ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE PISTON SEAL

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые уплотнения двигателей внутреннего сгорания, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (патент США №1527535, опубл. 24.02.1925; заявка Великобритании №2002874, 1979; патент США №4326723, 1982; заявка Японии №58-53186, 1983; RU 2213238 С2, 2003; RU 2381375 С2, 10.02.2010).
Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в одной поршневой канавке два рабочих кольца, причем верхний торец верхнего кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, а большей вертикальной стороной верхнее кольцо обращено к оси цилиндра, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (патент США №1527535, МПК F16J 9/20, опубл. 24.02.1925).
Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что при движении поршня он меняет свое положение относительно оси цилиндра, качаясь на поршневом пальце в пределах гарантированного зазора между поршнем и цилиндром. Причем амплитуда качания равна этому зазору, меняющемуся практически от нуля с одной стороны поршня до его двойного значения на противоположной стороне. Под действием сил реакции со стороны стенки цилиндра на рабочие поверхности компрессионных колец происходит смещение кольца внутрь поршневой канавки с одной стороны поршня и наружу канавки на величину возросшего зазора с противоположной стороны поршня. При ходе поршня в нижнее положение на такте впуск силы инерции и трения рабочей поверхности трапециевидного компрессионного кольца о стенку цилиндра, а также сила воздействия верхней полки поршневой канавки на верхний торец трапециевидного кольца смещают кольцо в сторону оси цилиндра и в верхнее положение за счет угла наклона контактных поверхностей. Вместе с верхним кольцом смещается в верхнее положение и компрессионное кольцо, образуя зазор между нижним торцом кольца и нижней полкой поршневой канавки. В образовавшийся зазор устремляется масло, снимаемое нижним торцом компрессионного кольца со стенки цилиндра, которое попадает в придонную полость поршневой канавки. При движении поршня в верхнее положение на такте сжатие под действием рабочего давления компрессионное кольцо прижимается к нижней полке поршневой канавки, вытесняя из зазора масло в придонную полость поршневой канавки и далее через зазоры в замках колец в камеру сгорания. Таким образом, происходит насосный эффект масла, сопровождающий работу компрессионных колец, повышающий расход масла на угар. На такте рабочий ход масло, попавшее в придонную полость поршневой канавки, встречается с высокотемпературным рабочим газом, образуя нагар на свободных поверхностях колец и поршневой канавки, который, постепенно коксуясь, может заклинить поршневые кольца и привести к поломке двигателя.
Изобретение решает задачу повышения эффективности двигателя, его технико-экономических и экологических характеристик.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении компрессии, мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экологических показателей двигателя.
Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в одной поршневой канавке верхнее и, по меньшей мере, одно нижнее уплотнительные кольца, верхний торец верхнего кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, а большей вертикальной стороной кольцо обращено к оси цилиндра, новым является то, что под нижним кольцом установлено дополнительное уплотнительное кольцо, нижний торец которого выполнен под острым углом к своему верхнему торцу, большей вертикальной стороной оно обращено к стенке цилиндра, а между наружной вертикальной поверхностью верхнего кольца и стенкой цилиндра имеется зазор.
Угол наклона нижнего торца дополнительного кольца меньше угла наклона верхнего торца верхнего кольца
Под нижним торцом дополнительного кольца по наружному диаметру поршня выполнена канавка, сообщающаяся отверстиями с внутренней полостью поршня.
На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Здесь: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - верхнее уплотнительное кольцо; 4 - нижнее уплотнительное кольцо; 5 - дополнительное уплотнительное кольцо; 6 - канавка; 7 - отверстия; 8 - поршневая канавка.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, установленные в одной поршневой канавке верхнее 3, нижнее 4 уплотнительные кольца и расположенное под нижним 4 дополнительное уплотнительное кольцо 5. Нижний торец дополнительного кольца 5 выполнен под острым углом к своему верхнему торцу так, что оно большей вертикальной стороной обращено к стенке цилиндра 1, при этом угол наклона нижнего торца дополнительного кольца 5 меньше угла наклона верхнего торца верхнего кольца 3. Между наружной вертикальной поверхностью верхнего кольца 3 и стенкой цилиндра 1 имеется зазор. Под нижним торцом дополнительного кольца 5 по наружному диаметру поршня 2 выполнена канавка 6, соединенная отверстиями 7 с внутренней полостью поршня 2.
Поршневое уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2 в нижнее положение масло, находящееся на стенке цилиндра 1, действует на выступающую в зазоре между стенкой цилиндра 1 и поршнем 2 часть наклонного нижнего торца кольца 5, прижимая его к стенке цилиндра 1 и к нижнему торцу компрессионного кольца 4. Величина составляющих гидродинамической силы зависит от скорости перемещения поршня 2 и угла наклона нижнего торца кольца 5. Осевая составляющая стремится сместить всю систему «дополнительное кольцо 5 - кольцо 4 - верхнее кольцо 3» в верхнее положение, а радиальная составляющая гидродинамической силы обеспечивает необходимое усилие прижима рабочей поверхности дополнительного кольца 5 к стенке цилиндра 1. При этом собственные упругие силы кольца 3 и давление рабочих газов на его внутреннюю вертикальную поверхность, смещая кольцо 3 в сторону стенки цилиндра 1, препятствуют смещению нижележащих колец 4 и 5 в верхнее положение и появлению зазора между нижним торцом нижнего дополнительного кольца 5 и нижней полкой поршневой канавки 8. Снимаемые со стенки цилиндра 1 излишки масла заполняют полость канавки 6 и через отверстия 7 удаляются во внутреннюю полость поршня 2.
Кинематическая система «верхнее коническое кольцо 3 - нижнее кольцо 4 - дополнительное кольцо 5 - верхняя и нижняя полки поршневой канавки 8» автоматически компенсирует все термодинамические, газодинамические и гидродинамические изменения, происходящие в верхней части поршня 2, принципиально влияющие на процессы уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, теплопередачи от перегретой головки поршня 2 охлаждаемому цилиндру 1 и, как результат, на повышение эффективности сгорания топливовоздушной смеси. Повышаются КПД, мощность и ресурс двигателя, уменьшаются расход топлива и моторного масла, улучшаются экологические характеристики.
Чем больше угол наклона нижнего торца кольца 5, тем больше радиальная составляющая гидродинамической силы, прижимающей рабочую поверхность кольца к стенке цилиндра 1, тем меньшая толщина смазочного слоя остается на его стенке, влияющая на снижение расхода масла на угар и увеличение его срока службы.
Кроме того, постоянно меняющееся масло охлаждает дополнительное кольцо 5, через него другие кольца 3 и 4, верхнюю полку поршневой канавки 8 и сам поршень 2.
Дополнительное уплотнительное кольцо 5, являясь компрессионным с маслосъемными функциями, замыкает кинематическую систему всей конструкции поршневого уплотнения «верхнее кольцо 3 - компрессионное кольцо 4 - дополнительное кольцо 5». Верхнее кольцо 3 выполняет функцию закладного термодинамического кольца, которое исключает все зазоры между кольцами 4, 5 и полками поршневой канавки 8, расположенными в направлении оси цилиндра 1, обеспечивая надежную теплопередачу от перегретой головки поршня 2 охлаждаемому цилиндру 1. Исходя из его назначения, кольцо 3 выполняется из упругих материалов с повышенной теплопроводностью, например из термически обработанного сплава алюминия или меди.
За счет износа рабочей поверхности дополнительное кольцо 5 может смещаться в сторону стенки цилиндра 1 в большей степени, чем кольцо 3, наружная вертикальная поверхность которого не должна выступать из поршневой канавки за пределы диаметра поршня 2. Поэтому верхнее кольцо 3, имеет угол наклона верхнего торца больше угла наклона нижнего торца дополнительного кольца 5, позволяя компенсировать все возможные термодинамические и механические (износ контактных поверхностей) изменения в этой системе. Кроме того, верхнее кольцо 3 существенно сокращает прорыв рабочих газов в поршневую канавку 8 и далее в картер двигателя и попадание масла из придонной полости поршневой канавки 8 в камеру сгорания.
Разработанная конструкция уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 2 предполагает необходимость и достаточность наличия на поршне одной поршневой канавки 8, поэтому для различных по мощности, габаритам и назначению двигателей поршневое уплотнение может быть усилено несколькими уплотнительными кольцами 4 прямоугольного профиля, расположенными между верхним 3 и дополнительным 5 кольцами. Причем зазоры в замках всех колец должны располагаться вдоль оси поршневого пальца и повернуты под 180° по отношению друг к другу.
Поршневое уплотнение при минимальных газодинамических потерях и потерях на трение обеспечивает стабильность работы двигателя и его высокие технико-экономические и экологические характеристики.