ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTON SEAL

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые уплотнения, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (Заявка Великобритании №2002874, , 1979; патент США №4326723, 1982; заявка Японии №58-53186, 1983; RU 2244145 C2, 08.10.2003).
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в одной поршневой канавке два рабочих кольца, причем верхний торец верхнего компрессионного кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, а большей вертикальной стороной верхнее компрессионное кольцо обращено к оси цилиндра, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (патент США №1527535, МПК F16J 9/20, опубл. 24.02.1925).
Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что верхнее трапециевидное компрессионное кольцо, имеющее угол наклона верхнего торца и верхней полки поршневой канавки меньше угла самоторможения клиновых пар, или близкое к нему, теряет свою работоспособность и работоспособность нижележащего компрессионного кольца, гарантированно заклинивая оба кольца в поршневой канавке. Потеря подвижности поршневого кольца и его заклинивание в поршневой канавке приводят сначала к появлению царапин и задиров на стенке цилиндра, а затем и к заклиниванию поршня в цилиндре и поломке двигателя. Это является одной из причин, приводящих к досрочному капитальному ремонту, например, двигателей КамАЗ, у которых верхнее компрессионное кольцо имеет форму двухсторонней трапеции с углом 6°, а нижнее компрессионное кольцо - односторонней трапецией с углом 7°. Следует также отметить, что применение трапециевидных поршневых колец с подобными углами наклона торцов поршневых колец достаточно широко используется в отечественной и зарубежной практике дизелестроения.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении 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, содержащем установленные в одной поршневой канавке два компрессионных кольца, причем верхний торец верхнего компрессионного кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, а большей вертикальной стороной верхнее компрессионное кольцо обращено к оси цилиндра, новым является то, что угол наклона верхнего торца верхнего компрессионного кольца по отношению к своему нижнему торцу составляет 15…25°.
При расчете угла наклона верхнего торца верхнего компрессионного кольца учтена «способность к самоторможению» клиновой пары (Станочные приспособления. Справочник. T.1. А.И.Астахов, С.В.Бояршинов, Б.Н.Вардашкин и др. М.: Машиностроение, 1984, с.400). Причем учтена критическая величина угла самоторможения подобных кинематических систем: «…для обеспечения надежного самоторможения рекомендуется угол α<5°30'…».
Для исключения гарантированного самоторможения верхнего компрессионного кольца и заклинивания его в поршневой канавке угол наклона верхнего торца верхнего компрессионного кольца к своему нижнему торцу установлен более 5°30'. Причем при определении угла наклона верхнего торца верхнего компрессионного кольца учтены факторы, влияющие на его величину: материалы колец и поршней, классы шероховатости контактных поверхностей, возможность появления копоти и сажи, а затем нагара и кокса на поверхностях колец и поршневой канавки, габаритные размеры конструкции и динамических характеристик двигателя. Исходя из этого рекомендуется разработчикам поршневых уплотнений, применяющих трапециевидную форму поршневых колец, в зависимости от особенностей двигателя использовать угол наклона верхнего торца верхнего поршневого кольца и верхней полки поршневой канавки в пределах 15…25°.
Точно рассчитанный угол наклона верхнего торца верхнего компрессионного кольца увеличит ресурс двигателя и обеспечит его безаварийную работу.
На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее компрессионное кольцо 3 и нижнее компрессионное кольцо 4, установленные в верхней поршневой канавке 5, причем верхний торец верхнего кольца 3 выполнен под острым углом к своему нижнему торцу так, что верхнее кольцо 3 обращено большей вертикальной стороной к оси цилиндра 1.
Поршневое уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» незначительная часть рабочего давления дросселируется через вертикальную часть зазора в замке клиновидного кольца 3 в придонную полость поршневой канавки 4, создавая вместе с собственными силами упругости колец 3 и 4 дополнительные радиальные силы на их разжим, осуществляя надежный прижим колец ко всем контактным поверхностям цилиндра 1 и полок поршневой канавки 5. Причем по мере продвижения поршня 2 к верхней мертвой точке диаметр верхней части цилиндра 1 увеличивается в результате термодинамических изменений и более активного ее износа. Компрессионные кольца 3 и 4 разжимаются, отслеживая профиль гильзы цилиндра 1, плотно поджимаясь к его стенке, обеспечивая надежное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1. Расчетный угол наклона верхнего торца верхнего компрессионного кольца 3 обеспечивает подвижность его относительно верхней полки поршневой канавки 5 и верхнего торца нижнего компрессионного кольца 4 и исключает их заклинивание.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход» компрессионные кольца 3 и 4 под действием сил реакции со стороны стенки цилиндра вынуждены сжиматься, смещаясь в глубь поршневой канавки 5. Расчетный угол верхнего торца верхнего компрессионного кольца 3 обеспечивает подвижность кольца 3, а вместе с ним и кольца 4 в поршневой канавке 5 и исключает их заклинивание.
На рабочем такте «выпуск» поршневое уплотнение работает, как на такте «сжатие», а на рабочем такте «впуск» повторяет работу на такте «рабочий ход».
Таким образом, правильно рассчитанный угол наклона верхнего торца верхнего компрессионного кольца увеличит ресурс двигателя, исключит заклинивание компрессионных колец и поршня, обеспечит безаварийную работу двигателя.