Составное поршневое кольцо
COMPOSITE PISTON RING

Изобретение относится к машиностроению, к проектированию и изготовлению компрессионных поршневых колец компрессоров и двигателей внутреннего сгорания.
Известны и широко применяются поршневые кольца, состоящие из одной детали. Недостатком этих колец являются значительные газодинамические потери за счет утечек газа через зазор в замке поршневого кольца (Гуревич A.M. и Сорокин Е.М. Тракторы и автомобили. - М., Колос, 1978, с. 62-70). Зазор в замке поршневого кольца связан с его тепловым расширением. Усложнение конструкции замка для снижения утечек газа наталкивается на технологические трудности. Более рациональным является применение составных колец.
Известно, принятое за прототип, составное поршневое кольцо (RU2436984, 20.12.2011), которое теоретически позволяет обеспечить герметичное соединение поршня и цилиндра. Однако для этого необходимо выполнить два главных требования: 1) высота коаксиально расположенных колец должна быть одинаковой, в месте их теоретического соприкосновения (по внутреннему диаметру внешнего кольца и наружному диаметру внутреннего кольца) не должно быть зазоров; 2) нижняя плоскость кольцевой канавки поршня должна быть перпендикулярной оси поршня и иметь качество обработки поверхности такое же, как и поршневых колец; 3) износ и деформация колец из-за изменяющихся сил, действующих на поршень, в процессе эксплуатации не должна приводить к нарушению первого требования; 4) нарушается принцип взаимозаменяемости - два нижних кольца должны идти только в комплекте. Недостаток данного устройства заключается в том, что технологически сложно обеспечить выполнение первого и второго требований, а третье - практически невозможно, в результате чего снижается качество уплотнения поршень-цилиндр в процессе эксплуатации двигателя (аналогичны требования и аналогичны недостатки у второго варианта прототипа). Конструкция прототипа предполагает, что поршневые кольца прижаты к нижней плоскости кольцевой канавки поршня. Однако при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней сила трения может превышать силу давления газов на поршневое кольцо, тогда поршневое кольцо будет прижато к верхней плоскости кольцевой канавки поршня. В этом случае герметичность системы поршень-цилиндр будет нарушена, т.к. газ пройдет через замок верхнего кольца и зазор между поршневыми кольцами и кольцевой канавкой поршня.
Целью изобретения является упрощение технологии изготовления кольца и сохранение качества уплотнения поршень-цилиндр в процессе эксплуатации двигателя.
Эта цель достигается тем, что составное поршневое кольцо содержит два кольца со смещенными относительно друг друга замками, причем замок каждого кольца в его плоскости имеет Z-образную форму, центральная часть замка выполнена без зазора и не выходит за пределы кольцевой канавки поршня. Фиксация колец может осуществляться с помощью штифта и сквозных отверстий в верхнем и нижнем кольцах либо с помощью штифта, установленного в кольцевой канавке поршня и прорезей в кольцах. Возможны другие варианты взаимной фиксации колец.
Для уменьшения степени износа пары «поршневое кольцо - кольцевая канавка поршня» может быть установлена пружина между верхней плоскостью кольцевой канавки поршня и верхним поршневым кольцом. Сила давления пружины на поршневые кольца должна превышать силу трения пары «цилиндр - поршневые кольца». В этом случае верхнее поршневое кольцо может быть стандартным. Этот вариант несколько усложняет конструкцию поршневого кольца и может иметь преимущества в специфических случаях.
Изобретение поясняется чертежами, на которых схематично показаны вид сбоку на поршень (разрез А-А) и вид сверху (разрез Б-Б). На фиг. 1 показано положение колец при движении поршня к верхней мертвой точке, на фиг. 2 показано положение колец при движении поршня от верхней мертвой точки, когда сила трения может превысить силу давления газов на поршневое кольцо.
Устройство содержит верхнее 1 и нижнее 2 поршневые кольца, примыкающие к цилиндру 3 и расположенные внутри кольцевых канавок поршня 4, замок каждого поршневого кольца имеет наружный температурный зазор 5 и внутренний зазор 6, между внутренней цилиндрической частью каждого поршневого кольца и кольцевой канавки поршня имеется зазор 7.
Верхнее поршневое кольцо не препятствует прохождению газа к зазору 7, т.к. имеется зазор между верхней плоскостью кольца 1 и кольцевой канавкой поршня, но препятствует прохождению газа через зазор 5 нижнего кольца 2, а отсутствие зазора в средней части замка нижнего кольца 2 препятствует прохождению газа между поршнем и цилиндром, что обеспечивает герметичность пары «цилиндр-поршень».
По тем же причинам обеспечивается герметичность пары «цилиндр-поршень», когда кольца прижаты силой трения к верхней плоскости кольцевой канавки поршня.
Изготовление предлагаемого составного поршневого кольца может осуществляться без особых требований к допускам на размеры, а износ любого кольца не влияет на качество уплотнения поршень-цилиндр в процессе эксплуатации двигателя, чем достигается поставленная цель изобретения.