Поршень двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1993 года по МПК F02F3/00 

в параллельных плоскостях и пересекаются с осью поршня под прямым углом.

Для обеспечения качественной приработки компрессионных колец к рабочим поверхностям цилиндров иногда применяют кольца с наклонной (конусной) наружной поверхностью, а также кольца, имеющие .фаску с внутренней или наружной стороны (скручивающиеся кольца). За счет фаски при установке в цилиндр кольцо получает перекос и устанавливается наружной поверхностью под углом к стенке цилиндра. Для .повышения упругости колец иногда применяют специальные кольца с внутренней раз- жимной (гофрированной) стальной пружиной-расширителем.

Недостатком описанного поршня является прямоугольное выполнение опорных поверхностей ёго кольцевых канавок относительно оси, при котором уплотнение стенок цилиндра (гильзы) проводится, лишь за счетупругйх свойств уплр.тнитёльных колец, размещенных в полости кольцевых канавок.

Известно также уплотнение поршня, содержащее установленное в канавке сегментное кольцо с торцовыми опорными и цилиндрическими рабочими поверхностями и пазом со сквозными радиальными отвер- . стиями на рабочей поверхности каждого сегмента, в котором для повышения долговечности уплотнения указанный паз выполнен с переменным расстоянием стопорной поверхности, , . :

Недостатком указанного уплотнений поршня является выполнение опорных рабочих поверхностей сегментных колец тар- цовыми, взаимодействующих с аналогичными торцовыми опорными поверхностями кольцевых канаврк, лежащих в параллельных плоскостях и пересекающихся с осью поршня под прямым углом, лежащем в пределах 90°, Такое выполнение опорных поверхностей кольцевых канавок поршня затрудняет использование кольцами их упругих свойств при уплотнении рабочих поверхностей цилиндров-, когда те .испытывают силу давления сжатых газов.

Цель изобретения - повышение КПД двигателя внутреннего сгорания путем самоуплотнения колец под действием давления сжатых газов и силы трения цилиндрической поверхности каждого кольца о рабочую поверхность цилиндра.

Указанная цель достигается тем, что на рабочей поверхности поршня, включающего головку и юбку выполняют канавки, для размещения в них уплотнительных колец так, что их опорные поверхности наклонены к горизонтали под некотбрым углом (при условии совмещения оси поршня с .вертикалью) и в таком виде опорные поверхности каждой из канавок образуют пространственную фигуру, имеющую вид по меньшей мере двух, соединенных усеченных конусов,

а каждое из колец в разрезе имеет вид не- равнобочной трапеции, меньшее основание которой обращено к оси поршня, а большее основание - к стенке цилиндра.

На фиг. 1 изображен общий вид предла0 гаемого поршня, каждая из кольцевых канавок которого содержит наклоненные к горизонтали опорные поверхности, образующие некоторую пространственную фигуру в виде двух .усеченных конусов abed и efqh,

5 разделенных вертикальной перемычкой abfe. Причем/опорная поверхность ad и be наклонена к прямой ab под некоторым уг- . лом, лежащим в пределах 20-30°, а опорная поверхность eh и fq наклонена к прямой ef

0 под углом, лежащим в пределах 40-45°, что обеспечивает, возможность кольцу сколь- :/ зить по наклонным опорным поверхностям кольцевой канавки, уплотняя стенки цилиндра; на фиг. 2 - вид поршня по А-А; на фиг.

5 3 - вид известного в технике поршня, опорные поверхности кольцевых канавок кото- рргб лежат в параллельных плоскостях ;и,:,;,: пересекаются с осью поршня под пряМцм углом; на фиг, 4 - вид известного кольца,- .

0 применяемого в технике, в поперечном разрезе по В-В, в том случае, когда на опорную поверхность указанного кольца воздействует атмосферное давление при движении поршня к нижней мертвой точке, в момент

5 такта впуска; на фиг. 5 - вид известного в технике кольца по В-В в поперечном разре- зе, в случае, когда на опорную поверхность указанного кольца воздействует давление сжатых газов (например, в момент рабочего

0 хода, или такта сжатия рабочей смеси); на фиг. 6 - вид предлагаемого кольца в поперечном разрезе днища поршня по Б-Б (на фиг. 1) при такте впуска рабочей смеси; на фиг. 7 - вид того .же кольца в поперечном

5 разрезе указанного днища поршня по Б-Б (на фиг. 1) при такте рабочего хода.

Для рассмотрения предлагаемого поршня следует детально ознакомиться с работой поршня 1, известного в технике

0 машиностроения (см. фиг. 3), работающего в полости цилиндра 2 при его перемещении из нижней мертвой точки 3 в верхнюю мертвую точку 4, в направлении стрелки 5. Известно, что в процессе работы двигателя

5 полость цилиндра тильзы 2 изнашивается на конус и тогда в верхней части указанного цилиндра между стенками и поршнем образуется зазор 6, превышающий зазор между стенками цилиндра и поршнем при нижнем его размещении в плоскости (и мертвой точке) 3. Тогда поршень, оказавшись в нижней мёртвой точке 3, взаимодействует со стен- цилиндра в его нижней части и ними сжимает уплотнительное кольцо 7, сокра- аая тепловой зазор 8. При перемещении указанного поршня 1 из положения 3 в положение 4 его кольцо 7 (фиг. 5) испытывает давление газов в направление стрелок 9 и зз счет сил трения между опорными повер- х -юстями кольца и его канавки по плоскости взаимодействия 10, указанное кольцо 7 (фиксируется и не в состоянии разжиматься зз счёт своих упругих свойств, к тому же з чительно уменьшающихся за счет повы- u енный температуры в рабочем режиме. В таком зафиксированном положении кольцо 7 доходит до верхней мертвой точки 4, по- гепённо сжимаясь все усиливающимся авлением сжимаемых газов. В этом случае ежду поршнем и кольцом образуется ста- ильный зазор бив момент воспламенения абочей смеси в этот неуменьшающийся за- ор (фиг. 3) проникают раскаленные газы, сушающие от пленки масла рабочую по- рхность Цилиндра. При таком проникно- ении рабочих газов падает мощность вигателя, а в его полости поднимается дав- ение, способствующее перегреву масла и отере.его смазочных свойств, а также его нтенсивной утечке через уплотнение ко- енного подшипника. Бесспорно главное - ри испытании давления газов при тактах жатия, рабочего хода и выхлопа кольца оршня не могут реализовать своих упругих бойст.в и противодействовать трению в ос- овании кольцевой канавки нижней опорой поверхности, чтобы уплотнить стенки, илиндра. Этим можно объяснить длитель- ую работу колец, по большей части на уча- твующих в уплотнении стенок поршня и илиндра, и интенсивный износ рабочей по- ерхности поршня.

То следует сказать и о работе порш- я в момент такта впуска рабочей смеси )иг. 4), где при вакууме в полости цилиндра тмосферное давление вентируруёмой по- ости картера (при перемещении поршня по трёлке 11) давит в направление стрелки 12 а опорную поверхность кольца снизу и в лоскости 13 взаимодействия кольца и пор- цня, чем способствует защемлению дейст- ием трения указанного кольца тносительно поршня и снижению вакуума полости цилиндра. И в этом случае исклю- ается возможность реализации своих упру- лк свойств кольцом для уплотнения ним тенок цилиндра по стрелке 14 (фиг. 5). К ому же, прямоугольное выполнение колец разрезе ухудшает проникновение масла в олость за кольцом 7 (между поршнем 1 и

внутренней поверхностью кольца), при воздействии на пленку масла тупой кромкой 15 (фиг. 4).

5Предварительно исследовав известный поршень, следует обратиться к заявленному поршню 1 (фиг. 1), в котором верхняя кольцевая канавка, обозначенная слева контуром h-e-a-d и справа q-f-b-c представляет

0 собой вид клиновидного ручья и некой пространственной фигуры в виде усеченных конусов, обращенных вершинами навстречу друг другу, например, усеченного конуса abed и подобного конуса etqh, разделенных

5 друг от друга вертикальной перемычкой aefb, являющейся не чем иным, как вертикальной стенкой известной в технике кольцевой канавки, с той лишь разницей, что в предложенном поршне опорные поверхно0 сти ad и be наклонены к горизонтали аЬМ под некоторым углом 16, лежащем в пределах 20-30°, а угол 17 равен 40-45°. Если предположить, что в такую канавку разместили кольцо 7 (фиг. 6), с условием, что углы

5 18 и 19 такого кольца соответствуют углам- 16 и 17 наклона опорных поверхностей кольцевой канавки, тогда поперечный разрез предложенного кольца по Б-Б на фиг. 1 будет иметь вид неравнобочной трапеции, с

0 основаниями ВF и CQ, параллельными между собой и неравными боками FQ и ВС. .Причем, боковина ВС параллельна опорной поверхности be и обе эти прямые лежат по отношению к горизонтали ЬМ под углом, в

5 пределах 20-30°. Что касается углов 20 и 21, ограниченных пунктирными линиями, то эти углы имеют предельное значение, например, угол 20 равен 30°, а угол 21-40°, за пределами которых нормальная работа

Q предложенного кольца нарушается. Так, при увеличении угла 20 за пределы 30° повышается вероятность заклинивающего трения кольца относительно стенок цилиндра, а при уменьшении-угла 21 (фиг. 6) ниже

5 40° ухудшается степень уплотнения стенок цилиндра при такте впуска горючей смеси, когда атмосферное давление на опорную поверхность ВС будет недостаточным для скольжения кольца 7 по опорной поверхно0 сти fq поршня в направление стрелки 22 (см. там же, фиг. 6).

Учитывая, что опорные поверхности кольца и поршня лежат под равными углами к горизонтали (в этом случае и в дал ьнейшем

5 следует иметь ввиду, что ось поршня совпадает с пространственной вертикалью), тогда, при воздействии сжатыми газами на одну из опорных поверхностей указанного кольца, другая ложится на опорную поверхность поршня и скользит по ней до момента

касания рабочей цилиндрической частью со стенками цилиндра.

Предположим, в полости цилиндра вакуум и проходит процесс впуска рабочей смеси (фиг. 6). В этом случае поршень перемещается по стрелке 23, а кольцо 7 действием вакуума и давления атмосферного воздуха из полости картера поднимается в направление стрелки 24 и действием скольжения по опорной поверхности fq поршня и трения о стенки гильзы уплотняет ее стенки. При этом, кольцо 7 в зазоре 25 счищает пленку моторного масла и по наклонной ВС нагнетает его в полость 26 гофрированной пружины-расширителя 27. (Для точного определения деталей кольцевой канавки, на- пример верхней, (на . фиг. 1) и пространственного их расположения, сле- дуетусловиться, что ось поршня 1 совпадает с указанной вертикалью, а сам поршень содержит головку 28 и юбку 29, а канавка, в свою очередь, включает в сеТэя опорную поверхность 30, обращенную к головке 28 и опорную поверхность 31, обращенную к юбке 29 и связывает обе эти поверхности вер- тикальная стенка 32). Следует также предположить, что в полости камеры сжатия (на рис. не показана) проходит такт рабочего хода (фиг. 7). В этом случае расширяющиеся газы проникают в зазор 25-а в направление, стрелок 33 и 34 и по направлению пакета стрелок 35 давят на опорную поверхность 36. Сместившись по стрелке 23 к опорной поверхности 31 поршня 1 кольцо 7 соскальзывает по ее конусной поверхности (фиг. 1 и 7) по стрелке 37 к стенкам цилиндра 2, уплотняя зазор между поршнем и указанными стенками. К тому же, при перемещении поршня 1 в направление стрелки 23 острой кромкой 38 в направление стрелки 3.9 счищается со стенок цилиндра 2 пленка моторного масла. Причем, чистота удаления этой пленки значительно выше, нежели удаление этой же пленки кольцом, ныне применяе- . мым в технике, с углом в разрезе, лежащем в пределах 90°, ибо острая кромка 30 предлагаемого кольца буквально поднимает эту пленку, врезаясь в ее массу при значитель. ном уплотнении рабочей поверхности кольца относительно стенок цилиндра. Вместе с тем, следует отметить, что кольцо 7, имеющее в разрезе вид неравнобочнрй трапеции, обладает по меньшей мере в два раза большей площадью касания цилиндрической рабочей поверхности с рабочей поверхностью цилиндра. (Для сравнения следует сопоставить высоту 40 прямоугольного кольца (фиг. 7) с высотой кольца предлагаемого). .

При повышении давления в полости 26 закольцевого пространства (фиг. 7) столб масла проникает между опорными поверхностями кольца и поршня и обеспечивает их

обильную смазку, с последующим удалением избытка этого масла с рабочей поверхности цилиндра. При повторении цикла (например, такта впуска), масло вновь проникает в полость 26, (фиг. 6) при движении

0 поршня в направление стрелки 23 и дополняет недостающую порцию моторного масла. Причем, такое дополнение происходит за счет действия инерционных сил, в результате которых масло при открытом зазоре 42

5 кольца 7, чего нельзя сказать о прямоугольном кольце, известного в машиностроении, которое своей прямоугольной опорной поверхностью сгребает плёнку масла с поверхности цилиндра и толкает его в полость

0 картера двигателя.

Учитывая вышеизложенное, следует сказать, что предложенный вариант поршня обеспечивает реальную возможность самоуплотнения колец относительно стенок ци5 линдра (гильз) двигателя, действием давления сжатых в полости цилиндра рабочих газов.

Работает предлагаемый поршень 1 так (фиг. t-б): при вращении коленчатого вала (на

0 чертежах не показан), посредством шатуна указанный поршень перемещается по стрелке 23 от верхней к нижней мертвой точке. При таком перемещении над головкой 28 указанного поршня возника ет ваку5 ум, который распространяется по зазору 25-а. В этот момент атмосферное давление из полости картера в направление стрелки 24 поднимает кольцо 7 к опорной поверхности fq кольцевой канавки. За счет наклона

0 указанной поверхности кольцевой опорной поверхности поршня под углом 19 кольцо 7 своей опорной поверхностью FQ скользит в направление сТрел ки 22 и прижимается своей рабочей поверхностью к рабочей по5 верхности цилиндра 2. В этот момент открывается зазор 42 и моторное масло, счищаемое со стенок цилиндра нагнетается в полость 26 закольцевого пространства, образованного гофрированной пружиной-рас0 ширителем 27. При остановке поршня в нижней мертвой точке (на чертежах не показана) сжатый газ в полости 26 частично вытесняет масло обратно по зазору 42, образуя устойчивую масляную пленку, по

5 которой при движении поршня в направление стрелки 24 (фиг. 7) кольцо 7 скользит в направление стрелки 37 и надежно прижимается к рабочей поверхности цилиндра 2. При перемещении поршня в направление стрелки 24 (там же, фиг. 7), сжимаемые

над поршнем газы проникают в зазор 25-а пс стрелке 33 и, воздействуя на опорную

поверхность 36 кольца 7 в направление паке га стрелок 35 давят по стрелке 23 указан- не е кольцо к нижней мертвой точке. В то же время эти же газы производят давление по ст эелке 34 на масляный столб в полости 26, который в своюi очередь наполняется заТечёт действия острой кр о.Мки 44 указан ногок ол ь-- Цг на масляную пленку, размещейную на стгнках цилиндра 2. По мере пбдЦма KO№ цг 7 к верхней мертвой точке газу вй:е;6.оль- ш (i давят на опорную поверхность 36;й-зто копьцо,скользя по стрел ке 37, все надежнее уплотняет стенки упомянутого цилиндра.

: В момент воспламенений рабочей смеси газы с еще большим усилием давят на or орную.поверхность 36 кольца 7 (по стрелка м 35) и заставляют его прижиматься к наклонной опорной поверхности 31, по кото эой это кольцо скользит в направление стэелки 37 и прижимается с ещё большим ус /тием к стенкам цилиндра. В этом случае га зы с большой силой давят и на столб масла в полости 26, заставляя его проникать между опорными поверхностями кольца и ка- Нсвки, за счет чего по масляной пленке кспьцо лучше скользит и прижимается к стэнкам указанного цилиндра. Избытки мо- .торного масла в направление стрелки 39 острой кромкой 38 кольца 7 счищаются со стэнок цилиндра.

По мере износа рабочей поверхности кольца увеличивается объем полости 26, со- 6i/ рающей масло со стенок цилиндра и, ес- те:твенно, увеличивается зазор, например

42 (фиг, 6). Однако, за счет.интенсивного пе ретёкания масла из полости 26 и обратно, м( жду опорными поверхностями 31 и 43 всегда остается пленка масла, которая, от- дгв час ть тепла стенкам цилиндра и п орш- н, обладает достаточной вязкостью, чтобы сдержать резкий толчок сжатых газов в момент, например, рабочего хода и исключить у,аар двух взаимодействующих опорных по- ве эхностей кольца и его канавки, выполнение и в поршне. К тому же, вытесняемое из пслости 26 масло обеспечивает не только; сказку указанных опорных поверхностей кольца и его канавки, но и обеспечивает CN азку стенок цилиндра и рабочей поверх- нссти указанного кольца, исключая на всех режимах работы сухое трение..

. Следует сказать, что в процессе работы ДЕигателя за счет трагедеидальных колец обеспечивается возможность непрерывной вентиляции маслом закольцевого пространства (полости 26), чем обеспечивается возможность изоляции кольца от тела поршня, принимающего большое количество тепла в

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

момент такта рабочего ходаГВ то же время, счищая с рабочей повёрхности цилиндра хо- л однЬё масло, кольца дополнител ьно ох- лЗждаютсяу чём обеспечивается .в15а ю р ь;и длйтеЛьн К тому жё Йтё:нсйв ое;;перёмёщёнйе масла сб стё- Шк Цилиндра через пол6 сть25 и обратно на стенки цилиндра обеспечивает возмож- ноЬть интенсивной: смазки трущихся пбвёр- хностей кольца и стенок цилйнд(эа, а kpHycHbie опорные йо верхйо сти кЬлёц и колБцёвых канййсж способствуют с одной стбрбйУ расШйрё нию каждого кольца и надежному пр лёгШйю ихЪпо ных по вё хно-1 стей к стенкам цилиндра.

1 этом случае упругие свойства само го кольца, на что обращалось внимание при технологии его изготовления, в данном случае не имеет значения, ибо указанное уплотнение происходит за счет расширения каждого из; указаннь хкблецкЬну;снЬЙ опорной поверхностью кольцевой канавки. Причем, угол наклона опорных поверхностей каждой из;кольцевых канавок различён сравнений с углом наклона протмвйлейкй- щей опорной поверхности. Так, если нижняя опорная пбвёрхнбсть 31 (фиг. 6) йспыт.ыбает наибольшее давление в момент, например, такта рабочего хода, то и угол наклона 16 опорных поверхностей кольца и канавки должен быть меньшим в° избежание заклинивания кольца о стенки цилиндра. В то же время опорная ЪЬвёр:х- ность fq, обращенная к головке поршня наклонена к горизонтали fN под большим углом 19, чтобы при меньшем давлений в момент вакуума в полости рабочей камеры .кольцо 7 лучше бы скользило по стрелке 22 и надежно уплотняло зазор между рабочей поверхностью поршня и стенками цилиндра. . ;; .

Следует сказать, что конусные опорные поверхности кольцевых кана вок, обеспечи- ( вающйе возможн б Уь н а с ЙЖственнбгб скольхсёния колец в положение устойчивого равновесия, способствуют центровке поршня относительно оси цилиндра и, если раз- местить такое же кольцо на юбке поршня, то на всех режимах работы поршень своими боковинами не будет-касаться стенок ци- лйндра, в противовес известным в технике поршням, прямоугольные кол ьца которых не могут влиять на степень центровки поршня относительно оси гильзы (цилиндра), в . результате чего каждый поршень имеет существенный износ со стороны испытания ним центробежной силы трения при такте рабочего хода; К тому же, следует учесть, что известные и ныне применяемые в промышленности уплотнйтельные и маслосъемные

. - . ., i v llt -V - .. ..- ,-.:...

кольца прямОуголънбгосечёни й

площади взаимодействия с рабочей повер- бы за счетбольшей площади взаимодейст- хносТью Цилиндра и тяжелых условий рабо- : вйя раббчей поверхности Каждого кольца и ты (сухс-е трение Ъ стенки указанного ,.,. цилиндра и: высокая температура) не долж- 5 li; ; ; : : V S v - , ; . ны работать столь длительно; как мы при- : ф opiwy/i а и зоб р ет е н и я выкли это наблюдать. Все дело В том, что IV Поршень двигателявнутреннего сго- большую долю трения о; стенки цилиндра ран;йя взаимодействующий с гильзой, испытывает боковая повёрхнбсть поршня и включающий головку с уплотнйтельными лишь теоретически зазор между поршнем и 10 кольцами, размешЈйнь1мй в кольцевых ка- стёнками цилиндра уплотняются кольцами. йабкд У дз н ыё к4навк:и сО дбр жат опорСледует отметить, что кольца теперь бу- ные поверхности, взаимодействующие с дут испытывать всю нагрузку, в том числе и бпорнымй пбвёрхностя й уплотнитёльных боковое смещение поршни под влиянием колец и юбку, причем опорные поверхности центрЬбежной силы, поэтому высота этих 15 кольцевых канавок выполнены под соотвёт- колец (а значит и рабочая площадь) дойжнй ствУйЩйШуТламй к оси симметрии поршня быть большими. В результате чего предла- и образуют в разрезе указанного поршня, в гаемый поршень с трапецеидальными в раз- отдельно взятой канавке уплотнительного резе кольцами как раз и удовйеТворяют кольца фигуру в виде двух усеченных соос- указанным требованиям. Главное из ска- 20 ных конусов, обращенных вершинами один занного заключается в том/что предлагав- к другому, а уплотнительные кольца вразре- мые кольца в заявленной поршне зе представляют собой трапеции, меньшее самосмазываются, хорошо охлаждаются, основание которых обращено в направле- центруют поршень по оси гильзы и надежно ний оси ммметрии поршня, а большее осно- уплотняют стенки цилиндра относительно 25 вание - в.диаметрально противоположное указанного поршня. Вместе с тем, обладая направление, о т ли чающийся тем, что, острой кромкой, предлагаемые кольца на- с целью повышения КПД путем принудитель- дежно удалягот масляную плёнку d поверх- ного. увеличения диаметра уплотнитёльных ности гильзы и обеспечивают за счёт колецДействием сжимаемых и отработавших наклонной опорной поверхности положи- 30 газов и самоцентрации поршня относительно тельную возможность нагнетаний MOTOpHie- оси гильзы, упомянутая трапеция разреза го масла в полость кольца-расширитейя, ; каждого уплотнительного кольца выполнена

Учитывая, что упругость колец в заяв- неравнобочнОй, 1а опорные поверхности кзж- ленном устррйствё йе играет существенной дого уплотнительного кольца сЬот&етствуют роли, появляется реальна возможность ис- 35 углам наклойа взщаимодействующих с ни- пользования для уплотнения зазоров в гиль- мй опорных/поверхностей кольцевых кана- зах (цилиндрах) нетрадиционных Лвокко и й1«йетрии поршня, материалов и-даже таких, что прсвоей приг2. Поршень по пД.рт л ича ю щий с я роде не обладают упругостью-например, в. тем, что наклона опорной канавкиуплот- виде меднографитовых композиций, чистой 40 нительного кольца, обращенной в направле- меди (и даже отожженной), а для компрес- нии юбки, к плоскости перпендикулярной сорных установок Nioryr применяться коль- оси симметрии поршня лежит в пределах ца в виде полихлорвинйловых KOMriosnToe, 20-30°.; Г .;/

или капролрна. Все указанное выше обеспе-3. Поршень по п.1. о т ли чающийся чиваёт принудйТельйое расширение колец 45 тем, что угол наклона опорной канавки уплот- при их проседании вдоль оси поршня на : нительного кольца, обращенной в направлен

конечные опорные пбверхностй кольцеёых нии го.п6вки, к плоскости перпендикулярной .кайавок под действием давления расширя- беи симметрии поршня, лежит в пределах

юШихся или;сжймаёмь1х газов в полости ци- 40-45°.

лйндра ; :. , §0 4- Поршень по п.1, от л ича ю щийся

Что же касается пр:едл6же н0гй Шрш-; лём, что большее основание указанной тра- Ня,.Тй за счет наклбнных опорных поверхно- Пёций-разрёЗа каждого из уплотнитёльных стей кольцевых канавок снижается его вес, крлец взаимодействует с рабочей поверхно- а кольцам придается дополнительная уп ру ётьЧО гильзы гго всей вьюоте.

Фиг

Ј5