ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE PISTON SEAL

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 (патент US 1527535, опубл. 19.10.1920, патент RU №2381375, МПК F02F 5/00, опубл. 10.02.2010, патент RU №2213238, МПК F02F 5/00, F16J 9/20, опубл. 27.09.2003, патент US 3971298, опубл. 27.07.1976, патент GB 284133, опубл. 26.01.1928, патент GB 552296, опубл. 31.03.1943).
Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в одной поршневой канавке верхнее уплотнительное кольцо, у которого верхний торец выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, большей вертикальной стороной оно обращено к оси цилиндра, а между кольцом и стенкой цилиндра имеется зазор, по меньшей мере, одно нижнее уплотнительное кольцо и дополнительное кольцо, у которого нижний торец выполнен под острым углом к своему верхнему торцу, а большей вертикальной стороной оно прижато к стенке цилиндра (патент RU №2447306, МПК F02F 5/00, F16J 9/20, опубл. 12.01.2011). Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что верхнее уплотнительное кольцо, находясь в зоне максимальных давлений рабочих газов, не уплотняет зазор между поршнем и цилиндром, допуская прорыв рабочих газов через зазор в замке нижележащего уплотнительного поршневого кольца. Известно, что через зазоры в замках компрессионных колец происходит до 70% всех газодинамических потерь в двигателе (Трение и теплопередача в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания. P.M. Петриченко. Л., Издательство Ленинградского университета, 1990 г., стр.6). Кроме того, существенным недостатком прототипа является то, что зазор между верхним уплотнительным кольцом и стенкой цилиндра нарушил теплопередачу непосредственно от перегретой головки поршня охлаждаемому цилиндру, существенно ухудшив температурный режим двигателя, что снижает мощность, ресурс и надежность работы двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности поршневого устройства, мощности, ресурса и надежности двигателя, в уменьшении расхода топлива, улучшении экологических характеристик двигателя.
Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в одной поршневой канавке верхнее трапециевидное уплотнительное кольцо и нижнее трапециевидное кольцо, между которыми, по меньшей мере, расположено одно уплотнительное кольцо прямоугольного профиля, верхний торец верхнего кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, нижний торец нижнего кольца выполнен под острым углом к своему верхнему торцу, новым является то, что верхнее уплотнительное кольцо большей вертикальной стороной прижато к стенке цилиндра, а нижнее трапециевидное кольцо большей вертикальной стороной обращено к оси цилиндра, между поверхностью наружного диаметра нижнего кольца и стенкой цилиндра имеется зазор.
Угол наклона нижнего торца нижнего кольца относительно своего верхнего торца больше угла самоторможения 12°.
На фигуре представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее трапециевидное кольцо 3, среднее кольцо 4, нижнее трапециевидное кольцо 5, установленные в поршневой канавке 6.
Поршневое уплотнение работает следующим образом.
В процессе работы двигателя происходит нагрев деталей цилиндропоршневой группы и, в первую очередь, головки поршня 2 и места расположения поршневого уплотнения. Разогрев поршня 2 приводит к увеличению ширины поршневой канавки 6, а прогрев цилиндра 1 приводит к увеличению его внутреннего диаметра. Собственные упругие силы поршневых колец 3, 4, 5 и газодинамические силы прорвавшегося в придонную полость поршневой канавки 6 рабочего газа смещают весь пакет уплотнительных колец 3, 4 и 5 в направлении стенки цилиндра 1. Смещение верхнего кольца 3 увеличивает зазор между его верхним торцом и верхней полкой поршневой канавки 6, смещение нижнего кольца 5 компенсирует меняющийся зазор, обеспечивая постоянный контакт верхнего торца верхнего кольца 3 с верхней полкой поршневой канавки 6.
В процессе охлаждения выключенного двигателя термодинамические изменения происходят в обратном порядке. В первую очередь снижается температура охлаждаемого цилиндра 1, уменьшается его внутренний диаметр, стенка цилиндра 1, воздействуя на уплотнительные кольца 3, 4 и 5, смещает их в направлении оси цилиндра 1. В свою очередь, остывание поршня 2 приводит к уменьшению высоты поршневой канавки 6, которая, сужаясь, своей нижней полкой воздействует на наклонный торец нижнего кольца 5, имеющий угол наклона к своему верхнему торцу больше угла самоторможения 12°, смещая кольцо 5 в исходное положение, образуя зазор между верхним торцом верхнего кольца 3 и верхней полкой поршневой канавки 6, предохраняя кинематическую систему от заклинивания и давая возможность кольцам 3 и 4 вернуться в исходное положение.
Предлагаемое поршневое уплотнение практически исключает газодинамические потери, отрицательно влияющие на постоянство расчетных параметров рабочих процессов, повышает полноту сгорания топлива, увеличивая мощность двигателя и снижая удельный расход топлива, повышая надежность и ресурс двигателя, улучшая его экологические показатели.