RU76081U1

RU76081U1 - PISTON SEAL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE (OPTIONS)

Info

Publication number: RU76081U1
Application number: RU2008113814/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Федорович Гортышов; Виктор Михайлович Гуреев; Анатолий Матвеевич Дружинин
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2008-09-10

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании, производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания и позволяет увеличить мощность и ресурс двигателя, уменьшить расход топлива и масла, улучшить экологические показатели двигателя. Поршневое уплотнение, включает расположенные в одной поршневой канавке (3) ступенчатое упругое разрезное кольцо (4), под ним последовательно установлены верхнее (6), промежуточное (7) и нижнее (8) компрессионные кольца. На дне поршневой канавки (3) напротив промежуточного кольца выполнен кольцевой выступ (9), с образованием между поверхностью внутреннего диаметра промежуточного компрессионного кольца (7) термодинамического зазора (вариант 1). На верхней полке поршневой канавки (3) имеется наружный кольцевой буртик (5). Ступенчатое кольцо (4) установлено с зазором относительно цилиндра (1) двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность буртика (5). Поршневое уплотнение по варианту 2, отличается от варианта 1 тем, что между верхним (6) и нижним (8) компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два промежуточных компрессионных кольца (7), разделенных между собой средним компрессионным кольцом (10), а на дне поршневой канавки (3) напротив промежуточных компрессионных колец (7) выполнены кольцевые выступы (9), с образованием между поверхностью внутренних диаметров промежуточных компрессионных колец (7) термодинамических зазоров. Ступенчатое кольцо (4) выполнено из термически обработанного сплава алюминия или меди. 2 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 илл.The utility model relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used in the design, manufacture and operation of internal combustion engines and can increase engine power and life, reduce fuel and oil consumption, improve the environmental performance of the engine. The piston seal includes a stepped elastic split ring (4) located in one piston groove (3), the upper (6), intermediate (7) and lower (8) compression rings are sequentially installed under it. An annular protrusion (9) is made at the bottom of the piston groove (3) opposite the intermediate ring, with the formation of a thermodynamic gap between the surface of the inner diameter of the intermediate compression ring (7) (option 1). On the upper flange of the piston groove (3) there is an outer annular flange (5). The stepped ring (4) is installed with a gap relative to the cylinder (1) of the engine, and with a step it abuts against the inner surface of the shoulder (5). Piston seal according to option 2, differs from option 1 in that between the upper (6) and lower (8) compression rings there are at least two intermediate compression rings (7), separated by a middle compression ring (10), and opposite the intermediate compression rings (7), annular protrusions (9) are made at the bottom of the piston groove (3), with the formation of thermodynamic gaps between the surface of the inner diameters of the intermediate compression rings (7). The stepped ring (4) is made of a heat-treated alloy of aluminum or copper. 2 n.p. f-ly, 2 z.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использована при проектировании, производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.The utility model relates to mechanical engineering, namely 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 (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 (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 верхнее уплотнительное разрезное Г-образное кольцо и подкладное разрезное кольцо, размещенные в одной поршневой канавке, причем внутренний диаметр нависающего бурта Г-образной канавки выбран с таким расчетом, что после минимального износа колец радиальные давления последних воспринимает указанный бурт (авторское свидетельство СССР №85071, 1949), ближайшее по технической сущности к заявляемому и принятое за прототип.A piston seal for an internal combustion engine is known, comprising an upper sealing split L-shaped ring and an undercut split ring located in one piston groove, the inner diameter of the overhanging shoulder of the L-shaped groove being selected so that, after minimal wear of the rings, the radial pressures of the latter the specified collar (USSR author's certificate No. 85071, 1949), closest in technical essence to the claimed one and adopted as a prototype.

Однако, в известном поршневом уплотнении в результате износа рабочей поверхности кольца, оно упрется ступенькой в «нависающий» бурт, выполненный на верхней полке поршневой канавки углубления, при этом прекращаются уплотнительные свойства кольца, которые обычно осуществляются за счет упругих качеств самого кольца и радиальных газодинамических сил, которые должны поджимать рабочую поверхность уплотнительного кольца к стенке цилиндра. В процессе эксплуатации рабочая поверхность «уплотнительного» кольца изнашивается и между However, in the known piston seal as a result of wear of the working surface of the ring, it rests against a step in the “overhanging” shoulder made on the upper shelf of the piston groove of the recess, while the sealing properties of the ring, which are usually realized due to the elastic properties of the ring itself and radial gas-dynamic forces, cease , which should press the working surface of the o-ring against the cylinder wall. During operation, the working surface of the “sealing” ring wears out between

кольцом и стенкой цилиндра появляется зазор, и кольцо не выполняет уплотнительных функций.a gap appears on the ring and cylinder wall, and the ring does not perform sealing functions.

Кроме того, в период приработки кольца по гильзе цилиндра, ступенчатое кольцо, плотно контактируя со стенкой цилиндра, выполняет, как и все верхние компрессионные кольца, функцию нагаросъемного кольца. При движении поршня в верхнее положение на рабочем такте «выпуск» верхнее кольцо своим верхним торцом снимает со стенки цилиндра продукты сгорания топливовоздушной смеси (копоть и сажу). Часть этих продуктов выбрасывается в камеру сгорания и далее на выхлоп, часть осаждается на головках цилиндра и поршня, а часть продуктов, под давлением проникает в поршневую канавку, через еще имеющийся зазор между ступенькой кольца и «нависающим» выступом и зазор между верхним торцом кольца и верхней полкой поршневой канавки, постепенно накапливаясь на ступеньках кольца и других свободных поверхностях кольца и поршневой канавки. В процессе эксплуатации из копоти и сажи, под действием высоких температур и максимальных давлений образуются нагар и сверхтвердый кокс, которые лишают кольцо сначала упругих свойств, а затем и подвижности в поршневой канавке. Кольцо становится жестким, своеобразной частью поршня, что приводит к задирам на цилиндре и, в итоге, к заклиниванию поршня и поломке двигателя.In addition, during the run-in period of the ring along the cylinder liner, the stepped ring, tightly in contact with the cylinder wall, performs, like all upper compression rings, the function of a heat-removing ring. When the piston moves to the upper position on the “release” stroke, the upper ring removes the combustion products of the air-fuel mixture (soot and soot) from the cylinder wall with their upper end. Some of these products are thrown into the combustion chamber and then to the exhaust, some are deposited on the cylinder heads and piston, and some of the products penetrate the piston groove under pressure through the gap between the ring step and the overhanging protrusion and the gap between the upper end of the ring and the upper shelf of the piston groove, gradually accumulating on the steps of the ring and other free surfaces of the ring and piston groove. During operation, soot and superhard coke are formed from soot and soot, under the influence of high temperatures and maximum pressures, which first deprive the ring of elastic properties and then mobility in the piston groove. The ring becomes a rigid, peculiar part of the piston, which leads to scuffing on the cylinder and, as a result, jamming of the piston and engine failure.

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении его экологических показателей.The technical result, the achievement of which is proposed by the proposed utility model, is to increase engine power and resource, reduce fuel and oil consumption, improve its environmental performance.

Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 1), содержащем ступенчатое упругое разрезное кольцо, расположенное в поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, новым является то что, ступенчатое кольцо установлено с зазором относительно цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается во The technical result is achieved by the fact that in the piston seal for an internal combustion engine (option 1) containing a stepped elastic split ring located in the piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular bead, the new thing is that the stepped ring is installed with a clearance relative to the cylinder engine, and it rests against a step

внутреннюю поверхность буртика, под ступенчатым кольцом в этой же поршневой канавке установлены последовательно верхнее, промежуточное и нижнее компрессионные кольца, на дне поршневой канавки напротив промежуточного кольца выполнен кольцевой выступ, при этом промежуточное компрессионное кольцо установлено с зазором относительно кольцевого выступа.the inner surface of the flange, under the stepped ring in the same piston groove, the upper, intermediate and lower compression rings are installed sequentially, an annular protrusion is made at the bottom of the piston groove opposite the intermediate ring, while the intermediate compression ring is installed with a gap relative to the annular protrusion.

В поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания (вариант 2), содержащем ступенчатое упругое разрезное кольцо расположенное в поршневой канавке, на верхней полке которой имеется наружный кольцевой буртик, новым является то, что ступенчатое кольцо установлено с зазором относительно цилиндра двигателя, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность буртика, под ступенчатым кольцом в этой же поршневой канавке установлены верхнее и нижнее компрессионные кольца, между которыми расположены, по меньшей мере,. два промежуточных компрессионных кольца, разделенных между собой средним компрессионным кольцом, кроме того, на дне поршневой канавки напротив промежуточных компрессионных колец выполнены кольцевые выступы, при этом промежуточные компрессионные кольца установлены с зазором относительно кольцевых выступов.In a piston seal for an internal combustion engine (option 2), containing a stepped elastic split ring located in the piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular collar, it is new that the stepped ring is installed with a gap relative to the engine cylinder, and it steps against the inner surface of the flange, under the stepped ring in the same piston groove, upper and lower compression rings are installed, between which at least are located. two intermediate compression rings, separated by a middle compression ring, in addition, ring protrusions are made on the bottom of the piston groove opposite the intermediate compression rings, while the intermediate compression rings are installed with a gap relative to the annular protrusions.

Для вариантов 1 и 2 ступенчатое упругое разрезное кольцо выполнено из термически обработанного сплава алюминия или меди.For options 1 and 2, the stepped elastic split ring is made of a heat-treated alloy of aluminum or copper.

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 и поршневое уплотнение, которое, содержит установленное в поршневой канавке 3 ступенчатое упругое разрезное кольцо 4. На верхней полке поршневой канавки 3 имеется наружный кольцевой буртик 5. Между поверхностью наружного диаметра ступенчатого кольца 4 и стенкой The internal combustion engine comprises a cylinder 1, a piston 2, and a piston seal, which comprises a stepped elastic split ring 4 installed in the piston groove 3. On the upper flange of the piston groove 3 there is an outer annular bead 5. Between the surface of the outer diameter of the stepped ring 4 and the wall

цилиндра двигателя 1 имеется зазор, а ступенькой оно упирается во внутреннюю поверхность буртика 5. Под ступенчатым кольцом 4 в этой же поршневой канавке 3 установлены последовательно верхнее 6, промежуточное 7 и нижнее 8 компрессионные кольца. На дне поршневой канавки 3 напротив промежуточного кольца выполнен кольцевой выступ 9, с образованием между поверхностью внутреннего диаметра промежуточного компрессионного кольца 7 и кольцевым выступом 9 термодинамического зазора (вариант 1). Ступенчатое упругое разрезное кольцо 4 должно обладать двумя основными свойствами: быть упругим и иметь наибольший коэффициент теплопередачи. В качестве материала для кольца 4 целесообразно использовать сплавы алюминия или меди, подвергающиеся термической обработке для придания им необходимой упругости.the cylinder of the engine 1 has a gap, and with a step it abuts against the inner surface of the shoulder 5. Under the stepped ring 4 in the same piston groove 3 are installed successively upper 6, intermediate 7 and lower 8 compression rings. On the bottom of the piston groove 3 opposite the intermediate ring, an annular protrusion 9 is made, with the formation of a thermodynamic gap between the surface of the inner diameter of the intermediate compression ring 7 and the annular protrusion 9 (option 1). The stepped elastic split ring 4 should have two main properties: be elastic and have the highest heat transfer coefficient. As the material for the ring 4, it is advisable to use aluminum or copper alloys subjected to heat treatment to give them the necessary elasticity.

Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания по варианту 2, отличается от варианта 1 тем, что между верхним 6 и нижним 8 компрессионными кольцами расположены, по меньшей мере, два промежуточных компрессионных кольца 7, разделенных между собой средним компрессионным кольцом 10. На дне поршневой канавки 3 напротив промежуточных компрессионных колец 7 выполнены кольцевые выступы 9, с образованием между поверхностью внутренних диаметров промежуточных компрессионных колец 7 и кольцевыми выступами 9 термодинамических зазоров.The piston seal for the internal combustion engine according to option 2, differs from option 1 in that at least two intermediate compression rings 7 are separated between the upper 6 and lower 8 compression rings, separated by a middle compression ring 10. At the bottom of the piston groove 3 opposite the intermediate compression rings 7, annular protrusions 9 are made, with the formation of thermodynamic gaps between the surface of the inner diameters of the intermediate compression rings 7 and the annular protrusions 9.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. Упругие силы ступенчатого упругого разрезного кольца 4 обеспечивают постоянный прижим его к наружному кольцевому буртику 5, выполненному на верхней полке поршневой канавки 3.The piston seal operates as follows. The elastic forces of the stepped elastic split ring 4 provide a constant clamp it to the outer annular bead 5, made on the upper shelf of the piston groove 3.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» давление сжимаемого воздуха воздействует на выступающую часть верхнего торца ступенчатого кольца 4 с силой, прямо пропорциональной площади этой поверхности. Под действием постоянно увеличивающейся When the piston 2 moves to the upper position on the “compression” stroke, the pressure of the compressed air acts on the protruding part of the upper end face of the stepped ring 4 with a force directly proportional to the surface area. Under the influence of ever-increasing

газодинамической силы, весь пакет колец 4, 6, 7 и 8 (вариант 1) смещается к нижней полке поршневой канавки 3, устраняя зазор между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 8 и нижней полкой поршневой канавки 3, перекрывая прорыв сжимаемого воздуха, а затем и топливовоздушной смеси из поршневой канавки 3 далее в картер двигателя, а также проникновение масла, снимаемого со стенки цилиндра 1 нижним торцом нижнего компрессионного кольца 8.gas-dynamic force, the entire package of rings 4, 6, 7 and 8 (option 1) is shifted to the lower flange of the piston groove 3, eliminating the gap between the lower end of the lower compression ring 8 and the lower flange of the piston groove 3, blocking the breakthrough of compressible air, and then the fuel-air mixture from the piston groove 3 further into the crankcase, as well as the penetration of oil removed from the cylinder wall 1 by the lower end of the lower compression ring 8.

Прорвавшийся в поршневую канавку 3 через зазоры в замках ступенчатого кольца 4 и неприкрытую кольцом 4 часть зазора в замке верхнего компрессионного кольца 6 сжимаемый воздух, «запирается» в придонной полости поршневой канавки 3, ограничивая попадание в эту полость топливовоздушной смеси и высокотемпературных рабочих газов.The compressed air that burst into the piston groove 3 through the gaps in the locks of the stepped ring 4 and the part of the gap in the lock of the upper compression ring 6 that is not covered by the ring 4 is “locked” in the bottom cavity of the piston groove 3, restricting the penetration of air-fuel mixture and high-temperature working gases into this cavity.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход», из-за наличия избыточного давления над поршнем 2 до конца рабочего такта, положение «пакета» колец 4, 6, 7 и 8 не меняется, что исключает появление зазора между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 8 и нижней полкой поршневой канавки 3, следовательно, исключается возможность утечки рабочих газов и обеспечивается полное «срабатывание» рабочего давления, повышается КПД двигателя.When the piston 2 moves to the lower position on the stroke "stroke", due to the presence of excess pressure above the piston 2 to the end of the stroke, the position of the "package" of rings 4, 6, 7 and 8 does not change, which eliminates the appearance of a gap between the lower end the lower compression ring 8 and the lower shelf of the piston groove 3, therefore, the possibility of leakage of the working gases is excluded and a complete “response” of the working pressure is ensured, the engine efficiency is increased.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» за счет инерционных масс всего пакета колец 4, 6, 7 и 8, а также трения компрессионных колец 6, 7 и 8 о стенку цилиндра 1, положение пакета колец остается прежним, прижатым к нижней полке поршневой канавки 3, что обеспечивает эффективный выхлоп отработанных газов и продуктов сгорания топливовоздушной смеси в виде копоти и сажи, снятых со стенки цилиндра 1, верхним торцом верхнего компрессионного кольца 6.When the piston 2 moves to the upper position on the “release” stroke due to the inertial masses of the entire pack of rings 4, 6, 7, and 8, as well as the friction of the compression rings 6, 7, and 8 against the cylinder wall 1, the position of the pack of rings remains the same, pressed against the lower flange of the piston groove 3, which provides an efficient exhaust exhaust and combustion products of the air-fuel mixture in the form of soot and soot, removed from the cylinder wall 1, the upper end face of the upper compression ring 6.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» за счет инерционных масс всего пакета колец 4, 6, 7 и 8, а также за счет трения компрессионных колец 6, 7 и 8 о стенку цилиндра 1, весь пакет колец When the piston 2 moves to the lower position on the “intake” stroke due to the inertial masses of the entire package of rings 4, 6, 7 and 8, as well as due to the friction of the compression rings 6, 7 and 8 against the wall of cylinder 1, the entire package of rings

смещается к верхней полке поршневой канавки 3, образуя зазор между нижним торцом нижнего компрессионного кольца 8 и нижней полкой поршневой канавки 3, в который, под давлением, устремляется масло, снимаемое со стенки цилиндра 1 нижним торцом компрессионного кольца 8. Выступ 9, расположенный над нижним компрессионным кольцом 8. существенно ограничивает проникновение масла в придонную полость поршневой канавки 3, в свою очередь, ступенчатое кольцо 4 исключает проникновение незначительной части масла, попавшей в придонную полость поршневой канавки 3, далее в камеру сгорания, тем самым, существенно снижая расход масла на угар.is shifted to the upper flange of the piston groove 3, forming a gap between the lower end of the lower compression ring 8 and the lower flange of the piston groove 3, into which, under pressure, the oil rises from the cylinder wall 1 with the lower end of the compression ring 8. The protrusion 9 located above the lower compression ring 8. significantly limits the penetration of oil into the bottom cavity of the piston groove 3, in turn, the stepped ring 4 eliminates the penetration of a small part of the oil that fell into the bottom cavity of the piston channel avki 3, then into the combustion chamber, thereby significantly reducing oil consumption for waste.

Для мощных и сверхмощных дизелей с диаметрами цилиндров более 250 мм, например, в дизелях тепловозов, судовых двигателей и других силовых установках предлагается вариант 2 выполнения поршневого уплотнения, эффективность которого повышается за счет наличия, между верхним 6 и нижним 8 компрессионными кольцами, по меньшей мере, двух промежуточных компрессионных колец 7, разделенных средним компрессионным кольцом 10 и наличием, по меньшей мере, двух кольцевых выступов 9, создающих дополнительные лабиринтные уплотнения в придонной полости поршневой канавки 3.For powerful and heavy duty diesels with cylinder diameters of more than 250 mm, for example, in diesel locomotive diesel engines, marine engines and other power plants, option 2 for performing a piston seal is proposed, the efficiency of which increases due to the presence of at least 6 compression rings between the upper 6 and lower 8 , two intermediate compression rings 7, separated by a middle compression ring 10 and the presence of at least two annular protrusions 9, creating additional labyrinth seals in the bottom cavity of the piston howl groove 3.

Поршневое уплотнение (варианты 1 и 2) достаточно простое по конструкции, технологичное в изготовлении и эксплуатации, позволит значительно повысить эффективность уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1, уменьшить механические, газодинамические и теплофизические потери, увеличить мощность и ресурс двигателя, сократить расход топлива и масла, улучшить экологические характеристики двигателя.Piston seals (options 1 and 2) are quite simple in design, technologically advanced in manufacturing and operation, will significantly increase the efficiency of the seal between the piston 2 and cylinder 1, reduce mechanical, gas-dynamic and thermophysical losses, increase engine power and life, reduce fuel and oil consumption , improve the environmental performance of the engine.

Claims

1. A piston seal for an internal combustion engine, comprising a stepped elastic split ring located in a piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular collar, characterized in that the stepped ring is installed with a gap relative to the engine cylinder, and the step rests against the inner surface of the annular flange, under the stepped ring in the same piston groove, the upper, intermediate and lower compression rings are installed in series, at the bottom of the piston groove, for example TIV intermediate ring has an annular protrusion with an intermediate compression ring installed with a gap relative to the collar.

2. A piston seal for an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the stepped elastic split ring is made of a heat-treated alloy of aluminum or copper.

3. A piston seal for an internal combustion engine, comprising a stepped elastic split ring mounted in a piston groove, on the upper flange of which there is an outer annular collar, characterized in that the stepped ring is installed with a clearance relative to the engine cylinder, and the step rests against the inner surface of the annular flange, under the stepped ring in the same piston groove, upper and lower compression rings are installed, between which at least two intermediate rings are located compression rings, separated by an average compression ring on the bottom of the groove opposite the intermediate piston compression rings formed annular projections, while the intermediate compression ring mounted with clearance relative to the annular projections.

4. A piston seal for an internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the stepped elastic split ring is made of a heat-treated alloy of aluminum or copper.