Цилиндро-поршневая группа



Цилиндро-поршневая группа
Цилиндро-поршневая группа
Цилиндро-поршневая группа

 


Владельцы патента RU 2616426:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) (RU)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах, в частности в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндро-поршневая группа содержит поршень с размещенными на нем кольцами, контактирующими с цилиндром, имеющим на рабочей поверхности микрорельеф в виде расположенных по винтовым линиям равномерно чередующихся фрагментов, каждый из которых состоит из канавки, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра, участком. Зона нанесения микрорельефа расположена в средней по высоте цилиндра части, составляющей около одной трети высоты цилиндра, а глубина канавок является переменной, плавно убывающей от максимального значения в средней части зоны нанесения микрорельефа до минимального значения на ее границах по обе стороны от середины зоны нанесения микрорельефа в направлении оси цилиндра. Благодаря таким особенностям, представляющим собой согласование места нанесения и глубины микрорельефа с характером распределения по высоте цилиндра температуры его стенки, давления газов в цилиндре при сжатии, а также скорости и ускорения поршня с кольцами, достигается повышение ресурсо- и энергосбережения поршневых двигателей за счет снижения расхода масла на угар и поддержания на заданном уровне отвечающего за мощность и пусковые свойства двигателя, в особенности дизеля, максимального давления сжатия газа (компрессии) в цилиндре. 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах, в частности двигателях внутреннего сгорания.

Аналогом предлагаемого изобретения может быть выбрано устройство [Патент РФ №2186234, F02F 1/20; опубл. 2002 г.], представляющее собой цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), содержащую поршень с кольцами в цилиндре, имеющем на рабочей поверхности две встречно выполненные винтовые канавки, заполненные цветным металлом, причем угол подъема (угол атаки) сторон канавок лежит в пределах от 15 до 60°, а величина шага не превышает расстояние между верхним компрессионным и нижним маслосъемным кольцами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является ЦПГ согласно устройству [Патент РФ №104636, F02F 1/20; опубл. 2011 г.], содержащему поршень с размещенными на нем поршневыми кольцами, контактирующими с цилиндром, имеющим на рабочей поверхности микрорельеф в виде расположенных по винтовым линиям равномерно чередующихся фрагментов, каждый из которых состоит из канавки, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра, участком, при этом глубина канавок выбирается равной радиальному зазору поршневого кольца в цилиндре, длины участков микрорельефа с положительным, нулевым и отрицательным углами атаки составляют третью часть шага микрорельефа, а шаг микрорельефа соизмерим с осевой высотой поршневого кольца.

Указанное устройство имеет ряд недостатков, в частности:

выполнение винтовых канавок микрорельефа на рабочей поверхности, т.е. по всей высоте цилиндра, приводит к росту расхода моторного масла на угар за счет, главным образом, интенсивного испарения масла в верхней наиболее нагретой зоне цилиндра и, дополнительно, вследствие захвата и последующего инерционного выброса масла из канавок микрорельефа верхним поршневым кольцом при остановке поршня в верхней мертвой точке (ВМТ);

равномерное чередование и постоянство шаговысотных параметров микрорельефа, в частности, глубины его канавок, по высоте цилиндра не согласуются с неравномерным характером изменения ускорения поршня и поршневых колец относительно цилиндра - максимальные значения ускорения в верхней и нижней мертвых точках (ВМТ и НМТ соответственно) и нулевые - примерно в середине высоты цилиндра, что приводит к увеличению количества безвозвратно потерянного масла за счет его съема кольцами из канавок микрорельефа и последующего инерционного выброса в зону камеры сгорания;

наличие микрорельефа с канавками в верхней, ближе расположенной к ВМТ, зоне цилиндра приводит с снижению давления сжатия (компрессии) в цилиндре за счет ухудшения уплотнения сопряжения "поршневое кольцо-цилиндр", усугубляемого существенным увеличением давления газов над поршнем именно при подходе последнего к ВМТ;

наличие микрорельефа повышает гидродинамическую несущую способность смазываемых поверхностей поршня и поршневых колец при условии достаточной скорости скольжения этих деталей. Однако скорость как поршня, так и поршневых колец существенно и характерным образом изменяется по высоте цилиндра: от максимума примерно на его середине до нуля по краям (в ВМТ и НМТ). Таким образом, размещение микрорельефа на цилиндре в зонах уменьшающейся до нуля скорости поршня с кольцами является неэффективным с гидродинамической точки зрения.

Целью изобретения является снижение расхода масла на угар при одновременной стабилизации давления сжатия газов в цилиндре путем согласования зоны нанесения, а также глубины канавки микрорельефа с характером распределения температур, а также изменением скорости и ускорения движения поршня с поршневыми кольцами по высоте цилиндра.

Поставленная цель достигается тем, что микрорельеф, выполненный в виде расположенных по винтовым линиям чередующихся канавок и сопряженных с ними плоских параллельных оси цилиндра участков, нанесен на внутреннюю поверхность цилиндра не по всей его высоте, а только в центральной зоне, составляющей около 1/3 высоты цилиндра; при этом глубина канавок микрорельефа выполнена переменной с максимумом значений, определяемых рекомендациями [2], в центральном поясе по высоте цилиндра и уменьшением глубины по обе стороны в направлениях от центрального пояса цилиндра к ВМТ и НМТ.

Оригинальность изобретения состоит в том, что в отличие от прототипа место нанесения, а также глубина канавок микрорельефа согласованы с типичным характером распределения установившихся температур по высоте цилиндра, изменением давления сжатия газа в цилиндре и ускорения поршня (поршневых колец) в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) таким образом, что это согласование способствует снижению расхода масла на угар и сохранению заданного давления сжатия (компрессии) газов в цилиндре.

Изобретение поясняется рис. 1, на котором показан вид нанесенного микрорельефа на внутренней поверхности цилиндра, дано контактирующее с этой поверхностью поршневое кольцо в канавке поршня, приведены типичные распределения температуры, скорости и ускорения кольца, а также давления сжатия газа над поршнем по высоте образующей цилиндра.

Устройство (рис. 1) состоит из цилиндра 1, на рабочей поверхности которого выполнен микрорельеф 2 в виде винтовых канавок, например, треугольного сечения с переменной глубиной h, заполненный моторным маслом (не показано) и обращенный к рабочей поверхности поршневого кольца 3, находящегося в канавке поршня 4 (показан фрагмент), совершающего возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. Микрорельеф 2 нанесен в средней по высоте цилиндра 1 зоне 5, длина которой H в направлении оси цилиндра (O-O) составляет около 1/3 общей высоты цилиндра Z. В центральном поясе цилиндра 1 (C-C), соответствующем середине его высоты Z, микрорельеф 2 имеет максимальную глубину канавки h, причем численное значение этого параметра выбирается рациональным исходя из рекомендаций, изложенных в [2]. По мере удаления от центрального пояса C-C цилиндра 1 глубина канавки h плавно убывает. Характер пропорциональности в отношении убыли глубины канавки h соответствует закону синуса, которым определяется изменение скорости движения поршня с кольцами V.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При движении поршневого кольца 3 с поршнем 4 по заполненному маслом микрорельефу 2 цилиндра 1 поршневое кольцо 3, обладая известным скребковым эффектом, собирает перед собой валик масла, который при остановке поршня 4 в мертвых точках забрасывается силой инерции, определяемой ускорением J, в направлении движения кольца 3 с поршнем 4. При остановках поршня 4 в ВМТ собранное поршневым кольцом 3 масло забрасывается в зону горячих отработавших газов и сгорает. Дополнительная потеря масла происходит за счет его испарения с поверхности цилиндра 1, нагретой до температуры T, близкой к порогу вспышки паров моторных масел (около 220°C), что имеет место в зоне цилиндра 1, ближе расположенной к ВМТ. Многочисленными экспериментами доказано, что совокупный расход масла на угар, включающий потери масла за счет инерционного заброса в зону горячих отработавших газов и испарения наиболее нагретой, ориентированной к ВМТ, внутренней поверхности цилиндра 1, пропорционален так называемой маслоемкости цилиндра, которая при прочих равных условиях увеличивается с ростом количества и глубины канавок h микрорельефа 2. Дополнительным известным из практики испытаний и эксплуатации ДВС негативным фактором, связанным с глубиной канавок h микрорельефа 2, является падение давления сжатия воздуха p в цилиндре 1 (компрессии), вызванное утечками сжимаемого газа через сопряжение "поршневое кольцо 3 - канавка микрорельефа 2 цилиндра 1" и происходящее, главным образом, при подходе поршня 4 к ВМТ. Отсутствие в предлагаемом устройстве микрорельефа 2 на цилиндре 1 в зоне, соответствующей приходу поршня 4 в ВМТ, и плавное согласованное с нарастанием скорости V поршня 4 и увеличением температуры T цилиндра 1 при движении поршня 4 с поршневым кольцом 3 к ВМТ уменьшение глубины канавки h микрорельефа 2, нанесенного только в центральной зоне H по высоте Z цилиндра 1, приводит к значимому снижению расхода масла на угар при сохранении требуемой компрессии p в цилиндре 7. Выбор места расположения и протяженности зоны Н нанесения микрорельефа 2 с переменной глубиной канавки h в зоне среднего по высоте Z цилиндра 1 сечения C-C обусловлен, с одной стороны, необходимостью максимального удаления обладающего повышенной маслоемкостью микрорельефа 2 от примыкающей к ВМТ нагретой части цилиндра 1, провоцирующей, вследствие специфики протекающих в зоне ВМТ физико-химических процессов, интенсификацию испарения, сгорания и инерционного выброса моторного масла; и, с другой стороны, стремлением сохранить гидродинамическую эффективность микрорельефа 2 по снижению изнашивания и трения деталей ЦПГ, проявляемую только в условиях средних и высоких скоростей V движения поршня 4 с кольцами 3, локализуемых именно в средней зоне Н цилиндра 1 на пути, составляющем примерно 1/3 полной высоты Z цилиндра 1. Переменная глубина канавки h микрорельефа 2, согласованная со скоростью V поршня 4 по закону синуса, которому соответствует изменение скорости V поршня 4 с поршневым кольцом 3 по высоте Z цилиндра 1, позволяет рациональным образом увязать проявление скребковых свойств поршневого кольца 3 с его положением по высоте цилиндра 1. Сокращение зоны нанесения микрорельефа 2 с полной высоты Z цилиндра 1 до его средней зоны, ограниченной высотой H≈1/3 Z, где имеют место максимальная, высокая и умеренная скорости V движения поршня 4 с кольцами 2, не только повышает эффективность микрорельефа 2 по снижению трения и изнашивания деталей, но и позволяет снизить расход масла на угар, стабилизировать компрессию, снизить трудоемкость процедуры микропрофилирования, а также сократить расходы на износ металлообрабатывающего оборудования.

Для проверки эффективности предлагаемого технического решения были проведены экспериментальные измерения расхода масла на угар и давления сжатия газа (компрессии) в цилиндре дизеля 1Ч 85/80 (ТМЗ-450Д), результаты которых представлены в таблице 1.

Как следует из таблицы 1, переход от варианта 1 исполнения микрорельефа аналогично прототипу (по всей высоте цилиндра с постоянной глубиной канавок) к варианту 2 (в средней зоне цилиндра с переменной, плавно убывающей к периферии глубиной канавок) согласно предлагаемому изобретению при прочих равных условиях испытаний способствует значимому снижению расхода масла на угар и стабилизации компрессии на уровне исходного значения (2, 7 МПа) в пределах статистически допустимых норм от 2,6 МПа до 2,8 МПа.

Снижение расхода масла на угар определяет экономию энергоресурсов и, частично, подавление сажеобразования в отработавших газах. Стабилизация максимального давления сжатия газа означает поддержание регламентированного уровня мощности и, стало быть, минимального удельного расхода топлива, а также сохранение пусковых свойств ДВС, в особенности дизелей.

Технико-экономическим преимуществом заявляемого изобретения является повышение ресурсо- и энергосбережения поршневых двигателей за счет снижения расхода масла на угар и поддержания на заданном уровне отвечающего за мощность и пусковые свойства двигателя, в особенности дизеля, максимального давления сжатия газа (компрессии) в цилиндре. Дополнительным преимуществом выступает снижение трудоемкости выполнения технологической процедуры микропрофилирования, обусловленное сокращением примерно на 60% площади нанесения микрорельефа.

Цилиндро-поршневая группа, содержащая поршень с размещенными на нем поршневыми кольцами, контактирующими с цилиндром, имеющим на рабочей поверхности микрорельеф в виде расположенных по винтовым линиям равномерно чередующихся фрагментов, каждый из которых состоит из канавки, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра, участком, отличающаяся тем, что зона нанесения микрорельефа расположена в средней по высоте цилиндра части, составляющей около одной трети высоты цилиндра, а глубина канавок является переменной, плавно убывающей от максимального значения в средней части зоны нанесения микрорельефа до минимального значения на ее границах по обе стороны от середины зоны нанесения микрорельефа в направлении оси цилиндра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к смазке дизельных двигателей. Инжекторы расположены в плоскости, перпендикулярной к оси цилиндра, и каждый инжектор включает в себя корпус (25) инжектора и наконечник (5) форсунки, расположенный в продолжение корпуса инжектора, причем наконечник форсунки снабжен на его наружном свободном конце несколькими отверстиями (10) форсунки для подачи нескольких струй (А, В, С, D) смазочного масла из каждого инжектора на стенку (10)цилиндра.

Изобретение может быть использовано в поршневых двигателях. Цилиндр (1) поршневого двигателя предназначен для приема поршня (2), снабженного поршневым кольцом (3).

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа включает в себя поршень и гильзу (8) цилиндров.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Цилиндропоршневая группа включает в себя поршень с компрессионными и маслосъемным кольцами, контактирующими с рабочей поверхностью гильзы (4) цилиндра.

Изобретение относится к смазке двигателей. Большой дизельный двигатель, имеющий, по меньшей мере, один цилиндр (2), который имеет отверстие (В) и продольную ось (А), и отличающийся тем, что поршень (3) установлен с возможностью возвратно-поступательного движения по беговой поверхности (21), при этом система (5) смазки предназначена для смазки цилиндра, который включает в себя, по меньшей мере, две точки (6) смазки, через которые смазочный материал может наноситься на беговую поверхность (21), а также систему (8) подачи смазочного материала для передачи смазочного материала от накопителя (10) для смазочного материала к точкам (6) смазки.

Изобретение относится к блоку цилиндров двигателя. .

Изобретение относится к двигателестроению. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). .

Изобретение относится к машиностроению, точнее к двигателестроению. .
Наверх