ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTON SEAL (VERSIONS)

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании, производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые уплотнения, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (авторское свидетельство №85071, SU, 1949; патент №534645, Италия, 1955; Заявка №51-38005, Япония, 1976; заявка №2002874, Великобритания, 1979; патент №2022146, РФ, 1991; патент №2243396, RU, 2002).
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее нижнее кольцо - компрессионное и верхнее, ступенчатое упругое разрезное кольцо, размещенные в одной поршневой канавке, причем ступенчатое кольцо установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра, а ступенькой оно упирается в наружный кольцевой буртик, выполненный на верхней полке поршневой канавки (патент №1667941, США, опубл. 1926), ближайшее по технической сущности к заявляемому и принятое за прототип.
Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что имеющиеся в конструкции гарантированные термодинамические зазоры между верхней полкой поршневой канавки и верхними торцами ступенчатого кольца и его ступеньки прерывают тепловой поток и существенно снижают теплопередачу от перегретой головки поршня через компрессионное кольцо охлаждаемому цилиндру. Кроме того, небольшая площадь контакта ступенчатого кольца с кольцевым буртиком на поршне и сам материал ступенчатого кольца (сталь или сплавы чугуна) не способствуют снятию тепловых напряжений с головки поршня и самого поршня, что приводит к его перегреву и прогару головки поршня.
Увеличение площади верхнего торца выступающей части ступеньки и соответственно площади нижнего торца кольцевого буртика на поршне приводит к другому негативному обстоятельству. Ограничение прорыва рабочего газа в поршневую канавку (которому препятствует ступенчатое кольцо) приводит к уменьшению давления газов в поршневой канавке и газодинамических радиальных сил, прижимающих компрессионное кольцо к стенке цилиндра. В то же время остается влияние рабочих газов на выступающую часть ступеньки ступенчатого кольца, которое блокирует радиальные силы, лишая компрессионное кольцо упругости и, следовательно, работоспособности на самых ответственных тактах рабочего цикла двигателя «сжатие» и «рабочий ход». При малой же площади верхнего торца выступающей части ступенчатого кольца и нижнего торца кольцевого буртика на поршне увеличиваются удельные нагрузки, приводящие к их повышенному износу и даже разрушению и, как следствие, к поломке двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении компрессии, мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экологических показателей двигателя.
Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 1), содержащем верхнее ступенчатое упругое разрезное кольцо и нижнее компрессионное кольцо, расположенные в одной поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, ступенчатое кольцо установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается в наружный кольцевой буртик, новым является то, что зазор между верхним торцом выступающей внешней части ступенчатого кольца и нижним торцом кольцевого буртика на поршне больше зазора между верхним торцом ступенчатого кольца и верхней полкой поршневой канавки.
В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем верхнее ступенчатое упругое разрезное кольцо и нижнее компрессионное кольцо, расположенные в одной поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, ступенчатое кольцо установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается в наружный кольцевой буртик, на верхнем торце ступенчатого кольца выполнены, по меньшей мере, два кольцевых углубления, в которые входят соответствующие кольцевые выступы, выполненные на верхней полке поршневой канавки.
Кольцевые углубления на верхнем торце ступенчатого кольца образуют выступы, которые упираются в соответствующие выступы на верхней полке поршневой канавки.
На фиг.1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 1).
На фиг.2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 2).
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, поршневую канавку 3, в которой установлены верхнее ступенчатое упругое разрезное кольцо 4, упирающееся своей кольцевой ступенькой в наружный кольцевой буртик 5, выполненный на верхней полке поршневой канавки 3, и нижнее компрессионное кольцо 6, установленное в этой же поршневой канавке 3. Ступенчатое кольцо 4 установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра 1 двигателя.
По первому варианту зазор между верхним торцом выступающей внешней части ступенчатого кольца 4 и нижним торцом кольцевого буртика 5 на поршне 2 больше зазора между верхним торцом ступенчатого кольца 4 и верхней полкой поршневой канавки 3.
По второму варианту на верхнем торце ступенчатого кольца 4 выполнены, по меньшей мере, два кольцевых углубления, образующие кольцевые выступы 7. На верхней полке поршневой канавки 3 выполнены кольцевые выступы 8, которые входят в соответствующие кольцевые углубления ступенчатого кольца 4. Кольцевые выступы 7 ступенчатого кольца 4 упираются в соответствующие кольцевые выступы 8 на верхней полке поршневой канавки 3.
Поршневое уплотнение работает следующим образом. За счет сил собственной упругости ступенчатое кольцо 4 своей ступенькой или ступенькой и кольцевыми выступами 7 постоянно поджимается к наружному кольцевому буртику 5 (вариант 1) или к соответствующим кольцевым выступам 8 и наружному кольцевому буртику 5 (вариант 2). При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» за счет инерционных сил и сил трения компрессионного кольца 6 о стенку цилиндра 1 компрессионное кольцо 6 смещается вверх, прижимая ступенчатое кольцо 4 к верхней полке поршневой канавки 3, оставляя зазор между верхним торцом выступающей части ступенчатого кольца 4 и нижним торцом внешнего кольцевого буртика 5, предохраняя их малые площади контактных поверхностей от износа и поломки, и в то же время перекрывается путь проникновения масла в камеру сгорания, снимаемого со стенки цилиндра 1 нижним торцом компрессионного кольца 6 и попавшего в придонную полость поршневой канавки 3 через открывшийся зазор между нижним торцом компрессионного кольца 6 и нижней полкой поршневой канавки 3.
При перемещении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» сжимаемый воздух, воздействуя на открытую внешнюю часть верхнего торца ступенчатого кольца 4 и часть компрессионного кольца 6, находящейся в зазоре между стенкой цилиндра 1 и поршнем 2, смещает оба кольца 4 и 6 к нижней полке поршневой канавки 3. Часть рабочего давления дросселируется через зазоры в замках ступенчатого кольца 4 и компрессионного кольца 6 в придонную полость поршневой канавки 3, увеличивая силы прижима ступенчатого кольца 4 своей ступенькой к кольцевому буртику 5 или кольцевыми выступами 7 к соответствующим кольцевым выступам 8 и кольцевому буртику 5, а компрессионного кольца 6 к стенке цилиндра 1, обеспечивая более надежное уплотнение и благоприятные условия теплопередачи от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1. Для обеспечения нормального баланса осевых и радиальных составляющих газодинамических сил, действующих на ступенчатое кольцо 4 и компрессионное кольцо 6, контактная площадь нижнего торца кольцевого буртика 5 и ступеньки ступенчатого кольца 4 должна быть минимально возможной исходя из прочностных характеристик материалов кольца 4 и поршня 2 и их конструктивных особенностей. В противном случае высокое рабочее давление газов, воздействуя на ступеньку кольца 4 и соответственно на компрессионное кольцо 6, блокирует радиальную силу, действующую на разжим кольца 6 и прижим его к стенке цилиндра 1, лишает его упругих качеств и работоспособности.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход» за счет избыточного давления в камере сгорания положение колец 4 и 6 не меняется. Возросшие силы прижима ступенчатого кольца 4 к кольцевому буртику 5 (вариант 1) или к кольцевым выступам 8 и кольцевому буртику 5 (вариант 2) и компрессионного кольца 6 к стенке цилиндра 1 способствуют более эффективной теплопередаче от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1.
При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» за счет сил трения о стенку цилиндра 1 компрессионного кольца 6 и инерционных сил положение колец 4 и 6 остается прежним, прижатыми к нижней полке поршневой канавки 3. Компрессионное кольцо 6 своим верхним торцом снимает со стенки цилиндра 1 остатки продуктов сгорания, которые вместе с выхлопными газами выбрасываются в атмосферу. Ступенчатое кольцо 4, прижатое ступенькой к кольцевому буртику 5 или своими кольцевыми выступами 7 к соответствующим кольцевым выступам 8 и кольцевому буртику 5, преграждает попадание копоти и сажи в поршневую канавку 3. Повышается эффективность поршневого уплотнения, снижаются газодинамические и механические потери, увеличивается компрессия в цилиндре, мощность и ресурс двигателя, снижается расход топлива и масла, улучшаются экологические показатели.
В поршневом уплотнении (вариант 2) с выступами 8 на верхней полке поршневой канавки 3, входящими в углубления ступенчатого кольца 4, образуется более эффективное лабиринтное уплотнение, существенно ограничивающее утечку сжимаемого воздуха на такте «сжатие», при этом увеличивается компрессия в цилиндре, устраняется прорыв высокотемпературных рабочих газов в поршневую канавку 3 и встречу их с маслом, а также исключается насосный эффект масла и уменьшается его расход на угар. Большая суммарная площадь контакта кольцевых выступов 7 ступенчатого кольца 4 с кольцевыми выступами 8 и кольцевым буртиком 5 на верхней полке поршневой канавки создает более благоприятные условия для теплопередачи от головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1, предохраняя головку поршня 2 от перегревов и прогаров, увеличивая ресурс поршня и ресурс двигателя. Подобные конструкции целесообразно использовать в мощных и сверхмощных дизелях и силовых установках.
Таким образом, предлагаемое поршневое уплотнение позволит существенно ограничить прорыв высокотемпературных (порядка 300ºС) рабочих газов в поршневую канавку и встречу его с моторным маслом, а также исключить попадание копоти и сажи в поршневую канавку, из которых обычно формируются нагар и кокс, выводящие двигатель из строя.
Ступенчатому кольцу 4 можно дать название «термодинамического», так как, многократно увеличивая площадь контакта с кольцевыми выступами 8 и кольцевым буртиком 5 наиболее термически нагруженной верхней полки поршневой канавки 3, оно способствует лучшей теплоотдаче от перегретой головки поршня к охлаждаемому цилиндру, что также повышает ресурс двигателя. Для повышения теплопередачи на малых и средних двигателях, там, где выполнение кольцевых выступов 8 на верхней полке поршневой канавки 3 и выступов 7 на ступенчатом кольце 4 технологически выполнить затруднительно или невозможно, применяется простое ступенчатое кольцо 4 (вариант 1). Ступенчатые кольца 4 по вариантам 1 и 2 выполнены из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (например, из различных марок термически обрабатываемых сортов бронзы).
Предлагаемые поршневые уплотнения достаточно простые по конструкции, технологичны в изготовлении и эксплуатации, позволяют 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.