Поршневое уплотнение

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к уплотнениям систем поршень-цилиндр и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания и компрессорах. Технический результат - повышение герметизации камеры сгорания за счет уменьшения количества прорывающихся газов через замок кольца, устранение возможной вибрации кольца при его эксплуатации, увеличение срока службы как самого кольца, так и поршня, а также повышение экономичности работы цилиндропоршневой машины (двигателя). Уплотнение содержит установленное в поршневой канавке и контактирующее с внутренней поверхностью цилиндра, и вставку, расположенную между концами разрезного кольца с образованием замка, при этом согласно предложению торцевые поверхности на концах разрезного кольца размещены под углом относительно друг друга, вставка выполнена клиновидной с клином направленным к цилиндру, поверхности клина контактируют с торцевыми поверхностям кольца, а поршневое уплотнение снабжено средством поджима клиновидной вставки в направлении к цилиндру.

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к уплотнениям систем поршень-цилиндр и может быть использована в двигателях внутреннего сгорания и компрессорах.

В процессе работы цилиндропоршневой машины при износе цилиндропоршневой группы увеличивается диаметр цилиндра и уменьшается внешний диаметр поршневого кольца, что ведет к увеличению торцевого стыка (замка). При этом поршень перемещается, в том числе, и в горизонтальной плоскости. При высоких степенях сжатия, когда создается высокое давление в камере сгорания, нижняя поверхность поршневого кольца прижимается к нижней горизонтальной поверхности проточки поршня настолько сильно, что упругости кольца может быть недостаточно для обеспечения прижатия к поверхности цилиндра. При этом кольцо перемещается в горизонтальной плоскости вместе с поршнем, уменьшая торцевой стык (замок). В результате замок кольца, увеличенный вследствие износа диаметра цилиндра и наружного диаметра поршневого кольца, уменьшается и рабочие газы прорываются через образовавшийся зазор между цилиндром и поршневым кольцом. Постоянные колебания кольца в горизонтальной плоскости приводят к уменьшению силы упругости кольца, что также способствует увеличению зазора между поршневым кольцом и цилиндром. Таким образом, в результате износа происходит уменьшение герметизации камеры сгорания, что снижает ресурс работы цилиндропоршневой машины.

Из уровня техники известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее разрезной пружинный кольцевой элемент с проточкой Т-образной формы в поперечном сечении и с замком - вставкой Т-образной формы в поперечном сечении, которая размещается в проточке и прижимается к цилиндру под действием пружинных свойств кольцевого элемента (см. RU 2069802 С1, 27.11.1996).

В процессе износа цилиндропоршневой группы увеличивается диаметр цилиндра, изнашивается внешний диаметр поршневого кольца, что ведет к увеличению торцевого стыка (замка) поршневого кольца.

При работе цилиндропоршневой машины поршень перемещается, в том числе, и в горизонтальной плоскости.

При высоких степенях сжатия, когда давление в камере сгорания высокое, поршневое кольцо своей нижней поверхностью, прижимается к нижней горизонтальной поверхности проточки под кольцо настолько сильно, что упругости кольца может быть недостаточно, чтобы остаться прижатым к поверхности цилиндра. При этом кольцо будет перемещаться в горизонтальной плоскости вместе с поршнем, уменьшая торцевой стык (замок). Замок кольца, увеличенный вследствие износа диаметра цилиндра и наружного диаметра поршневого кольца, будет уменьшаться, и рабочие газы будут прорываться через образовавшийся зазор между цилиндром и поршневым кольцом.

Постоянные колебания кольца в горизонтальной плоскости приводит к уменьшению силы упругости кольца, что также будет способствовать увеличению зазора между поршневым кольцом и цилиндром.

Задачей настоящей полезной модели является создание уплотнения, повышающего ресурс работы цилиндропоршневой машины.

Технический результат полезной модели заключается в повышении качества герметизации камеры сгорания за счет уменьшения количества прорывающихся газов через замок кольца, устранении возможной вибрации кольца при его эксплуатации, увеличении срока службы как самого кольца, так и поршня, а также повышение экономичности работы цилиндропоршневой машины (двигателя).

Указанный технический результат достигается за счет того, что поршневое уплотнение содержит, по меньшей мере, одно разрезное кольцо, установленное в поршневой канавке и контактирующее с внутренней поверхностью цилиндра, и вставку, расположенную между концами разрезного кольца с образованием замка, при этом согласно предложению торцевые поверхности на концах разрезного кольца размещены под углом относительно друг друга, вставка выполнена клиновидной с клином направленным к цилиндру, а поверхности клина контактируют с торцевыми поверхностям кольца, а поршневое уплотнение снабжено средством поджима клиновидной вставки в направлении к цилиндру.

Клиновидная вставка может быть установлена в контакте с внутренней поверхностью цилиндра или с зазором по отношению к внутренней поверхности цилиндра.

По меньшей мере, на часть поверхности кольца может быть нанесено антифрикционное покрытие.

В первом варианте выполнения средство поджима расположено между вставкой и поршнем с обеспечением отжатия вставки относительно поршня.

При этом средство поджима может быть выполнено в виде упругой пластины, контактирующей своей средней частью с поршнем и краями - с вставкой.

Кроме того, средство поджима может быть выполнено в виде подпружиненного элемента, расположенного в выточке в поршне и контактирующего с вставкой.

Также средство поджима может быть выполнено в виде упругого выступа на вставке, контактирующего с поршнем.

Во втором варианте выполнения средство поджима выполнено с возможностью отжатия вставки относительно разрезного кольца.

При этом средство поджима может быть выполнено в виде расположенной между вставкой и поршнем упругой пластины, края которой расположены в углублениях на торцевых поверхностях разрезного кольца, а средняя часть которой контактирует со вставкой.

Настоящая полезная модель поясняется чертежами.

На фиг.1 показано уплотнение в сборе.

На фиг.2 показано уплотнение в разобранном состоянии.

На фиг.3, 4 показан вариант конструкции уплотнения со вставленной в кольцо упругой пластиной.

На фиг.5-7 показан вариант конструкции уплотнения с подпружиненным элементом, расположенным в выточке поршня. На фиг.6 (б) показано место Т на фиг.6 (а) в увеличенном виде.

На фиг.8 показан вариант конструкции уплотнения с размещением вставки с зазором относительно поверхности цилиндра.

На фиг.9-10 показан вариант конструкции уплотнения с упругим выступом на вставке.

На фиг.11 (а) показано кольцо с антифрикционным покрытием, на фиг.11 (б) - сечение А-А на фиг.11 (а).

На фиг.12 показано теплоотводное кольцо.

На фиг.13-14 показан общий вид поршневого уплотнения.

Поршневое уплотнение содержит, по меньшей мере, одно разрезное кольцо 3, установленное в канавке поршня 2 и контактирующее с внутренней поверхностью цилиндра 1. Торцевые поверхности А и В кольца 3 расположены под углом г по отношении друг к другу (фиг.1). При этом между указанными поверхностями размещена клиновидная вставка 4, клин которой направлен к цилиндру 1. Уплотнение также содержит средство 5 поджима клиновидной вставки 4 в направлении к цилиндру 1.

При выполнении уплотнения с вставкой 4, контактирующей с цилиндром 4, радиус кривизны ее наружной поверхности предпочтительно совпадает с радиусом внутренней поверхности цилиндра 1.

Плоскость С проходит через центральную ось Р наружной цилиндрической поверхности кольца 3 и точку М. (см. Фиг.1) Точка М образуется из пересечения линии М и плоскости С. Линия М образуется как пересечение плоскостей А и В. Плоскости А и В расположены так, что находящиеся на плоскости С ось Р и точка М расположены с разных сторон относительно сечения клиновидной вставки 4 плоскостью С.

Угол r может иметь несколько градаций:

- от нуля до предельного угла самоторможения. Углом самоторможения считается угол, в пределах которого кольцо 3 через плоскости А и В будет не способно отжать клиновидную вставку 4 от цилиндра 1.

- от предельного угла самоторможения до угла, в пределах которого клиновидная вставка 4 может быть отжата от цилиндра 1 кольцом 3 через плоскости А и В.

При этом чем меньше угол r, тем меньше ресурс работы уплотнения.

В клиновидной вставке 4 угол r₁ может отличаться от угла r₂. В этом случае будет происходить движение поршневого кольца 3 по канавке поршня 2.

Клиновидная вставка 4 предпочтительно выполнена из более мягкого материала по отношению к материалу кольца 3. Кроме того, желательно, чтобы вставка 4 располагалась вдоль оси коленчатого вала.

Возможны два варианта выполнения средства 5 поджатия вставки 4. В первом варианте вставка 4 отжимается относительно поршня 2, во втором - относительно разрезного кольца 3.

В частном случае исполнения второго варианта уплотнения, средство 5 поджима может быть выполнено в виде упругой пластины размещенной в проточках на торцевых поверхностях кольца 3 (фиг.2, 3). Такая конструкция позволяет уменьшить колебательное воздействие поршня 2 на вставку 4 и средство 5 поджима при перемещении поршня 2 в горизонтальной плоскости.

В первом варианте выполнения средство 5 поджима может иметь конструкцию, обеспечивающую отжим клиновидной вставки 4 в любом месте поршня 2 (см. фиг.1) или в определенном месте, как показано на фиг.5-8. В первом случае элементы отжимного механизма не связаны с поршнем, а во втором случае - соединены с ним. В первом случае средство 5 поджима может быть выполнено, например, в виде упругой пластины, контактирующей своей средней частью с поршнем 2 и краями - с вставкой 4. Во втором случае средство 5 поджима может быть выполнено в виде подпружиненного элемента, расположенного в выточке в поршне 2 и контактирующего с вставкой 4.

Поверхности А и В могут иметь зубчатую форму (фиг.6 (б)). В этом случае в процессе замыкания вставки 4 с поршневым кольцом 3 в нагретом состоянии вставка 4 не будет перемещаться к оси поршня 2 под действием собственных инерционных сил.

В первом варианте выполнения средство 5 поджима может быть выполнено в виде упругого выступа на вставке 4 (фиг.9-10).

Клиновидная вставка 4 может быть установлена в контакте с поверхностью цилиндра 1 (фиг.1-7) или с зазором (фиг.8). Во втором случае наружная поверхность вставки 4 может иметь любую форму. При этом на фиг.8: D₂ - диаметр поршня, а К - длина отрезка от максимально близкой к цилиндру 1 точки вставки 4 до противоположной точки цилиндра 1. Указанный отрезок К должен проходить через центр цилиндра 1. В предлагаемом варианте необходимо в поршневой канавке укладывать не менее двух поршневых колец. В этом случае, вставки 4 не должны совпадать по угловому положению, и поршневые кольца 3 должны быть зафиксированы от взаимного перемещения относительно друг друга.

В холодном состоянии между поршневым кольцом 3 и вставкой 4 может быть тепловой зазор, что не влияет на работоспособность кольцевого узла.

Чтобы уменьшить воздействие поршня 2 на кольцо 3 при перемещении поршня 2 в горизонтальной плоскости, на нижнюю поверхность кольца 3 можно нанести антифрикционное покрытие (например «Molykote D10») (фиг.11), если это не ухудшит отвод тепла от поршня к цилиндру. Для этого необходимо, чтобы расстояние Е от покрытия до края кольца было больше зазора между цилиндром и поршнем. Если за счет нанесения антифрикционного покрытия на торец кольца 3 отвод тепла ухудшится, то антифрикционное покрытие можно наносить на второе кольцо, при этом первое кольцо можно изготавливать П-образной формы в поперечном сечении (фиг.12). На наружной цилиндрической поверхности первого кольца могут быть выполнены несколько пазов.

Внутренняя поверхность вставки 4 может быть любой формы во всех предлагаемых случаях, но не должна упираться в поршень 2.

По мере износа вставки 4 ее угол r будет оставаться неизменным, но угол r поршневого кольца 3 будет уменьшаться, тем самым торцевой стык кольца 3 и вставки 4 около цилиндра 1 (место Н, фиг.7) будет незначительно увеличиваться. Это увеличение угла может положительно влиять на работу уплотнения.

В связи с этим в настоящей полезной модели возможно между торцевой плоскостью поршневого кольца 3 и торцевой плоскостью вставки 4 предусмотреть небольшой угол «е» с центром угла Н около поверхности цилиндра 1 (фиг.7).

Работа поршневого уплотнения осуществляется следующим образом.

Вставка 4 при износе прижимается к цилиндру 1, обеспечивая нулевой зазор с цилиндром 1, и разжимает кольцо 3 через плоскости А и В. При этом кольцо 3 изнашивается со стороны наружного диаметра, плоскости А и В раздвигаются с образованием зазора. За счет средства 5 поджима вставка 4 прижимается к цилиндру 1 с обеспечением ее износа со стороны наружной поверхности, при этом зазоры между плоскостями А и В кольца 3 и вставки 4 замыкаются.

Оптимальные параметры работы машины обеспечиваются за счет выбора угла r, а также характеристик износа кольца 3 и вставки 4.

При перемещении (рабочем износе) вставки 4 на 1 мм цилиндр 1 изнашивается на 0,3 мм, что может соответствовать полному его эксплуатационному ресурсу.

Таким образом, в предлагаемой конструкции поршневого уплотнения кольцо 3 прижимается к цилиндру 1 с минимальным усилием, при этом обеспечивается наиболее эффективная герметизация камеры сгорания.

При применении предлагаемой конструкции можно отказаться от применения дорогостоящих материалов при изготовлении кольца и других дорогих технологических процессов по напылению покрытия на поверхность поршня.

1. Поршневое уплотнение, содержащее, по меньшей мере, одно разрезное кольцо, установленное в поршневой канавке и контактирующее с внутренней поверхностью цилиндра, и вставку, расположенную между концами разрезного кольца с образованием замка, отличающееся тем, что торцевые поверхности на концах разрезного кольца размещены под углом относительно друг друга, вставка выполнена клиновидной с клином направленным к цилиндру, а поверхности клина контактируют с торцевыми поверхностям кольца, а поршневое уплотнение снабжено средством поджима клиновидной вставки в направлении к цилиндру.

2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что клиновидная вставка установлена в контакте с внутренней поверхностью цилиндра.

3. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что клиновидная вставка установлена с зазором по отношению к внутренней поверхности цилиндра.

4. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, на часть поверхности кольца нанесено антифрикционное покрытие.

5. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что средство поджима расположено между вставкой и поршнем с обеспечением отжатия вставки относительно поршня.

6. Уплотнение по п.5, отличающееся тем, что средство поджима выполнено в виде упругой пластины, контактирующей своей средней частью с поршнем и краями - с вставкой.

7. Уплотнение по п.5, отличающееся тем, что средство поджима выполнено в виде подпружиненного элемента, расположенного в выточке в поршне и контактирующего с вставкой.

8. Уплотнение по п.5, отличающееся тем, что средство поджима выполнено в виде упругого выступа на вставке, контактирующего с поршнем.

9. Уплотнение по п.5, отличающееся тем, что средство поджима выполнено с возможностью отжатия вставки относительно разрезного кольца.

10. Уплотнение по п.9, отличающееся тем, что средство поджима выполнено в виде расположенной между вставкой и поршнем упругой пластины, края которой расположены в углублениях на торцевых поверхностях разрезного кольца, а средняя часть которой контактирует со вставкой.