RU2056518C1

RU2056518C1 - Internal combustion engine piston

Info

Publication number: RU2056518C1
Application number: RU93044216A
Authority: RU
Inventors: Ю.И. Писаревич; А.А. Чубаров
Original assignee: Малое научно-производственное предприятие в форме общества с ограниченной ответственностью "НИИТП-ФОР"
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1996-03-20

Abstract

FIELD: manufacture of engines. SUBSTANCE: piston head is provided with blind passages with open inlet on side of head over which hot gases flow. Length of passages is equal to (0.23-0.37) Д, where Д is mean diameter of piston and their total area is equal to (0.7-4) percent of area of cross section of piston head. Inlets of passages are located in peripheral zone of head at distance from piston axis exceeding 0.3 Д. Passages may be made at angle relative to piston axis and their length may be different. Passages may be located not unifromly. Besides that, they may be made in lugs of bosses vor piston pin. EFFECT: enhanced reliability. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания (ДВС), конкретнее к конструкции поршня ДВС, имеющей своей целью улучшение антидетонационных качеств двигателя. The invention relates to an internal combustion engine (ICE), and more particularly to the design of a piston of an internal combustion engine, with the aim of improving the anti-knock quality of the engine.

Известен способ повышения антидетонационных характеристик ДВС с одновременным сохранением или повышением экономичности двигателя, который связан с устройством резонаторов, сообщающихся с камерой сгорания (патент США N 3063438, кл. 123-191, 1962; патент США N 4788942, кл. F 02 B 17/00, 1988). Наличие резонаторов обеспечивает дополнительные потери энергии колебаний, возникающих в камере сгорания вследствие возмущений, связанных с выгоранием топливной смеси, и тем самым подавление или ограничение роста амплитуд колебаний давления в камере и вызванных ими вибраций конструкции двигателя. Кроме того, вблизи открытого конца резонатора в камере возникают пульсирующий поток, который создается истечением колеблющихся в резонаторе газообразных продуктов и интенсифицирует процесс выгорания топливной смеси. A known method of increasing the anti-knock characteristics of an internal combustion engine while maintaining or improving the efficiency of the engine, which is associated with the device of the resonators in communication with the combustion chamber (US patent N 3063438, CL 123-191, 1962; US patent N 4788942, CL F 02 B 17 / 00, 1988). The presence of resonators provides additional loss of energy of vibrations arising in the combustion chamber due to disturbances associated with the burning of the fuel mixture, and thereby suppressing or limiting the growth of amplitudes of pressure fluctuations in the chamber and the vibrations of the engine structure caused by them. In addition, a pulsating flow arises in the chamber near the open end of the resonator, which is created by the outflow of gaseous products oscillating in the resonator and intensifies the process of burning of the fuel mixture.

Известны, поршни двигателей внутреннего сгорания, на днище которых расположены полые тонкостенные устройства с одним открытым концом, которые своими открытыми концами сообщаются с камерой сгорания, или трубчатые элементы, которые своими открытыми концами закреплены на омываемой горячими газами поверхности, образуя полости, связанные с камерой сгорания. Каждая из упомянутых полостей или каждый из трубчатых элементов имеют продольный размер, по меньшей мере вдвое превышающий размер отверстия в упомянутой поверхности. Использование модифицированных поршней дало выигрыш октанового числа топлива на 30 единиц. Однако в этих конструкциях не определены абсолютные длины трубчатых элементов, площадь их отверстий и не конкретизировано их расположение на поршне. Known pistons of internal combustion engines, on the bottom of which there are hollow thin-walled devices with one open end, which open ends communicate with the combustion chamber, or tubular elements, which are open ends fixed to the surface washed by hot gases, forming cavities associated with the combustion chamber . Each of these cavities or each of the tubular elements has a longitudinal dimension of at least twice the size of the hole in said surface. Using modified pistons yielded an octane gain of fuel by 30 units. However, in these designs the absolute lengths of the tubular elements, the area of their holes, and their location on the piston are not specified.

Сущность изобретения заключается в конкретизации длины, площади и места расположения каналов. The invention consists in the specification of the length, area and location of the channels.

Предлагается поршень двигателя внутреннего сгорания, в корпусе которого выполнены глухие каналы, с открытым входом со стороны днища, омываемой горячими газами, отличающийся тем, что длина каналов составляет (0,23-0,37) D, где D средний диаметр поршня, суммарная площадь каналов составляет (0,7-4)% от площади поперечного сечения днища поршня, а входы каналов расположены в периферийной зоне днища поршня на расстоянии от оси поршня, превышающем 0,3 D. A piston of an internal combustion engine is proposed, in the housing of which blind channels are made, with an open entrance from the bottom side, washed by hot gases, characterized in that the length of the channels is (0.23-0.37) D, where D is the average piston diameter, total area channels is (0.7-4)% of the cross-sectional area of the piston bottom, and the channel inputs are located in the peripheral zone of the piston bottom at a distance from the piston axis exceeding 0.3 D.

Каналы могут быть выполнены под углом к оси поршня и могут иметь неодинаковую длину. Их можно выполнять в приливах бобышек поршневого пальца и располагать неравномерно по днищу. The channels can be made at an angle to the axis of the piston and can have a different length. They can be performed in the tides of the piston pin bosses and placed unevenly on the bottom.

Указанная конкретизации осуществлена на основе учета особенностей колебаний, развивающихся в камере ДВС, вследствие чего повышается эффективность подавления или ограничения колебаний, сопровождающихся детонационный стук. The specified concretization is carried out on the basis of taking into account the peculiarities of the oscillations developing in the ICE chamber, as a result of which the efficiency of suppressing or limiting the oscillations accompanied by a knock is increased.

Выполнение сформулированных выше условий и требований обеспечивает, как показали проведенные нами эксперименты, достаточно сильное воздействие каналов-резонаторов на колебательные процессы в ДВС. The fulfillment of the conditions and requirements formulated above ensures, as our experiments have shown, a sufficiently strong effect of the resonator channels on vibrational processes in the internal combustion engine.

Требования к расположению каналов обусловлены тем, что для возбуждения резонатора на его входе заметным образом должно колебаться либо давление, либо объемная скорость, направленная по оси отверстия. Распределение амплитуд колебаний давления в объеме камеры сгорания зависит от ее формы. Обычно форма камеры сгорания, образуемой головкой цилиндра и поршнем при его положении в верхней мертвой точке (ВМТ), не очень сильно отличается от цилиндрической. Соответственно и форма колебаний давления будет близка к форме колебаний давления в цилиндрической камере, для поперечного сечения которой распределение давления P(r, Φ) для обычно развивающейся в ДВС формы с наиболее низкой собственной частотой в полярных координатах r и Φ определяется формулой
P(r, Φ)= AJ1(1,84 r/R) cos Φ, где А постоянная; J1 функция Бесселя первого рода первого порядка; R радиус цилиндра.The requirements for the arrangement of the channels are due to the fact that in order to excite the resonator at its input, either pressure or the space velocity directed along the axis of the hole must fluctuate noticeably. The distribution of the amplitudes of the pressure fluctuations in the volume of the combustion chamber depends on its shape. Typically, the shape of the combustion chamber formed by the cylinder head and piston when it is at top dead center (TDC) is not very different from the cylindrical one. Correspondingly, the form of pressure oscillations will be close to the form of pressure oscillations in a cylindrical chamber, for the cross section of which the pressure distribution P (r, Φ) for the form that usually develops in the ICE with the lowest natural frequency in the polar coordinates r and Φ is determined by the formula
P (r, Φ) = AJ1 (1.84 r / R) cos Φ, where A is a constant; J1 Bessel function of the first kind of the first order; R is the radius of the cylinder.

Как следует из приведенной формулы, наибольшие амплитуды колебаний наблюдаются при r= R, т. е. вблизи стенки цилиндра. Там и следует стремиться расположить входные отверстия каналов. Наоборот, при радиусе r=0 амплитуда колебаний давления P(r, Φ)| ->> 0 и располагать в этих зонах отверстия каналов-резонаторов на торцовых поверхностях камеры сгорания, т. е. на поршне и головке цилиндра, бесполезно, так как колебания в них разбуждаться не будут. As follows from the above formula, the largest oscillation amplitudes are observed at r = R, i.e., near the cylinder wall. There, one should strive to arrange the inlet openings of the channels. Conversely, for a radius r = 0, the amplitude of the pressure oscillations P (r, Φ) | - >> 0 and it is useless to locate the openings of the resonator channels in the end surfaces of the combustion chamber, i.e., on the piston and cylinder head, since the vibrations in them will not be awakened.

На фиг. 1 представлена предлагаемая схема, где 1 корпус, 2 днище, 3 каналы, 4 бобышки под поршневой палец, 5 прилив бобышек под поршневой палец. In FIG. 1 shows the proposed scheme, where 1 housing, 2 bottom, 3 channels, 4 bosses under the piston pin, 5 tide of bosses under the piston pin.

На фиг. 2. представлено изменение интенсивности колебаний в зависимости от безразмерного радиуса r/R или диаметра d/D=r/R и определено условие размещения входных отверстий каналов-резонаторов, заключающееся в том, чтобы интенсивность колебаний в резонаторах, пропорциональная квадрату амплитуды колебаний давления, уменьшалась по сравнению с максимально возможным значением не более чем в 5 раз. Видно, что входы каналов резонаторов, размещенных на поршне, должны быть расположены в периферийной зоне днища на расстоянии от оси поршня, превышающем 0,3 D. In FIG. 2. the change in the intensity of oscillations is presented depending on the dimensionless radius r / R or the diameter d / D = r / R and the condition for the placement of the input openings of the resonator channels is determined, namely, that the oscillation intensity in the resonators, which is proportional to the square of the amplitude of the pressure oscillations, decreases compared with the maximum possible value of not more than 5 times. It is seen that the inputs of the channels of the resonators placed on the piston should be located in the peripheral zone of the bottom at a distance from the piston axis exceeding 0.3 D.

Условия распространения и диссипации энергии колебаний в камере сгорания с каналами-резонаторами накладывают ограничения на длину каналов, а также на величину площади отверстий резонаторов на поверхности поршня, которая имеет некоторое оптимальное значение, так как при слишком малой площади воздействие резонаторов будет мало, а при слишком большой начнут преобладать колебания, возбуждаемые самыми резонаторами. Длина канала с учетом средней скорости звука в нем определяет собственную частоту канала как четвертьволнового резонатора. The conditions for the propagation and dissipation of vibrational energy in a combustion chamber with resonator channels impose restrictions on the length of the channels, as well as on the size of the openings of the resonators on the piston surface, which has some optimal value, since if the area is too small, the effect of the resonators will be small, and if too large oscillations excited by the resonators themselves will begin to dominate. The length of the channel, taking into account the average speed of sound in it, determines the natural frequency of the channel as a quarter-wave resonator.

Для демпфирования колебаний в камере сгорания необходимо, чтобы суммарная площадь каналов составляла (0,7-4)% от площади днища поршня, а необходимые длины каналов L составляли (0,23-0,37) D. Средний диаметр поршня D определяется по площади его поперечного сечения F_п по формуле
D= 2

, так как поперечное сечение поршня имеет овальную форму, которая близка, но все таки отличается от круговой.To damp vibrations in the combustion chamber, it is necessary that the total area of the channels be (0.7-4)% of the piston bottom area, and the necessary channel lengths L should be (0.23-0.37) D. The average piston diameter D is determined by the area its cross section F _p according to the formula
D = 2

, since the cross section of the piston has an oval shape, which is close, but still different from the circular.

Соотношение между длинами каналов и диаметром поршня эквивалентно соотношению между собственными частотами резонатора и камеры сгорания. Длина каналов L выбирается с учетом отличия средней скорости звука в канале от средней скорости звука в камере сгорания. В экспериментах исследованы цилиндрические каналы диаметром d_к=2-6 мм. При каких-либо отличиях формы канала от цилиндрической его длина определяется по формуле L=V_к/F_к=4V_к/π · d²к, где V_к объем канала; F_к площадь его поперечного сечения.The ratio between the channel lengths and the piston diameter is equivalent to the ratio between the natural frequencies of the resonator and the combustion chamber. The length of the channels L is selected taking into account the difference between the average speed of sound in the channel from the average speed of sound in the combustion chamber. In experiments, cylindrical channels with a diameter d _k = 2-6 mm were investigated. With any differences in the shape of the channel from the cylindrical, its length is determined by the formula L = V _to / F _to = 4V _to / π · d ² k, where V _{to the} volume of the channel; F _to its cross-sectional area.

Для расширения диапазона диаметров канала или при отличии формы канала от цилиндрической следует воспользоваться данными акустики по эффективным длинам каналов. Коррекция на отличие средней скорости звука в канале от скорости звука в камере сгорания была проведена на основе серии стендовых испытаний двигателей с поршнями, в днищах которых со стороны камеры сгорания были выполнены глухие каналы. Каналы 3, если это способствует демпфированию колебаний, можно выполнять неодинаковой длины. Они могут быть расположены не обязательно под прямым углом к поверхности поршня, т. е. под углом к его оси. В испытанной конструкции они были расположены в приливах бобышек поршневого пальца под углом к оси поршня. Каналы и их входы могут быть выполнены неравномерно по днищу. To expand the range of channel diameters or when the channel shape differs from cylindrical, one should use acoustic data on the effective channel lengths. Correction for the difference between the average speed of sound in the channel and the speed of sound in the combustion chamber was carried out on the basis of a series of bench tests of engines with pistons, in the bottoms of which blind channels were made from the side of the combustion chamber. Channels 3, if this contributes to the damping of vibrations, it is possible to perform unequal lengths. They may not necessarily be located at right angles to the piston surface, i.e., at an angle to its axis. In the tested design, they were located in the tides of the bosses of the piston pin at an angle to the axis of the piston. Channels and their inputs can be made unevenly on the bottom.

Анализ результатов стендовых испытаний многоцилиндрового двигателя, часть цилиндров которого была снабжена предлагаемыми поршнями, а часть имела обычные, недоработанные поршни (при взаимной замене модифицированных и обычных поршней), показал, что модификация поршней приводит либо к полному подавлению детонационного стука в камерах сгорания цилиндров с модифицированными поршнями, либо к снижению уровня виброускорений двигателя при сгорании топлива в этих камерах сгорания. An analysis of the results of bench tests of a multi-cylinder engine, part of which was equipped with the proposed pistons, and some had conventional, unfinished pistons (with the mutual replacement of modified and conventional pistons), showed that the modification of the pistons leads either to complete suppression of the detonation knock in the combustion chambers of the cylinders with modified pistons, or to reduce the level of vibration acceleration of the engine during fuel combustion in these combustion chambers.

Claims

1. THE PISTON OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE, comprising a housing with a bottom and bosses under the piston pin, and in the housing there are blind channels with an open entrance from the bottom side, washed by hot gases, characterized in that the channel length is (0.23 - 0.37) D, where D is the average diameter of the piston, the total area of the channels is 0.7 - 4% of the cross-sectional area of the piston bottom, and the channel inputs are located in the peripheral zone of the bottom at a distance from the piston axis exceeding 0.3 D.

2. The piston according to claim 1, characterized in that the channels are made at an angle to the axis of the piston.

3. The piston according to claims 1 and 2, characterized in that the channels are made of various lengths.

4. The piston according to claims 1 to 3, characterized in that the channels are arranged unevenly.

5. The piston according to claims 1 to 4, characterized in that the channels are made in the tides of the bosses under the piston pin.