ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PISTON SEALING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE (VERSIONS)

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; авторское свидетельство № 1834406, SU, 1989 г; патент № 2243396, RU, 2002; патент № 2282739, RU, 2005 г.).
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в поршневой канавке два компрессионных кольца, между которыми размещена прокладка (упругое разрезное кольцо), плотно сидящая на дне канавки поршня и обеспечивающая возможность использования меньшего числа колец без ухудшения уплотнения и охлаждения, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (заявка №60-30457, Япония, опубл. 1985).
Однако в известном поршневом уплотнении наличие прокладки между компрессионными кольцами предопределяет зазор в самой ответственной зоне уплотнения - контакте рабочих поверхностей компрессионных колец со стенкой цилиндра. Известно, что до 60…70% утечек рабочих газов происходит через зазоры в замках поршневых колец. Рабочие газы, прорываясь из камеры сгорания через зазор между поршнем и цилиндром, напрямую проникают через неприкрытые зазоры в замках компрессионных колец и далее в картер двигателя. Причем, чем больше изнашиваются рабочие поверхности колец в процессе эксплуатации двигателя, тем больше образуется зазор в замках колец и тем больше утечка рабочих газов. Повышенная утечка рабочих газов оказывает существенное влияние на снижение основных технико-экономических и экологических характеристиках 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 (вариант 1), содержащем установленные в поршневой канавке верхнее и нижнее компрессионные кольца, между которыми размещено уплотнительное кольцо, новым является то, что наружный диаметр уплотнительного кольца равен наружному диаметру компрессионных колец, во внутренней полости поршневой канавки расположено упругое, разрезное кольцо-экспандер, которое поверхностью внешнего диаметра упирается в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец, а выступом, выполненным на поверхности внешнего диаметра, в средней его части, упирается в поверхность внутреннего диаметра уплотнительного кольца, в верхней и нижней части экспандера выполнены кольцевые буртики, входящие в соответствующие кольцевые углубления на дне поршневой канавки 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.
В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем установленные в поршневой канавке верхнее и нижнее компрессионные кольца новым является то, что между верхним и нижним компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два уплотнительных кольца, разделенных между собой средним компрессионным кольцом, при этом наружный диаметр уплотнительных колец равен наружному диаметру компрессионных колец, во внутренней полости поршневой канавки расположено упругое, разрезное кольцо-экспандер, которое поверхностью внешнего диаметра упирается в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец, а выступами, выполненными на поверхности внешнего диаметра, соответственно, упирается в поверхности внутренних диаметров уплотнительных колец, по поверхности внутреннего диаметра экспандера выполнены, по меньшей мере, два кольцевых буртика, входящие в соответствующие кольцевые углубления на дне поршневой канавки 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.
В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 1 и 2) в поршневой канавке над верхним компрессионным кольцом установлено ступенчатое упругое разрезное кольцо с зазором относительно цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки.
На фиг.1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 1).
На фиг.2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (варианты 2).
Двигатель внутреннего сгорания (вариант 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, поршневую канавку 3, в которой установлены верхнее 4 и нижнее 5 компрессионные кольца, между которыми расположено уплотнительное кольцо 6, наружный диаметр которого равен наружному диаметру компрессионных колец 4 и 5, а внутренний диаметр уплотнительного кольца 6 меньше внутреннего диаметра верхнего 4 и нижнего 5 компрессионных колец. Во внутренней полости поршневой канавки 3, расположено упругое разрезное кольцо-экспандер 7, поверхностью внешнего диаметра упирающееся в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец 4 и 5. В верхней и нижней части кольца-экспандера 7 выполнены кольцевые буртики, входящие в соответствующие кольцевые углубления, выполненные на дне поршневой канавки 3, при этом верхняя торцевая поверхность верхнего углубления лежит в одной плоскости с верхней полкой поршневой канавки 3, а нижняя торцевая поверхность нижнего углубления лежит в одной плоскости с нижней полкой поршневой канавки 3. Внутренний диаметр уплотнительного кольца 6 опирается на выступ, выполненный на поверхности внешнего диаметра кольца-экспандера 7.
По варианту 2 между верхним 4 и нижним 5 компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два уплотнительных кольца 6, разделенных между собой средним компрессионным кольцом 8. Во внутренней полости поршневой канавки 3 расположено упругое разрезное кольцо-экспандер 7, поверхностью внешнего диаметра упирающееся в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец 4, 5 и 8. В верхней и нижней части экспандера 7 выполнены кольцевые буртики, входящие в соответствующие кольцевые углубления, выполненные на дне поршневой канавки 3. Верхняя торцевая поверхность верхнего углубления лежит в одной плоскости с верхней полкой поршневой канавки 3, а нижняя торцевая поверхность нижнего углубления лежит в одной плоскости с нижней полкой поршневой канавки 3, при этом внутренние диаметры уплотнительных колец 6 меньше внутреннего диаметра верхнего 4, нижнего 5 и среднего 8 компрессионных колец и опираются на выступы, выполненные на поверхности внешнего диаметра экспандера 7.
По вариантам 1 и 2 в поршневой канавке 3 над верхним компрессионным кольцом 4 установлено ступенчатое упругое разрезное кольцо 9 с зазором относительно цилиндра 1 двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки 3.
Поршневое уплотнение работает следующим образом. При перемещении поршня 2 в верхнее положение на рабочем такте «сжатие» выступ, выполненный на экспандере 7 (вариант 1), перекрывает зазор между поверхностью внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца 4 и поверхностью внешнего диаметра экспандера 7. Причем верхнее компрессионное кольцо 4 перекрывает зазор между поверхностью внутреннего диаметра уплотнительного кольца 6 и поверхностью внешнего диаметра выступа экспандера 7.
По варианту 2 при перемещении поршня 2 в верхнее положение уплотнительные кольца 6 образуют лабиринтное уплотнение между экспандером 7 и компрессионными кольцами 4, 5, и 8, а также лабиринтное уплотнение между дном поршневой канавки 3 и экспандером 7, исключая утечки рабочего газа из цилиндра 1 в картер двигателя и проникновение масла в придонную полость поршневой канавки 3, тем самым устраняя нежелательный контакт высокотемпературных рабочих газов со смазочным маслом в придонной полости поршневой канавки 3, ограничивая нагарообразование и коксование на свободных поверхностях поршневой канавки 3 и экспандера 7. Кроме того, увеличенное количество компрессионных колец 4, 5, 8 и расположенных между ними уплотнительных колец 6 существенно повышает эффективность уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, обеспечивая необходимую устойчивость крупных поршней мощных и сверхмощных двигателей и теплопередачу от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1. Применение экспандера 7, имеющего расчетную силу упругости, практически не зависимую от износа компрессионных колец 4, 5, 8 и уплотнительных колец 6, обеспечивает минимально необходимое усилие прижима колец 4, 5, 8 и 6 к стенке цилиндра 1 и сохраняет устойчивую масляную пленку на контактных поверхностях, которая предохраняет их от излишнего трения и износа, повышая КПД двигателя и его ресурс.
При перемещении поршня 2 в верхнее положение (по вариантам 1 и 2) ступенчатое упругое разрезное кольцо 9, упираясь во внутреннюю вертикальную поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки 3, перекрывает зазор между верхней полкой поршневой канавки 3 и верхним торцом верхнего компрессионного кольца 4, исключая прорыв рабочего газа в картер двигателя и попадание нагара и копоти, снимаемых со стенки цилиндра 1 верхним торцом верхнего компрессионного кольца 4, в поршневую канавку 3. Кроме того, ступенчатое упругое разрезное кольцо 9 перекрывает зазор между поверхностью внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца 4 и поверхностью внешнего диаметра экспандера 7, который имеется между ними в результате погрешностей обработки контактных поверхностей колец 4, 5, 6 и экспандера 7 в процессе их изготовления.
Предлагаемая конструкция уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1 существенно уменьшает прорывы сжимаемого воздуха и рабочих газов из цилиндра 1 в картер двигателя, повышает компрессию, мощность и ресурс двигателя, уменьшает расход топлива и масла, улучшает экологические характеристики двигателя.
Конструкция технологична, допускает применение компрессионных колец различной высоты, например верхнее 4 и нижнее 5 компрессионные кольца могут использоваться как каркасные, имеющее большую высоту, а внутри блока, кольца могут иметь меньшую высоту, что будет способствовать их более быстрой прирабатываемости по гильзе цилиндра 1, иметь меньшие потери на трение и повышенную эффективность уплотнения со стенкой цилиндра 1. Кроме того, в такой конструкции могут быть использованы в качестве материала для колец металлы, сплавы и неметаллы, обладающие и не обладающие собственной упругостью, так как эти функции выполняет экспандер 7, но имеющие минимальные потери на трение, повышенную стойкость и хорошую теплопередачу от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1, что положительно скажется на мощности двигателя и ресурсе колец, поршня, цилиндра и самого двигателя.