Двигатель внутреннего сгорания, в частности поршневой двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE, IN PARTICULAR, PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, в частности поршневому двигателю внутреннего сгорания, в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения, к комплекту гильзы цилиндра в соответствии с ограничительной частью п.14 формулы изобретения, а также к транспортному средству, в частности транспортному средству для коммерческих перевозок, имеющему двигатель внутреннего сгорания, в соответствии с п.15 формулы изобретения.
Двигатели внутреннего сгорания, в частности поршневые двигатели внутреннего сгорания, обычно имеют, по меньшей мере, один цилиндр, который имеет корпус цилиндра в качестве направляющей для поршня, который связан с цилиндром. Известно, что для уменьшения трения между цилиндрической стенкой, которая образует корпус цилиндра, и связанным с ним поршнем или поршневыми кольцами поршня, снабжают поршневые кольца покрытием для уменьшения трения. Покрытие в этом случае можно сформировать, например, нанося покрытие методом физического осаждения из паровой фазы (ФОПФ) или нанося покрытие методом плазмостимулированного физического осаждения из паровой фазы (ПС-ФОПФ), а в частности нанося алмазоподобные углеродные покрытия (АУП). Уменьшая трение между цилиндрической стенкой и связанным с ней поршнем или поршневыми кольцами, значительно уменьшают потребление топлива и выбросы двигателя внутреннего сгорания, а также износ взаимно истирающихся компонентов.
Помимо этого, известно также снабжение цилиндрической стенки, которая образует корпус цилиндра, в частности в подвергающихся смешанному трению областях корпуса цилиндра, покрытием для уменьшения трения, чтобы уменьшить трение между цилиндрической стенкой и связанным с ней поршнем. Такое покрытие можно сформировать, например, методом нанесения покрытия напылением при высокой температуре, или также методом нанесения АУП, в частности в сочетании с лазерным текстурированием.
Вместе с тем, нанесение покрытия на корпус цилиндра или цилиндрическую стенку, которая образует корпус цилиндра, зачастую затруднено, поскольку цилиндрическая стенка, особенно с учетом отношения высоты к диаметру цилиндра, как правило, доступна лишь с трудом. Вследствие этого, покрытие зачастую нельзя нанести с желаемым качеством покрытия.
Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы разработать двигатель внутреннего сгорания, в частности поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором трение между корпусом цилиндра и связанным с ним поршнем или поршневыми кольцами поршня уменьшается способом, простым в отношении технологической подготовки производства.
Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с п.1 формулы изобретения, предложен двигатель внутреннего сгорания, в частности поршневой двигатель внутреннего сгорания, по меньшей мере, с одним цилиндром, который имеет корпус цилиндра, причем корпус цилиндра образует направляющую для поршня, который связан с цилиндром. В соответствии с изобретением, корпус цилиндра лишь частично образован цилиндрической стенкой картера двигателя или гильзы цилиндра, которая крепится к картеру двигателя, при этом корпус цилиндра в центральной области, если смотреть в осевом направлении цилиндра, образован цилиндрической стенкой, обращенной к стороне картера двигателя или стороне гильзы цилиндра, при этом цилиндрическая стенка, обращенная к стороне картера двигателя или стороне гильзы цилиндра, в верхней области корпуса цилиндра, примыкающей к центральной области вверх, и/или в нижней области корпуса цилиндра, примыкающей к центральной области вниз, имеет охватывающее занижение, проходящее, в частности, в окружном направлении цилиндра, в которую вставлен цельный или составной кольцевой скользящий элемент, радиально внутренняя стенка которого образует часть корпуса цилиндра.
Таким образом, трение между цилиндром и поршнем или поршневыми кольцами можно уменьшить способом, простым в отношении технологической подготовки производства, поскольку цилиндрическую стенку, обращенную к стороне картера двигателя или стороне гильзы цилиндра, в верхней и/или нижней области корпуса цилиндра теперь не нужно больше снабжать покрытием для уменьшения трения, чтобы уменьшить трение между цилиндром и поршнем или поршневыми кольцами. Вместо этого, теперь просто вставляют скользящий элемент с оптимизированными свойствами скольжения в занижение цилиндрической стенки, обращенной к стороне картера двигателя или стороне гильзы цилиндра, в верхней и/или в нижней области, в частности в верхней мертвой точке или нижней мертвой точке, корпуса цилиндра. Свойства скольжения соответствующего скользящего элемента можно в этом случае оптимизировать - по желанию - просто и эффективно в отношении технологической подготовки производства перед вставлением упомянутого элемента в соответствующее занижение. Например, скользящий элемент можно снабдить поверхностным покрытием для уменьшения трения, делая это способом, простым в отношении технологической подготовки производства. В результате, стоимость процесса и затраты значительно уменьшаются по сравнению с нанесением покрытия на цилиндрическую стенку, обращенную к стороне картера двигателя или стороне гильзы цилиндра.
В предпочтительном варианте осуществления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, центральная область корпуса цилиндра расположена так, что во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания между цилиндрической стенкой и связанным с ней поршнем в этой области, по существу, образуется гидродинамический подшипник скольжения. Поэтому в центральной области корпуса цилиндра преобладает жидкостное трение с малыми потерями.
В качестве дополнительного преимущества, отметим, что, расположение верхней и/или нижней области корпуса цилиндра таково, что во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в этой области (или этих областях) между соответствующим скользящим элементом и связанным с ним поршнем преобладает смешанное трение, в частности смешанное трение и статическое трение. Следовательно, посредством соответствующего скользящего элемента трение между корпусом цилиндра и связанным с ней поршнем можно уменьшить конкретно эффективным образом. Предпочтительно предусматривается, что в этом случае коэффициент трения между соответствующим скользящим элементом и связанным с ним поршнем в верхней и/или нижней области корпуса цилиндра во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания находится в диапазоне между 0,01 и 0,06, чтобы обеспечить возможность эксплуатации двигателя внутреннего сгорания конкретно эффективным образом.
Верхняя область корпуса цилиндра предпочтительно образована верхней концевой областью корпуса цилиндра. Аналогичным образом, нижняя область корпуса цилиндра предпочтительно образована нижней концевой областью корпуса цилиндра.
В качестве дополнительного преимущества, отметим, что, верхняя область корпуса цилиндра расположена так, что внешняя скользящая стенка связанного с ним поршня находится в контакте со скользящим элементом, по меньшей мере, в верхней мертвой точке (ВМТ) поршня. В результате, трение и износ корпуса цилиндра можно уменьшить конкретно эффективным образом. В этом случае предпочтительно предусматривается, что внешняя скользящая стенка поршня находится в контакте со скользящим элементом, по меньшей мере, в пределах диапазона угла поворота коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, который находится между углом поворота коленчатого вала, составляющим 10° до ВМТ, и углом поворота коленчатого вала, составляющим 15° после ВМТ. Термин «поршень», употребляемый в предыдущем и последующем тексте, следует понимать, в частности, в широком смысле - как включающий в себя не только поршень, но и поршневые кольца, которые связаны с поршнем.
В альтернативном и/или дополнительном варианте, нижнюю область корпуса цилиндра также можно расположить так, что внешняя скользящая стенка связанного с ним поршня находится в контакте со скользящим элементом, по меньшей мере, в нижней мертвой точке (НМТ) поршня. В этом случае предпочтительно предусматривается, что внешняя скользящая стенка поршня находится в контакте со скользящим элементом, по меньшей мере, в пределах диапазона угла поворота коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, который находится между углом поворота коленчатого вала, составляющим 10° до НМТ, и углом поворота коленчатого вала, составляющим 15° после НМТ.
В предпочтительном конкретном варианте осуществления, длина или высота корпуса цилиндра в кратное количество раз больше, чем высота кольцевого скользящего элемента. При такой разности высот, наличие скользящих элементов в соответствии с изобретением дает конкретную выгоду. В качестве конкретного преимущества, отметим, что длина или высота корпуса цилиндра в этом случае, по меньшей мере, в четыре раза больше высоты кольцевого скользящего элемента.
В качестве дополнительного преимущества, отметим, что, материал соответствующего скользящего элемента и материал цилиндрической стенки имеют в основном одинаковый коэффициент теплового расширения. В результате, влияние резких переходов или скачков температуры, образующихся между цилиндрической стенкой, обращенной к стороне картера двигателя или стороне гильзы цилиндра, и соответствующим скользящим элементом, надежно предотвращается, так что между цилиндрической стенкой и соответствующим скользящим элементом преобладает в основном более плавный переход. В этом случае предпочтительно предусматривается в целом идентичное формирование материала скользящего элемента и материала цилиндрической стенки. В предпочтительном конкретном варианте осуществления, материал скользящего элемента и материал цилиндрической стенки в этом случае получают из стали, из литейного чугуна или из алюминия.
В качестве дополнительного преимущества, отметим, что кольцевой скользящий элемент покрыт на внутренней стороне способствующим скольжению покрытием, чтобы дополнительно уменьшить трение и износ двигателя внутреннего сгорания. В этом случае предпочтительно предусматривается, что способствующее скольжению покрытие сформировано методом нанесения АУП и/или методом нанесения покрытия атмосферным плазменным напылением (АПН). Покрытие, нанесенное методом АПН, в этом случае может быть сформировано, например, металлическим, металлокерамическим или полностью керамическим.
Между способствующим скольжению покрытием и основным материалом кольцевого скользящего элемента, выполненного главным образом из алюминия, предпочтительно предусматривается опорный слой или стабилизирующий слой. Посредством такого опорного слоя обеспечивается надежное противодействие так называемому эффекту яичной скорлупы, то есть, нарушению покрытия в результате пластической деформации основного материала, например - алюминия. В этом случае предпочтительно предусматривается формирование опорного слоя путем нанесения покрытия химическим никелированием.
В качестве дополнительного преимущества, отметим, что, радиально внутренняя стенка соответствующего скользящего элемента имеет меньшую шероховатость поверхности, чем область стенки, принадлежащая цилиндрической стенке, обращенной к стороне картера двигателя или стороне гильзы цилиндра, которая образует корпус цилиндра. Поэтому трение и износ двигателя внутреннего сгорания эффективно уменьшаются, и при этом также упрощается производство двигателя внутреннего сгорания, поскольку цилиндрическая стенка картера двигателя или гильзы цилиндра, обычно доступная лишь с трудом, приобретает меньшую шероховатость поверхности, чем скользящие элементы, механическая обработка которых проста.
Соответствующий скользящий элемент предпочтительно обеспечивает прилегающий контакт по поверхности с картером двигателя или гильзой цилиндра, чтобы создать возможность простого и надежного крепления скользящего элемента. В качестве дополнительного преимущества, отметим, что скользящий элемент соединен с картером двигателя или гильзой цилиндра с образованием посадки и/или материального замыкания, в частности посредством адгезионной связи или сварного соединения, чтобы надежно скрепить скользящий элемент с картером двигателя или гильзой цилиндра. Соответствующий скользящий элемент предпочтительно скрепляют с картером двигателя или гильзой цилиндра посредством теплового соединения или механической запрессовки.
В предпочтительном конкретном варианте осуществления, занижение цилиндрической стенки имеет в основном U-образный контур, если смотреть в поперечном сечении, чтобы спроектировать занижение простой и функционально оптимальной. В качестве дополнительного преимущества, отметим, что кольцевой скользящий элемент имеет в основном прямоугольное выполнение в поперечном сечении, чтобы можно было сформировать кольцевой скользящий элемент способом, простым в отношении технологической подготовки производства. В качестве дополнительного преимущества, отметим, что скользящий элемент находится в связанном с ним занижении, совпадая по контуру.
Для решения вышеупомянутой задачи, также предложен комплект гильзы цилиндра, имеющий гильзу цилиндра, которая образует корпус цилиндра. В соответствии с изобретением, корпус цилиндра лишь частично образован цилиндрической стенкой гильзы цилиндра, причем корпус цилиндра в центральной области, если смотреть в осевом направлении цилиндра, образован цилиндрической стенкой гильзы цилиндра, при этом цилиндрическая стенка гильзы цилиндра в верхней области корпуса цилиндра, примыкающей к центральной области вверх, и/или в нижней области корпуса цилиндра, примыкающей к центральной области вниз, имеет охватывающее занижение, проходящее, в частности, в окружном направлении цилиндра, в которую вставляется в каждом случае цельный или составной кольцевой скользящий элемент в качестве составляющей части комплекта, причем радиально внутренняя стенка вставляемого кольцевого скользящего элемента образует часть корпуса цилиндра.
Преимущества, которые гарантируются в результате наличия комплекта гильзы цилиндра в соответствии с изобретением, идентичны уже оцененным по достоинству преимуществам двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, поэтому в данном месте текста они не повторяются.
Помимо этого, предложено также транспортное средство, в частности транспортное средство для коммерческих перевозок, имеющее двигатель внутреннего сгорания в соответствии с изобретением. Преимущества, которые гарантируются в результате наличия транспортного средства в соответствии с изобретением, также идентичны уже оцененным по достоинству преимуществам двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, поэтому они здесь не повторяются.
Преимущественные конструкции и усовершенствования, пояснявшиеся выше и/или представляемые в зависимых пунктах формулы изобретения, можно - за исключением, например, имеющих место в случаях очевидных зависимостей или противоречащих друг другу альтернатив - использовать по отдельности и/или также в любой комбинации друг с другом.
Изобретение и его преимущественные конструкции и/или усовершенствования, а также их преимущества, подробнее поясняются ниже - лишь в качестве примера - со ссылками на чертежи.
На чертежах:
на фиг.1 показана в сечении часть первого варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением;
на фиг.2 подробность A, представленная на фиг.1, показана на виде в увеличенном масштабе;
на фиг.3 показано поперечное сечение вдоль секущей плоскости B-B, представленной на фиг.1;
на фиг.4 показан на виде, соответствующем фиг.3, второй вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением;
на фиг.5 показан на виде, соответствующем фиг.1, третий вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с изобретением; и
на фиг.6 подробность C, представленная на фиг.5, показана на виде в увеличенном масштабе.
На фиг.1 показана в сечении часть двигателя 1 внутреннего сгорания в соответствии с изобретением. Двигатель 1 внутреннего сгорания, который выполнен как поршневой двигатель внутреннего сгорания, имеет картер 3 двигателя и гильзу 5 цилиндра, которая крепится к картеру 3 двигателя. В качестве примера отметим, что гильза 5 цилиндра в данном случае крепится к картеру 3 двигателя посредством запрессовки.
Гильза 5 цилиндра имеет радиально внутреннюю стенку 7 цилиндра, которая образует цилиндр двигателя 1 внутреннего сгорания, в камере 9 цилиндра которого расположен центральный поршень 11 двигателя 1 внутреннего сгорания. Здесь цилиндрическая стенка 7 образует в этом случае центральную область 13 корпуса цилиндра, если смотреть в осевом направлении х цилиндра, посредством которой направляется поршень 11.
В верхней области 15 корпуса цилиндра, если смотреть в осевом направлении х цилиндра, примыкающей к центральной области 13 корпуса цилиндра вверх, цилиндрическая стенка 7 здесь имеет в этом случае охватывающее занижение 17, в которое вставлен кольцевой скользящий элемент 19, который здесь - в качестве примера - является цельным. Здесь радиально внутренняя стенка 21 скользящего элемента 19 также образует часть корпуса цилиндра в этом случае.
Кроме того, в соответствии с фиг.1, здесь цилиндрическая стенка 7 в нижней области 22, если смотреть в осевом направлении х цилиндра, примыкающей к центральной области 13 вниз, также имеет в этом случае охватывающее занижение 23, в которое также вставлен кольцевой скользящий элемент 25, который здесь - в качестве примера - является цельным. В процессе работы, радиально внутренняя стенка 27 скользящего элемента 25 здесь также образует часть корпуса цилиндра. Скользящие элементы 19, 25 в этом случае можно крепить к гильзе 5 цилиндра, например, посредством теплового соединения или механической запрессовки. Помимо этого, отметим в качестве примера, что здесь скользящие элементы 19, 25 имеют, в основном идентичное или сходное конструктивное выполнение.
Помимо этого, картер 3 двигателя и гильза 5 цилиндра изготовлены из литейного чугуна (GJL), а скользящие элементы 19, 25 изготовлены из стали. Кроме того, здесь гильза 5 цилиндра и скользящие элементы 19, 25 образуют комплект гильзы цилиндра.
ZLB
G
ZLB
В качестве примера, отметим, что в данном случае верхняя область 15 корпуса цилиндра или верхний скользящий элемент 19 также образуют верхнюю концевую область корпуса цилиндра. Кроме того, в качестве примера, отметим, что в данном случае нижняя область 22 или нижний скользящий элемент 25 корпуса цилиндра также образуют нижнюю концевую область корпуса цилиндра. Поэтому корпус цилиндра в данном случае простирается в основном от верхней стороны 29 верхнего скользящего элемента 19 на протяжении длины l корпуса цилиндра до нижней стороны 31 нижнего скользящего элемента 25. В качестве примера, отметим, что высота h соответствующего скользящего элемента 19, 25 в данном случае в кратное количество раз меньше, чем длина или высота корпуса цилиндра l.
Помимо этого, верхняя область 15 корпуса цилиндра или скользящий элемент 19 в данном случае также расположена так, что внешняя скользящая стенка поршня 11 контактирует или располагается встык со скользящим элементом 19, по меньшей мере, в верхней мертвой точке (ВМТ) поршня 11. Кроме того, нижняя область 22 корпуса цилиндра или скользящий элемент 25 в данном случае также располагается так, что внешняя скользящая стенка поршня 11 контактирует или располагается встык со скользящим элементом 25 в нижней мертвой точке (НМТ) поршня 11.
Как тоже вытекает из фиг.1, цилиндрическая стенка 7 гильзы 5 цилиндра в данном случае продолжается вверх над занижением 17 областью 3 стенки. Кроме того, цилиндрическая стенка 7 в данном случае продолжается вниз под занижение 23 областью 35 стенки. В качестве примера отметим, что области 33, 35 стенки, а также область 37 стенки, которая принадлежит цилиндрической стенке 7 и находится между занижениями 17, 23, в данном случае имеют идентичный диаметр. В занижениях 17, 23 стенки 7 цилиндра или в областях 39, 41 стенки, принадлежащих цилиндрической стенке 7, которые образуют занижения 17, 23, диаметр стенки 7 цилиндра увеличивается по сравнению с областями 33, 35, 37 стенки.
Помимо этого, центральная область 13 корпуса цилиндра или область 37 стенки, принадлежащая цилиндрической стенке 7, в данном случае расположена так, что между областью 37 стенки, принадлежащей цилиндрической стенке 7, и поршнем 11 во время эксплуатации двигателя 1 внутреннего сгорания, по существу, образуется гидродинамический подшипник скольжения. Кроме того, верхняя область 15 и нижняя область 22 корпуса цилиндра или занижения 17, 23 стенки 7 цилиндра расположены так, что между скользящими элементами 19, 25 и поршнем 11 во время эксплуатации двигателя 1 в этих областях преобладает смешанное трение. Следовательно, скользящие элементы 29, 25 в данном случае расположены в тех областях корпуса цилиндра, в которых во время эксплуатации двигателя 1 возникает трение, а значит - и относительно большая потеря энергии.
Как вытекает также из фиг.2, соответствующее занижение 17, 23 или соответствующая область 39, 41 стенки, принадлежащая цилиндрической стенке 7, в данном случае имеет в основном U-образный контур, если смотреть в поперечном сечении. Более того, в данном случае соответствующий скользящий элемент 19, 25 в соответствии с фиг.2 имеет прямоугольное выполнение в поперечном сечении. Помимо этого, в качестве примера, отметим, что соответствующий скользящий элемент 19, 25 в данном случае находится в соответственно связанном с ним занижении 17, 23, совпадая по контуру, так что соответствующий скользящий элемент 19, 25, за исключением соответствующей радиально внутренней стенки 21, 27 скользящего элемента располагается встык с соответствующей областью 39, 41 стенки, принадлежащей цилиндрической стенке 7. Поэтому скользящие элементы 19, 25 в данном случае также находятся в прилегающем контакте по поверхности с гильзой 5 цилиндра и соединены с образованием посадки с этой гильзой цилиндра.
Как вытекает также из фиг.2, соответствующие скользящие элементы 19, 25 в данном случае также покрыты на внутренней стороне или радиально внутренней стороне способствующим скольжению покрытием 43, посредством которого уменьшают трение между скользящими элементами 19, 25 и поршнем 11. Это способствующее скольжению покрытие 43 предпочтительно сформировано посредством нанесения АУП или нанесения покрытия посредством АПН. Здесь способствующее скольжению покрытие 43 наносят в этом случае непосредственно на основное тело 45 соответствующего скользящего элемента 19, 25, здесь - выполненное, например, из стали. Помимо этого, в качестве примера, отметим, что радиально внутренняя стенка 21, 27 соответствующего скользящего элемента 19, 25 в данном случае также имеет меньшую шероховатость поверхности, чем область 37 стенки, принадлежащая цилиндрической стенке 7.
Кроме того, как показано также на фиг.3, соответствующий скользящий элемент 19, 25 в данном случае выполнен цельным или образован посредством кольца, которое замкнуто в окружном направлении.
На фиг.4 показан второй вариант осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания в соответствии с изобретением. По сравнению с первым вариантом осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания, который показан на фиг.3, соответствующий скользящий элемент 19, 25 в данном случае выполнен не цельным, а состоящим из множества деталей. Здесь речь идет о том, что соответствующий скользящи элемент 19, 25 в этом случае собран из множества сегментов 49 кольца, например - из трех сегментов 49 кольца. Здесь сегменты 49 кольца имеют в основном сходное или идентичное конструктивное выполнение.
На фиг.5 показан третий вариант осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания. По сравнению с первым вариантом осуществления, который показан на фиг.1, двигатель 1 внутреннего сгорания в данном случае не имеет гильзы 5 цилиндра. Вместо этого, цилиндрическая стенка 7, которая образует цилиндр, образована в данном случае самим картером 3 двигателя. Помимо этого, картер 3 двигателя и скользящие элементы 19, 25 в данном случае изготовлены не из стали, а из алюминия.
Как вытекает также из фиг.6, в данном случае между способствующим скольжению покрытием 43 и основным телом - выполненным в данном случае из алюминия - соответствующего скользящего элемента 19, 25 дополнительно предусмотрен опорный слой 51, посредством которого повышается стабильность способствующего скольжению покрытия 43 или оказывается противодействие эффекту яичной скорлупы способствующего скольжению покрытия 43.
Перечень позиций чертежей
1 Двигатель внутреннего сгорания
3 Картер двигателя
5 Гильза цилиндра
7 Цилиндрическая стенка
9 Камера цилиндра
11 Поршень
13 Центральная область
15 Верхняя область
17 Занижение
19 Скользящий элемент
21 Стенка скользящего элемента
22 Нижняя область
23 Занижение
25 Скользящий элемент
27 Стенка скользящего элемента
29 Верхняя сторона
31 Нижняя сторона
33 Область
35 Область
37 Область
39 Область стенки
41 Область стенки
43 Способствующее скольжению покрытие
45 Основное тело
49 Сегмент кольца
51 Опорный слой
ZLB
l Длина корпуса цилиндра