ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02F5/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к поршневым уплотнениям для двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известны поршневые уплотнения для ДВС, выполненные сборными, состоящие из отдельных элементов, размещенных в одной поршневой канавке.

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, ближайшее по технической сущности к предлагаемому и принятое за прототип. С целью повышения надежности двигателя путем перекрытия зазора между рабочим кольцом и нижней стороной поршневой канавки и разреза рабочего кольца, на нижней стороне поршневой канавки выполнена проточка, в которую установлено дополнительное кольцо.

Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что предложенная схема расположения дополнительного кольца снизу рабочего кольца требует соответствующего выполнения для него дополнительной канавки, которую получить технологически затруднительно, а для автомобильных и тракторных двигателей с шириной канавки под компрессионное кольцо от 2 до 5,5 мм практически невозможно. Кроме того, расположение дополнительного кольца на нижней стороне поршневой канавки не защищает основное компрессионное кольцо от прорыва рабочего давления в заколечную полость, а это, как известно, приводит к большим механическим потерям на трение, повышенному износу гильзы цилиндра и компрессионного кольца. Известно, что гильза цилиндра обычно изнашивается в своей верхней части (на длине порядка 40% от всей длины цилиндра), причем износ тем больше, чем ближе к верхней части. Наибольший износ соответствует положению верхнего компрессионного кольца в верхней мертвой точке поршня. Такой характер износа можно связать с заколечным давлением первого компрессионного кольца, которое составляет обычно до 80% от давления в цилиндре. Например, для компрессионного кольца двигателя КАМАЗ это давление составит порядка 180 кг/см² х 0,8= = 144 кг/см² (180 кг/см² - это максимальное давление в ВМТ двигателя КАМАЗ). Если учесть, что высота внутреннего кольца t_вн = 2,5 мм, внутренний диаметр D_вн = 110 мм, то дополнительная сила давления кольца на стенку цилиндра составит πD_внt_вн х x144 = 3,14 х 11 х 0,25 х 144 = 1238 кгс. Если учесть, что сила упругости кольца по техническим условиям должна быть 2,3...3,1 кгс, что становится очевидным, что такая большая сила является явно излишней для обеспечения необходимого уплотнения между поршнем и цилиндром, а если к этому прибавить то обстоятельство, что в ВМТ скорость движения поршня равна нулю, то для преодоления этих огромных сил трения в начале такта "рабочий ход" необходимо затратить большую работу для перемещения поршня. Известно, что на преодоление трения поршневых колец приходится до 50% (а иногда до 60%) работы трения в двигателе и наибольший вклад в эти потери вносит первое компрессионное кольцо, находящееся под воздействием газодинамического давления.

Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия двигателя и его ресурса путем предотвращения прорыва рабочего давления в зазор между внутренним торцом рабочего кольца и дном поршневой канавки и исключения дополнительного газодинамического давления рабочего кольца на стенку цилиндра.

Поставленная цель достигается тем, что поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее рабочее и дополнительное упругие разрезные кольца, размещенные в одной поршневой канавке, на дне поршневой канавки выполнено кольцевое углубление. Верхняя торцовая поверхность углубления лежит в одной плоскости с верхней торцовой поверхностью поршневой канавки. Дополнительное кольцо расположено в углублении. Наружный диаметр дополнительного кольца равен наружному диаметру рабочего кольца.

Дополнительное упругое разрезное кольцо, установленное над рабочим кольцом, ограничивает прорыв рабочих газов в поршневую канавку в заколечную полость, чем резко снижает излишнее дополнительное давление рабочего кольца на стенку цилиндра за счет газодинамической составляющей. Рассчитанная степень уплотнения между поршнем и цилиндром, зависящая в основном от собственной упругости рабочего кольца, сохраняется на всей длине хода поршня приблизительно постоянной, что обеспечивает минимальные потери на трение и минимальный равномерный износ гильзы, рабочего кольца и поршневой канавки, повышение эффективной мощности двигателя, его коэффициента полезного действия.

На чертеже представлены цилиндр и поршень двигателя внутреннего сгорания, частичное сечение.

Поршень 2 содержит кольцо 3, установленное в поршневую канавку 4, на верхней стороне дна которой выполнена радиальная проточка 5, в которую внутренним торцом установлено дополнительное упругое разрезное кольцо 6. Дополнительное кольцо 6 лежит на рабочем кольце 3 так, что его разрез расположен с противоположной стороны по отношению к разрезу рабочего кольца 3. Наружный диаметр дополнительного кольца 6 равен наружному диаметру рабочего кольца 3.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. При движении поршня в нижнюю мертвую точку рабочее кольцо 3 снимает со стенки цилиндра 1 масло, оставшееся после маслосъемного кольца и, если имеются, других компрессионных колец. Часть снимаемого масла проникает через зазор между рабочим кольцом 3 и нижней стороной поршневой канавки 4 и попадает в торцевой зазор между кольцом 3 и дном поршневой канавки 4. Так как верхняя часть этого зазора перекрыта нижней стороной дополнительного кольца 6, то соответственно попавшее в этот объем масло в нем запирается, тем самым устраняя насосный эффект компрессионного кольца 6.

При движении поршня 2 в верхнюю мертвую точку рабочая смесь в камере сгорания на такте сжатие и вначале движения поршня в нижнюю мертвую точку на такте рабочий ход (достигающая давления 100 кг/см³ и более) не может прорваться в картер двигателя через поршневое уплотнение, т.к. разрез-замок рабочего кольца 3 перекрыт сверху нижней стороной дополнительного кольца 6, установленного так, что замок его расположен с противоположной стороны. Резко снижается прорыв рабочего давления из цилиндра 1 в полость поршневой канавки 3, т.к. дополнительное кольцо 6 перекрыло зазоры над рабочим кольцом 4 и за его торцом, образуя лабиринтное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1.

Таким образом, наличие дополнительного упругого разрезного кольца 6, установленного в одной поршневой канавке над рабочим кольцом 4 и заглубленного по отношению к нему, позволяет исключить отрицательное влияние разреза рабочего кольца и насосный эффект поршневого уплотнения, тем самым увеличивая рабочее давление в цилиндре 1 двигателя, полноту срабатывания рабочего давления, тем самым повышая эффективный КПД двигателя. Исключение или резкое уменьшение давления в заколечной полости поршневой канавки 3 исключает появление газодинамического давления рабочего кольца 4 на стенку цилиндра 1 или резко его уменьшает. Уменьшение величины газодинамического давления рабочего кольца 4 на стенку цилиндра 1 на тактах сжатие и рабочий ход приводит к уменьшению работы трения кольца о стенку цилиндра, делая ее более или менее оптимальной на всей длине хода поршня и на всех тактах, т.е. выводит эту паразитную работу из зависимости от меняющегося в цилиндре рабочего давления, что приводит к некоторому постоянству сил трения, а следовательно, и постоянству износа всех кинематических пар в схеме цилиндр-рабочее кольцо-поршень, оптимизируя процесс износа.

Размещение дополнительного кольца над рабочим кольцом в одной поршневой канавке уменьшает механические потери на трение от воздействия газодинамического давления, повышает эффективную мощность за счет более полного срабатывания рабочего давления, уменьшает расход масла на угар и улучшает экологические характеристики двигателя.

Уменьшение износа первой компрессионной канавки влечет нецелесообразность чугунной вставки, используемой для повышения износостойкости в известных двигателях, что снижает себестоимость изготовления поршня.

Сущность изобретения: на верхней стороне дна поршневой канавки в одной с ней плоскости выполнена проточка, в которую внутренним торцом установлено дополнительное упругое разрезное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру рабочего кольца. Перекрывая торцовый зазор между рабочим кольцом и дном поршневой канавки, а также разрез рабочего кольца, дополнительное кольцо резко снижает прорыв газов из камеры сгорания и попадание в нее масла, что положительно сказывается на улучшении запуска двигателя, более полном срабатывании рабочего давления, уменьшении расхода на угар, улучшении экологических характеристик двигателя. Резкое снижение прорыва газов в полость поршневой канавки, в зазор между торцом кольца и дном поршневой канавки, снижает до минимума газодинамическое давление рабочего кольца на стенку цилиндра, тем самым уменьшая потери на трение, износ цилиндра, поршня и кольца, повышая КПД двигателя. 1 ил.

ПОРШНЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее рабочее и дополнительное упругие разрезные кольца, размещенные в одной поршневой канавке, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД двигателя и увеличения его ресурса, на дне поршневой канавки выполнено кольцевое углубление, причем верхняя торцевая поверхность углубления лежит в одной плоскости с верхней торцевой поверхностью поршневой канавки, а дополнительное кольцо расположено в углублении, причем наружный диаметр дополнительного кольца равен наружному диаметру рабочего кольца.