ПОРШЕНЬ С КАПЛЕВИДНОЙ КАНАВКОЙ
PISTON WITH FLUID-DROP GROOVE

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Известны конструктивные решения и разработки, решающие проблему повышения компрессии и снижения прорыва отработанных газов (ОГ) в картер двигателя. Чаще всего данная проблема решается через конструктивные разновидности компрессионных колец, различные канавки в поршне для сбора масла и снятия нагара со стенок цилиндра.
Однако какими бы ни были по конструктивному решению формы кольца, прорыв ОГ в основной массе происходит через замки на кольцах и зазор между поршневой канавкой и кольцами. В силу этого наблюдается снижение давления в камере сгорания, рост содержания вредных веществ в ОГ и снижение мощности ДВС.
Кроме того, решение рассматриваемой проблемы через совершенствование технологии изготовления (плотность прилегания колец, шероховатость внутренней поверхности цилиндровой гильзы и наружной поверхности поршня) особо не сказывается на снижении прорыва газа. Попытки повлиять на повышение компрессии через конструкции поршня (бочкообразность, конусность, понижение диаметра в головке поршня) не приводят к желаемым результатам.
Ближайший прототип поршня с L-образным сечением кольца для дизеля (3) может обеспечить повышение компрессии и снижение прорыва отработанных газов в картер двигателя. Осуществляется это за счет увеличения силы прижатия кольца к стенкам цилиндра отработанными газами, поступающими на поверхность L-образного сечения кольца.
Однако такое решение проблемы имеет ряд существенных недостатков:
1) повышенный неравномерный износ кольца и цилиндровой гильзы по периметрам за счет различной степени распирания кольца (утечка газа через замок);
2) повышенное снятие нагара со стенок цилиндра и, как следствие, преждевременное закоксовывание компрессионного кольца.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение компрессионных качеств соединения поршень-гильза цилиндра, увеличение степени сжатия, улучшение сгорания топливо-воздушной смеси, снижение токсичности ОГ, повышение мощности ДВС.
Для реализации намеченной цели ставилась задача противодействовать прорыву газа в картер двигателя с помощью воздушного затвора между огневым днищем и верхним компрессионным кольцом.
Поставленная задача реализовалась за счет того, что поршень с канавкой согласно изобретению имеет на профиле боковой поверхности днища поршня каплевидную канавку, нарезанную на расстоянии 2-3 мм от огневого днища под углом 22° относительно оси поршня с общей длиной 12-13 мм и имеющую сферическое основание радиусом r = 1,5 мм.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция поршня; на фиг.2 - движение газа по кольцевому дросселю в пределах нарезанной канавки; на фиг.3 - макет поршня; на фиг.4 - мундштук для визуализации картины течения дыма.
Конструкция работает следующим образом.
После сгорания топлива отработанный газ под давлением 7,4-7,76 МПа течет в начальный момент между огневым днищем поршня и головкой цилиндра, а далее направляется в кольцевой дроссель, образованный стенками цилиндра и поршня.
Газ, протекаемый по кольцевому дросселю в пределах нарезанной канавки, имеет сложную форму течения. В начале тока и конце истока течение газа имеет турбулентный характер, а в промежутке ламинарный, фиг.2. Визуализация физической картины течения газа производилась методом дымового туннеля, который заключается в том, что в исследуемый кольцевой дроссель вводился дым, который делает течение видимым в проходящем свете. Для этого был изготовлен макет, состоящий из поршня 2 (фиг.3), выполненный из алюминиевого сплава АК4 со всеми размерами и технологическими требованиями, которые к нему предъявляются в соответствии с отраслевой инструкцией 2452018И по эксплуатации дизеля типа 4 ч 8,5/11-9,5/11, а также цилиндровой гильзы 3, изготовленной из оргстекла. Воздух с помощью насоса закачивался в отверстие крышки 1, имитирующей головку цилиндра.
Используемый способ визуализации не показал четкой картины течения дыма. По этой причине был изготовлен специальный мундштук (фиг.4). Корпус 4 мундштука был изготовлен из стали, а его крышка 5 выполнена из оргстекла. Обе детали были склеены между собой с зазором 0,1 мм, образуя, таким образом, дроссельный канал 3.
Из картины характера протекания газа видно, что после течения по дроссельной каналу мундштука он поступает в каплевидную канавку. Далее в нижней части канавки идет его турбулизация с последующим частичным возвратом струи.
Таким образом, каплевидная канавка создает так называемый «воздушный затвор», препятствующий движению воздушного потока через лабиринты компрессионных колец.
Воздух, подаваемый через трубку 2, поступает в дроссельный канал 3 и в нижней части каплевидной канавки турбулизуется, образуя воздушный затвор, обеспечивая тем самым выход воздуха 1 в большем объеме в атмосферу.
При обратном ходе поршня каплевидная канавка работает по тому же принципу, захватывая воздушную массу и поднимая ее с более высоким по сравнению серийным поршнем давлением.
e
Как показывает патентное исследование и производственная практика, предлагаемое нами решение вопроса снижения прорыва газа через изменение конструкции поршня наиболее оптимально и не имеет аналогов в мировой практике. По данным наших натурных испытаний поршень с каплевидной канавкой по сравнению с серийным показал увеличение степени сжатия с ε - 17 для серийного поршня до ε - 17,8 для опытного; удельный расход топлива для серийного поршня при 100% P 248 г/кВт·ч (182 г/л.с.·ч), для опытного 245 г/кВт·ч (180,5 г/л.с.·ч). Проверка выхлопных газов на дымность по ГОСТ 24.028-80 показала следующие значения по дымности:
<mrow><msubsup><mi>К</mi><mi>м</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1,5</mn></mrow>
- для серийного двигателя
(по ГОСТ ≤1,84);
<mrow><msubsup><mi>К</mi><mi>м</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>1,35</mn></mrow>
- для разработанного
.
К недостаткам рассмотренного конструктивного решения можно отнести небольшое отложение нагара в нижней части каплевидной канавки, однако при соблюдении правил эксплуатации оно не превысит ресурса до первой переборки.
Литература
1. Поршень с дополнительной воздухо-накапительной камерой для ДВС, работающего на бензине.
Патент 4592318, США. Заявл. 23.09.83, №535336, опубл. 306.86. МКИ F02B 17/00.
2. Поршень дизеля.
Заявка 61 - 1900153, Япония. Заявл. 19.02.85, №60 - 29337, опубл. 23.08.86. МКИ F02F 3/28, F02B 23/00.
3. Поршень с камерой сгорания в днище и верхним кольцом L-образного сечения для дизеля.
Development of headland ring and piston for a four - stroke direct injection diesel engine Me Lean Douglas H., Bremfoerder Fred W., Hamelink Joseph C. «Diesel Engine Components: Power Cylinders and Pistons. Int. Congr. and Expo., Detroit Mich., Febr. 24-28, 1986». Warrendale, Pa, 1986, 41-48 (англ.).
4. Обзорная информация. Конструирование и эксплуатация оборудования. Серия 4 - Двигатели внутреннего сгорания; Серия 5 - Зарубежные конструкции поршневых колец ДВС. М., 1986.