RU2386840C2

RU2386840C2 - Internal combustion engine piston seal (versions)

Info

Publication number: RU2386840C2
Application number: RU2008113861/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Федорович Гортышов (RU); Юрий Федорович Гортышов; Виктор Михайлович Гуреев (RU); Виктор Михайлович Гуреев; Анатолий Матвеевич Дружинин (RU); Анатолий Матвеевич Дружинин
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2010-04-20
Also published as: RU2008113861A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed piston seal comprises upper split flexible stepped ring that rests upon outer circular ledge made on top shoulder of piston groove, and lower compression ring fitted in the same groove. Stepped ring is arranged to make a clearance between its outer edge and engine cylinder wall. In compliance with the first version, clearance between top edge of stepped ring extension and bottom edge of aforesaid circular ledge exceeds the gap between top edge of stepped ring and upper ledge of piston groove. In compliance with the second version, stepped ring top face has at least two circular recesses that form circular ledges. Piston groove top shoulder has circular ledges that enter appropriate circular recesses of stepped ring to form labyrinth seal. Circular ledges test upon appropriate circular ledges on piston groove top shoulder.

EFFECT: reduced penetration of high-temperature gases into piston groove bottom area and minor engine oil oxidation process.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании, производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to engine building, and can be used in the design, manufacture and operation of internal combustion engines.

Известны поршневые уплотнения, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (авторское свидетельство №85071, SU, 1949; патент №534645, Италия, 1955; Заявка №51-38005, Япония, 1976; заявка №2002874, Великобритания, 1979; патент №2022146, РФ, 1991; патент №2243396, RU, 2002).Known piston seals consisting of individual elements installed in one piston groove (copyright certificate No. 85071, SU, 1949; patent No. 543445, Italy, 1955; Application No. 51-38005, Japan, 1976; Application No. 20022874, United Kingdom, 1979; patent No. 2022146, RF, 1991; patent No. 2243396, RU, 2002).

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее нижнее кольцо - компрессионное и верхнее, ступенчатое упругое разрезное кольцо, размещенные в одной поршневой канавке, причем ступенчатое кольцо установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра, а ступенькой оно упирается в наружный кольцевой буртик, выполненный на верхней полке поршневой канавки (патент №1667941, США, опубл. 1926), ближайшее по технической сущности к заявляемому и принятое за прототип.A piston seal for an internal combustion engine is known, comprising a lower ring — a compression ring and an upper, stepped elastic split ring, arranged in one piston groove, the stepped ring being installed to form a gap between the surface of its outer diameter and the cylinder wall, and with the step it abuts against the outer annular a flange made on the upper shelf of the piston groove (patent No. 1667941, USA, publ. 1926), the closest in technical essence to the claimed one and adopted as a prototype.

Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что имеющиеся в конструкции гарантированные термодинамические зазоры между верхней полкой поршневой канавки и верхними торцами ступенчатого кольца и его ступеньки прерывают тепловой поток и существенно снижают теплопередачу от перегретой головки поршня через компрессионное кольцо охлаждаемому цилиндру. Кроме того, небольшая площадь контакта ступенчатого кольца с кольцевым буртиком на поршне и сам материал ступенчатого кольца (сталь или сплавы чугуна) не способствуют снятию тепловых напряжений с головки поршня и самого поршня, что приводит к его перегреву и прогару головки поршня.The prototype has a significant drawback, which is that the guaranteed thermodynamic gaps in the design between the upper flange of the piston groove and the upper ends of the stepped ring and its steps interrupt the heat flux and significantly reduce the heat transfer from the superheated piston head through the compression ring to the cooled cylinder. In addition, the small contact area of the stepped ring with the annular collar on the piston and the material of the stepped ring itself (steel or cast iron alloys) do not contribute to the removal of thermal stresses from the piston head and the piston itself, which leads to its overheating and burnout of the piston head.

Увеличение площади верхнего торца выступающей части ступеньки и соответственно площади нижнего торца кольцевого буртика на поршне приводит к другому негативному обстоятельству. Ограничение прорыва рабочего газа в поршневую канавку (которому препятствует ступенчатое кольцо) приводит к уменьшению давления газов в поршневой канавке и газодинамических радиальных сил, прижимающих компрессионное кольцо к стенке цилиндра. В то же время остается влияние рабочих газов на выступающую часть ступеньки ступенчатого кольца, которое блокирует радиальные силы, лишая компрессионное кольцо упругости и, следовательно, работоспособности на самых ответственных тактах рабочего цикла двигателя «сжатие» и «рабочий ход». При малой же площади верхнего торца выступающей части ступенчатого кольца и нижнего торца кольцевого буртика на поршне увеличиваются удельные нагрузки, приводящие к их повышенному износу и даже разрушению и, как следствие, к поломке двигателя.An increase in the area of the upper end of the protruding part of the step and, accordingly, the area of the lower end of the annular collar on the piston leads to another negative circumstance. Limiting the breakthrough of the working gas into the piston groove (which is prevented by the stepped ring) leads to a decrease in the gas pressure in the piston groove and the gas-dynamic radial forces pressing the compression ring against the cylinder wall. At the same time, the influence of working gases on the protruding part of the step of the stepped ring remains, which blocks radial forces, depriving the compression ring of elasticity and, therefore, working capacity on the most critical cycles of the engine’s duty cycle “compression” and “working stroke”. With a small area of the upper end of the protruding part of the stepped ring and the lower end of the annular collar on the piston, specific loads increase, leading to increased wear and even destruction and, as a consequence, to engine failure.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении компрессии, мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экологических показателей двигателя.The technical result to which the invention is directed is to increase compression, power and engine life, reduce fuel and oil consumption, improve the environmental performance of the engine.

Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 1), содержащем верхнее ступенчатое упругое разрезное кольцо и нижнее компрессионное кольцо, расположенные в одной поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, ступенчатое кольцо установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается в наружный кольцевой буртик, новым является то, что зазор между верхним торцом выступающей внешней части ступенчатого кольца и нижним торцом кольцевого буртика на поршне больше зазора между верхним торцом ступенчатого кольца и верхней полкой поршневой канавки.The technical result is achieved in that in a piston seal for an internal combustion engine (option 1) containing an upper step elastic split ring and a lower compression ring located in one piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular bead, the step ring is installed to form a gap between the surface of its outer diameter and the wall of the cylinder of the engine, and the step rests on the outer annular flange, new is that the gap between the upper end face of the protrusion the outer guide rings and the stepped portion of the lower face of the annular collar on the piston greater gap between the upper end face of the stepped ring and upper shelf piston groove.

В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем верхнее ступенчатое упругое разрезное кольцо и нижнее компрессионное кольцо, расположенные в одной поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, ступенчатое кольцо установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается в наружный кольцевой буртик, на верхнем торце ступенчатого кольца выполнены, по меньшей мере, два кольцевых углубления, в которые входят соответствующие кольцевые выступы, выполненные на верхней полке поршневой канавки.In a piston seal for an internal combustion engine (option 2), containing an upper stepped elastic split ring and a lower compression ring located in one piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular bead, a stepped ring is installed to form a gap between the surface of its outer diameter and the wall of the engine cylinder, and with the step it abuts against the outer annular collar, at least two annular recesses are made in the upper end of the step ring, into which The corresponding annular protrusions are formed on the upper flange of the piston groove.

Кольцевые углубления на верхнем торце ступенчатого кольца образуют выступы, которые упираются в соответствующие выступы на верхней полке поршневой канавки.The annular recesses on the upper end of the stepped ring form protrusions that abut against the corresponding protrusions on the upper flange of the piston groove.

На фиг.1 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 1).Figure 1 shows a partial section of an internal combustion engine (option 1).

На фиг.2 представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания (вариант 2).Figure 2 presents a partial section of an internal combustion engine (option 2).

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, поршневую канавку 3, в которой установлены верхнее ступенчатое упругое разрезное кольцо 4, упирающееся своей кольцевой ступенькой в наружный кольцевой буртик 5, выполненный на верхней полке поршневой канавки 3, и нижнее компрессионное кольцо 6, установленное в этой же поршневой канавке 3. Ступенчатое кольцо 4 установлено с образованием зазора между поверхностью его внешнего диаметра и стенкой цилиндра 1 двигателя.The internal combustion engine comprises a cylinder 1, a piston 2, a piston groove 3, in which an upper stepped elastic split ring 4 is mounted, abutting with its annular step against an outer annular bead 5 made on the upper shelf of the piston groove 3, and a lower compression ring 6 installed in the same piston groove 3. The stepped ring 4 is installed with the formation of a gap between the surface of its outer diameter and the wall of the cylinder 1 of the engine.

По первому варианту зазор между верхним торцом выступающей внешней части ступенчатого кольца 4 и нижним торцом кольцевого буртика 5 на поршне 2 больше зазора между верхним торцом ступенчатого кольца 4 и верхней полкой поршневой канавки 3.According to the first embodiment, the gap between the upper end face of the protruding outer part of the stepped ring 4 and the lower end of the annular shoulder 5 on the piston 2 is larger than the gap between the upper end face of the stepped ring 4 and the upper flange of the piston groove 3.

По второму варианту на верхнем торце ступенчатого кольца 4 выполнены, по меньшей мере, два кольцевых углубления, образующие кольцевые выступы 7. На верхней полке поршневой канавки 3 выполнены кольцевые выступы 8, которые входят в соответствующие кольцевые углубления ступенчатого кольца 4. Кольцевые выступы 7 ступенчатого кольца 4 упираются в соответствующие кольцевые выступы 8 на верхней полке поршневой канавки 3.According to the second variant, at least two annular recesses are formed on the upper end of the stepped ring 4, which form annular protrusions 7. On the upper flange of the piston groove 3 are made annular protrusions 8, which are included in the corresponding annular recesses of the stepped ring 4. Ring protrusions 7 of the stepped ring 4 abut against the corresponding annular projections 8 on the upper flange of the piston groove 3.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. За счет сил собственной упругости ступенчатое кольцо 4 своей ступенькой или ступенькой и кольцевыми выступами 7 постоянно поджимается к наружному кольцевому буртику 5 (вариант 1) или к соответствующим кольцевым выступам 8 и наружному кольцевому буртику 5 (вариант 2). При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» за счет инерционных сил и сил трения компрессионного кольца 6 о стенку цилиндра 1 компрессионное кольцо 6 смещается вверх, прижимая ступенчатое кольцо 4 к верхней полке поршневой канавки 3, оставляя зазор между верхним торцом выступающей части ступенчатого кольца 4 и нижним торцом внешнего кольцевого буртика 5, предохраняя их малые площади контактных поверхностей от износа и поломки, и в то же время перекрывается путь проникновения масла в камеру сгорания, снимаемого со стенки цилиндра 1 нижним торцом компрессионного кольца 6 и попавшего в придонную полость поршневой канавки 3 через открывшийся зазор между нижним торцом компрессионного кольца 6 и нижней полкой поршневой канавки 3.The piston seal operates as follows. Due to the forces of its own elasticity, a stepped ring 4 with its step or step and annular protrusions 7 is constantly pressed to the outer annular collar 5 (option 1) or to the corresponding annular protrusions 8 and the outer annular collar 5 (option 2). When the piston 2 moves to the lower position on the “intake” stroke due to inertial and friction forces of the compression ring 6 against the cylinder wall 1, the compression ring 6 is shifted upward, pressing the step ring 4 against the upper flange of the piston groove 3, leaving a gap between the upper end of the protruding part a stepped ring 4 and the lower end of the outer annular shoulder 5, protecting their small areas of contact surfaces from wear and tear, and at the same time, the path of oil penetration into the combustion chamber removed from the cylinder wall is blocked and 1 the lower end of the compression ring 6 and the piston groove 3 that has fallen into the bottom cavity through the open gap between the lower end of the compression ring 6 and the lower shelf of the piston groove 3.

При перемещении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» сжимаемый воздух, воздействуя на открытую внешнюю часть верхнего торца ступенчатого кольца 4 и часть компрессионного кольца 6, находящейся в зазоре между стенкой цилиндра 1 и поршнем 2, смещает оба кольца 4 и 6 к нижней полке поршневой канавки 3. Часть рабочего давления дросселируется через зазоры в замках ступенчатого кольца 4 и компрессионного кольца 6 в придонную полость поршневой канавки 3, увеличивая силы прижима ступенчатого кольца 4 своей ступенькой к кольцевому буртику 5 или кольцевыми выступами 7 к соответствующим кольцевым выступам 8 и кольцевому буртику 5, а компрессионного кольца 6 к стенке цилиндра 1, обеспечивая более надежное уплотнение и благоприятные условия теплопередачи от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1. Для обеспечения нормального баланса осевых и радиальных составляющих газодинамических сил, действующих на ступенчатое кольцо 4 и компрессионное кольцо 6, контактная площадь нижнего торца кольцевого буртика 5 и ступеньки ступенчатого кольца 4 должна быть минимально возможной исходя из прочностных характеристик материалов кольца 4 и поршня 2 и их конструктивных особенностей. В противном случае высокое рабочее давление газов, воздействуя на ступеньку кольца 4 и соответственно на компрессионное кольцо 6, блокирует радиальную силу, действующую на разжим кольца 6 и прижим его к стенке цилиндра 1, лишает его упругих качеств и работоспособности.When moving the piston 2 to the upper position on the “compression” stroke, the compressed air, acting on the open external part of the upper end face of the stepped ring 4 and the part of the compression ring 6 located in the gap between the cylinder wall 1 and the piston 2, shifts both rings 4 and 6 to the lower shelf of the piston groove 3. Part of the working pressure is throttled through the gaps in the locks of the stepped ring 4 and the compression ring 6 into the bottom cavity of the piston groove 3, increasing the clamping forces of the stepped ring 4 with its step to the annular shoulder 5 or annular protrusions 7 to the corresponding annular protrusions 8 and the annular shoulder 5, and the compression ring 6 to the cylinder wall 1, providing more reliable sealing and favorable heat transfer conditions from the superheated piston head 2 to the cooled cylinder 1. To ensure a normal balance of axial and radial components of gas-dynamic forces acting on the stepped ring 4 and the compression ring 6, the contact area of the lower end of the annular shoulder 5 and the steps of the stepped ring 4 should be as small as possible converging strength characteristics of the materials of the ring 4 and the piston 2 and their design features. Otherwise, the high working pressure of the gases, acting on the step of the ring 4 and, accordingly, on the compression ring 6, blocks the radial force acting on the expanding ring 6 and pressing it against the wall of the cylinder 1, depriving it of elastic qualities and performance.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход» за счет избыточного давления в камере сгорания положение колец 4 и 6 не меняется. Возросшие силы прижима ступенчатого кольца 4 к кольцевому буртику 5 (вариант 1) или к кольцевым выступам 8 и кольцевому буртику 5 (вариант 2) и компрессионного кольца 6 к стенке цилиндра 1 способствуют более эффективной теплопередаче от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1.When the piston 2 moves to the lower position on the “stroke” stroke due to overpressure in the combustion chamber, the position of the rings 4 and 6 does not change. The increased pressure forces of the stepped ring 4 to the annular shoulder 5 (option 1) or to the annular protrusions 8 and the annular shoulder 5 (option 2) and the compression ring 6 to the cylinder wall 1 contribute to more efficient heat transfer from the superheated piston head 2 to the cooled cylinder 1.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» за счет сил трения о стенку цилиндра 1 компрессионного кольца 6 и инерционных сил положение колец 4 и 6 остается прежним, прижатыми к нижней полке поршневой канавки 3. Компрессионное кольцо 6 своим верхним торцом снимает со стенки цилиндра 1 остатки продуктов сгорания, которые вместе с выхлопными газами выбрасываются в атмосферу. Ступенчатое кольцо 4, прижатое ступенькой к кольцевому буртику 5 или своими кольцевыми выступами 7 к соответствующим кольцевым выступам 8 и кольцевому буртику 5, преграждает попадание копоти и сажи в поршневую канавку 3. Повышается эффективность поршневого уплотнения, снижаются газодинамические и механические потери, увеличивается компрессия в цилиндре, мощность и ресурс двигателя, снижается расход топлива и масла, улучшаются экологические показатели.When the piston 2 moves to the upper position on the “release” stroke due to the friction forces against the cylinder wall 1 of the compression ring 6 and the inertial forces, the position of the rings 4 and 6 remains the same, pressed to the lower flange of the piston groove 3. The compression ring 6 removes with its upper end from the walls of the cylinder 1 are the remains of combustion products, which together with the exhaust gases are emitted into the atmosphere. A stepped ring 4, pressed by a step to the annular shoulder 5 or its annular projections 7 to the corresponding annular projections 8 and annular bead 5, prevents soot and soot from entering the piston groove 3. The efficiency of the piston seal is increased, gas-dynamic and mechanical losses are reduced, compression in the cylinder is increased. , engine power and resource, fuel and oil consumption is reduced, environmental indicators are improving.

В поршневом уплотнении (вариант 2) с выступами 8 на верхней полке поршневой канавки 3, входящими в углубления ступенчатого кольца 4, образуется более эффективное лабиринтное уплотнение, существенно ограничивающее утечку сжимаемого воздуха на такте «сжатие», при этом увеличивается компрессия в цилиндре, устраняется прорыв высокотемпературных рабочих газов в поршневую канавку 3 и встречу их с маслом, а также исключается насосный эффект масла и уменьшается его расход на угар. Большая суммарная площадь контакта кольцевых выступов 7 ступенчатого кольца 4 с кольцевыми выступами 8 и кольцевым буртиком 5 на верхней полке поршневой канавки создает более благоприятные условия для теплопередачи от головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1, предохраняя головку поршня 2 от перегревов и прогаров, увеличивая ресурс поршня и ресурс двигателя. Подобные конструкции целесообразно использовать в мощных и сверхмощных дизелях и силовых установках.In the piston seal (option 2) with protrusions 8 on the upper flange of the piston groove 3, included in the recesses of the stepped ring 4, a more effective labyrinth seal is formed, significantly limiting the leakage of compressible air at the compression stroke, while the compression in the cylinder is increased, the breakthrough is eliminated high-temperature working gases in the piston groove 3 and meet them with oil, and also eliminates the pumping effect of the oil and reduces its consumption on waste. The large total contact area of the annular projections 7 of the stepped ring 4 with the annular projections 8 and the annular collar 5 on the upper flange of the piston groove creates more favorable conditions for heat transfer from the piston head 2 to the cooled cylinder 1, protecting the piston head 2 from overheating and burnouts, increasing the piston life and engine life. Such designs are advisable to use in powerful and heavy duty diesels and power plants.

Таким образом, предлагаемое поршневое уплотнение позволит существенно ограничить прорыв высокотемпературных (порядка 300ºС) рабочих газов в поршневую канавку и встречу его с моторным маслом, а также исключить попадание копоти и сажи в поршневую канавку, из которых обычно формируются нагар и кокс, выводящие двигатель из строя.Thus, the proposed piston seal will significantly limit the breakthrough of high-temperature (about 300 ° C) working gases into the piston groove and its meeting with engine oil, as well as eliminate the soot and soot from entering the piston groove, from which carbon deposits and coke are usually formed, which damage the engine .

Ступенчатому кольцу 4 можно дать название «термодинамического», так как, многократно увеличивая площадь контакта с кольцевыми выступами 8 и кольцевым буртиком 5 наиболее термически нагруженной верхней полки поршневой канавки 3, оно способствует лучшей теплоотдаче от перегретой головки поршня к охлаждаемому цилиндру, что также повышает ресурс двигателя. Для повышения теплопередачи на малых и средних двигателях, там, где выполнение кольцевых выступов 8 на верхней полке поршневой канавки 3 и выступов 7 на ступенчатом кольце 4 технологически выполнить затруднительно или невозможно, применяется простое ступенчатое кольцо 4 (вариант 1). Ступенчатые кольца 4 по вариантам 1 и 2 выполнены из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (например, из различных марок термически обрабатываемых сортов бронзы).The stepped ring 4 can be called "thermodynamic", since by repeatedly increasing the contact area with the ring protrusions 8 and the ring shoulder 5 of the most thermally loaded upper flange of the piston groove 3, it contributes to better heat transfer from the superheated piston head to the cooled cylinder, which also increases the resource engine. To increase heat transfer on small and medium engines, where it is technologically difficult or impossible to technologically perform the annular protrusions 8 on the upper flange of the piston groove 3 and the protrusions 7 on the stepped ring 4, a simple stepped ring 4 is used (option 1). Step rings 4 according to options 1 and 2 are made of materials with a high coefficient of thermal conductivity (for example, from various grades of heat-treated varieties of bronze).

Предлагаемые поршневые уплотнения достаточно простые по конструкции, технологичны в изготовлении и эксплуатации, позволяют значительно повысить эффективность уплотнения между поршнем и цилиндром, уменьшить механические, газодинамические и теплофизические потери, увеличить мощность и ресурс двигателя, сократить расход топлива и масла, улучшить экологические характеристики двигателя.The proposed piston seals are quite simple in design, technologically advanced in manufacture and operation, can significantly increase the efficiency of the seal between the piston and the cylinder, reduce mechanical, gas-dynamic and thermophysical losses, increase engine power and life, reduce fuel and oil consumption, and improve the environmental performance of the engine.

Claims

1. A piston seal for an internal combustion engine, comprising an upper stepped elastic split ring and a lower compression ring located in one piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular bead, a stepped ring is installed with a gap between the surface of its outer diameter and the wall of the engine cylinder and with the step it abuts against the outer annular flange, characterized in that the gap between the upper end face of the protruding outer part of the step ring and the lower end m annular shoulder on the piston is more than the gap between the upper end face of the stepped ring and the upper shelf of the piston groove.

2. A piston seal for an internal combustion engine, comprising an upper stepped elastic split ring and a lower compression ring located in one piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular bead, a stepped ring is installed with a gap between the surface of its outer diameter and the cylinder wall, and the step rests against the outer annular flange, characterized in that at least two annular recesses are made in the upper end of the step ring, in which e does not include the corresponding annular protrusions made on the upper shelf of the piston groove.

3. A piston seal for an internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the annular recesses on the upper end of the stepped ring form protrusions that abut against the corresponding protrusions on the upper flange of the piston groove.