УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
PACKING ASSEMBLY OF PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к уплотнениям цилиндропоршневых групп, преимущественно двигателей с щелевой продувкой.
Известен уплотнительный узел двухтактного двигателя, содержащий незамкнутое поршневое кольцо, установленное в канавке головки поршня.
Известно, что начало и конец процессов газораспределения управляется положением колец относительно окон, поэтому при открытии, например, выпускных окон кольцами продукты сгорания начинают перетекать из цилиндра через зазор между головкой поршня и стенкой цилиндра еще до подхода верхней кромки поршня к окнам. В результате высокоскоростной поток горячих газов перегревает кромки как поршня, так и выпускных окон, что в свою очередь приводит к значительному снижению ресурса и надежности двигателя. Для снижения неблагоприятных последствий кольцо подводят как можно ближе к кромке поршня (JPS 5148012 А, опубл. 24.04.1976, фиг. 1 и 2).
Из того же источника информации (фиг. 5) известен уплотнительный узел, состоящий из L-образного кольца, управляющая кромка которого доведена до уровня верхней кромки поршня. Такое выполнение уплотнительного узла значительно снижает нагрев кромок поршня и выпускных окон. Однако вследствие легкого проникновения газов в заколечное пространство и увеличенная вследствие такой конструкции высота кольца приводит к увеличению силы, действующей со стороны кольца на стенки цилиндра, от давления газов в цилиндре.
Известен уплотнительный узел двухтактного двигателя, содержащий L-образное замкнутое (неразрезное) кольцо, установленное в цилиндре с гарантированным зазором (SU 41981 А, опубл. 28.02.1933). Отсутствие контакта кольца со стенками цилиндра при значительной высоте кольца гарантирует отсутствие механических потерь в узле уплотнения, а минимальный зазор между кольцом и цилиндром уменьшает перетекание через него продуктов сгорания, снижая теплонапряженность поршня и выпускных органов. Недостатками известного узла являются сложность изготовления для получения идеально круглой формы кольца, соответствующей такой же идеальной форме цилиндра для получения минимально возможного зазора, а также сложность поддержания заданного теплового режима цилиндропоршневой группы на всех режимах работы двигателя. Малейшее отклонение от формы и размера кольца от идеального приводит к появлению бесконечных нагрузок в паре и резкому снижению ресурса цилиндропоршневой группы.
Известен уплотнительный узел, содержащий фасонное кольцо в форме соединенных между собой кольцевой полки с уплотняющей поверхностью и втулки с наружной цилиндрической поверхностью, контактирующей с уплотняемой поверхностью цилиндра двигателя (US 6347575 В1, опубл. 19.02.2002). Уплотняющая поверхность кольца лежит на днище поршня, тем самым в значительной степени снижая поступление газов в заколечное пространство, давящих на втулочную часть кольца изнутри. Однако газовое давление действует непосредственно на торцевые плоскости разъема кольца как в кольцевой его части, так и во втулочной, раздвигая его концы в разные стороны и передавая усилие на стенки цилиндра. Кроме того, по разрезу втулочной части кольца газы попадают внутрь втулочной части кольца, оказывая давление по всей высоте втулочной части и значительно увеличивая механические потери. И чем больше толщина втулочной части кольца, тем больше проходное сечение для газов. При этом надо отметить, что газы по указанному разъему проходят дальше, снижая надежность уплотнения.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение газовой плотности рабочего объема двигателя при высокой надежности работы уплотнения и снижение термической напряженности поршня.
Поставленная задача достигается тем, что уплотнительный узел поршневого двигателя внутреннего сгорания, имеющего уплотняемую рабочую камеру переменного объема, содержит незамкнутое уплотнительное кольцо, выполненное фасонным в форме кольцевой полки, имеющей уплотняющую поверхность, и соединенной с ней втулки, имеющей наружную цилиндрическую поверхность, контактирующую с уплотняемой поверхностью цилиндра двигателя, и средство ограничения перемещения уплотнительного узла относительно поршня в направлении его продольной оси. Согласно изобретению он снабжен замкнутым (неразрезным) экранирующим элементом с экранирующей кольцевой полкой, расположенной со стороны поверхности кольцевой полки уплотнительного кольца, ближайшей к уплотняемой рабочей камере двигателя, при этом экранирующая кольцевая полка выполнена с наружным диаметром, большим внутреннего диаметра втулки уплотнительного кольца.
Поставленная задача достигается также тем, что экранирующий кольцевой элемент может быть дополнительно снабжен замкнутой кольцевой уплотняющей полкой, жестко связанной с экранирующей полкой с образованием между кольцевыми полками кольцевой проточки (пространства), при этом полка уплотнительного кольца установлена в кольцевой проточке экранирующего кольцевого элемента, уплотняющая полка последнего расположена на поверхности поршня, а средство ограничения перемещения уплотнительного узла выполнено в виде, по меньшей мере, одного выступа на внутренней поверхности втулки уплотнительного кольца, расположенного в ответной выемке поршня.
Поставленная задача достигается также тем, что средство ограничения перемещения уплотнительного узла может быть выполнено в виде крепежного соединения экранирующего кольцевого элемента к поршню.
Поставленная задача достигается также тем, что экранирующий элемент может быть выполнен в виде жаровой накладки, закрепленной на поверхности поршня.
Поставленная задача достигается также тем, что крепежное соединение экранирующего элемента может быть выполнено в виде байонетного соединения.
Поставленная задача достигается также тем, что на внутренней поверхности втулки уплотнительного кольца может быть выполнен кольцевой радиальный выступ бесконтактного уплотнителя, расположенный в ответной кольцевой проточке поршня.
Поставленная задача достигается также тем, что средство ограничения перемещения уплотнительного узла может быть выполнено в виде отдельного фасонного кольца С-образного поперечного сечения в виде цилиндрической втулки с крепежными полками, направленными к центру сечения цилиндра, при этом первая крепежная полка установлена в дополнительной проточке экранирующего замкнутого элемента, а вторая - в ответном углублении поршня.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показан описываемый уплотнительный узел;
На фиг. 2 - вариант выполнения средства ограничения перемещения уплотнительного узла в виде крепления экранирующего элемента;
На фиг. 3 - то же, вариант с дополнительным бесконтактным уплотнением;
На фиг. 4 показан вид на уплотнительное кольцо;
На фиг. 5 показан вид на экранирующий элемент, вариант с экранирующей и уплотняющей полками;
На фиг. 6 показаны силы, действующие на уплотнительное кольцо наиболее близкого аналога, вид сверху, а также не перекрытая щель кольца;
На фиг. 7 - то же, вид сбоку;
На фиг. 8 показана не перекрытая щель заявленного уплотнительного узла;
На фиг. 9 и 10 показаны варианты выполнения средства ограничения перемещения уплотнительного узла.
Двигатель, преимущественно двухтактный, в котором применяют описываемый уплотнительный узел, содержит цилиндр 1 с уплотняемой поверхностью, в котором установлен подвижно поршень 2 с образованием уплотняемой рабочей камеры 3. В цилиндре выполнены выпускные и продувочные окна газораспределения (на чертежах не показаны), управляемые поршнем 2. Уплотнительный узел содержит незамкнутое уплотнительное кольцо 4, экранирующий замкнутый (неразрезной) кольцевой элемент 5 с экранирующей кольцевой полкой 6 и средство ограничения перемещения уплотнительного узла относительно поршня 2 в направлении 7 вдоль его продольной оси. Уплотнительное кольцо 4 выполнено фасонным в форме кольцевой полки 8 с уплотняющей поверхностью 9 и соединенной с ней втулки 10 с наружной цилиндрической поверхностью, контактирующей с уплотняемой поверхностью цилиндра 1 двигателя. Экранирующая полка 6 элемента 5 расположена со стороны поверхности кольцевой полки 8 уплотнительного кольца 4, ближайшей к уплотняемой рабочей камере 3 двигателя, и выполнена с наружным диаметром, большим внутреннего диаметра втулки 10 уплотнительного кольца 4.
Экранирующий кольцевой элемент 5 может быть выполнен с кольцевой проточкой 11 на его наружной цилиндрической поверхности с образованием экранирующей 6 и уплотняющей 12 кольцевых полок. Полка 8 уплотнительного кольца установлена в кольцевой проточке 11 экранирующего кольцевого элемента 5. Его уплотняющая полка 12 расположена на поверхности поршня 1, а средство ограничения перемещения уплотнительного узла выполнено в виде выступа 13 на внутренней поверхности втулки 10 уплотнительного кольца 4, расположенного в ответной выемке 14 поршня 1. Выступ 13 может быть кольцевым, а выемка 14 - в виде кольцевой проточки.
Для ограничения перемещения уплотнительного узла в направлении 7 относительно поршня 2 возможно закрепление экранирующего кольцевого элемента 5 к поршню 2, например, в виде байонетного соединения с выступами 15, входящими в ответные пазы 16.
Экранирующий кольцевой элемент 5 с экранирующей полкой 6 может быть выполнен в виде жаровой накладки 17 поршня 2.
Средство ограничения перемещения уплотнительного узла может быть выполнено в виде отдельного фасонного кольца С-образного поперечного сечения в виде цилиндрической втулки 18 с крепежными полками, направленными к центру сечения цилиндра, при этом первая крепежная полка 19 установлена в дополнительной проточке 20 экранирующего замкнутого элемента 5, а вторая крепежная полка 21 - в ответном углублении 22 поршня 2.
Выступ 13 уплотнительного кольца 4 может быть установлен в дополнительной проточке 20 вместе с крепежной полкой 19 (см. фиг. 9). Между выступом 13 и полкой 19 может быть установлено дополнительное компрессионное кольцо 23. Либо выступ 13 и полка 19 установлены в разных проточках (см. фиг. 10).
На внутренней поверхности втулки 10 уплотнительного кольца 4 выполнен кольцевой радиальный выступ 24 (см. фиг. 3), расположенный в ответной кольцевой проточке 25 поршня 2. Выступ 24 установлен в проточке 25 с зазором с образованием бесконтактного уплотнения, ограничивающего перетекание газов между внутренней поверхностью втулки 10 и поршнем 2 и уменьшающего тем самым силу прижатия втулки 10 к уплотняемой поверхности цилиндра 1.
Двигатель с описываемым уплотнительным узлом работает следующим образом. После сгорания в уплотняемой рабочей камере 3 давление газов действует на днище поршня 2, вызывая его перемещение с совершением работы. Давление действует также на наружную поверхность экранирующей полки 8 экранирующего кольцевого элемента 5. Силы собственной упругости уплотнительного кольца 4, а также сила от давления газов в полости за экранирующей полкой 6, например в кольцевой проточке 11, прижимают кольцо 4 к стенкам цилиндра 1, уплотняя рабочую камеру 3 по цилиндрической поверхности. Давление газов прижимает также уплотнительное кольцо 4 уплотнительной поверхностью 9 непосредственно к поверхности поршня 2 (см. фиг. 2) или к уплотняющей полке 12 кольцевого элемента 5, лежащей на поверхности поршня 2 (см. фиг. 1). Таким образом происходит уплотнение по поверхности поршня 2.
г
г
t
t
t
Фасонная конструкция уплотнительного кольца 4 в форме кольцевой полки 8 с втулкой 10 позволяет вынести верхнюю кромку кольца 4 выше днища поршня 2. При таком расположении кольца газораспределением рабочей камеры 3 управляет только верхняя кромка кольца 4, без какого-либо влияния на газораспределение кромки поршня 2, как в большинстве двухтактных двигателей. Расположение уплотняющей поверхности 9 кольца 4 на поверхности поршня препятствует проникновению большого количества газов в пространство за кольцом 4 (между кольцом и поршнем), и даже при значительной высоте его втулки 10 сила прижатия к поверхности цилиндра 1, действующая на втулку 10, невелика. Однако на внутреннюю цилиндрическую поверхность полки 8 в известном устройстве (см. фиг. 6) действует давление газов р в рабочей камере 3, прижимающее кольцевую полку 8 в сторону стенки цилиндра 1, что приводит к значительным механическим потерям. Для недопущения прямого воздействия давления газов р изнутри полки 8 над кольцевой полкой 8 кольца 4 устанавливают экранирующую полку 6 замкнутого элемента 5 (см. фиг. 1-3). Указанные силы тем больше, чем больше высота кольцевой полки 8. Действие давления газов на торцевые поверхности стыка кольца 4 как в области полки 8 (см. фиг. 6), так и в области втулки 10 (см. фиг. 7) приводит к появлению сил F, разжимающих кольцо 4 и увеличивающих силу прижатия кольца 4 к уплотняемой поверхности цилиндра 1. При этом чем больше высота полки 8 и толщина втулки 10, тем больше площадь поперечного сечения кольца 4. Соответственно, увеличивается сила F. При экранировании полкой 6 закрывается также прямой доступ газов к зазору в месте стыка концов кольца 4, что снижает силу F. На чертежах показана разница в не перекрытой уплотнением площади Δ известного (фиг. 6) и заявленного (фиг. 8) узлов. При экранировании значительно уменьшается также и перетекание газов в пространство за полку 8 к внутренней поверхности втулки 10. Известно, что давление газов в заколечном пространстве первого компрессионного кольца в известном уровне техники соответствует 2/3 от давления сгорания. Ограничение перетекания газов в двигателе с заявленном уплотнением существенно снижает механические потери в двигателе с разрезным (незамкнутым) жаровым кольцом, так как площадь поперечного сечения жарового фасонного кольца на порядок превосходит соответствующую площадь в классическом компрессионном кольце. Причем наружный диаметр экранирующей полки 6 выбирается максимально возможным с точки зрения сохранения минимального теплового зазора, что снижает до минимума площадь Δ (фиг. 8).
То есть экранирование кольца 4 значительно снижает силу его прижатия к уплотняемой поверхности цилиндра 1 по сравнению с прототипом и, соответственно, механические потери двигателя.
Таким образом, описываемый уплотнительный узел может выполнять функции жарового кольца двухтактного двигателя, управляющего газораспределением. Для этого управляющая кромка кольца 4 выведена на уровень кромки поршня 2, и его цилиндрическая (втулочная) часть выполнена с высотой, необходимой для проведения эффективного процесса газообмена с минимальными перетечками и без перегрева поршня и его колец. При этом не увеличивается сила прижатия кольца 4 к стенке цилиндра 1 и связанные с этим механические потери вследствие ограничения действия газовых сил на уплотнительное кольцо 4.