цилиндропоршневая пара

Формула изобретения

Цилиндропоршневая пара, содержащая цилиндровое и поршневое керамические защитные покрытия в виде опрокинутых чаш, установленных соответственно внутри головной части цилиндра и поверх головки металлической основы поршня, отличающаяся тем, что внешний диаметр поршневого керамического защитного покрытия меньше на 0,2-1 мм внутреннего диаметра цилиндра, а внешние поверхности керамических покрытий снабжены зеркальным слоем из тугоплавкого металла толщиной 0,5-5 мм, при этом цилиндр выполнен из металла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к области тепловых двигателей и может быть использовано, в частности в двигателях внутреннего сгорания.

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.

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.

Такое решение также повышает КПД за счет блокады паразитного теплового потока. Однако оно имеет тот же недостаток, что и предыдущее, поскольку блокада сугубо частична.

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.

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.

Технический результат повышение КПД и упрощение конструкции.

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.

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.

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.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

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.

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.

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.

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.

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.