Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания (варианты)
PISTON UNITS OF 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 заявка №2013139797 С2, 20.09.2013) и маслосъемных поршневых устройств (заявка №53-22204, Япония, 1978; заявка №59-20859, Япония, 1984; патент RU №2341671 С2, 19.10.2008; патент RU №2447306 С1, 10.04.2012; патент RU №2499901 С1, 27.11.2013).
Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, содержащее компрессионные и маслосъемные кольца, расположенные в поршневых канавках (ГОСТ Р 53843 - 2010).
Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что между компрессионными и маслосъемными кольцами имеются перемычки, которые ухудшают эффективность уплотнения. Известно, что до 60-70% рабочего давления прорывается через зазоры в замках компрессионных колец. Рабочие газы, прорываясь из камеры сгорания через зазор между поршнем и цилиндром, напрямую проникают через неприкрытые зазоры в замках компрессионных колец и далее в картер двигателя. Причем чем больше изнашиваются рабочие поверхности колец в процессе эксплуатации двигателя, тем больше образуется зазор в замках колец, тем больше утечка рабочих газов. Повышенная утечка рабочих газов оказывает существенное влияние на процессы сгорания топливовоздушной смеси, снижение основных технико-экономических и экологических характеристик двигателя. Кроме того, зазор между поверхностью внешнего диаметра перемычки и стенкой цилиндра прерывает тепловой поток, идущий от кольца через нижнюю полку поршневой канавки к охлаждаемому цилиндру, тем самым вызывая перегрев компрессионного кольца и потерю его работоспособности, особенно это проявляется на двигателях, использующих газообразное топливо. Перемычки между поршневыми кольцами необоснованно увеличивают длину поршня и цилиндра, отрицательно сказываются на кинематике двигателя, его эффективности, усложняют технологию изготовления и увеличивают себестоимость двигателя. Кроме того, неэффективное маслосъемное кольцо принимает пассивное участие в процессе теплообмена между поршнем и цилиндром.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении компрессии, мощности, ресурса и надежности двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшение экономических и экологических характеристик двигателя.
Технический результат (вариант 1) достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания, содержащем компрессионное кольцо и маслосъемное кольцо, расположенные в поршневой расточке, новым является то, что маслосъемное кольцо расположено под компрессионным кольцом, причем суммарная высота компрессионного и маслосъемного колец не менее их радиальной толщины, при этом зазор в замке маслосъемного кольца расположен под 180° по отношению к зазору в замке компрессионного кольца, а зазор между поверхностями внутренних диаметров компрессионного и маслосъемного колец и дном поршневой расточки равен зазору между поршнем и стенкой цилиндра.
Технический результат (вариант 2) достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания, содержащем два компрессионных кольца и, по меньшей мере, два маслосъемных кольца, расположенные в поршневой расточке, новым является то, что компрессионные кольца выполнены трапециевидными одинакового размера и формы, обращены плоскими торцами друг к другу, между нижним наклонным торцом нижнего компрессионного кольца и верхним торцом верхнего маслосъемного кольца расположено разрезное упругое расширительное кольцо, при этом угол наклона верхнего торца расширительного кольца равен углу наклона нижнего торца нижнего компрессионного кольца.
На внешнем диаметре маслосъемных колец, кроме верхнего, выполнены осевые пазы, причем на нижнем кольце количество пазов больше, чем на кольце, расположенном над ним.
Угол наклона нижнего торца нижнего компрессионного кольца и верхнего торца расширительного кольца более 15°.
Технический результат (вариант 3) достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания, содержащем два компрессионных кольца и, по меньшей мере, два маслосъемных кольца, расположенных в поршневой расточке, новым является то, что компрессионные кольца выполнены трапециевидными одинакового размера и формы, обращены плоскими торцами друг к другу, под нижним наклонным торцом нижнего компрессионного кольца установлено дополнительное компрессионное кольцо, угол наклона верхнего торца которого равен углу наклона нижнего торца вышерасположенного компрессионного кольца, нижний торец дополнительного компрессионного кольца контактирует с пакетом маслосъемных колец, имеющих осевые пазы, под нижним торцом нижнего маслосъемного кольца расположено расширительное кольцо.
На внешнем диаметре маслосъемных колец выполнены осевые пазы, причем на нижнем кольце количество пазов больше, чем на кольце, расположенном над ним.
Угол наклона нижнего торца расширительного кольца и нижней полки поршневой расточки одинаковый, более 15°.
На фиг. 1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 1).
На фиг. 2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 2).
На фиг. 3 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 3).
Двигатель внутреннего сгорания (вариант 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, компрессионное кольцо 3 и маслосъемное кольцо 4, расположенные в поршневой расточке 5.
По варианту 2 в поршневой расточке 5 установлены два трапециевидных компрессионных кольца 3, 6 и маслосъемные кольца 4, 8, 9, между нижним компрессионным кольцом 6 и верхним маслосъемным кольцом 4 расположено упругое разрезное расширительное кольцо 7 с наклонным верхним торцом. На внешнем диаметре маслосъемных колец 8 и 9, кроме верхнего 4, выполнены осевые пазы, причем на нижнем кольце 9 количество пазов больше, чем на кольце 8, расположенном над ним. Угол наклона нижнего торца нижнего компрессионного кольца 6 и верхнего торца расширительного кольца 7 более 15°.
По варианту 3 в поршневой расточке 5 установлены два одинаковых трапециевидных кольца 3 и 6, под которым расположено третье, иной формы, трапециевидное компрессионное кольцо 10, с нижним торцом которого контактирует маслосъемные кольца 4, 8, 9. Между нижним маслосъемным кольцом 9 и нижней полкой поршневой расточки 5 установлено упругое разрезное расширительное кольцо 7 с наклонным нижним торцом. На внешнем диаметре маслосъемных колец 4, 8, 9 выполнены осевые пазы, причем на нижнем кольце 9 количество пазов больше, чем на кольце 8, расположенном над ним, а на кольце 8 – больше, чем на кольце 4. Угол наклона нижнего торца расширительного кольца 7 и нижней полки поршневой расточки 5 одинаковый, более 15°.
Поршневое устройство работает следующим образом.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «всасывание» компрессионное кольцо 3 вместе с маслосъемным кольцом 4, расположенные в поршневой расточке 5 (вариант 1), за счет трения о стенку цилиндра 1 смещаются к верхней полке поршневой расточки 5, закрывая гарантированный зазор между верхней полкой поршневой расточки 5 и верхним торцом компрессионного кольца 3. За счет сил трения о стенку цилиндра 1 маслосъемное кольцо 4 поджимается к нижнему торцу компрессионного кольца 3, перекрывая зазоры в замках обоих колец. Тем самым устраняется подсос из картера двигателя, создается наибольшее разрежение над поршнем, способствующее всасыванию максимального заряда свежего воздуха в цилиндр 1.
При движении поршня 2 в верхнее положение на тактах «сжатие» и «рабочий ход» за счет появления давления воздуха над поршнем 2 компрессионное кольцо 3 и маслосъемное кольцо 4 смещаются к нижней полке поршневой расточки 5, перекрывая зазор между нижней полкой поршневой расточки 5 и нижним торцом маслосъемного кольца 4. Под действием давления рабочих газов над поршнем 2, прорывающихся через зазор между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1, а также через гарантированный зазор между верхней полкой поршневой расточки 5 и верхним торцом компрессионного кольца 3, компрессионное кольцо 3 поджимается к маслосъемному кольцу 4, перекрывая зазоры в замках обоих колец. Тем самым обеспечивается более полное срабатывание рабочего давления, влияющего на все технико-экономические и экологические характеристики двигателя.
При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» за счет трения о стенку цилиндра 1 оба кольца 3 и 4 остаются прижатыми к нижней полке поршневой расточки 5, обеспечивая полноту выброса выхлопных газов, устраняя их прорыв в картер двигателя, защищая картер и моторное масло, находящееся в нем, от термического воздействия и засорения остатками неполного сгорания топлива. С целью сокращения количества масла, попадающего в придонную полость поршневой расточки 5, и нагарообразования на деталях поршневой группы целесообразно назначать зазор между поверхностями внутренних диаметров всех поршневых колец в пакете и поверхностью дна поршневой расточки 5 минимальным, совпадающим с зазором между поршнем 2 и цилиндром 1. С целью сведения механических потерь на трение компрессионного и маслосъемного 4 колец к несущественному минимуму, сбалансирования осевой и радиальной составляющих газодинамических сил, действующих на кольца, суммарная высота обоих колец b должна быть не менее радиальной толщины t. Такая конфигурация конструкции обеспечивает комплексное функционирование обоих колец: маслосъемное кольцо 4 способствует повышению эффективности уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, а компрессионное кольцо 3 помогает маслосъемному кольцу 4 в удалении излишков масла со стенки цилиндра 1. Используя газодинамическое воздействие рабочих газов на поверхности внутренних диаметров колец 3 и 4, можно регулировать величину сил прижима рабочих поверхностей колец 3 и 4 к стенке цилиндра 1, изменяя высоту колец 3 и 4, то есть величину площадей поверхностей внутренних диаметров колец 3 и 4, в зависимости от их предназначения и особенностей конструкции двигателя.
По варианту 2 при разогреве двигателя происходят термодинамические изменения формы и размеров цилиндра 1 и в наибольшей степени головки поршня 2, где расположено поршневое устройство. Разогрев поршня 2 приводит к увеличению ширины поршневой расточки 5, а прогрев цилиндра 1 приводит к увеличению его внутреннего диаметра. Собственные упругие силы компрессионных колец 3, 6 и маслосъемных колец 4, 8, 9 смещают кольца к стенке цилиндра 1, образуя за счет углов наклона торцов колец зазор между верхним торцом верхнего кольца 3 и верхней полкой поршневой канавки 5. Одновременно под действием собственных упругих сил расширительное кольцо 7 смещается в том же направлении, устраняя появляющийся зазор. Кроме того, на самых ответственных тактах рабочего цикла «сжатие» и «рабочий ход», рабочие газы через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 прорываются в придонную полость поршневой канавки, оказывая дополнительное воздействие на расширительное кольцо 7, тем самым усиливая расклинивающее действие, обеспечивая плотный контакт по вертикали всех колец в пакете. Таким образом, устраняется зазор между полками поршневой расточки 5 и торцами компрессионного кольца 3 и маслосъемного кольца 9. Во время работы двигателя в процессе теплообмена между поршнем 2 и цилиндром 1 участвуют не только компрессионные кольца 3 и 6, но и расширительное кольцо 7 вместе с маслосъемными кольцами 4, 8 и 9. При этом масло, постоянно меняющееся под нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 9, благоприятно сказывается на снижении температуры всего пакета поршневых колец, повышая эффективность процесса теплообмена между поршнем 2 и цилиндром 1, предохраняя поршень 2 от перегрева. В процессе охлаждения выключенного двигателя термодинамические изменения происходят в обратном порядке. В первую очередь снижается температура охлаждаемого цилиндра 1, уменьшается его внутренний диаметр, стенка цилиндра 1, обжимая компрессионные кольца 3, 6 и маслосъемные кольца 4, 8 и 9, смещает их в сторону дна поршневой расточки 5. Охлаждение поршня 2 приводит к уменьшению ширины поршневой расточки 5 и соответствующему обжатию всего пакета поршневых колец. Под действием сил сжатия нижний наклонный торец нижнего компрессионного кольца 6, воздействуя на верхний наклонный торец расширительного кольца 7, смещает его в исходное положение. Для обеспечения нормальной работы расширительного кольца 7, исключения его заклинивания на холодном двигателе угол наклона нижнего торца нижнего компрессионного кольца 6 и угол наклона верхнего торца расширительного кольца 7 должны быть больше угла самоторможения клиновых пар, практически более 15°. Кроме того, контакт компрессионных колец 3, 6 и расширительного кольца 7 с пакетом маслосъемных колец 4, 8, 9, на который оказывает охлаждающее влияние моторного масла, способствует улучшению теплообмена между поршнем 2 и охлаждаемым цилиндром 1.
По варианту 3 в начале работы двигателя в первую очередь и в большей степени нагревается верхняя часть поршня 2, где расположено поршневое устройство. Активному теплообмену между цилиндром 1 и поршнем 2 способствует увеличенная площадь поверхности верхнего торца верхнего компрессионного кольца 3, плотно контактирующая с компрессионными кольцами 6, 10 и пакетом маслосъемных колец 4, 8, 9, образующих большую суммарную площадь контакта со стенкой охлаждаемого цилиндра 1. В этот процесс свою лепту вносит и расширительное кольцо 7. Причем дополнительное компрессионное кольцо 10 выполняет функции «чистильщика» - верхнего маслосъемного кольца без осевых пазов. Увеличение при нагреве диаметра цилиндра 1 и ширины расточки 5 способствуют расширению всех колец поршневого устройства за счет упругих сил и давления рабочих газов в придонной полости поршневой расточки 5, куда они ограниченно попадают через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3. Смещение расширительного кольца 7 обеспечивает зазор между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра 1, который, в свою очередь, зависит от величины угла наклона нижнего торца расширительного кольца 7 и нижней полки поршневой расточки 5. Блок трапециевидных компрессионных колец 3, 6, 10, имея большую площадь контакта со стенкой цилиндра 1, обеспечивают эффективный теплообмен перегретой головки поршня 2 с охлаждаемым цилиндром 1. При движении поршня 2 в нижнее положение гидравлическое сопротивление снимаемого со стенки цилиндра 1 масла дифференцируется, снижаясь, согласно количеству маслосъемных колец 4, 8, 9 в пакете, количества пазов и их размеров на каждом кольце, обеспечивая требуемое качество очистки стенки цилиндра 1. За счет выполнения на внешнем диаметре маслосъемных колец 4, 8, 9 осевых пазов уменьшается гидравлическое сопротивление при движении поршня 2 в нижнее положение.
Предлагаемая конструкция поршневого устройства практически исключает газодинамические потери, оставляя на стенке цилиндра 1 минимально допустимую толщину масляной пленки, сводит механические потери на трение поршневых колец к несущественному минимуму, создает благоприятные условия для эффективного теплообмена между поршнем 2 и цилиндром 1, особенно важных для двигателей, работающих на форсированных режимах или использующих газообразное топливо, повышает компрессию, мощность и ресурс двигателя, уменьшает расход топлива и моторного масла, улучшает экологические показатели двигателя.