добавку можно принять Δ l_макс 0,289 + 0,1 ˙0,289 0,318 мм Δl_мин= 0,318× 0,1 мм Теоретический износ стенки цилиндра может быть
Δ К_макс 0,15 мм;
Δ К_мин 0,04 мм
Практически износ доходит до 0,2 мм. Исходя из вышеизложенного определяем
tgα_макс=
α_макс= arctg 39°
α_мин= arctg arctg 7°
Учитывая, что другие модели двигателей внутреннего сгорания могут иметь иные материалы деталей и режимы работы, принимаем
α_макс 42^о;
α_мин 2^о
Угол γ определяется из соотношения меньшего и большего основания трапеции, а также величинами ΣΔi и Δ К.

Например, при максимально изношенной ЦПГ имеем ΣΔi≈0,285 мм.

Возможное удлинение цепочки деталей: поршень палец шатун коленвал цилиндр будет небольшим так как двигатель не может достигнуть очень высоких оборотов коленчатого вала из-за износа поршневых колец, поэтому можно принять Δ l Δl_мин≈0,1 мм. Возможное удлинение деталей новой ЦПГ может быть достаточно большим. Принимаем Δ l_новΔ l_макc≈ 0,318 мм. Геометрическое построение трапеции из этих исходных данных дает угол γ≈ 90^о.

В случае применения иных материалов и режимов ΣΔi может иметь значение до 0,15 мм и меньше, а Δ l_макс может быть значительно больше. Геометрические построения показывают, что угол γ может иметь величину до 5^о.

Исходя из вышеизложенного и учитывая разнообразие форм, размеров и материалов ЦПГ, а также различие режимов работы, принимается угол γ 90-1^о.

Формула изобретения

ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая цилиндр, размещенный в нем поршень с верхним поршневым кольцом прямоугольного сечения, на внутренней боковой поверхности цилиндра выше верхней плоскости верхнего поршневого кольца при положении поршня в верхней мертвой точке выполнена кольцевая проточка, диаметр которой равен диаметру максимально изношенного цилиндра, отличающаяся тем, что проточка в сечении выполнена трапециевидной с большим основанием на рабочей поверхности цилиндра и углами при этом основании: нижним от 42 до 2^o и верхним от 90 до 1^o, при этом длина большего основания меньше толщины самого тонкого кольца поршневой группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2