двигатель внутреннего сгорания и его поршень

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, цилиндр, размещенный в нем с образованием надпоршневой и картерной полостей поршень с головкой, коленчатый вал с противовесами, установленный в картере и связанный с поршнем при помощи шатуна, продувочное и выпускное окна, расположенные в надпоршневой полости с возможностью их перекрытия поршнем в районе нижней мертвой точки, входное окно, выполненное в картерной полости и связанное с продувочным окном с помощью продувочного канала, и впускное окно, расположенное в картерной полости с возможностью сообщения с последней при положении поршня в районе верхней мертвой точки и соединенное с источником свежего заряда, причем в головке поршня выполнена продувочная полость с входным и выходным отверстиями, связанными с источником свежего заряда и надпоршневой полостью соответственно с возможностью сообщения надпоршневой полости с источником свежего заряда через продувочную полость поршня, отличающийся тем, что в цилиндре выполнен перепускной канал, в надпоршневой полости - сообщенное с последним перепускное окно, выходное отверстие продувочной полости расположено на цилиндрической поверхности поршня с возможностью его соединения с перепускным каналом при положении поршня в районе нижней мертвой точки, а входное отверстие продувочной полости расположено со стороны впускного окна с возможностью сообщения с ним при положении поршня в районе нижней мертвой точки, причем в продувочной полости между ее входным и выходным отверстиями в поперечной плоскости поршня установлен дефлектор с проходными отверстиями, выполненными со стороны, противоположной выходному отверстию.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что входное и выходное отверстия продувочной полости расположены на одной стороне поршня.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что верхняя кромка перепускного окна расположена по высоте между верхними кромками выпускного и продувочного окон.

4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что на кромках противовесов в плоскости их вращения со стороны входных окон выполнены тороидальные проточки, причем образующая тороидальной поверхности проточки в радиальной плоскости противовеса выполнена в виде дуги, ограниченной с одной стороны цилиндрической поверхностью противовеса, а с другой - торцевой его плоскостью.

5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что точки пересечения тороидальной поверхности проточки с торцевой плоскостью расположены на расстоянии, не меньшем минимального расстояния от оси коленчатого вала до кромки входного окна.

6. Двигатель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что на поверхности поршня со стороны картерной полости выполнены вытеснители.

7. Двигатель по пп.1 - 6, отличающийся тем, что вытеснители выполнены в виде тороидальных поверхностей, расположенных в тороидальных проточках противовесов при положении поршня в нижней мертвой точке.

8. Двигатель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что источник свежего заряда выполнен в виде нагнетателя.

9. Поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий юбку, выполненную в виде втулки с внутренним кольцевым буртиком, бобышечную часть с отверстием под поршневой палец, расположенную внутри юбки и контактирующую своей торцевой поверхностью с кольцевой поверхностью буртика, и головку, установленную в юбке, причем головка, юбка и бобышечная часть стянуты при помощи резьбовых соединений, отличающийся тем, что головка и бобышечная часть расположены с противоположных сторон кольцевого буртика с образованием между внутренними поверхностями головки и бобышечной части продувочной полости с входным и выходным отверстиями, выполненными в цилиндрической поверхности поршня, бобышечная часть выполнена в виде цилиндра, контактирующего с внутренней поверхностью юбки, в продувочной полости установлен дефлектор с выполненными в нем проходными отверстиями и расположен в поперечной плоскости поршня с образованием впускной и охлаждающей полостей, сообщенных соответственно входным и выходным отверстиями, а проходные отверстия дефлектора выполнены со стороны, противоположной выходному отверстию.

10. Поршень по п.9, отличающийся тем, что дефлектор выполнен заодно с кольцевым буртиком юбки.

11. Поршень по пп.9 и 10, отличающийся тем, что бобышечная часть установлена в юбке с натягом.

12. Поршень по пп.9 - 11, отличающийся тем, что в юбке выполнены отверстия, соосные с отверстием под поршневой палец в бобышечной части.

13. Поршень по пп.9 - 12, отличающийся тем, что на наружной поверхности бобышечной части выполнены вытеснители.

14. Поршень по пп.9 - 13, отличающийся тем, что дефлектор выполнен в виде теплового экрана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям с кривошипно-камерной продувкой.

Известен двигатель с продувкой полости цилиндра свежим зарядом (1), содержащий цилиндр с поршнем, продувочные окна, расположенные в надпоршневой полости, и впускное окно, связанное с источником свежего заряда, и перепускной канал, выполненный в цилиндре, причем в поршне выполнена продувочная полость с входным и выходным отверстиями, сообщенными соответственно с впускным окном и с надпоршневой полостью посредством перепускного канала при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ).

Недостатками аналога являются возможность продувки полости поршня путем подачи в нее свежего заряда только под давлением, что увеличивает затраты возможности нагнетателя на продувку цилиндра.

Известен двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-камерной продувкой, содержащий картер, цилиндр, размещенный в нем поршень с образованием надпоршневой и картерной полостей, коленчатый вал с противовесами, установленный в картере и связанный с поршнем при помощи шатуна, продувочное и выпускное окна, расположенные в надпоршневой полости с возможностью перекрытия поршнем в районе НМТ, входное окно, выполненное в картерной полости и связанное с продувочным окном с помощью продувочного канала, и впускное окно, расположенное в картерной полости с возможностью сообщения с последней при положении поршня в районе верхней мертвой точки (ВМТ) и сообщенное с источником свежего заряда, причем в головке поршня выполнена продувочная полость с входным и выходным отверстиями, связанными с источником свежего заряда и с надпоршневой полостью соответственно, с возможностью сообщения надпоршневой полости с источником свежего заряда через продувочную полость поршня (2).

Недостатками прототипа являются также наличие затрат на продувку поршневой полости, потери тепла за счет теплопередачи в картерную полость через поверхность головки поршня, а также плохая организация процесса сгорания из-за несовершенства формы камеры.

Известен составной поршень, содержащий юбку, выполненную в виде втулки с внутренним кольцевым буртиком, бобышечную часть с отверстием под поршневой палец, расположенную внутри юбки и контактирующую своей торцевой поверхностью с кольцевой поверхностью буртика, и головку, установленную в юбке, причем головка, юбка и бобышечная часть стянуты при помощи резьбовых соединений (3).

Недостатками прототипа в части поршня являются отсутствие организованной циркуляции охлаждающей среды в головке поршня, а также возможность конвективной составляющей потерь тепла в бобышечную часть из-за большой поверхности контакта головки с бобышечной частью.

Целью изобретения является повышение эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом двигателе в цилиндре выполнен перепускной канал, в надпоршневой полости - сообщенное с последним перепускное окно, выходное отверстие продувочной полости расположено на цилиндрической поверхности поршня с возможностью его соединения с перепускным каналом при положении поршня в районе нижней мертвой точки, а входное отверстие продувочной полости расположено со стороны впускного окна с возможностью сообщения с ним при положении поршня в районе НМТ, причем в продувочной полости между ее входным и выходным отверстиями в поперечной плоскости поршня установлен дефлектор с проходными отверстиями, выполненными со стороны, противоположной выходному отверстию.

Цель достигается тем, что входное и выходное отверстия продувочной полости расположены на одной стороне поршня.

Цель достигается тем, что верхняя кромка перепускного окна может быть расположена по высоте между верхними кромками выпускного и продувочного окон.

Цель достигается тем, что на кромках противовесов в плоскости их вращения со стороны входных окон могут быть выполнены тороидальные проточки, причем образующая тороидальной поверхности проточки в радиальной плоскости противовеса может быть выполнена в виде дуги, ограниченной с одной стороны цилиндрической поверхностью противовеса, а с другой - торцевой его плоскостью.

Цель достигается тем, что точки пересечения тороидальной поверхности проточки с торцевой плоскостью могут быть расположены на расстоянии, не меньшем минимального расстояния от оси коленчатого вала до кромки входного окна.

Цель достигается тем, что на поверхности поршня со стороны картерной полости могут быть выполнены вытеснители, например, в виде тороидальных поверхностей, расположенных в тороидальных проточках противовесов при положении поршня в НМТ.

Цель достигается тем, что источник свежего заряда, сообщенный с впускным окном, может быть выполнен в виде нагнетателя.

Поставленная цель в части поршня достигается тем, что в предлагаемом поршне головка и бобышечная часть расположены с противоположных сторон кольцевого буртика с образованием между внутренними поверхностями головки и бобышечной части продувочной полости с входным и выходным отверстиями, выполненными в цилиндрической поверхности поршня, бобышечная часть выполнена в виде цилиндра, контактирующего с внутренней поверхностью юбки, причем в продувочной полости установлен дефлектор с выполненными в нем проходными отверстиями и расположен в поперечной плоскости поршня с образованием впускной и охлаждающей полостей, сообщенных соответственно с входным и выходным отверстиями, а проходные отверстия дефлектора выполнены со стороны, противоположной выходному отверстию.

Цель достигается тем, что дефлектор выполнен заодно с кольцевым буртиком юбки, что бобышечная часть может быть установлена в юбке с натягом, что в юбке могут быть выполнены отверстия, соосные с отверстием под поршневой палец в бобышечной части, что на наружной поверхности бобышечной части выполнены вытеснители, а также тем, что дефлектор может быть выполнен в виде теплового экрана.

На фиг. 1 представлен описываемый двигатель при положении поршня в положении НМТ; на фиг. 2 - составной поршень.

Двигатель содержит картер 1, цилиндр 2, размещенный в нем с образованием надпоршневой 3 и картерной 4 полостей поршень 5 с головкой 6, коленчатый вал 7 с противовесами 8, установленный в картере 1 и связанный с поршнем 5 при помощи шатуна 9, продувочное 10 и выпускное 11 окна, расположенные в надпоршневой полости 3, входное окно 12, выполненное в картерной полости 4 и связанное с продувочным окном 10 с помощью продувочного канала 13, и выпускное окно 14, расположенное в картерной полости 4 и сообщенное с источником свежего заряда, например, атмосферой. В головке 6 поршня 5 выполнена продувочная полость 15 с входным 16 и выходным 17 отверстиями, расположенными на цилиндрической поверхности поршня 5.

В цилиндре 2 выполнен перепускной канал 18, а в надпоршневой полости 3 - сообщенное с каналом 18 перепускное окно 19. В продувочной полости 15 между входным и выходным отверстиями 16 и 17 в поперечной плоскости поршня 5 установлен дефлектор 20 с проходными отверстиями 21, выполненными со стороны, противоположной выходному отверстию 17.

Входное 16 и выходное 17 отверстия полости 15 могут быть расположены на одной стороне поршня 5.

Верхняя кромка перепускного окна 19 может быть расположена по высоте между верхними кромками выпускного 11 и продувочного 10 окон.

На кромках противовесов 8 в плоскости их вращения со стороны входных окон 12 могут быть выполнены тороидальные проточки 22, причем образующая тороидальной ее поверхности в радиальной плоскости противовеса 8 выполнена в виде дуги, ограниченной с одной стороны цилиндрической поверхностью 23 противовеса 8, а с другой - торцевой его плоскостью 24. Точки пересечения тороидальной поверхности проточки 22 с торцевой плоскостью 24 при этом расположены на расстоянии, не меньшем минимального расстояния от оси вала 7 до кромки входного окна 12.

На поверхности поршня 5 со стороны картерной полости 4 могут быть выполнены вытеснители 25, например, в виде тороидальных выпуклых поверхностей, расположенных в тороидальных проточках 22 при положении поршня 5 в НМТ.

Источник свежего заряда, сообщенный с впускным окном 14, может быть выполнен также в виде нагнетателя 26.

Описываемый составной поршень 5 содержит юбку 27, выполненную в виде втулки с внутренним кольцевым буртиком 28, бобышечную часть 29 с отверстием 30 под поршневой палец 31, выполненную в виде цилиндра и установленную внутри юбки 27, например, с натягом, и головку 6, установленную в юбке 27. Головка 6 и бобышечная часть 29 расположены с противоположных сторон кольцевого буртика 28 с образованием между их внутренними поверхностями продувочной полости 15 с входным 16 и выходным 17 отверстиями, при этом головка 6, юбка 27 и бобышечная часть 29 стянуты при помощи болтов 32, ввернутых в головку 6 и затянутых гайками 33, расположенными на наружной поверхности бобышечной части 29.

В продувочной полости 15 установлен дефлектор 20 с проходными отверстиями 21 с образованием впускной 34 и охлаждающей 35 полостей по обе стороны от дефлектора 20. При этом дефлектор 20 может быть выполнен в виде теплового экрана и заодно с кольцевым буртиком 28.

В юбке 27 могут быть выполнены отверстия 36, соосные с отверстием 30 бобышечной части 29, а вытеснители 25 могут быть выполнены на поверхности бобышечной части 29.

Двигатель работает следующим образом. При перемещении поршня 5 к ВМТ в надпоршневой полости 3 происходит сжатие свежего заряда, а в картерной полости 4 - всасывание свежего заряда через впускное окно 14 из атмосферы. После воспламенения заряда в надпоршневой полости 3 происходит расширение горящих газов в ней и перемещение поршня 5 к НМТ со сжатием в картерной полости 4 свежего заряда. В конце расширения в районе НМТ поршень 5 открывает сначала выпускное окно 11, после чего начинается выпуск отработавших газов из надпоршневой полости 3. В начальной стадии процесса выпуска газы перетекают из полости 3 с высокой скоростью, в результате чего в районе противоположных выпускному окну 11 стенок цилиндра 2 создается разрежение. В этот момент начинает открываться поршнем 5 перепускное окно 19, которое посредством перепускного канала 18, выходного отверстия 17, продувочной полости 15, входного отверстия 16 и впускного окна 14 связано с атмосферой. За счет создаваемого в районе перепускного окна 19 разрежения, а также из-за наличия волновых явлений при впуске, в надпоршневую полость 3 поступает свежий заряд из впускного окна 14 через продувочную полость 15. В случае использования в качестве свежего заряда воздуха, его направляют из перепускного окна 19 в сторону выпускного окна 11 для создания воздушной подушки перед подачей топливной смеси в цилиндр, или перед впрыском топлива. Если в качестве свежего заряда используется топливно-воздушная смесь, то в этом случае порцию нагретой смеси с испаренным в ней топливом направляют в сторону средства воспламенения заряда.

После начала продувки через перепускное окно 19 поршень 5 при дальнейшем перемещении к НМТ открывает продувочное окно 10 и происходит продувка надпоршневой полости 3 сжатым в картерной полости 4 свежим зарядом через продувочный канал 13 и наполнение цилиндра 2 с последующим перекрытием продувочного 10, перепускного 19 и выпускного 11 окон поршнем 5 и сжатием в надпоршневой полости 3 свежего заряда.

Использование в качестве источника свежего заряда, связанного со впускным окном 14, нагнетателя 26 позволяет повысить эффективность продувки полости 15 поршня 5, а также осуществить дозарядку цилиндра 2 в начале такта сжатия через перепускное окно 19.

Наличие дефлектора 20 позволяет организовать направленное движение свежего заряда в полости 15 вдоль всей внутренней поверхности головки 6, охлаждая сначала наиболее нагретую часть в районе выпускного окна 11, находящегося напротив выходного отверстия 17 и перепускного окна 19. Дефлектор 20 одновременно выполняет роль теплового экрана как в части излучения с внутренней поверхности головки 6, так и в части конвективного теплообмена - препятствует перемешиванию нагретой части заряда в охлаждающей полости 35 с зарядом, находящимся во впускной полости 34.

В случае выполнения на кромках противовесов 8 тороидальных проточек 22 со стороны входных окон 12 возможно снижение высоты двигателя при тех же рабочих параметрах за счет уменьшения длины шатуна 9. Выполнение на поверхности поршня 5 со стороны картерной полости 4 вытеснителей 25 в виде тороидальных выпуклых поверхностей, которые расположены в тороидальных проточках 22 при положении поршня 5 в НМТ, позволяет уменьшить до минимума вредный объем в картерной полости 4 и повысить степень сжатия в ней, а также интенсифицировать процесс вытеснения свежего заряда в продувочный канал 13 и процесс смесеобразования.

Выполнение поршня 5 составным (в случае использования его в двигателях именно с картерной продувкой) позволяет изменять параметры продувки двигателя за счет подбора вытеснителей 25 по форме и размерам простой заменой бобышечной части 29. Изменение параметров продувки полости 15, а значит, и режима охлаждения головки 6 поршня 5 на различных модификациях двигателя достигается также путем подбора внутренней (а также и наружной) формы головки 6 и внутренней формы бобышечной части 29. Отсутствие в поршне 5 масляных полостей позволяет стягивать составные его части через сквозные отверстия болтами 32.

Наличие отверстий 36 в юбке 27 позволяет упростить сборку и разборку двигателя при отсоединении поршня 5 и шатуна 9 без разъединения юбки 27 и бобышечной части 29.

Таким образом, предложенные технические решения позволяют снизить затраты на принудительное охлаждение поршня, при этом одновременно улучшить продувку цилиндра, снизить потери топливо-воздушной смеси при продувке, увеличить наполнение цилиндра, снизить потери тепла через поршень в картерную полость, что в свою очередь увеличивает наполнение цилиндра, а также приготовить часть заряда, в случае продувки поршневой полости топливной смесью, путем его нагрева для подачи в область свечи и улучшения таким образом воспламенения заряда и его сгорания.