ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
PISTON SEALING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству, ремонту и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые уплотнения для двигателей внутреннего сгорания, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (заявка №59-47144, Япония, 1984; авторское свидетельство №1834406, RU, 1989; патент США №2296116, опубл. 1942).
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в поршневой канавке верхнее, среднее и нижнее компрессионные кольца, между которыми размещена прокладка (упругое разрезное кольцо), плотно сидящая на дне канавки поршня и обеспечивающая возможность использования меньшего числа колец без ухудшения уплотнения и охлаждения, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (заявка №60-30457, Япония, опубл. 1985).
Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что наличие прокладки предопределяет зазор между компрессионными кольцами в самый ответственной зоне уплотнения - контакте рабочих поверхностей компрессионных колец со стенкой цилиндра. Известно, что до 60…70% утечек рабочих газов происходит через зазоры в замках поршневых колец. Рабочие газы, прорываясь из камеры сгорания через зазор между поршнем и цилиндром, напрямую проникают через неприкрытые зазоры в замках компрессионных колец и далее в картер двигателя. Причем, чем больше изнашиваются рабочие поверхности колец в процессе эксплуатации двигателя, тем больше образуется зазор в замках колец и тем больше утечка рабочих газов. Повышенная утечка рабочих газов оказывает существенное влияние на снижении основных технико-экономических и экологических характеристиках двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в увеличении эффективной мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода масла, улучшении экологических характеристик.
Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в одной поршневой канавке верхнее и нижнее компрессионные кольца, между которыми размещено уплотнительное кольцо, плотно сидящее на дне поршневой канавки, новым является то что, между верхним и нижним компрессионными кольцами установлено дополнительное компрессионное кольцо, наружный диаметр которого равен наружным диаметрам верхнего и нижнего компрессионных колец, между внутренней вертикальной поверхностью дополнительного компрессионного кольца и внешней вертикальной поверхностью уплотнительного кольца имеется тепловой зазор, кроме того, верхний торец дополнительного компрессионного кольца лежит в одной плоскости с верхним торцом уплотнительного кольца, а нижний торец в одной плоскости с его нижним торцом.
Уплотнительное кольцо, расположенное в поршневой канавке между верхним и нижним компрессионными кольцами, выполнено упругим, разрезным.
На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2. Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания включает размещенные в одной поршневой канавке 3 верхнее компрессионное кольцо 4 и нижнее компрессионное кольцо 5, между которыми имеется уплотнительное кольцо 6, плотно сидящее на дне поршневой канавки 3 и выполненное упругим, разрезным. Между верхним 4 и нижним 5 компрессионными кольцами установлено дополнительное компрессионное кольцо 7, наружный диаметр которого равен наружным диаметрам верхнего 4 и нижнего 5 компрессионных колец. Между внутренней вертикальной поверхностью дополнительного компрессионного кольца 7 и внешней вертикальной поверхностью уплотнительного кольца 6 имеется тепловой зазор. Кроме того, верхний торец дополнительного компрессионного кольца 7 лежит в одной плоскости с верхним торцом уплотнительного кольца 6, а нижний торец дополнительного компрессионного кольца 7 - в одной плоскости с нижним торцом уплотнительного кольца 6.
Поршневое уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» рабочие газы через зазор между поршнем 2 и цилиндром 1, далее через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 4 и зазор между верхним торцом верхнего компрессионного кольца 4 и верхней полкой поршневой канавки 3, попадают в ограниченную уплотнительным кольцом 6 придонную полость поршневой канавки 3, создавая дополнительные усилия прижима верхнего компрессионного кольца 4 к стенке цилиндра 1. Часть этих рабочих газов дросселируются через неприкрытый верхним кольцом 4 зазор в замке уплотнительного кольца 6 в тепловой зазор между внутренней вертикальной поверхностью дополнительного компрессионного кольца 7 и внешней вертикальной поверхностью уплотнительного кольца 6, создавая дополнительные усилия прижима дополнительного компрессионного кольца 7 к стенке цилиндра 1 и уплотнительного кольца 6 к дну поршневой канавки 3. Нижнее компрессионное кольцо 5 перекрывая зазор в замке дополнительного компрессионного кольца 7 замыкает схему эффективного уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход», поршневое уплотнение работает аналогично, за счет избыточного давления в цилиндре 1, имеющегося до конца рабочего хода.
При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» за счет центробежных сил и сил трения компрессионных колец 4, 5 и 7 о стенку цилиндра 1, пакет колец остается в прежнем положении, прижатым к нижней полке поршневой канавки 3, осуществляя полный выхлоп отработанных газов из камеры сгорания.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» за счет инерционных сил и сил трения о стенку цилиндра 1, компрессионные кольца 4, 5 и 7 смещаются к верхней полке поршневой канавки 3 в пределах гарантированного зазора между торцами компрессионных колец 4 и 7 и полками поршневой канавки 3, образуя зазор между нижним торцом нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5 и нижней полкой поршневой канавки 3, в который устремляется масло, снимаемое нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5 со стенки цилиндра 1. Не нужному проникновению масла далее в придонную полость поршневой канавки 3 препятствует уплотнительное кольцо 6, которое перекрыло основной путь расхода масла на угар. Кроме того, устранение попадания масла в придонную полость поршневой канавки 3 и встречного прорыва высокотемпературных газов, существенно сокращает нагарообразование и коксование на внутренних поверхностях поршневой канавки 3 и компрессионных колец 4, 5 и 7, увеличивая ресурс деталей цилиндропоршневой группы и двигателя в целом.
Разработанная конструкция поршневого уплотнения наряду с простотой конструкции и технологичностью ее изготовления, обеспечивает надежное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1, хорошую теплопередачу от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1.
Устранение прорыва рабочих газов из цилиндра 1 в картер двигателя увеличивает «срабатываемость» рабочего давления, повышая КПД двигателя и основные технико-экономические характеристики. Кроме того, исключается отрицательное воздействие высокотемпературных рабочих газов на охлаждающее масло, тем самым существенно снижается появление навара, коксование компрессионных и маслосъемных колец, что очень важно для отечественных дизелей, работающих на минеральных маслах.
Дополнительное компрессионное кольцо уплотняет пространство между поршнем и цилиндром, и вместе с верхним и нижним компрессионными кольцами осуществляет теплопередачу от перегретой головки поршня к охлаждаемому цилиндру.
Таким образом, исключается основной прорыв высокотемпературных рабочих газов через зазоры в замках компрессионных колец и уменьшается расход моторного масла через зазоры в замках колец.
Существенное уменьшение утечки рабочих газов позволяет повысить компрессию и мощность двигателя, снизить расход топлива и моторного масла, увеличить ресурс двигателя за счет снижения нагарообразования и коксования поршневых колец и поршневой канавки, улучшить экологические характеристики двигателя. Пакетный принцип расположения компрессионных колец позволяет применять компрессионные кольца менее грубые с меньшей высотой, к тому же упростить конструкцию поршня, используя только одну поршневую канавку.
Качественное уплотнение между поршнем и цилиндром дает возможность исключить применение системы турбонаддува и его агрегатов в конструкции двигателя.
Компактная конструкция поршневого уплотнения позволит сократить длину поршня и его вес, положительно отражаясь, как на экономии металла и упрощении технологии производства поршней, так и на динамических характеристиках двигателя. Это особенно существенно в массовых производствах легких бензиновых двигателях и в мелкосерийных производствах мощных и сверхмощных дизелей.
Расположение компрессионных колец в одной-единственной поршневой канавке, позволяет использовать такую конструкцию при ремонте двигателей, расширив поршневую канавку в серийном поршне, используя серийные компрессионные кольца 4, 5 и расточив серийное компрессионное кольцо до размера внутреннего диаметра дополнительного компрессионного кольца 7. Единственной деталью, которую необходимо будет изготовить - это упругое разрезное уплотнительное кольцо.
Разработанное высокоэффективное поршневое уплотнение обеспечит увеличение КПД, мощности и ресурса двигателя, снижение расхода топлива и масла, улучшение экологических характеристик.