ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые уплотнения, состоящие из двух рабочих колец, установленных в одну поршневую канавку (US 1396620, F16J 9/00, 1921; JT 534645 A 20.10.1955; US 2228495 A 14.01.1941).
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее верхнее и нижнее рабочие кольца одинаковой конструкции L -образного сечения, размещенные в одной поршневой канавке, так что замки их смещены по отношению друг к другу на 180° и концы взаимно задерживаются от выхода наружу, причем зазор в замке одного кольца перекрывается в радиальном и осевом направлении другим кольцом, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (К. Энглиш. Поршневые кольца. T.1. Перевод с немецкого. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. М. 1962. стр.466. Фиг.370)
Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что задача перекрытия зазора в замке одного кольца другим кольцом в осевом и радиальном направлениях, если и может быть решена, как рекомендует автор, для «больших двигателей, прежде всего судовых, паровых машин, компрессоров и гидравлических механизмов» в единичном типе производства, то подобные конструкции не могут быть использованы для средних и малых двигателей в условиях крупносерийного и массового производства ввиду их не технологичности. Кроме того, меньшая рабочая поверхность верхнего кольца подвержена большим тепловым и механическим нагрузкам, чем рабочая поверхность нижнего кольца. Она быстрее изнашивается и, учитывая, что износ рабочей поверхности нижнего кольца меньше, а поршень имеет возможность качаться на поршневом пальце и в еще большей степени изнашивать рабочую поверхность верхнего кольца, то между последней и стенкой цилиндра образуется зазор, так как ступенька нижнего кольца ограничивает радиальное смещение верхнего кольца к стенке, ухудшая его уплотнительные качества.
Кроме того, и для «больших» двигателей при наличии избыточного давления над поршнем на рабочих тактах «сжатие» и «рабочий ход» подобные конструкции оказываются неработоспособными, так как площади поверхностей верхних торцов верхних колец, как правило, больше площадей вертикальных внутренних поверхностей, на которые оказывает воздействие рабочий газ. Такие компрессионные кольца теряют свою упругость и подвижность относительно поршня «Компрессионное кольцо теряет свои функции, становится неработоспособным, уподобляясь конструктивному элементу поршня на самых ответственных тактах рабочего цикла двигателя» (патент RU 2341 671 С2, 20.12.2008 Бюл. №35). Кроме того, в процессе эксплуатации по мере износа рабочих колец они теряют свои упругие качества, особенно на рабочем такте «выпуск», когда нет дополнительного давления в поршневой канавке, тем самым, ухудшая очистку цилиндра от продуктов сгорания топливовоздушной смеси, копоти и нагара, снижая количество всасываемого чистого воздуха на такте «впуск».
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении компрессии, мощности и ресурса двигателя, в уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экологических показателей двигателя.
Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания, содержащем верхнее и нижнее ступенчатые рабочие кольца, обращенные друг к другу ступенчатыми поверхностями, размещенные в одной поршневой канавке,, новым является то, что площадь рабочей поверхности верхнего кольца больше площади рабочей поверхности нижнего кольца - экспандера, при этом площадь верхнего торца верхнего кольца равна сумме площадей внутренних вертикальных поверхностей колец.
В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания рабочие кольца расположены так, что разрезы замков лежат в направлении оси поршневого пальца и повернуты на 180° по отношению друг к другу.
В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания средние поверхности ступенек выполнены под 90° или под углом α к верхнему торцу верхнего кольца и нижнему торцу нижнего кольца.
В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания в поршневой канавке над верхним компрессионным кольцом установлено ступенчатое упругое разрезное кольцо с зазором относительно цилиндра двигателя и упором ступенькой во внутреннюю вертикальную поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки.
Таким образом, верхнее рабочее кольцо и нижнее рабочее кольцо -экспандер составляют в комплекте одно сборное поршневое кольцо.
На фиг.1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания со ступенчатыми рабочими кольца, обращенными друг к другу ступенчатыми поверхностями при этом средние поверхности ступенек выполнены под углом 90°.
На фиг.2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания со ступенчатыми рабочими кольца, над которыми расположено дополнительное ступенчатое кольцо.
На фиг.3 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания со ступенчатыми рабочими кольца, обращенными друг к другу ступенчатыми поверхностями при этом средние поверхности ступенек выполнены под углом α.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее рабочее кольцо 3 и нижнее рабочее кольцо - экспандер 4, установленные в поршневую канавку 5, причем, площадь рабочей поверхности верхнего кольца 3 больше площади рабочей поверхности нижнего кольца - экспандера 4, при этом площадь верхнего торца верхнего кольца 3 равна сумме площадей внутренних вертикальных поверхностей колец 3 и 4. Рабочие кольца 3 и 4 расположены так, что разрезы замков лежат в направлении оси поршневого пальца и повернуты на 180° по отношению друг к другу.
В поршневой канавке над верхним рабочим кольцом 3 установлено ступенчатое упругое разрезное кольцо 6 с зазором относительно цилиндра 1 и упором ступенькой во внутреннюю вертикальную поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки 5.
Средние поверхности ступеньки верхнего рабочего кольца 3 и ступеньки нижнего кольца - экспандера 4 могут быть выполнены под 90° или под углом α по отношению к верхнему торцу верхнего рабочего кольца 3 и нижнему торцу нижнего кольца - экспандера 4.
Поршневое уплотнение работает следующим образом.
o
рад
При перемещении поршня в верхнее положение на рабочем такте «сжатие» через гарантированный термодинамический зазор между верхней полкой поршневой канавки 5 и верхним торцом рабочего кольца 3, сжимаемый воздух прорывается в придонную полость поршневой канавки 5. Образующееся давление в поршневой канавке 5 действует на окружающие поверхности с силами прямо пропорциональными площадям этих поверхностей. Упругие качества рабочего кольца 3 и нижнего кольца - экспандера 4 сохраняются за счет баланса газодинамических сил, действующих на поверхности колец в осевом F и радиальном направлении F. Для выполнения этого условия площадь поверхности верхнего торца верхнего рабочего кольца 3 равна общей площади поверхностей внутренних вертикальных поверхностей колец 3 и 4. Такая динамика сохраняется при любом избыточном давлении над поршнем, как на такте «рабочий ход», так, частично, и на такте «выпуск».
При перемещении поршня в нижнее положение на рабочем такте «впуск» в цилиндре может быть только атмосферное давление, не оказывающее какого-либо воздействия на работу колец, которая осуществляется только за счет своих упругих качеств. В процессе эксплуатации за счет износа верхнее рабочее кольцо 3 теряет свои упругие качества, которые компенсирует нижнее рабочее кольцо - экспандер 4, сохраняющее свои упругие качества в большей степени. Тем самым, продлевается работоспособность обоих колец 3 и 4, обеспечивается необходимый забор расчетного количества свежего воздуха в процессе всего ресурса поршневого уплотнения.
Меньшая площадь рабочей поверхности нижнего кольца - экспандера позволяет ему быстрее прирабатываться по гильзе цилиндра, выбирая возможные технологические зазоры между средними поверхностями ступенек и повышая уплотнительные качества сборного кольца. После приработки кольцо 4, оставаясь рабочим, выполняет функции экспандера, равномерно, независимо от износа колец 3 и 4, поджимающего верхнее рабочее кольцо 3 к стенке цилиндра 1.
После соприкосновения этих поверхностей верхнее рабочее кольцо 3 сдерживает износ нижнего кольца - экспандера 4, рабочая поверхность которого изнашивается вместе с рабочей поверхностью верхнего рабочего кольца 3. Кроме того, через зазор в замке более низкой части нижнего рабочего кольца - экспандера 4 ограниченная часть прорвавшегося в придонную полость поршневой канавки 5 давления сжимаемого воздуха дросселируется в зазор между поршнем 2 и цилиндром 1 и далее в картер двигателя. Чем меньше высота рабочей части нижнего кольца - экспандера 4, тем меньше величина проходного сечения и, следовательно, меньшая часть давления будет прорываться через этот уменьшенный зазор. Уменьшение площади проходного сечения зазора в замке нижнего кольца аналогично влияет на уменьшение попадания масла, снимаемого нижним торцом нижнего кольца - экспандера 4 со стенки цилиндра 1 при перемещении поршня 2 в нижнее положение на рабочих тактах «впуск» и «рабочий ход» в поршневую канавку 5, тем самым, снижая расход масла на угар.
Расположение разрезов замков рабочих колец в направлении оси поршневого пальца и под 180° по отношению друг к другу позволяет перекрыть прямой прорыв рабочих газов сверху на тактах «сжатие» и «рабочий ход» и моторного масла, снимаемого со стенки цилиндра нижним торцом нижнего кольца 4 при перемещении поршня в нижнее положение на тактах «рабочий ход» и «впуск».
Ступенчатое кольцо 6 перекрывает гарантированный зазор между верхним торцом верхнего рабочего кольца 3 и верхней полкой поршневой канавки 5, существенно ограничивая прорыв сжимаемого воздуха на такте «сжатие», рабочих газов на такте «рабочий ход», а также копоти и нагара на такте «выпуск».
рад
o
рад
o
В тех двигателях, в которых невозможно применить ступенчатое кольцо 6 (маломощные двигатели с малым диаметром цилиндра), целесообразно использовать конструкцию с наклонными средними поверхностями ступенек. Собственная сила упругости нижнего рабочего кольца - экспандера 4, действующая на разжим и увеличивающая силу поджима верхнего кольца 3 к стенке цилиндра 1, раскладывается на наклонных контактных поверхностях ступенек на горизонтальную (радиальную) составляющую F и осевую составляющую F. Радиальная составляющая F силы упругости нижнего рабочего кольца 4 поджимает верхнее рабочее кольцо 3 к стенке цилиндра 1, а осевая составляющая F силы упругости нижнего кольца 4 поджимает верхнее кольцо 3 к верхней полке поршневой канавки 5, устраняя гарантированный термодинамический зазор между верхним торцом верхнего рабочего кольца 3 и верхней полкой поршневой канавки 5. При этом газодинамические силы, возникающие от давления газов, прорывающихся в поршневую канавку 5, многократно усиливают это воздействие нижнего рабочего кольца 4 на верхнее рабочее кольцо 3, выполняя функции экспандера и повышая уплотнительные качества конструкции.
Так как, у рабочих колец 3 и 4 изнашивается преимущественно поверхность, расположенная в районе замка кольца, то целесообразно при установке колец на поршень 2 расположить их так, чтобы разрезы замков располагались в направлении оси поршневого пальца и повернуты на 180° по отношению друг к другу. Это позволит уменьшить износ рабочих колец 3 и 4 и цилиндра 1, исключит прямой прорыв рабочих газов из цилиндра 1 через зазоры в замках рабочих колец 3 и 4.
Поршневое уплотнение простое по конструкции, технологичное в изготовлении и эксплуатации, позволит значительно повысить эффективность уплотнения между поршнем и цилиндром, уменьшить механические, газодинамические и теплофизические потери, увеличить мощность и ресурс двигателя, сократить расход топлива и масла, улучшить экологические характеристики двигателя.