УПЛОТНЕНИЕ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Решение относится к уплотнениям цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания и поршневым компрессорам, применяемых в судовых, тепловозных, автомобильных, и стационарных установках.
В качестве прототипа принято уплотнение цилиндропоршневой группы, состоящее из двух компрессионных колец - верхнего и нижнего, установленных в одной поршневой канавке и выполненных со скосами во внутренней части со стороны поршня с образованием в продольном сечении угла, вершина которого лежит в плоскости контакта колец. Патент РФ на полезную модель №97750, F02F 5100, опубл. 10.07.2010.
Недостатки прототипа следующие:
На работающем двигателе внутреннего сгорания, в паре трения: цилиндровая втулка-компрессионные кольца, на острых кромках колец появляется износ и наклеп, повреждающие масляную пленку на трущихся частях, в результате чего повышается температура цилиндровой втулки, колец, поршневой канавки, поршня. Появляются задиры и поломки этих деталей. Выполнение компрессионных колец по прототипу лишь частично решает эту задачу.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением. Ставится задача снижение износа цилиндровой втулки и компрессионных колец.
Технический результат - исключение повреждения рабочих поверхностей компрессионных колец и цилиндровой втулки за счет исключения проникновения горячих газов из надпоршневого объема в картер двигателя и повреждения масляной пленки.
Этот технический результат достигается тем, что в уплотнении цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в одной поршневой канавке два компрессионных кольца: верхнее и нижнее, оба кольца выполнены со скосами на внутренней части со стороны поршня с образованием в продольном сечении угла, вершина которого лежит в плоскости контакта колец, на верхней и нижней поверхностях каждого кольца, со стороны цилиндровой втулки, выполнены скосы, заканчивающиеся внутри поршневой канавки, тепловые разъемы верхнего и нижнего компрессионных колец расположены в плоскости, проходящей через ось поршневого пальца и ось коленчатого вала двигателя, и смещены по окружности на 180 градусов по отношению друг к другу. Угол наклона скосов и их длина определяется в зависимости от конструктивных особенностей деталей цилиндропоршневой группы.
При предлагаемом расположении компрессионных колец газы, попадающие в тепловой разъем верхнего кольца, упираются в сплошное тело нижнего кольца и дальнейший путь для них прекращен, поэтому предлагаемое уплотнение препятствует прорыву газов из рабочей полости цилиндра в картер, а значит, ведет к возрастанию давления сжатия Рc, максимального давления сгорания Pz, увеличению индикаторного коэффициента полезного действия и мощности двигателя внутреннего сгорания.
Максимальные силы радиальных давлений компрессионных колец на цилиндровую втулку приложены на границах тепловых разъемов (Дюк Г.Е. Поршневые кольца, Справочник, ФРГ «ГЕТЦЕ АО» 1977, 141 с). Максимальные силы, прижимающие поршень к цилиндровой втулке, расположены в плоскости качания шатуна. (Ржепецкий К.Л., Сударева Е.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания Ленинград «Судостроение» 1984. 168 с). Плоскость качания шатуна и плоскость, проходящая через ось поршневого пальца и ось коленчатого вала двигателя, взаимоперпендикулярны, таким образом, максимальные силы радиальных давлений компрессионных колец на цилиндровую втулку и максимальные силы, прижимающие поршень к цилиндровой втулке, так же взаимоперпендикулярны, и в результате получаем равномерное распределение действия этих сил по поверхности цилиндровой втулки и, как следствие, - уменьшаются износы компрессионных колец и цилиндровой втулки.
Предлагаемое уплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания приведено на чертежах: на Фиг.1 - общий вид в разрезе,
На Фиг.2 - компрессионные кольца - вид сверху,
На Фиг.3 - компрессионные кольца - вид сбоку в разрезе.
Предлагаемый узел уплотнения цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания включает: цилиндровую втулку 1, поршень 2, в канавке 3 которого размешены компрессионные кольца: верхнее 4 и нижнее 5. На внутренней части колец со стороны поршня выполнены скосы 6, 7 с образованием в продольном сечении угла α, вершина которого лежит в плоскости 8 контакта колец 4, 5. На верхней и нижней поверхностях каждого кольца со стороны цилиндровой втулки 1 выполнены скосы 9, заканчивающиеся в поршневой канавке 3. На Фиг.1 показаны компрессионные кольца 4, 5. В их верхних и нижних плоскостях выполнены скосы 9, заканчивающиеся в поршневой канавке 3. Они (скосы 9) препятствуют появлению наплывов на компрессионных кольцах. Эти наплывы, образующиеся на компрессионных кольцах, не имеющих подобных скосов 9 - повреждают масляную пленку, цилиндровую втулку, компрессионные кольца, поршневую канавку, происходит значительное повышение температуры деталей цилиндропоршневой группы. Все вышеперечисленные повреждения и повышение температуры приводит к поломкам этих деталей.
На работающем двигателе увеличивается тепловой разъем, из-за износа компрессионного кольца по наружной поверхности, прилегающей к втулке цилиндра, вследствие трения о стенки цилиндровой втулки, что вызывает повышенную утечку газов через кольца и большой нагрев деталей цилиндропоршневой группы. (Кондратьев Н.Н. Отказы и дефекты судовых дизелей. Москва «Транспорт» 1985. 152 с.). Увеличение тепловых разъемов (зазоров) из-за износов не вызывает повышенной утечки газов в предлагаемом уплотнении так как решена задача повышения плотности прилегания колец друг к другу и под тепловым разъемом верхнего кольца расположено целое тело нижнего кольца, а раз нет повышенной утечки газов то нет и «сдувания» масляной пленки в тепловых разъемах (зазорах). Нет вибрации кольца типа «Флаттер». (Дюк Г.Е. Поршневые кольца. Справочник. ФРГ «ГЕТЦЕ АО» 1977 г. 141 с).
Скосы 10, выполненные на кольцах 4, 5, образуют масляную канавку 11. Канавка 11 на Фиг.1 образованная скосами 10, служит для равномерного распределения масляной пленки по поверхностям трения: цилиндровая втулка-компрессионные кольца, при возвратно-поступательном движении поршня.
Тепловые разъемы (зазоры) 12, ось поршневого пальца 13, ось коленчатого вала двигателя 14 и ось плоскости шатуна 15 приведены на Фиг.2. Тепловые разъемы верхнего и нижнего компрессионных колец 4, 5 расположены в плоскости, проходящей через ось поршневого пальца и ось коленчатого вала.
Предлагаемое уплотнение цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом: при движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» рабочее давление дросселируется в полость поршневой канавки 3, создавая усилие прижатия верхнего кольца 4 к целой части нижнего 5, что препятствует протеканию газов в полость ниже колец. Скосы 9, 10 не нарушают масляную пленку. По мере износа рабочих поверхностей колец 4, 5 и цилиндровой втулки 1 - увеличиваются тепловые разъемы (зазоры) 12 в замках, однако качество уплотнения при этом практически не изменяется. Аналогичная картина происходит в процессе рабочего хода. Предложение опробовано в производственных условиях. Снижаются затраты на техническое обслуживание цилиндропоршневой группы двигателя.