ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВАЯ ГРУППА
CYLINDER-PISTON GROUP

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых машинах, преимущественно в двигателях внутреннего сгорания, а также в таких поршневых машинах как поршневые компрессоры, поршневые двигатели внешнего сгорания. Изобретение направлено на повышение долговечности и экономичности поршневых машин за счет снижения силы трения в цилиндро-поршневой группе и снижения скорости износа ее деталей.
Цилиндро-поршневая группа состоит из втулки цилиндра и поршня с размещенными на нем кольцами, совершающего возвратно-поступательные движения внутри втулки. В совокупности втулка цилиндра и поршень образуют трущуюся пару. Наличие сил трения в цилиндро-поршневой группе приводит к механическим потерям энергии в двигателе, что снижает его экономичность. Особенно это характерно для высокооборотных двигателей. Эксплуатационный износ трущихся поверхностей втулки цилиндра, юбки поршня и поршневых колец определяют долговечность двигателя. Кроме того, с увеличением износа ухудшается рабочий процесс двигателя из-за прорыва газов из его рабочей камеры и снижается экономичность работы двигателя.
Для снижения сил трения и износа деталей цилиндро-поршневой группы применяют смазку деталей. Основные факторы, затрудняющие смазку цилиндро-поршневой группы, следующие:
- трудность доставки смазочной жидкости, в качестве которой обычно используется масло, к трущимся поверхностям;
- существенная зависимость смазочной способности смазки, в частности ее вязкости, от температуры трущихся поверхностей;
- неравномерность температуры втулки цилиндра по ее высоте;
- существенная зависимость условий обеспечения эффективной смазки от режимов работы двигателя, которые в общем случае эксплуатации изменяются в широком диапазоне от запуска двигателя и режима его послепускового прогрева до режимов номинальной и максимально допустимой мощности;
- поскольку движение поршня в цилиндре происходит реверсивно, возвратно-поступательно, то в районах верхней и нижней мертвых точек скорость движения поршня равна или близка к нулю, что существенно затрудняет образование устойчивого смазочного слоя между трущимися поверхностями втулки цилиндра и поршня.
Техническая проблема состоит в том, что трудно обеспечить минимальные силы трения и износ цилиндро-поршневой группы в широком диапазоне режимов работы двигателя, включая его запуск и режим послепускового прогрева. При запуске двигателя имеют место наиболее неблагоприятные условия для смазки цилиндро-поршневой группы. Это обусловлено тем, что при запуске двигателя температуры его деталей низкие, вязкость смазочной жидкости высокая, в результате чего отсутствуют условия образования устойчивого слоя смазочной жидкости между трущимися поверхностями. Кроме того, в начальный момент запуска двигателя его механизм, включая поршень, неподвижен. Смазочная жидкость практически еще не поступает к трущимся поверхностям. Помимо этого, при запуске двигателя имеет место наибольший диаметральный зазор между поршнем и втулкой цилиндра, что дополнительно затрудняет образование смазочного слоя между трущимися поверхностями. Указанные факторы в совокупности приводят к тому, что при запуске двигателя имеет место сухое, либо полужидкостное трение между втулкой цилиндра и поршнем, при котором полностью либо частично отсутствует слой смазочной жидкости между трущимися поверхностями. При этом имеет место трение металл о металл, что приводит к высокой скорости износа деталей.
Известно, что суммарный износ деталей цилиндро-поршневой группы за некоторый период эксплуатации двигателя в существенной мере определяется величиной износа, который имеет место при запусках двигателя и режимах его послепускового прогрева. В наибольшей степени это характерно для двигателей, эксплуатация которых предусматривает частые остановки и запуски двигателя. Износ деталей цилиндро-поршневой группы, а именно износ внутренней рабочей поверхности втулки цилиндра, поршневых колец и юбки поршня, приводит к снижению долговечности двигателя. Помимо этого, с увеличением износа снижается эффективность рабочего процесса двигателя на всех режимах его работы из-за прорыва газов из его рабочей камеры, снижается экономичность работы и увеличивается выброс токсичных веществ с отработавшими газами.
Известно устройство цилиндро-поршневой группы, описанное в патенте RU 2616426 С1 (опубл. 14.04.2017). Цилиндро-поршневая группа содержит поршень с размещенными на нем кольцами, контактирующими с втулкой цилиндра, имеющей на рабочей поверхности микрорельеф. Микрорельеф выполнен в виде расположенных по винтовым линиям равномерно чередующихся фрагментов, каждый из которых состоит из канавки, сопряженной с плоским, параллельным оси цилиндра, участком поверхности. Микрорельеф повышает надежность смазки цилиндро-поршневой группы благодаря наличию некоторого количества смазочной жидкости в канавках, что способствует образованию смазочного слоя между трущимися поверхностями.
Недостатком устройства является низкая эффективность его работы при запуске двигателя и на режиме послепускового прогрева. Это обусловлено тем, что на указанных режимах подвод смазочной жидкости к трущимся поверхностям отсутствует или является недостаточным. Кроме того, относительно низкая температура деталей двигателя и смазочной жидкости затрудняет образование смазочного слоя между трущимися поверхностями. В таких условиях имеет место неблагоприятный режим сухого, либо полужидкостного трения в цилиндро-поршневой группе, несмотря на наличие микрорельефа на втулке цилиндра.
Известно устройство цилиндро-поршневой группы, описанное в патенте SU 1663220 А1 (опубл. 15.07.1991). По совокупности признаков данное устройство является ближайшим аналогом заявляемого изобретения.
Данное устройство состоит из втулки цилиндра с установленным в нем поршнем, снабженным поршневыми кольцами. В средней по высоте части втулки цилиндра установлены группы радиально направленных поясов вибраторов. Причем активная поверхность указанных вибраторов совпадает с внутренней поверхностью втулки цилиндра, а на внешней поверхности втулки закреплены электромеханические преобразователи. Вибраторы представляют собой металлические цилиндрические стержни, вклеенные в радиальные сквозные отверстия в средней части втулки цилиндра. Указанные стержни совершают колебания в радиальном направлении по отношению к оси цилиндра и создают вибрацию, направленную перпендикулярно к трущимся поверхностям втулки цилиндра и поршня.
Устройство ближайшего аналога позволяет повысить экономичность и мощность двигателя за счет снижения вязкого трения в смазочном слое и расхода смазочной жидкости на угар. Снижение силы трения в цилиндро-поршневой группе ближайшего аналога достигается за счет того, что указанные вибраторы, совершая механические колебания вдоль своей продольной оси, создают колебания давления в слое смазочной жидкости.
Недостатком устройства ближайшего аналога является низкая эффективность его работы при запуске двигателя и на режиме послепускового прогрева. Это обусловлено тем, что, как указано выше, при запуске двигателя и на режиме его прогрева практически отсутствует сплошной слой смазочной жидкости между трущимися поверхностями в цилиндро-поршневой группе. Поэтому попытка возбуждения какого-либо вибрационного поля в слое смазочной жидкости является неэффективной из-за отсутствия собственно самого этого смазочного слоя.
Кроме того, недостатком устройства ближайшего аналога является то, что оно предусматривает наличие набора сквозных радиальных отверстий во втулке цилиндра, что снижает прочность собственно втулки и создает предпосылки к нарушению герметичности рабочей камеры цилиндра двигателя.
Помимо этого, устройство ближайшего аналога предусматривает создание исключительно поперечной вибрации, т.е. вибрации, направленной перпендикулярно к трущимся поверхностям. Вследствие этого ближайший аналог имеет ограниченную эффективность, поскольку исключает потенциально благоприятное воздействие продольной вибрации на процесс трения, т.е. вибрации, направленной параллельно к трущимся поверхностям.
Из уровня техники, помимо указанного выше, известно, что сила сухого трения может быть существенно снижена путем вибрационного воздействия на трущуюся пару, см. [Быховский И.И. Основы теории вибрационной техники. - М.: Машиностроение, 1968 - с. 308-312], [Вибрации в технике: Справочник. - Том 4 - Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э. Лавендела. - М.: Машиностроение, 1981. - с. 457-458]. Если одна из трущихся поверхностей совершает высокочастотные механические колебания, то эффективный коэффициент сухого трения снижается. В общем случае для создания указанного физического эффекта механические колебания должны быть направлены как в поперечном, так и в продольном направлениях по отношению к трущимся поверхностям. Кроме того, как правило, наиболее эффективным для применения указанного физического эффекта является применение высокочастотных механических колебаний ультразвукового диапазона частот. Благодаря этому снижаются потери энергии на преодоление сил трения, снижается скорость износа деталей, повышается экономичность и долговечность работы машины. Известно устройство подшипника с низким трением, описанное в патенте US 3239283 (опубл. 08.03.1966). В данном устройстве полезно применяется указанный физический эффект для снижения силы сухого трения скольжения в парах трения.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении силы трения в цилиндро-поршневой группе и скорости износа ее деталей при запуске двигателя и на режиме его послепускового прогрева. Задача решается тем, что устройство содержит электромеханические вибраторы, которые создают поперечно-продольные ультразвуковые механические колебания рабочей внутренней поверхности втулки цилиндра при запуске двигателя и на режиме его послепускового прогрева, когда имеет место сухое, либо полужидкостное трение между втулкой цилиндра и поршнем.
Устройство цилиндро-поршневой группы показано на фиг. 1, 2, 3. Цилиндро-поршневая группа двигателя внутреннего сгорания состоит из втулки цилиндра 1 с установленным в ней поршнем 2, снабженным поршневыми кольцами 3. На внешней цилиндрической поверхности втулки цилиндра установлены два электромеханических вибратора, которые представляют собой дугообразные конусные пьезоэлектрические пластины 4 с электрическими контактами, жестко прикрепленные к внешней поверхности втулки цилиндра 1. Принцип работы электромеханических вибраторов основан на физическом пьезоэлектрическом эффекте. На внутренних и наружных конусных поверхностях пластин 4, выполненных из пьезоэлектрического материала, нанесены электрические контакты, к которым подсоединены электрические проводники для подвода переменного электрического напряжения.
Конусные пьезоэлектрические пластины 4 жестко прикреплены к внешней поверхности втулки цилиндра 1 посредством промежуточных конусных пластин 5, которые выполнены из электроизоляционного материала и неподвижно соединены с внешней поверхностью втулки цилиндра 1 и с внутренней поверхностью конусных пластин 4 с помощью клеевых соединений. При этом в рабочем состоянии жесткость промежуточных конусных пластин 5 и указанных выше клеевых соединений должна быть достаточно высокой для эффективной передачи механической вибрации от пластин 4 вибраторов к внутренней поверхности втулки цилиндра 1.
Указанные вибраторы 4 в количестве двух штук расположены на внешней поверхности втулки цилиндра 1 на расстоянии от 1/3 до 1/2 высоты втулки цилиндра от ее верхней кромки.
При этом указанные вибраторы выполнены в виде двух диаметрально расположенных дугообразных конусных пьезоэлектрических пластин 4, жестко прикрепленных к внешней поверхности втулки цилиндра 1 в плоскости качания шатуна. Причем угловая длина дугообразных пластин 4 вибраторов в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, составляет от 20 до 30 градусов.
При этом угол наклона α конусов пластин 4 вибраторов к оси втулки цилиндра 1 составляет от 30 до 45 градусов.
Сущность изобретения состоит в том, что, в отличие от ближайшего аналога, цилиндро-поршневая группа содержит вибраторы, которые создают поперечно-продольные ультразвуковые механические колебания рабочей внутренней поверхности втулки цилиндра. Кроме того, изобретение, в отличие от ближайшего аналога, не нарушает целостность стенки втулки цилиндра, что способствует сохранению ее прочности, а также сохранению герметичности рабочей камеры двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 1 показана цилиндро-поршневая группа.
На фиг. 2 показано сечение А-А цилиндро-поршневой группы.
На фиг. 3 показано устройство вибратора цилиндро-поршневой группы.
На фиг. 1, 2, 3 обозначены: 1 - втулка цилиндра; 2 - поршень; 3 - поршневые кольца; 4 - пьезоэлектрическая пластина вибратора; 5 -промежуточная конусная пластина крепления вибратора. Стрелками показано направление механической вибрации, создаваемой вибраторами.
Цилиндро-поршневая группа работает следующим образом. Поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри втулки цилиндра. Между втулкой цилиндра и поршнем возникают силы трения, которые приводят к потерям энергии и к износу деталей. В результате подвода переменного электрического напряжения к контактам конусных пластин 4, которые расположены на их внутренних и наружных поверхностях, указанные пьезоэлектрические пластины 4 испытывают переменные деформации сжатия-растяжения, т.е. возбуждают высокочастотную механическую вибрацию ультразвукового диапазона. При этом частота возбуждаемых механических колебаний равна частоте переменного электрического напряжения, подаваемого на контакты пластин 4. Эта вибрация передается к цилиндрической стенке втулки цилиндра 1 через промежуточные конусные пластины 5 крепления вибраторов.
Вследствие этого, а также того, что пластины 4 вибраторов имеют конусную форму, рабочая внутренняя поверхность втулки цилиндра 1 совершает механические колебания как в поперечном, так и в продольном направлениях по отношению к оси цилиндра, т.е. по отношению к трущимся поверхностям цилиндро-поршневой группы.
Указанная вибрация рабочей внутренней поверхности втулки цилиндра 1 способствует снижению эффективного коэффициента трения, а также механических потерь энергии в цилиндро-поршневой группе, в период таких важных режимов работы, как запуск двигателя и послепусковой прогрев, когда имеет место сухое, либо полужидкостное трение между втулкой цилиндра и поршнем. Кроме того, указанная вибрация способствует снижению скорости эксплуатационного износа деталей цилиндро-поршневой группы, а именно трущихся поверхностей втулки цилиндра, юбки поршня и поршневых колец.
Таким образом, в заявляемой цилиндро-поршневой группе, в отличие от аналогичных устройств, обеспечено снижение силы трения и скорости износа деталей при запуске двигателя и на режиме его послепускового прогрева, что повышает долговечность и экономичность работы поршневых машин.
Заявляемое устройство является промышленно применимым, поскольку для его реализации достаточно использовать общеизвестные способы изготовления и монтажа деталей из типовых конструкционных материалов.