ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02F3/00 

Изобретение относится к поршневому двигателю внутреннего сгорания, в частности дизельному двигателю большого объема, содержащему, по меньшей мере, один расположенный в цилиндре поршень, который снабжен пакетом из нескольких прилегающих к цилиндру, размещенных каждое в соответствующей канавке поршневых колец, причем предусмотрено, по меньшей мере, одно газоплотное, имеющее входящие друг в друга концы поршневое кольцо и/или, по меньшей мере, одно стандартное поршневое кольцо с расположенными на расстоянии друг от друга концами, образующими щель в виде дренажного канала, при этом, по меньшей мере, каждому газоплотному поршневому кольцу соответствует, по меньшей мере, один специально предусмотренный дренажный канал.

В известном устройстве (WO 97/11295) предусмотрены дренажные каналы, выполненные в виде радиальных канавок, расположенных в зоне нижней стороны газоплотных поршневых колец. Канавки имеют при этом параллельные боковые стороны, так что по всей радиальной толщине соответствующего поршневого кольца образуется постоянное сечение канавок в свету. Оно остается поэтому постоянным и в случае износа поршневого кольца, т.е. при уменьшении радиальной толщины, так что возникает всегда постоянная дренажная способность. Недостатком при этом является то, что невозможно привести зависимую от износа дренажную способность в соответствие с потребностями каждого отдельного случая.

Так, было бы, например, желательно иметь при приработке поршневых колец иные условия давления в зоне между двумя поршневыми кольцами, чем после приработки. Точно так же у пакета, содержащего под газоплотным поршневым кольцом несколько так называемых стандартных поршневых колец, концы которых ограничивают образующую дренажный канал щель, все более увеличивающуюся при износе, в результате чего возрастают также утечки через нее, было бы, например, желательно привести дренажную способность дренажных каналов газоплотного поршневого кольца в соответствие с возрастающими утечками стандартных поршневых колец.

В DE 3924982 A1 описан пакет поршневых колец, у которого стандартные поршневые кольца в зоне своей верхней стороны снабжены дренажными каналами, которые образованы радиальными канавками. Также здесь канавки имеют параллельные боковые стороны, так что по всей радиальной толщине соответствующего поршневого кольца образуется постоянное сечение канавок в свету. Приведение зависимой от износа дренажной способности в соответствие с потребностями каждого отдельного случая невозможно поэтому в данном известном устройстве.

Исходя из этого, задачей настоящего изобретения является усовершенствование устройства описанного выше типа простыми и экономичными средствами, позволяющими в зависимости от износа привести утечки поршневых колец в соответствие с потребностями каждого отдельного случая.

Эта задача решается согласно изобретению за счет того, что дренажные каналы, соответственно не образованные щелью между двумя концами поршневых колец, выполнены с возможностью изменения своего эффективного сечения при износе поршневых колец.

Благодаря этому полностью устранены перечисленные недостатки описанного выше уровня техники, что обеспечивает высокую свободу конструирования. За счет использования увеличивающихся по мере износа поршневых колец дренажных сечений у газоплотных поршневых колец можно, например, предпочтительным образом у пакета, состоящего частично из стандартных поршневых колец и частично из газоплотных поршневых колец, несмотря на происходящее при износе увеличение щели стандартных поршневых колец в зоне между всеми поршневыми кольцами, всегда достигать приблизительно постоянных условий давления. При этом за счет того, что дренажные каналы газоплотных поршневых колец увеличиваются в зависимости от износа, учитывается одновременно происходящее увеличение стандартных поршневых колец. Поэтому предпочтительным образом можно использовать в пакете помимо, по меньшей мере, одного газоплотного поршневого кольца более экономичные стандартные поршневые кольца и, тем не менее, обеспечивать постоянные условия давления в зоне между всеми поршневыми кольцами. Благодаря использованию уменьшающихся по мере износа дренажных сечений у стандартных поршневых колец предпочтительным образом можно воспрепятствовать происходящему по мере износа увеличению щели между концами стандартных поршневых колец, так что в любой момент времени имеются приблизительно постоянные общие утечки или замедляется имеющееся обычно возрастание утечек. При использовании уменьшающихся по мере износа дренажных сечений предпочтительным образом можно также повышать, например, давление в зоне между поршневыми кольцами после этапа приработки. Во время приработки давление можно поддерживать низким.

Согласно данному изобретению можно очевидным образом достичь не только высокой свободы конструирования, но и предпочтительным образом также длительного срока службы поршневых колец. Изобретение обеспечивает в соответствии с этим высокую экономичность.

Предпочтительные варианты и целесообразные усовершенствования описанных мероприятий приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Некоторые примеры выполнения изобретения более подробно поясняются ниже с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - частичный вид цилиндро-поршневого узла поршневого ДВС в разрезе;
фиг. 2 - вид на концы газоплотного поршневого кольца;
фиг. 3 - вид на концы стандартного поршневого кольца;
фиг. 4 - первый пример выполнения изобретения в виде увеличенного изображения детали IV на фиг. 1;
фиг. 5 - вид сверху по линии V-V на фиг. 4;
фиг. 6 - пример выполнения с расположенными в зоне нижней стороны поршневого кольца канавками при виде сверху на газоплотное поршневое кольцо;
фиг. 7 и 8 - варианты выполнения по фиг. 6;
фиг. 9 - приспособленное к условиям стандартного поршневого кольца выполнение с расположенными в зоне нижней стороны поршневого кольца канавками;
фиг. 10 - выполнение с расположенными вблизи периферии дренажными каналами;
фиг. 11 и 12 - варианты выполнения по фиг. 10.

На фиг. 1 изображен поршень 1, установленный в цилиндре 2 с возможностью осевого перемещения. Изображенный цилиндро-поршневой узел относится к поршневому ДВС, например, в виде дизельного двигателя большого объема. Конструкция и принцип работы подобных поршневых ДВС известны.

Поршень 1 снабжен пакетом, состоящим из нескольких расположенных друг над другом поршневых колец 3,4. Поршневые кольца 3,4 размещены каждый в соответствующей периферийной канавке 5 поршня 1 и прилегают своей наружной периферией к внутренней поверхности цилиндра 2. Названный пакет поршневых колец должен герметизировать находящуюся выше поршня 1 камеру сгорания от находящейся ниже поршня 1 кривошипной камеры. В зоне между канавками 5 расположены огибающие гребни 6. Канавки 5 имеют по сравнению с соответствующим поршневым кольцом 3 или 4 такой избыточный размер, что над поршневым кольцом и радиально внутри него образуется щель соответственно 7 или 8, как это лучше всего видно из увеличенного изображения на фиг. 4.

По меньшей мере самое верхнее поршневое кольцо пакета выполнено в виде так называемого газоплотного поршневого кольца. В изображенном примере это относится к обоим верхним поршневым кольцам 3. Они имеют каждое концы 9, находящиеся во взаимном газоплотном зацеплении (фиг. 2). В изображенном примере концы 9 выполнены в виде накладывающихся друг на друга язычков. Возможно также взаимное зацепление по типу шпунтового. Концы 9 имеют такую длину, что взаимное зацепление и тем самым газоплотность сохраняются даже в случае радиального расширения соответствующего поршневого кольца 3, как это показано на фиг. 2 прерывистыми линиями. Упомянутое выше радиальное расширение происходит в том случае, когда поршневое кольцо 3 изношено в зоне своей наружной периферии, однако вследствие своего натяжения продолжает тем не менее прилегать к цилиндру 2.

Нижние поршневые кольца 4 могут быть выполнены в виде так называемых стандартных поршневых колец. Эти поршневые кольца негазоплотные и в соответствии с этим более экономичные. Стандартные поршневые кольца 4, как видно на фиг. 3, имеют косо обрезанные концы, отстоящие друг от друга с образованием сплошной щели 10. Щель 10 имеет сначала ширину а. Если поршневое кольцо 4 имеет износ на своей наружной периферии, то щель 10 раскрывается, как это показано на фиг. 3 прерывистыми линиями. При этом происходит увеличение ширины A щели 10 в свету. Через щель 10 происходит утечка, которая вследствие зависимого от износа увеличения ширины щели 10 в свету зависит от износа.

Упомянутая выше утечка приводит к созданию давления в зоне под соответствующим поршневым кольцом 4. С тем чтобы все поршневые кольца нагрузить в этом отношении по возможности одинаково, обеспечивают по возможности одинаковые условия давления под всеми поршневыми кольцами 3, 4 пакета. Для этой цели каждому так называемому газоплотному поршневому кольцу 3 соответствует несколько дренажных каналов, целесообразно равномерно распределенных по периферии. Они могут быть целесообразно выполнены так, что общая дренажная способность всех соответствующих каждому поршневому кольцу 3 дренажных каналов приблизительно соответствует дренажной способности щели 10 стандартного поршневого кольца 4. Это относится как к исходному состоянию, так и ко времени после него, т.е. также для случая, когда поршневые кольца изношены со стороны периферии. Поэтому соответствующие газоплотным поршневым кольцам 3 дренажные каналы выполнены с возможностью увеличения их дренажной способности в равной мере с пропускной способностью щели 10 стандартного поршневого кольца 4.

Описанные выше, соответствующие газоплотным поршневым кольцам 3 дренажные каналы могут быть выполнены различным образом.

В выполнении на фиг. 1, 4 и 5 каждый размещающий газоплотное поршневое кольцо 3 гребень 6 снабжен идущими от радиально внутренней зоны, проходящими наискось вниз, заканчивающимися в зоне периферийной поверхности гребня 6 расточками 11, которые вместе со щелями 7 и 8 образуют огибающий соответствующее поршневое кольцо 3 путь потока, которым лежащие выше и ниже поршневого кольца 3 зоны щели между поршнем 1 и цилиндром 2 сообщены между собой. Входы расточек 11, как лучше всего видно на фиг. 5, смещены по отношению друг к другу в радиальном направлении. Радиальное смещение целесообразно меньше диаметра расточек. Расточки 11 постепенно увеличиваются соответствующим поршневым кольцом 3 в зависимости от его износа. В исходном состоянии поршневое кольцо 3 входит своей радиально внутренней кромкой 12 в канавку 5 настолько, что все расточки 11, за исключением расточки 11, лежащей дальше всего радиально внутри, закрыты и тем самым запечатаны. Как только поршневое кольцо 3 изнашивается в зоне своей наружной периферии и тем самым становится тоньше в радиальном направлении, поршневое кольцо 3 и тем самым также его радиально внутренняя кромка 12 смещаются радиально наружу, как это показано на фиг. 5 стрелкой и прерывистыми линиями. При этом кромка 12 постепенно все больше и больше отходит от расточек 11, вследствие чего они открываются, так что постепенно происходит все большее увеличение всего сечения открытых расточек 11.

Вместо расточек 11 в зоне нижней стороны поршневого кольца 3 могут быть предусмотрены выбранные из него канавки 13 изображенного на фиг. 2 вида. Также эти канавки 13 образуют вместе со щелями 7 и 8 огибающий соответствующее поршневое кольцо 3 путь потока. Канавки 13 проходят, как показано на фиг. 6-8, по радиальной толщине соответствующего поршневого кольца 3 и имеют, по меньшей мере, на части своей радиальной длины боковые стороны, расположенные по отношению друг к другу таким образом, что сечение канавок в свету непрерывно увеличивается радиально снаружи радиально внутрь.

В выполнении на фиг. 6 канавка 13 имеет непрерывно увеличивающееся сечение. В выполнении на фиг. 7 канавка 13 имеет отходящий от радиально внешней периферии поршневого кольца отрезок с увеличивающимся внутрь сечением и примыкающий к нему внутренний отрезок с постоянным сечением. Отрезок с увеличивающимся внутрь сечением проходит приблизительно по внешней зоне соответствующего поршневого кольца 3, срабатывающейся с течением времени за счет износа. Канавка 13 закрыта соответствующим гребнем 6, за исключением радиально внешней зоны между периферийной кромкой 14 закрывающей поверхности гребня 6 и соседней внутренней периферией цилиндра 2. Эффективное выходное сечение канавки 13 находится в соответствии с этим у кромки 14, являющейся неподвижной. Поршневое кольцо 13 смещается по мере износа радиально наружу, как это обозначено на фиг. 6 прерывистыми линиями. Перекрытая сначала кромкой 14 ширина канавки 13 обозначена буквой s. После износа толщины V эта ширина составляет S. Из этого видно, что эффективное выходное сечение канавки 13 увеличивается по мере износа. То же относится к выполнению на фиг. 7 вплоть до достижения радиально внутреннего отрезка канавки 13 с параллельными боковыми сторонами. У выполнений на фиг. 6 и 7 в противоположность выполнению на фиг. 4 и 5 происходит непрерывное увеличение выходного сечения канавки 13 и в соответствии с этим пропускной способности дренажного канала, образованного такой канавкой.

У выполнения на фиг. 8 канавка 13 имеет в радиально внешней зоне соответствующего поршневого кольца 3 параллельные боковые стороны, расположенные по отношению друг к другу так, что расстояние между ними увеличивается по мере удаления от радиально внешней периферийной зоны поршневого кольца 3. При этом образуется сначала постоянное небольшое эффективное выходное сечение канавки 13. После того, как произошел определенный износ и отрезок канавки с увеличивающейся внутрь шириной попал в зону кромки 14, эффективное выходное сечение канавки 13 увеличивается по мере все большего износа. Такое выполнение может найти применение, например, в том случае, когда во время приработки поршневого кольца 3 желательна постоянная утечка. Могут быть также реализованы иные формы канавок, например, с уменьшающимся радиально снаружи внутрь сечением, что в некоторых случаях целесообразно для осуществления оптимальных условий приработки.

Стандартным поршневым кольцам 4 в дополнение к их щели 10 также могут соответствовать дополнительные дренажные каналы, как это обозначено на фиг. 3 канавкой 15, расположенной в зоне нижней стороны поршневого кольца 4. Как лучше всего видно на фиг. 9, она может быть выполнена таким образом, что ее сечение уменьшается радиально снаружи радиально внутрь. При подобном выполнении канавки 15 ее эффективное выходное сечение, наибольшее на кромке 14 гребня 6 в начале эксплуатации, уменьшается по мере износа. В соответствии с этим происходит развитие, встречное по отношению к развитию в зоне щели 10. Это позволяет компенсировать или, во всяком случае, ослабить увеличение эффективного проходного сечения щели 10 путем уменьшения эффективного проходного сечения канавки 15 или выполненных на периферии соответствующего поршневого кольца 4 канавок 15.

Вместо канавок 13 или 15 поршневые кольца 3 или 4 могут быть также снабжены расположенными в зоне их периферии, проходящими в радиальном направлении выемками, как это показано на фиг. 10-12. Изображенное на фиг. 10 поршневое кольцо снабжено проходящей в радиальном направлении канавкой 16 со стороны периферии, ширина в свету которой увеличивается радиально внутрь. Эта канавка 16 закрыта соответствующим гребнем 6 поршня, за исключением лежащей вне наружной кромки зоны. По мере износа поршневого кольца она смещается все дальше наружу, вследствие чего все более широкие зоны канавки 16 больше не закрыты. При этом возникает тот же эффект, что и у устройства на фиг. 6 и 7. Изображенное на фиг. 11 поршневое кольцо снабжено проходящей в осевом направлении канавкой 17 со стороны периферии, ширина в свету которой уменьшается радиально внутрь. Этим достигается, например, тот же эффект, что и у устройства на фиг. 9, поскольку по мере износа поршневого кольца все более узкие зоны канавки 17 проходят кромку 14 гребня 6.

Изображенное на фиг. 12 поршневое кольцо снабжено проходящей в осевом направлении канавкой 18 со стороны периферии и соседними с ней, проходящими в осевом направлении, расположенными близко к периферии расточками 19. Предусмотренные здесь, проходящие в осевом направлении выемки поршневого кольца смещены по отношению друг к другу в радиальном направлении. Канавка 18 лишь частично закрыта с самого начала кромкой 14 соответствующего гребня 6. По мере износа поршневого кольца последовательно открываются также расточки 19, вследствие чего возникает увеличивающееся по мере износа общее проходное сечение. Радиальное смещение расточек 19 в соответствии с этим меньше, чем их диаметр. Само собой, здесь было бы также возможно расположение, при котором проходное сечение по мере износа уменьшается.

Поршневой ДВС, в частности дизельный двигатель большого объема, содержит, по меньшей мере, один расположенный в цилиндре поршень, который снабжен пакетом из нескольких прилегающих к цилиндру, размещенных каждое в соответствующей канавке поршневых колец, причем предусмотрено, по меньшей мере, одно газоплотное, имеющее входящие друг в друга концы поршневое кольцо и/или, по меньшей мере, одно стандартное поршневое кольцо с расположенными на расстоянии друг от друга концами, образующими щель в виде дренажного канала, при этом, по меньшей мере, каждому газоплотному поршневому кольцу соответствует, по меньшей мере, один специально предусмотренный дренажный канал. Дренажные каналы, соответственно не образованные щелью между двумя концами поршневых колец, выполнены с возможностью изменения своего эффективного сечения при износе соответствующего поршневого кольца. Благодаря этому можно привести дренажную способность в соответствие с потребностями каждого отдельного случая. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, в частности дизельный двигатель большего объема, содержащий, по меньшей мере, один расположенный в цилиндре (2) поршень (1), который снабжен пакетом из нескольких прилегающих к цилиндру, размещенных каждое в соответствующей канавке (5) поршневых колец (3, 4), причем предусмотрено, по меньшей мере, одно газоплотное, имеющее входящие друг в друга концы (9) поршневое кольцо (3) и/или, по меньшей мере, одно стандартное поршневое кольцо (4) с расположенными на расстоянии друг от друга концами, образующими щель в виде дренажного канала, при этом, по меньшей мере, каждому газоплотному поршневому кольцу (3) соответствует, по меньшей мере, один специально предусмотренный дренажный канал, отличающийся тем, что дренажные каналы (11, 13, 15, 16, 17, 18, 19), соответственно не образованные щелью (10) между двумя концами поршневых колец, выполнены с возможностью изменения своего эффективного поперечного сечения при износе соответствующего поршневого кольца (3, 4). 2. Поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что соответствующие газоплотным поршневым кольцам (3) дренажные каналы (11, 13, 16, 18, 19) выполнены из условия, что общая утечка всех соответствующих каждому газоплотному поршневому кольцу (3) дренажных каналов приблизительно соответствует утечке каждого стандартного поршневого кольца (4) и по меньшей мере износа поршневых колец (3, 4) увеличивается приблизительно в той же степени. 3. Поршневой двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что стандартным поршневым кольцам (4), помимо ограниченной их концами щели (10), соответствует, по меньшей мере, один дополнительный дренажный канал (15), выполненный с возможностью уменьшения дренажной способности по мере износа поршневых колец. 4. Поршневой двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно поршневое кольцо (3, 4) снабжено проходящими в осевом направлении канавками (16) со стороны периферии, имеющими, по меньшей мере, на части их радиальной глубины непараллельные боковые стороны. 5. Поршневой двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно поршневое кольцо (3, 4) снабжено, по меньшей мере, расположенными в области периферии, проходящими в осевом направлении выемками (18, 19), смещенными по отношению друг к другу в радиальном направлении. 6. Поршневой двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно поршневое кольцо (3, 4) в зоне своей нижней стороны снабжено проходящими по радиальной толщине канавками (13, 15), которые, по меньшей мере, на части своей радиальной длины ограничены непараллельными боковыми сторонами. 7. Поршневой двигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один размещающий поршневое кольцо (3, 4) гребень (6) поршня (1) снабжен идущими от радиально внутренней зоны соответствующей поршневому кольцу (3, 4) канавками (5) поршня (1), заканчивающимися на его наружной периферии расточками (11), входы которых смещены по отношению друг к другу в радиальном направлении.