КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE DESIGN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к конструкции для двигателя внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания поршневого типа имеют один или более поршней, каждый из которых во время работы двигателя перемещается в и из цилиндра, расположенного в блоке цилиндров. Верхние концы цилиндров закрыты головкой цилиндра, сконфигурированной таким образом, что в каждом цилиндре в пространстве между головкой цилиндра и верхней стороной поршня образуется камера сгорания. В камеру сгорания подается воздух, который сжимается, когда поршень перемещается в направлении головки цилиндра. В соответствующий момент времени к воздуху добавляется топливо и, когда поршень будет находиться рядом с его самым верхним положением в цилиндре, топливо воспламеняется, сгорает и расширяется, в результате чего поршень в цилиндре выталкивается в направлении вниз. Движение поршня передается и далее преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Для эффективного горения важно обеспечить хорошее уплотнение между наружной периферией поршня и внутренней частью цилиндра. Однако по соображениям, связанным с технологией изготовления, между периферией поршня и внутренней частью цилиндра должен быть некоторый зазор. Этот зазор уплотняется с помощью поршневых колец, расположенных в канавках в наружной периферии поршня, и смазочного масла. По различным причинам, например, высокая температура рядом с камерой сгорания, канавки располагаются немного ниже верхнего угла поршня. Это означает, что по истечении некоторого периода работы, периферия вокруг верхнего торца поршня покрывается так называемым нагаром, содержащим несгоревшие полностью остаточные продукты сгорания топлива в камере сгорания. Этот нагар оказывает отрицательное влияние на эффективность двигателя и величину выброса вредных веществ.
Для ограничения образования покрытия в виде нагара на поршне внутри верхнего конца цилиндра обеспечивают так называемое нагаросъемное кольцо, которое имеет внутренний радиус немного меньше, чем у цилиндра, в результате чего оно скребет по наружной периферии поршня и удаляет покрытие, которое образуется на поршне. Это решение раскрывается, например, в патенте США №6164260. Такое нагаросъемное кольцо иногда называют защитным кольцом.
Для обеспечения хорошей эффективности процесса сгорания и небольшой величины выброса вредных веществ в отработавших газах важна конфигурация камеры сгорания. Для достижения требуемых результатов эта конфигурация должна удовлетворять нескольким различным параметрам. Один важный параметр заключается в том, что камера сгорания должна иметь такую конфигурацию, чтобы максимально возможная часть подаваемого топлива сгорала в камере. Для этого важно, чтобы пространства, сообщающиеся с центром камеры, но расположенные на некотором расстоянии от него, были минимальными, так как топливно-воздушная смесь в этих пространствах обычно сгорает неоптимальным образом. В двигателях внутреннего сгорания, имеющих нагаросъемные кольца, эти пространства, к сожалению, увеличиваются, что отрицательно влияет на эффективность, выброс вредных веществ и срок службы двигателя. Поэтому существует необходимость в конструкции, которая не имеет этих недостатков.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является удовлетворение указанной выше необходимости, что достигается посредством конструкции согласно пункту 1 формулы изобретения.
Конструкция согласно изобретению достигает указанную задачу посредством того, что пространства между торцом нагаросъемного кольца и углублением в цилиндре или головке цилиндра разделяет уплотнение нагаросъемного кольца. Тем самым, за счет того, что углубление для нагаросъемного кольца отделено от пространства камеры сгорания, нежелательные пространства увеличиваются в меньшей степени.
Уплотнение нагаросъемного кольца имеет такую конфигурацию, что когда головка цилиндра установлена, чтобы закрыть цилиндр, уплотнение нагаросъемного кольца сжимается, тем самым надежно уплотняя области пространства, в котором расположено нагаросъемное кольцо. Уплотнения нагаросъемного кольца могут располагаться рядом с одним из или обоими из торцов нагаросъемного кольца в зависимости от конфигурации нагаросъемного кольца, цилиндра и головки цилиндра.
Уплотнения нагаросъемного кольца могут располагаться рядом с одним из или обоими из торцов нагаросъемного кольца. Эффективность изобретения зависит от того, насколько большая часть нежелательных пространств может быть отделена.
В одном варианте осуществления конструкции нагаросъемное кольцо имеет по существу постоянный внутренний радиус, и его первый и второй торцы каждый по существу перпендикулярны продольной оси. Кроме того, нагаросъемное кольцо имеет наружную поверхность, которая соответствует форме углубления в цилиндре. Преимущество этого варианта осуществления в том, что уплотнение нагаросъемного кольца, которое расположено между торцом нагаросъемного кольца и краем углубления, может быть сжато вокруг всего цилиндра, и пространство, образованное в углублении рядом с нагаросъемным кольцом, отделяется от пространства, образующего камеру сгорания цилиндра.
В одном варианте осуществления конструкции уплотнение нагаросъемного кольца расположено рядом со вторым торцом нагаросъемного кольца, который обращен в направлении от головки цилиндра, и выполнено в виде упругого уплотнительного кольца, расположенного между торцом нагаросъемного кольца и краем углубления, смежным с этим торцом. Этот вариант осуществления предлагает относительно простую конструкцию, которая обеспечивает хорошее уплотнение по всей окружности нагаросъемного кольца, в результате чего уменьшаются недостатки, встречающиеся в двигателях, имеющих нагаросъемные кольца.
В различных вариантах осуществления конструкции уплотнение или уплотнения нагаросъемного кольца выполнены из упругого волокнистого материала, упругого металлического материала, металлической кольцевой пластины, имеющей форму, обеспечивающую ей упругие свойства, или химического вещества, которое отверждается, образуя упругое уплотнение. Используя эти различные материалы, получают уплотнения нагаросъемного кольца, которые обеспечивают хорошее уплотнение пространства рядом с углублением для нагаросъемного кольца и могут выдерживать высокие температуры и давления, сопутствующие процессу сгорания в камере давления.
В одном варианте осуществления конструкции уплотнение нагаросъемного кольца расположено рядом с первым торцом нагаросъемного кольца, который обращен к головке цилиндра, и выполнено за одно целое с уплотнением головки цилиндра. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что здесь не используются дополнительные части, что делает конструкцию более легкой для изготовления и установки. Уплотнение головки цилиндра имеет такую конфигурацию, что оно выступает в радиальном направлении внутрь над торцом нагаросъемного кольца, обращенным к уплотнению головки цилиндра. Однако после сжатия уплотнения во время установки оно не должно продолжаться во внутреннее пространство нагаросъемного кольца.
В одном варианте осуществления конструкции уплотнение нагаросъемного кольца и уплотнение головки цилиндра выполнены из металлического материала, край которого, смежный со вторым торцом нагаросъемного кольца, имеет наклон в направлении второго торца нагаросъемного кольца, обеспечивающий ему упругие свойства. Наклонный край упирается в торец нагаросъемного кольца и обладает упругими свойствами за счет его формы, при этом материал сам по себе не является упругим. Преимуществом этого варианта осуществления является то, что уплотнение головки цилиндра может быть изготовлено из материала, который обеспечивает требуемое уплотнение и выдерживает воздействующие на него высокие температуры и давления, без необходимости быть при этом упругим, чтобы также выполнять функцию уплотнения нагаросъемного кольца.
Изобретение относится также к двигателю внутреннего сгорания, содержащему по меньшей мере одну конструкцию согласно одному из описанных выше вариантов осуществления.
Таким образом, согласно первому аспекту изобретения предложена конструкция для двигателя внутреннего сгорания, содержащая по меньшей мере один цилиндр, имеющий продольную ось, при этом цилиндр закрыт на одном конце посредством головки цилиндра, уплотнения головки цилиндра, расположенного между цилиндром и головкой цилиндра, и нагаросъемного кольца, имеющего первую осевую торцевую поверхность и вторую осевую торцевую поверхность и расположенного в углублении вокруг внутренней периферии цилиндра смежно указанному уплотнению головки цилиндра, отличающаяся тем, что длина в осевом направлении нагаросъемного кольца меньше суммарной длины углубления и уплотнения головки цилиндра, при этом у одной из или обеих осевых торцевых поверхностей нагаросъемного кольца предусмотрено уплотнение нагаросъемного кольца, длина в осевом направлении которого в состоянии до установки является такой, что сумма длины в осевом направлении уплотнения или уплотнений и длины в осевом направлении нагаросъемного кольца превышает суммарную длину в осевом направлении углубления и уплотнения головки цилиндра.
Нагаросъемное кольцо предпочтительно имеет по существу постоянный внутренний радиус, при этом его соответствующие первая и вторая торцевые поверхности по существу перпендикулярны продольной оси и наружной поверхности, причем форма углубления соответствует наружной поверхности нагаросъемного кольца.
Уплотнение нагаросъемного кольца предпочтительно расположено у торца нагаросъемного кольца, обращенного в направлении от головки цилиндра, и выполнено в виде упругого уплотнительного кольца, расположенного между краевой поверхностью углубления и второй торцевой поверхностью нагаросъемного кольца.
Уплотнение или уплотнения нагаросъемного кольца предпочтительно выполнены из упругого волокнистого материала, упругого металлического материала, металлической кольцевой пластины, имеющей форму, обеспечивающую ей упругие свойства, или химического вещества, которое отверждается, образуя упругое уплотнение.
Уплотнение нагаросъемного кольца предпочтительно расположено у первой торцевой поверхности нагаросъемного кольца, обращенной к головке цилиндра, и выполнено за одно целое с уплотнением головки цилиндра.
Уплотнение нагаросъемного кольца и уплотнение головки цилиндра выполнены из металлического материала, край которого, смежный с первой торцевой поверхностью нагаросъемного кольца, имеет наклон в направлении первой торцевой поверхности нагаросъемного кольца, который обеспечивает ему упругие свойства.
Согласно второму аспекту изобретения предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну вышеописанную конструкцию.
Различные варианты осуществления могут комбинироваться различным образом.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение описывается более подробно со ссылкой на чертежи.
Фиг.1 и Фиг.2 иллюстрируют первый вариант осуществления изобретения.
Фиг.3 иллюстрирует второй вариант осуществления изобретения.
Фиг.4 и Фиг.5 иллюстрируют поперечные сечения уплотнений нагаросъемного кольца в состоянии до установки, согласно соответственно вариантам осуществления на Фиг.1-2 и на Фиг.3.
Подробное описание изобретения
На чертежах иллюстрируются в разрезе выбранные части двигателя внутреннего сгорания. Описываемая конструкция используется в двигателе внутреннего сгорания, например, дизельном двигателе, который имеет один или более поршни (не показаны), установленные с возможностью перемещения в цилиндре, имеющем продольную ось А, который расположен в блоке цилиндров (не показан). Цилиндры предпочтительно выполнены в виде гильз цилиндра, которые устанавливаются в соответствующие места в блоке цилиндров. В качестве альтернативы, цилиндры могут быть образованы непосредственно в блоке цилиндров. Термин «цилиндр» в последующем описании означает пространство, в котором устанавливается с возможностью перемещения поршень независимо от того, выполнен ли цилиндр за одно целое с блоком цилиндров или в виде гильзы цилиндра, которая устанавливается в блок цилиндров.
Фиг.1 и Фиг.2 иллюстрируют первый вариант осуществления конструкции согласно изобретению. Цилиндр 11 продолжается от картера (не показан) и закрыт на противоположном конце посредством головки 12 цилиндра. Головка 12 цилиндра имеет углубление 13, которая вместе со стороной поршня, обращенной к головке 12 цилиндра, образуют камеру сгорания, в которой воздух и топливо сжимаются и сгорают таким образом, что поршень, вследствие расширения во время взрывного горения, перемещается от головки 12 цилиндра в направлении к картеру, при этом движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
В головке 12 цилиндра рядом с углублением 13 располагаются один или более клапанов 14, которые взаимодействуют с седлами 15 клапана для управления подачей воздуха в камеру сгорания и для удаления отработавших газов из камеры сгорания. Если двигатель имеет два или более цилиндров, каждый из них предпочтительно закрыт посредством головки цилиндра.
Для обеспечения герметичности закрытия цилиндра между цилиндром 11 и головкой 12 цилиндра размещается уплотнение 16 головки цилиндра. Головка 12 цилиндра обычно прикрепляется к блоку цилиндров посредством резьбового соединения различного типа.
Так называемое нагаросъемное кольцо 17 расположено на конце цилиндра 11, обращенном к головке 12 цилиндра. Нагаросъемное кольцо 17 имеет постоянный внутренний радиус SR, который немного меньше внутреннего радиуса CR цилиндра 11. Это означает, что нагаросъемное кольцо 17 будет скрести по наружной периферии поршня (не показана), когда он проходит через нагаросъемное кольцо 17, в результате чего будет счищаться любое покрытие на поршне. Это уменьшает величину покрытия, которое накапливается на поршне с течением времени.
Нагаросъемное кольцо 17 расположено в соответствующем кольцевом углублении 18 в цилиндре 11 и продолжается вокруг внутренней периферии цилиндра, рядом с концом цилиндра, обращенным к головке цилиндра. Наружная часть нагаросъемного кольца и конфигурация углубления могут быть различными при условии обеспечения возможности размещения и установки нагаросъемного кольца в углублении 18. Однако для обеспечения возможности установки нагаросъемного кольца в углублении 18 между наружной периферией нагаросъемного кольца и углублением 18 должен быть некоторый зазор. Это ведет к образованию пространств, которые, если они сообщаются с камерой сгорания, отрицательно влияют на процесс сгорания в камере сгорания.
В предлагаемой конструкции эти пространства отделяются от камеры сгорания с помощью упругих уплотнений, расположенных рядом с нагаросъемным кольцом.
В варианте осуществления, иллюстрируемом на Фиг.1 и Фиг.2, соответствующие верхняя и нижняя торцевые поверхности 20 и 21 нагаросъемного кольца по существу перпендикулярны осевой линии А. Краевая поверхность 19 углубления, смежная с нижней торцевой поверхностью 21 нагаросъемного кольца, также по существу перпендикулярна осевой линии А. Упругое уплотнительное кольцо 23 расположено между торцевой поверхностью 21 нагаросъемного кольца и краевой поверхностью 19 углубления. Суммарная длина (SL+TL) в осевом направлении нагаросъемного кольца (SL) и уплотнительного кольца (TL) до установки больше, чем суммарная длина (UL+CL) в осевом направлении углубления (UL) и уплотнения головки цилиндра (CL), так что нагаросъемное кольцо 17, которое упирается в головку 12 цилиндра после установки, сжимает уплотнительное кольцо 23, обеспечивая хорошее уплотнение между торцевой поверхностью 21 нагаросъемного кольца и краевой поверхностью 19 углубления. Пространство V за нагаросъемным кольцом тем самым отделяется от камеры сгорания. Для облегчения установки и уменьшения вероятности того, что упругое уплотнительное кольцо может занять неправильное положение относительно цилиндра и нагаросъемного кольца, небольшое углубление 24 образовано на торцевой поверхности нагаросъемного кольца, чтобы удерживать уплотнительное кольцо в требуемом положении. Краевая поверхность углубления может также иметь канавки, хотя это и не показано на Фиг.1.
Уплотнительное кольцо 23 может иметь различную форму поперечного сечения в соответствии с конфигурациями углубления и нагаросъемного кольца. Уплотнительное кольцо может быть или однородным в поперечном сечении или иметь полость. Уплотнительное кольцо 23, иллюстрируемое на Фиг.4, содержит такую полость. Эти параметры могут использоваться для получения желаемой упругости уплотнения нагаросъемного кольца, так как для разных материалов требуются разные конфигурации уплотнительного кольца. В альтернативных вариантах осуществления желаемая упругость может быть получена посредством уплотнения нагаросъемного кольца, выполненного из упругого волокнистого материала, упругого металлического материала, металлической кольцевой пластины, имеющей форму, придающую ей упругость, или химического вещества, которое отверждается, образуя упругое уплотнение.
Другой вариант осуществления конструкции иллюстрируется на Фиг.3. В этом варианте уплотнение 30 нагаросъемного кольца выполнено за одно целое с уплотнением 16 головки цилиндра, рядом с верхним торцом 20 нагаросъемного кольца 17. Уплотнение 30 нагаросъемного кольца выполнено в виде наклонного края 31, который выступает от уплотнения 16 головки цилиндра и продолжается в направлении вниз к верхнему торцу 20 нагаросъемного кольца, так что образующееся в результате пространство V между нагаросъемным кольцом, цилиндром и наклонным краем отделяется от камеры сгорания. Уплотнительное кольцо 30 согласно этому варианту осуществления иллюстрируется в разрезе на Фиг.5, в состоянии до установки.
Уплотнения головки цилиндра обычно не обладают упругими свойствами, требуемыми для уплотнения нагаросъемного кольца, но наклонный край 31 обеспечивает желаемую упругость уплотнения 30 нагаросъемного кольца.
Суммарная длина (SL+TL) в осевом направлении нагаросъемного кольца (SL) и наклонного края (TL) до установки конструкции больше, чем суммарная длина (UL+CL) в осевом направлении углубления (UL) и уплотнения (CL) головки цилиндра, так что головка цилиндра и нагаросъемное кольцо после установки сжимают наклонный край 31, обеспечивая хорошее уплотнение между верхним торцом нагаросъемного кольца, наклонным краем и пространством V, рядом с верхним торцом нагаросъемного кольца, тем самым отделяя углубление от смежной ему камеры сгорания.
Вариант осуществления, иллюстрируемый на Фиг.1 и Фиг.2, и вариант осуществления, иллюстрируемый на Фиг.3, могут комбинироваться в двигателе внутреннего сгорания, чтобы достичь максимального эффекта.
Изобретение было описано выше с помощью двух примеров вариантов осуществления. Однако оно не ограничивается этими вариантами осуществления и определяется в прилагаемой формуле изобретения. Конструкция может иметь различные конфигурации при условии обеспечения соответствующих друг другу соотношений в конструкции между ее составными частями.