Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания с экспандером (варианты)

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.

 

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 №5322204, 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 №2372506, МПК F02F 5/00, опубл. 10.11.2009; 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, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (патент RU №2282739, МПК F02F 5/00, опубл. 27.08.2006), содержащее несколько компрессионных колец, расположенных в одной поршневой канавке, причем по поверхностям внутренних диаметров колец установлены упругие уплотнительные кольца, разрезами замков расположенные под 90° по отношению к разрезам замков компрессионных колец. Однако известная конструкция допускает прорыв рабочих газов в придонную полость поршневой канавки и далее в картер двигателя со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями, особенно это важно для двухтактных двигателей, малооборотных и среднеоборотных судовых дизелей. Кроме того, огромное давление рабочих газов, достигающее 20 МПа (200 кг/см2), действующее на уплотнительное кольцо через зазор в замке компрессионного кольца, обжимает уплотнительное кольцо, образуя зазор между поверхностью внутреннего диаметра компрессионного кольца и поверхностью наружного диаметра уплотнительного кольца, нарушая эффективность уплотнения. Недостатком конструкции прототипа также является раздельное расположение уплотнительного устройства по отношению к маслосъемному поршневому устройству.

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

Технический результат достигается тем, что в поршневом устройстве двигателя внутреннего сгорания с экспандером (вариант 1), содержащем компрессионные кольца и маслосъемные кольца, расположенные в одной поршневой расточке, новым является то, что экспандер установлен по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца и зафиксирован в кольцевой канавке, выполненной в дне поршневой расточки на уровне ее верхней полки, причем внутренние диаметры компрессионных и маслосъемных колец равны диаметру дна поршневой расточки, а внутренний диаметр экспандера равен диаметру дна кольцевой канавки.

Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания с экспандером (вариант 2), содержащее компрессионные кольца и маслосъемные кольца, расположенные в одной поршневой расточке, новым является то, что экспандер установлен по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца и зафиксирован в кольцевой канавке, выполненной в дне поршневой расточки на уровне ее верхней полки, причем внутренние диаметры компрессионных и маслосъемных колец равны диаметру дна поршневой расточки, а внутренний диаметр экспандера равен диаметру дна кольцевой канавки, кроме того, в поршневой расточке под нижним маслосъемным кольцом установлено осевое расширительное кольцо, которое своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку, выполненную в дне поршневой расточки на уровне ее нижней полки, причем внутренний диаметр расширительного кольца равен диаметру кольцевой канавки, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра имеется зазор.

В обоих вариантах все вышеупомянутые кольца расположены разрезами замков под 180° по отношению друг к другу, а верхнее компрессионное кольцо изготовлено из термостойкой бронзы с минимальным коэффициентом трения относительно стальной или чугунной гильзы цилиндра.

Рабочая поверхность маслосъемных колец имеет скос, направленный в сторону верхнего торца, а на внешнем диаметре колец выполнены осевые пазы, причем на каждом нижнем кольце количество пазов больше, чем на кольце, расположенном над ним.

На фиг. 1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 1).

На фиг. 2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 2).

Двигатель внутреннего сгорания (вариант 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее компрессионное кольцо 3, нижнее компрессионное кольцо 4, маслосъемные кольца 5 и 6, расположенные в поршневой расточке 7, и экспандер 9, установленный по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца 3, причем своим внутренним диаметром экспандер 9 входит в кольцевую канавку 8, выполненную в дне поршневой расточки 7 на уровне ее верхней полки. Рабочие поверхности маслосъемных колец 5, 6 выполнены под углом к своему верхнему торцу, а на их внешнем диаметре выполнены осевые пазы.

По варианту 2, кроме того, в поршневой расточке 7 под нижним маслосъемным кольцом 10 установлено осевое расширительное кольцо 11, которое своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку 12, выполненную в дне поршневой расточки 7 на уровне ее нижней полки. Внутренний диаметр расширительного кольца 11 равен диаметру кольцевой канавки 12, а между внешним диаметром расширительного кольца 11 и стенкой цилиндра 1 имеется зазор. Рабочие поверхности маслосъемных колец 5, 6, 10 выполнены под углом к своему верхнему торцу, а на их внешнем диаметре выполнены осевые пазы.

Поршневое устройство работает следующим образом.

При установке поршня 2 в цилиндр 1 (вариант 1) под действием собственных упругих сил компрессионные кольца 3 и 4, экспандер 9 и маслосъемные кольца 5 и 6, занимают исходное положение в пределах расчетного гарантированного зазора между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1. Таким образом, при равенстве внутренних диаметров компрессионного кольца 3, маслосъемных колец 5 и 6 и поверхности дна поршневой расточки 7 в исходном положении перед запуском двигателя появляется минимально возможный зазор в придонной полости поршневой расточки 7. Это положение относится и к экспандеру 9, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру компрессионного кольца 3, а внутренний диаметр экспандера 9 равен диаметру кольцевой канавки 8. Такой зазор существенно сокращает газодинамические потери и, в большей степени, проникновение масла в придонную полость, в зону высоких температур и давлений, предохраняя от нагарообразования и коксования на свободных поверхностях всех элементов цилиндропоршневой группы. В процессе длительной эксплуатации двигателя наиболее нагруженное динамически и термически верхнее компрессионное кольцо 3 изнашивается быстрее, чем остальные поршневые кольца, ухудшаются основные уплотняющие и теплопроводные функции. Экспандер 9 компенсирует эти изменения, кроме того, он позволяет изготавливать компрессионные кольца из металлов и сплавов с лучшим физико-химическим составом. Компрессионное кольцо, изготовленное из термостойких сплавов бронзы, обеспечивает лучшую передачу тепла перегретой головки поршня 2 охлаждаемому цилиндру 1 и наименьшие механические потери на трение между рабочей поверхностью компрессионного кольца 3 и стенкой цилиндра 1.

При движении поршня 2 в нижнее положение маслосъемные кольца 5 и 6 снимают масло со стенки цилиндра 1, оставляя минимально необходимую толщину масляной пленки, обеспечивающей минимальные механические потери на трение всех поршневых колец в пакете. При этом маслосъемное кольцо 6 снимает основную часть масла со стенки цилиндра 1, а кольцо 5 окончательно формирует толщину масляной пленки, при необходимости количество маслосъемных колец может быть увеличено. На такте впуск минимальный зазор между поверхностью внутреннего диаметра экспандера 9 и дном кольцевой канавки 8, будучи частью лабиринта, не только препятствует проникновению масла в зазор между верхним торцом верхнего компрессионного кольца 3 и верхней полкой кольцевой канавки 8 и далее в камеру сгорания, но и ограничивает подсос газов из картера двигателя, обеспечивая высокую степень разрежения над поршнем 2 и более полное всасывание заряда свежего воздуха. Качественное уплотнение и эффективное удаление излишков масла из зоны критических температур и давлений обеспечивают более полное сгорание топливовоздушной смеси, максимальное срабатывание рабочего давления, существенное уменьшение механических потерь на трение, повышение мощности, увеличение ресурса двигателя и улучшение его экологических показателей.

По варианту 2 в процессе сборки поршневой группы последним устанавливается верхнее компрессионное кольцо 3, которое сжимает весь пакет поршневых колец вместе с осевым расширительным кольцом 11 на величину максимально возможного увеличения ширины поршневой расточки 7 за счет тепловых расширений. Это наиболее актуально для мощных среднеоборотных и малооборотных двухтактных двигателей крупных размеров, имеющих два недостатка по сравнению с высокоскоростными автомобильными двигателями: небольшая скорость вращения коленчатого вала, т.е. небольшая скорость перемещения поршня 2, и сравнительно большие тепловые расширения, увеличивающие зазоры и, следовательно, газодинамические потери. Наиболее существенно увеличивается осевой зазор между верхним торцом верхнего компрессионного кольца 3 и верхней полкой поршневой расточки 7, исключить который предназначено осевому расширительному кольцу 11, расположенному между нижним торцом нижнего маслосъемного кольца 10 и нижней полкой кольцевой канавки 12. Расширительное кольцо 11 работает в зоне большого количества моторного масла, которое, попадая на контактные поверхности расширительного кольца 11, маслосъемного кольца 10 и нижней полки кольцевой канавки 12, снижает процесс износа этих высоконагруженных поверхностей, повышая ресурс всего поршневого устройства. Кроме того, плотный контакт поверхности внутреннего диаметра осевого расширительного кольца 11 с поверхностью дна канавки 12 позволяет ограничить обычный путь проникновения масла в постоянно увеличивающуюся за счет тепловых расширений и износа цилиндра, поршневых колец и поршня, придонную полость поршневой расточки 7 в зону высоких рабочих температур.

При движении поршня 2 в нижнее положение гидравлическое сопротивление снимаемого со стенки цилиндра 1 масла снижается, за счет выполнения рабочих поверхностей маслосъемных колец 5, 6, 10 под углом к своему верхнему торцу. Выполнение осевых пазов на внешнем диаметре маслосъемных колец 5, 6, 10, их количество и размеры на каждом кольце обеспечивает требуемое качество очистки стенки цилиндра 1.

Предлагаемые конструкции поршневого устройства практически исключают газодинамические потери, расход масла на угар, 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. Повышается компрессия, мощность и ресурс двигателя, уменьшается расход топлива и моторного масла, улучшаются экологические показатели двигателя.

1. Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания с экспандером, содержащее компрессионные кольца и маслосъемные кольца, расположенные в одной поршневой расточке, отличающееся тем, что экспандер установлен по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца и зафиксирован в кольцевой канавке, выполненной в дне поршневой расточки на уровне ее верхней полки, причем внутренние диаметры компрессионных колец и маслосъемных колец равны диаметру дна поршневой расточки, а внутренний диаметр экспандера равен диаметру дна кольцевой канавки.

2. Поршневое устройство по п. 1, отличающееся тем, что все вышеупомянутые кольца расположены разрезами замков под 180° по отношению друг к другу.

3. Поршневое устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхнее компрессионное кольцо изготовлено из термостойкой бронзы с минимальным коэффициентом трения относительно стальной или чугунной гильзы цилиндра.

4. Поршневое устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая поверхность маслосъемных колец имеет скос, направленный в сторону верхнего торца, а на внешнем диаметре колец выполнены осевые пазы, причем на каждом нижнем кольце количество пазов больше, чем на кольце, расположенном над ним.

5. Поршневое устройство двигателя внутреннего сгорания с экспандером, содержащее компрессионные кольца и маслосъемные кольца, расположенные в одной поршневой расточке, отличающееся тем, что экспандер установлен по поверхности внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца и зафиксирован в кольцевой канавке, выполненной в дне поршневой расточки на уровне ее верхней полки, причем внутренние диаметры компрессионных колец и маслосъемных колец равны диаметру дна поршневой расточки, а внутренний диаметр экспандера равен диаметру дна кольцевой канавки, кроме того, в поршневой расточке под нижним маслосъемным кольцом установлено осевое расширительное кольцо, которое своим внутренним диаметром входит в кольцевую канавку, выполненную в дне поршневой расточки на уровне ее нижней полки, причем внутренний диаметр расширительного кольца равен диаметру кольцевой канавки, а между его внешним диаметром и стенкой цилиндра имеется зазор.

6. Поршневое устройство по п. 5, отличающееся тем, что все вышеупомянутые кольца расположены разрезами замков под 180° по отношению друг к другу.

7. Поршневое устройство по п. 5, отличающееся тем, что верхнее компрессионное кольцо изготовлено из термостойкой бронзы с минимальным коэффициентом трения относительно стальной или чугунной гильзы цилиндра.

8. Поршневое устройство по п. 5, отличающееся тем, что рабочая поверхность маслосъемных колец имеет скос, направленный в сторону верхнего торца, а на внешнем диаметре колец выполнены осевые пазы, причем на каждом нижнем кольце количество пазов больше, чем на кольце, расположенном над ним.



 

Похожие патенты:

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).

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).

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.

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.

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.

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).

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).

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Наверх