RU2022146C1

RU2022146C1 - Piston seal for internal combustion engine

Info

Publication number: RU2022146C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Дружинин
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: made on upper side of the piston groove bottom in one plane with it is bore which receives inner end of additional flexible split ring whose outer diameter is equal to outer diameter of working ring. Additional ring overlaps the end clearance between working ring and oiston groove bottom as well as cut of working ring, thus considerably reducing the inrush of gases from the combustion chamber and penetration of oil in it and enhancing starting of the engine, making operation of the working pressure more complete, reducing consumption for burning losses and improving ecological characteristics of the engine. Considerable reduction of inrush of gases into piston groove, into clearance between end of ring and piston groove bottom reduces to minimum gas-dynamic pressure of the working ring onto cylinder wall, thus reducing losses for friction, wear of cylinder, piston and ring and enhancing efficiency of the engine. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к поршневым уплотнениям для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular engine manufacturing, namely, piston seals for internal combustion engines (ICE).

Известны поршневые уплотнения для ДВС, выполненные сборными, состоящие из отдельных элементов, размещенных в одной поршневой канавке. Known piston seals for internal combustion engines made by prefabricated, consisting of individual elements placed in one piston groove.

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, ближайшее по технической сущности к предлагаемому и принятое за прототип. С целью повышения надежности двигателя путем перекрытия зазора между рабочим кольцом и нижней стороной поршневой канавки и разреза рабочего кольца, на нижней стороне поршневой канавки выполнена проточка, в которую установлено дополнительное кольцо. Known piston seal for an internal combustion engine, the closest in technical essence to the proposed and adopted as a prototype. In order to increase engine reliability by closing the gap between the working ring and the lower side of the piston groove and cutting the working ring, a groove is made on the lower side of the piston groove into which an additional ring is installed.

Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что предложенная схема расположения дополнительного кольца снизу рабочего кольца требует соответствующего выполнения для него дополнительной канавки, которую получить технологически затруднительно, а для автомобильных и тракторных двигателей с шириной канавки под компрессионное кольцо от 2 до 5,5 мм практически невозможно. Кроме того, расположение дополнительного кольца на нижней стороне поршневой канавки не защищает основное компрессионное кольцо от прорыва рабочего давления в заколечную полость, а это, как известно, приводит к большим механическим потерям на трение, повышенному износу гильзы цилиндра и компрессионного кольца. Известно, что гильза цилиндра обычно изнашивается в своей верхней части (на длине порядка 40% от всей длины цилиндра), причем износ тем больше, чем ближе к верхней части. Наибольший износ соответствует положению верхнего компрессионного кольца в верхней мертвой точке поршня. Такой характер износа можно связать с заколечным давлением первого компрессионного кольца, которое составляет обычно до 80% от давления в цилиндре. Например, для компрессионного кольца двигателя КАМАЗ это давление составит порядка 180 кг/см² х 0,8= = 144 кг/см² (180 кг/см² - это максимальное давление в ВМТ двигателя КАМАЗ). Если учесть, что высота внутреннего кольца t_вн = 2,5 мм, внутренний диаметр D_вн = 110 мм, то дополнительная сила давления кольца на стенку цилиндра составит πD_внt_вн х x144 = 3,14 х 11 х 0,25 х 144 = 1238 кгс. Если учесть, что сила упругости кольца по техническим условиям должна быть 2,3...3,1 кгс, что становится очевидным, что такая большая сила является явно излишней для обеспечения необходимого уплотнения между поршнем и цилиндром, а если к этому прибавить то обстоятельство, что в ВМТ скорость движения поршня равна нулю, то для преодоления этих огромных сил трения в начале такта "рабочий ход" необходимо затратить большую работу для перемещения поршня. Известно, что на преодоление трения поршневых колец приходится до 50% (а иногда до 60%) работы трения в двигателе и наибольший вклад в эти потери вносит первое компрессионное кольцо, находящееся под воздействием газодинамического давления.The prototype has a significant drawback, which consists in the fact that the proposed arrangement of the additional ring below the working ring requires the corresponding implementation of an additional groove for it, which is technologically difficult to obtain, and for automobile and tractor engines with a groove width for the compression ring from 2 to 5.5 mm is almost impossible. In addition, the location of the additional ring on the underside of the piston groove does not protect the main compression ring from bursting of working pressure into the annular cavity, and this, as is known, leads to large mechanical friction losses, increased wear of the cylinder liner and compression ring. It is known that the cylinder liner usually wears out in its upper part (over a length of about 40% of the entire length of the cylinder), and the more wear, the more the closer to the upper part. The greatest wear corresponds to the position of the upper compression ring at the top dead center of the piston. This type of wear can be attributed to the back pressure of the first compression ring, which is usually up to 80% of the pressure in the cylinder. For example, for the compression ring of the KAMAZ engine, this pressure will be about 180 kg / cm ² x 0.8 = = 144 kg / cm ² (180 kg / cm ² is the maximum pressure in the TDC of the KAMAZ engine). If one considers that the height of the inner ring _corolla t = 2.5 mm, inner diameter D _ext = 110 mm, the additional pressure force of the ring on the cylinder wall will be πD x _ext t _ext x144 = 3,14 x 11 x 0.25 x 144 = 1238 kgf. If we take into account that the elastic force of the ring according to the technical conditions should be 2.3 ... 3.1 kgf, it becomes obvious that such a large force is clearly unnecessary to provide the necessary seal between the piston and the cylinder, and if this is added, Since TDC is equal to zero at TDC, in order to overcome these enormous friction forces at the beginning of the cycle, the “stroke” requires a lot of work to move the piston. It is known that overcoming friction of piston rings accounts for up to 50% (and sometimes up to 60%) of the friction in the engine, and the first compression ring under the influence of gas dynamic pressure makes the largest contribution to these losses.

Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия двигателя и его ресурса путем предотвращения прорыва рабочего давления в зазор между внутренним торцом рабочего кольца и дном поршневой канавки и исключения дополнительного газодинамического давления рабочего кольца на стенку цилиндра. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the engine and its resource by preventing breakthrough of the working pressure in the gap between the inner end of the working ring and the bottom of the piston groove and eliminating additional gas-dynamic pressure of the working ring on the cylinder wall.

Поставленная цель достигается тем, что поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее рабочее и дополнительное упругие разрезные кольца, размещенные в одной поршневой канавке, на дне поршневой канавки выполнено кольцевое углубление. Верхняя торцовая поверхность углубления лежит в одной плоскости с верхней торцовой поверхностью поршневой канавки. Дополнительное кольцо расположено в углублении. Наружный диаметр дополнительного кольца равен наружному диаметру рабочего кольца. This goal is achieved in that the piston seal for the internal combustion engine, containing working and additional elastic split rings placed in one piston groove, an annular depression is made at the bottom of the piston groove. The upper end surface of the recess lies in the same plane as the upper end surface of the piston groove. An additional ring is located in the recess. The outer diameter of the additional ring is equal to the outer diameter of the working ring.

Дополнительное упругое разрезное кольцо, установленное над рабочим кольцом, ограничивает прорыв рабочих газов в поршневую канавку в заколечную полость, чем резко снижает излишнее дополнительное давление рабочего кольца на стенку цилиндра за счет газодинамической составляющей. Рассчитанная степень уплотнения между поршнем и цилиндром, зависящая в основном от собственной упругости рабочего кольца, сохраняется на всей длине хода поршня приблизительно постоянной, что обеспечивает минимальные потери на трение и минимальный равномерный износ гильзы, рабочего кольца и поршневой канавки, повышение эффективной мощности двигателя, его коэффициента полезного действия. An additional elastic split ring mounted above the working ring limits the breakthrough of working gases into the piston groove in the annular cavity, which sharply reduces the excessive additional pressure of the working ring on the cylinder wall due to the gas-dynamic component. The calculated degree of compaction between the piston and the cylinder, which depends mainly on the intrinsic elasticity of the working ring, is approximately constant over the entire length of the piston stroke, which ensures minimal friction losses and minimum uniform wear of the liner, working ring and piston groove, increasing the effective engine power and its coefficient of performance.

На чертеже представлены цилиндр и поршень двигателя внутреннего сгорания, частичное сечение. The drawing shows a cylinder and a piston of an internal combustion engine, a partial section.

Поршень 2 содержит кольцо 3, установленное в поршневую канавку 4, на верхней стороне дна которой выполнена радиальная проточка 5, в которую внутренним торцом установлено дополнительное упругое разрезное кольцо 6. Дополнительное кольцо 6 лежит на рабочем кольце 3 так, что его разрез расположен с противоположной стороны по отношению к разрезу рабочего кольца 3. Наружный диаметр дополнительного кольца 6 равен наружному диаметру рабочего кольца 3. The piston 2 contains a ring 3 installed in the piston groove 4, on the upper side of the bottom of which a radial groove 5 is made, in which an additional elastic split ring 6 is installed with an inner end 6. The additional ring 6 lies on the working ring 3 so that its cut is located on the opposite side in relation to the cross section of the working ring 3. The outer diameter of the additional ring 6 is equal to the outer diameter of the working ring 3.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. При движении поршня в нижнюю мертвую точку рабочее кольцо 3 снимает со стенки цилиндра 1 масло, оставшееся после маслосъемного кольца и, если имеются, других компрессионных колец. Часть снимаемого масла проникает через зазор между рабочим кольцом 3 и нижней стороной поршневой канавки 4 и попадает в торцевой зазор между кольцом 3 и дном поршневой канавки 4. Так как верхняя часть этого зазора перекрыта нижней стороной дополнительного кольца 6, то соответственно попавшее в этот объем масло в нем запирается, тем самым устраняя насосный эффект компрессионного кольца 6. The piston seal operates as follows. When the piston moves to the bottom dead center, the working ring 3 removes from the cylinder wall 1 the oil remaining after the oil scraper ring and, if available, other compression rings. Part of the oil to be removed penetrates through the gap between the working ring 3 and the bottom side of the piston groove 4 and enters the end gap between the ring 3 and the bottom of the piston groove 4. Since the upper part of this gap is overlapped by the lower side of the additional ring 6, the oil it is locked, thereby eliminating the pumping effect of the compression ring 6.

При движении поршня 2 в верхнюю мертвую точку рабочая смесь в камере сгорания на такте сжатие и вначале движения поршня в нижнюю мертвую точку на такте рабочий ход (достигающая давления 100 кг/см³ и более) не может прорваться в картер двигателя через поршневое уплотнение, т.к. разрез-замок рабочего кольца 3 перекрыт сверху нижней стороной дополнительного кольца 6, установленного так, что замок его расположен с противоположной стороны. Резко снижается прорыв рабочего давления из цилиндра 1 в полость поршневой канавки 3, т.к. дополнительное кольцо 6 перекрыло зазоры над рабочим кольцом 4 и за его торцом, образуя лабиринтное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1.When the piston 2 moves to the top dead center, the working mixture in the combustion chamber at the compression stroke and at the beginning of the piston movement to the lower dead center at the stroke, the working stroke (reaching a pressure of 100 kg / cm ³ or more) cannot break into the crankcase through the piston seal, t .to. the cut-lock of the working ring 3 is blocked from above by the lower side of the additional ring 6, installed so that its lock is located on the opposite side. The breakthrough of working pressure from cylinder 1 to the cavity of the piston groove 3 sharply decreases, because an additional ring 6 blocked the gaps above the working ring 4 and behind its end, forming a labyrinth seal between the piston 2 and the cylinder 1.

Таким образом, наличие дополнительного упругого разрезного кольца 6, установленного в одной поршневой канавке над рабочим кольцом 4 и заглубленного по отношению к нему, позволяет исключить отрицательное влияние разреза рабочего кольца и насосный эффект поршневого уплотнения, тем самым увеличивая рабочее давление в цилиндре 1 двигателя, полноту срабатывания рабочего давления, тем самым повышая эффективный КПД двигателя. Исключение или резкое уменьшение давления в заколечной полости поршневой канавки 3 исключает появление газодинамического давления рабочего кольца 4 на стенку цилиндра 1 или резко его уменьшает. Уменьшение величины газодинамического давления рабочего кольца 4 на стенку цилиндра 1 на тактах сжатие и рабочий ход приводит к уменьшению работы трения кольца о стенку цилиндра, делая ее более или менее оптимальной на всей длине хода поршня и на всех тактах, т.е. выводит эту паразитную работу из зависимости от меняющегося в цилиндре рабочего давления, что приводит к некоторому постоянству сил трения, а следовательно, и постоянству износа всех кинематических пар в схеме цилиндр-рабочее кольцо-поршень, оптимизируя процесс износа. Thus, the presence of an additional elastic split ring 6 installed in one piston groove above the working ring 4 and recessed with respect to it, eliminates the negative effect of the working ring cut and pumping effect of the piston seal, thereby increasing the working pressure in the cylinder 1 of the engine, completeness operating pressure, thereby increasing the effective efficiency of the engine. The exception or a sharp decrease in pressure in the annular cavity of the piston groove 3 eliminates the appearance of gas-dynamic pressure of the working ring 4 on the wall of the cylinder 1 or sharply reduces it. A decrease in the gas-dynamic pressure of the working ring 4 on the cylinder wall 1 at the compression and working strokes leads to a decrease in the work of the friction of the ring against the cylinder wall, making it more or less optimal over the entire length of the piston stroke and at all cycles, i.e. derives this parasitic work from depending on the working pressure changing in the cylinder, which leads to a certain constancy of the friction forces, and, consequently, to a constant wear of all kinematic pairs in the cylinder-working ring-piston scheme, optimizing the wear process.

Размещение дополнительного кольца над рабочим кольцом в одной поршневой канавке уменьшает механические потери на трение от воздействия газодинамического давления, повышает эффективную мощность за счет более полного срабатывания рабочего давления, уменьшает расход масла на угар и улучшает экологические характеристики двигателя. Placing an additional ring above the working ring in one piston groove reduces mechanical friction losses from the influence of gas dynamic pressure, increases the effective power due to a more complete operation of the working pressure, reduces oil consumption for waste and improves the environmental performance of the engine.

Уменьшение износа первой компрессионной канавки влечет нецелесообразность чугунной вставки, используемой для повышения износостойкости в известных двигателях, что снижает себестоимость изготовления поршня. Reducing the wear of the first compression groove implies the inappropriateness of the cast-iron insert used to increase the wear resistance in known engines, which reduces the cost of manufacturing the piston.

Claims

PISTON SEAL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE, containing working and additional elastic split rings placed in one piston groove, characterized in that, in order to increase the engine efficiency and increase its service life, an annular depression is made at the bottom of the piston groove, and the upper end surface of the depression in the same plane with the upper end surface of the piston groove, and the additional ring is located in the recess, and the outer diameter of the additional ring is equal to the outer diameter ru working ring.