RU2591377C1 - Piston with elastically deformable bottom - Google Patents
Piston with elastically deformable bottom Download PDFInfo
- Publication number
- RU2591377C1 RU2591377C1 RU2015109926/06A RU2015109926A RU2591377C1 RU 2591377 C1 RU2591377 C1 RU 2591377C1 RU 2015109926/06 A RU2015109926/06 A RU 2015109926/06A RU 2015109926 A RU2015109926 A RU 2015109926A RU 2591377 C1 RU2591377 C1 RU 2591377C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piston
- combustion
- spring
- elastically deformable
- resistant
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used in reciprocating internal combustion engines (ICE).
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания, имеющий в основном цилиндрическую форму и включающий плоское днище круглой формы, головку, снабженную круговыми канавками для поршневых колец, при этом нижняя по отношению к днищу канавка содержит отверстия для отвода масла, направляющую юбку, на внутренней стороне которой расположены стальные термовставки и бобышки с отверстиями для поршневого пальца, причем бобышки снабжены ребрами жесткости, соединяющимим бобышки с днищем и боковыми стенками поршня, а на внутренней поверхности отверстия для поршневого пальца симметрично вдоль осевой направляющей расположены, по крайней мере, две канавки [Патент №67651 F02F 3/00 - аналог].A piston of an internal combustion engine is known, having a generally cylindrical shape and comprising a flat bottom of a circular shape, a head equipped with circular grooves for piston rings, the lower groove in relation to the bottom containing holes for oil drainage, a guide skirt on the inner side of which are steel thermal inserts and bosses with holes for the piston pin, and the bosses are equipped with stiffening ribs connecting the bosses to the bottom and side walls of the piston, and on the inner surface At least two grooves are located symmetrically for the piston pin along the axial guide [Patent No. 67651
В двигателе внутреннего сгорания процесс преобразования тепловой энергии топлива в механическую тесно связан с процессом горения рабочей смеси (заряда) и с очисткой цилиндров от продуктов горения. Эффективность этого процесса определяется полнотой сгорания заряда и использования выделяющейся теплоты, которые зависят от многих факторов, в том числе от конструкции поршня.In an internal combustion engine, the process of converting thermal energy of fuel into mechanical energy is closely related to the combustion of the working mixture (charge) and to the cleaning of the cylinders from combustion products. The efficiency of this process is determined by the completeness of the combustion of the charge and the use of the released heat, which depend on many factors, including the design of the piston.
Как известно, процесс горения рабочей смеси (заряда) для бензиновых двигателей протекает в три фазы: первая фаза - от момента подачи искры до начала резкого повышения давления, когда сгорает 6…8% рабочей смеси; вторая основная фаза - от момента начала резкого повышения давления до момента достижения максимального давления, когда сгорает до 80% рабочей смеси; третья фаза - догорание, в которой происходит догорание рабочей смеси. (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М., «Машиностроение», 1977, с. 110).As you know, the process of burning the working mixture (charge) for gasoline engines proceeds in three phases: the first phase - from the moment the spark is applied to the start of a sharp increase in pressure when 6 ... 8% of the working mixture burns; the second main phase - from the moment of the beginning of a sharp increase in pressure until the maximum pressure is reached, when it burns up to 80% of the working mixture; the third phase is afterburning, in which the afterburning of the working mixture occurs. (Automotive engines. Edited by MS Hovakh. M., "Mechanical Engineering", 1977, p. 110).
В двигателях внутреннего сгорания полнота сгорания рабочей смеси (заряда) и использование выделяющейся теплоты во второй и третьей фазах горения существенно зависят от скорости сгорания заряда, ускоряющим фактором которой является интенсивность турбулизации заряда в камере сгорания. Так, в пристеночных слоях камеры сгорания в третьей фазе горения скорость горения значительно снижается из-за меньшей турбулентности заряда, что не способствует его полному сгоранию и, соответственно, повышению топливной экономичности двигателя. Поэтому для увеличения полноты сгорания и использования выделяющейся теплоты следует создавать дополнительную турбулизацию заряда во второй и третьей фазах горения в зонах догорания. Такое развитие процесса является наиболее благоприятным, так как достигается наилучшее теплоиспользование (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М.: «Машиностроение», 1977, с. 113, 114, 119, 120, 137).In internal combustion engines, the completeness of combustion of the working mixture (charge) and the use of the released heat in the second and third phases of combustion substantially depend on the rate of combustion of the charge, the accelerating factor of which is the turbulence rate of the charge in the combustion chamber. So, in the near-wall layers of the combustion chamber in the third phase of combustion, the burning rate is significantly reduced due to less turbulence of the charge, which does not contribute to its complete combustion and, consequently, increase fuel efficiency of the engine. Therefore, to increase the completeness of combustion and use of the released heat, additional charge turbulence should be created in the second and third phases of combustion in the afterburning zones. Such a development of the process is the most favorable, since the best heat use is achieved (Automotive engines. Edited by M.S. Hovakh. M .: "Mechanical Engineering", 1977, p. 113, 114, 119, 120, 137).
Недостатком поршня двигателя внутреннего сгорания является то, что такая конструкция поршня с жестким днищем не позволяет обеспечить достаточную полноту сгорания и использования выделяющейся теплоты во второй фазе горения и в пристеночных слоях камеры сгорания в третьей фазе горения и, как следствие, повышение топливной экономичности двигателя, а также не влияет на степень очистки цилиндра от продуктов горения на такте «Выпуск».The disadvantage of the piston of an internal combustion engine is that such a design of the piston with a rigid bottom does not allow for sufficient completeness of combustion and use of the released heat in the second phase of combustion and in the wall layers of the combustion chamber in the third phase of combustion and, as a result, increase in fuel economy of the engine, and also does not affect the degree of purification of the cylinder from the combustion products on the cycle "Release".
Кроме этого недостатком поршня с жестким днищем является то, что при такой конструкции поршня в процессе работы детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) испытывают высокие динамические нагрузки сил от давления на поршень продуктов горения рабочей смеси в цилиндре во второй основной фазе горения, которое протекает по характеру близко к взрывному, что снижает эксплуатационную надежность двигателя в целом.In addition, the disadvantage of a piston with a rigid bottom is that with this design of the piston during operation, parts of the crank mechanism (CSM) experience high dynamic forces due to pressure on the piston of the combustion products of the working mixture in the cylinder in the second main combustion phase, which proceeds along character close to explosive, which reduces the operational reliability of the engine as a whole.
Известен поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с днищем и выполненными в ней по меньшей мере двумя канавками для установки поршневых колец, юбку и бобышки с отверстиями под поршневой палец и изготовленный из композиционного материала, состоящего из матричного алюминиевого сплава, включающего кремний, и упрочнителя в виде частиц карбида кремния; в котором матричный алюминиевый сплав композиционного материала включает кремний в количестве 11-26 об. %, а в качестве упрочнителя также использованы частицы оксида алюминия или смесь частиц карбида кремния и оксида алюминия, а расстояние от днища головки до верхней кромки канавки первого поршневого кольца составляет 0,05-0,075 диаметра поршня для двигателя с искровым зажиганием и 0,12-0,16 диаметра поршня для дизельного двигателя [Патент на изобретение №2116487, F02F 3/00 - прототип].A known piston of an internal combustion engine containing a head with a bottom and at least two grooves made therein for installing piston rings, a skirt and boss with holes for a piston pin and made of a composite material consisting of a matrix aluminum alloy including silicon and a hardener in as particles of silicon carbide; in which the matrix aluminum alloy of the composite material includes silicon in an amount of 11-26 vol. %, and particles of alumina or a mixture of particles of silicon carbide and alumina were also used as a hardener, and the distance from the bottom of the head to the upper edge of the groove of the first piston ring is 0.05-0.075 of the piston diameter for the engine with spark ignition and 0.12- 0.16 piston diameters for a diesel engine [Patent for invention No. 2116487, F02F 3/00 - prototype].
Недостатком поршня двигателя внутреннего сгорания является то, что такая конструкция поршня с жестким днищем не позволяет обеспечить достаточную полноту сгорания и использования выделяющейся теплоты во второй основной фазе горения и в пристеночных слоях камеры сгорания в третьей фазе горения и, как следствие, повышение топливной экономичности двигателя, а также не влияет на степень очистки цилиндра от продуктов горения на такте «Выпуск».The disadvantage of the piston of an internal combustion engine is that such a design of the piston with a rigid bottom does not allow for sufficient completeness of combustion and use of the generated heat in the second main phase of combustion and in the wall layers of the combustion chamber in the third phase of combustion and, as a result, increase the fuel economy of the engine, and also does not affect the degree of purification of the cylinder from the combustion products on the cycle "Release".
Кроме этого при такой конструкции поршня с жестким днищем двигателя внутреннего сгорания при больших степенях сжатия заряда увеличивается отношение поверхности камеры сгорания к ее объему, так как при этом уменьшается объем камеры сгорания и поэтому возрастает относительное количество смеси, заключенной в пристеночных слоях камеры сгорания. При этом увеличивается доля смеси, догорающей в третьей фазе горения, что приводит к снижению использования выделяющейся теплоты из-за увеличения времени догорания увеличенной доли смеси в третьей фазе и ее значительное догорание уже в процессе расширения, то есть рабочего хода поршня. Следствием этого является неполное использование выделяющейся теплоты при сгорании заряда, что снижает топливную экономичность двигателя. (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М.: «Машиностроение», 1977, с. 115, 116, 134).In addition, with this design of the piston with a rigid bottom of the internal combustion engine, with a high degree of charge compression, the ratio of the surface of the combustion chamber to its volume increases, since the volume of the combustion chamber decreases and therefore the relative amount of the mixture enclosed in the wall layers of the combustion chamber increases. At the same time, the proportion of the mixture, which burns out in the third phase of combustion, increases, which leads to a decrease in the use of the released heat due to the increase in the time of burning out of the increased proportion of the mixture in the third phase and its significant burning out is already in the process of expansion, i.e., the piston stroke. The consequence of this is the incomplete use of the released heat during charge combustion, which reduces the fuel economy of the engine. (Automotive engines. Ed. By M.S. Hovakh. M .: "Mechanical Engineering", 1977, p. 115, 116, 134).
Кроме этого недостатком прототипа является то, что при такой конструкции поршня с жестким днищем в процессе работы детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) испытывают высокие динамические нагрузки сил от давления на поршень продуктов горения рабочей смеси в цилиндре во второй основной фазе горения, которое протекает по характеру близко к взрывному, что снижает эксплуатационную надежность двигателя в целом.In addition, the disadvantage of the prototype is that with this design of the piston with a rigid bottom during operation, the parts of the crank mechanism (KShM) experience high dynamic load forces due to pressure on the piston of the combustion products of the working mixture in the cylinder in the second main phase of combustion, which proceeds along character close to explosive, which reduces the operational reliability of the engine as a whole.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания.The technical result of the invention is to increase the fuel efficiency of an internal combustion engine.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи - повышение топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания путем повышения эффективности рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую в двигателях внутреннего сгорания при одновременном повышении его эксплуатационной надежности.The claimed invention is aimed at solving a technical problem - improving the fuel economy of an internal combustion engine by increasing the efficiency of the working process of converting internal thermal energy of fuel into mechanical energy in internal combustion engines while increasing its operational reliability.
Техническая задача решается тем, что поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с днищем и выполненными в ней по меньшей мере двумя канавками для установки поршневых колец, юбку и бобышки с отверстиями под поршневой палец; у которого днище поршня выполнено в виде цилиндрического стакана с упругодеформируемым волнообразным дном из высокожаропрочного релаксационностойкого пружинного материала и на нижнем поясе которого жестко установлена и жестко закреплена фасонная опорная шайба, кроме этого внутри цилиндрического стакана днища установлена коническая пружина из жаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно стакана, а своим нижним торцом опирается на фасонную опорную шайбу, при этом пружина поджата фасонной опорной шайбой к упругодеформируемому волнообразному дну стакана на такую длину, при которой деформация упругодеформируемого волнообразного дна стакана днища начинается в момент резкого повышения давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания в начале второй основной фазы горения, кроме этого внутри головки поршня дополнительно выполнена соосно с осью поршня цилиндрическая полость, в которой установлено герметично днище.The technical problem is solved in that the piston of an internal combustion engine comprising a head with a bottom and at least two grooves made therein for installing piston rings, a skirt and bosses with holes for the piston pin; in which the piston bottom is made in the form of a cylindrical cup with an elastically deformable wave-like bottom from a high-temperature relaxation-resistant spring material and on the lower belt of which a shaped support washer is rigidly mounted and rigidly fixed, in addition to this, a conical spring is installed inside the cylindrical cup of the bottom from a heat-resistant relaxation-resistant spring material, which has its own spring-resistant material end rests against the elastically deformable wave-like bottom of the glass, and with its lower end rests on the shaped a support washer, while the spring is pressed by the shaped support washer to the elastically deformable wave-like bottom of the cup so long that the deformation of the elastically deformable wave-like bottom of the bottom of the cup begins at the moment of a sharp increase in the pressure of the combustion products of the working mixture in the combustion chamber at the beginning of the second main combustion phase, except inside the piston head is additionally made coaxially with the piston axis a cylindrical cavity in which the bottom is sealed.
Сущность изобретения заключается в том, что днище поршня, выполненное в виде цилиндрического стакана с упругодеформируемым волнообразным дном из высокожаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, вызывает за счет упругой деформации волнообразного дна цилиндрического стакана днища, то есть прогиба под возрастающим давлением продуктов горения рабочей смеси (заряда) во второй фазе горения и обратном возврате в исходное состояние при снижении давления в третьей фазе, дополнительное движение заряда и, соответственно, дополнительную турбулизацию его во второй фазе и в пристеночных слоях в зонах догорания в третьей фазе горения. Дополнительная турбулизация заряда обеспечивает более полное его сгорание, уменьшает продолжительность третьей фазы горения - догорания и, как следствие, повышает использование выделяющейся теплоты и, в целом, эффективность рабочего процесса преобразования тепловой энергии топлива в механическую в двигателях внутреннего сгорания, что обуславливает повышение топливной экономичности двигателя.The essence of the invention lies in the fact that the piston bottom, made in the form of a cylindrical cup with an elastically deformable wave-like bottom from a highly heat-resistant relaxation-resistant spring material, causes due to the elastic deformation of the wave-like bottom of the cylindrical glass of the bottom, i.e., deflection under increasing pressure of the combustion products of the working mixture (charge) into the second phase of combustion and the return to the initial state with a decrease in pressure in the third phase, additional charge movement and, accordingly, additional Tel'nykh turbulence during its second phase, and parietal layers in areas afterburn combustion in the third phase. Additional turbulization of the charge provides a more complete combustion, reduces the duration of the third phase of combustion — afterburning, and, as a result, increases the use of the released heat and, in general, the efficiency of the working process of converting thermal energy of fuel into mechanical energy in internal combustion engines, which leads to an increase in fuel economy of the engine .
Кроме этого при прогибе упругодеформируемого волнообразного дна цилиндрического стакана днища поршня под давлением продуктов горения заряда во второй основной фазе увеличивается объем камеры сгорания, что уменьшает отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и снижает относительное количество смеси, заключенной в пристеночных слоях камеры сгорания. При этом уменьшается и доля смеси, догорающей в третьей фазе горения, увеличивается использование выделяющейся теплоты за счет снижения времени догорания доли смеси в третьей фазе и ее значительно меньшее догорание уже в процессе расширения или рабочего хода поршня, что обуславливает повышение топливной экономичности двигателя.In addition, when the elastically deformed wave-like bottom of the cylindrical bore of the piston is deflected under the pressure of the products of charge combustion in the second main phase, the volume of the combustion chamber increases, which reduces the ratio of the surface of the combustion chamber to its volume and reduces the relative amount of the mixture enclosed in the wall layers of the combustion chamber. At the same time, the proportion of the mixture, which burns out in the third phase of combustion, decreases, the use of the released heat increases due to the reduction in the time of burning out of the fraction of the mixture in the third phase and its much less burnout already in the process of expansion or stroke of the piston, which leads to an increase in fuel economy of the engine.
Кроме этого высокожаропрочный релаксационностойкий пружинный материал, из которого изготовлен цилиндрический стакан, позволяет работать без изменения пружинящих свойств его упругодеформируемого волнообразного дна при значительно более высокой температуре, нежели температура поршня, которая может достигать в рабочем цикле двигателя 250°C. Поэтому в указанных условиях не происходит релаксация упругодеформируемого дна стакана и оно стабильно снижает динамическое воздействие на детали кривошипно-шатунного механизма сил от давления на поршень продуктов горения заряда в цилиндре во второй основной фазе горения, которое протекает по характеру близко к взрывному. Снижение динамического воздействия на детали кривошипно-шатунного механизма обусловлено тем, что при прогибе упругодеформируемого волнообразного дна стакана во второй основной фазе горения увеличивается объем камеры сгорания и нарастание давления газов на поршень замедляется.In addition, the high-temperature relaxation-resistant spring material of which the cylindrical cup is made allows working without changing the spring properties of its elastically deformable wave bottom at a much higher temperature than the piston temperature, which can reach 250 ° C in the engine's operating cycle. Therefore, under the indicated conditions, there is no relaxation of the elastically deformable bottom of the glass and it stably reduces the dynamic effect on the parts of the crank mechanism of the forces from pressure on the piston of the combustion products of the charge in the cylinder in the second main combustion phase, which proceeds in nature close to explosive. The decrease in the dynamic effect on the parts of the crank mechanism is due to the fact that when the elastically deformed wave-like bottom of the cup is deflected in the second main combustion phase, the volume of the combustion chamber increases and the increase in gas pressure on the piston slows down.
Установленная на нижнем поясе упругодеформируемого дна стакана фасонная опорная шайба, жестко закрепленная к нижнему поясу стакана, например, посредством электрозаклепок, является опорой для нижнего торца установленной внутри цилиндрического стакана конической пружины, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно стакана. При этом, посредством фасонной опорной шайбы поджимается пружина и удерживается в статике постоянно в поджатом состоянии на такую длину, при которой деформация упругодеформируемого волнообразного дна стакана днища начинается в момент резкого повышения давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания в начале второй основной фазы горения. Так, пружина, поджатая между упругодеформируемым дном стакана и фасонной шайбой при сборке днища, исключает деформацию - прогиб упругодеформируемого дна стакана днища в первой фазе горения и положении поршня в близи верхней мертвой точки, что сохраняет объем камеры сгорания и, соответственно, степень сжатия рабочей смеси (заряда) до конца первой фазы горения и, как следствие, не нарушает благоприятных условий воспламенения и горения заряда в первой фазе, создаваемых для этого необходимым сжатием заряда. Высокожаропрочный релаксационностойкий материал пружины позволяет стабильно работать без изменения пружинящих свойств в пределах рабочего цикла двигателя, при котором температура днища достигает 250°C. Кроме этого совместная упругая деформация волнообразного дна стакана и пружины обеспечивает дополнительное движение заряда и дополнительную его турбулизацию, что способствует его полному сгоранию и использованию выделяющейся теплоты и повышает эффективность рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую, что обуславливает повышение топливной экономичности двигателя.A shaped support washer installed on the lower belt of the elastically deformable bottom of the glass, rigidly fixed to the lower belt of the glass, for example, by means of electrical rivets, is a support for the lower end of the conical spring installed inside the cylindrical glass, which, with its upper end, abuts the elastically deformable wave-like bottom of the glass. At the same time, by means of the shaped support washer, the spring is pressed and kept in static constantly in the pressed state for such a length that the deformation of the elastically deformable wave-like bottom of the bottom of the bottom begins at the moment of a sharp increase in the pressure of the combustion products of the working mixture in the combustion chamber at the beginning of the second main combustion phase. So, a spring pressed between the elastically deformable bottom of the cup and the shaped washer during assembly of the bottom eliminates deformation - the deflection of the elastically deformable bottom of the cup of the bottom in the first phase of combustion and the position of the piston near the top dead center, which preserves the volume of the combustion chamber and, accordingly, the compression ratio of the working mixture (charge) until the end of the first phase of combustion and, as a consequence, does not violate the favorable conditions for ignition and combustion of the charge in the first phase, created for this by the necessary compression of the charge. The highly heat-resistant relaxation-resistant spring material allows you to work stably without changing the springing properties within the engine's operating cycle, at which the bottom temperature reaches 250 ° C. In addition, the joint elastic deformation of the wave-like bottom of the cup and spring provides additional charge movement and additional turbulence, which contributes to its complete combustion and use of the released heat and increases the efficiency of the working process of converting the internal thermal energy of the fuel into mechanical energy, which leads to an increase in the fuel economy of the engine.
Установка конической пружины внутри цилиндрического стакана днища, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно стакана днища, а своим нижним торцом опирается на фасонную опорную шайбу, позволяет использовать для цилиндрического стакана днища и, соответственно, волнообразного его дна материал меньшей толщины, что повышает быстродействие реакции упругодеформируемого волнообразного дна стакана на изменение силы от давления заряда на поршень в цилиндре двигателя. Коническая пружина не мешает размещению в поршне верхней головки шатуна кривошипно-шатунного механизма и не увеличивает габариты поршня. Кроме этого коническая пружина совместно с упругодеформируемым дном стакана в процессе деформации при их прогибе обеспечивает снижение динамического воздействия сил давления на поршень продуктов горения заряда в цилиндре двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма, повышая его эксплуатационную надежность и, в целом, эффективность рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую, что способствует повышению топливной экономичности двигателя.The installation of a conical spring inside a cylindrical glass of the bottom, which abuts against the elastically deformable wave-like bottom of the glass of the bottom with its upper end and rests on a shaped support washer, makes it possible to use material of smaller thickness for the cylindrical glass of the bottom and, accordingly, its wave-like bottom, which increases speed the reaction of the elastically deformable wave-like bottom of the glass to a change in force from the charge pressure on the piston in the engine cylinder. The conical spring does not interfere with the placement of the upper crank head of the crank mechanism in the piston and does not increase the dimensions of the piston. In addition, the conical spring together with the elastically deformable bottom of the cup during deformation during their deflection provides a reduction in the dynamic effect of pressure forces on the piston of the products of charge combustion in the engine cylinder on the parts of the crank mechanism, increasing its operational reliability and, in general, the efficiency of the working process of converting the internal thermal energy of the fuel into mechanical energy, which helps to increase the fuel efficiency of the engine.
Кроме этого в статике упругодеформируемое дно цилиндрического стакана днища от воздействия на него усилия поджатой пружины становится выпуклым, что повлияет на степень сжатия. Однако под давлением усилия сжатого на такте «Сжатие» заряда и в первой фазе его горения упругодеформируемое дно стакана днища выпрямляется, поэтому не происходит изменение объема камеры сгорания и, соответственно, степени сжатия, что необходимо для создания благоприятных условий для начальной фазы горения заряда, способствующего более полному сгоранию заряда и повышению топливной экономичности двигателя.In addition, in statics, the elastically deformable bottom of the cylindrical glass of the bottom from the action of the force of the pressed spring becomes convex, which will affect the compression ratio. However, under the pressure of the force of the charge compressed at the “Compression” cycle and in the first phase of its burning, the elastically deformable bottom of the bottom of the bottom is straightened, so there is no change in the volume of the combustion chamber and, accordingly, the compression ratio, which is necessary to create favorable conditions for the initial phase of charge burning, which contributes to more complete combustion of the charge and increased fuel efficiency of the engine.
На такте «Выпуск» в положении поршня вблизи верхней мертвой точки давление продуктов горения заряда практически равняется атмосферному, поэтому выпуклость упругодеформируемого дна стакана от воздействия на него усилия пружины на такте «Выпуск» сохраняется, что обуславливает уменьшение объема камеры сгорания из-за замещения ее объема выпуклым дном стакана, приводящее к вытеснению отработавших газов из цилиндра в большем объеме. Таким образом, выпуклое упругодеформируемое дно стакана на такте «Выпуск» способствует повышению степени очистки цилиндров от продуктов горения заряда и далее более качественному наполнению цилиндров свежим зарядом на такте «Впуск». Увеличение степени очистки цилиндра от продуктов горения заряда поршнем с упругодеформируемым днищем создает более благоприятные условия для увеличения полноты сгорания заряда, что повышает топливную экономичность двигателя.At the “Release” stroke in the piston position near the top dead center, the pressure of the products of charge combustion is almost equal to atmospheric, therefore, the convexity of the elastically deformable bottom of the cup from the influence of the spring force on it at the “Release” stroke is maintained, which causes a decrease in the volume of the combustion chamber due to the replacement of its volume the convex bottom of the cup, leading to the displacement of exhaust gases from the cylinder in a larger volume. Thus, the convex elastically deformable bottom of the glass on the “Release” cycle helps to increase the degree of purification of the cylinders from the products of charge combustion and further improves the filling of the cylinders with a fresh charge on the “Inlet” cycle. An increase in the degree of purification of the cylinder from the products of charge combustion by a piston with an elastically deformable bottom creates more favorable conditions for increasing the completeness of charge combustion, which increases the fuel economy of the engine.
Исполнение днища в виде цилиндрического стакана с упругодеформируемым дном в сборе с пружиной и фасонной опорной шайбой и установка днища герметично в цилиндрической полости головки поршня, например на клей-герметик высокотемпературный и виброударопрочный, обеспечивает высокую технологичность конструкции днища и ее сборки с поршнем. Кроме этого силовое замыкание пружины внутри цилиндрического стакана исключает динамическое воздействие пружины на соединение днища с головкой поршня и, как следствие, обеспечивает надежную работу упругодеформируемого днища поршня в повышении эффективности рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую и, как следствие, в повышении топливной экономичности двигателя.The execution of the bottom in the form of a cylindrical cup with an elastically deformable bottom assembly with a spring and a shaped support washer and installation of the bottom hermetically in the cylindrical cavity of the piston head, for example, on high-temperature and vibration-proof adhesive sealant, ensures high manufacturability of the bottom design and its assembly with the piston. In addition, the force closure of the spring inside the cylindrical cup eliminates the dynamic effect of the spring on the connection of the bottom with the piston head and, as a result, ensures reliable operation of the elastically deformable piston bottom in increasing the efficiency of the working process of converting internal thermal energy of fuel into mechanical energy and, as a result, in increasing fuel economy engine.
Таким образом, в новой совокупности признаков возникают новые технические свойства поршня двигателя внутреннего сгорания с упругодеформируемым днищем:Thus, in a new set of features, new technical properties of the piston of an internal combustion engine with an elastically deformable bottom arise:
- способность вызывать дополнительную турбулизацию заряда во второй фазе горения и в пристеночных слоях в зонах догорания в третьей фазе;- the ability to cause additional charge turbulence in the second phase of combustion and in the parietal layers in the afterburning zones in the third phase;
- способность повышать степень очистки цилиндра двигателя от продуктов горения рабочей смеси на такте «Выпуск»;- the ability to increase the degree of purification of the engine cylinder from the combustion products of the working mixture at the cycle "Release";
- способность снижать динамическое воздействие на детали кривошипно-шатунного механизма сил давления на поршень продуктов горения рабочей смеси во второй фазе.- the ability to reduce the dynamic effect on the parts of the crank mechanism of the pressure forces on the piston of the combustion products of the working mixture in the second phase.
Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение поршня с упругодеформируемым днищем, в сравнении с поршнем по прототипу с жестким днищем, позволяет обеспечить повышение эффективности рабочего процесса преобразования внутренней тепловой энергии топлива в механическую в двигателях внутреннего сгорания при одновременном повышении его эксплуатационной надежности, что и является новым техническим результатом заявляемого изобретения.Thus, the proposed design of the piston with an elastically deformable bottom, in comparison with the piston of the prototype with a rigid bottom, allows to increase the efficiency of the working process of converting internal thermal energy of fuel into mechanical energy in internal combustion engines while increasing its operational reliability, which is a new technical the result of the claimed invention.
Заявляемое изобретение поясняется графическим материалом: на фиг. 1 показан поршень двигателя внутреннего сгорания в разрезе; на фиг. 2 показан график участка индикаторной диаграммы в координатах p - φ°-зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала двигателя, характеризующий также процесс сгорания; на фиг. 3 показан график суммарной жесткости упругодеформируемого дна стакана днища и пружины.The invention is illustrated by graphic material: in FIG. 1 shows a sectional view of a piston of an internal combustion engine; in FIG. 2 shows a graph of a plot of the indicator diagram in the coordinates of the p - φ ° dependence of the pressure in the cylinder on the angle of rotation of the crankshaft of the engine, which also characterizes the combustion process; in FIG. 3 shows a graph of the total stiffness of the elastically deformable bottom of the bottom glass and spring.
Поршень содержит головку 1, выполненные в головке канавки 2 для поршневых колец, юбку 3, бобышки 4 с отверстиями 5 под поршневой палец. Внутри головки поршня выполнена соосно с осью поршня цилиндрическая полость 6, в которую установлено днище, включающее: цилиндрический стакан 7 с упругодеформируемым волнообразным дном 8 из высокожаропрочного стойкого против релаксации пружинного материала (например, сталь 30ХМА, углепластик и др.); фасонную упорную шайбу 9, установленную на нижнем поясе стакана 7 и жестко закрепленную к нижнему поясу стакана, например, посредством электрозаклепок 10; коническую пружину 11, установленную внутри цилиндрического стакана 7 и выполненную из жаропрочного релаксационностойкого пружинного материала, которая своим верхним торцом упирается в упругодеформируемое волнообразное дно 8 стакана, а своим нижним торцом опирается на фасонную опорную шайбу 9. Пружина 11 поджата фасонной опорной шайбой 9 к упругодеформируемому дну 8 стакана 7 на такую длину, при которой деформация дна стакана начинается в момент резкого повышения давления продуктов горения рабочей смеси в камере сгорания в начале второй основной фазы горения.The piston contains a
При сборке поршня вначале собирается днище поршня. Для этого внутрь стакана 7 устанавливается пружина 11 конусом к волнообразному дну 8. Фасонной опорной шайбой 9 пружина 11 поджимается к дну 8 и посредством, например, электрозаклепок, шайба жестко крепится к нижнему поясу стакана 7. Далее днище, включающее цилиндрический стакан 7 в сборе с пружиной 11 и фасонной опорной шайбой 9, устанавливается герметично в цилиндрическую полость 6 головки 1 поршня, например, на клей-герметик высокотемпературный и виброударопрочный.When assembling the piston, the piston head is first assembled. To do this, a
Предлагаемый поршень двигателя внутреннего сгорания работает обычным способом.The proposed piston of an internal combustion engine operates in the usual way.
На фиг. 2 показан график участка индикаторной диаграммы в координатах p - φ°-зависимости давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала, позволяющий показать работу упругодеформируемого составного днища поршня на участке индикаторной диаграммы, характеризующем также процесс сгорания рабочей смести.In FIG. Figure 2 shows a graph of the plot of the indicator diagram in the coordinates of the p - φ ° dependence of the pressure in the cylinder on the angle of rotation of the crankshaft, allowing you to show the operation of the elastically deformable composite piston crown on the plot of the indicator diagram, which also characterizes the process of combustion of the working mixture.
При ходе поршня вверх от нижней мертвой точки (н.м.т.) к верхней мертвой точке (в.м.т.) на такте «Сжатие» четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания рабочая смесь (заряд), поступившая ранее в цилиндр на такте «Впуск», сжимается. При выключенном зажигании давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется практически симметрично относительно в.м.т. (фиг. 2 - линия сжатия).When the piston moves upward from the bottom dead center (bm) to the top dead center (bm) at the “Compression” stroke of the four-stroke gasoline internal combustion engine, the working mixture (charge), which entered the cylinder earlier at the stroke "Inlet" is compressed. With the ignition switched off, the pressure in the cylinder during the rotation of the crankshaft changes almost symmetrically with respect to BM (Fig. 2 - compression line).
Искрообразование происходит в точке 1 индикаторной диаграммы, соответствующей началу первой фазы горения θ1 заряда? и давление заряда в камере сгорания в этот момент соответствует ординате ρ1. Заканчивается первая фаза в точке 2 индикаторной диаграммы - участок θ1, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Далее наступает вторая основная фаза θ2 быстрого сгорания со скоростью распространения пламени 80 м/с и более, соответствующая участку диаграммы между точками 2…3, где выделяется основная часть тепла. В точке 3 диаграммы, соответствующей окончанию второй основной фазы горения θ2, температура и давление газов в цилиндре будут максимальными. Однако вдоль стенок камеры сгорания скорость сгорания ниже, сгорание смеси оказывается пока неполным и догорание заряда происходит уже в третьей фазе θ3, начало которой соответствует точке 3, в такте расширения при движении его от в.м.т. к н.м.т.Sparking occurs at
Упругодеформируемое дно 8 цилиндрического стакана 7 днища поршня при ее прогибе из-за повышения давления продуктов горения заряда на участке диаграммы 2…3 (фиг. 2) вызывает дополнительное движение заряда, что повышает его турбулизацию во второй фазе горения и в пристеночных слоях в зонах догорания в третьей фазе θ3. При этом суммарная жесткость пружины 11 и упругодеформируемого дна 8 стакана 7 должна быть такой, чтобы начало деформации - прогиба дна 8 - начиналось при достижении усилия от давления газов на ее поверхность, соответствующее давлению p2 в конце начальной первой фазы горения θ1, то есть в точке 2 диаграммы (фиг. 2, 3).The elastically
Поджатие пружины 11 фасонной шайбой 9 при сборке днища вызывает усилием пружины в статике выпуклость дна 8 стакана 7. На такте «Сжатие» под давлением заряда упругодеформируемое дно стакана на участке 1…2 диаграммы (фиг. 2) выпрямляется и не происходит его прогиб, что сохраняет объем камеры сгорания и, соответственно, степень сжатия заряда до конца первой фазы горения θ1, при которых не нарушаются благоприятные условия воспламенения и горения смеси в первой фазе, создаваемые для этого необходимым сжатием заряда.The compression of the
Прогиб упругодеформируемого дна 8 начинается в точке 2 и достигает максимума в точке 3 (фиг. 2) и, как следствие деформации увеличивается объем камеры сгорания; уменьшается отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и поэтому снижается относительное количество рабочей смеси, заключенной в пристеночных слоях камеры сгорания, т.е. снижается доля смеси, догорающей в третьей фазе горения θ3. При переходе в точке 3 диаграммы процесса горения к третьей фазе θ3 снижается давление газов на поршень. При этом прогиб упругодеформируемого дна 8 стакана 7 днища уменьшается и форма дна стакана начинает принимать исходное выпуклое состояние, что вызывает дополнительное обратное движение заряда, повышающее его турбулизацию и интенсивность горения в третьей фазе θ3.The deflection of the elastically
Интенсификация процесса горения заряда увеличивает полноту сгорания и использование теплоты за счет снижения времени догорания доли смеси в третьей фазе в процессе расширения или рабочего хода поршня к н.м.т.The intensification of the combustion process of the charge increases the completeness of combustion and the use of heat by reducing the time of burning out the proportion of the mixture in the third phase during the expansion or working stroke of the piston to n.m.
На такте «Выпуск», в положении поршня вблизи в.м.т., выпуклое упругодеформируемое дно 8 стакана 7 замещает часть объема камеры сгорания, что приводит к вытеснению отработавших газов из цилиндра в большем объеме и способствует повышению степени очистки цилиндра от продуктов горения заряда и более качественному наполнению цилиндра свежим зарядом на такте «Впуск».At the “Release” stroke, in the position of the piston near bmw, the convex elastically
Упругая деформация дна 8 стакана 7 на участке диаграммы 2…3 существенно снижает динамическое воздействие сил давления газов через поршень на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя, что снижает его износ и повышает эксплуатационную надежность.The elastic deformation of the
Таким образом, предлагаемое изобретение, в сравнении с прототипом, повышает топливную экономичность двигателя, повышает степени очистки цилиндра двигателя от продуктов горения заряда, кроме этого снижает динамическое воздействие сил давления на поршень продуктов горения рабочей смеси в цилиндре двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма, что повышает его эксплуатационную надежность.Thus, the present invention, in comparison with the prototype, increases the fuel economy of the engine, increases the degree of purification of the engine cylinder from the products of charge combustion, in addition, it reduces the dynamic effect of pressure forces on the piston of the products of combustion of the working mixture in the engine cylinder on the details of the crank mechanism, which increases its operational reliability.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015109926/06A RU2591377C1 (en) | 2015-03-20 | 2015-03-20 | Piston with elastically deformable bottom |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015109926/06A RU2591377C1 (en) | 2015-03-20 | 2015-03-20 | Piston with elastically deformable bottom |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2591377C1 true RU2591377C1 (en) | 2016-07-20 |
Family
ID=56412396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015109926/06A RU2591377C1 (en) | 2015-03-20 | 2015-03-20 | Piston with elastically deformable bottom |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2591377C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623601C1 (en) * | 2016-08-15 | 2017-06-28 | Виктор Иванович Богданов | Piston of internal combustion engine |
| RU2795139C2 (en) * | 2019-02-01 | 2023-04-28 | Хедман Эрикссон Патент Аб | Method for providing variable compression in combustion engine and device for implementing the method |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4359976A (en) * | 1980-06-17 | 1982-11-23 | Steele Harry C | Compression compensator |
| SU1213229A1 (en) * | 1983-02-08 | 1986-02-23 | Ditmanas Stasis | Piston for automatic monitoring of internal combustion engine combustion ratio |
| SU1560747A1 (en) * | 1987-12-08 | 1990-04-30 | Военная академия тыла и транспорта | Piston for automatic compression ration control |
| US5769042A (en) * | 1995-04-26 | 1998-06-23 | Popadiuc; Ovidiu Petru | Method of operating an internal combustion engine during a combustion process |
| US6360710B1 (en) * | 2000-12-08 | 2002-03-26 | Howard W. Christenson | Rocket piston internal combustion engine |
-
2015
- 2015-03-20 RU RU2015109926/06A patent/RU2591377C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4359976A (en) * | 1980-06-17 | 1982-11-23 | Steele Harry C | Compression compensator |
| SU1213229A1 (en) * | 1983-02-08 | 1986-02-23 | Ditmanas Stasis | Piston for automatic monitoring of internal combustion engine combustion ratio |
| SU1560747A1 (en) * | 1987-12-08 | 1990-04-30 | Военная академия тыла и транспорта | Piston for automatic compression ration control |
| US5769042A (en) * | 1995-04-26 | 1998-06-23 | Popadiuc; Ovidiu Petru | Method of operating an internal combustion engine during a combustion process |
| US6360710B1 (en) * | 2000-12-08 | 2002-03-26 | Howard W. Christenson | Rocket piston internal combustion engine |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623601C1 (en) * | 2016-08-15 | 2017-06-28 | Виктор Иванович Богданов | Piston of internal combustion engine |
| RU2795139C2 (en) * | 2019-02-01 | 2023-04-28 | Хедман Эрикссон Патент Аб | Method for providing variable compression in combustion engine and device for implementing the method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7581526B2 (en) | Device and method to increase fuel burn efficiency in internal combustion engines | |
| EP2324202B1 (en) | Rotary piston internal combustion engine | |
| US10184388B1 (en) | Engine piston | |
| EP3032081A1 (en) | Engine piston | |
| JPS59131748A (en) | Piston for internal combustion engine | |
| US20110192370A1 (en) | Positive-Displacement Engine | |
| US7866295B2 (en) | Piston skirt oil retention for an internal combustion engine | |
| RU2591377C1 (en) | Piston with elastically deformable bottom | |
| EP0604223A1 (en) | Piston cap for a diesel engine | |
| US10030604B2 (en) | Piston top land structure | |
| EP3511556B1 (en) | Piston for internal combustion engine | |
| RU2623601C1 (en) | Piston of internal combustion engine | |
| EP3192994B1 (en) | Turbulators for an internal combustion engine | |
| CN108260358B (en) | Engine piston with grooved top land | |
| EP3032082A1 (en) | Engine piston | |
| RU104246U1 (en) | PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE (OPTIONS) | |
| JP6687155B2 (en) | Uniflow scavenging two-cycle engine | |
| RU195960U1 (en) | PISTON OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
| CN114183235B (en) | Internal combustion engine | |
| CN220248210U (en) | Internal combustion engine with three-fork crankshaft with balancer | |
| US11959436B2 (en) | Piston including spiral features to increase in-cylinder swirl | |
| KR101208053B1 (en) | Internal combustion engine with double piston head | |
| RU186524U1 (en) | PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
| KR200159872Y1 (en) | Reduction structure of dead volume in piston | |
| CN116906175A (en) | Internal combustion engine with three-fork crankshaft with balancer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20170210 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170321 |