Результат интеллектуальной деятельности: ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании, производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.

Известны поршневые уплотнения, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (патент №534645, Италия, 1955; Заявка №51-38005, Япония, 1976; заявка №2002874, Великобритания, 1979; патент №2022146, РФ, 1991, патент №2243396, МПК F02F 5/00, опубл. 2002 г.).

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее верхнее уплотнительное разрезное Г-образное кольцо и подкладное разрезное кольцо, размещенные в одной поршневой канавке, причем внутренний диаметр нависающего бурта Г-образной канавки выбран с таким расчетом, что после минимального износа колец радиальные давления последних воспринимает указанный бурт (авторское свидетельство СССР №85071, 1949), ближайшее по технической сущности к заявляемому и принятое за прототип.

Однако в известном поршневом уплотнении в результате износа рабочей поверхности кольца оно упрется ступенькой в «нависающий» бурт, выполненный на верхней полке поршневой канавки углубления, при этом прекращаются уплотнительные свойства кольца, которые обычно осуществляются за счет упругих качеств самого кольца и радиальных газодинамических сил, которые должны поджимать рабочую поверхность уплотнительного кольца к стенке цилиндра. В процессе эксплуатации рабочая поверхность «уплотнительного» кольца изнашивается и между кольцом и стенкой цилиндра появляется зазор, и кольцо не выполняет уплотнительных функций.

Кроме того, в период приработки кольца по гильзе цилиндра ступенчатое кольцо, плотно контактируя со стенкой цилиндра, выполняет, как и все верхние компрессионные кольца, функцию нагаросъемного кольца. При движении поршня в верхнее положение на рабочем такте «выпуск» верхнее кольцо своим верхним торцом снимает со стенки цилиндра продукты сгорания топливовоздушной смеси (копоть и сажу). Часть этих продуктов выбрасывается в камеру сгорания и далее на выхлоп, часть осаждается на головках цилиндра и поршня, а часть продуктов под давлением проникает в поршневую канавку через еще имеющийся зазор между ступенькой кольца и «нависающим» выступом и зазор между верхним торцом кольца и верхней полкой поршневой канавки, постепенно накапливаясь на ступеньках кольца и других свободных поверхностях кольца и поршневой канавки. В процессе эксплуатации из копоти и сажи под действием высоких температур и максимальных давлений образуются нагар и сверхтвердый кокс, которые лишают кольцо сначала упругих свойств, а затем и подвижности в поршневой канавке. Кольцо становится жестким, своеобразной частью поршня, что приводит к задирам на цилиндре и, в итоге, к заклиниванию поршня и поломке двигателя.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении его экологических показателей.

Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 1), содержащем ступенчатое упругое разрезное кольцо, расположенное в поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, новым является то, что ступенчатое кольцо установлено с зазором относительно цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность буртика, под ступенчатым кольцом в этой же поршневой канавке установлены последовательно верхнее, промежуточное и нижнее компрессионные кольца, на дне поршневой канавки напротив промежуточного кольца выполнен кольцевой выступ, при этом промежуточное компрессионное кольцо установлено с зазором относительно кольцевого выступа.

В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем ступенчатое упругое разрезное кольцо, расположенное в поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, новым является то, что ступенчатое кольцо установлено с зазором относительно цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность буртика, под ступенчатым кольцом в этой же поршневой канавке установлены верхнее и нижнее компрессионные кольца, между которыми расположены, по меньшей мере, два промежуточных компрессионных кольца, разделенных между собой средним компрессионным кольцом, кроме того, на дне поршневой канавки напротив промежуточных компрессионных колец выполнены кольцевые выступы, при этом промежуточные компрессионные кольца установлены с зазором относительно кольцевых выступов.

Для вариантов 1 и 2 ступенчатое упругое разрезное кольцо выполнено из термически обработанного сплава алюминия или меди.

На фиг.1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 1).

На фиг.2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 2).

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2 и поршневое уплотнение, которое содержит установленное в поршневой канавке 3 ступенчатое упругое разрезное кольцо 4. На верхней полке поршневой канавки 3 имеется наружный кольцевой буртик 5. Между поверхностью наружного диаметра ступенчатого кольца 4 и стенкой цилиндра двигателя 1 имеется зазор, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность буртика 5. Под ступенчатым кольцом 4 в этой же поршневой канавке 3 установлены последовательно верхнее 6, промежуточное 7 и нижнее 8 компрессионные кольца. На дне поршневой канавки 3 напротив промежуточного кольца выполнен кольцевой выступ 9 с образованием между поверхностью внутреннего диаметра промежуточного компрессионного кольца 7 и кольцевым выступом 9 термодинамического зазора (вариант 1). Ступенчатое упругое разрезное кольцо 4 должно обладать двумя основными свойствами: быть упругим и иметь наибольший коэффициент теплопередачи. В качестве материала для кольца 4 целесообразно использовать сплавы алюминия или меди, подвергающиеся термической обработке для придания им необходимой упругости.

Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания по варианту 2 отличается от варианта 1 тем, что между верхним 6 и нижним 8 компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два промежуточных компрессионных кольца 7, разделенных между собой средним компрессионным кольцом 10. На дне поршневой канавки 3 напротив промежуточных компрессионных колец 7 выполнены кольцевые выступы 9 с образованием между поверхностью внутренних диаметров промежуточных компрессионных колец 7 и кольцевыми выступами 9 термодинамических зазоров.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. Упругие силы ступенчатого упругого разрезного кольца 4 обеспечивают постоянный прижим его к наружному кольцевому буртику 5, выполненному на верхней полке поршневой канавки 3.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» давление сжимаемого воздуха воздействует на выступающую часть верхнего торца ступенчатого кольца 4 с силой, прямо пропорциональной площади этой поверхности. Под действием постоянно увеличивающейся газодинамической силы весь пакет колец 4, 6, 7 и 8 (вариант 1) смещается к нижней полке поршневой канавки 3, устраняя зазор между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 8 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 8.

Прорвавшийся в поршневую канавку 3 через зазоры в замках ступенчатого кольца 4 и неприкрытую кольцом 4 часть зазора в замке верхнего компрессионного кольца 6 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, 6, 7 и 8 не меняется, что исключает появление зазора между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 8 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, 6, 7 и 8, а также трения компрессионных колец 6, 7 и 8 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 6.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» за счет инерционных масс всего пакета колец 4, 6, 7 и 8, а также за счет трения компрессионных колец 6, 7 и 8 о стенку цилиндра 1 весь пакет колец смещается к верхней полке поршневой канавки 3, образуя зазор между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 8 и нижней полкой поршневой канавки 3, в который, под давлением, устремляется масло, снимаемое со стенки цилиндра 1 нижним торцом компрессионного кольца 8. Выступ 9, расположенный над нижним компрессионным кольцом 8, существенно ограничивает проникновение масла в придонную полость поршневой канавки 3, в свою очередь, ступенчатое кольцо 4 исключает проникновение незначительной части масла, попавшей в придонную полость поршневой канавки 3, далее в камеру сгорания, тем самым существенно снижая расход масла на угар.

Для мощных и сверхмощных дизелей с диаметрами цилиндров более 250 мм, например в дизелях тепловозов, судовых двигателей и других силовых установках, предлагается вариант 2 выполнения поршневого уплотнения, эффективность которого повышается за счет наличия между верхним 6 и нижним 8 компрессионными кольцами, по меньшей мере, двух промежуточных компрессионных колец 7, разделенных средним компрессионным кольцом 10, и наличием, по меньшей мере, двух кольцевых выступов 9, создающих дополнительные лабиринтные уплотнения в придонной полости поршневой канавки 3.

Поршневое уплотнение (варианты 1 и 2), 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.