ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к уплотнениям систем поршень-цилиндр и может быть использована в двигателях внутреннего сгорания и компрессорах.
В процессе работы цилиндропоршневой машины при износе цилиндропоршневой группы увеличивается диаметр цилиндра и уменьшается внешний диаметр поршневого кольца, что ведет к увеличению торцевого стыка (замка). При этом поршень перемещается, в том числе, и в горизонтальной плоскости. При высоких степенях сжатия, когда создается высокое давление в камере сгорания, нижняя поверхность поршневого кольца прижимается к нижней горизонтальной поверхности проточки поршня настолько сильно, что упругости кольца может быть недостаточно для обеспечения прижатия к поверхности цилиндра. При этом кольцо перемещается в горизонтальной плоскости вместе с поршнем, уменьшая торцевой стык (замок). В результате замок кольца, увеличенный вследствие износа диаметра цилиндра и наружного диаметра поршневого кольца, уменьшается и рабочие газы прорываются через образовавшийся зазор между цилиндром и поршневым кольцом. Постоянные колебания кольца в горизонтальной плоскости приводят к уменьшению силы упругости кольца, что также способствует увеличению зазора между поршневым кольцом и цилиндром. Таким образом, в результате износа происходит уменьшение герметизации камеры сгорания, что снижает ресурс работы цилиндропоршневой машины.
Из уровня техники известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее разрезной пружинный кольцевой элемент с проточкой Т-образной формы в поперечном сечении и с замком - вставкой Т-образной формы в поперечном сечении, которая размещается в проточке и прижимается к цилиндру под действием пружинных свойств кольцевого элемента (см. RU 2069802 С1, 27.11.1996).
В процессе износа цилиндропоршневой группы увеличивается диаметр цилиндра, изнашивается внешний диаметр поршневого кольца, что ведет к увеличению торцевого стыка (замка) поршневого кольца.
При работе цилиндропоршневой машины поршень перемещается, в том числе, и в горизонтальной плоскости.
При высоких степенях сжатия, когда давление в камере сгорания высокое, поршневое кольцо своей нижней поверхностью, прижимается к нижней горизонтальной поверхности проточки под кольцо настолько сильно, что упругости кольца может быть недостаточно, чтобы остаться прижатым к поверхности цилиндра. При этом кольцо будет перемещаться в горизонтальной плоскости вместе с поршнем, уменьшая торцевой стык (замок). Замок кольца, увеличенный вследствие износа диаметра цилиндра и наружного диаметра поршневого кольца, будет уменьшаться, и рабочие газы будут прорываться через образовавшийся зазор между цилиндром и поршневым кольцом.
Постоянные колебания кольца в горизонтальной плоскости приводит к уменьшению силы упругости кольца, что также будет способствовать увеличению зазора между поршневым кольцом и цилиндром.
Задачей настоящей полезной модели является создание уплотнения, повышающего ресурс работы цилиндропоршневой машины.
Технический результат полезной модели заключается в повышении качества герметизации камеры сгорания за счет уменьшения количества прорывающихся газов через замок кольца, устранении возможной вибрации кольца при его эксплуатации, увеличении срока службы как самого кольца, так и поршня, а также повышение экономичности работы цилиндропоршневой машины (двигателя).
Указанный технический результат достигается за счет того, что поршневое уплотнение содержит, по меньшей мере, одно разрезное кольцо, установленное в поршневой канавке и контактирующее с внутренней поверхностью цилиндра, и вставку, расположенную между концами разрезного кольца с образованием замка, при этом согласно предложению торцевые поверхности на концах разрезного кольца размещены под углом относительно друг друга, вставка выполнена клиновидной с клином направленным к цилиндру, а поверхности клина контактируют с торцевыми поверхностям кольца, а поршневое уплотнение снабжено средством поджима клиновидной вставки в направлении к цилиндру.
Клиновидная вставка может быть установлена в контакте с внутренней поверхностью цилиндра или с зазором по отношению к внутренней поверхности цилиндра.
По меньшей мере, на часть поверхности кольца может быть нанесено антифрикционное покрытие.
В первом варианте выполнения средство поджима расположено между вставкой и поршнем с обеспечением отжатия вставки относительно поршня.
При этом средство поджима может быть выполнено в виде упругой пластины, контактирующей своей средней частью с поршнем и краями - с вставкой.
Кроме того, средство поджима может быть выполнено в виде подпружиненного элемента, расположенного в выточке в поршне и контактирующего с вставкой.
Также средство поджима может быть выполнено в виде упругого выступа на вставке, контактирующего с поршнем.
Во втором варианте выполнения средство поджима выполнено с возможностью отжатия вставки относительно разрезного кольца.
При этом средство поджима может быть выполнено в виде расположенной между вставкой и поршнем упругой пластины, края которой расположены в углублениях на торцевых поверхностях разрезного кольца, а средняя часть которой контактирует со вставкой.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 показано уплотнение в сборе.
На фиг.2 показано уплотнение в разобранном состоянии.
На фиг.3, 4 показан вариант конструкции уплотнения со вставленной в кольцо упругой пластиной.
На фиг.5-7 показан вариант конструкции уплотнения с подпружиненным элементом, расположенным в выточке поршня. На фиг.6 (б) показано место Т на фиг.6 (а) в увеличенном виде.
На фиг.8 показан вариант конструкции уплотнения с размещением вставки с зазором относительно поверхности цилиндра.
На фиг.9-10 показан вариант конструкции уплотнения с упругим выступом на вставке.
На фиг.11 (а) показано кольцо с антифрикционным покрытием, на фиг.11 (б) - сечение А-А на фиг.11 (а).
На фиг.12 показано теплоотводное кольцо.
На фиг.13-14 показан общий вид поршневого уплотнения.
Поршневое уплотнение содержит, по меньшей мере, одно разрезное кольцо 3, установленное в канавке поршня 2 и контактирующее с внутренней поверхностью цилиндра 1. Торцевые поверхности А и В кольца 3 расположены под углом г по отношении друг к другу (фиг.1). При этом между указанными поверхностями размещена клиновидная вставка 4, клин которой направлен к цилиндру 1. Уплотнение также содержит средство 5 поджима клиновидной вставки 4 в направлении к цилиндру 1.
При выполнении уплотнения с вставкой 4, контактирующей с цилиндром 4, радиус кривизны ее наружной поверхности предпочтительно совпадает с радиусом внутренней поверхности цилиндра 1.
Плоскость С проходит через центральную ось Р наружной цилиндрической поверхности кольца 3 и точку М. (см. Фиг.1) Точка М образуется из пересечения линии М и плоскости С. Линия М образуется как пересечение плоскостей А и В. Плоскости А и В расположены так, что находящиеся на плоскости С ось Р и точка М расположены с разных сторон относительно сечения клиновидной вставки 4 плоскостью С.
Угол r может иметь несколько градаций:
- от нуля до предельного угла самоторможения. Углом самоторможения считается угол, в пределах которого кольцо 3 через плоскости А и В будет не способно отжать клиновидную вставку 4 от цилиндра 1.
- от предельного угла самоторможения до угла, в пределах которого клиновидная вставка 4 может быть отжата от цилиндра 1 кольцом 3 через плоскости А и В.
При этом чем меньше угол r, тем меньше ресурс работы уплотнения.
1
2
В клиновидной вставке 4 угол r может отличаться от угла r. В этом случае будет происходить движение поршневого кольца 3 по канавке поршня 2.
Клиновидная вставка 4 предпочтительно выполнена из более мягкого материала по отношению к материалу кольца 3. Кроме того, желательно, чтобы вставка 4 располагалась вдоль оси коленчатого вала.
Возможны два варианта выполнения средства 5 поджатия вставки 4. В первом варианте вставка 4 отжимается относительно поршня 2, во втором - относительно разрезного кольца 3.
В частном случае исполнения второго варианта уплотнения, средство 5 поджима может быть выполнено в виде упругой пластины размещенной в проточках на торцевых поверхностях кольца 3 (фиг.2, 3). Такая конструкция позволяет уменьшить колебательное воздействие поршня 2 на вставку 4 и средство 5 поджима при перемещении поршня 2 в горизонтальной плоскости.
В первом варианте выполнения средство 5 поджима может иметь конструкцию, обеспечивающую отжим клиновидной вставки 4 в любом месте поршня 2 (см. фиг.1) или в определенном месте, как показано на фиг.5-8. В первом случае элементы отжимного механизма не связаны с поршнем, а во втором случае - соединены с ним. В первом случае средство 5 поджима может быть выполнено, например, в виде упругой пластины, контактирующей своей средней частью с поршнем 2 и краями - с вставкой 4. Во втором случае средство 5 поджима может быть выполнено в виде подпружиненного элемента, расположенного в выточке в поршне 2 и контактирующего с вставкой 4.
Поверхности А и В могут иметь зубчатую форму (фиг.6 (б)). В этом случае в процессе замыкания вставки 4 с поршневым кольцом 3 в нагретом состоянии вставка 4 не будет перемещаться к оси поршня 2 под действием собственных инерционных сил.
В первом варианте выполнения средство 5 поджима может быть выполнено в виде упругого выступа на вставке 4 (фиг.9-10).
2
Клиновидная вставка 4 может быть установлена в контакте с поверхностью цилиндра 1 (фиг.1-7) или с зазором (фиг.8). Во втором случае наружная поверхность вставки 4 может иметь любую форму. При этом на фиг.8: D - диаметр поршня, а К - длина отрезка от максимально близкой к цилиндру 1 точки вставки 4 до противоположной точки цилиндра 1. Указанный отрезок К должен проходить через центр цилиндра 1. В предлагаемом варианте необходимо в поршневой канавке укладывать не менее двух поршневых колец. В этом случае, вставки 4 не должны совпадать по угловому положению, и поршневые кольца 3 должны быть зафиксированы от взаимного перемещения относительно друг друга.
В холодном состоянии между поршневым кольцом 3 и вставкой 4 может быть тепловой зазор, что не влияет на работоспособность кольцевого узла.
Чтобы уменьшить воздействие поршня 2 на кольцо 3 при перемещении поршня 2 в горизонтальной плоскости, на нижнюю поверхность кольца 3 можно нанести антифрикционное покрытие (например «Molykote D10») (фиг.11), если это не ухудшит отвод тепла от поршня к цилиндру. Для этого необходимо, чтобы расстояние Е от покрытия до края кольца было больше зазора между цилиндром и поршнем. Если за счет нанесения антифрикционного покрытия на торец кольца 3 отвод тепла ухудшится, то антифрикционное покрытие можно наносить на второе кольцо, при этом первое кольцо можно изготавливать П-образной формы в поперечном сечении (фиг.12). На наружной цилиндрической поверхности первого кольца могут быть выполнены несколько пазов.
Внутренняя поверхность вставки 4 может быть любой формы во всех предлагаемых случаях, но не должна упираться в поршень 2.
По мере износа вставки 4 ее угол r будет оставаться неизменным, но угол r поршневого кольца 3 будет уменьшаться, тем самым торцевой стык кольца 3 и вставки 4 около цилиндра 1 (место Н, фиг.7) будет незначительно увеличиваться. Это увеличение угла может положительно влиять на работу уплотнения.
В связи с этим в настоящей полезной модели возможно между торцевой плоскостью поршневого кольца 3 и торцевой плоскостью вставки 4 предусмотреть небольшой угол «е» с центром угла Н около поверхности цилиндра 1 (фиг.7).
Работа поршневого уплотнения осуществляется следующим образом.
Вставка 4 при износе прижимается к цилиндру 1, обеспечивая нулевой зазор с цилиндром 1, и разжимает кольцо 3 через плоскости А и В. При этом кольцо 3 изнашивается со стороны наружного диаметра, плоскости А и В раздвигаются с образованием зазора. За счет средства 5 поджима вставка 4 прижимается к цилиндру 1 с обеспечением ее износа со стороны наружной поверхности, при этом зазоры между плоскостями А и В кольца 3 и вставки 4 замыкаются.
Оптимальные параметры работы машины обеспечиваются за счет выбора угла r, а также характеристик износа кольца 3 и вставки 4.
При перемещении (рабочем износе) вставки 4 на 1 мм цилиндр 1 изнашивается на 0,3 мм, что может соответствовать полному его эксплуатационному ресурсу.
Таким образом, в предлагаемой конструкции поршневого уплотнения кольцо 3 прижимается к цилиндру 1 с минимальным усилием, при этом обеспечивается наиболее эффективная герметизация камеры сгорания.
При применении предлагаемой конструкции можно отказаться от применения дорогостоящих материалов при изготовлении кольца и других дорогих технологических процессов по напылению покрытия на поверхность поршня.