RU2372506C2

RU2372506C2 - Piston sealing for internal combustion engine

Info

Publication number: RU2372506C2
Application number: RU2007143847/06A
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: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-11-10
Also published as: RU2007143847A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: piston sealing for internal combustion engine includes upper compression ring and lower compression ring, which are located in one and the same piston groove, between them there is an O-ring located at the bottom of piston groove. Between upper and lower compression rings there installed is an additional compression ring, the outer diametre of which is equal to outer diametres of upper and lower compression rings. Between internal vertical surface of the additional compression ring and external vertical surface of O-ring there is an expansion gap. Besides upper edge of the additional compression ring is located in the same plane as upper edge of O-ring is, and lower edge of the additional compression ring - in the same plane as lower edge of O-ring is.

EFFECT: increasing effective power and life time of engine, decreasing oil consumption, and increasing its environmental characteristics.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству, ремонту и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering, and specifically to the design, production, repair and operation of internal combustion engines.

Известны поршневые уплотнения для двигателей внутреннего сгорания, состоящие из отдельных элементов, установленных в одну поршневую канавку (заявка №59-47144, Япония, 1984; авторское свидетельство №1834406, RU, 1989; патент США №2296116, опубл. 1942).Known piston seals for internal combustion engines, consisting of individual elements installed in one piston groove (application No. 59-47144, Japan, 1984; copyright certificate No. 1834406, RU, 1989; US patent No. 2296116, publ. 1942).

Известно поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания, содержащее установленные в поршневой канавке верхнее, среднее и нижнее компрессионные 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, comprising upper, middle and lower compression rings installed in the piston groove, between which a gasket (elastic split ring) is placed, which fits tightly at the bottom of the piston groove and allows the use of fewer rings without compromising seal and cooling, the closest in technical essence and taken as a prototype (application No. 60-30457, Japan, publ. 1985).

Прототип имеет существенный недостаток, который заключается в том, что наличие прокладки предопределяет зазор между компрессионными кольцами в самый 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 снижении основных технико-экономических и экологических характеристиках двигателя.The prototype has a significant drawback, which is that the presence of the gasket determines the gap between the compression rings 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 locks of the piston rings. Working gases, breaking out of the combustion chamber through the gap between the piston and 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 effect on reducing the main technical, economic and environmental characteristics of the engine.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в увеличении эффективной мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода масла, улучшении экологических характеристик.The technical result, which the invention is aimed at, is to increase the effective power and resource of the engine, reduce oil consumption, and improve environmental performance.

Технический результат достигается тем, что в поршневом уплотнении для двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные в одной поршневой канавке верхнее и нижнее компрессионные кольца, между которыми размещено уплотнительное кольцо, плотно сидящее на дне поршневой канавки, новым является то что, между верхним и нижним компрессионными кольцами установлено дополнительное компрессионное кольцо, наружный диаметр которого равен наружным диаметрам верхнего и нижнего компрессионных колец, между внутренней вертикальной поверхностью дополнительного компрессионного кольца и внешней вертикальной поверхностью уплотнительного кольца имеется тепловой зазор, кроме того, верхний торец дополнительного компрессионного кольца лежит в одной плоскости с верхним торцом уплотнительного кольца, а нижний торец в одной плоскости с его нижним торцом.The technical result is achieved in that in a piston seal for an internal combustion engine containing upper and lower compression rings installed in one piston groove, between which a sealing ring is placed tightly sitting on the bottom of the piston groove, the new is that between the upper and lower compression rings an additional compression ring is installed, the outer diameter of which is equal to the outer diameters of the upper and lower compression rings, between the inner vertical surface There is a thermal gap between the additional compression ring and the outer vertical surface of the sealing ring, in addition, the upper end of the additional compression ring lies in the same plane with the upper end of the sealing ring, and the lower end in the same plane with its lower end.

Уплотнительное кольцо, расположенное в поршневой канавке между верхним и нижним компрессионными кольцами, выполнено упругим, разрезным.The sealing ring located in the piston groove between the upper and lower compression rings is made elastic, split.

На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.The drawing shows a partial section of an internal combustion engine.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2. Поршневое уплотнение для двигателя внутреннего сгорания включает размещенные в одной поршневой канавке 3 верхнее компрессионное кольцо 4 и нижнее компрессионное кольцо 5, между которыми имеется уплотнительное кольцо 6, плотно сидящее на дне поршневой канавки 3 и выполненное упругим, разрезным. Между верхним 4 и нижним 5 компрессионными кольцами установлено дополнительное компрессионное кольцо 7, наружный диаметр которого равен наружным диаметрам верхнего 4 и нижнего 5 компрессионных колец. Между внутренней вертикальной поверхностью дополнительного компрессионного кольца 7 и внешней вертикальной поверхностью уплотнительного кольца 6 имеется тепловой зазор. Кроме того, верхний торец дополнительного компрессионного кольца 7 лежит в одной плоскости с верхним торцом уплотнительного кольца 6, а нижний торец дополнительного компрессионного кольца 7 - в одной плоскости с нижним торцом уплотнительного кольца 6.The internal combustion engine comprises a cylinder 1, a piston 2. A piston seal for an internal combustion engine includes an upper compression ring 4 and a lower compression ring 5 arranged in one piston groove 3, between which there is an o-ring 6 that fits tightly on the bottom of the piston groove 3 and is made elastic cut. Between the upper 4 and lower 5 compression rings, an additional compression ring 7 is installed, the outer diameter of which is equal to the outer diameters of the upper 4 and lower 5 compression rings. Between the inner vertical surface of the additional compression ring 7 and the outer vertical surface of the sealing ring 6 there is a thermal gap. In addition, the upper end of the additional compression ring 7 lies in the same plane with the upper end of the sealing ring 6, and the lower end of the additional compression ring 7 is in the same plane with the lower end of the sealing ring 6.

Поршневое уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «сжатие» рабочие газы через зазор между поршнем 2 и цилиндром 1, далее через зазор в замке верхнего компрессионного кольца 4 и зазор между верхним торцом верхнего компрессионного кольца 4 и верхней полкой поршневой канавки 3, попадают в ограниченную уплотнительным кольцом 6 придонную полость поршневой канавки 3, создавая дополнительные усилия прижима верхнего компрессионного кольца 4 к стенке цилиндра 1. Часть этих рабочих газов дросселируются через неприкрытый верхним кольцом 4 зазор в замке уплотнительного кольца 6 в тепловой зазор между внутренней вертикальной поверхностью дополнительного компрессионного кольца 7 и внешней вертикальной поверхностью уплотнительного кольца 6, создавая дополнительные усилия прижима дополнительного компрессионного кольца 7 к стенке цилиндра 1 и уплотнительного кольца 6 к дну поршневой канавки 3. Нижнее компрессионное кольцо 5 перекрывая зазор в замке дополнительного компрессионного кольца 7 замыкает схему эффективного уплотнения между поршнем 2 и цилиндром 1.The piston seal operates as follows. When the piston 2 moves to the upper position on the “compression” stroke, the working gases through the gap between the piston 2 and cylinder 1, then through the gap in the lock of the upper compression ring 4 and the gap between the upper end of the upper compression ring 4 and the upper shelf of the piston groove 3, the bottom cavity of the piston groove 3 bounded by the sealing ring 6, creating additional pressure forces to press the upper compression ring 4 against the cylinder wall 1. Some of these working gases are throttled through the gap that is not covered by the upper ring 4 and locks e of the sealing ring 6 into the thermal gap between the inner vertical surface of the additional compression ring 7 and the outer vertical surface of the sealing ring 6, creating additional pressure forces the additional compression ring 7 to the wall of the cylinder 1 and the sealing ring 6 to the bottom of the piston groove 3. Blocking the lower compression ring 5 the gap in the lock of the additional compression ring 7 closes the effective sealing circuit between the piston 2 and the cylinder 1.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «рабочий ход», поршневое уплотнение работает аналогично, за счет избыточного давления в цилиндре 1, имеющегося до конца рабочего хода.When the piston 2 moves to the lower position on the “stroke” stroke, the piston seal works similarly, due to the excess pressure in the cylinder 1, which is available until the end of the stroke.

При движении поршня 2 в верхнее положение на такте «выпуск» за счет центробежных сил и сил трения компрессионных колец 4, 5 и 7 о стенку цилиндра 1, пакет колец остается в прежнем положении, прижатым к нижней полке поршневой канавки 3, осуществляя полный выхлоп отработанных газов из камеры сгорания.When the piston 2 moves to the upper position on the “release” stroke due to the centrifugal and friction forces of the compression rings 4, 5 and 7 against the cylinder wall 1, the ring pack remains in the same position, pressed against the lower flange of the piston groove 3, fully exhausting the exhaust gases from the combustion chamber.

При движении поршня 2 в нижнее положение на такте «впуск» за счет инерционных сил и сил трения о стенку цилиндра 1, компрессионные кольца 4, 5 и 7 смещаются к верхней полке поршневой канавки 3 в пределах гарантированного зазора между торцами компрессионных колец 4 и 7 и полками поршневой канавки 3, образуя зазор между нижним торцом нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5 и нижней полкой поршневой канавки 3, в который устремляется масло, снимаемое нижним торцом нижнего компрессионного кольца 5 со стенки цилиндра 1. Не нужному проникновению масла далее в придонную полость поршневой канавки 3 препятствует уплотнительное кольцо 6, которое перекрыло основной путь расхода масла на угар. Кроме того, устранение попадания масла в придонную полость поршневой канавки 3 и встречного прорыва высокотемпературных газов, существенно сокращает нагарообразование и коксование на внутренних поверхностях поршневой канавки 3 и компрессионных колец 4, 5 и 7, увеличивая ресурс деталей цилиндропоршневой группы и двигателя в целом.When the piston 2 moves to the lower position on the “intake” stroke due to inertial and friction forces against the cylinder wall 1, the compression rings 4, 5 and 7 are shifted to the upper shelf of the piston groove 3 within the guaranteed clearance between the ends of the compression rings 4 and 7 and shelves of the piston groove 3, forming a gap between the lower end of the lower end of the lower compression ring 5 and the lower shelf of the piston groove 3, into which the oil flows, removed by the lower end of the lower compression ring 5 from the cylinder wall 1. Unnecessary penetration oil further into the bottom cavity of the piston groove 3 prevents the sealing ring 6, which blocked the main path of oil consumption for waste. In addition, eliminating the ingress of oil into the bottom cavity of the piston groove 3 and the oncoming breakthrough of high-temperature gases, significantly reduces carbon formation and coking on the inner surfaces of the piston groove 3 and compression rings 4, 5 and 7, increasing the life of the parts of the piston group and the engine as a whole.

Разработанная конструкция поршневого уплотнения наряду с простотой конструкции и технологичностью ее изготовления, обеспечивает надежное уплотнение между поршнем 2 и цилиндром 1, хорошую теплопередачу от перегретой головки поршня 2 к охлаждаемому цилиндру 1.The developed design of the piston seal, along with the simplicity of the design and the manufacturability of its manufacture, provides reliable sealing between the piston 2 and cylinder 1, good heat transfer from the overheated piston head 2 to the cooled cylinder 1.

Устранение прорыва рабочих газов из цилиндра 1 в картер двигателя увеличивает «срабатываемость» рабочего давления, повышая КПД двигателя и основные технико-экономические характеристики. Кроме того, исключается отрицательное воздействие высокотемпературных рабочих газов на охлаждающее масло, тем самым существенно снижается появление навара, коксование компрессионных и маслосъемных колец, что очень важно для отечественных дизелей, работающих на минеральных маслах.The elimination of the breakthrough of working gases from cylinder 1 into the crankcase increases the "response" of the working pressure, increasing the efficiency of the engine and the main technical and economic characteristics. In addition, the negative effect of high-temperature working gases on the cooling oil is excluded, thereby significantly reducing the appearance of broth, coking of compression and oil scraper rings, which is very important for domestic diesel engines running on mineral oils.

Дополнительное компрессионное кольцо уплотняет пространство между поршнем и цилиндром, и вместе с верхним и нижним компрессионными кольцами осуществляет теплопередачу от перегретой головки поршня к охлаждаемому цилиндру.An additional compression ring seals the space between the piston and the cylinder, and together with the upper and lower compression rings, transfers heat from the superheated piston head to the cylinder to be cooled.

Таким образом, исключается основной прорыв высокотемпературных рабочих газов через зазоры в замках компрессионных колец и уменьшается расход моторного масла через зазоры в замках колец.Thus, the main breakthrough of high-temperature working gases through the gaps in the locks of the compression rings is eliminated and the consumption of engine oil through the gaps in the locks of the rings is reduced.

Существенное уменьшение утечки рабочих газов позволяет повысить компрессию и мощность двигателя, снизить расход топлива и моторного масла, увеличить ресурс двигателя за счет снижения нагарообразования и коксования поршневых колец и поршневой канавки, улучшить экологические характеристики двигателя. Пакетный принцип расположения компрессионных колец позволяет применять компрессионные кольца менее грубые с меньшей высотой, к тому же упростить конструкцию поршня, используя только одну поршневую канавку.Significant reduction of working gas leakage allows to increase compression and engine power, reduce fuel and engine oil consumption, increase engine life by reducing carbon deposits and coking of piston rings and piston grooves, and improve the environmental performance of the engine. The batch principle of arrangement of compression rings allows the use of compression rings that are less coarse with a lower height, and also simplify the design of the piston using only one piston groove.

Качественное уплотнение между поршнем и цилиндром дает возможность исключить применение системы турбонаддува и его агрегатов в конструкции двигателя.A high-quality seal between the piston and the cylinder makes it possible to exclude the use of the turbocharging system and its units in the engine design.

Компактная конструкция поршневого уплотнения позволит сократить длину поршня и его вес, положительно отражаясь, как на экономии металла и упрощении технологии производства поршней, так и на динамических характеристиках двигателя. Это особенно существенно в массовых производствах легких бензиновых двигателях и в мелкосерийных производствах мощных и сверхмощных дизелей.The compact design of the piston seal will reduce the length of the piston and its weight, positively affecting both the economy of metal and the simplification of piston production technology and the dynamic characteristics of the engine. This is especially significant in mass production of light gasoline engines and in small-scale production of powerful and heavy-duty diesel engines.

Расположение компрессионных колец в одной-единственной поршневой канавке, позволяет использовать такую конструкцию при ремонте двигателей, расширив поршневую канавку в серийном поршне, используя серийные компрессионные кольца 4, 5 и расточив серийное компрессионное кольцо до размера внутреннего диаметра дополнительного компрессионного кольца 7. Единственной деталью, которую необходимо будет изготовить - это упругое разрезное уплотнительное кольцо.The location of the compression rings in a single piston groove allows you to use this design for engine repairs by expanding the piston groove in the serial piston using serial compression rings 4, 5 and bore the serial compression ring to the size of the inner diameter of the additional compression ring 7. The only part that It will be necessary to make - this is an elastic split sealing ring.

Разработанное высокоэффективное поршневое уплотнение обеспечит увеличение КПД, мощности и ресурса двигателя, снижение расхода топлива и масла, улучшение экологических характеристик.The developed high-performance piston seal will provide an increase in efficiency, engine power and resource, lower fuel and oil consumption, and improve environmental performance.

Claims

1. A piston seal for an internal combustion engine, comprising upper and lower compression rings installed in one piston groove, between which there is a sealing ring that fits tightly on the bottom of the piston groove, characterized in that an additional compression ring is installed between the upper and lower compression rings, the outer the diameter of which is equal to the outer diameters of the upper and lower compression rings, between the inner vertical surface of the additional compression ring the outer vertical surface of the sealing ring has a thermal gap, in addition, the upper end of the additional compression ring is coplanar with the upper end face of the seal ring and the lower end of the additional compression ring - in the same plane with the lower end face of the sealing ring.

2. The piston seal according to claim 1, characterized in that the sealing ring is elastic, split.