Двигатель внутреннего сгорания, имеющий нагаросъемное кольцо в цилиндре (варианты)

 

Двухтактный крейцкопфный двигатель с прямоточной продувкой имеет нагаросъемное кольцо в цилиндре и поршень, способный перемещаться в продольном направлении в цилиндре и снабженный поршневыми кольцами, которые скользят по цилиндрической внутренней поверхности цилиндра при передвижении поршня и создают разделение с прижимным уплотнением между объемом под поршнем и рабочей камерой, которая расположена над самым верхним поршневым кольцом поршня и задана самым верхним поршневым кольцом, поршнем, внутренней поверхностью цилиндра и крышкой цилиндра. Нагаросъемное кольцо выступает от внутренней поверхности цилиндра и располагается в таком месте вдоль оси цилиндра, что самое верхнее поршневое кольцо располагается вблизи нижнего края нагаросъемного кольца, когда поршень находится в положении ВМТ. На цилиндрической внутренней поверхности нагаросъемного кольца образовано несколько пропускных канавок, которые проходят наклонно по отношению к продольной оси цилиндра от нижней поверхности до верхней поверхности нагаросъемного кольца. В качестве варианта пропускные канавки могут быть образованы в цилиндрической наружной поверхности самой верхней части поршня, расположенной над самым верхним поршневым кольцом. Технический результат - повышение надежности. 2 с. и 16 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, имеющему нагаросъемное кольцо в цилиндре и имеющему поршень, способный перемещаться в продольном направлении в цилиндре и снабженный поршневыми кольцами, которые скользят по внутренней поверхности цилиндра при передвижении поршня и создают разделение между объемом под поршнем и рабочей камерой, которая расположена над самым верхним поршневым кольцом поршня и задана самым верхним поршневым кольцом, поршнем, внутренней поверхностью цилиндра и крышкой цилиндра, при этом нагаросъемное кольцо выступает от внутренней поверхности цилиндра и располагается в таком месте вдоль оси цилиндра, что самое верхнее поршневое кольцо располагается вблизи нижнего края нагаросъемного кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точки (ВМТ).

Такой двигатель, имеющий нагаросъемное кольцо, известен из области четырехтактных двигателей с всасывающим клапаном и с выпускным клапаном в крышке цилиндра. Назначение нагаросъемного кольца заключается в очистке нагара, осажденного на цилиндрической самой верхней части поршня, расположенной над самым верхним поршневым кольцом (патент Великобритании N 1249685, кл. F 02 F 1/18. Опубл. 1971).

Самое верхнее поршневое кольцо образует нижнюю границу камеры сгорания в кольцевом пространстве, расположенном между самой верхней частью поршня над поршневым кольцом и внутренней поверхностью цилиндра. Поэтому часть продуктов сгорания будет проникать в кольцевое пространство и откладываться на наружной поверхности самой верхней части поршня. Смазочное масло с внутренней поверхности цилиндра также может набрызгиваться на эту наружную поверхность. Масляные отложения и осажденные продукты сгорания, подвергаемые сильному тепловому воздействию, при сгорании во время работы двигателя будут преобразовываться в связанный слой нагара на наружной поверхности поршня. Если нагаросъемное кольцо не использовать, слой нагара будет расти в толщину до тех пор, пока не соприкоснется с внутренней поверхностью цилиндра.

Для исключения повреждения цилиндра и поршня существенно, чтобы соответствующая пленка смазочного масла сохранялась между этими совместно движущимися деталями. Кода слой нагара по окружности поршня нарастает до своей максимальной толщины и касается внутренней поверхности цилиндра, он вступает во взаимодействие с тонкой масляной пленкой и впитывает и/или соскребает некоторую часть масла, что отрицательно влияет на состояние смазки. В худшем случае в отдельных местах смазка может нарушиться так сильно, что возникает повреждение поршневых колец или гильзы.

Нагаросъемное кольцо в известном четырехтактном двигателе ограничивает толщину слоя нагара, когда поршень проходит вблизи верхней мертвой точки, и самая верхняя часть поршня совершает возвратно-поступательное движение мимо нагарасъемного кольца, верхние и нижние кольцевые края которого соскребают нагар, соприкасающийся с краями. Поскольку нагаросъемное кольцо выступает от внутренней поверхности цилиндра, слой нагара предохраняется от роста до такой толщины, при которой происходит контакт между слоем нагара и внутренней поверхностью цилиндра.

Поскольку известный двигатель с нагаросъемным кольцом представляет собой четырехтактный двигатель, а в четырехтактном двигателе всасывающий и выпускной клапаны расположены в крышке цилиндра, то другие рабочие режимы двигателя в значительной степени не зависят от использования или не использования нагаросъемного кольца. В четырехтактном двигателе продувка цилиндра выполняется при независимом ходе поршня между каждым рабочим ходом и подача воздуха для горения осуществляется сверху вниз через всасывающий клапан как результат хода впуска поршня, совершаемого вниз. Поэтому нагаросъемное кольцо не влияет на продувку и зарядку цилиндра. Более важным фактором, влияющим на достижение полезных результатов с помощью нагаросъемного кольца, является перемещение самого поршня относительно внутренней поверхности цилиндра. Четырехтактный цикл предполагает другую нагрузку на поршень при каждом повторном ходе поршня вверх, и, кроме того, при ходах поршня вниз тип нагрузки изменяется в каждый повторный такт. Это приводит к тому, что радиальное положение поршня вблизи верхней мертвой точки все время изменяется, вследствие чего нагаросъемное кольцо очищает нагар на большую глубину, чем та, которая соответствует его внутреннему диаметру, и тем самым процесс очистки автоматически совершается между покрытой нагаром самой верней частью поршня и нагаросъемным кольцом. В двухтактном крейцкопфном двигателе с прямоточной продувкой ситуация не является такой простой, и эксперименты с нагаросъемным кольцом, использованным в четырехтактном двигателе, выявили серьезные эксплуатационные проблемы в виде повышенного удельного расхода топлива и, в особенности, износа самого верхнего поршневого кольца, которые были неожиданными, поскольку предполагалось, что на самом деле нагаросъемное кольцо будет улучшать условия смазки для поршневых колец.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении указанных выше недостатков и в реализации возможных преимуществ от использования нагаросъемного кольца в двухтактном крейцкопфном двигателе.

Поставленная задача достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, имеющий нагаросъемное кольцо в цилиндре и имеющий поршень, способный перемещаться в продольном направлении в цилиндре и снабженный поршневыми кольцами, которые скользят по внутренней поверхности цилиндра при передвижении поршня и создают разделение с прижимным уплотнением между объемом под поршнем и рабочей камерой, которая расположена над самым верхним поршневым кольцом поршня и задана самым верхним поршневым кольцом, поршнем, внутренней поверхностью цилиндра и крышкой цилиндра, при этом нагаросъемное кольцо выступает от внутренней поверхности цилиндра и располагается в таком месте вдоль оси цилиндра, что самое верхнее поршневое кольцо располагается вблизи нижнего края нагаросъемного кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке, представляет собой двухтактный крейцкопфный двигатель с прямоточной продувкой, имеющий продувочные воздушные окна, расположенные в нижней части цилиндра, и внутренняя поверхность нагаросъемного кольца снабжена несколькими пропускными канавками, которые проходят наклонно по отношению к продольной оси цилиндра от нижней поверхности до верхней поверхности нагаросъемного кольца.

Недостатки, выявленные при использовании известного нагаросъемного кольца в двухтактном двигателе, можно объяснить с помощью следующих механизмов. В двухтактном крейцкопфном двигателе поршень совершает ход сжатия во время каждого перемещения кверху и рабочий ход во время каждого перемещения книзу. Это означает, что поршень нагружается в значительной степени аналогичным образом каждый раз, когда он проходит вверх и вниз мимо нагаросъемного кольца, и по этой причине поршень реализует однородную, повторяющуюся траекторию движения вблизи положения верхней мертвой точки. Тенденция к однородной траектории движения усиливается шатуном, который приводит нижний конец поршневого штока в чисто переносное перемещение вдоль продольной оси цилиндра. Следовательно, отложения нагара по окружности поршня будут нарастать до конфигурации, точно соответствующей нагаросъемному кольцу, при небольшом зазоре между последним и самой верхней частью поршня. Когда верх поршня проходит нагаросъемное кольцо во время хода сжатия, кольцевая полость между наружной поверхностью поршня со слоем нагара и внутренней поверхностью цилиндра задается вдоль оси между выступающим нагаросъемным кольцом и самым верхним поршневым кольцом. Перемещение поршня вверх приводит к быстрому сокращению кольцевой полости вдоль оси, следующему за сильным сжатием воздуха в ней, которое создает весьма повышенную нагрузку на самое верхнее поршневое кольцо.

Пропускные канавки в цилиндрической внутренней поверхности нагаросъемного кольца уменьшают или исключают нарастание давления в кольцевой полости, поскольку воздух, находящийся в ней, может выходить через пропускные канавки в часть рабочей камеры, расположенную над верхом поршня. Это устраняет воздействие повышенной нагрузки, обусловленной наличием нагаросъемного кольца, на самое верхнее поршневое кольцо. Этот фактор является особенно важным для современных крупных двухтактных крейцкопфных двигателей, которые разрабатываются для достижения больших степеней эффективного сжатия, к примеру 1:16 - 1: 20, что само по себе приводит к очень большим нагрузкам на поршневые кольца.

Наклонный ход пропускных канавок может гарантировать, что нагар будет также удаляться в областях, противолежащих канавкам. Участки слоя нагара, противолежащие нижним проходам в пропускных канавках, не будут пересекаться с нижней кромкой нагаросъемного кольца, но во время непрерывного перемещения поршня вверх будут проходить верхние кромки пропускных канавок и будут соскребаться до необходимого размера. Частицы нагара, удаленные в канавки, поднимаются вверх в пространство над поршнем воздухом, протекающим через канавки.

Более того, пропускные канавки противодействуют повышенному расходу топлива. При отсутствии пропускных канавок эффективная поверхность поршня уменьшается во время первой стадии горения, когда верх поршня расположен на уровне или выше нагаросъемного кольца, поскольку последнее предотвращает передачу роста давления в рабочей камере вниз к самому верхнему поршневому кольцу в тех случаях, когда эффективная поверхность поршня охватывает всю площадь поперечного сечения цилиндра. Пропускные канавки снижают или устраняют падение давления на нагаросъемном кольце как во время хода сжатия, так и во время рабочего хода, и поэтому удельный расход топлива, по существу, не определяется использованием или неиспользованием нагаросъемного кольца.

Нагаросъемное кольцо обеспечивает дополнительный эффект, который особенно полезен в крупных двухтактных дизельных двигателях, имеющих высокую мощность цилиндра, к примеру от 1500 до 5500 кВт, в которых топливо впрыскивают в цилиндр с помощью двух, трех или четырех форсунок, выбрасывающих направленный специфический туман, который образован из распыленного топлива. Горение топлива приводит к относительно концентрированным тепловым воздействиям, но, поскольку нагаросъемное кольцо покрывает самое верхнее поршневое кольцо в то время, как поршень находится вблизи положения своей верхней мертвой точки, где тепловая нагрузка наибольшая, и горячий газ проходит только к поршневому кольцу через пропускные канавки, то тепловая нагрузка распределяется более равномерно по самому верхнему поршневому кольцу, и поэтому также осуществляется защита термочувствительной пленки смазочного масла на внутренней поверхности цилиндра. Оба фактора вносят вклад в облегчение рабочих режимов узла поршневых колец и усиливает эффект защиты от соприкосновения нагара на поршне с пленкой смазочного масла.

В соответствии с другим вариантом выполнения двигателя, поставленная задача достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, имеющий нагаросъемное кольцо в цилиндре и имеющий поршень, способный перемещаться в продольном направлении в цилиндре и снабженный поршневыми кольцами, которые скользят по внутренней поверхности цилиндра при передвижении поршня и создают разделение с прижимным уплотнением между объемом под поршнем и рабочей камерой, которая расположена над самым верхним поршневым кольцом поршня и задана самым верхним поршневым кольцом, поршнем, внутренней поверхностью цилиндра и крышкой цилиндра, при этом нагаросъемное кольцо выступает от внутренней поверхности цилиндра и располагается в таком месте вдоль оси цилиндра, что самое верхнее поршневое кольцо располагается вблизи нижнего края нагаросъемного кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке, представляет собой двухтактный крейцкопфный двигатель с прямоточной продувкой, имеющий продувочные воздушные окна, расположенные в нижней части цилиндра, и самая верхняя часть поршня, расположенная над самым верхним поршневым кольцом, в своей цилиндрической наружной поверхности снабжена несколькими пропускными канавками, которые проходят от верха части поршня вниз к области кольцевой канавки с самым верхним поршневым кольцом.

И в том и в другом вариантах выполнения двигателя внутренняя поверхность цилиндра может быть образована крышечной секцией и гильзовой секцией. При этом нагаросъемное кольцо расположено на верхней части гильзовой секции или на нижней части крышечной секции.

Нагаросъемное кольцо может быть выполнено в виде неотъемлемой связанной части гильзы цилиндра или крышечной секции и при этом изготовлено как выступающая часть из материала гильзы или крышечной секции.

Кроме того, нагаросъемное кольцо выполнено как отдельный элемент, размещенный в выемке гильзовой или крышечной секции.

Пропускные канавки занимают от 0,25 до 50% ориентированной вдоль оси поверхности нагаросъемного кольца, выступающего от внутренней поверхности цилиндра, предпочтительно от 5 до 40% и приемлемо от 20 до 30%. Если площадь поверхности пропускных канавок становится меньше 0,25%, падение давления на нагаросъемном кольце становится слишком высоким, а при площади поверхности пропускания более 50% дополнительные положительные эффекты не достигаются. Предел 5% все же приводит к падению давления, но тем не менее и к заметному улучшению рабочих режимов, тогда как предел 40% обычно полностью удовлетворяет требованию устранения падения давления на нагаросъемном кольце. В области между 20 и 30% достигается компромисс между стремлением получить небольшое падение давления или исключить его и желанием иметь равномерно распределенную тепловую нагрузку.

У двигателей с прямоточной продувкой продувочные окна открываются, предпочтительно, верхней поверхностью поршня, и это означает, что нагаросъемное кольцо не должно выступать слишком далеко от внутренней поверхности цилиндра, поскольку в результате избыточной ширины кольцевого пространства между слоем нагара и внутренней поверхностью цилиндра прохождение самым верхним кольцом верхнего края окон в конце рабочего хода будет приводить к открыванию окон. Следовательно, для диаметров цилиндра в диапазоне от 250 до 1000 мм нагаросъемное кольцо, предпочтительно, выступает, по меньшей мере, на 0,2 мм, к примеру от 0,5 до 5 мм, от внутренней поверхности цилиндра. Нижнее значение 0,2 мм или 0,5 мм гарантирует полную закупорку продувочных воздушных окон до тех пор, пока не пройдет верхняя поверхность поршня. В более крупных двигателях может быть приемлемым, если нагаросъемное кольцо выступает, по меньшей мере, на 1 мм, к примеру от 2 до 3 мм, тогда как диапазон 0,5-2 мм может быть приемлемым для небольших двигателей. Если кольцо выступает меньше чем на 0,25 мм, более трудно достичь определенности в том, что слой нагара не касается пленки смазочного масла на внутренней поверхности цилиндра.

Желательно, чтобы самая верхняя часть поршня, расположенная над самым верхним поршневым кольцом, имела меньший диаметр, чем нижележащая часть поршня с поршневыми кольцами, а внутренний диаметр нагаросъемного кольца был, по меньшей мере, на 0,5 мм, к примеру от 2 до 6 мм, больше, чем диаметр самой верхней части поршня, приемлемо, если он больше него на 1-4 мм. При этих соотношениях диаметров слой нагара может нарастать до толщины от 0,5 до 3 мм, приемлемо от 0,75 до 2 мм, что обеспечивает соответствующий зазор для радиального позиционирования поршня относительно нагаросъемного кольца без какого-либо риска касания боковой поверхностью поршня нагаросъемного кольца.

В рамках объема изобретения можно допустить, чтобы нагаросъемное кольцо еще дальше выступало от внутренней поверхности цилиндра, чем установлено выше, одновременно с соответствующим уменьшением диаметра самой верхней части поршня, чтобы кольцевое пространство вокруг этой части поршня и внутренней поверхности цилиндра имело большую толщину. Такая конструкция повлечет за собой более раннее открывание продувочных воздушных окон, т.е. при прохождении самого верхнего поршневого кольца в конце рабочего хода, а синхронизация момента открывания выпускного клапана и другие характеристики двигателя, зависящие от момента открывания продувочных воздушных окон, изменяется в соответствии с более ранней подачей продувочного воздуха.

Число пропускных канавок в нагаросъемном кольце или в поршне (его самой верхней части) зависит от необходимой площади пропускания и от необходимой равномерности тепловой нагрузки на самое верхнее поршневое кольцо, большая площадь пропускания и более равномерное распределение тепловой нагрузки говорят в пользу использования большего числа пропускных канавок. Приемлемо снабжать нагаросъемное кольцо или поршень пропускными канавками в количестве от 4 до 30.

С учетом преимуществ, обеспечиваемых выравниванием нагрузки на самое верхнее поршневое кольцо, предпочтительно иметь более 15 пропускных канавок.

Если пропускные канавки образованы в боковой поверхности самой верхней части поршня, то они могут с достижением полезного эффекта проходить параллельно оси цилиндра так, чтобы любые оторвавшиеся кусочки нагара сразу не попадали в пропускные канавки с последующим риском их закупоривания. В противном случае число и размеры пропускных канавок можно выбирать так, как выбирают пропускные канавки в нагаросъемном кольце, что указано в приведенной ниже части описания.

Продольные оси пропускных канавок образуют с осевым направлением цилиндра угол от 0 до 60^o, предпочтительно как минимум 15^o и приемлемо 45^o.

Примеры вариантов осуществления изобретения поясняются чертежами, где на: фиг. 1 - вид в поперечном сечении двигателя с нагаросъемным кольцом в соответствии с изобретением: фиг. 2 - вид, частично в поперечном сечении, увеличенной части области вблизи нагаросъемного кольца в цилиндре двигателя из фиг. 1; фиг. 3 - развернутый вид сбоку части нагаросъемного кольца; фиг. 4 - вид сверху части нагаросъемного кольца; фиг. 5 - перспективное изображение самой верхней части поршня с пропускными канавками в поверхности над самым верхним поршневым кольцом; и фиг. 6 - соответствующий вид еще одного варианта осуществления поршня с пропускными канавками.

Двигатель, показанный на фиг. 1, является крупным двухтактным дизельным двигателем с прямоточной продувкой и с подачей нефтяного топлива, такого, как тяжелое дизельное топливо, при сгорании которого образуются остаточные продукты, которые могут откладываться в виде нагара на поверхностях в рабочей камере двигателя. В зависимости от размеров и числа цилиндров двигатель может развивать выходную мощность от 2000 до, например, 70000 кВт. Такой двигатель обычно используют в качестве главного судового двигателя или в качестве стационарного двигателя при выработке электроэнергии. В обоих случаях важно, чтобы двигатель мог работать в течение очень большого периода времени без необходимости в каком-либо контроле и ремонте деталей двигателя. Желательно, чтобы двигатель мог находиться в непрерывной эксплуатации более двух лет без всякого ремонта, а это требует создания как можно более лучших режимов для деталей цилиндра.

В состав неподвижных частей двигателя входят станина 1, в которую своей цапфой вставлен коленчатый вал 2, и цельный корпус 3 двигателя, закрепленный на станине и поддерживающий секцию 4 цилиндра на своей верхней поверхности. Гильза 5 цилиндра закреплена в секции цилиндра посредством шпилек 7 крышки и крышки 8 цилиндра так, что она проходит книзу по отношению к верхней плите 6. Гильза цилиндра имеет верхнюю часть со стенкой большой толщины, которая посредством кольцевого промежуточного элемента 9 опирается на верхнюю поверхность верхней плиты, и протяженную нижнюю часть, проходящую вниз в секцию 4 цилиндра. На своем нижнем конце гильза цилиндра имеет ряд продувочных воздушных окон 10, через которые продувочный и зарядный воздух из сборника 11 продувочного воздуха втекает в цилиндр, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ). Корпус 12 выпускного клапана с приводимым в действие гидравлически впускным клапаном расположен в центре крышки цилиндра. Когда выпускной клапан открыт, продувочный воздух из продувочных воздушных окон может протекать через цилиндр, и в это же самое время газообразные продукты сгорания вытекают через выпускной клапан и втекают в сборник 13 отработавших газов, из которого газы через турбонагнетатель втекают в выхлопную трубу. Двигатель наддувается до высокого давления, чтобы достичь давления наддува, например, 0,35-0,4 МПа.

Шатун 14 соединяет коленчатый вал 2 с ползуном 15, который с помощью направляющих плоскостей 16 в цельном корпусе двигателя приводит нижний конец поршневого штока 17 в переносное возвратно-поступательное движение вдоль продольной оси цилиндра. Поршень 18 закреплен на верхней части поршневого штока. Как более ясно показано на фиг. 2, поршень имеет несколько, к примеру четыре, поршневых кольца 19, 19', которые скользят по внутренней поверхности гильзы цилиндра и образуют разделение с прижимным уплотнением между рабочей камерой 20 и объемом, который распложен ниже поршня и сообщается с полостью в секции цилиндра, заполненной продувочным воздухом.

Камера сгорания или рабочая камера 20 ограничена внутренней поверхностью крышки 8 цилиндра, внутренней поверхностью гильзы 5 цилиндра, верхней частью поршня 18, самым верхним поршневым кольцом 19' и боковой поверхностью самой верхней части 21 поршня, вытянутой кверху от самого верхнего поршневого кольца. Самая верхняя часть 21 поршня имеет меньший диаметр, чем нижележащая часть поршня, вследствие чего между наружной поверхностью самой верхней части поршня и внутренней поверхностью цилиндра имеется кольцевой зазор 22, в котором нагар будет откладываться на наружную поверхность поршня.

Нагаросъемное кольцо 23 в цилиндре выступает от внутренней поверхности цилиндра и соскребает нагар, откладывающийся на наружной поверхности самой верхней части 21 поршня, вследствие чего эти отложения не могут превышать максимального диаметра, соответствующего внутреннему диаметру нагаросъемного кольца. Желательно нагаросъемное кольцо располагать в таком месте вдоль оси цилиндра, чтобы верхнее поршневое кольцо 19' находилось менее чем на высоту одного кольца ниже нагаросъемного кольца 23, когда поршень находится в ВМТ, показанном на чертеже, поскольку это гарантирует, что слой нагара будет соскребаться в значительной степени на всем расстоянии по направлению вниз к самому верхнему поршневому кольцу. Однако существенный эффект от удаления нагара будет все еще достигаться при несколько более высоком расположении нагаросъемного кольца, например дополнительно на 2-3 высоты кольца.

На фиг. 3 и 4 видно, что внутренняя поверхность нагаросъемного кольца снабжена несколькими пропускными канавками 24, обеспечивающими связь потока газа между частью кольцевого зазора 22, расположенной ниже нагаросъемного кольца, и остальной частью рабочей камеры 20. Площадь сечения потока через пропускные канавки соответственно рассчитывают так, чтобы падение давления на нагаросъемном кольце было пренебрежимо малым. Пропускные канавки с достижением эффекта можно равномерно распределить по внутренней окружности нагаросъемного кольца, что приведет к более равномерной тепловой нагрузке на самое верхнее поршневое кольцо 19'. Глубина пропускных канавок может соответствовать толщине части нагаросъемного кольца, выступающей относительно внутренней поверхности цилиндра. Это особенно выгодно, если нагаросъемное кольцо выступает только на небольшое расстояние, по меньшей мере, на 0,25 мм, а к примеру на 0,5-3 мм, от внутренней поверхности. Если поршень и нагаросъемное кольцо выполнены таким образом, что кольцевой зазор 22 имеет большую ширину, а продувочные воздушные окна 10 открываются при проходе самого верхнего поршневого кольца, глубина пропускных канавок должна быть меньше, чем толщина выступающей внутрь части нагаросъемного кольца. Предпочтительно, пропускные канавки выполняют с глубиной не более 3-4 мм, поскольку потоки газа через отдельные канавки при больших глубинах могут стать настолько значительными, что локальные тепловые нагрузки в самое верхнее поршневое кольцо станут чрезмерно высокими. Очень равномерного распределения тепла можно достичь при канавках глубиной не более 1,5-2 мм в сочетании с соответственно большим числом пропускных канавок, таким, как 15 или больше.

Ширину пропускных канавок выбирают с учетом числа пропускных канавок, глубины канавок и необходимой суммарной площади сечения потока, т.е. суммарной обращенной к оси площади поперечного сечения концов канавок. Для большинства случаев будет подходящей канавка шириной от 5 до 30 мм, а ширина канавок от 10 до 20 мм является предпочтительной для достижения равномерной тепловой нагрузки.

Пропускные канавки 24 проходят наклонно относительно продольной оси цилиндра таким образом, что верхний конец 25 канавки смещен по окружности относительно нижнего конца 26 канавки. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что слой нагара соскребается по всей окружности верхней части 21 поршня. В показанном примере продольные оси пропускных канавок образуют угол 45^o с продольной осью цилиндра. Конечно, можно использовать другие углы, к примеру от 15 до 80^o. Значение угла согласовано с шириной канавки таким образом, что для отдельных канавок отсутствует какое-либо перекрытие в осевом направлении между верхними и нижними концами 25 и 26. По производственным причинам пропускные канавки, предпочтительно, вытянуты в прямую линию между верхними и нижними концами канавок, но другие конфигурации, обеспечивающие связь потока между верхними и нижними концами 25 и 26 канавок также, естественно, пригодны на практике, к примеру L-образные или другие нелинейные.

На фигурах 5 и 6 показаны варианты осуществления, в которых пропускные канавки расположены на наружной поверхности поршня в самой верхней части поршня. Для простоты такие же позиционные номера, как и выше, использованы для элементов того же типа. Необходимо отметить, что поршневые кольца исключены из фигур.

На фиг. 5 слева от поршня в продольном сечении показаны самые внутренние части гильзы 5 и крышки 8 цилиндра в области вокруг нагаросъемного кольца 23', образованного непосредственно из материала крышки цилиндра, т.е. как неотъемлемой и связанной части крышки. Справа от поршня в соответствующем продольном сечении показан вариант конструкции, в которой нагаросъемное кольцо 23' изготовлено непосредственно из материала гильзы цилиндра, т.е. как неотъемлемая и связанная часть гильзы. При сравнении правой и левой сторон фигуры сразу же видно, что такой же двигатель можно реализовать с достижением эффекта при размещении нагаросъемного кольца 23' в крышке цилиндра, когда разделительная поверхность 27 между крышкой и гильзой сдвинута вниз в продольном направлении цилиндра. Поскольку внутренняя поверхность крышки не образует кодовой поверхности для поршневых колец, вопросы смазки и способности к скольжению можно не рассматривать при выборе материала для крышки. Поэтому крышку можно изготовить из материала, к примеру из стали, который обладает большей коррозионной стойкостью и термостойкостью, чем материал гильзы, которым обычно является литейный чугун. Тепловое воздействие больше всего проявляется в верхней области цилиндра и, следовательно, можно увеличить срок службы цилиндра путем дополнительного продления крышки вниз.

В показанном варианте осуществления нагаросъемное кольцо 23', которое располагают на (или в) гильзе 5 или на (или в) крышке 8, имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность 28, которая является кольцевой и не имеет пропускных канавок. Конечно, можно выполнить некоторое количество пропускных канавок на нагаросъемном кольце и некоторое количество на поршне, но по условиям производства указанная конструкция предпочтительна, и она может быть изготовлена, например, путем токарной обработки внутренней поверхности гильзы или крышки.

Пропускные канавки 24' расположены на самой верхней части 21 поршня и проходят от фаски на верхней кромке поршня вниз к самой верхней кольцевой канавке 29 для самого верхнего поршневого кольца 19'. Самая верхняя часть 21 поршня имеет большую высоту, и поэтому поршневые кольца еще дальше опускаются в цилиндр, когда поршень находится в ВМТ, что позволяет с достижением эффекта дополнительно продвинуть крышку цилиндра вниз.

Пропускные канавки на фиг. 5 образуют угол приблизительно α = 30^o с продольной осью цилиндра. На практике угол можно выбирать между 0 и 60^o или большим, но, предпочтительно, чтобы канавка вдоль, по меньшей мере, части своей длины образовывала угол с минимальным значением 15^o с целью предотвращения расположения верхнего и нижнего концов канавок на одной вертикали друг над другом.

На фиг. 6 показан альтернативный вариант осуществления поршня, в котором пропускные канавки 24'' имеют верхний участок 24а, проходящий параллельно продольной оси цилиндра, и нижний участок 24b, вытянутый наклонно относительно первого. Нижний наклонный участок 24b смещает нижний конец канавки по окружности относительно верхнего конца канавки таким образом, что нагар удаляется по всей окружности. Верхние участки 24a пропускных канавок не содействуют соскребыванию нагара, и поэтому отсутствует риск засорения их частицами удаленного нагара. Можно также иметь наклонные участки пропускных канавок на верхних концах канавок, что обеспечит преимущество, заключающееся в более высоких скоростях прохождения газа сквозь канавки, при сохранении соскребывания, поскольку скорость движения поршня выше, когда верхние участки канавок проходят нагаросъемное кольцо.

Расчеты показали, что наклонные участки канавок на нижних концах канавок являются особенно полезными, когда относительно большая высота самой верхней части 21 поршня образуется посредством отдельной поршневой головки, прикрепленной к нижележащей части поршня с кольцевыми канавками для поршневых колец. В этом случае два участка пропускных канавок можно выполнить простым способом в виде прямолинейных канавок в соответствующих частях поршня.

В ином случае площадь и число пропускных канавок можно выбрать соответственно пропускным канавкам, выполненным в нагаросъемном кольце.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, имеющий нагаросъемное кольцо в цилиндре и имеющий поршень, способный перемещаться в продольном направлении в цилиндре и снабженный поршневыми кольцами, которые скользят по внутренней поверхности цилиндра при передвижении поршня и создают разделение с прижимным уплотнением между объемом под поршнем и рабочей камерой, которая расположена над самым верхним поршневым кольцом поршня и задана самым верхним поршневым кольцом, поршнем, внутренней поверхностью цилиндра и крышкой цилиндра, при этом нагаросъемное кольцо выступает от внутренней поверхности цилиндра и располагается в таком месте вдоль оси цилиндра, что самое верхнее поршневое кольцо располагается вблизи нижнего края нагаросъемного кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке, отличающийся тем, что двигатель представляет собой двухтактный крейцкопфный двигатель с прямоточной продувкой, имеющей продувочные воздушные окна, расположенные в нижней части цилиндра, и внутренняя поверхность нагаросъемного кольца снабжена несколькими пропускными канавками, которые проходят наклонно по отношению к продольной оси цилиндра от нижней поверхности до верхней поверхности нагаросъемного кольца.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндра образована крышечной секцией и гильзовой секцией и нагаросъемное кольцо расположено на верхней части гильзовой секции.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндра образована крышечной секцией и гильзовой секцией и нагаросъемное кольцо расположено на нижней части крышечной секции.

4. Двигатель по п.2 или 3, отличающийся тем, что нагаросъемное кольцо выполнено в виде неотъемлемой связанной части гильзы цилиндра или крышечной секции и при этом изготовлено как выступающая часть из материала гильзы или крышечной секции.

5. Двигатель по любому одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что пропускные канавки занимают от 0,25 до 50% ориентированной вдоль оси поверхности нагаросъемного кольца, выступающего от внутренней поверхности цилиндра, предпочтительно от 5 до 40% и приемлемо от 20 до 30%.

6. Двигатель по любому одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что диаметр цилиндра находится в диапазоне от 250 до 1000 мм, и нагаросъемное кольцо выступает, по меньшей мере, на 0,2 мм, предпочтительно от 0,5 до 5 мм от внутренней поверхности цилиндра.

7. Двигатель по любому одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что самая верхняя часть поршня, расположенная над самым верхним поршневым кольцом, имеет меньший диаметр, чем нижележащая часть поршня с поршневыми кольцами, и внутренний диаметр нагаросъемного кольца, по меньшей мере, на 0,5 мм, например от 2 до 6 мм, больше, чем диаметр самой верхней части поршня, приемлемо, по меньшей мере, на 1 мм, например от 3 до 4 мм, больше него.

8. Двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что внутренняя поверхность нагаросъемного кольца снабжена пропускными канавками в количестве от 4 до 30, предпочтительно более чем 15 пропускными канавками.

9. Двигатель по любому одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что продольные оси пропускных канавок образуют с осевым направлением цилиндра угол от 0 до 60^o, предпочтительно как минимум 15^o и приемлемо 45^o.

10. Двигатель внутреннего сгорания, имеющий нагаросъемное кольцо в цилиндре и поршень, способный перемещаться в продольном направлении в цилиндре и снабженный поршневыми кольцами, которые скользят по внутренней поверхности цилиндра при передвижении поршня и создают разделение с прижимным уплотнением между объемом под поршнем и рабочей камерой, которая расположена над самым верхним поршневым кольцом поршня и задана самым верхним поршневым кольцом, поршнем, внутренней поверхностью цилиндра и крышкой цилиндра, при этом нагаросъемное кольцо выступает от внутренней поверхности цилиндра и располагается в таком месте вдоль оси цилиндра, что самое верхнее поршневое кольцо располагается вблизи нижнего края нагаросъемного кольца, когда поршень находится в верхней мертвой точке, отличающийся тем, что двигатель представляет собой двухтактный крейцкопфный двигатель с прямоточной продувкой, имеющий продувочные воздушные окна, расположенные в нижней части цилиндра, и самая верхняя часть поршня, расположенная над самым верхним поршневым кольцом, в своей цилиндрической наружной поверхности снабжена несколькими пропускными канавками, которые проходят от верха части поршня вниз к области кольцевой канавки с самым верхним поршневым кольцом.

11. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндра образована крышечной секцией и гильзовой секцией, и нагаросъемное кольцо расположено на верхней части гильзовой секции.

12. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндра образована крышечной секцией и гильзовой секцией, и нагаросъемное кольцо расположено на нижней части крышечной секции.

13. Двигатель по п.11 или 12, отличающийся тем, что нагаросъемное кольцо выполнено в виде несъемной связанной части гильзы цилиндра или крышечной секции и при этом изготовлено как выступающая часть из материала гильзы или крышечной секции.

14. Двигатель по любому из пп.10 - 13, отличающийся тем, что пропускные канавки занимают от 0,25 до 50% ориентированной вдоль оси поверхности нагаросъемного кольца, выступающего от внутренней поверхности цилиндра, предпочтительно от 5 до 40% и приемлемо от 20 до 30%.

15. Двигатель по любому из пп.10 - 14, отличающийся тем, что диаметр цилиндра находится в диапазоне от 250 до 1000 мм, и нагаросъемное кольцо выступает, по меньшей мере, на 0,2 мм, предпочтительно от 0,5 до 5 мм от внутренней поверхности цилиндра.

16. Двигатель по любому из пп.10 - 15, отличающийся тем, что самая верхняя часть поршня, расположенная над самым верхним поршневым кольцом, имеет меньший диаметр, чем нижележащая часть поршня с поршневыми кольцами, и внутренний диаметр нагаросъемного кольца, по меньшей мере, на 0,5 мм, например от 2 до 6 мм, больше, чем диаметр самой верхней части поршня, приемлемо, по меньшей мере, на 1 мм, например от 3 до 4 мм, больше него.

17. Двигатель по любому из пп.10 - 16, отличающийся тем, что самая верхняя часть поршня снабжена пропускными канавками в количестве от 4 до 30, предпочтительно более чем 15 пропускными канавками.

18. Двигатель по любому из пп.10 - 17, отличающийся тем, что продольные оси пропускных канавок образуют с осевым направлением цилиндра угол от 0 до 60^o, предпочтительно как минимум 15^o и приемлемо 45^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6