Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2616686:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Поршневое устройство содержит компрессионные кольца (3), (4), осевое расширительное кольцо (5) и маслосъемные кольца (6), (7), (8), расположенные в поршневой расточке (9). По варианту 1 осевое расширительное кольцо (5), установленное между пакетами компрессионных и маслосъемных колец, устраняет зазоры между верхним компрессионным кольцом 3 и верхней полкой поршневой расточки (9), а также между нижним маслосъемным кольцом (8) и нижней полкой поршневой расточки (9). По варианту 2 осевое расширительное кольцо (5) расположено между нижним маслосъемным кольцом (8) и нижней полкой поршневой расточки (9), причем внутренний диаметр расширительного кольца (5) равен диаметру поршневой расточки (9), таким образом, перекрывается прорыв рабочего газа из придонной полости поршневой расточки (9) и попадание моторного масла в придонную полость расточки (9) и далее в камеру сгорания. Изобретение устраняет газодинамические потери, обеспечивает эффективный теплообмен между перегретой головкой поршня (2) и охлаждаемым цилиндром (1) и формирует на стенке цилиндра (1) минимально необходимую толщину масляной пленки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.

Известны поршневые устройства двигателей внутреннего сгорания, состоящие из поршневых уплотнений (GB 552296 А 31.03.1943; US 3971298 А. 27.07.1976; RU патент №2535598, МПК F02F 5/00, опубл. 20.12.2014) и маслосъемных поршневых устройств (Заявка №53-22204, Япония, 1978; Заявка №59-20859, Япония, 1984; авторское свидетельство №1312217, СССР, 1985; патент RU №2341671, МПК F02F 5/00, опубл. 19.10.2008; патент RU №2447306, МПК F02F 5/00, опубл. 10.04.2012; патент RU №2499901, МПК F02F 5/00, опубл. 27.11.2013).

Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, содержащее компрессионные и маслосъемные кольца, расположенные в поршневых канавках (ГОСТ Р 53843 - 2010).

Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что между компрессионными и маслосъемными кольцами имеются перемычки, которые ухудшают эффективность уплотнения. Известно, что до 60-70% рабочего давления прорывается через зазоры в замках компрессионных колец. Рабочие газы, прорываясь из камеры сгорания через зазор между поршнем и цилиндром, напрямую проникают через неприкрытые зазоры в замках компрессионных колец и далее в картер двигателя. Причем, чем больше изнашиваются рабочие поверхности колец в процессе эксплуатации двигателя, тем больше образуется зазор в замках колец, тем больше утечка рабочих газов. Повышенная утечка рабочих газов оказывает существенное влияние на процессы сгорания топливовоздушной смеси, снижение основных технико-экономических и экологических характеристик двигателя. Зазор между поверхностью внешнего диаметра перемычки и стенкой цилиндра прерывает тепловой поток, идущий от кольца через нижнюю полку поршневой канавки к охлаждаемому цилиндру, тем самым вызывая перегрев компрессионного кольца и потерю его работоспособности, особенно это проявляется на двигателях, использующих газообразное топливо. Перемычки между поршневыми кольцами необоснованно увеличивают длину поршня и цилиндра, отрицательно сказываются на кинематике двигателя, его эффективности, усложняют технологию изготовления и увеличивают себестоимость двигателя. Перемычки делают пассивным неэффективное маслосъемное кольцо в процессе теплообмена между поршнем и цилиндром.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении компрессии, мощности, ресурса и надежности двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшение экономических и экологических характеристик двигателя.

Технический результат достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания (вариант 1), содержащем компрессионные кольца, маслосъемные кольца и упругое разрезное расширительное кольцо, новым является то, что все вышеупомянутые поршневые кольца расположены в одной поршневой расточке, причем упругое разрезное расширительное кольцо установлено между нижним компрессионным кольцом и верхним маслосъемным кольцом так, что его внутренний диаметр равен диаметру поршневой расточки, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра имеется зазор.

Технический результат достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем компрессионные кольца, маслосъемные кольца и упругое разрезное расширительное кольцо, новым является то, что все вышеупомянутые поршневые кольца расположены в одной поршневой расточке, упругое разрезное расширительное кольцо установлено под нижним маслосъемным кольцом и своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку, выполненную в дне поршневой расточки на уровне ее нижней полки, причем внутренний диаметр вышеупомянутого расширительного кольца равен диаметру кольцевой канавки, а между внешним диаметром расширителя и стенкой цилиндра имеется зазор.

В обоих вариантах рабочая поверхность маслосъемных колец выполнена под углом к своему верхнему торцу, а на внешнем диаметре выполнены осевые пазы.

На фиг. 1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания. В плоскости сечения показаны зазоры в замках колец.

На фиг. 2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания. В плоскости сечения показаны зазоры в замках колец.

Двигатель внутреннего сгорания (вариант 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее компрессионное кольцо 3, нижнее компрессионное кольцо 4, маслосъемные кольца 6, 7, 8, упругое разрезное расширительное кольцо 5, расположенные в поршневой расточке 9. Упругое разрезное расширительное кольцо 5 установлено между нижним компрессионным кольцом 4 и верхним маслосъемным кольцом 6 так, что его внутренний диаметр равен диаметру поршневой расточки 9, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра 1 имеется зазор.

По варианту 2 в поршневой расточке 9 установлены компрессионные кольца 3 и 4, маслосъемные кольца 6, 7, 8 и упругое разрезное расширительное кольцо 5, входящее своим внутренним диаметром в кольцевую канавку 10, выполненную в дне поршневой расточки 9 на уровне ее нижней полки. Внутренний диаметр расширительного кольца 5 равен диаметру дна кольцевой канавки 10, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра 1 имеется зазор.

Рабочие поверхности маслосъемных колец 6, 7, 8 выполнены под углом к своему верхнему торцу, а на их внешнем диаметре выполнены осевые пазы.

Поршневое устройство работает следующим образом.

В процессе сборки поршневого устройства (вариант 1) последним устанавливается верхнее компрессионное кольцо 4, которое, сжимая весь пакет поршневых колец, осаживает упругое разрезное расширительное кольцо 5, сжимая его на величину теплового расширения поршневой расточки 9 и увеличивая наружный диаметр, при этом внутренний диаметр расширительного кольца 5 плотно прижимается к поверхности дна поршневой расточки 9, перекрывая прорвавшийся в придонную полость расточки 9 рабочий газ в картер сверху и не пропуская попадание масла из картера в камеру сгорания снизу. Таким образом, расширительное кольцо 5 создает дополнительные силы, исключающие зазоры, расположенные по оси поршня 2. Поршневое устройство в холодном состоянии двигателя при запуске обеспечивает полноту всасывания свежего заряда воздуха, максимально сокращая разницу между теоретической и практической величинами количества воздуха, требуемого для осуществления полноты сгорания подаваемого в камеру сгорания топлива. При разогреве двигателя в процессе его работы происходят термодинамические изменения формы и размеров цилиндра 1 и в наибольшей степени головки поршня 2, где расположено поршневое устройство. Разогрев поршня 2 приводит к увеличению ширины поршневой расточки 9, а прогрев цилиндра 1 приводит к увеличению его внутреннего диаметра. Прорвавшаяся часть рабочего газа через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 в придонную полость поршневой расточки 9 и собственные упругие силы компрессионных колец 3, 4 и маслосъемных колец 6, 7, 8 обеспечивают плотный контакт рабочих поверхностей колец со стенкой цилиндра, чему способствует и расширительное кольцо 5.

Одновременно, под действием собственных упругих сил расширительное кольцо 5, стремясь восстановить свою первоначальную форму, разжимаясь, смещает компрессионные кольца 3 и 4 вверх, а маслосъемные кольца 6, 7, 8 вниз, компенсируя образующиеся вдоль оси поршня 2 зазоры между торцами всех поршневых колец и полок поршневой расточки 9. Таким образом, поддерживается стабильность расчетных значений термодинамических и газодинамических процессов, происходящих в камере сгорания, полнота сгорания топливовоздушной смеси и в полной мере срабатывание рабочего давления, обеспечивающих высокую технико-экономическую эффективность двигателя и минимальное наличие вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах.

По варианту 2 расширительное кольцо 5, расположенное между нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 8 и нижней полкой поршневой расточки 9, работает в зоне большого количества моторного масла, которое, попадая на контактные поверхности расширительного кольца 5, маслосъемного кольца 8 и нижней полки поршневой расточки 9, снижает процесс износа этих высоконагруженных поверхностей, повышая ресурс всего поршневого устройства. Кроме того, плотный контакт поверхности внутреннего диаметра расширительного кольца 5 с поверхностью дна канавки 10 позволяет перекрыть обычный путь проникновения масла в придонную полость поршневой расточки 9 и далее через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 в камеру сгорания.

При движении поршня 2 в нижнее положение гидравлическое сопротивление снимаемого со стенки цилиндра 1 масла снижается за счет выполнения рабочих поверхностей маслосъемных колец 6, 7, 8 под углом к своему верхнему торцу и количеству их в пакете. Выполнение осевых пазов на внешнем диаметре маслосъемных колец 6, 7, 8, их количество и размеры на каждом кольце обеспечивает требуемое качество очистки стенки цилиндра 1. Таким образом, за счет выполнения на внешнем диаметре маслосъемных колец 6, 7, 8 осевых пазов уменьшается гидравлическое сопротивление при движении поршня 2 в нижнее положение.

Предлагаемые конструкции поршневого устройства практически исключают газодинамические потери, оставляя на стенке цилиндра 1 минимально допустимую толщину масляной пленки, сводят механические потери на трение поршневых колец к несущественному минимуму, создают благоприятные условия для эффективного теплообмена между поршнем 2 и цилиндром 1, особенно важных для двигателей, работающих на форсированных режимах или использующих газообразное топливо, повышают компрессию, мощность и ресурс двигателя, уменьшают расход топлива и моторного масла, улучшают экологические показатели двигателя.

1. Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания, содержащее компрессионные кольца, упругое разрезное расширительное кольцо и маслосъемные кольца, отличающееся тем, что все вышеупомянутые поршневые кольца расположены в одной поршневой расточке, упругое разрезное расширительное кольцо установлено между нижним компрессионным кольцом и верхним маслосъемным кольцом, его внутренний диаметр равен диаметру поршневой расточки, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра имеется зазор.

2. Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающееся тем, что рабочая поверхность маслосъемных колец выполнена под углом к своему верхнему торцу, а на внешнем диаметре выполнены осевые пазы.

3. Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания, содержащее компрессионные кольца, упругое разрезное расширительное кольцо и маслосъемные кольца, отличающееся тем, что все вышеупомянутые поршневые кольца расположены в одной поршневой расточке, упругое разрезное расширительное кольцо установлено под нижним маслосъемным кольцом и своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку, выполненную в дне поршневой расточки на уровне ее нижней полки, при этом внутренний диаметр расширительного кольца равен диаметру кольцевой канавки, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра имеется зазор.

4. Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания по п. 3, отличающееся тем, что рабочая поверхность маслосъемных колец выполнена под углом к своему верхнему торцу, а на внешнем диаметре выполнены осевые пазы.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания содержит компрессионное кольцо (3) и маслосъемное кольцо (4), расположенные в поршневой расточке (5).

Уплотнительный узел поршня двигателя внутреннего сгорания // 2600834

Изобретение относится к уплотнительном узлу (10), пригодному для вставки в первую канавку (20′) поршня (20) двигателя внутреннего сгорания. Уплотнительный узел (10) содержит первый кольцеобразный корпус (10′), который образует первую секцию (12′) зазора, и второй кольцеобразный корпус (10′′), который образует вторую секцию (12′′) зазора.

Скользящий элемент с покрытием из алмазоподобного углерода // 2599687

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке. Скользящий элемент содержит более мягкий материал по сравнению с алмазоподобным углеродом, который включен в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, которым скользящий элемент должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой скользящий элемент должен скользить.

Поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания // 2582538

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, и позволяет повысить мощность и ресурс двигателя, уменьшить расход топлива и масла, улучшить экологические характеристики двигателя.

Поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания // 2582384

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания содержит два компрессионных кольца (3) и (7), между которыми расположено расширительное кольцо (5), установленные в одной поршневой канавке (4), причем расширительное кольцо (5), имеющее коническую рабочую часть и фиксирующую цилиндрическую часть, установлено между компрессионными кольцами (3) и (7) так, что наружная коническая часть расширительного кольца (5) контактирует соответственно с наклонными поверхностями, выполненными на нижнем торце верхнего кольца (3) и верхнем торце нижнего кольца (7), а внутренней цилиндрической частью расширительное кольцо расположено в кольцевой проточке (6), выполненной в дне поршневой канавки (4).

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания с щелевой продувкой // 2581752

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания с щелевой продувкой содержит цилиндр (1), в котором выполнены продувочные и выпускные окна (3) и (4), открываемые размещенным в нем поршнем (6), первое уплотнительное кольцо (7), установленное в кольцевой канавке поршня (6) и контактирующее с уплотняемой поверхностью цилиндра (1), второе уплотнительное кольцо (8), взаимодействующее с уплотняемой поверхностью цилиндра (1) и установленное в кольцевой канавке поршня (6) на расстоянии от первого кольца, не меньшем высоты выпускного окна (4), и продольные уплотнители (11) и (12), контактирующие с уплотняемой поверхностью цилиндра (1) в районе расположения перегородок между продувочными и выпускными окнами (3) и (4) и установленные в углублении (10) поршня между первым и вторым кольцами (7) и (8).

Уплотнительный узел поршневого двигателя внутреннего сгорания // 2581749

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Уплотнительный узел поршневого двигателя предназначен для двигателя внутреннего сгорания, имеющего уплотняемую рабочую камеру (3) переменного объема.

Уплотнение для поршня двигателя внутреннего сгорания // 2578928

Изобретение относится к уплотнению для поршня двигателя внутреннего сгорания, а именно к конструкции компрессионных поршневых колец. Уплотнение для поршня двигателя внутреннего сгорания содержит кольцо, размещенное в одной поршневой канавке.

Поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания // 2576405

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. В поршневой канавке зеркально установлены одинаковые верхнее и нижнее трапециевидные кольца, причем большими вертикальными сторонами они обращены к стенке цилиндра, а также расширительное кольцо, верхний наклонный торец которого контактирует с нижним наклонным торцом нижнего компрессионного кольца, а большей вертикальной стороной обращено к оси цилиндра и имеет зазор между меньшей вертикальной стороной и стенкой цилиндра.

Скользящий элемент // 2567075

Изобретение относится к скользящему элементу поршневого узла двигателя внутреннего сгорания, а также к поршневому кольцу и гильзе цилиндра, содержащим упомянутый скользящий элемент.

Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания с экспандером (варианты) // 2616687

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Поршневое устройство содержит компрессионные кольца (3) и (4), маслосъемные кольца (5), (6), (10) и осевое расширительное кольцо (11), расположенные в поршневой расточке (7). По варианту 1 по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца (3), которое может быть изготовлено из термостойкой бронзы с минимальным коэффициентом трения относительно стальной или чугунной гильзы цилиндра, установлен экспандер (9), который фиксируется в кольцевой канавке (8), выполненной в дне поршневой расточки (7) на уровне ее верхней полки. Изобретение практически устраняет газодинамические потери, обеспечивает эффективный теплообмен между перегретой головкой поршня (2) и охлаждаемым цилиндром (1), формирует на стенке цилиндра (1) минимально необходимую толщину масляной пленки, повышает компрессию, мощность и ресурс двигателя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Маслосъемное поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания // 2619001

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Маслосъемное поршневое устройство содержит цилиндр (1), поршень (2), маслосъемные кольца (3), (4), (5) и обжимное кольцо (6), которое устраняет прорыв моторного масла в придонную полость поршневой канавки и далее в зону высоких рабочих температур. При наличии в поршне отверстий (7), сообщающих придонную полость поршневой канавки с внутренней полостью поршня (2), обжимное кольцо (6) перекрывает подсос масла из внутренней полости поршня (2) на рабочем такте «впуск», что также снижает попадание масла в цилиндр (1), уменьшает расход масла на угар, улучшает экологические показатели двигателя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания // 2624376

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа содержит цилиндр (1), поршень (2), верхнее компрессионное кольцо (3), второе компрессионное кольцо (4), нижнее компрессионное кольцо (5), верхнее маслосъемное кольцо (6), второе снизу маслосъемное кольцо (7), нижнее маслосъемное кольцо (8), верхнее обжимное поршневое кольцо (9) и нижнее обжимное поршневое кольцо (10), установленные в поршневой расточке (11). За счет применения конической формы цилиндра (1) и поршня (2), пакетного расположения всех поршневых колец, особой роли разрезных обжимных поршневых колец (9) и (10), существенно повышающих эффективность уплотнения между цилиндром (1) и поршнем (2), обеспечивающих, особенно верхнее обжимное кольцо (10), лучшие условия теплопередачи от перегретой головки поршня (2) через пакет всех поршневых колец, охлаждаемому цилиндру (1). 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Маслосъемное поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания // 2625419

Изобретение относится к маслосъемным поршневым устройствам двигателя внутреннего сгорания. Маслосъемное поршневое устройство содержит маслосъемные кольца (3), (4), (6), (7) и обжимное кольцо (5), расположенные в поршневой расточке (8). Упругость вышележащих маслосъемных колец выше упругости нижележащих маслосъемных колец. Эффективность маслосъемного устройства достигается за счет регулирования радиального давления рабочих поверхностей колец на стенку цилиндра 1, путем использования колец с различной высотой H4>Н3>Н2>Н1, или с различной твердостью, или и с тем и другим вместе взятыми. Такое конструктивное решение позволяет регулировать величину радиального давления колец (3), (4), (6) и (7) на стенку цилиндра 1, реализуя дифференцированный принцип удаления масла с поверхности стенки цилиндра 1, применяя «черновые», «получистовые» и «чистовые» маслосъемные кольца. Устройство обеспечивает расчетную толщину масляной пленки на стенке цилиндра, наименьшие механические потери на трение и гидравлическое сопротивление перемещению поршня, минимально возможный расход масла на угар. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Поршневое кольцо с увеличенной усталостной прочностью для двигателя внутреннего сгорания и способ изготовления поршневого кольца // 2633734

Изобретение относится к поршневому кольцу (2) с повышенной усталостной прочностью из пластически деформируемого материала. Поршневое кольцо (2) содержит рабочую поверхность (4), которая сверху ограничена верхней кромкой (3) рабочей поверхности, а снизу - нижней кромкой (1) рабочей поверхности. Вдоль по меньшей мере части окружной периферии поршневого кольца в верхней кромке (3) рабочей поверхности и/или в нижней кромке (1) рабочей поверхности созданы напряжения сжатия, причем эти напряжения сжатия созданы посредством роликового выглаживания. Изобретение повышает усталостную прочность поршневого кольца. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.