ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС).
Известно, что большинство современных производителей транспортных средств, в составе которых используются ДВС, сталкиваются с проблемой повышения надежности узлов и агрегатов, их ремонтопригодностью и увеличения гарантированного послеремонтного ресурса. По статистике особенно часто простои автомобильной техники происходят из-за неисправностей двигателя, на который приходится больше половины всех неисправностей автомобиля. В основном, направление двигателей в ремонт происходит из-за неисправностей цилиндропоршневой группы, проявляющихся в наличии стуков, уменьшении компрессии в цилиндрах, увеличении прорыва в картер газов, повышении расхода (угара) масла. Следовательно моторесурс двигателей в значительной степени зависит от срока службы цилиндропоршневой группы и, в частности, от срока службы гильз цилиндров, т.е. гильзы цилиндров являются деталями, лимитирующими ресурс двигателя. Актуальной является задача повышения износостойкости гильз цилиндров.
Из уровня техники известны различные варианты решения указанной технической задачи.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является техническое решение, известное из описания к патенту Великобритании №1394189, от 26.10.1972 г., МПК F01F 1/00, 1/20. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршень с кольцами и блок с цилиндрами, в котором нижняя часть цилиндра, в которой находятся поршневые кольца при положении поршня в нижней мертвой точке (далее НМТ), может при работе двигателя вращаться вокруг оси цилиндра. Непрерывное вращение обеспечивает электромотор через понижающую передачу с зубьями. Другая часть цилиндра может вращаться непрерывно посредством храпового механизма, приводимого в движение кулачковой поверхностью на поршне при приближении его к НМТ. Другой храповой механизм может вращать часть цилиндра при движении поршня вверх. Так же, часть цилиндра может вращаться роликовым механизмом свободного хода. Может быть предусмотрено фланцевое соединение между вращающейся частью цилиндра и его приводом, разрывающимся при чрезмерном сопротивлении вращению. Может быть предусмотрено сигнальное устройство, показывающее прекращение вращения части цилиндра. ДВС также содержит канал и трубопровод, предусмотренные для подвода смазки. Двигатель может быть крейцкопфным дизелем с наддувом.
Недостатком указанного технического решения является сложная конструкция приводного механизма и системы смазки, накладывающая существенные ограничения на компоновку узлов и агрегатов двигателя в ограниченном подкапотном пространстве, в особенности, легкового автомобиля.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение износостойкости и долговечности гильзы цилиндра ДВС.
Поставленная задача достигается тем, что в ДВС, содержащем поршни с кольцами, блок цилиндров с каналами подвода масла к наружной периферийной поверхности гильзы, установленной в цилиндре с возможностью вращения относительно своей оси, и механизм вращения гильзы, блок цилиндров в верхней и нижней частях снабжен гидроопорами, на наружной периферийной поверхности нижней части гильзы выполнен кольцевой паз, содержащий горизонтальные поверхности, между которыми по подвижной посадке размещены опорные полукольца, закрепленные к нижнему торцу блока цилиндров, обращенному в сторону картера ДВС, и снабженные каналами подвода масла, а в средней части наружной периферийной поверхности гильзы в качестве червячно-винтовой пары выполнен червяк, взаимодействующий с размещенным в стенке блока цилиндров, перпендикулярно осевой линии цилиндра, винтовым валом.
Возможность вращения гильзы цилиндра в предлагаемом устройстве, благодаря подвижной «плавающей» посадке на гидравлических масляных опорах, позволяет обеспечить равномерный износ всей рабочей поверхности гильзы, обеспечить отвод тепла из наиболее термически нагруженных участков, позволяет избавиться от осевых деформаций, возникающих под действием сил, приложенных со стороны головки блока цилиндров - «запрессовке» при монтаже, и со стороны поршня, в виде «поршневого сжатия», в процессе работы устройства.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема ДВС при осуществлении им рабочего цикла, на фиг.2 показан фрагмент сечения блока цилиндров и гильзы в средней и нижней частях осевой проекции, на фиг.3 показан вид со стороны картера ДВС с разрезом по гильзе цилиндров в месте размещения опорных полуколец, смонтированных на торцах цилиндра.
Двигатель внутреннего сгорания содержит поршни 1 с кольцами 2, блок цилиндров 3 с каналами подвода масла 4 к наружной периферийной поверхности 5 гильзы 6, установленной в блоке цилиндров 3 с возможностью вращения относительно своей оси А-А, и механизм вращения гильзы. В верхней части блок цилиндров 3 снабжен гидроопорой 7, а в нижней части - гидроопорой 8. При этом в нижней части гильзы 6 на наружной периферийной поверхности 5 выполнен кольцевой паз 9, содержащий горизонтальные поверхности 10 и 11, между которыми по подвижной посадке размещены опорные полукольца 12 и 13 (фиг.1 и 3), закрепленные к нижнему торцу 14 блока цилиндров 3, обращенному в сторону картера ДВС, например, посредством винтовых соединений 15.
В опорных полукольцах 12 и 13 выполнены сверления 16 и глухие фрезеровки 17 для подвода масла к горизонтальным поверхностям 10 и 11 кольцевого паза 9 гильзы 6. При этом гидроопоры 7 и 8 соединены между собой каналами подвода масла 4, сообщающимися с главной масляной магистралью (не показана). Для исключения попадания масла между блоком цилиндров 3 и гильзой 6 в верхней части наружной периферийной поверхности 5 гильзы 6 выполнена разгрузочная канавка 18, снабженная каналами отвода масла 19, сообщающаяся с масляным картером двигателя (не показан). Кроме того, выполненная в стенке блока цилиндров 3 полость 20, предназначенная для отвода тепла от гильзы 6, также сообщается с масляным картером двигателя (не показан) через масляный канал 21. С целью обеспечения свободного вращения гильзы 6 зазоры между горизонтальными поверхностями опорных полуколец 12 и 13 и внутренними горизонтальными поверхностями 10 и 11 кольцевого паза 9 гильзы 6 выполнены суммарно меньшими, чем зазор, образованный верхним торцом 22 гильзы 6 и опорной плоскостью 23 головки блока 24. При сборке устройства, образующийся газовый и масляный стык уплотняется резиновыми кольцами 25 и 26, изготовленными, например, из термостойкой резины с тефлоновым покрытием.
Механизм вращения гильзы представляет собой червячно-винтовую пару, выполненную в средней части наружной периферийной поверхности 5 гильзы 6 в виде червяка 27, взаимодействующего с размещенным в стенке блока цилиндров 3, перпендикулярно оси А-А гильзы 6, винтовым валом 28 (фиг.2)
Работает предлагаемое устройство следующим образом
Масло из главной масляной магистрали (не показана) через каналы подвода масла 4 поступает в гидроопоры 7 и 8, а через сверления 16 и фрезеровки 17 поступает к торцам 10 и 11 полуколец 12 и 13. Таким образом гильза 6 удерживается гидроопорами в «плавающем» состоянии. Рассчитанная площадь гидроопор 7 и 8, образованная несущими поверхностями, позволяет воспринимать боковые нагрузки от газовых сил, действующих на стенку гильзы 6 блока цилиндров 3 при работе кривошипно-шатунного механизма, а давление, создаваемое в масляных каналах, сообщающихся с несущей поверхностью полуколец 12 и 13, оказывает необходимое сопротивление силам трения поршня 1 и гильзы 6, возникающим при возвратно-поступательном движении поршня 1. Это позволяет в процессе эксплуатации устройства минимизировать изменение формы гильзы 6 блока цилиндров, вызванное износом, уменьшить силы трения и расход масла на угар, сохраняя при этом зазор между гильзой 6 и поршнем 1 и геометрию цилиндра в целом, в форме, наиболее близкой к первоначальной.
В двигателе с запрессованными гильзами или изготовленными в виде моноблока под влиянием резко переменных давлений в надпоршневой полости и в связи с особенностями работы кривошипно-шатунного механизма износ рабочей поверхности гильзы происходит неравномерно. Поперечное сечение гильзы, первоначально имеющее форму правильной окружности, в процессе сборки двигателя и эксплуатации приобретает форму эллипса с изменяющимися осями по длине цилиндра. Для устранения этого недостатка в конструкции предлагаемого устройства предусмотрен механизм поворота гильзы вокруг своей оси и таким образом равномерного распределения износа по всей поверхности гильзы. Работа указанного механизма может осуществляться различными способами. Один из них, простейший, позволяет производить вращение винтового вала вручную. Конструкция заявляемого устройства позволяет свободный конец винтового вала выполнить в виде шестигранного хвостовика под стандартный гаечный ключ. Во время технического обслуживания автомобиля или планового осмотра, регламентированного пробегом транспортного средства, проворачиванием винтового вала на определенное число оборотов, зависящее от передаточного отношения червячно-винтовой пары, происходит смещение гильзы относительно своей оси. Например, поворот гильзы на величину, равную 90 градусам, перемещает практически неизношенную часть рабочей поверхности гильзы в зону максимальных нагрузок. Кроме того, задавая определенный алгоритм последовательности, частоты и величины угла поворота гильзы, достигается сохранение оптимальной формы геометрии гильзы в процессе всего срока службы двигателя с учетом всех режимов работы ДВС.
Так же существует способ, при котором поворот гильзы осуществляется автоматически посредством привода от стартера двигателя или коленчатого вала через электромеханическую муфту включения привода винтового вала. При этом управление включением может осуществляться электронным блоком с использованием датчика поворота коленчатого вала по определенной программе, заложенной в блок управления ДВС.
Такие конструктивные изменения, в сравнении с прототипом изобретения, достигнуты методом интуитивно-логического анализа проблемы, обозначенной представленным выше анализом уровня техники, аналитической работы по формированию наилучшего конструктивного решения эмпирическим путем и последующих экспериментов с полученными таким образом опытными образцами заявляемого устройства. Конструкция гильзы цилиндра в заявляемом изобретении позволяет улучшить равномерность износа рабочей поверхности гильзы, исключить влияние осевых нагрузок на гильзу, возникающих при монтаже и во время работы устройства, улучшить отвод тепла из рабочей зоны, а также применить компоновочные решения, позволяющие уменьшить размер цилиндро-поршневой группы в целом, при сохранении высокой надежности и длительных сроков эксплуатации.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МПК показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет критерий "изобретательский уровень" по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость». При этом изобретение может быть реализовано в условиях промышленного производства с использованием существующего технологического оборудования и современных материалов.
В конечном итоге, применение заявляемого изобретения позволяет повысить потребительские качества ДВС, и как следствие, транспортного средства в целом, повысить его конкурентоспособность как на внутреннем, так и на внешнем рынке, за счет существенного повышения надежности конструкции цилиндро-поршневой группы, в частности гильзы цилиндра.
Конкретные иллюстрации эффективности использования и варианты реализации заявленного технического решения, описанные выше, являются по своему характеру лишь частными примерами и не ограничивают притязания заявляемого изобретения, объем которого определяется формулой. Для технических специалистов, работающих в данной области техники, станут очевидными другие возможные конкретные варианты осуществления заявляемого устройства, которые будут находиться в рамках объема притязаний настоящего изобретения.