Цилиндро-поршневая группа поршневых двигателей
CYLINDER-PISTON GROUP OF PISTON ENGINES

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к конструкции цилиндро-поршневой группы поршневых двигателей и может использоваться как при проектировании новых моделей двигателей, так и усовершенствовании существующих.
Наиболее близким, к заявленному техническому решению, прототипом, является цилиндро-поршневая группа [1], содержащая поршень с компрессионными кольцами и цилиндр, на рабочей поверхности которого выполнены канавки в виде замкнутых колец, заполненных цветным металлом.
Недостатком [1] является невозможность снижения давления газов в зазорах лабиринтов уплотнений компрессионных колец, и как следствие, невозможность воздействовать на интенсивность износа деталей цилиндро-поршневой группы и потери мощности двигателя на преодоление сил трения.
Целью заявляемого изобретения является повышение надежности работы цилиндро-поршневой группы поршневых двигателей и снижение механических потерь энергии.
Цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции цилиндро-поршневой группы поршневых двигателей, снижение давления в зазорах лабиринта уплотнений компрессионных поршневых колец производится путем установки дополнительного дроссельного кольца, расположенного между днищем поршня и верхним компрессионным поршневым кольцом с радиальными зазорами между цилиндром и поршнем. Таким образом, технический результат достигается цилиндро-поршневой группой поршневых двигателей, состоящей из цилиндра, поршня и поршневых колец, при этом между верхним поршневым компрессионным кольцом и днищем поршня установлено дроссельное кольцо из жаропрочного сплава с радиальными зазорами между цилиндром и поршнем, сумма которых меньше радиального зазора между верхним поршневым компрессионным кольцом и поршнем.
Надежность большинства современных поршневых двигателей ограничивается износом деталей цилиндро-поршневой группы. Работоспособность этого узла лимитируется сроком службы верхнего компрессионного поршневого кольца, поршня и цилиндра, причем верхнее компрессионное поршневое кольцо изнашивается в 2-3 раза быстрее, чем поршень и цилиндр.
Причина недостаточной износостойкости верхних компрессионных колец и сопрягаемых с ними деталей, заключается не только в триботехнических свойствах пар трения, но и в уровне механических нагрузок от давления рабочих газов, в условиях недостаточной смазки.
Высокая интенсивность изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы, вследствие высоких давлений рабочих газов в зазорах лабиринта уплотнений с поршнем, не позволяет создать равнопрочный и равноизносостойкий двигатель, который мог бы работать надежно до капитального ремонта без замены цилиндро-поршневой группы.
Создание равнопрочного двигателя с равноизнашиваемыми деталями представляет собой сложную и пока еще не решенную проблему.
Для создания равноизносостойких пар трения цилиндро-поршневой группы, снижения интенсивности изнашивания верхнего компрессионного поршневого кольца, цилиндра и поршня необходимо снизить механические нагрузки, действующие в сопряжениях этих деталей.
Максимальное давление компрессионных колец в рабочем такте на цилиндр и нижнюю плоскость кольцевой канавки поршня создается тремя основными силами:
- силами упругости колец;
- радиальными силами давления рабочих газов в зазорах лабиринта уплотнения поршня (заколечное давление)
- осевыми силами давления рабочих газов в торцевом зазоре между кольцами и верхними плоскостями канавок поршней.
2
Радиальное давление компрессионных колец на стенку цилиндра от сил упругости колец в современных автотракторных двигателях выбирается в пределах 0,15-0.4 МПа (1,5-4 кгс/см) из условия обеспечения уплотнения надпоршневого пространство во всех тактах рабочего цикла.
Максимальное радиальное «заколечное» давление рабочих газов в верхнем компрессионном поршневом кольце в процессе расширения достигается 0,75 Pz,
где Pz - максимальное давление в надпоршневом пространстве (камере сгорания) рабочего такта.
2
При больших оборотах двигателя радиальное давление в зазорах между верхним компрессионным поршневым кольцом и поршнем сохраняется примерно постоянным на протяжении всего процесса расширения рабочего газа и полностью передается на стенки цилиндра. Это давление в современных дизельных двигателях достигает 10-11 МПа (100-110 кгс/см), что в 20-25 раз больше радиального давления от сил упругости кольца.
2
Максимальное осевое давление рабочих газов над верхнем компрессионным поршневом кольце равно их давлению в цилиндре и верхней мертвой точке (ВМТ) у дизельных двигателей достигает 12-14 МПа (120-140 кгс/см).
Осевое давление газов над верхним компрессионным поршневым кольцом, в результате перекладки поршня в ВМТ и силы трения в сопряжении верхнее компрессионное поршневое кольцо - торцевая поверхность канавки поршня, передается на половину поверхности сопряжения кольцо - цилиндр, что приводит к износу цилиндра и кольца в направлении перекладки поршня (овализация цилиндра).
Основным фактором, определяющим интенсивность изнашивания цилиндро-поршневой группы, является высокое давление рабочих газов в зазорах лабиринта уплотнения между верхним компрессионным кольцом и поршнем.
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенная цилиндро-поршневая группа поршневых двигателей имеет отличительные признаки, которые отсутствуют в прототипе. В совокупности, перечисленные отличительные существенные признаки позволяют получить новый технический результат: повысить надежность двигателей и уменьшить механические потери мощности на преодоление сил трения.
На Фиг. 1 представлена предлагаемая конструкция цилиндро-поршневой группы,
где:
1 - дроссельное кольцо,
2 - вставка,
3 - поршень,
4- верхнее компрессионное поршневое кольцо,
5 - цилиндр,
1
Δ - радиальный зазор между кольцом и цилиндром,
2
Δ - радиальный зазор между кольцом и поршнем,
3
Δ - радиальный зазор между верхним компрессионным поршневым кольцом и стенкой канавки.
1
2
Предлагаемая цилиндро-поршневая группа поршневых двигателей содержит дроссельное кольцо 1 из жаропрочного сплава, которое устанавливается в дополнительную канавку поршня 3 с радиальным зазором Δ - между кольцом и цилиндром 5 и радиальным зазором Δ - между кольцом и поршнем. Поршень может быть выполнен как со вставкой 2 так и без вставки.
1
2
1
2
3
Наружный диаметр дроссельного кольца меньше диаметра цилиндра на 2 Δ, а внутренний диаметр больше диаметра канавки поршня под дроссельное кольцо на 2 Δ. Размеры наружного и внутреннего диаметров дроссельного кольца выбираются из условия, что сумма зазоров Δ и Δ меньше радиального зазора Δ между верхним компрессионным поршневым кольцом 4 и стенкой канавки:
1
2
3
Δ+Δ<Δ
1
2
1
2
3
1
2
Перетекание газов через зазоры Δ и Δ дроссельного кольца в зазор верхнего компрессионного поршневого кольца сопровождается их дросселированием и снижением давления в зазорах верхнего компрессионного поршневого кольца. Снижение давления газов в зазорах верхнего компрессионного поршневого кольца происходит под влиянием двух факторов: дросселирования и меньшей площади проходного сечения суммы зазоров Δ и Δ по сравнению с зазором Δ. Изменением суммы зазоров Δ и Δ можно получить необходимое давление в зазорах верхнего компрессионного поршневого кольца и других компрессионных колец.
Предлагаемая конструкция цилиндро-поршневой группы позволяет снизить давление рабочих газов в лабиринтах уплотнений компрессионных колец до необходимых значений, уменьшить тепловую нагрузку на эти кольца и интенсивность износа цилиндров, поршней и колец.
Ограничение давления в сопряжениях компрессионных колец между цилиндром и поршнем позволяет существенно снизить механические потери энергии двигателя. По оценочным расчетам механический коэффициент полезного действия двигателя может быть повышен на 3-4%.
Предлагаемая конструкция цилиндро-поршневой группы позволяет уменьшить количество компрессионных колец как у быстроходных так и у тихоходных двигателей. У быстроходных двигателей количество компрессионных колец может быть уменьшено до одного, при надежном уплотнении надпоршневого пространства.
Ограничение давления газов в зазорах между верхним компрессионным поршневым кольцом и поршнем является эффективным средством снижения интенсивности изнашивания поршневых колец, цилиндра и поршня.
Таким образом, полностью решена техническая задача по повышению надежности цилиндро - поршневой группы поршневых двигателей и снижению механических потерь энергии.
Предложенная цилиндро-поршневая группа поршневых двигателей соответствует условию промышленной применимости и может использоваться как при проектировании новых моделей поршневых двигателей, так и усовершенствовании существующих.
Использованные источники
1. Патент РФ №2440503, МПК F02F 1/18. Приоритет от 10.01.2010. Опубликовано 20.07.2011. Описание патента.