ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
PISTON SEAL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

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 (заявка № 51-38005, Япония, 1976 г.; заявка № 60-30457, Япония, 1985 г.; авторское свидетельство SU № 1834406, 1989 г.; патент RU № 2022146, 1991; патент RU № 2282739, 2005 г.).
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, в котором в поршневой канавке установлено несколько компрессионных колец, разрезами замков расположенных под 180° по отношению друг к другу, причем по поверхностям внутренних диаметров компрессионных колец установлено упругое разрезное уплотнительное кольцо-экспандер (патент США № 3456954, МПК F16J 9/06, опубл. 1969), ближайшее по технической сущности к заявляемому и принятое за прототип.
Однако в известном поршневом уплотнении при движении поршня в верхнее положение на такте «выпуск» верхнее компрессионное кольцо своим верхним торцом снимает сажу и копоть со стенки цилиндра, часть которых выбрасывается в камеру сгорания и далее на выхлоп, а часть через имеющийся зазор между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом верхнего компрессионного кольца попадает в придонную полость поршневой канавки на все свободные поверхности колец и поршневой канавки. Накапливаясь с каждым рабочим циклом, эти отходы сгорания топливовоздушной смеси под действием высоких температур и давлений превращаются в нагар и кокс, лишая компрессионные кольца и экспандер необходимой подвижности, а затем и работоспособности. Кроме того, при движении поршня в нижнее положение на такте «впуск» между нижним торцом нижнего компрессионного кольца и нижней полкой поршневой канавки образуется зазор, через который масло, снимаемое со стенки цилиндра нижним торцом компрессионного кольца, попадает в придонную полость поршневой канавки, где встречается с высокотемпературными рабочими газами, прорвавшимися в придонную полость поршневой канавки через зазор между верхней полкой поршневой канавки и верхним торцом верхнего компрессионного кольца, в конце такта «сжатие» и в течение такта «рабочий ход», что также способствует нагарообразованию и коксованию на компрессионных кольцах и экспандере и в итоге приводит к ухудшению всех технико-экономических и экологических характеристик двигателя.
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 для двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в поршневой канавке несколько компрессионных колец с замками, расположенными под 180° по отношению друг к другу, причем по поверхностям внутренних диаметров компрессионных колец установлено упругое разрезное уплотнительное кольцо-экспандер, новым является то, что в верхней и нижней части упругого разрезного уплотнительного кольца-экспандера выполнены кольцевые буртики, а на дне поршневой канавки выполнены кольцевые углубления, так что верхняя торцевая поверхность углубления лежит в одной плоскости с верхней полкой поршневой канавки, а нижняя торцевая поверхность нижнего углубления лежит в одной плоскости с нижней полкой поршневой канавки, при этом буртики входят в соответствующие кольцевые углубления.
Уплотнительное кольцо-экспандер, создавая своими буртиками, входящими в кольцевые углубления, выполненные на дне поршневой канавки, лабиринтное уплотнение, становится конструктивным элементом, обеспечивающим постоянную величину силы прижима компрессионных колец к стенке цилиндра, независимо от их износа в процессе эксплуатации двигателя. В такой конструкции поршневого уплотнения компрессионные кольца могут быть выполнены меньшей толщины из различных теплостойких и износостойких металлов и неметаллов, обладающих хорошей теплопроводностью, обеспечивающих надежный отвод тепла от перегретой головки поршня к охлаждаемому цилиндру. Это имеет большое значение при выборе материала для компрессионных колец, упругие качества которых в данном случае принципиального значения не имеют.
Кроме того, уплотнительное кольцо-экспандер перекрывает зазор в замке нижнего компрессионного кольца, исключая утечку рабочих газов далее в картер двигателя.
Блок компрессионных колец с уплотнительным кольцом-экспандером обеспечивает надежное и стабильное уплотнение между поршнем и цилиндром.
На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, компрессионные кольца 3, упругое разрезное уплотнительное кольцо-экспандер 4 и поршневую канавку 5.
Поршневое уплотнение работает следующим образом. При перемещении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» весь блок колец, состоящий из компрессионных колец 3 и упругого разрезного уплотнительного кольца-экспандера 4, за счет трения компрессионных колец 3 о стенку цилиндра 1, между собой и уплотнительным кольцом-экспандером 4 смещается к верхней полке поршневой канавки 5.
В образовавшийся зазор между нижней полкой поршневой канавки 5 и нижними торцами нижнего компрессионного кольца 3 и уплотнительного кольца-экспандера 4 поступает масло, снимаемое нижним торцом нижнего компрессионного кольца 3 со стенки цилиндра 1. Так как масло - жидкость практически не сжимаемая, а время рабочего такта исчисляется долями секунды, то оно не успевает проникнуть в придонную полость поршневой канавки 5 через преграду, образованную нижним буртиком уплотнительного кольца-экспандера 4 и нижним кольцевым углублением, выполненным на дне поршневой канавки 5.
При перемещении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» весь блок колец под действием осевой составляющей газодинамической силы смещается к нижней полке поршневой канавки 5, выдавливая при этом масло, находящееся в зазоре между нижней полкой поршневой канавки 5 и нижними торцами нижнего компрессионного кольца 3 и уплотнительного кольца-экспандера 4, обратно через зазор между цилиндром 1 и поршнем 2 в картер двигателя.
Прорыв сжимаемого воздуха на такте «сжатие», а затем и рабочего газа на такте «рабочий ход» из цилиндра 1 в картер двигателя существенно ограничен верхним буртиком уплотнительного кольца-экспандера 4, входящим в верхнее кольцевое углубление, выполненное на дне поршневой канавки 5.
Компрессионные кольца 3 с расположенными под 180° по отношению друг к другу замками колец исключают прорыв рабочих газов через зазоры в замках колец. Образуя вместе с уплотнительным кольцом-экспандером 4 лабиринтное уплотнение, компрессионные кольца 3 исключают прорыв рабочих газов из камеры сгорания в картер двигателя.
Такое же положение и динамика в работе поршневого уплотнения сохраняется и при движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход».
Смазка рабочих поверхностей компрессионных колец 3 и стенки цилиндра 1 осуществляется за счет сохранения гидродинамического слоя на стенке цилиндра 1 между трущимися поверхностями путем использования расчетного значения минимально необходимой и в то же время постоянной величины силы прижима компрессионных колец 3 к стенке цилиндра 1, осуществляемой уплотнительным кольцом-экспандером 4.
При перемещении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» блок колец, состоящий из компрессионных колец 3 и уплотнительного кольца-экспандера 4, обеспечивает эффективный выпуск рабочих газов и полную очистку камеры сгорания от продуктов горения.
Поршневое уплотнение простое по конструкции и технологичное в изготовлении позволит значительно повысить эффективность уплотнения между поршнем и цилиндром, увеличить компрессию, мощность и ресурс двигателя, улучшить технико-экономические и экологические характеристики двигателя.