поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в верхней поршневой канавке два компрессионных кольца, каждое из которых имеет верхний торец и нижний торец, причем в головке поршня выполнены отверстия, сообщающие придонную полость верхней поршневой канавки с надпоршневым пространством цилиндра, отличающееся тем, что нижний торец верхнего компрессионного кольца и верхний торец нижнего компрессионного кольца выполнены под углом к оси цилиндра, а верхний торец верхнего компрессионного кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, нижний торец нижнего компрессионного кольца выполнен под острым углом к своему верхнему торцу, причем верхнее компрессионное кольцо обращено большей вертикальной стороной к оси цилиндра, а нижнее компрессионное кольцо обращено большей вертикальной стороной к стенке цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, а также может быть использовано в поршневых машинах (поршневых компрессорах, поршневых насосах и т.п.).

Известны поршневые уплотнения двигателей внутреннего сгорания, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (патент 1528814, США, 1925; патент 2378076, США, 1945; патент 620980, Франция, 1927),

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее два компрессионных кольца клиновидного профиля, установленных в верхнюю поршневую канавку, причем каждое кольцо имеет верхний торец и нижний торец, а в головке поршня выполнены отверстия, сообщающие придонную полость верхней поршневой канавки с надпоршневым пространством цилиндра, имеющее целью компенсировать рабочее давление, прорывающееся из камеры сгорания, через зазор между поршнем и цилиндром, в верхнюю поршневую канавку, отрицательно воздействующее на работу компрессионного кольца, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (а.с. 88255, СССР, 1960).

Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что на верхнее компрессионное кольцо, которое первым воспринимает газодинамические нагрузки, а поэтому определяющим работу всего поршневого уплотнения, не может принципиально повлиять рабочее давление, подаваемое в придонную полость верхней поршневой канавки, через отверстия в головке поршня. Анализ показывает, что это давление должно быть достаточно низким (на порядок и более ниже рабочего давления в камере сгорания), в противном случае конструкция является неработоспособной, т.к. уже из поршневой канавки, через имеющиеся зазоры (в том числе и замок нижнего компрессионного кольца), это давление будет прорываться в картер двигателя. Опыты показывают, что из-за повышенного давления в поршневой канавке двигатель просто не заводится. Чем ниже подаваемое в поршневую канавку рабочее давление (т.е., чем меньше диаметр и количество отверстий в головке поршня), тем эффективней поршневое уплотнение. Эту задачу можно выполнить только при условии воздействия рабочего давления, подаваемого через отверстия в поршневую канавку, на максимальную площадь верхнего компрессионного кольца.

Изобретение решает задачу увеличения эффективной мощности и ресурса двигателя, улучшения его экологических характеристик.

Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в верхней поршневой канавке два компрессионных кольца, каждое из которых имеет верхний торец и нижний торец, а в головке поршня выполнены отверстия, сообщающие придонную полость верхней поршневой канавки с надпоршневым пространством цилиндра, причем нижний торец верхнего компрессионного кольца и верхний торец нижнего компрессионного кольца выполнены под углом к оси цилиндра, а верхний торец верхнего компрессионного кольца выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, нижний торец нижнего компрессионного кольца выполнен под острым углом к своему верхнему торцу, причем верхнее компрессионное кольцо обращено большей вертикальной стороной к оси цилиндра, а нижнее компрессионное кольцо обращено большей вертикальной стороной к стенке цилиндра.

В таком устройстве верхнее компрессионное кольцо, являясь рабочим, выполняет роль поршня, своего рода газодинамического компенсатора, автоматически компенсирующего все термодинамические процессы, а также износ колец и гильзы цилиндра, обеспечивая постоянные усилия прижима по всем контактным поверхностям в процессе эксплуатации двигателя. Причем поршневое уплотнение эффективно работает при сравнительно малом давлении (на порядок меньше рабочего давления в камере сгорания), подаваемом через отверстия в головке поршня в придонную полость поршневой канавки. Компрессионные кольца работают в условиях двойного расклинивающего устройства: со стороны оси цилиндра на верхнее компрессионное кольцо действует давление рабочего газа и собственные силы упругости, а со стороны стенки цилиндра - силы реакции; а на нижнее компрессионное кольцо действует верхнее кольцо и силы реакции со стороны стенки цилиндра. Если уравновесить воздействие рабочего газа, действующего через зазор между поршнем и цилиндром на верхнее компрессионное кольцо, с силой воздействия на это кольцо подаваемого через отверстия давления в поршневую канавку, то величина силы реакции со стороны стенки цилиндра на нижнее компрессионное кольцо будет минимальным, зависящим в основном только от силы собственной упругости кольца.

При движении поршня в верхнее положение на такте "сжатие", когда необходимо максимальное уплотнение, в придонную полость поршневой канавки из камеры сгорания, через отверстия в головке поршня подается минимально необходимое давление рабочего газа, величина которого зависит от величины площади вертикальной стороны верхнего компрессионного кольца, обращенной к оси цилиндра. Чем больше эта площадь, тем меньшую величину давления необходимо подавать в придонную полость верхней поршневой канавки, тем меньший диаметр и количество отверстий должно быть выполнено в головке поршня. Расчетная величина этого давления сохраняется и в начале следующего такта "рабочий ход", нейтрализуя давление рабочего газа, действующего через зазор между поршнем и цилиндром на верхний торец верхнего компрессионного кольца. Причем это давление действует в основном на верхнее компрессионное кольцо, не оказывая существенного влияния на нижнее кольцо, ввиду специфики его формы. Таким образом, основным элементом, обеспечивающим автоматическое компенсирование постоянно меняющихся в работающем двигателе характеристик термодинамических и физических процессов, является верхнее компрессионное кольцо. При дальнейшем движении поршня в нижнее положение, когда давление в цилиндре падает и соответственно снижается давление в придонной полости поршневой канавки, уменьшается расклинивающее действие верхнего компрессионного кольца, соответственно уменьшается работа на трение, повышается эффективная мощность двигателя и его ресурс, улучшаются его экологические характеристики. На тактах "выхлоп" и "всасывание" низкое давление в цилиндре соответствует еще более низкому давлению в придонной полости поршневой канавки, достаточному для эффективного уплотнения.

Такое устройство, состоящее из двух компрессионных колец предлагаемого профиля и относительного расположения их в верхней поршневой канавке, позволяет назвать его "газодинамическим поршневым уплотнением", применяемым для всех видов поршневых машин (двигателей внутреннего сгорания, поршневых компрессоров, поршневых насосов и т.п.).

На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, компрессионные кольца 5 и 6, установленные в верхней поршневой канавке 4, придонная полость которой сообщена с камерой сгорания цилиндра 1 отверстиями 3, причем верхний торец верхнего компрессионного кольца 6 выполнен под острым углом к своему нижнему торцу, а нижний торец нижнего компрессионного кольца 5 выполнен под острым углом к своему верхнему торцу, к тому же верхнее компрессионное кольцо 6 обращено большей вертикальной стороной к оси цилиндра 1, а нижнее компрессионное кольцо 5 обращено большей вертикальной стороной к стенке цилиндра 1.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. При перемещении поршня 2 в верхнее положение на такте "сжатие", резко возрастающее рабочее давление газа Р_г в цилиндре 1, через отверстия 3 дросселируется в придонную полость поршневой канавки 4, создавая расчетное давление, действующее на вертикальную сторону верхнего компрессионного кольца 6, обращенную к оси цилиндра, силой _к. Сила Р_к, действующая на верхний торец нижнего компрессионного кольца 5, раскладывается на нормальную составляющую Р_н, действующую по нормали к верхнему торцу кольца 5, осевую силу Р_о, поджимающую нижнее кольцо 5 к нижней полке поршневой канавки 4, и горизонтальную составляющую Р_пр, увеличивающую силу прижима кольца 5 к стенке цилиндра 1. Соответственно на верхнее компрессионное кольцо 6 будут действовать реакции, главная из которых R_о увеличивает силу поджима кольца к верхней полке верхней поршневой канавки 4, противодействует рабочему давлению Р_г, тем самым нейтрализуя его отрицательное влияние на работу поршневого уплотнения.

При достижении верхней мертвой точки максимальное давление _г в цилиндре 1 через отверстия 3 дросселируется в придонную полость поршневой канавки 4, оказывая максимальное воздействие на компрессионное кольцо-компенсатор 6, обеспечивая максимально эффективное уплотнение поршня 2 с цилиндром 1 за счет двойного расклинивающего действия верхнего клина (верхнего кольца) 6 и нижнего клина (нижнего кольца) 5. Со стороны оси цилиндра 1, под действием давления газа Р_к и сил собственной упругости работает верхнее компрессионное кольцо 6, а под действием сил реакции со стороны стенки цилиндра 1 работает нижнее компрессионное кольцо 5, обеспечивая плотный контакт по всем поверхностям.

При перемещении поршня 2 в нижнее положение на такте "рабочий ход" давление в цилиндре 1 резко падает и соответственно падает давление Р_к в придонной полости поршневой канавки 4, снижая упругие свойства компрессионного кольца-компенсатора 6, уменьшая усилие прижима его к стенке цилиндра 1 и к верхнему торцу нижнего компрессионного кольца 5, соответственно уменьшая работу на трение колец 5 и 6 о стенку цилиндра 1. На тактах "выхлоп" и "всасывание", когда давление в цилиндре 1 минимальное, поршневое уплотнение обеспечивается расчетными силами собственной упругости компрессионных колец 5 и 6 и динамическими составляющими сил от действия поршня 2 на наклонные торцы компрессионных колец 5 и 6.

Поршневое уплотнение работает в автоматическом режиме, зависящим от площади вертикальной стороны верхнего компрессионного кольца 6, обращенной к оси цилиндра, величин угла наклона торцов обоих компрессионных колец 5 и 6, рассчитанных для конкретного двигателя, а также соответствующего давления, подаваемого из камеры сгорания цилиндра 1 в придонную полость верхней поршневой канавки. Правильно спроектированное поршневое уплотнение позволяет увеличить эффективную мощность и ресурс двигателя, улучшить его экологические характеристики.