RU2624376C1

RU2624376C1 - Ice sleeve assembly of internal combustion engines

Info

Publication number: RU2624376C1
Application number: RU2016125620A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Матвеевич Дружинин; Виктор Михайлович Гуреев
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-07-03

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: ice sleeve assembly comprises a cylinder (1), a piston (2), an upper compression ring (3), a second compression ring (4), a lower compression ring (5), a top oil ring (6), a second bottom oil ring (7), a lower oil ring (8), a upper compression piston ring (9) and a lower compression piston ring (10) installed in piston bore (11). Due to the use of the conical shape of cylinder (1) and piston (2), the batch arrangement of all the piston rings, special role of split crimp piston rings (9) and (10), significantly increasing the sealing efficiency between cylinder (1) and piston (2) especially upper crimping ring (10), better heat transfer conditions from overheated piston head (2) through the pack of all piston rings, cooled to cylinder (1).

EFFECT: improved performance.

5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering, and specifically to the design, manufacture and operation of internal combustion engines.

Известны цилиндропоршневые группы двигателей внутреннего сгорания, в которых проведена минимизация зазоров, применено обжимное поршневое кольцо, внутренняя поверхность цилиндра выполнена цилиндрической, овальной или конической формы, а поршневые кольца имеют рабочую поверхность, выполненную в виде конуса или сферы (патент №2425999, RU, 2011; №2372506, RU, 2009; патент №2447307, RU, 2012; Заявка №58-53186, Япония,1983; патент №2244145, RU, 2000; Заявка №2001112831, RU; патент №2372506, RU, 2009; патент №2372508, RU, 2009).Known cylinder-piston groups of internal combustion engines in which the clearance is minimized, a crimped piston ring is applied, the inner surface of the cylinder is cylindrical, oval or conical in shape, and the piston rings have a working surface made in the form of a cone or sphere (patent No. 2425999, RU, 2011 ; No. 2372506, RU, 2009; patent No. 2447307, RU, 2012; Application No. 58-53186, Japan, 1983; patent No. 2244145, RU, 2000; Application No. 2001112831, RU; patent No. 2372506, RU, 2009; patent No. 2372508, RU, 2009).

Известна цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания (патент №2372508, RU, МПК F02F 5/00, опубл. 10.11. 2009 Бюл. №31), ближайшая по технической сущности к заявляемой и принятая за прототип, содержащая цилиндр, у которого внутренняя поверхность выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части и меньшим основанием в верхней части, уплотнительные кольца с конусной рабочей поверхностью. В известном устройстве угол наклона образующей конуса ограничивается «в результате термодинамических изменений размеров цилиндра в процессе работы двигателя, которые в свою очередь ограничивают возможности конической формы внутренней поверхности в большей степени увеличивать рабочий объем цилиндра и, следовательно, мощность двигателя. Кроме того, при движении поршня в нижнюю мертвую точку разжимное уплотнительное поршневое кольцо, находясь в плотном контакте со стенкой цилиндра, разжимаясь, существенно увеличивает зазор в замке кольца. Например, при увеличении диаметра цилиндра двигателя в нижней мертвой точке всего на 1,0 мм, т.е. 0,5 мм на сторону, зазор в замке уплотнительного кольца увеличивается на 3,14 мм, если диаметр цилиндра увеличивается на 2,0 мм, то на 6,28 мм, и т.д. То есть при движении поршня в нижнюю мертвую точку зазор в замке поршневого кольца выходит за пределы допустимого. Известно, что в стандартных нормальных условиях «приблизительно 60-70% всех утечек происходит через замки поршневых колец». В данном случае огромные газодинамические потери негативно сказываются на всех технико-экономических характеристиках двигателя.Known cylinder-piston group of an internal combustion engine (patent No. 2372508, RU, IPC F02F 5/00, publ. 10.11. 2009 Bull. No. 31), the closest in technical essence to the claimed one and adopted as a prototype containing a cylinder in which the inner surface is made in the form of a truncated cone with a large base in the lower part and a smaller base in the upper part, O-rings with a conical working surface. In the known device, the angle of inclination of the generatrix of the cone is limited "as a result of thermodynamic changes in the size of the cylinder during engine operation, which in turn limit the ability of the conical shape of the inner surface to increase the cylinder working volume and, therefore, engine power. In addition, when the piston moves to the bottom dead center, the expandable sealing piston ring, being in close contact with the cylinder wall, expanding, significantly increases the gap in the ring lock. For example, with an increase in the diameter of the engine cylinder at bottom dead center by only 1.0 mm, i.e. 0.5 mm per side, the clearance in the lock of the o-ring increases by 3.14 mm, if the cylinder diameter increases by 2.0 mm, then by 6.28 mm, etc. That is, when the piston moves to the bottom dead center, the clearance in the lock of the piston ring is out of range. It is known that under standard normal conditions "approximately 60-70% of all leaks occur through the locks of the piston rings." In this case, huge gas-dynamic losses adversely affect all the technical and economic characteristics of the engine.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в сокращении газодинамических потерь на любых режимах работы двигателя, увеличении объема свежего заряда воздуха в результате увеличения рабочего объема цилиндра.The technical result, the achievement of which the invention is directed, is to reduce gas-dynamic losses at any engine operating conditions, to increase the volume of fresh air charge as a result of increasing the working volume of the cylinder.

Технический результат достигается тем, что в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгорания, содержащей цилиндр, у которого внутренняя поверхность выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части и меньшим основанием в верхней части, уплотнительные кольца с конусной рабочей поверхностью, новым является то, что наружная поверхность поршня, начиная от верхней полки поршневой расточки, выполнена конической, при этом угол конуса равен углу конуса внутренней поверхности цилиндра.The technical result is achieved by the fact that in the cylinder-piston group of an internal combustion engine containing a cylinder in which the inner surface is made in the form of a truncated cone with a large base in the lower part and a smaller base in the upper part, the sealing rings with a conical working surface are new, that the outer surface of the piston, starting from the upper shelf of the piston bore, is made conical, while the angle of the cone is equal to the angle of the cone of the inner surface of the cylinder.

Коническая поверхность цилиндра отстоит от верхнего торца цилиндра на величину высоты жарового пояса поршня и камеры сгорания.The conical surface of the cylinder is spaced from the upper end of the cylinder by the height of the flame belt of the piston and the combustion chamber.

В одной поршневой расточке расположены уплотнительные и дополнительно введенные маслосъемные кольца, причем рабочая поверхность маслосъемных колец выполнена под углом к стенке цилиндра.In one piston bore there are sealing and additionally introduced oil scraper rings, the working surface of the oil scraper rings being made at an angle to the cylinder wall.

Уплотнительное кольцо, расположенное под верхним уплотнительным кольцом, снабжено обжимным разрезным поршневым кольцом, внутренний диаметр которого равен диаметру дна поршневой расточки, а наружный диаметр равен диаметру внутренней поверхности вышеупомянутого уплотнительного кольца, причем высота обжимного кольца и высота уплотнительного кольца равны.The seal ring located under the upper seal ring is provided with a crimp split piston ring, the inner diameter of which is equal to the diameter of the bottom of the piston bore, and the outer diameter is equal to the diameter of the inner surface of the aforementioned seal ring, the height of the compression ring and the height of the seal ring are equal.

Маслосъемное поршневое кольцо, расположенное над нижнем маслосъемным кольцом, снабжено обжимным разрезным поршневым кольцом, внутренний диаметр которого равен диаметру дна поршневой расточки, а наружный диаметр равен диаметру внутренней поверхности вышеупомянутого маслосъемного кольца, причем высота обжимного кольца и высота маслосъемного кольца равны.The oil scraper ring located above the lower oil scraper ring is provided with a crimp split piston ring whose inner diameter is equal to the diameter of the bottom of the piston bore and the outer diameter is equal to the diameter of the inner surface of the aforementioned oil scraper ring, the height of the crimp ring and the height of the oil scraper ring are equal.

На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (при положении поршня в ВМТ и пунктиром в НМТ).The drawing shows a partial cross section of an internal combustion engine (with the piston position in the upper dead center and the dotted line in the BDC).

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее компрессионное кольцо 3, второе сверху компрессионное кольцо 4, нижнее компрессионное кольцо 5, верхнее маслосъемное кольцо 6, второе снизу маслосъемное кольцо 7, нижнее маслосъемное кольцо 8, обжимное поршневое кольцо 9 и обжимное поршневое кольцо 10, установленные в поршневой расточке 11.The internal combustion engine comprises a cylinder 1, a piston 2, an upper compression ring 3, a second compression ring 4 from the top, a lower compression ring 5, an upper oil scraper ring 6, a second oil scraper ring 7 from the bottom, a lower oil scraper ring 8, a compression piston ring 9, and a compression piston ring 10 mounted in the piston bore 11.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При запуске двигателя поршень 2 находится в верхней мертвой точке на такте «всасывание», зазоры в замках всех поршневых колец, а также между дном поршневой расточки 11 и внутренними поверхностями компрессионными кольцами 3, 5 и маслосъемными кольцами 6, 8, между наружными поверхностями обжимных колец 9, 10 и внутренними поверхностями колец 4, 7, близки к нулю. При движении поршня 2 в нижнее положение диаметр цилиндра 1 постепенно увеличивается, компрессионные и маслосъемные кольца, плотно контактируя со стенкой цилиндра 1, разжимаясь, выходят из поршневой расточки 11, увеличивая зазор между внутренними поверхностями дна поршневой расточки 11, между наружным диаметром обжимных колец 9, 10 и внутренними поверхностями компрессионного кольца 4 и маслосъемного кольца 7, соответственно. За счет повышенного трения «скоблящих» маслосъемных колец 6, 7 и 8 о стенку цилиндра 1 весь пакет поршневых колец, включая обжимные кольца 9 и 10, смещается вверх, образуя термодинамический зазор между нижней полкой поршневой расточки 11 и нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 8, который в процессе прогрева двигателя увеличивается за счет более активного теплового расширения поршневой расточки 11. Плотно прижатые друг к другу поршневые кольца без привычных перемычек между ними, с зазорами в замках колец, расположенными под 180° по отношению друг к другу, перекрытие основного зазора в придонной полости поршневой расточки 11 обжимными кольцами 9 и 10, практически исключают газодинамические потери, образуя глубокое разрежение и активное всасывание свежего заряда воздуха в увеличивающееся пространство над поршнем 2. Одновременно обжимное кольцо 10 перекрывает путь прорыва моторного масла, снимаемого со стенки цилиндра 1, через нижний термодинамический зазор и основной зазор, образующийся в придонной полости поршневой расточки 11, исключая его проникновение в зону высокотемпературных рабочих газов, влияющих на ухудшение физико-химических качеств моторного масла и досрочную его сменяемость.The internal combustion engine operates as follows. When the engine starts, the piston 2 is located at the top dead center on the “suction” stroke, the gaps in the locks of all the piston rings, and also between the bottom of the piston bore 11 and the inner surfaces of the compression rings 3, 5 and the oil scraper rings 6, 8, between the outer surfaces of the crimp rings 9, 10 and the inner surfaces of the rings 4, 7, are close to zero. When the piston 2 moves to the lower position, the diameter of the cylinder 1 gradually increases, the compression and oil scraper rings, tightly contacting the wall of the cylinder 1, unclench, leave the piston bore 11, increasing the gap between the inner surfaces of the bottom of the piston bore 11, between the outer diameter of the crimp rings 9, 10 and the inner surfaces of the compression ring 4 and the oil scraper ring 7, respectively. Due to the increased friction of the “scraping” oil scraper rings 6, 7 and 8 against the cylinder wall 1, the entire package of piston rings, including the compression rings 9 and 10, moves upward, forming a thermodynamic gap between the lower shelf of the piston bore 11 and the lower end of the lower oil scraper ring 8, which in the process of warming up the engine increases due to more active thermal expansion of the piston bore 11. The piston rings are tightly pressed to each other without the usual jumpers between them, with gaps in the ring locks located at 180 ° with respect to to each other, overlapping the main gap in the bottom cavity of the piston bore 11 with crimping rings 9 and 10, virtually eliminates gas-dynamic losses, forming a deep vacuum and actively sucking a fresh charge of air into the increasing space above the piston 2. At the same time, the crimping ring 10 blocks the path of engine oil breakthrough, removed from the cylinder wall 1, through the lower thermodynamic gap and the main gap formed in the bottom cavity of the piston bore 11, excluding its penetration into the high temperature zone molecular working gases affecting deterioration in physical-chemical properties of engine oil and premature its removability.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» процесс повторяется в обратном порядке, под действием возрастающего давления над поршнем 2 весь пакет поршневых колец, смещаясь, прижимается к нижней полке поршневой расточки 11, закрывая термодинамический зазор между нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 8 и нижней полкой поршневой расточки 11 и, открывая зазор между верхней полкой поршневой расточки 11 и верхним торцом верхнего компрессионного кольца 3. Путь прорыва возрастающего давления рабочих газов через открывшийся зазор в придонную полость поршневой расточки 11 и далее в картер двигателя преграждают обжимные кольца 9 и 10, а зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 перекрыт вторым сверху компрессионным кольцом 4 и остальными поршневыми кольцами, включая маслосъемные поршневые кольца 5, 6 и 7. «Пакетная» конструкция уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1 обеспечивает практическое равенство действительного количества свежего заряда воздуха L с теоретически необходимым L₀, т.е. коэффициент избытка воздуха α=L/L₀≈1, что является свидетельством нецелесообразности применения каких-либо систем дополнительных «наддувов». Кроме того, при подходе к верхней мертвой точке диаметры цилиндра 1 и поршня 2 уменьшаются, следовательно, снижаются усилия создания более ранней критической величины давления рабочих газов над поршнем 2, обеспечивая более раннее воспламенение рабочей смеси и увеличение времени распространения пламени по всему фронту, тем самым содействуя более полному сгоранию топливовоздушной смеси и увеличению мощности двигателя, сокращению вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах.When the piston 2 moves to the upper position on the “compression” stroke, the process is repeated in the reverse order, under the action of increasing pressure over the piston 2, the entire package of piston rings, shifting, is pressed to the lower shelf of the piston bore 11, closing the thermodynamic gap between the lower end of the lower oil scraper ring 8 and the lower flange of the piston bore 11 and, opening the gap between the upper flange of the piston bore 11 and the upper end of the upper compression ring 3. The path of breaking the increasing pressure of the working gases through the open gap The compression rings 9 and 10 block the bottom cavity of the piston bore 11 and further into the engine crankcase, and the gap in the lock of the upper compression ring 3 is closed by the second compression ring 4 from above and other piston rings, including oil scraper piston rings 5, 6 and 7. "The design of the seal between the piston 2 and the cylinder 1 ensures the practical equality of the actual amount of fresh air charge L with the theoretically necessary L ₀ , ie the coefficient of excess air α = L / L ₀ ≈1, which is evidence of the inappropriateness of the use of any systems of additional "boost". In addition, when approaching the top dead center, the diameters of the cylinder 1 and piston 2 decrease, therefore, the efforts to create an earlier critical value of the working gas pressure above the piston 2 are reduced, providing earlier ignition of the working mixture and an increase in the propagation time of the flame along the entire front, thereby contributing to a more complete combustion of the air-fuel mixture and increase engine power, reducing harmful and polluting impurities in the exhaust gases.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход» высокоэффективное уплотнение между цилиндром 1 и поршнем 2, исключая прорыв высокотемпературных рабочих газов в картер двигателя, обеспечивает более полное срабатывание рабочего давления, повышая полезную работу двигателя, при этом маслосъемное поршневое устройство устраняет моторное масло со стенки цилиндра 1, исключая его встречу с высокотемпературными рабочими газами, более длительное время сохраняя физико-химические качества масла, существенно продлевая ресурс и увеличивая сроки его сменяемости.When the piston 2 moves to the lower position on the “stroke” stroke, a highly effective seal between the cylinder 1 and the piston 2, excluding the breakthrough of high-temperature working gases into the engine crankcase, provides a more complete operation of the working pressure, increasing the useful work of the engine, while the oil scraper eliminates the motor oil from the cylinder wall 1, excluding its meeting with high-temperature working gases, preserving the physicochemical properties of the oil for a longer time, significantly prolonging the life and increasing chivaya terms of its turnover.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» высокоэффективное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1 обеспечивает более полное освобождение цилиндра 1 от отработавших рабочих газов, при этом маслосъемное поршневое устройство практически исключает попадание моторного масла в камеру сгорания и далее на выхлоп, существенно уменьшая расход моторного масла на угар и положительно влияя на экологические показатели двигателя.When the piston 2 moves to the upper position on the “release” stroke, the highly efficient seal between the piston 2 and cylinder 1 provides a more complete release of the cylinder 1 from the exhaust working gases, while the oil scraper piston practically eliminates the ingress of engine oil into the combustion chamber and further into the exhaust, reducing the consumption of engine oil for waste and positively affecting the environmental performance of the engine.

Минимизация всех термодинамических зазоров в цилиндропоршневой группе двигателя, высокоэффективное уплотнение между поршнем и цилиндром, обеспечивающие незначительные газодинамические потери и механические потери на трение, высокоэффективное маслосъемное поршневое устройство, ограничивающее попадание моторного масла в зону высокотемпературных рабочих газов, сохраняя его физико-химические свойства более длительное время и, соответственно, существенно увеличивая сроки его замены, применение конической формы внутренней поверхности цилиндра, все это в совокупности создало эффективные условия работоспособности цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания.Minimization of all thermodynamic clearances in the piston-cylinder group of the engine, high-performance sealing between the piston and cylinder, providing insignificant gas-dynamic losses and mechanical friction losses, highly efficient oil scraper device, restricting the penetration of motor oil into the zone of high-temperature working gases, preserving its physicochemical properties for a longer time and, accordingly, significantly increasing the time for its replacement, the use of a conical shape of the inner surface and a cylinder, all combine to create an effective health conditions cylinder group of the internal combustion engine.

Claims

1. Cylinder-piston group of an internal combustion engine containing a cylinder, the inner surface of which is made in the form of a truncated cone with a large base in the lower part and a smaller base in the upper part, O-rings with a conical working surface, characterized in that the outer surface of the piston, starting from the upper shelf of the piston bore is made conical, while the angle of the cone is equal to the angle of the cone of the inner surface of the cylinder.

2. The cylinder-piston group of the internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the conical surface of the cylinder is spaced from the upper end of the cylinder by the height of the flame belt of the piston and the combustion chamber.

3. The cylinder-piston group of the internal combustion engine according to claim 1, characterized in that in one piston bore there are sealing and additionally introduced oil scraper rings, the working surface of the oil scraper rings being made at an angle to the cylinder wall.

4. The cylinder-piston group of the internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the sealing ring located under the upper sealing ring is provided with a crimp split piston ring, the inner diameter of which is equal to the diameter of the bottom of the piston bore, and the outer diameter is equal to the diameter of the inner surface of the aforementioned sealing ring wherein the height of the compression ring and the height of the o-ring are equal.

5. The cylinder-piston group of the internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the oil scraper piston ring located above the lower oil scraper ring is provided with a crimp split piston ring whose inner diameter is equal to the diameter of the piston bore bottom and the outer diameter is equal to the diameter of the inner surface of the aforementioned oil scraper rings, and the height of the crimp ring and the height of the oil scraper ring are equal.