ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE SLEEVE ASSEMBLY

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны цилиндропоршневые группы двигателей с наименьшими газодинамическими потерями через гарантированные термодинамические зазоры (заявка №2002874, Великобритания, 1979; Заявка №60 - 30457, Япония, 1985; RU 2372506 C1, RU 2372507 C1).
Известна цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания, принятая за прототип заявляемого изобретения, содержащая цилиндр, поршень и разрезное компрессионное кольцо, размещенное в поршневой канавке с зазором между внутренней вертикальной поверхностью кольца и дном поршневой канавки и зазором в замке кольца (Двигатели внутреннего сгорания. Под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова. М. Машиностроение, 1984 г., стр.157). Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что рекомендуемая величина зазора между дном поршневой канавки и внутренней вертикальной поверхностью кольца создает необоснованно большую полость, которая через гарантированный зазор между нижней полкой поршневой канавки и нижним торцом кольца заполняется маслом, снимаемым нижним торцом кольца при движении поршня в нижнее положение. Прорывающиеся через зазоры в придонную полость поршневой канавки высокотемпературные (более 3000°C) рабочие газы сжигают масло, попавшее в эти зазоры и полость. Постепенно на свободных поверхностях кольца и поршневой канавки накапливается сажа, которая под действием высоких температур и давлений коксуется, компрессионное кольцо теряет свою подвижность и, как следствие, работоспособность. В итоге это приводит к заклиниванию поршня и поломке двигателя. Причем чем больше пространство между дном поршневой канавки и кольцом, тем большее количество окисляемого масла превращается в копоть, сажу и кокс, тем активнее сокращается ресурс двигателя. В наибольшей степени этот процесс характерен для дизелей любых мощностей. Кроме того, в известных конструкциях зазоры в замках компрессионных колец носят субъективный характер, назначаются с большими интервалами, например для двигателя КамАЗ при диаметре цилиндра 120 мм величина зазора в замке 0,45+0,25 мм, в то время как величина зазора замка компрессионного кольца двигателя ВАЗ при диаметре цилиндра 76 мм регламентируется в пределах 0,25+0,2 мм (ГОСТ 621-87. Таблица 6). То есть минимально допустимый зазор в замке компрессионного кольца двигателя КамАЗ (0,45 мм) равен максимальному, но тоже допустимому зазору в замке компрессионного кольца двигателя ВАЗ (0,45 мм). Причем известно, что через зазор в замке компрессионного кольца происходит до 70% утечек рабочих газов, существенно влияющих на технико-экономические и экологические характеристики двигателя.
Чем больше зазор в замке кольца, тем больше сжимаемого воздуха, а затем и рабочего газа прорывается в поршневую канавку и далее в картер двигателя. Это не только большие утечки рабочего газа, влияющие на компрессию, процессы сгорания топливовоздушной смеси, мощность двигателя, но и повышенное нагарообразование в поршневой группе, и старение моторного масла.
При этом разная, но допустимая величина зазоров в замках компрессионных колец, установленных в поршнях, расположенных в двурядных двигателях по разные стороны, приводит к различному срабатыванию рабочего давления в цилиндрах и, как следствие, к газодинамическому дисбалансу двигателя, его вибрации и снижении ресурса двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экологических характеристик двигателя.
Технический результат достигается тем, что в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгорания, содержащей цилиндр, поршень и разрезное компрессионное кольцо, расположенное в поршневой канавке с зазором между дном поршневой канавки и внутренней вертикальной поверхностью разрезного компрессионного кольца, новым является то, что зазор между дном поршневой канавки и внутренней вертикальной поверхностью разрезного компрессионного кольца равен зазору между поршнем и стенкой цилиндра.
Ширина разреза компрессионного кольца не больше величины зазора между поршнем и стенкой цилиндра.
Согласно существующим рекомендациям (ДВС. Орлин А.С. М. Машиностроение, 1980 г., стр.87), зазор между, поршнем и цилиндром принимают равным 0,04…0,06% диаметра цилиндра двигателя. Например, для двигателя КамАЗ с диаметром цилиндра 120 мм допустимый зазор между поршнем и цилиндром может быть от 0,048 мм до 0,072 мм, т.е. он более чем на порядок меньше зазора между поверхностью дна поршневой канавки и внутренней вертикальной поверхностью кольца, также рекомендуемого первоисточником. Расчетная величина зазора между поршнем и цилиндром, учитывающая термодинамические изменения формы и размеров цилиндра и поршня, гарантированно является необходимой и достаточной для сохранения упругих свойств компрессионного кольца и его работоспособности при любых термодинамических изменениях формы и размеров деталей системы «цилиндр-компрессионное кольцо-поршень».
Причем зазор между поверхностью дна поршневой канавки и внутренней вертикальной поверхностью кольца увеличивается при сборке за счет технологических отклонений, так как диаметр поверхности дна канавки выполняется в минусе (отклонения для «вала»), а поверхность внутреннего диаметра компрессионного кольца изготавливается в плюсе (отклонения для «отверстия»).
Все это свидетельствует о приоритете зазора между поршнем и стенкой цилиндра, величина которого, принятая также для зазора между дном поршневой канавки и внутренней вертикальной поверхностью компрессионного кольца и для зазора в замке кольца, гарантированно обеспечит сохранность упругих свойств компрессионного кольца и его работоспособность при минимально возможных зазорах в цилиндропоршневой группе.
На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, разрезное компрессионное кольцо 3, установленное в поршневой канавке 4 так, что между дном поршневой канавки 4 и внутренней вертикальной поверхностью кольца 3 предусмотрен гарантированный зазор, равный зазору между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1. Ширина разреза кольца 3 не больше величины зазора между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1.
Цилиндропоршневая группа работает следующим образом.
При перемещении поршня 2 в нижнее положение на рабочем такте «впуск», под действием сил инерции и сил трения о стенку цилиндра 1, кольцо 3 смещается к верхней полке поршневой канавки 4 в пределах гарантированного термодинамического зазора между верхней полкой поршневой канавки 4 и верхним торцом кольца 3. При этом кольцо 3 нижним торцом снимает со стенки цилиндра 1 масло, которое через образовавшийся на этом такте зазор между нижним торцом кольца 3 и нижней полкой поршневой канавки 4 заполняет этот зазор и зазор между дном поршневой канавки 4 и внутренней вертикальной поверхностью кольца 3. При этом минимально возможная ширина разреза кольца 3, которая меньше зазора между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1, практически не оставляет на стенке цилиндра 1 следов масла.
При перемещении поршня 2 в верхнее положение на рабочем такте «сжатие» компрессионное кольцо 3, под действием давления сжимаемого воздуха и сил трения о стенку цилиндра 1, прижимается к нижней полке поршневой канавки 4, вытесняя часть масла, находящегося в зазоре между нижним торцом компрессионного кольца 3 и нижней полкой поршневой канавки 4, в придонную полость поршневой канавки 4, в открывшийся зазор между верхним торцом компрессионного кольца 3 и верхней полкой поршневой канавки 4 и далее через зазор между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1 в камеру сгорания. Так осуществляется «насосный» эффект моторного масла, обычно сопровождающий работу нормальных компрессионных колец. Причем чем больше эти зазоры, тем больше расход масла на угар.
При этом через минимально возможную ширину разреза кольца 3 прорывается незначительное количество сжимаемого воздуха, не оказывающего существенного влияния на величины рабочего давления и расчетного значения коэффициента избытка воздуха.
При перемещении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход» под действием избыточного давления кольцо 3 продолжает оставаться прижатым к нижней полке поршневой канавки 4. Через зазор между верхним торцом кольца 3 и нижней полкой поршневой канавки 4 высокотемпературный рабочий газ прорывается в придонную полость поршневой канавки 4, ограниченную дном поршневой канавки 4 и внутренней вертикальной поверхностью кольца 3, окисляет находящиеся там частицы масла. Процесс накопления сажи и кокса на свободных поверхностях компрессионного кольца 3 и поршневой канавки 4 занимает более длительное время, что соответственно сказывается на увеличении ресурса двигателя и снижении расхода масла на угар, улучшении экологических характеристик двигателя.
При этом минимально возможная ширина разреза компрессионного кольца 3 (зазор в замке компрессионного кольца 3) ограничивает прорыв в поршневую канавку 4 и далее в картер двигателя высокотемпературных рабочих газов. Небольшое количество прорвавшихся рабочих газов практически не влияет на изменения качества масла и его старение.
При перемещении поршня 2 в верхнее положение на рабочем такте «выпуск» минимально необходимый зазор между кольцом 3 и поршнем 2 и ширина разреза кольца 3 обеспечивают более полный выброс отработанных рабочих газов.
Минимизация термодинамических зазоров до необходимых и достаточных значений, обеспечивающих условия сохранения упругих свойств компрессионного кольца и его работоспособности при любых термодинамических изменениях формы и размеров деталей системы «цилиндр-компрессионное кольцо-поршень», позволит существенно повысить мощность и ресурс двигателя, уменьшить расход топлива и масла, улучшит экологические характеристики двигателя.