Газоуплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания
GAS SEALING OF CYLINDER-AND PISTON GROUP OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и касается конструкции составных компрессионных поршневых колец двигателя внутреннего сгорания.
Известно газоуплотнение цилиндропоршневой группы двигателя виутреннегр сгорания, содержащее установленные в канавке размещенного в цилиндре поршня между верхним и нижним ее торцами основное компрессионное и дополнительное кольца. Последнее может быть выполнено круглого сечения, как например, в патенте СССР №311467, кл. F02F 5/00, опубл. 1977 г., или L-образного сечения как в патенте ФРГ №2046105 кл. 46 i 5/00, опубл. 1970 г.
Выполнение дополнительного уплотнительного кольца круглого или -образного сечения прилегающих к внутренней цилиндрической поверхности компрессионного кольца, уменьшает ее площадь, на которую передается, давление рабочего газа во время рабочего хода поршня, что уменьшает силу прижатия рабочими газами компрессионного кольца к цилиндру. Уменьшение газовой составляющей сил прижатия компрессионного кольца к цилиндру при неизменной величине другой ее части - сил его собственной упругости значительно ухудшает газоуплотнение, помимо этого при радиальных и осевых вибрациях компрессионного кольца и соответствующих его перемещениях будет нарушаться уплотнение пространства между внутренней цилиндрической поверхностью компрессионного кольца и торцем кольцевой канавки в поршне.
Известно газоуплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащее устанвленные в канавке размещенного в цилиндре поршня между верхним и нижним его торцами компрессионное и дополнительное разрезные кольца. Последнее выполнено полусферического сечения и своей наружной поверхностью прилегает к внутренней цилиндрической поверхности компрессионного кольца, а своим торцами упирается в верхний и нижний торцы канавки. В головке поршня выполнены наклонные сверления, связывающие надпоршневую полость в цилиндре с заколечным пространством (авт. свид. СССР №89479, кл. F16i 9/06, 0.01.1950 г.).
Недостатком известной конструкции газоуплотнения является то, что в процессе работы двигателя на стенках камеры сгорания, днище и головке поршня, а также наклонных отверстиях в головке поршня всегда будет происходить отложение нагара, накопление высокотемпературных и низкотемпературных отложений моторного масла, что приведет закоксованию наклонных отверстий в головке поршня. Вследствие этого прекратится подача рабочего газа в заколечное пространство и из-за отсутствия» рабочего давления газов на внутреннюю цилиндрическую поверхность компрессионного кольца не будет обеспечено необходимое его прижатие к поверхности цилиндра и эффективное газоуплотнение в паре поршень - цилиндр.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является газоуплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в канавке размещенного в цилиндре поршня между верхним и нижним его торцами основное компрессионное и дополнительное разрезные кольца, дополнительное кольцо выполнено -образного сечения и имеет верхнюю и нижнюю кольцевые полки, прилегающие к соответствующим торцам канавки и соединенные боковой цилиндрической пластиной, прижатой к внутренней цилиндрической поверхности основного компрессионного кольца, при этом в верхней полке дополнительного кольца выполнены сквозные прорези, а в стыке его на боковой цилиндрической поверхности выполнены кольцевые усики. Для дополнительного увеличения силы прижатия компрессионного кольца и улучшения его прилегаемости к цилиндру в усовершенствованном варианте газоуплотнения на периферии обеих полок равномерно расположены отгибные усики, которые упираются своими концами в дно канавки (Патент РФ №2486360 от 27.06.2013 г.).
Недостатком прототипа является некоторая усложненность конструкции газоуплотнения из-за применения отгибных усиков в дополнительном кольце. Одновременно следует также отметить, что в высокофорсированных дизельных двигателях срок службы алюминиевого поршня и, как следствие, самого двигателя определяется в значительной мере износостойкостью торцев кольцевых канавок. Указанные торцы разбиваются компрессионным кольцом, которое нагружается знакопеременными суммарными силами, воздействующими на него. Разбивание кольцевых канавок поршня в рассматриваемом газоуплотнении не устраняется.
Задачей заявляемого изобретения является разработка высокоэффективного газоуплотнения и увеличение ресурса цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, которое обеспечило бы повышение эффективности работы двигателя и снизило бы расход моторного масла.
Поставленная задача решается тем, что газоуплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в канавке размещенного в цилиндре поршня между верхним и нижним ее торцами основное компрессионное и дополнительное разрезные кольца, дополнительное кольцо выполнено -образного сечения и имеет верхнюю и нижнюю кольцевые полки, прилегающие к соответствующим торцам канавки и соединенные боковой цилиндрической пластиной, прижатой за счет сил собственной упругости к внутренней цилиндрической поверхности основного компрессионного кольца. Кольцевые полки направлены от боковой цилиндрической поверхности пластины и дна канавки к поверхности цилиндра двигателя и по ширине не выступают за пределы кольцевой канавки поршня, а основное компрессионное кольцо расположено внутри дополнительного кольца, изготовленного из жаропрочной тонколистовой стали.
В боковой цилиндрической пластине в верхней ее части выполнены равномерно расположенные по ее периметру сквозные прорези-окна, примыкающие к верхней полке, через которые рабочий газ свободно перетекает в заколечное пространство, обеспечивая дополнительное прижатие газовыми силами через цилиндрическую пластику основного компрессионного кольца к поверхности цилиндра двигателя.
При таком выполнении газоуплотнения обеспечивается увеличение ресурса цилиндропоршневой группы, снижение прорыва газов в картер двигателя, исключение насосного действия верхнего компрессионного кольца и уменьшение расхода моторного масла.
На фиг. 1 представлено заявляемое газоуплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 изображено дополнительное кольцо (вид спереди в разрезе); на фиг. 3 - то же (вид сверху в разрезе по сквозным прорезям).
Уплотнение (фиг, 1-3) между цилиндром 1 и поршнем 2 производится основным компрессионным кольцом 3 и дополнительным из жаропочной тонколистовой стали уплотняющим кольцом 4, которое состоит из верхней 5 и нижней 6 кольцевых полок, соединенных боковой цилиндрической пластиной 7, постоянно прижатой за счет сил собственной упругости к внутренней цилиндрической поверхности 8 основного компрессионного кольца 3. Широкие полки 5 и 6 в сжатом состоянии в цилиндре двигателя обеспечивают достаточный натяг и устойчивое прижатие боковой цилиндрической пластины 7 к внутренней цилиндрической поверхности 8 основного компрессионного кольца 3. В боковой цилиндрической поверхности 7 в верхней ее части выполнены равномерно расположенные по ее периметру сквозные прорези-окна 9, примыкающие к верхней полке 5, через которые рабочий газ свободно перетекает в заколечное пространство 11, обеспечивая прижатие газовыми силами через цилиндрическую пластину 7 основного компрессионного кольца 3 к поверхности цилиндра 1 двигателя, что является необходимым условием работы газоуплотнения пары поршень-цилиндр. В свободном состоянии верхняя 5 и нижняя 6 полки выполнены некоторым наклоном под углом α соответственно к плоскостям торца 12 и 13 канавки 14 поршня 2 (предпочтительно угол α=1°-5°). При установке дополнительного кольца 4 в канавку 14 образуется необходимый натяг, обуславливающий прижатие полок 5 и 6 соответственно к торцам 12 и 13 кольцевой канавки.
Известно, что при работе поршневого двигателя компрессионное кольцо 3 за счет совокупного действия газовых сил, сил инерции кольца 3 и сил трения между кольцом 3 и цилиндром 1 многократно за рабочий цикл двигателя (до 25 раз) попеременно прижимается к верхнему 12 и нижнему 13 торцам канавки.
При перекладке компрессионного кольца 3 между торцами канавки оно зависает между ними, при котором образуются зазоры 18 и 19 между торцами компрессионного кольца и канавки. При этих мгновенных промежуточных положениях кольца 9 через зазоры 18 и 19 происходит свободное течение газа из надпоршневого пространства 10 в картер двигателя. В этом же положении кольца 3 возможно движение масла в обратном направлении за счет насосного действия колец.
При использовании заявляемого технического решения газ при рабочем ходе двигателя из надпоршневого пространства 10 через зазор 18 между компрессионным кольцом 3 и верхней полкой 5 и прорези-окна 9 в боковой цилиндрической пластины 7 свободно перетекает в заколечное пространство 11 и дополнительно силам упругости самих колец 3 и 4 производит их прижатие к цилиндру 1, что является необходимым условием уплотнения пары поршень-цилиндр. При этом нижняя полка 6 дополнительного кольца 4 находится постоянно прижатой к нижнему торцу 13 кольцевой канавки 14, что исключает течение газа через зазор 19 и его попадание в картер двигателя. Одновременно происходит устранение насосного действия кольца и движение масла через лабиринтное уплотнение поршня 2, что приводит к снижению его расхода двигателем.
Следует также отметить, что в форсированных по давлению сгорания и оборотам двигателя происходит разбивание торцев канавок первого компрессионного кольца в алюминиевых поршнях, что в значительной степени определяет его долговечность. Но при использовании кольца 4 из жаропрочной тонколистовой стали полностью устраняется вышеуказанный недостаток, т.к. его кольцевые полки 5 и 6 обладают высокой износостойкостью.
Таким образом, установка дополнительного уплотняющего кольца из жаропрочной тонколистовой стали обеспечивает уменьшение прорыва рабочих газов в картер двигателя, а также рабочей смеси при такте сжатия в карбюраторных двигателях, что обуславливает улучшение условий смазки в цилиндропоршневой группе, уменьшение старения масла, повышение экономичности карбюраторных двигателей, снижение расхода масла путем устранения насосного действия колец и повышение моторесурса поршня за счет исключения разбивания торцевых поверхностей канавки первого компрессионного кольца. Иными словами заявляемое техническое решение обеспечивает за счет усовершенствования газоуплотнения цилиндропоршневой группы повышение эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.