Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания (варианты)
PISTON UNIT OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны поршневые устройства двигателей внутреннего сгорания, состоящие из поршневых уплотнений (GB 552296 А 31.03.1943; US 3971298 А. 27.07.1976; RU патент №2535598, МПК F02F 5/00, опубл. 20.12.2014) и маслосъемных поршневых устройств (Заявка №53-22204, Япония, 1978; Заявка №59-20859, Япония, 1984; авторское свидетельство №1312217, СССР, 1985; патент RU №2341671, МПК F02F 5/00, опубл. 19.10.2008; патент RU №2447306, МПК F02F 5/00, опубл. 10.04.2012; патент RU №2499901, МПК F02F 5/00, опубл. 27.11.2013).
Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, содержащее компрессионные и маслосъемные кольца, расположенные в поршневых канавках (ГОСТ Р 53843 - 2010).
Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что между компрессионными и маслосъемными кольцами имеются перемычки, которые ухудшают эффективность уплотнения. Известно, что до 60-70% рабочего давления прорывается через зазоры в замках компрессионных 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, тем больше утечка рабочих газов. Повышенная утечка рабочих газов оказывает существенное влияние на процессы сгорания топливовоздушной смеси, снижение основных технико-экономических и экологических характеристик двигателя. Зазор между поверхностью внешнего диаметра перемычки и стенкой цилиндра прерывает тепловой поток, идущий от кольца через нижнюю полку поршневой канавки к охлаждаемому цилиндру, тем самым вызывая перегрев компрессионного кольца и потерю его работоспособности, особенно это проявляется на двигателях, использующих газообразное топливо. Перемычки между поршневыми кольцами необоснованно увеличивают длину поршня и цилиндра, отрицательно сказываются на кинематике двигателя, его эффективности, усложняют технологию изготовления и увеличивают себестоимость двигателя. Перемычки делают пассивным неэффективное маслосъемное кольцо в процессе теплообмена между поршнем и цилиндром.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении компрессии, мощности, ресурса и надежности двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшение экономических и экологических характеристик двигателя.
Технический результат достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания (вариант 1), содержащем компрессионные кольца, маслосъемные кольца и упругое разрезное расширительное кольцо, новым является то, что все вышеупомянутые поршневые кольца расположены в одной поршневой расточке, причем упругое разрезное расширительное кольцо установлено между нижним компрессионным кольцом и верхним маслосъемным кольцом так, что его внутренний диаметр равен диаметру поршневой расточки, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра имеется зазор.
Технический результат достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем компрессионные кольца, маслосъемные кольца и упругое разрезное расширительное кольцо, новым является то, что все вышеупомянутые поршневые кольца расположены в одной поршневой расточке, упругое разрезное расширительное кольцо установлено под нижним маслосъемным кольцом и своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку, выполненную в дне поршневой расточки на уровне ее нижней полки, причем внутренний диаметр вышеупомянутого расширительного кольца равен диаметру кольцевой канавки, а между внешним диаметром расширителя и стенкой цилиндра имеется зазор.
В обоих вариантах рабочая поверхность маслосъемных колец выполнена под углом к своему верхнему торцу, а на внешнем диаметре выполнены осевые пазы.
На фиг. 1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания. В плоскости сечения показаны зазоры в замках колец.
На фиг. 2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания. В плоскости сечения показаны зазоры в замках колец.
Двигатель внутреннего сгорания (вариант 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее компрессионное кольцо 3, нижнее компрессионное кольцо 4, маслосъемные кольца 6, 7, 8, упругое разрезное расширительное кольцо 5, расположенные в поршневой расточке 9. Упругое разрезное расширительное кольцо 5 установлено между нижним компрессионным кольцом 4 и верхним маслосъемным кольцом 6 так, что его внутренний диаметр равен диаметру поршневой расточки 9, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра 1 имеется зазор.
По варианту 2 в поршневой расточке 9 установлены компрессионные кольца 3 и 4, маслосъемные кольца 6, 7, 8 и упругое разрезное расширительное кольцо 5, входящее своим внутренним диаметром в кольцевую канавку 10, выполненную в дне поршневой расточки 9 на уровне ее нижней полки. Внутренний диаметр расширительного кольца 5 равен диаметру дна кольцевой канавки 10, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра 1 имеется зазор.
Рабочие поверхности маслосъемных колец 6, 7, 8 выполнены под углом к своему верхнему торцу, а на их внешнем диаметре выполнены осевые пазы.
Поршневое устройство работает следующим образом.
В процессе сборки поршневого устройства (вариант 1) последним устанавливается верхнее компрессионное кольцо 4, которое, сжимая весь пакет поршневых колец, осаживает упругое разрезное расширительное кольцо 5, сжимая его на величину теплового расширения поршневой расточки 9 и увеличивая наружный диаметр, при этом внутренний диаметр расширительного кольца 5 плотно прижимается к поверхности дна поршневой расточки 9, перекрывая прорвавшийся в придонную полость расточки 9 рабочий газ в картер сверху и не пропуская попадание масла из картера в камеру сгорания снизу. Таким образом, расширительное кольцо 5 создает дополнительные силы, исключающие зазоры, расположенные по оси поршня 2. Поршневое устройство в холодном состоянии двигателя при запуске обеспечивает полноту всасывания свежего заряда воздуха, максимально сокращая разницу между теоретической и практической величинами количества воздуха, требуемого для осуществления полноты сгорания подаваемого в камеру сгорания топлива. При разогреве двигателя в процессе его работы происходят термодинамические изменения формы и размеров цилиндра 1 и в наибольшей степени головки поршня 2, где расположено поршневое устройство. Разогрев поршня 2 приводит к увеличению ширины поршневой расточки 9, а прогрев цилиндра 1 приводит к увеличению его внутреннего диаметра. Прорвавшаяся часть рабочего газа через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 в придонную полость поршневой расточки 9 и собственные упругие силы компрессионных колец 3, 4 и маслосъемных колец 6, 7, 8 обеспечивают плотный контакт рабочих поверхностей колец со стенкой цилиндра, чему способствует и расширительное кольцо 5.
Одновременно, под действием собственных упругих сил расширительное кольцо 5, стремясь восстановить свою первоначальную форму, разжимаясь, смещает компрессионные кольца 3 и 4 вверх, а маслосъемные кольца 6, 7, 8 вниз, компенсируя образующиеся вдоль оси поршня 2 зазоры между торцами всех поршневых колец и полок поршневой расточки 9. Таким образом, поддерживается стабильность расчетных значений термодинамических и газодинамических процессов, происходящих в камере сгорания, полнота сгорания топливовоздушной смеси и в полной мере срабатывание рабочего давления, обеспечивающих высокую технико-экономическую эффективность двигателя и минимальное наличие вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах.
По варианту 2 расширительное кольцо 5, расположенное между нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 8 и нижней полкой поршневой расточки 9, работает в зоне большого количества моторного масла, которое, попадая на контактные поверхности расширительного кольца 5, маслосъемного кольца 8 и нижней полки поршневой расточки 9, снижает процесс износа этих высоконагруженных поверхностей, повышая ресурс всего поршневого устройства. Кроме того, плотный контакт поверхности внутреннего диаметра расширительного кольца 5 с поверхностью дна канавки 10 позволяет перекрыть обычный путь проникновения масла в придонную полость поршневой расточки 9 и далее через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 в камеру сгорания.
При движении поршня 2 в нижнее положение гидравлическое сопротивление снимаемого со стенки цилиндра 1 масла снижается за счет выполнения рабочих поверхностей маслосъемных колец 6, 7, 8 под углом к своему верхнему торцу и количеству их в пакете. Выполнение осевых пазов на внешнем диаметре маслосъемных колец 6, 7, 8, их количество и размеры на каждом кольце обеспечивает требуемое качество очистки стенки цилиндра 1. Таким образом, за счет выполнения на внешнем диаметре маслосъемных колец 6, 7, 8 осевых пазов уменьшается гидравлическое сопротивление при движении поршня 2 в нижнее положение.
Предлагаемые конструкции поршневого устройства практически исключают газодинамические потери, оставляя на стенке цилиндра 1 минимально допустимую толщину масляной пленки, сводят механические потери на трение поршневых колец к несущественному минимуму, создают благоприятные условия для эффективного теплообмена между поршнем 2 и цилиндром 1, особенно важных для двигателей, работающих на форсированных режимах или использующих газообразное топливо, повышают компрессию, мощность и ресурс двигателя, уменьшают расход топлива и моторного масла, улучшают экологические показатели двигателя.