RU2389893C1

RU2389893C1 - Piston sealing for internal combustion engine (versions)

Info

Publication number: RU2389893C1
Application number: RU2008136281/06A
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: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-05-20
Also published as: RU2008136281A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: piston sealing includes upper (4) and lower (5) compression rings installed in piston groove (3), between which there located is sealing ring (6) the outer diametre of which is equal to outer diametre of rings (4) and (5). In internal cavity of piston groove (3) there located is piston ring expander (7) the surface of outer diametre of which is borne against surfaces of inner diametres of rings (4) and (5). In upper and lower part of piston ring expander (7) there made are annular flanges entering annular cavities at the bottom of piston groove (3). Inner diametre of ring (6) is supported on projection of the surface of outer diametre of expander (7). As per version 2, between rings (4) and (5) there located are at least two sealing rings (6) separated from each other with intermediate compression ring (8). The surface of outer diametre of piston ring expander 7 is borne against surfaces of inner diametres of compression rings (4), (5) and (8), and its annular flanges enter the appropriate annular cavities at the bottom of piston groove (3). As per versions 1 and 2, in piston groove (3) above ring (4) there installed is stepped flexible split ring (9) with a gap relative to cylinder (1), and its step bears against inner space of annular flange made on upper flange of piston groove (3).

EFFECT: increasing compression, power and service life of engine, reducing fuel and oil flow, and improving its environmental characteristics.

4 cl, 2 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 (заявка № 51-38005, Япония, 1976 г; авторское свидетельство № 1834406, SU, 1989 г; патент № 2243396, RU, 2002; патент № 2282739, RU, 2005 г.).Known piston seals of internal combustion engines, consisting of individual elements installed in one piston groove (application No. 51-38005, Japan, 1976; copyright certificate No. 1834406, SU, 1989; patent No. 2243396, RU, 2002; patent No. 2282739 , RU, 2005).

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в поршневой канавке два компрессионных кольца, между которыми размещена прокладка (упругое разрезное кольцо), плотно сидящая на дне канавки поршня и обеспечивающая возможность использования меньшего числа колец без ухудшения уплотнения и охлаждения, ближайшее по технической сущности и принятое за прототип (заявка №60-30457, Япония, опубл. 1985).A piston seal for an internal combustion engine is known, containing two compression rings installed in the piston groove, between which a gasket is placed (elastic split ring), which fits tightly on the bottom of the piston groove and allows the use of fewer rings without compromising seal and cooling, the closest in technical essence and adopted for the prototype (application No. 60-30457, Japan, publ. 1985).

Однако в известном поршневом уплотнении наличие прокладки между компрессионными кольцами предопределяет зазор в самой ответственной зоне уплотнения - контакте рабочих поверхностей компрессионных колец со стенкой цилиндра. Известно, что до 60…70% утечек рабочих газов происходит через зазоры в замках поршневых 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 и тем больше утечка рабочих газов. Повышенная утечка рабочих газов оказывает существенное влияние на снижение основных технико-экономических и экологических характеристиках двигателя.However, in the known piston seal, the presence of a gasket between the compression rings determines the gap in the most critical sealing zone — the contact of the working surfaces of the compression rings with the cylinder wall. It is known that up to 60 ... 70% of working gas leaks occur through gaps in the piston ring locks. Working gases, breaking out of the combustion chamber through the gap between the piston and the cylinder, directly penetrate through open gaps in the locks of the compression rings and further into the crankcase. Moreover, the more the working surfaces of the rings wear out during the operation of the engine, the more a gap is formed in the ring locks and the greater is the leakage of working gases. Increased leakage of working gases has a significant impact on reducing the main technical, economic and environmental characteristics of the engine.

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 установленные в поршневой канавке верхнее и нижнее компрессионные кольца, между которыми размещено уплотнительное кольцо, новым является то, что наружный диаметр уплотнительного кольца равен наружному диаметру компрессионных колец, во внутренней полости поршневой канавки расположено упругое, разрезное кольцо-экспандер, которое поверхностью внешнего диаметра упирается в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец, а выступом, выполненным на поверхности внешнего диаметра, в средней его части, упирается в поверхность внутреннего диаметра уплотнительного кольца, в верхней и нижней части экспандера выполнены кольцевые буртики, входящие в соответствующие кольцевые углубления на дне поршневой канавки так, что верхняя торцевая поверхность углубления лежит в одной плоскости с верхней полкой поршневой канавки, а нижняя торцевая поверхность нижнего углубления лежит в одной плоскости с нижней полкой поршневой канавки.The technical result is achieved by the fact that in a piston seal for an internal combustion engine (option 1) containing upper and lower compression rings installed in the piston groove, between which a sealing ring is located, it is new that the outer diameter of the seal ring is equal to the outer diameter of the compression rings, in the inner cavity of the piston groove is an elastic, split ring-expander, which abuts against the surface of the inner diameters of the compressor with the surface of the outer diameter cationic rings, and a protrusion made on the surface of the outer diameter, in its middle part, abuts against the surface of the inner diameter of the o-ring, in the upper and lower parts of the expander are made annular beads included in the corresponding annular recesses on the bottom of the piston groove so that the upper end surface the recess lies in the same plane as the upper flange of the piston groove, and the lower end surface of the lower recess lies in the same plane as the lower flange of the piston groove.

В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем установленные в поршневой канавке верхнее и нижнее компрессионные кольца новым является то, что между верхним и нижним компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два уплотнительных кольца, разделенных между собой средним компрессионным кольцом, при этом наружный диаметр уплотнительных колец равен наружному диаметру компрессионных колец, во внутренней полости поршневой канавки расположено упругое, разрезное кольцо-экспандер, которое поверхностью внешнего диаметра упирается в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец, а выступами, выполненными на поверхности внешнего диаметра, соответственно, упирается в поверхности внутренних диаметров уплотнительных колец, по поверхности внутреннего диаметра экспандера выполнены, по меньшей мере, два кольцевых буртика, входящие в соответствующие кольцевые углубления на дне поршневой канавки так, что верхняя торцевая поверхность углубления лежит в одной плоскости с верхней полкой поршневой канавки, а нижняя торцевая поверхность нижнего углубления лежит в одной плоскости с нижней полкой поршневой канавки.In a piston seal for an internal combustion engine (option 2) containing the upper and lower compression rings installed in the piston groove, it is new that at least two sealing rings are located between the upper and lower compression rings, separated by a middle compression ring, the outer diameter of the sealing rings is equal to the outer diameter of the compression rings, in the inner cavity of the piston groove is an elastic, split ring-expander, which is surface the outer diameter abuts against the surface of the inner diameters of the compression rings, and the protrusions made on the outer diameter surface, respectively, abut against the surface of the inner diameters of the sealing rings, at least two annular flanges included in the corresponding annular recesses are made on the surface of the inner diameter of the expander on the bottom of the piston groove so that the upper end surface of the recess lies in the same plane as the upper shelf of the piston groove, and the lower end surface on top The lower recess lies in the same plane as the lower flange of the piston groove.

В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 1 и 2) в поршневой канавке над верхним компрессионным кольцом установлено ступенчатое упругое разрезное кольцо с зазором относительно цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки.In the piston seal for the internal combustion engine (option 1 and 2), a stepped elastic split ring with a clearance relative to the engine cylinder is installed in the piston groove above the upper compression ring, and it steps against the inner surface of the annular collar made on the upper shelf 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 (варианты 2).Figure 2 presents a partial section of an internal combustion engine (options 2).

Двигатель внутреннего сгорания (вариант 1) содержит цилиндр 1, поршень 2, поршневую канавку 3, в которой установлены верхнее 4 и нижнее 5 компрессионные кольца, между которыми расположено уплотнительное кольцо 6, наружный диаметр которого равен наружному диаметру компрессионных колец 4 и 5, а внутренний диаметр уплотнительного кольца 6 меньше внутреннего диаметра верхнего 4 и нижнего 5 компрессионных колец. Во внутренней полости поршневой канавки 3, расположено упругое разрезное кольцо-экспандер 7, поверхностью внешнего диаметра упирающееся в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец 4 и 5. В верхней и нижней части кольца-экспандера 7 выполнены кольцевые буртики, входящие в соответствующие кольцевые углубления, выполненные на дне поршневой канавки 3, при этом верхняя торцевая поверхность верхнего углубления лежит в одной плоскости с верхней полкой поршневой канавки 3, а нижняя торцевая поверхность нижнего углубления лежит в одной плоскости с нижней полкой поршневой канавки 3. Внутренний диаметр уплотнительного кольца 6 опирается на выступ, выполненный на поверхности внешнего диаметра кольца-экспандера 7.The internal combustion engine (option 1) contains a cylinder 1, a piston 2, a piston groove 3, in which are installed the upper 4 and lower 5 compression rings, between which there is a sealing ring 6, the outer diameter of which is equal to the outer diameter of the compression rings 4 and 5, and the inner the diameter of the sealing ring 6 is smaller than the inner diameter of the upper 4 and lower 5 compression rings. In the internal cavity of the piston groove 3, an elastic split expander ring 7 is located, the outer diameter abutting against the surface of the inner diameters of the compression rings 4 and 5. In the upper and lower parts of the expander ring 7 are annular beads included in the corresponding annular recesses made on the bottom of the piston groove 3, while the upper end surface of the upper recess lies in the same plane as the upper shelf of the piston groove 3, and the lower end surface of the lower recess lies in one th plane with the lower flange of the piston groove 3. The inner diameter of the o-ring 6 is based on a protrusion made on the surface of the outer diameter of the expander ring 7.

По варианту 2 между верхним 4 и нижним 5 компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два уплотнительных кольца 6, разделенных между собой средним компрессионным кольцом 8. Во внутренней полости поршневой канавки 3 расположено упругое разрезное кольцо-экспандер 7, поверхностью внешнего диаметра упирающееся в поверхности внутренних диаметров компрессионных колец 4, 5 и 8. В верхней и нижней части экспандера 7 выполнены кольцевые буртики, входящие в соответствующие кольцевые углубления, выполненные на дне поршневой канавки 3. Верхняя торцевая поверхность верхнего углубления лежит в одной плоскости с верхней полкой поршневой канавки 3, а нижняя торцевая поверхность нижнего углубления лежит в одной плоскости с нижней полкой поршневой канавки 3, при этом внутренние диаметры уплотнительных колец 6 меньше внутреннего диаметра верхнего 4, нижнего 5 и среднего 8 компрессионных колец и опираются на выступы, выполненные на поверхности внешнего диаметра экспандера 7.In option 2, at least two o-rings 6 are located between the upper 4 and lower 5 compression rings, separated by a middle compression ring 8. An elastic split ring-expander 7 is located in the internal cavity of the piston groove 3, the surface of which is abutting against the surface the inner diameters of the compression rings 4, 5 and 8. In the upper and lower parts of the expander 7 are made annular flanges included in the corresponding annular recesses made at the bottom of the piston groove 3. Upper the end surface of the upper recess lies in the same plane with the upper flange of the piston groove 3, and the lower end surface of the lower recess lies in the same plane as the lower flange of the piston groove 3, while the inner diameters of the sealing rings 6 are smaller than the inner diameter of the upper 4, lower 5 and middle 8 compression rings and rely on protrusions made on the surface of the outer diameter of the expander 7.

По вариантам 1 и 2 в поршневой канавке 3 над верхним компрессионным кольцом 4 установлено ступенчатое упругое разрезное кольцо 9 с зазором относительно цилиндра 1 двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки 3.According to options 1 and 2, a stepped elastic split ring 9 is installed in the piston groove 3 above the upper compression ring 4 with a gap relative to the cylinder 1 of the engine, and with a step it abuts against the inner surface of the annular collar made on the upper shelf of the piston groove 3.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. При перемещении поршня 2 в верхнее положение на рабочем такте «сжатие» выступ, выполненный на экспандере 7 (вариант 1), перекрывает зазор между поверхностью внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца 4 и поверхностью внешнего диаметра экспандера 7. Причем верхнее компрессионное кольцо 4 перекрывает зазор между поверхностью внутреннего диаметра уплотнительного кольца 6 и поверхностью внешнего диаметра выступа экспандера 7.The piston seal operates as follows. When moving the piston 2 to the upper position on the working stroke, the “compression” protrusion made on the expander 7 (option 1) overlaps the gap between the surface of the inner diameter of the upper compression ring 4 and the surface of the outer diameter of the expander 7. Moreover, the upper compression ring 4 overlaps the gap between the surface the inner diameter of the o-ring 6 and the surface of the outer diameter of the protrusion of the expander 7.

По варианту 2 при перемещении поршня 2 в верхнее положение уплотнительные кольца 6 образуют лабиринтное уплотнение между экспандером 7 и компрессионными кольцами 4, 5, и 8, а также лабиринтное уплотнение между дном поршневой канавки 3 и экспандером 7, исключая утечки рабочего газа из цилиндра 1 в картер двигателя и проникновение масла в придонную полость поршневой канавки 3, тем самым устраняя нежелательный контакт высокотемпературных рабочих газов со смазочным маслом в придонной полости поршневой канавки 3, ограничивая нагарообразование и коксование на свободных поверхностях поршневой канавки 3 и экспандера 7. Кроме того, увеличенное количество компрессионных колец 4, 5, 8 и расположенных между ними уплотнительных колец 6 существенно повышает эффективность уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, обеспечивая необходимую устойчивость крупных поршней мощных и сверхмощных двигателей и теплопередачу от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1. Применение экспандера 7, имеющего расчетную силу упругости, практически не зависимую от износа компрессионных колец 4, 5, 8 и уплотнительных колец 6, обеспечивает минимально необходимое усилие прижима колец 4, 5, 8 и 6 к стенке цилиндра 1 и сохраняет устойчивую масляную пленку на контактных поверхностях, которая предохраняет их от излишнего трения и износа, повышая КПД двигателя и его ресурс.In option 2, when moving the piston 2 to the upper position, the sealing rings 6 form a labyrinth seal between the expander 7 and the compression rings 4, 5, and 8, as well as a labyrinth seal between the bottom of the piston groove 3 and the expander 7, excluding leakage of the working gas from cylinder 1 to the crankcase and the penetration of oil into the bottom cavity of the piston groove 3, thereby eliminating the unwanted contact of the high-temperature working gases with lubricating oil in the bottom cavity of the piston groove 3, limiting the formation of carbon and coking on the free surfaces of the piston groove 3 and expander 7. In addition, the increased number of compression rings 4, 5, 8 and the sealing rings 6 located between them significantly increases the efficiency of the seal between the piston 2 and cylinder 1, providing the necessary stability of large pistons of powerful and heavy duty engines and heat transfer from the overheated piston head 2 to the cooled cylinder 1. The use of an expander 7 having a calculated elastic force that is practically independent of the wear of the compression rings 4, 5, 8 and lotnitelnyh rings 6 provides the minimum necessary force pressing the rings 4, 5, 8 and 6 to the cylinder wall 1 and keeps stable oil film on the contact surfaces, which protects them from excessive friction and wear, increasing the engine efficiency and its lifetime.

При перемещении поршня 2 в верхнее положение (по вариантам 1 и 2) ступенчатое упругое разрезное кольцо 9, упираясь во внутреннюю вертикальную поверхность кольцевого буртика, выполненного на верхней полке поршневой канавки 3, перекрывает зазор между верхней полкой поршневой канавки 3 и верхним торцом верхнего компрессионного кольца 4, исключая прорыв рабочего газа в картер двигателя и попадание нагара и копоти, снимаемых со стенки цилиндра 1 верхним торцом верхнего компрессионного кольца 4, в поршневую канавку 3. Кроме того, ступенчатое упругое разрезное кольцо 9 перекрывает зазор между поверхностью внутреннего диаметра верхнего компрессионного кольца 4 и поверхностью внешнего диаметра экспандера 7, который имеется между ними в результате погрешностей обработки контактных поверхностей колец 4, 5, 6 и экспандера 7 в процессе их изготовления.When moving the piston 2 to the upper position (according to options 1 and 2), the stepped elastic split ring 9, abutting against the inner vertical surface of the annular collar made on the upper shelf of the piston groove 3, overlaps the gap between the upper shelf of the piston groove 3 and the upper end of the upper compression ring 4, excluding the breakthrough of the working gas in the crankcase and the ingress of soot and soot removed from the cylinder wall 1 by the upper end of the upper compression ring 4 into the piston groove 3. In addition, the stepped elastic e split ring 9 covers the gap between the surface of the inner diameter of the upper compression ring 4 and the surface of the outer diameter of the expander 7, which is between them as a result of errors in the processing of the contact surfaces of the rings 4, 5, 6 and expander 7 in the manufacturing process.

Предлагаемая конструкция уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1 существенно уменьшает прорывы сжимаемого воздуха и рабочих газов из цилиндра 1 в картер двигателя, повышает компрессию, мощность и ресурс двигателя, уменьшает расход топлива и масла, улучшает экологические характеристики двигателя.The proposed seal design between the piston 2 and cylinder 1 significantly reduces breakthroughs of compressible air and working gases from cylinder 1 into the crankcase, increases compression, power and engine life, reduces fuel and oil consumption, improves the environmental performance of the engine.

Конструкция технологична, допускает применение компрессионных колец различной высоты, например верхнее 4 и нижнее 5 компрессионные кольца могут использоваться как каркасные, имеющее большую высоту, а внутри блока, кольца могут иметь меньшую высоту, что будет способствовать их более быстрой прирабатываемости по гильзе цилиндра 1, иметь меньшие потери на трение и повышенную эффективность уплотнения со стенкой цилиндра 1. Кроме того, в такой конструкции могут быть использованы в качестве материала для колец металлы, сплавы и неметаллы, обладающие и не обладающие собственной упругостью, так как эти функции выполняет экспандер 7, но имеющие минимальные потери на трение, повышенную стойкость и хорошую теплопередачу от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1, что положительно скажется на мощности двигателя и ресурсе колец, поршня, цилиндра и самого двигателя.The design is technologically advanced, it allows the use of compression rings of various heights, for example, the upper 4 and lower 5 compression rings can be used as frame rings with a higher height, and inside the block, the rings can have a lower height, which will contribute to their faster running-in along cylinder liner 1, have lower friction losses and increased sealing efficiency with the cylinder wall 1. In addition, in such a design, metals, alloys and nonmetals can be used as material for rings They do not have their own elasticity, since these functions are performed by the expander 7, but having minimal friction losses, increased resistance and good heat transfer from the overheated piston head 2 to the cooled cylinder 1, which will positively affect the engine power and the resource of the rings, piston, cylinder and the engine itself.

Claims

1. A piston seal for an internal combustion engine, comprising upper and lower compression rings installed in the piston groove, between which an o-ring is placed, characterized in that the outer diameter of the o-ring is equal to the outer diameter of the compression rings, an elastic split ring is located in the inner cavity of the piston groove an expander, which abuts against the surface of the inner diameters of the compression rings with a surface of the outer diameter, and a protrusion made on the surface outer diameter, in the middle part it abuts against the surface of the inner diameter of the o-ring, in the upper and lower parts of the expander are made annular beads included in the corresponding annular recesses at the bottom of the piston groove so that the upper end surface of the recess lies in the same plane with the upper shelf of the piston groove and the lower end surface of the lower recess lies in the same plane as the lower flange of the piston groove.

2. A piston seal for an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that a stepped elastic split ring with a clearance relative to the engine cylinder is installed in the piston groove above the upper compression ring, and with a step it abuts against the inner surface of the annular collar made on the upper piston shelf grooves.

3. A piston seal for an internal combustion engine, comprising upper and lower compression rings installed in the piston groove, characterized in that at least two sealing rings are located between the upper and lower compression rings, separated by a middle compression ring, while the outer the diameter of the sealing rings is equal to the outer diameter of the compression rings, in the inner cavity of the piston groove is an elastic split ring-expander, which is the surface of the outer diameter rests against the surface of the inner diameters of the compression rings, and protrusions made on the surface of the outer diameter, respectively abuts against the surface of the inner diameters of the sealing rings, at least two annular flanges are formed along the surface of the inner diameter of the expander, included in the corresponding annular recesses at the bottom the piston groove so that the upper end surface of the recess lies in the same plane with the upper shelf of the piston groove, and the lower end surface of the lower th recess lies in the same plane with the bottom shelf of the piston groove.

4. A piston seal for an internal combustion engine according to claim 3, characterized in that a stepped elastic split ring with a clearance relative to the engine cylinder is installed in the piston groove above the upper compression ring, and the step rests on the inner surface of the annular collar made on the upper piston shelf grooves.