УПЛОТНЕНИЕ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Решение относится к двигателям внутреннего сгорания, применяемым в судовых, тепловозных, автомобильных и стационарных установках, а точнее, - к уплотнениям цилиндропоршневой группы.
Известно выполнение верхнего компрессионного кольца, у которого нижняя сторона скошена таким образом, что сечение кольца сужено к наружной стороне, которая выполнена бочкообразной, при этом его верхняя и внутренняя стороны расположены перпендикулярно друг другу (патент РФ на полезную модель №60638, F02F 5/00, опубл. 27.01.2007). В этом решении скос выполнен на наружной стороне кольца, со стороны цилиндровой втулки, что уменьшает площадь контакта кольца и втулки, увеличивая усилие прижатия кольца к втулке, а следовательно, и ее износ. В качестве прототипа принято составное поршневое уплотнение, где в поршневой канавке установлены верхнее компрессионное кольцо и нижнее маслосъемное кольцо, имеющее вертикальные поверхности со стороны поршневой канавки (см. авт. свид. СССР №1359460, F02F 5/00, опубл. 15.12.1987 г.) На нижнем торце верхнего компрессионного кольца со стороны рабочей поверхности выполнена кольцевая проточка с внутренней конической стенкой, а нижнее кольцо со стороны верхнего торца снабжено цилиндрическим кольцевым выступом, внутренняя стенка которого выполнена конической, причем, вершины конусов внутренних стенок выточки и выступа обращены в сторону, противоположную головке поршня, кольца установлены с возможностью контакта между собой по коническим поверхностям, а масса и упругость верхнего кольца больше массы и упругости нижнего кольца. Недостатки этого решения следующие.
Скосы на кольцах выполнены со стороны цилиндровой втулки, что уменьшает площадь контакта кольца и втулки, увеличивая их износ. Площадь колец со стороны поршня больше, а со стороны втулки меньше. Следовательно, больше усилия на единицу площади цилиндровой втулки. Давление газов в полости между верхним и нижним кольцами и поршнем будет максимальным и практически равным давлению газов в рабочей камере цилиндра. Усилия верхнего и нижнего колец на цилиндровую втулку будут пропорциональны контактной площади с втулкой, что увеличивает ее износ. Эти недостатки устраняются предлагаемым решением. Решается задача повышения ресурса двигателя до замены цилиндровых втулок.
Технический результат - уменьшение износа цилиндровой втулки за счет снижения усилий, прижатия колец газами, образующимися в рабочей зоне цилиндровой втулки в результате сгорания топлива.
Этот технический результат достигается тем, что в уплотнении цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в одной поршневой канавке два кольца: верхнее и нижнее, оба кольца выполнены со скосами на внутренней части со стороны поршня с образованием в продольном сечении угла, вершина которого лежит в плоскости контакта колец, а с цилиндровой втулкой кольца контактируют по всей их высоте.
Предлагаемое выполнение колец увеличивает объем между кольцами и поршнем, в котором расширяются газы, поступившие в поршневую канавку из рабочей камеры цилиндра с давлением Р, при этом их давление снижается до давления Р1 и распространяется равномерно.
Поверхность контакта поршневых колец с цилиндровой втулкой осуществляется по всей их высоте, в результате снижаются усилия, действующие на цилиндровую втулку, т.к. распределяются на большую площадь контакта колец и втулки. Угол будет выбираться в зависимости от конкретных условий. Предлагаемый узел уплотнения цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания приведен на фиг.1, на фиг.2, 3 - эпюры распределения усилий, с которыми кольца прижимаются к цилиндровой втулке, соответственно, без скосов и со скосами. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания включает цилиндровую втулку 1, в которой установлен поршень 2. В канавке 3 поршня 2 размещены компрессионные кольца: верхнее 4 и нижнее 5. Оба кольца 4 и 5 выполнены со скосами 6, 7 на внутренней части со стороны поршня 2 с образованием в продольном сечении угла, вершина которого лежит в плоскости 8 контакта колец 4 и 5, контактирующих с цилиндровой втулкой 1 по всей их высоте.
На эпюре фиг.2 видно, что усилие Р, воздействующее на стенку цилиндровой втулки, значительно (примем его условно за 1,0), тогда усилие Р1, показанное на эпюрах фиг.3, составит примерно 0,6 от верхнего кольца и 0,4 - от нижнего.
Предлагаемое уплотнение цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» рабочее давление дросселируется в полость поршневой канавки 3, создавая радиальные усилия на разжим колец 4 и 5, прижимая кольца к контактным поверхностям цилиндровой втулки 1. При этом скосы на внутренней части колец 4 и 5 увеличивают объем, где расширяются газы, поступившие в поршневую канавку, их давление распределяется равномерно на большую поверхность и передается уже частично «погашенным» на цилиндрическую поверхность контакта поршневых колец 4, 5 с цилиндровой втулкой 1, что снижает ее износ.
Предлагаемое решение было опробовано на двух главных двигателях теплохода.
Компрессионные кольца меньшей толщины были установлены в верхнюю, проточенную по высоте до размера, необходимого для размещения двух колец, канавку поршня каждого цилиндра. В нижних канавках было установлено по одному штатному кольцу.
Уплотнения отработали пять навигаций (около 13000 часов) без демонтажа поршней. Состояние цилиндровых втулок, поршней и колец оставалось удовлетворительным и они были пригодны для дальнейшей эксплуатации. Т.о., в итоге, увеличился ресурс двигателя более чем в 2 раза.