ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
PISTON MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению и авторемонту, а также может быть использовано в компрессорном оборудовании.
Аналогами изобретения являются широко изестные технические решения конструкций уплотнительных элементов цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Прототипом заявляемому изобретению является поршневая машина, содержащая, по меньшей мере одну цилиндропоршневую группу, включающую поршень с размещенными в его канавках компрессионными кольцами и по меньшей мере два вкладыша, установленные в выемках на боковой поверхности поршня, а также конструктивные узелы, предназначенные для взаимно смещенной ориентации положения замков колец. В этом изобретении ( 2195563 С2, Л.1) вкладыши, запирающие поток прорывающихся в замки колец газов в такте рабочего хода поршня, размещаются в выемках на теле поршня под первым компрессионным кольцом на расстоянии не менее 8 мм между каждым вкладышем и осью симметрии замка кольца и обеспечивают герметичность уплотнения в зоне замка кольца, а конструктивные узлы для взаимно смещенной ориентации положения замков колец выполнены в виде стопоров, внедренных в тело поршня в кольцевых канавках над полукруглыми выемками в кольцах на расстоянии 1-6 мм от кромок концевых участков колец.
При такой геометрии расположения вкладышей и конструкции элементов фиксации колец в каждой цилиндропоршневой группе четырехтактного двигателя, содержащей по меньшей мере два компрессионных кольца, возникают негативные явления, снижающие эффект повышения рабочих качеств интенсивно эксплуатируемых ДВС, а именно:
1. В начале такта рабочего хода в зоне замка первого ("огневого") кольца, ограниченной вкладышами, в полости между ними, резко повышается давление. Соответственно, резко снижается давление газов, прижимающих эту часть кольца к нижней стенке его канавки, а возникший дисбаланс давлений приводит на высоких оборотах двигателя к усиленной вибрации кольца и к преждевременному износу стенок его канавки;
2. Тепловая энергия газов, прорывающихся в полость между кольцами, снимается с значительно ограниченной затворами охлаждаемой поверхности цилиндра;
3. В процессе интенсивной эксплуатации ДВС стопоры первых компрессионных колец, находящиеся в зоне высоких давленний и температурных перегрузок, за счет образования "нагара" плотно усаживаются в подготовленные для них выемки в кольцах и лишают кольца обязательной их подвижности в канавках.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных качеств поршневой машины.
Поставленная задача решается тем, что в поршневой машине, содержащей по меньшей мере одну цилиндропоршневую группу, включающую поршень с размещенными в его канавках компрессионными кольцами и по меньшей мере два вкладыша, установленные в выемках на боковой поверхности поршня, а также конструктивные узелы для взаимно смещенной ориентации положений замков колец, вкладыши размещены над вторым компрессионным кольцом, симметрично относительно положения центра его замка, с расстоянием между внутренними краями выемок, не превышающим минимально заданный запас. При таком расположении вкладышей фронт волны давления горячих газов, прорывающихся через тепловой зазор первого компрессионного кольца, распространяется вдоль полости, ограниченной вкладышами - затворами, незначительно меньшей, чем длина окружности колец, и дисбаланс давлений на первое компрессионное кольцо в такте рабочего хода поршня существенно уменьшается, что позволяет снизить износ стенок его канавки из-за вибрационных явлений и увеличить поверхность теплоотдачи газов в среду, охлаждающую внешние стенки цилиндров двигателя.
Поставленная задача решается также и тем, что конструктивный узел для взаимносмещенной ориентации положения замков колец выполнен в виде ролика, входящего в верхнюю (кольцевую) часть с масленным зазором и скользящего с масленым зазором между концевыми упорами нижней обоймы, выполненной в виде сегментного желоба, выфрезерованного в теле поршня. Использование вместо неподвижного стопопора скользящего между двумя упорами ролика обеспечивает свойство ограниченной подвижности кольца в канавке для существенного уменьшения вероятности его закоксовывания и увеличивает надежность и технологичность изготовления фиксирующего узла. Это свойство усиливают тем, что верхним и нижним концам внешней части замка, по крайней мере первого, компрессионного кольца, выходящей за тело поршня придают форму двух конусов, разделенных тепловым зазором. Спрофилированный таким образом замок кольца позволяют создать более ламинарый поток прорывающихся газов и снизить вероятность образования резонансных вибраций кольца в канавке на повышенных оборотах двигателя.
Поставленная задача решается и тем, что углы конусности смежных верхних и нижних проточек в замке, по меньшей мере первого компрессионного кольца, выполнены разными для содания переменной концентрации усилий прорывающего газа, продольно сдигающих кольцо в заданных упорами ролика пределах и снижающих вероятность закоксовывания кольца за счет приобретенного нового свойства. Это свойство, при необходимости усиливают тем, что верхним и нижним проточкам в замке придают профиль формы кривой второго порядка. Создание такого же профиля для прохода газа, как и у сопла Лаваля, позволяет придать замку кольца дополнительные антивибрационные свойства и свойства ускорять проход фронта волны давления газов через зазоры замка первого компрессионного кольца к вкладышам и увеличить эффективность работы вкладышей (пневмодинамических затворов).
Минимально заданный запас между внутренними краями выемок для вкладышей задается разным для новых и ремонтных двигателей с учетом заданного запаса в увеличении тепловых зазоров в замке второго компресионного кольца в процессе длительной интенсивной эксплуатации двигателя и с учетом заданного расстояния между концевыми упорами фиксирующего ролика, что позволяет обеспечить эффективную работу вкладышей независимо от значения зазора в замке ограниченно-подвижного кольца.
Изобретение иллюстрируется прилагаемыми чертежами: Фиг.1-5.
На Фиг.1 изображен типовой механизм действия лабиринтного уплотнения цилиндров серийно выпускаемых двигателей в виде усредненной динамической диаграммы давления газов Р, прорывающихся через компрессионные кольца К в картер двигателя следующим образом.
При работе двигателя надпоршневые газы в тактах сжатия, расширения и выпуска проникают под давлением Р через торцевой зазор над первым компрессионным кодьцом, прижатым этим давлением к нижней стенке, вначале в полость канавки между кольцом и поршнем и частично, через замки колец, в картер двигателя, а затем, когда на такте впуска первое кольцо прижмется к верхней стенке канавки, перетекают в полость между первым и вторым компрессионными кольцами. Таким же образом газы проникают в полости за нижний кольца, постепенно утрачивая свое давление вследствии дросселирующего действия зазоров. Экспериментально установленно, что в процессе работы высокооборотных двигателей давление в полости за первым кольцом достигает 75%, а за вторым 20% от давления в цилиндре над поршнем.
При локальных перегревах в зазорах между кольцами и стенками канавок образуются шлаковые микроотложения, которые выдуваются вместе с газами за счет обязательной подвижности колец в канавках (Л.2).
На Фиг.2 изображены детали конструкции одной поршневой группы предлагаемой поршневой машины. На Фиг.3 показан поперечный разрез поршня и цилиндра под первым компрессионным кольцом и фрагменты предложенной схемы уплотняющего противодействия прорывающимся газам. На Фиг.4 изображена зона вертикального разреза замка первого компрессионного кольца в плоскости А-А, а на Фиг.5 представлена конфигурация этого разреза с эпюрой давлений прорывающихся газов.
В соответствии с поставленными задачами цилиндро-поршневая группа предлагаемой поршневой машины, состоящая из поршня 1, цилиндра 2, первого компрессионого кольца 3 и второго компрессионного кольца 4, размещенных в соответствующих кольцам поршневых канавках 5 и 6, оборудована по меньшей мере двумя вкладышами 7 и 8, установленными в выфрезерованных под каждый вкладыш выемках 9 и 10 на боковой поверхности поршня 1 над вторым компрессионным кольцом 4, симметрично относительно положения центра его замка и конструктивными узлами для ограниченно-подвижной взаимносмещенной (взаимосмежной при наличии на поршне только 2 компрессионных колец) ориентации положения замков колец 3 и 4, выполнеными в виде ролика 11, входящего в верхнюю (кольцевую) часть обоймы 12 первого кольца 3 с маслянным зазором и ролика 13, входящего в верхнюю (кольцевую) часть обоймы 14 второго кольца с маслянным зазором 15, который на Фиг.3 для первого кольца не изображен. В качестве нижних обойм роликов служат сегментные желоба 16, выфрезерованные на дне поршневых канавок для каждого компрессионного кольца с концевыми, вогнутообразными по форме роликов, упорами 17 с расстоянием между упорами, составляющим (в частности) величину 2,5 размеров радиуса ролика. Вкладыши 7 и 8 и соответствующие им по форме выемки 9 и 10 обеспечивают плотное, с небольшим маслянным зазором, прилегание торцов вкладышей к поверхностям обоих колец, а одна из граней каждого вкладыша при возникновении градиента давлений между гранями прижимается к зеркалу цилиндра и плотно затворяет полость 18 от прорыва газов в замок второго компрессионного кольца. Внешняя часть замка по меньшей мере первого компрессионного кольца 3 выфрезерована в виде, изображенном на Фиг.4 и Фиг.5.
Поршневая машина в составе 4-тактного ДВС работает по следующему принципу.
В рабочем такте происходит резкое повышение температуры и давления в полости над поршнем 1. Под действием давления расширяющихся газов первое компрессионное кольцо 3 плотно прилегает к нижней стенке своей канавки 5 и запирает путь газам через торцевые зазоры. Газы, прорывающиеся через замок первого компрессионного кольца 3, ускоренные за счет измененной в соответствии с Фиг.4 и Фиг.5 конфигурацией замка этого кольца, быстро заполняют полость 18 между вкладышами 7 и 8, прижимают второе компрессионное кольцо 4 к нижней стенке его канавки 6, предотвращая прорыв газов через торцевые зазоры этого кольца, а наружные грани вкладышей 7 и 8 плотно затворяют полость 18 от прорыва газов через замок этого кольца.
Поскольку в рабочем такте отработавшие газы выпускают из цилиндра 2 до прихода поршня 1 в нижнюю мертвую точку, давление над поршнем в конце этого такта резко снижается. Однако за счет дросселирующего действия зазора в замке первого компрессионного кольца 3 накопленного давления в полости 18 оказывается достаточным, чтобы предотвратить прорыв газов за второе компрессионное кольцо 4 не только в конце рабочего такта, но и на протяжении всего такта выпуска, в котором из-за дросселирующего эффекта выталкиваемых газов в отверстия выпускного клапана, выпускного коллектора и глушителя давление над поршем остается существенно выше атмосферного, а также в такте впуска, в тех его фазах, когда давление над поршнем 1 становиться ниже атмосферного. В такте сжатия остаточное давление в полости 18 начинает возрастать усиливая эффект затвора газов от прорыва за второе компрессионное кольцо 4
Ограниченная подвижность первого компрессионого кольца 3, препятствующая его закоксовыванию, достигается тем, что при интенсивном втекании газов в начале такта сжатия через замок этого кольца в полость 18, за счет разности векторов усилий Р1 и Р2 (Фиг.5) и еще низкого надпоршневого давления, кольцо 3 по ролику 11 незначительно прокатывается в направлении одного из концевых упоров его сегментного желоба, а при вытекании газов из полости 18 в такте впуска прокатывается в другую сторону. Второе поршневое кольцо 4, менее подверженное закоксовыванию, может использоваться без специальной проточки его замка, обретая ограниченную подвижность за счет подвижности ролика 13 в его сегментном желобе и действия газовых и инерционных нагрузок.
По мере износа компрессионных колец интенсивность уплотняющего действия деталей предложенной поршневой машины сохраняется длительное время за счет конструктивного выполнения условия
Rкв=Кв(Кпр Др+Кт Rт),
где Rкв - значение размера между ближнеми краями выемок 9 и 10 для вкладышей 7 и 8; Др - значение диаметра ролика 13; Кпр - значение коэффициента подвижности ролика 13 в желобе 16; Rт - значение исходного теплового зазора в замке второго компрессионного кольца 4; Кт - значение коэффициента запаса увеличения теплового зазора; Кв - значение коэффициента подвижности вкладышей 7 и 8 в выемках 9 и 10 для вкладышей с учетом предельно допустимого износа этих деталей.
В отличие от динамики работы типового механизма уплотнения цилиндро-поршневой группы серийно выпускаемых ДВС (Фиг.1) и механизма уплотнения в устройстве-прототипе (Л.1) уплотняющий механизм предложенной поршневой машины позволяет использовать надпоршевое давление для создания постоянно действующей амортизирующей среды между компресиионными кольцами, дополнительно препятствующей прорыву газов в картер длительно и интенсивно эксплуатируемых двигателей внутреннего сгорания или компрессорных установок, устранить выявленные недостатки и решить поставленную задачу в соответствии с предложенными технически приемами.
Техническая эффективность работы предложенной поршневой машины экспериментально проверена.
Источники информации
1. Описание патента RU 2192195563 С2, 2000.12.27.
2. Учебник "Тракторы и автомобили", Родичев В.А., Родичева Г.И., второе издание: Агропромиздат, 1987 г.