RU2064059C1

RU2064059C1 - Cylinder-piston pair

Info

Publication number: RU2064059C1
Application number: RU92006723A
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Болычевский
Original assignee: Юрий Михайлович Болычевский
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1992-11-16
Publication date: 1996-07-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: device has cylinder with ceramic protective coating in form of overturned cup and piston with ceramic protective coatings also made in form of overturned cup. Outer diameter of piston protective coating is 0.2-1 mm smaller than inner diameter of cylinder. External surfaces of cylinder and piston ceramic coatings are provided with mirror layers of refractory metal, 0.5-5 μm thick. EFFECT: enhanced quality of cylinder-piston pair. 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к области тепловых двигателей и может быть использовано, в частности в двигателях внутреннего сгорания. The invention relates to engine building, namely to the field of heat engines and can be used, in particular in internal combustion engines.

Известна цилиндропоршневая пара (см. а. с. СССР N 878994 по кл. F 02 F З/10, опуб. 07.11.81), содержащая поршень с керамическим защитным покрытием на днище, снабженном металлическими штырями. При этом защитное покрытие расположено между штырями и имеет толщину 3-6 мм. Такое решение позволило не только улучшить термический режим поршня, но и заметно уменьшить паразитный тепловой поток от рабочего газа, идущий через стенки надпоршневого объема (прямые потери теплопроводности) в обход основного термодинамического процесса, т. е. без преобразования тепла в механическую работу. За счет указанной блокады паразитного потока тепла удалось повысить КПД двигателя. Однако в данном случае блокада действует лишь на головной поверхности поршня, т.е. частично, а потому повышение КПД невелико. A cylinder-piston pair is known (see a.a. USSR N 878994 according to class F 02 F Z / 10, publ. 07.11.81) containing a piston with a ceramic protective coating on the bottom equipped with metal pins. In this case, the protective coating is located between the pins and has a thickness of 3-6 mm. Such a solution allowed not only improving the thermal regime of the piston, but also significantly reducing the parasitic heat flux from the working gas flowing through the walls of the over-piston volume (direct heat conduction losses) bypassing the main thermodynamic process, i.e., without converting heat into mechanical work. Due to this blockade of the parasitic heat flux, it was possible to increase the engine efficiency. However, in this case, the blockade acts only on the piston head surface, i.e. partially, but because the increase in efficiency is small.

Известна также цилиндропоршневая пара (см. а. с. СССР N 1553750 по кл.F О2 F 1/18, опуб. 30.03.90), содержащая цилиндр, головку, жаропрочную накладку, установленную в цилиндрическом углублении днища головки. При этом, поверхности днища головки снабжены слоем напиленного керамического материала. Also known is a cylinder-piston pair (see a. From the USSR N 1553750 according to class F О2 F 1/18, publ. 30.03.90), containing a cylinder, a head, a heat-resistant pad installed in a cylindrical recess of the bottom of the head. At the same time, the surface of the bottom of the head is provided with a layer of sawed ceramic material.

Такое решение также повышает КПД за счет блокады паразитного теплового потока. Однако оно имеет тот же недостаток, что и предыдущее, поскольку блокада сугубо частична. This solution also increases efficiency due to the blockade of stray heat flux. However, it has the same drawback as the previous one, since the blockade is purely partial.

Непосредственным прототипом заявляемой конструкции является цилиндро-поршневая пара по ЕПВ (ЕР) N 0321159 МКИ 4 F O2 В 77/02, 77/11 опуб. 21.06.1989, также содержащая тепловую защиту, целиком выполненную из высокопрочной, термостойкой и плохо теплопроводной керамики. Защитное покрытие состоит из двух частей цилиндровой и поршневой. Последняя имеет вид цилиндрической надстройки над поршневой металлической юбкой и имеет равный с ней диаметр. Эта надстройка имеет головную керамическую заглушку, то есть имеет вид опрокинутой чаши. Цилиндровая защита, в свою очередь, состоит из верхней и нижней частей, разделенных теплоизолирующей прокладкой. Нижняя часть представляет собой цилиндровую гильзу, имеющую поверхность поршневого трения, согласованную по диаметру с поршнем и его защитной надстройкой. Верхняя чашеобразная часть имеет больший внутренний диаметр для обеспечения теплового зазора при ВМТ поршня, что значительно уменьшает потери тепла от рабочего газа в моменты его максимальной температуры. Ввиду этого, а также ввиду значительной толщины отформованных керамических деталей защиты ее эффективность выше, чем в предыдущих аналогах. A direct prototype of the claimed design is a cylinder-piston pair according to EPO (EP) N 0321159 MKI 4 F O2 In 77/02, 77/11 publ. 06/21/1989, also containing thermal protection, made entirely of high-strength, heat-resistant and poorly heat-conducting ceramics. The protective coating consists of two parts: cylinder and piston. The latter has the form of a cylindrical superstructure above the piston metal skirt and has an equal diameter with it. This superstructure has a ceramic head plug, that is, it looks like an overturned bowl. The cylinder protection, in turn, consists of upper and lower parts separated by a heat-insulating gasket. The lower part is a cylinder liner having a piston friction surface, matched in diameter with the piston and its protective superstructure. The upper cup-shaped part has a larger inner diameter to provide thermal clearance at the TDC of the piston, which significantly reduces the heat loss from the working gas at its maximum temperature. In view of this, and also due to the significant thickness of the molded ceramic protection parts, its effectiveness is higher than in previous analogues.

Однако указанный прототип имеет следующие существенные недостатки. Выполнение длинной цилиндровой гильзы в виде цельнокерамической детали усложняет и удорожает конструкцию. Поршневое трение по керамической гильзе оказывается более сильным, чем по металлической, что увеличивает потери трения, снижающие КПД. Контакт поршневой защиты с гильзой при опускании поршня (что в описании преподносится как преимущество, улучшающее цилиндровое наполнение) термодинамически вреден, так как ведет к быстрому спаду не только температуры, но и давления рабочего газа при рабочем ходе поршня. Это ведет к падению индикаторной работы и снижению КПД, несмотря на некоторое повышение литровой мощности. Шероховатые поверхности керамических деталей защиты, обращенные в сторону рабочего газа, имеют значительный коэффициент поглощения его светового излучения, в силу чего эффективность защиты и достижимый КПД падают. However, this prototype has the following significant disadvantages. The implementation of a long cylinder liner in the form of an all-ceramic part complicates and increases the cost of construction. Piston friction on a ceramic sleeve is stronger than on metal, which increases friction loss, which reduces efficiency. The contact of the piston protection with the sleeve when lowering the piston (which is described in the description as an advantage improving cylinder filling) is thermodynamically harmful, since it leads to a rapid decrease in not only the temperature but also the pressure of the working gas during the working stroke of the piston. This leads to a drop in indicator work and a decrease in efficiency, despite a slight increase in liter capacity. The rough surfaces of ceramic protection parts facing the working gas have a significant absorption coefficient of its light radiation, due to which the protection efficiency and achievable efficiency decrease.

Технический результат повышение КПД и упрощение конструкции. EFFECT: increased efficiency and simplified design.

Технический результат достигается тем, что в цилиндропоршневой паре, содержащей цилиндровое и поршневое керамические защитные покрытия в виде опрокинутых чаш, установленных соответственно внутри головной части цилиндра и поверх головки металлической основы поршня, внешний диаметр поршневого керамического защитного покрытия установлен меньше на 0,2-1 мм внутреннего диаметра цилиндра, а внешние поверхности керамических покрытий снабжены зеркальным слоем из тугоплавкого металла толщиной 0,5-5 мкм, при этом цилиндр выполнен из металла. The technical result is achieved in that in a cylinder-piston pair containing cylinder and piston ceramic protective coatings in the form of capsized bowls installed respectively inside the cylinder head and over the head of the metal base of the piston, the outer diameter of the ceramic piston protective coating is set to 0.2-1 mm less the inner diameter of the cylinder, and the outer surfaces of the ceramic coatings are provided with a mirror layer of refractory metal with a thickness of 0.5-5 microns, while the cylinder is made of metal.

В данной конструкции имеет место постоянный зазор между боковыми поверхностями цилиндра и поршневой керамической деталью, независимо от положения поршня. Благодаря этому поршневое трение сосредотачивается на паре "металл-металл" и исключается более интенсивное трение всякого другого типа ("металл-керамика" или "керамика-керамика"). Это снижает потери трения и увеличивает КПД, а также облегчает конструкторские задачи организации смазки. Одновременно это, а также отсутствие длинной цельнокерамической гильзы цилиндра упрощает конструкцию и снижает ее стоимость. In this design, there is a constant gap between the side surfaces of the cylinder and the piston ceramic part, regardless of the position of the piston. Due to this, piston friction focuses on the metal-metal pair and eliminates more intense friction of any other type (metal-ceramic or ceramic-ceramic). This reduces friction loss and increases efficiency, and also facilitates the design tasks of lubrication. At the same time, this, as well as the absence of a long all-ceramic cylinder liner, simplifies the design and reduces its cost.

Наличие на внешних поверхностях защиты зеркального слоя из тугоплавкого металла, способного отражать фотоны в видимой и инфракрасной областях спектра, эффективно удерживает "фотонный газ" в объеме цилиндра и тем значительно купирует часть паразитного теплового потока, связанную с механизмом лучистого обмена. Это существенно увеличивает эффективность тепловой защиты. Она возрастает также в связи с купированием части теплопроводного потока между охлаждаемыми поверхностями цилиндра и горячими поверхностями керамической защиты поршня благодаря упомянутому постоянному зазору между ними. Такое двойное повышение эффективности защиты улучшает сбережение тепловой энергии для ее производительного преобразования в работу, что дает дальнейший рост КПД. Таким образом, поставленная цель достигается в полном объеме. The presence on the outer surfaces of the protection of the mirror layer of refractory metal, capable of reflecting photons in the visible and infrared spectral regions, effectively retains the "photon gas" in the cylinder volume and thereby significantly stops the part of the parasitic heat flux associated with the radiative exchange mechanism. This significantly increases the effectiveness of thermal protection. It also increases due to the stopping of part of the heat-conducting flow between the cooled surfaces of the cylinder and the hot surfaces of the ceramic piston protection due to the mentioned constant gap between them. Such a double increase in protection efficiency improves the conservation of thermal energy for its efficient conversion to work, which gives a further increase in efficiency. Thus, the goal is achieved in full.

Из сказанного следует, что заявляемое изобретение имеет изобретательский уровень. На фиг. представлена цилиндропоршневая пара в положении ВМТ поршня, где: 1 металлическая основа цилиндра, 2 -керамическое покрытие днища и внутренней боковой поверхности цилиндра, 3 металлическая основа поршня, 4 - керамическое покрытие головки и боковой поверхности поршня, 5 объем камеры сгорания, 6 зеркальный слой цилиндра, 7 зеркальный слой поршня. From the foregoing, it follows that the claimed invention has an inventive step. In FIG. cylinder-piston pair in the TDC position of the piston is presented, where: 1 is the metal base of the cylinder, 2 is the ceramic coating of the bottom and inner side surface of the cylinder, 3 the metal base of the piston, 4 is the ceramic coating of the head and side of the piston, 5 the volume of the combustion chamber, 6 the mirror layer of the cylinder 7 piston mirror layer.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В положении ВМТ чаша 4 полностью входит в чашу 2 с зазором по боковым поверхностям в 0,1+0,5 мм. Благодаря этому зазору, обусловленному уменьшением диаметра чаши 4, перемещение поршня внутри цилиндра не сопровождается трением по боковой поверхности чаши 4, что является необходимым условием обычного решения задачи смазки на трущихся металлических поверхностях. In the TDC position, the cup 4 completely enters the cup 2 with a gap on the side surfaces of 0.1 + 0.5 mm. Due to this gap, due to the decrease in the diameter of the bowl 4, the movement of the piston inside the cylinder is not accompanied by friction along the side surface of the bowl 4, which is a necessary condition for the usual solution of the lubrication problem on rubbing metal surfaces.

В силу указанной геометрии покрытия надпоршневой объем пары оказывается полностью блокированным от положения ВМТ (камера сгорания 5) до опускания поршня на расстояние, равное h_п. При указанных положениях температура рабочего газа особенно высока, поэтому максимально полная блокада надпоршневого объема в моменты этих положений особенно эффективно снижает среднюю мощность паразитного теплового потока.Due to the specified geometry of the coating, the over-piston volume of the pair is completely blocked from the TDC position (combustion chamber 5) until the piston is lowered to a distance equal to h _p . At the indicated positions, the temperature of the working gas is especially high, therefore, the maximum complete blockage of the over-piston volume at the moments of these positions especially effectively reduces the average power of the parasitic heat flow.

При дальнейшем опускании поршня боковая поверхность цилиндра обнажается в своей незащищенной металлической части, в силу чего надпоршневой объем частично деблокируется, что должно бы привести к возрастанию мгновенной мощности паразитного теплового потока. Однако к моменту начала деблокирования рабочий газ совершает значительную работу расширения, в силу чего его температура намного падает, примерно по закону адиабаты, что ведет к падению мгновенной мощности паразитного потока. Описанное падение температуры и мощности потока будет совершаться непрерывно по мере дальнейшего опускания поршня. Поэтому, несмотря на рост деблокированной поверхности, мощность паразитного потока будет удерживаться на относительно низком уровне. With further lowering of the piston, the lateral surface of the cylinder is exposed in its unprotected metal part, as a result of which the piston volume is partially released, which should lead to an increase in the instantaneous power of the parasitic heat flux. However, by the time the release starts, the working gas does a significant expansion work, due to which its temperature drops much, approximately according to the adiabatic law, which leads to a drop in the instantaneous power of the parasitic flow. The described drop in temperature and flow rate will occur continuously as the piston continues to lower. Therefore, despite the growth of the released surface, the power of the parasitic flow will be kept at a relatively low level.

Описанное увеличение эффективности тепловой блокады будет тем большим, чем большее значение имеет отношение h_п/l, где l длина полного хода поршня. В принципе это отношение можно сделать близким к 1. В таком случае можно получить эффективность блокады более высокую, чем в цельнокерамическом двигателе (экспериментально реализованном специалистами Японии), что достигается дополнительным действием зеркальных слоев (описание далее). Однако столь высокие отношения явно нецелесообразны из-за значительного увеличения габаритов и массы двигателя, а также из-за резкого роста его стоимости. К этому следует добавить, что прирост эффективности блокады будет сильно уменьшаться при увеличении отношения h_п/l свыше 0,4. С другой стороны, уменьшение этого отношения ниже 0,1 не дает ни конструктивных, ни технологических, ни экономических выгод при резком снижении эффективности блокады. Поэтому область целесообразных значений определяется интервалом h_п/l=0,1-0,4,или h_п=(0,1-0,4)l Наивысшие значения более целесообразны в относительно крупных тяжелых двигателях с высокими степенями сжатия, например в судовых и стационарных дизелях. Для легких и быстроходных машин предпочтительны наименьшие значения, хотя это связано с уменьшением топливной экономичности.The described increase in the efficiency of thermal blockade will be the greater, the greater is the ratio h _p / l, where l is the length of the full stroke of the piston. In principle, this ratio can be made close to 1. In this case, one can obtain a blockade efficiency higher than in an all-ceramic engine (experimentally implemented by Japanese specialists), which is achieved by the additional action of mirror layers (description below). However, such high relations are clearly impractical due to a significant increase in the size and mass of the engine, as well as due to a sharp increase in its cost. It should be added that the increase in the efficiency of the blockade will greatly decrease with an increase in the ratio h _p / l over 0.4. On the other hand, a decrease in this ratio below 0.1 gives neither constructive, nor technological, nor economic benefits with a sharp decrease in the effectiveness of the blockade. Therefore, the range of practical values is determined by the interval h _p / l = 0.1-0.4, or h _p = (0.1-0.4) l The highest values are more appropriate in relatively large heavy engines with high compression ratios, for example, in ship and stationary diesels. For light and high-speed cars, the lowest values are preferred, although this is due to a decrease in fuel economy.

Эффективность тепловой блокады дополнительно возрастает от снабжения внешних поверхностей керамических покрытий зеркальными слоями 6 и 7 (см. фиг.). Их роль вполне аналогична роли зеркальных покрытий в сосудах Дьюара и сводится к удержанию " фотонного газа" внутри рабочего объема пары. Эта роль особенно высока при положениях, близких к ВМТ, когда плотность "фотонного газа" максимальна, а блокада отличается полнотой. Указанная удерживающая способность находится в прямой зависимости от оптической отражающей способности зеркального слоя. Для достижения высокой отражающей способности слой должен иметь высокую электропроводность, для чего подходят различные металлы. В свою очередь, металл слоя должен устойчиво работать в условиях высоких температур, то есть должен обладать достаточной тугоплавкостью. Компромисс между тугоплавкостью и электропроводностью могут обеспечить хром, ванадий, цирконий и вольфрам. В двигателях с невысокими степенями сжатия может быть применен никель и нержавеющие стали. Естественно, что внешние поверхности зеркальных слоев должны быть подвергнуты глубокому полированию. Зеркальный слой может иметь толщину от 0,5 до 5 мкм в зависимости от технологии нанесения. The efficiency of the thermal blockade additionally increases from supplying the outer surfaces of ceramic coatings with mirror layers 6 and 7 (see Fig.). Their role is completely analogous to the role of mirror coatings in Dewar vessels and is reduced to the retention of “photon gas” inside the working volume of a pair. This role is especially high at positions close to TDC, when the density of the "photon gas" is maximum, and the blockade is full. The specified holding power is directly dependent on the optical reflectance of the mirror layer. To achieve high reflectivity, the layer must have high electrical conductivity, for which various metals are suitable. In turn, the metal of the layer must work stably at high temperatures, that is, it must have sufficient refractoriness. A compromise between refractoriness and electrical conductivity can provide chromium, vanadium, zirconium and tungsten. In engines with low compression ratios, nickel and stainless steels can be used. Naturally, the outer surfaces of the mirror layers must be deeply polished. The mirror layer may have a thickness of 0.5 to 5 μm, depending on the application technology.

Применение зеркальных покрытий одновременно является эффективным средством от быстрого нагарообразования. Вместе с тем, избавиться от медленного нагарообразования в ДВС не представляется возможным. Поскольку накопление нагара значительно ослабляет отражающую способность зеркального слоя, эксплуатационный регламент должен включать периодическую очистку нагара, например, химическим путем. The use of mirror coatings at the same time is an effective remedy for rapid carbonization. However, it is not possible to get rid of slow carbonization in the internal combustion engine. Since the accumulation of carbon deposits significantly reduces the reflectivity of the mirror layer, the operating procedure should include periodic cleaning of carbon deposits, for example, by chemical means.

Claims

A cylinder-piston pair containing cylinder and piston ceramic protective coatings in the form of capsized bowls installed respectively inside the cylinder head and over the head of the metal base of the piston, characterized in that the outer diameter of the ceramic piston protective coating is less than 0.2-1 mm of the inner diameter of the cylinder, and the outer surfaces of ceramic coatings are provided with a mirror layer of refractory metal with a thickness of 0.5-5 mm, while the cylinder is made of metal.