RU2576405C1 - Piston seal of internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: in a piston groove similar top and bottom trapezoidal rings are mirror installed, wherein by large vertical sides they look at the cylinder wall, and an expansion ring, which top inclined end is in contact with the bottom inclined end of the bottom compression ring, by a large vertical side looks at the cylinder axis and has a clearance between the smaller vertical side and the cylinder wall.

EFFECT: invention increases the efficiency of a seal between the piston and the cylinder.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering, and specifically to the design, manufacture and operation of internal combustion engines.

Известны поршневые уплотнения двигателей внутреннего сгорания, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (US 1527535 А. 19.10.1920, RU 2381375 С2, 10.02.2010, RU 2213238. С2, 27.09.2003, US 3971298 A, 27.07.1976, GB 284133 А, 26.01.1928, GB 552296 А, 31.03.1943).Known piston seals of internal combustion engines, consisting of individual elements installed in one piston groove (US 1527535 A. 19.10.1920, RU 2381375 C2, 02.10.2010, RU 2213238. C2, 09.27.2003, US 3971298 A, 07.27.1976 , GB 284133 A, 01/26/1928, GB 552296 A, 03/31/1943).

Известно поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, содержащее верхнее и нижнее компрессионные кольца, размещенные в одной поршневой канавке, причем верхний торец верхнего компрессионного кольца выполнен под углом к своему нижнему торцу, образуя поперечное сечение кольца в виде односторонней трапеции (патент RU №2447306, МПК F02F 5/00опубл. 12.01.2011). Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что конструкция нижнего компрессионного кольца отличается от конструкции верхнего кольца по форме, размерам и весу, что отрицательно сказывается на взаимозаменяемости колец, эффективности технологических процессов в серийных и, особенно, массовых типах производства, а также на ресурсе цилиндропоршневой группы двигателя. Кроме того, величина площади контакта нижнего торца нижнего компрессионного кольца с расширительным кольцом, через который происходит теплообмен между поршнем и цилиндром, меньше площади контакта верхнего торца верхнего компрессионного кольца, что снижает эффективность процесса теплообмена между перегретой головкой поршня и охлаждаемым цилиндром и может способствовать перегреву двигателя и возможной его поломке.A piston seal of an internal combustion engine is known, comprising upper and lower compression rings placed in one piston groove, the upper end of the upper compression ring being made at an angle to its lower end, forming a cross section of the ring in the form of a one-sided trapezoid (patent RU No. 2447306, IPC F02F Publication 12/01/2011). The prototype has a significant drawback, namely, that the design of the lower compression ring differs from the design of the upper ring in shape, size and weight, which negatively affects the interchangeability of the rings, the efficiency of technological processes in serial and, especially, mass production types, as well as resource cylinder engine group. In addition, the contact area of the lower end of the lower compression ring with the expansion ring through which heat is exchanged between the piston and the cylinder is less than the contact area of the upper end of the upper compression ring, which reduces the efficiency of the heat exchange process between the overheated piston head and the cylinder to be cooled and can contribute to engine overheating and its possible breakdown.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении себестоимости производства компрессионных колец, повышении эффективности уплотнения между поршнем и цилиндром, обеспечении благоприятных условий тепловой разгрузки поршня, повышении мощности, ресурса и надежности двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экономических и экологических характеристик двигателя.The technical result to which the invention is directed is to reduce the cost of production of compression rings, increase the efficiency of the seal between the piston and cylinder, provide favorable conditions for thermal unloading of the piston, increase the power, life and reliability of the engine, reduce fuel and oil consumption, improve economic and environmental characteristics of the engine.

Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении двигателя внутреннего сгорания, содержащем верхнее компрессионное кольцо, у которого верхний торец выполнен под углом к своему нижнему торцу, нижнее компрессионное кольцо и расширительное кольцо, размещенные в одной поршневой канавке, новым является то, что верхнее и нижнее компрессионные кольца выполнены идентичными, нижнее компрессионное кольцо установлено так, что его нижний торец расположен под углом к своему верхнему торцу, при этом верхнее и нижнее компрессионные кольца большими вертикальными сторонами обращены к стенке цилиндра, верхний торец расширительного кольца направлен под углом к своему нижнему торцу, при этом большей вертикальной стороной расширительное кольцо обращено к оси цилиндра, а между поверхностью наружного диаметра расширительного кольца и стенкой цилиндра имеется зазор.The technical result is achieved by the fact that in the piston seal of the internal combustion engine containing the upper compression ring, in which the upper end is made at an angle to its lower end, the lower compression ring and the expansion ring placed in one piston groove, the new one is that the upper and the lower compression rings are identical, the lower compression ring is installed so that its lower end is at an angle to its upper end, while the upper and lower compression the rings face the cylinder wall with large vertical sides, the upper end of the expansion ring is angled to its lower end, while the larger vertical side of the expansion ring faces the axis of the cylinder, and there is a gap between the surface of the outer diameter of the expansion ring and the cylinder wall.

Углы наклона торцов компрессионных колец и расширительного кольца должны быть более 15°.The angles of inclination of the ends of the compression rings and the expansion ring must be more than 15 °.

На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.The drawing shows a partial section of an internal combustion engine.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, верхнее кольцо 3, нижнее кольцо 4, расширительное кольцо 5, установленные в поршневой канавке 6.The internal combustion engine comprises a cylinder 1, a piston 2, an upper ring 3, a lower ring 4, an expansion ring 5 mounted in a piston groove 6.

Поршневое уплотнение работает следующим образом.The piston seal operates as follows.

В процессе работы двигателя происходит нагрев деталей цилиндропоршневой группы и в первую очередь головки поршня 2 и места расположения поршневого уплотнения. Разогрев поршня 2 приводит к увеличению ширины поршневой канавки 6, а прогрев цилиндра 1 приводит к увеличению его внутреннего диаметра. Собственные упругие силы поршневых колец 3, 4, 5 и газодинамические силы, прорвавшегося через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 3 рабочего газа в придонную полость поршневой канавки 6, смещают расширительное кольцо 5 в направлении стенки цилиндра 1, а компрессионные кольца 3 и 4 в сторону верхней полки поршневой канавки 6, исключая постоянно меняющийся зазор между полками поршневой канавки 6, верхним торцом кольца 3 и нижним торцом расширительного кольца 5, обеспечивая постоянный плотный контакт рабочих поверхностей компрессионных колец 3 и 4 со стенкой цилиндра 1, верхнего торца верхнего кольца 3 с верхней полкой поршневой канавки 6, а нижнего торца расширительного кольца 5 с ее нижней полкой.In the process of engine operation, the details of the cylinder-piston group and, first of all, the piston head 2 and the location of the piston seal are heated. The heating of the piston 2 leads to an increase in the width of the piston groove 6, and the heating of the cylinder 1 leads to an increase in its internal diameter. Own elastic forces of the piston rings 3, 4, 5 and gas-dynamic forces breaking through the gap in the lock of the upper compression ring 3 of the working gas into the bottom cavity of the piston groove 6 displace the expansion ring 5 in the direction of the cylinder wall 1, and the compression rings 3 and 4 to the side the upper flange of the piston groove 6, excluding the constantly changing gap between the flanges of the piston groove 6, the upper end of the ring 3 and the lower end of the expansion ring 5, providing constant tight contact of the working surfaces of the compression rings 3 and 4 with the wall of the cylinder 1, the upper end of the upper ring 3 with the upper shelf of the piston groove 6, and the lower end of the expansion ring 5 with its lower shelf.

В процессе охлаждения выключенного двигателя термодинамические изменения происходят в обратном порядке. В первую очередь снижается температура охлаждаемого цилиндра 1, уменьшается его внутренний диаметр, стенка цилиндра 1, воздействуя на уплотнительные кольца 3, 4 и расширительное кольцо 5, смещает их в направлении оси цилиндра 1. В свою очередь, остывание поршня 2 приводит к уменьшению ширины поршневой канавки 6, которая сужаясь, сжимает пакет колец, смещая кольцо 5 в исходное положение вместе с компрессионными кольцами 3 и 4. Для обеспечения нормальной работы расширительного кольца 5, исключения его заклинивания на холодном двигателе углы наклона торцов соответствующих колец должны быть больше угла самоторможения клиновых пар (сталь по стали шлифованные 12°). С учетом трения нижнего торца расширительного кольца 5 с нижней полкой поршневой канавки 6 угол наклона должен быть более 15°.In the process of cooling an off engine, thermodynamic changes occur in the reverse order. First of all, the temperature of the cooled cylinder 1 decreases, its inner diameter decreases, the cylinder wall 1, acting on the sealing rings 3, 4 and the expansion ring 5, shifts them in the direction of the cylinder axis 1. In turn, cooling of the piston 2 reduces the width of the piston groove 6, which tapers, compresses the pack of rings, displacing the ring 5 to its original position together with the compression rings 3 and 4. To ensure the normal operation of the expansion ring 5, avoid jamming it on a cold engine and the ends of the respective rings should be greater than the self-locking wedge angle pairs (steel on steel polished 12 °). Given the friction of the lower end of the expansion ring 5 with the lower shelf of the piston groove 6, the angle of inclination should be more than 15 °.

Таким образом предлагаемое поршневое уплотнение практически исключает газодинамические потери, отрицательно влияющие на постоянство расчетных параметров рабочих процессов, повышает полноту сгорания топлива, увеличивая мощность двигателя и снижая удельный расход топлива, повышая ресурс двигателя, улучшая его экологические показатели. Thus, the proposed piston seal virtually eliminates gas-dynamic losses adversely affecting the constancy of the design parameters of the working processes, increases the completeness of fuel combustion, increasing engine power and reducing specific fuel consumption, increasing engine life and improving its environmental performance.

Claims (2)

1. Поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания, содержащее верхнее компрессионное кольцо, верхний торец которого выполнен под углом к своему нижнему торцу, нижнее компрессионное кольцо и расширительное кольцо, размещенные в одной поршневой канавке, отличающееся тем, что верхнее и нижнее компрессионные кольца выполнены идентичными, нижнее компрессионное кольцо установлено так, что его нижний торец расположен под углом к своему верхнему торцу, при этом верхнее и нижнее компрессионные кольца большими вертикальными сторонами обращены к стенке цилиндра, верхний торец расширительного кольца направлен под углом к своему нижнему торцу, при этом большей вертикальной стороной расширительное кольцо обращено к оси цилиндра, а между поверхностью наружного диаметра расширительного кольца и стенкой цилиндра имеется зазор.1. A piston seal of an internal combustion engine, comprising an upper compression ring, the upper end of which is made at an angle to its lower end, a lower compression ring and an expansion ring placed in one piston groove, characterized in that the upper and lower compression rings are identical, the lower the compression ring is installed so that its lower end is at an angle to its upper end, while the upper and lower compression rings have large vertical sides They are connected to the cylinder wall, the upper end of the expansion ring is directed at an angle to its lower end, with the larger vertical side of the expansion ring facing the cylinder axis, and there is a gap between the surface of the outer diameter of the expansion ring and the cylinder wall. 2. Поршневое уплотнение двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающееся тем, что углы наклона торцов компрессионных колец и расширительного кольца должны быть более 15°. 2. The piston seal of the internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the inclination angles of the ends of the compression rings and the expansion ring must be more than 15 °.