RU2354840C1

RU2354840C1 - Ice engine cylinder piston seal

Info

Publication number: RU2354840C1
Application number: RU2007142622/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Георгиевич Масленников (RU); Дмитрий Георгиевич Масленников
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-05-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly to piston-type ICE. The proposed ICE cylinder piston seal comprises two resilient seal rings with inclined outer edges abutting on the cylinder wall, arranged unidirectional in one groove of the piston and representing one-piece rings with invariable thickness over their cross section. The rings outer inclined edges form, in the area they abut on the cylinder wall, an enclosed inner chamber constricted, on the piston side, by additional space ring furnished with two diametrically-opposite holes for oil to circulate inside the said inner chamber.

EFFECT: reduced fuel consumption, improved ecology.

1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к объемным поршневым двигателям внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering, in particular to volumetric reciprocating internal combustion engines.

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания (RU, №2282739, F02F 5/00, 14.02.2005), состоящее из двух компрессионных и двух уплотнительных колец, установленных с зазором в одной канавке поршня, и разрезами замков этих колец в противоположные стороны соответственно в каждой паре. Такая конструкция уплотнения уменьшает утечку рабочих газов через замковые разрезы колец и тем самым позволяет полнее использовать энергию сгорания топлива.Known piston seal for an internal combustion engine (RU, No. 2282739, F02F 5/00, 02/14/2005), consisting of two compression and two sealing rings installed with a gap in one groove of the piston, and cuts of the locks of these rings in opposite directions, respectively, in each pair. This design of the seal reduces the leakage of working gases through the castle sections of the rings and thereby allows more complete use of the energy of combustion of fuel.

Однако недостатком этой конструкции является утечка газов через зазоры в канавке поршня и замковые разрезы в кольцах в момент перекладки поршня около верхней мертвой точки, когда давление рабочих газов является максимальным. Кроме того, не исключается вертикальное смещение внутренних уплотнительных колец относительно внешних компрессионных, что откроет монтажные разрезы в них для прохода газов.However, the disadvantage of this design is the leakage of gases through the gaps in the piston groove and the lock cuts in the rings at the moment of piston shifting near the top dead center, when the working gas pressure is maximum. In addition, vertical displacement of the internal sealing rings relative to the external compression rings is not ruled out, which will open the mounting sections in them for the passage of gases.

В машиностроении известны так называемые «манжетные» уплотнения, широко применяемые в гидравлике и в деталях машин при жидкой смазке подшипниковых узлов (Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1978. - 352 с., стр.116). Манжетное уплотнение представляет собой эластичное резиновое или пластмассовое кольцо с отогнутой внешней или внутренней кромкой. Устанавливается кольцо отогнутой кромкой в сторону уплотняемого объема. Хорошая герметичность в подвижном соединении достигается за счет прижатия отогнутой манжетной кромки кольца давлением рабочей жидкости к стенкам цилиндра или к валу. При небольших давлениях жидкости манжетная кромка может дополнительно прижиматься к валу специальной браслетной пружиной.In mechanical engineering, the so-called "lip" seals are widely used, which are widely used in hydraulics and in machine parts for the liquid lubrication of bearing assemblies (PF Dunaev, Design of machine components and parts: Textbook for universities. - 3rd ed., Revised. and add. - M.: Higher School, 1978.- 352 p., p. 116). A lip seal is an elastic rubber or plastic ring with a bent outer or inner edge. The ring is installed with a bent edge towards the volume to be sealed. Good tightness in the movable joint is achieved by pressing the bent lip of the ring by pressing the working fluid pressure to the walls of the cylinder or to the shaft. At low liquid pressures, the lip of the lip can additionally be pressed against the shaft with a special bracelet spring.

Недостатком такого уплотнения является невозможность его многофункционального использования, например в машинах с высокой температурой уплотняемого объема, т.к. материал колец не позволяет применять их при высоких температурах.The disadvantage of such a seal is the impossibility of its multifunctional use, for example, in machines with a high temperature of the volume being sealed, because the material of the rings does not allow their use at high temperatures.

Прототипом заявляемого изобретения является уплотнение поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов / Н.X.Дьяченко, Б.А.Харитонов, В.М.Петров и др; под ред. Н.X.Дьяченко. - Л. Машиностроение, 1979. - 392 с.; стр.236), содержащее два упругих уплотнительных кольца с наклонными внешними кромками, прилегающими к стенке цилиндра, установленными однонаправлено в одной канавке поршня. Кольца выполнены разрезными, имеют фигурное переменное сечение и установлены в одной канавке поршня с зазором. Кроме того, по окружности каждого кольца, с определенным шагом выполнены радиальные отверстия для циркуляции масла.The prototype of the claimed invention is a piston seal in the cylinder of an internal combustion engine (Design and calculation of internal combustion engines: Textbook for high schools / N.X. Dyachenko, B.A. Kharitonov, V.M. Petrov and others; edited by N.X. Dyachenko. - L. Mechanical Engineering, 1979. - 392 p .; p.236), containing two elastic sealing rings with inclined outer edges adjacent to the cylinder wall, installed unidirectionally in one piston groove. The rings are made split, have a curly variable cross-section and are installed in one piston groove with a gap. In addition, along the circumference of each ring, with a certain step, radial holes are made for oil circulation.

К недостаткам такого уплотнения следует отнести, во-первых, монтажный разрез каждого кольца, необходимый для создания упругости кольца и для установки его на поршень и зазоры в посадочной канавке, с которыми кольца установлены на поршне. Через эти зазоры и монтажные разрезы газы под давлением проникают в подпоршневое пространство. Во-вторых, узкий функциональный диапазон применения такого уплотнения - в основном для удаления излишков масла со стенок цилиндра. Тонкие наклонные внешние кромки упругих колец и система отверстий в них не позволяют их использовать в качестве основных уплотняющих (компрессионных), из-за возможного перегрева тонких наклонных внешних кромок и утечки рабочих газов через отверстия.The disadvantages of such a seal include, firstly, the mounting section of each ring, necessary to create the elasticity of the ring and to install it on the piston and the gaps in the landing groove with which the rings are mounted on the piston. Through these gaps and mounting cuts, gases under pressure penetrate into the sub-piston space. Secondly, the narrow functional range of application of such a seal is mainly to remove excess oil from the cylinder walls. The thin inclined outer edges of the elastic rings and the system of holes in them do not allow them to be used as the main sealing (compression), due to the possible overheating of the thin inclined external edges and the leakage of working gases through the holes.

Задачей изобретения является обеспечение герметичности и увеличение срока службы уплотнения поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.The objective of the invention is to ensure tightness and increase the service life of the piston seal in the cylinder of an internal combustion engine.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД использования энергии топлива, уменьшение удельного расхода топлива, увеличение эффективной мощности двигателя, уменьшение выброса вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах.The technical result of the invention is to increase the efficiency of fuel energy use, reduce specific fuel consumption, increase engine effective power, reduce the emission of harmful and polluting impurities in exhaust gases.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в уплотнении поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащем два упругих уплотнительных кольца с наклонными внешними кромками, прилегающими к стенке цилиндра, установленными однонаправлено в одной канавке поршня, согласно изобретению кольца выполнены цельными, постоянной толщины по сечению, внешние наклонные кромки колец в зоне прилегания к стенке цилиндра расположены с возможностью их смыкания и образования замкнутой внутренней полости, которая со стороны поршня ограничена дополнительно установленным распорным кольцом, при этом в распорном кольце выполнены два диаметрально противоположно расположенных отверстия для циркуляции масла во внутренней полости.The task and the specified technical result are achieved by the fact that in the piston seal in the cylinder of an internal combustion engine containing two elastic sealing rings with inclined outer edges adjacent to the cylinder wall installed unidirectionally in one piston groove, according to the invention, the rings are made of solid, constant thickness cross-section, the external inclined edges of the rings in the area of contact with the cylinder wall are located with the possibility of their closure and the formation of a closed internal cavity, which bounded by the piston additionally set spacer ring, wherein the spacer rings are made in two diametrically oppositely located apertures for circulating oil in the internal cavity.

Выполнение колец цельными позволяет избавиться от монтажного разреза каждого кольца и тем самым исключить утечку газов через эти разрезы, что обеспечивает достижение поставленной задачи - герметичности газового стыка.Making rings integral allows you to get rid of the mounting section of each ring and thereby eliminate gas leakage through these sections, which ensures the achievement of the task - tightness of the gas joint.

Выполнение колец постоянной толщины по сечению позволяет изготавливать кольца штампованными из тонкого упругого листового металла, тем самым упростить технологию их изготовления и придать упругость внешним наклонным кромкам колец. За счет упругости наклонных кромок обеспечивается начальное прижатие и пропорциональное поджатие этих наклонных кромок колец к стенкам цилиндра, в зависимости от давления газов в рабочем объеме цилиндра. Это, в свою очередь, исключает пропуск газов по окружности уплотнения и повышает КПД использования энергии топлива, уменьшает его расход и выбросы вредных примесей.The implementation of rings of constant thickness over the cross section allows one to produce rings stamped from thin elastic sheet metal, thereby simplifying the technology of their manufacture and giving elasticity to the external inclined edges of the rings. Due to the elasticity of the inclined edges, the initial compression and proportional compression of these inclined edges of the rings to the cylinder walls is provided, depending on the gas pressure in the cylinder working volume. This, in turn, eliminates the passage of gases around the circumference of the seal and increases the efficiency of fuel energy use, reduces its consumption and emissions of harmful impurities.

Смыкание наклонных внешних кромок колец в зоне прилегания к стенкам цилиндра и установка дополнительного распорного кольца между упругими кольцами в канавке поршня образуют замкнутую внутреннюю полость между уплотнительными кольцами и распорным кольцом, используемую для циркуляции охлаждающего масла. В результате этого исключается перегрев уплотнения и достигается увеличение срока его службы. Кроме того, в процессе работы двигателя осуществляется смазка внешних наклонных кромок колец, трущихся о стенки цилиндра. Происходит это за счет взаимного смещения внешних наклонных кромок колец под действием переменного давления рабочих газов и просачивания охлаждающего масла из внутренней полости через линию контакта колец. Этим также достигается увеличение ресурса уплотнения.The closure of the inclined outer edges of the rings in the area of contact with the cylinder walls and the installation of an additional spacer ring between the elastic rings in the piston groove form a closed internal cavity between the sealing rings and the spacer ring used to circulate the cooling oil. As a result of this, overheating of the seal is eliminated and an increase in its service life is achieved. In addition, during the operation of the engine, the external inclined edges of the rings rubbing against the cylinder walls are lubricated. This happens due to the mutual displacement of the outer inclined edges of the rings under the action of variable pressure of the working gases and the leakage of cooling oil from the internal cavity through the contact line of the rings. This also achieves an increase in compaction life.

Наличие распорного кольца, установленного между упругими кольцами, обеспечивает удержание упругих колец в канавке поршня без зазора, что реализует свойство упругости их внешних наклонных кромок, а также предотвращает утечки охлаждающего масла через неплотности в прилегании колец к поршню.The presence of a spacer ring installed between the elastic rings ensures the retention of the elastic rings in the piston groove without a gap, which implements the elasticity property of their outer inclined edges, and also prevents leakage of cooling oil through leaks in the contact of the rings with the piston.

Два диаметрально противоположные отверстия в распорном кольце позволяют создать условия для направленной циркуляции масла во внутренней полости уплотнения и сделать его охлаждение интенсивным и достаточным для установившейся и долговременной работы.Two diametrically opposite holes in the spacer ring allow creating conditions for the directional circulation of oil in the inner cavity of the seal and make its cooling intense and sufficient for steady and long-term operation.

Изобретение поясняется чертежом, где показано устройство уплотнения поршня.The invention is illustrated in the drawing, which shows a piston sealing device.

Уплотнение состоит из двух упругих уплотнительных колец, верхнего 1 и нижнего 2, с наклонными внешними кромками 3 и 4 для верхнего 1 и нижнего 2 колец соответственно. Кольца 1 и 2 выполнены металлическими. В канавке поршня 5 упругие уплотнительные кольца 1 и 2 удерживаются установленным между ними распорным кольцом 6. Наклонные внешние кромки 3 и 4 направлены в сторону уплотняемого объема цилиндра и в зоне прилегания к стенке цилиндра 7 смыкаются, образуя между собой и распорным кольцом 6 внутреннюю замкнутую полость 8. В распорном кольце 6 выполнены диаметрально противоположно расположенные входное 9 и выходное 10 отверстия для направленной циркуляции в замкнутой полости 8 охлаждающего масла, которое поступает через канал 11 и выводится через отверстие 12, расположенные в поршне 5. Упругие уплотнительные кольца 1 и 2 одинаковы по толщине. Нижнее кольцо 2 имеет меньший угол наклона (отгиба) внешней наклонной кромки 4 относительно стенки цилиндра 7, причем длина внешней наклонной кромки 4 больше длины внешней наклонной кромки 3. Это необходимо для образования замкнутой полости 8 между упругими уплотнительными кольцами 1 и 2 и распорным кольцом 6. Углы наклона внешних кромок колец 3 и 4 к стенке цилиндра 7 и их толщина подобраны так, чтобы площадь контакта кромок 3 и 4 со стенкой цилиндра 7 соответствовала допускаемым напряжениям, возникающим в стенке 7 при давлении газов на внешние наклонные кромки 3 и 4.The seal consists of two elastic sealing rings, upper 1 and lower 2, with inclined outer edges 3 and 4 for the upper 1 and lower 2 rings, respectively. Rings 1 and 2 are made of metal. In the piston groove 5, the elastic sealing rings 1 and 2 are held by a spacer ring 6 installed between them. The inclined outer edges 3 and 4 are directed towards the cylinder volume to be sealed and, in the area of contact with the cylinder wall 7, are closed, forming an internal closed cavity between themselves and the spacer ring 6 8. In the spacer ring 6 there are diametrically opposed inlet 9 and outlet 10 openings for directional circulation in the closed cavity 8 of the cooling oil, which enters through the channel 11 and is discharged through from aperture 12 located in the piston 5. The elastic sealing rings 1 and 2 are the same in thickness. The lower ring 2 has a smaller angle of inclination (bending) of the outer inclined edge 4 relative to the cylinder wall 7, and the length of the outer inclined edge 4 is greater than the length of the outer inclined edge 3. This is necessary for the formation of a closed cavity 8 between the elastic sealing rings 1 and 2 and the spacer ring 6 The angles of inclination of the outer edges of the rings 3 and 4 to the wall of the cylinder 7 and their thickness are selected so that the contact area of the edges 3 and 4 with the wall of the cylinder 7 corresponds to the permissible stresses arising in the wall 7 when the gas pressure on the external pubic edges 3 and 4.

При работе двигателя горячие газы проникают в зазор между поршнем 5 и стенкой цилиндра 7, к наклонной внешней кромке 3 верхнего упругого уплотнительного кольца 1, равномерно прижимая ее к стенке цилиндра 7, при этом внешняя наклонная кромка 4 нижнего упругого уплотнительного кольца 2 также прижимается к стенке цилиндра 7. В замкнутую внутреннюю полость 8 под давлением поступает охлаждающее масло. Обладая высокой теплопроводностью, верхнее кольцо 1 быстро нагревается, но также быстро и отдает тепло охлаждающему маслу, циркулирующему в замкнутой внутренней полости 8. Таким образом, температура верхнего кольца 1 не может подняться выше температуры охлаждающего масла, которое, в свою очередь, хорошо отводит тепло за счет конвективного теплообмена, т.е. интенсивной циркуляции. Интенсивная циркуляция масла в полости 8 осуществляется однонаправлено через входное 9 и выходное 10 отверстия, масло поступает через канал 11 и выводится через отверстие 12.When the engine is running, hot gases penetrate the gap between the piston 5 and the wall of the cylinder 7, to the inclined outer edge 3 of the upper elastic sealing ring 1, uniformly pressing it against the wall of the cylinder 7, while the external inclined edge 4 of the lower elastic sealing ring 2 is also pressed against the wall cylinder 7. Cooling oil enters the closed internal cavity 8 under pressure. Having high thermal conductivity, the upper ring 1 quickly heats up, but also quickly and gives off heat to the cooling oil circulating in the closed internal cavity 8. Thus, the temperature of the upper ring 1 cannot rise above the temperature of the cooling oil, which, in turn, removes heat well due to convective heat transfer, i.e. intense circulation. Intensive oil circulation in the cavity 8 is carried out unidirectionally through the inlet 9 and outlet 10, the oil enters through the channel 11 and is discharged through the hole 12.

Работа данного устройства позволяет обеспечить герметичность и увеличить срок службы уплотнения. За счет применения данного уплотнения повышается эффективность использования энергии топлива, уменьшается удельный расход топлива, увеличивается эффективная мощность двигателя, уменьшается выброс вредных и загрязняющих примесей в выхлопных газах. Кроме того, упрощается технология изготовления самих уплотнительных колец, а для установки на поршень достаточно одного комплекта уплотнения на поршне, которое полностью обеспечит герметичность зазора между поршнем и цилиндром. Установка уплотнения такого типа возможна на других объемных машинах, таких как компрессоры или роторно-поршневые двигатели.The operation of this device allows to ensure tightness and increase the life of the seal. Through the use of this seal, fuel energy efficiency is increased, specific fuel consumption is reduced, engine effective power is increased, and the emission of harmful and polluting impurities in exhaust gases is reduced. In addition, the manufacturing technology of the o-rings themselves is simplified, and for installation on the piston, one set of seals on the piston is sufficient, which will completely ensure the tightness of the gap between the piston and the cylinder. Installation of this type of seal is possible on other bulky machines, such as compressors or rotary piston engines.

Данное изобретение находится на стадии технического предложения.This invention is at the stage of a technical proposal.

Claims

A piston seal in a cylinder of an internal combustion engine, comprising two elastic sealing rings with inclined outer edges adjacent to the cylinder wall, installed unidirectionally in one piston groove, characterized in that the elastic sealing rings are made of solid, constant thickness along the cross section, the outer inclined edges of the rings in adjacent to the cylinder wall are located with the possibility of their closure and the formation of a closed internal cavity, which is additionally limited by the piston spacer ring located in the piston groove between the elastic sealing rings, while in the spacer ring there are two diametrically oppositely arranged openings for circulating oil in the internal cavity.