УПЛОТНЕНИЕ ПОРШНЯ В ЦИЛИНДРЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE ENGINE CYLINDER PISTON SEAL

Изобретение относится к машиностроению, в частности к объемным поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания (RU, №2282739, F02F 5/00, 14.02.2005), состоящее из двух компрессионных и двух уплотнительных колец, установленных с зазором в одной канавке поршня, и разрезами замков этих колец в противоположные стороны соответственно в каждой паре. Такая конструкция уплотнения уменьшает утечку рабочих газов через замковые разрезы колец и тем самым позволяет полнее использовать энергию сгорания топлива.
Однако недостатком этой конструкции является утечка газов через зазоры в канавке поршня и замковые разрезы в кольцах в момент перекладки поршня около верхней мертвой точки, когда давление рабочих газов является максимальным. Кроме того, не исключается вертикальное смещение внутренних уплотнительных колец относительно внешних компрессионных, что откроет монтажные разрезы в них для прохода газов.
В машиностроении известны так называемые «манжетные» уплотнения, широко применяемые в гидравлике и в деталях машин при жидкой смазке подшипниковых узлов (Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1978. - 352 с., стр.116). Манжетное уплотнение представляет собой эластичное резиновое или пластмассовое кольцо с отогнутой внешней или внутренней кромкой. Устанавливается кольцо отогнутой кромкой в сторону уплотняемого объема. Хорошая герметичность в подвижном соединении достигается за счет прижатия отогнутой манжетной кромки кольца давлением рабочей жидкости к стенкам цилиндра или к валу. При небольших давлениях жидкости манжетная кромка может дополнительно прижиматься к валу специальной браслетной пружиной.
Недостатком такого уплотнения является невозможность его многофункционального использования, например в машинах с высокой температурой уплотняемого объема, т.к. материал колец не позволяет применять их при высоких температурах.
Прототипом заявляемого изобретения является уплотнение поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов / Н.X.Дьяченко, Б.А.Харитонов, В.М.Петров и др; под ред. Н.X.Дьяченко. - Л. Машиностроение, 1979. - 392 с.; стр.236), содержащее два упругих уплотнительных кольца с наклонными внешними кромками, прилегающими к стенке цилиндра, установленными однонаправлено в одной канавке поршня. Кольца выполнены разрезными, имеют фигурное переменное сечение и установлены в одной канавке поршня с зазором. Кроме того, по окружности каждого кольца, с определенным шагом выполнены радиальные отверстия для циркуляции масла.
К недостаткам такого уплотнения следует отнести, во-первых, монтажный разрез каждого кольца, необходимый для создания упругости кольца и для установки его на поршень и зазоры в посадочной канавке, с которыми кольца установлены на поршне. Через эти зазоры и монтажные разрезы газы под давлением проникают в подпоршневое пространство. Во-вторых, узкий функциональный диапазон применения такого уплотнения - в основном для удаления излишков масла со стенок цилиндра. Тонкие наклонные внешние кромки упругих колец и система отверстий в них не позволяют их использовать в качестве основных уплотняющих (компрессионных), из-за возможного перегрева тонких наклонных внешних кромок и утечки рабочих газов через отверстия.
Задачей изобретения является обеспечение герметичности и увеличение срока службы уплотнения поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД использования энергии топлива, уменьшение удельного расхода топлива, увеличение эффективной мощности двигателя, уменьшение выброса вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в уплотнении поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащем два упругих уплотнительных кольца с наклонными внешними кромками, прилегающими к стенке цилиндра, установленными однонаправлено в одной канавке поршня, согласно изобретению кольца выполнены цельными, постоянной толщины по сечению, внешние наклонные кромки колец в зоне прилегания к стенке цилиндра расположены с возможностью их смыкания и образования замкнутой внутренней полости, которая со стороны поршня ограничена дополнительно установленным распорным кольцом, при этом в распорном кольце выполнены два диаметрально противоположно расположенных отверстия для циркуляции масла во внутренней полости.
Выполнение колец цельными позволяет избавиться от монтажного разреза каждого кольца и тем самым исключить утечку газов через эти разрезы, что обеспечивает достижение поставленной задачи - герметичности газового стыка.
Выполнение колец постоянной толщины по сечению позволяет изготавливать кольца штампованными из тонкого упругого листового металла, тем самым упростить технологию их изготовления и придать упругость внешним наклонным кромкам колец. За счет упругости наклонных кромок обеспечивается начальное прижатие и пропорциональное поджатие этих наклонных кромок колец к стенкам цилиндра, в зависимости от давления газов в рабочем объеме цилиндра. Это, в свою очередь, исключает пропуск газов по окружности уплотнения и повышает КПД использования энергии топлива, уменьшает его расход и выбросы вредных примесей.
Смыкание наклонных внешних кромок колец в зоне прилегания к стенкам цилиндра и установка дополнительного распорного кольца между упругими кольцами в канавке поршня образуют замкнутую внутреннюю полость между уплотнительными кольцами и распорным кольцом, используемую для циркуляции охлаждающего масла. В результате этого исключается перегрев уплотнения и достигается увеличение срока его службы. Кроме того, в процессе работы двигателя осуществляется смазка внешних наклонных кромок колец, трущихся о стенки цилиндра. Происходит это за счет взаимного смещения внешних наклонных кромок колец под действием переменного давления рабочих газов и просачивания охлаждающего масла из внутренней полости через линию контакта колец. Этим также достигается увеличение ресурса уплотнения.
Наличие распорного кольца, установленного между упругими кольцами, обеспечивает удержание упругих колец в канавке поршня без зазора, что реализует свойство упругости их внешних наклонных кромок, а также предотвращает утечки охлаждающего масла через неплотности в прилегании колец к поршню.
Два диаметрально противоположные отверстия в распорном кольце позволяют создать условия для направленной циркуляции масла во внутренней полости уплотнения и сделать его охлаждение интенсивным и достаточным для установившейся и долговременной работы.
Изобретение поясняется чертежом, где показано устройство уплотнения поршня.
Уплотнение состоит из двух упругих уплотнительных колец, верхнего 1 и нижнего 2, с наклонными внешними кромками 3 и 4 для верхнего 1 и нижнего 2 колец соответственно. Кольца 1 и 2 выполнены металлическими. В канавке поршня 5 упругие уплотнительные кольца 1 и 2 удерживаются установленным между ними распорным кольцом 6. Наклонные внешние кромки 3 и 4 направлены в сторону уплотняемого объема цилиндра и в зоне прилегания к стенке цилиндра 7 смыкаются, образуя между собой и распорным кольцом 6 внутреннюю замкнутую полость 8. В распорном кольце 6 выполнены диаметрально противоположно расположенные входное 9 и выходное 10 отверстия для направленной циркуляции в замкнутой полости 8 охлаждающего масла, которое поступает через канал 11 и выводится через отверстие 12, расположенные в поршне 5. Упругие уплотнительные кольца 1 и 2 одинаковы по толщине. Нижнее кольцо 2 имеет меньший угол наклона (отгиба) внешней наклонной кромки 4 относительно стенки цилиндра 7, причем длина внешней наклонной кромки 4 больше длины внешней наклонной кромки 3. Это необходимо для образования замкнутой полости 8 между упругими уплотнительными кольцами 1 и 2 и распорным кольцом 6. Углы наклона внешних кромок колец 3 и 4 к стенке цилиндра 7 и их толщина подобраны так, чтобы площадь контакта кромок 3 и 4 со стенкой цилиндра 7 соответствовала допускаемым напряжениям, возникающим в стенке 7 при давлении газов на внешние наклонные кромки 3 и 4.
При работе двигателя горячие газы проникают в зазор между поршнем 5 и стенкой цилиндра 7, к наклонной внешней кромке 3 верхнего упругого уплотнительного кольца 1, равномерно прижимая ее к стенке цилиндра 7, при этом внешняя наклонная кромка 4 нижнего упругого уплотнительного кольца 2 также прижимается к стенке цилиндра 7. В замкнутую внутреннюю полость 8 под давлением поступает охлаждающее масло. Обладая высокой теплопроводностью, верхнее кольцо 1 быстро нагревается, но также быстро и отдает тепло охлаждающему маслу, циркулирующему в замкнутой внутренней полости 8. Таким образом, температура верхнего кольца 1 не может подняться выше температуры охлаждающего масла, которое, в свою очередь, хорошо отводит тепло за счет конвективного теплообмена, т.е. интенсивной циркуляции. Интенсивная циркуляция масла в полости 8 осуществляется однонаправлено через входное 9 и выходное 10 отверстия, масло поступает через канал 11 и выводится через отверстие 12.
Работа данного устройства позволяет обеспечить герметичность и увеличить срок службы уплотнения. За счет применения данного уплотнения повышается эффективность использования энергии топлива, уменьшается удельный расход топлива, увеличивается эффективная мощность двигателя, уменьшается выброс вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах. Кроме того, упрощается технология изготовления самих уплотнительных колец, а для установки на поршень достаточно одного комплекта уплотнения на поршне, которое полностью обеспечит герметичность зазора между поршнем и цилиндром. Установка уплотнения такого типа возможна на других объемных машинах, таких как компрессоры или роторно-поршневые двигатели.
Данное изобретение находится на стадии технического предложения.