Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания с экспандером (варианты)
PISTON UNIT OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые устройства двигателей внутреннего сгорания, состоящие из поршневых уплотнений (GB 552296 А, 31.03.1943; US 3971298 А, 27.07.1976; RU патент №2535598, МПК F02F 5/00, опубл. 20.12.2014) и маслосъемных поршневых устройств (Заявка №5322204, Япония, 1978; Заявка №59-20859, Япония, 1984; авторское свидетельство №1312217, СССР, 1985; патент RU №2341671, МПК F02F 5/00, опубл. 19.10.2008; патент RU №2372506, МПК F02F 5/00, опубл. 10.11.2009; патент RU №2447306, МПК F02F 5/00, опубл. 10.04.2012; патент RU №2499901, МПК F02F 5/00, опубл. 27.11.2013).
2
Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (патент RU №2282739, МПК F02F 5/00, опубл. 27.08.2006), содержащее несколько компрессионных колец, расположенных в одной поршневой канавке, причем по поверхностям внутренних диаметров колец установлены упругие уплотнительные кольца, разрезами замков расположенные под 90° по отношению к разрезам замков компрессионных колец. Однако известная конструкция допускает прорыв рабочих газов в придонную полость поршневой канавки и далее в картер двигателя со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями, особенно это важно для двухтактных двигателей, малооборотных и среднеоборотных судовых дизелей. Кроме того, огромное давление рабочих газов, достигающее 20 МПа (200 кг/см), действующее на уплотнительное кольцо через зазор в замке компрессионного кольца, обжимает уплотнительное кольцо, образуя зазор между поверхностью внутреннего диаметра компрессионного кольца и поверхностью наружного диаметра уплотнительного кольца, нарушая эффективность уплотнения. Недостатком конструкции прототипа также является раздельное расположение уплотнительного устройства по отношению к маслосъемному поршневому устройству.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении компрессии, мощности, ресурса и надежности двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экономических и экологических характеристик двигателя.
Технический результат достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания с экспандером (вариант 1), содержащем компрессионные кольца и маслосъемные кольца, расположенные в одной поршневой расточке, новым является то, что экспандер установлен по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца и зафиксирован в кольцевой канавке, выполненной в дне поршневой расточки на уровне ее верхней полки, причем внутренние диаметры компрессионных и маслосъемных колец равны диаметру дна поршневой расточки, а внутренний диаметр экспандера равен диаметру дна кольцевой канавки.
Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания с экспандером (вариант 2), содержащее компрессионные кольца и маслосъемные кольца, расположенные в одной поршневой расточке, новым является то, что экспандер установлен по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца и зафиксирован в кольцевой канавке, выполненной в дне поршневой расточки на уровне ее верхней полки, причем внутренние диаметры компрессионных и маслосъемных колец равны диаметру дна поршневой расточки, а внутренний диаметр экспандера равен диаметру дна кольцевой канавки, кроме того, в поршневой расточке под нижним маслосъемным кольцом установлено осевое расширительное кольцо, которое своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку, выполненную в дне поршневой расточки на уровне ее нижней полки, причем внутренний диаметр расширительного кольца равен диаметру кольцевой канавки, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра имеется зазор.
В обоих вариантах все вышеупомянутые кольца расположены разрезами замков под 180° по отношению друг к другу, а верхнее компрессионное кольцо изготовлено из термостойкой бронзы с минимальным коэффициентом трения относительно стальной или чугунной гильзы цилиндра.
Рабочая поверхность маслосъемных колец имеет скос, направленный в сторону верхнего торца, а на внешнем диаметре колец выполнены осевые пазы, причем на каждом нижнем кольце количество пазов больше, чем на кольце, расположенном над ним.
На фиг. 1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 1).
На фиг. 2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 2).
Двигатель внутреннего сгорания (вариант 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее компрессионное кольцо 3, нижнее компрессионное кольцо 4, маслосъемные кольца 5 и 6, расположенные в поршневой расточке 7, и экспандер 9, установленный по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца 3, причем своим внутренним диаметром экспандер 9 входит в кольцевую канавку 8, выполненную в дне поршневой расточки 7 на уровне ее верхней полки. Рабочие поверхности маслосъемных колец 5, 6 выполнены под углом к своему верхнему торцу, а на их внешнем диаметре выполнены осевые пазы.
По варианту 2, кроме того, в поршневой расточке 7 под нижним маслосъемным кольцом 10 установлено осевое расширительное кольцо 11, которое своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку 12, выполненную в дне поршневой расточки 7 на уровне ее нижней полки. Внутренний диаметр расширительного кольца 11 равен диаметру кольцевой канавки 12, а между внешним диаметром расширительного кольца 11 и стенкой цилиндра 1 имеется зазор. Рабочие поверхности маслосъемных колец 5, 6, 10 выполнены под углом к своему верхнему торцу, а на их внешнем диаметре выполнены осевые пазы.
Поршневое устройство работает следующим образом.
При установке поршня 2 в цилиндр 1 (вариант 1) под действием собственных упругих сил компрессионные кольца 3 и 4, экспандер 9 и маслосъемные кольца 5 и 6, занимают исходное положение в пределах расчетного гарантированного зазора между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1. Таким образом, при равенстве внутренних диаметров компрессионного кольца 3, маслосъемных колец 5 и 6 и поверхности дна поршневой расточки 7 в исходном положении перед запуском двигателя появляется минимально возможный зазор в придонной полости поршневой расточки 7. Это положение относится и к экспандеру 9, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру компрессионного кольца 3, а внутренний диаметр экспандера 9 равен диаметру кольцевой канавки 8. Такой зазор существенно сокращает газодинамические потери и, в большей степени, проникновение масла в придонную полость, в зону высоких температур и давлений, предохраняя от нагарообразования и коксования на свободных поверхностях всех элементов цилиндропоршневой группы. В процессе длительной эксплуатации двигателя наиболее нагруженное динамически и термически верхнее компрессионное кольцо 3 изнашивается быстрее, чем остальные поршневые кольца, ухудшаются основные уплотняющие и теплопроводные функции. Экспандер 9 компенсирует эти изменения, кроме того, он позволяет изготавливать компрессионные кольца из металлов и сплавов с лучшим физико-химическим составом. Компрессионное кольцо, изготовленное из термостойких сплавов бронзы, обеспечивает лучшую передачу тепла перегретой головки поршня 2 охлаждаемому цилиндру 1 и наименьшие механические потери на трение между рабочей поверхностью компрессионного кольца 3 и стенкой цилиндра 1.
При движении поршня 2 в нижнее положение маслосъемные кольца 5 и 6 снимают масло со стенки цилиндра 1, оставляя минимально необходимую толщину масляной пленки, обеспечивающей минимальные механические потери на трение всех поршневых колец в пакете. При этом маслосъемное кольцо 6 снимает основную часть масла со стенки цилиндра 1, а кольцо 5 окончательно формирует толщину масляной пленки, при необходимости количество маслосъемных колец может быть увеличено. На такте впуск минимальный зазор между поверхностью внутреннего диаметра экспандера 9 и дном кольцевой канавки 8, будучи частью лабиринта, не только препятствует проникновению масла в зазор между верхним торцом верхнего компрессионного кольца 3 и верхней полкой кольцевой канавки 8 и далее в камеру сгорания, но и ограничивает подсос газов из картера двигателя, обеспечивая высокую степень разрежения над поршнем 2 и более полное всасывание заряда свежего воздуха. Качественное уплотнение и эффективное удаление излишков масла из зоны критических температур и давлений обеспечивают более полное сгорание топливовоздушной смеси, максимальное срабатывание рабочего давления, существенное уменьшение механических потерь на трение, повышение мощности, увеличение ресурса двигателя и улучшение его экологических показателей.
По варианту 2 в процессе сборки поршневой группы последним устанавливается верхнее компрессионное кольцо 3, которое сжимает весь пакет поршневых колец вместе с осевым расширительным кольцом 11 на величину максимально возможного увеличения ширины поршневой расточки 7 за счет тепловых расширений. Это наиболее актуально для мощных среднеоборотных и малооборотных двухтактных двигателей крупных размеров, имеющих два недостатка по сравнению с высокоскоростными автомобильными двигателями: небольшая скорость вращения коленчатого вала, т.е. небольшая скорость перемещения поршня 2, и сравнительно большие тепловые расширения, увеличивающие зазоры и, следовательно, газодинамические потери. Наиболее существенно увеличивается осевой зазор между верхним торцом верхнего компрессионного кольца 3 и верхней полкой поршневой расточки 7, исключить который предназначено осевому расширительному кольцу 11, расположенному между нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 10 и нижней полкой кольцевой канавки 12. Расширительное кольцо 11 работает в зоне большого количества моторного масла, которое, попадая на контактные поверхности расширительного кольца 11, маслосъемного кольца 10 и нижней полки кольцевой канавки 12, снижает процесс износа этих высоконагруженных поверхностей, повышая ресурс всего поршневого устройства. Кроме того, плотный контакт поверхности внутреннего диаметра осевого расширительного кольца 11 с поверхностью дна канавки 12 позволяет ограничить обычный путь проникновения масла в постоянно увеличивающуюся за счет тепловых расширений и износа цилиндра, поршневых колец и поршня, придонную полость поршневой расточки 7 в зону высоких рабочих температур.
При движении поршня 2 в нижнее положение гидравлическое сопротивление снимаемого со стенки цилиндра 1 масла снижается, за счет выполнения рабочих поверхностей маслосъемных колец 5, 6, 10 под углом к своему верхнему торцу. Выполнение осевых пазов на внешнем диаметре маслосъемных колец 5, 6, 10, их количество и размеры на каждом кольце обеспечивает требуемое качество очистки стенки цилиндра 1.
Предлагаемые конструкции поршневого устройства практически исключают газодинамические потери, расход масла на угар, оставляя на стенке цилиндра 1 минимально допустимую толщину масляной пленки, сводят механические потери на трение поршневых колец к несущественному минимуму, создают благоприятные условия для эффективного теплообмена между поршнем 2 и цилиндром 1, особенно важных для двигателей, работающих на форсированных режимах, или использующих газообразное топливо. Повышается компрессия, мощность и ресурс двигателя, уменьшается расход топлива и моторного масла, улучшаются экологические показатели двигателя.