ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а конкретно к двигателестроению и может быть использована при проектировании, производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые уплотнения двигателей внутреннего сгорания, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (заявка №59-47144, Япония, 1984; авторское свидетельство №1834406, RU, 1989; патент РФ №2023196, МПК F02M 47/02, опубл. 1994.11.15).
Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в поршневой канавке два компрессионных 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 самой 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 направлена предлагаемая полезная модель 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, новым является то что, между верхним и нижним компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два промежуточных компрессионных кольца, разделенных между собой средним компрессионным кольцом, а на дне поршневой канавки напротив промежуточных компрессионных колец выполнены кольцевые выступы, при этом промежуточные компрессионные кольца установлены с зазором относительно кольцевых выступов.
На фиг.1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2 и поршневое уплотнение, которое, содержит установленные в поршневой канавке 3 последовательно верхнее 4 и нижнее 5 компрессионные кольца. Между верхним 4 и нижним 5 компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два промежуточных компрессионных кольца 6, разделенных между собой средним компрессионным кольцом 7. На дне поршневой канавки 3 напротив промежуточных компрессионных колец 6 выполнены кольцевые выступы 8, с образованием между поверхностью внутренних диаметров промежуточных компрессионных колец 6 и кольцевыми выступами 8 термодинамических зазоров.
Поршневое уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» давление сжимаемого воздуха воздействует на верхнее компрессионное кольцо 4 с силой, прямо
пропорциональной площади этой поверхности. Под действием постоянно увеличивающейся газодинамической силы, весь пакет колец 4, 5, 6, и 7 смещается к нижней полке поршневой канавки 3, устраняя зазор между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5 и нижней полкой поршневой канавки 3, перекрывая прорыв сжимаемого воздуха, а затем и топливовоздушной смеси из поршневой канавки 3 далее в картер двигателя, а также проникновение масла, снимаемого со стенки цилиндра 1 нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5.
Прорвавшийся в поршневую канавку 3 через зазоры в замке верхнего компрессионного кольца 4 сжимаемый воздух, «запирается» в придонной полости поршневой канавки 3, ограничивая попадание в эту полость топливовоздушной смеси и высокотемпературных рабочих газов.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход», из-за наличия избыточного давления над поршнем 2 до конца рабочего такта, положение «пакета» колец 4, 5, 6, и 7 не меняется, что исключает появление зазора между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5 и нижней полкой поршневой канавки 3, следовательно, исключается возможность утечки рабочих газов и обеспечивается полное «срабатывание» рабочего давления, повышается КПД двигателя.
При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» за счет инерционных масс всего пакета колец 4, 5, 6, и 7, а также трения компрессионных колец 4, 5 и 7 о стенку цилиндра 1, положение пакета колец остается прежним, прижатым к нижней полке поршневой канавки 3, что обеспечивает эффективный выхлоп отработанных газов и продуктов сгорания топливовоздушной смеси в виде копоти и сажи, снятых со стенки цилиндра 1, верхним торцом верхнего компрессионного кольца 4.
При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» за счет инерционных масс всего пакета колец 4, 5, 6, и 7, а также за счет трения компрессионных колец 4, 5, 6, и 7 о стенку цилиндра 1, весь пакет колец смещается к верхней полке поршневой канавки 3, образуя зазор между
нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5 и нижней полкой поршневой канавки 3, в который, под давлением, устремляется масло, снимаемое со стенки цилиндра 1 нижним торцом компрессионного кольца 5. Выступы 8, расположенные над нижним компрессионным кольцом 5 и средним компрессионным кольцом 7, существенно ограничивает проникновение масла в придонную полость поршневой канавки 3, тем самым, существенно снижая расход масла на угар. Эффективность поршневого уплотнения повышается за счет наличия между верхним 4 и нижним 5 компрессионными кольцами, по меньшей мере, двух промежуточных компрессионных колец 6, разделенных средним компрессионным кольцом 7 и наличием, по меньшей мере, двух кольцевых выступов 8, создающих дополнительные лабиринтные уплотнения в придонной полости поршневой канавки 3. Пакетный принцип расположения компрессионных колец позволяет использовать компрессионные кольца с меньшей высотой, к тому же упростить конструкцию поршня, используя только одну поршневую канавку. Качественное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1 дает возможность исключить применение системы турбонаддува и его агрегатов в конструкции двигателя.
Предлагаемое поршневое уплотнение эффективно для мощных и сверхмощных дизелей с диаметрами цилиндров более 250 мм, например, в дизелях тепловозов, судовых двигателей и других силовых установках. предлагается вариант 2. Поршневое уплотнение достаточно простое по конструкции, технологичное в изготовлении и эксплуатации, позволит значительно повысить эффективность уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, уменьшить механические, газодинамические и теплофизические потери, увеличить мощность и ресурс двигателя, сократить расход топлива и масла, улучшить экологические характеристики двигателя.