Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Реферат

 

В поршневом ДВС, в частности дизельном двигателе с большим рабочим объемом, содержащем по меньшей мере один расположенный в цилиндре поршень, который снабжен кольцевыми канавками, в каждой из которых расположено соответствующее, по меньшей мере частично прилегающее с усилием к цилиндру поршневое кольцо, концы которого ограничивают зазор, по меньшей мере самое верхнее поршневое кольцо имеет несколько канавок, расположенных в зоне его наружной поверхности, причем канавки в исходном состоянии имеют суммарное поперечное сечение, которое не больше поперечного сечения зазора, ограниченного концами изношенного поршневого кольца. Технический результат: увеличение срока службы. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к поршневому двигателю внутреннего сгорания, в частности к дизельному двигателю с большим рабочим объемом, содержащему по меньшей мере один расположенный в цилиндре поршень, который снабжен кольцевыми канавками, в которых расположено по меньшей мере частично соответствующее, прилегающее с усилием к цилиндру, открытое поршневое кольцо, концы которого ограничивают зазор, причем по меньшей мере одно поршневое кольцо имеет несколько канавок, расположенных в зоне его наружной поверхности.

Ограниченный концами открытого поршневого кольца зазор образует проход утечки, через который зона над соответствующим поршневым кольцом соединена с зоной под этим поршневым кольцом и через который давление газообразных продуктов сгорания может соответственно распространяться сверху вниз. До настоящего времени открытые на концах поршневые кольца имеют только один проход утечки в виде ограниченного концами зазора. Поэтому может происходить тепловая перегрузка противоположной зазору зоны следующего поршневого кольца. Это может приводить к потере упругости поршневого кольца и к поломке соответствующего поршневого кольца. Другим недостатком является то, что ширина в свету и тем самым поперечное сечение ограниченного концами поршневого кольца зазора увеличивается по мере износа поршневого кольца. Это приводит в процессе работы к увеличению давления в нижней зоне, что является нежелательным.

В GB 2124332 A раскрыто прилегающее с усилием к цилиндру, открытое поршневое кольцо, которое снабжено выполненными на наружной поверхности канавками. Однако при этом речь идет не о проходах утечки, а о смазочных канавках, которые не проходят по всей высоте поршневого кольца. Канавки, выполняющие функцию проходов утечки, не предусмотрены.

В WO 94/12815 раскрыто поршневое кольцо с выполненными на наружной поверхности, проходящими по всей высоте поршневого кольца канавками. Однако, в этом известном поршневом кольце речь идет о закрытом со стороны наружной поверхности поршневом кольце с газонепроницаемо накладывающимися друг на друга концами. В случае износа поперечное сечение выполненной на наружной поверхности канавки уменьшается, за счет чего уменьшается распространение давления вниз. Следствием этого является то, что нагрузка самого верхнего поршневого кольца увеличивается так, что возникает опасность поломки, в то время как сжимающая нагрузка нижних поршневых колец недопустимо снижается.

Исходя из этого, задачей данного изобретения является такое усовершенствование устройства указанного выше типа с помощью простых и экономичных средств, которое обеспечивает выравнивание механической и термической нагрузок поршневых колец комплекта поршневых колец.

Эта задача согласно изобретению решается тем, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, в частности дизельном двигателе с большим рабочим объемом, содержащем по меньшей мере один расположенный в цилиндре поршень, который снабжен кольцевыми канавками, в каждой из которых расположено соответствующее, по меньшей мере частично прилегающее с усилием к цилиндру открытое поршневое кольцо, концы которого ограничивают зазор, причем по меньшей мере одно поршневое кольцо имеет несколько канавок, расположенных в зоне его наружной поверхности, согласно изобретению образующие проходы утечки канавки в исходном состоянии имеют суммарное поперечное сечение, которое не больше поперечного сечения зазора, ограниченного концами изношенного поршневого кольца.

С помощью этих мер можно полностью устранить указанные выше недостатки. Выполненные на наружной поверхности канавки образуют дополнительные проходы утечки, которые приводят к надежному выравниванию тепловых и механических нагрузок соответствующего нижнего поршневого кольца. Предпочтительно выполнять все поршневые кольца комплекта поршневых колец указанным выше образом, так что обеспечивается выравнивание по всему комплекту поршневых колец. С помощью мер согласно изобретению обеспечивается то, что сумма поперечных сечений всех проходов утечки при износе одного поршневого кольца согласно изобретению остается примерно постоянной. В случае износа ширина в свету зазора, ограниченного концами поршневого кольца, увеличивается. Однако одновременно уменьшается глубина наружных канавок, так что увеличение поперечного сечения в зоне зазора компенсируется или во всяком случае уменьшается, так что в течение длительного срока службы сжимающая нагрузка поршневых колец остается приблизительно одинаковой. В соответствии с этим меры согласно изобретению обеспечивают в целом сравнительно продолжительный срок службы поршневых колец и тем самым отличную общую экономичность.

Целесообразные варианты выполнения и предпочтительные модификации указанных выше мер приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Так, например, сумма поперечных сечений наружных канавок поршневого кольца может составлять предпочтительно около 80% поперечного сечения зазора, ограниченного его концами в изношенном состоянии. При этом речь идет об установленном на практике оптимальном значении, которое обеспечивает то, что сумма поперечных сечений всех проходов утечки во время срока службы остается примерно одинаковой.

Другая предпочтительная мера может состоять в том, что наружные канавки и ограниченный концами зазор равномерно распределены по периферии соответствующего поршневого кольца. За счет этого обеспечивается особенно равномерное распределение нагрузок по всей периферии.

Предпочтительно снабдить все поршневые кольца зазором и наружными канавками. Этим обеспечивается то, что на все поршневые кольца одного комплекта действуют примерно одинаковые нагрузки. Одновременно это обеспечивает простое складирование и монтаж.

Другая целесообразная мера может состоять в том, что канавки проходят по меньшей мере частично параллельно зазору, ограниченному концами соответствующего поршневого кольца и проходящему предпочтительно наклонно относительно оси поршня. За счет этого достигается то, что наружные канавки вследствие их наклона приводят при работе к надежному вращению соответствующего поршневого кольца, что также положительно сказывается на выравнивании нагрузки, в частности на выравнивании тепловой нагрузки на хромовое покрытие, соответствующее поршневым кольцам, выполненное предпочтительно на поршне.

Кроме того, для выравнивания тепловой нагрузки по высоте поршневых колец может быть целесообразным, если наружные канавки имеют по меньшей мере частично различную конфигурацию, например имеют параллельные и непараллельные боковые поверхности.

Другие предпочтительные варианты выполнения и целесообразные модификации указанных выше мер приведены в остальных зависимых пунктах формулы изобретения, а также следуют из последующего описания примера выполнения с помощью чертежей.

На указанных ниже чертежах изображено: фиг. 1 - частичный вид в разрезе цилиндропоршневой группы поршневого двигателя внутреннего сгорания и фиг.2 - вид в перспективе поршневого кольца согласно изобретению.

На фиг. 1 показан поршень 1, который расположен с возможностью осевого перемещения в цилиндре 2. Изображенная здесь цилиндропоршневая группа принадлежит к поршневому двигателю внутреннего сгорания, например к дизельному двигателю с большим рабочим объемом, применяемому, например, в судовых силовых установках. Конструкция и принцип действия таких поршневых двигателей внутреннего сгорания сами по себе известны.

Поршень 1 снабжен комплектом поршневых колец, состоящим из нескольких расположенных друг над другом поршневых колец 3. За счет этого комплекта поршневых колец уплотняется расположенная над поршнем 1 камера 4 сгорания относительно расположенной под поршнем 1 кривошипной камеры. Поршневые кольца 3 расположены в соответствующих канавках 6, прорезанных по периферии поршня 1, и прилегают своей наружной поверхностью к внутренней поверхности цилиндра 2. Канавки 6 имеют по отношению к соответствующему поршневому кольцу 3 настолько большие радиальные и осевые размеры, что над поршневым кольцом 3 и радиально внутри него образуются зазоры 7, 8. Проникающие в эти зазоры 7, 8 газы вызывают усилия сжатия, действующие на поршневые кольца в радиальном и осевом направлениях.

Между кольцевыми канавками 6 образуются кольцевые перемычки 9, к которым прилегает соответствующее поршневое кольцо 3. Опорная поверхность перемычек 9 для обеспечения хороших свойств скольжения снабжена хромовым покрытием.

По меньшей мере одно поршневое кольцо 3 или во всяком случае средние поршневые кольца 3 выполнены в виде открытых на своих концах поршневых колец показанного на фиг.2 типа. В показанном предпочтительном примере выполнения это должно относиться ко всем четырем поршневым кольцам 3. Однако в некоторых особых случаях возможно выполнять самое нижнее и/или самое верхнее поршневое кольцо 3 в виде газонепроницаемого поршневого кольца с накладывающимися друг на друга концами колец.

Противоположные друг другу концы 10, 11 открытых поршневых колец 3 ограничивают соответствующий зазор 12. Зазор 12 может проходить параллельно оси поршня или, как это показано на фигуре 2, быть выполненным наклонно относительно оси поршня 1 и соответственно комплекта поршневых колец и отдельного поршневого кольца 3. Соответствующий угол находится в диапазоне от 0 до 45^o. Зазор 12 выполняет функцию прохода утечки, через который газообразные продукты сгорания из зоны над соответствующим поршневым кольцом 3 могут попадать в зону под соответствующим поршневым кольцом 3, так что все поршневые кольца 3 комплекта поршневых колец испытывают нагрузку в осевом и радиальном направлениях, что обеспечивает надежное уплотняющее действие.

Газы, проходящие из зоны над поршневым кольцом 3 в зону под этим поршневым кольцом 3, в зоне прохода попадают на расположенное внизу поршневое кольцо. Для предотвращения местной тепловой перегрузки каждого подвергаемого такому воздействию газа поршневого кольца 3 и обеспечения возможно более равномерной нагрузки открытые поршневые кольца 3, как показано на фиг.2, снабжены канавками 13, расположенными в зоне его наружной поверхности. Эти канавки 13, которые проходят по всей высоте поршневого кольца, образуют дополнительные проходы утечки. В соответствии с этим образующиеся газообразные продукты сгорания пропускаются в нескольких местах, что предотвращает чрезмерную нагрузку в одном месте соответствующего нижнего поршневого кольца 3.

В изображенном примере выполнения все канавки 13 поршневого кольца 3 снабжены параллельными боковыми сторонами, что обеспечивает особенно простое изготовление. Однако для выравнивания тепловой нагрузки по высоте поршневого кольца 3 может быть иногда предпочтительным выполнять канавки 13 различными и/или снабжать их непараллельными боковыми сторонами.

Направлением прохождения канавок 13 можно также варьировать в широком диапазоне от 0 до 45^o для достижения хорошего выравнивания нагрузок. В показанном примере выполнения канавки 13 проходят параллельно наклонному зазору 12 соответствующего поршневого кольца 3, таким образом они также расположены наклонно относительно оси поршня 1 и тем самым поршневого кольца 3. Наклонное положение канавок 13 и зазора 12 обеспечивает надежное вращение поршневого кольца 3 во время работы двигателя, что еще более улучшает выравнивание нагрузок и удерживание тепловой нагрузки хромового покрытия перемычек 9 в допустимых пределах.

Величина и/или количество канавок 13 могут изменяться по высоте комплекта поршневых колец. Количество канавок 13 может составлять от 2 до 8. Предусматриваются по меньшей мере две канавки 13. В показанном примере выполнения предусмотрены четыре канавки 13. Канавки 13 целесообразно вместе с зазором 12 распределять равномерно по окружности соответствующего поршневого кольца 3, так что образуется одинаковое угловое расстояние между ними. За счет этого достигается особенно хорошее выравнивание нагрузки соответствующего нижнего поршневого кольца.

Во время работы поршневые кольца 3 изнашиваются по своей наружной поверхности. Поэтому при увеличении износа поршневых колец 3 уменьшается глубина канавок 13. Уменьшение толщины поршневых колец компенсируется соответствующим расширением поршневых колец 3, за счет чего соответственно увеличивается зазор 12. В соответствии с этим при увеличении износа уменьшается поперечное сечение канавок 13, выполняющих функцию проходов утечки, и одновременно увеличивается поперечное сечение зазора 12, также выполняющего функцию прохода утечки. Эти поперечные сечения так согласованы друг с другом, что в течение длительного срока службы обеспечиваются примерно одинаковые общие соотношения, т. е. обеспечивается примерно одинаковое суммарное поперечное сечение. Для этого целесообразно выполнять канавки 13 так, чтобы сумма поперечных сечений всех канавок 13 в исходном состоянии была не больше, предпочтительно несколько меньше, чем поперечное сечение зазора 12 изношенного поршневого кольца 3. Особенно выгодным является соотношение поперечных сечений, равное 60-90%, предпочтительно 80%.

Формула изобретения

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, в частности дизельный двигатель с большим рабочим объемом, содержащий по меньшей мере один расположенный в цилиндре 2 поршень 1, который снабжен кольцевыми канавками 6, в каждой из которых расположено соответствующее, по меньшей мере частично прилегающее с усилием к цилиндру 2 открытое поршневое кольцо 3, концы 10, 11 которого ограничивают зазор 12, причем по меньшей мере одно поршневое кольцо 3 имеет несколько канавок 13, расположенных в зоне его наружной поверхности, отличающийся тем, что образующие проходы утечки канавки 13 в исходном состоянии имеют суммарное поперечное сечение, которое не больше поперечного сечения зазора 12, ограниченного концами 10, 11 изношенного поршневого кольца 3.

2. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что канавки 13 в исходном состоянии имеют суммарное поперечное сечение, которое меньше поперечного сечения зазора 12, ограниченного концами 10, 11 изношенного поршневого кольца 3.

3. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что канавки 13 в исходном состоянии имеют суммарное поперечное сечение, которое составляет 60-90%, предпочтительно 80% поперечного сечения зазора 12, ограниченного концами 10, 11 изношенного поршневого кольца 3.

4. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выполненные на наружной поверхности канавки 13 и ограниченный концами 10, 11 зазор 12 равномерно распределены по периферии поршневого кольца 3.

5. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что предусмотрено от двух до восьми выполненных на наружной поверхности канавок 13.

6. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере каждое поршневое кольцо 3, расположенное выше и/или ниже другого поршневого кольца 3, снабжено зазором 12 и выполненными на наружной поверхности канавками 13.

7. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что все поршневые кольца 3 снабжены зазором 12 и выполненными на наружной поверхности канавками 13.

8. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в зоне выполненных в поршне канавок 6 предусмотрено хромовое покрытие, обращенное к соответствующему поршневому кольцу 3.

9. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что канавки 13 по меньшей мере частично имеют одинаковую конфигурацию.

10. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что канавки 13 по меньшей мере частично имеют параллельные боковые стороны.

11. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что канавки 13 по меньшей мере частично проходят параллельно зазору 12, ограниченному концами 10, 11 соответствующего поршневого кольца 3.

12. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что зазор 12 и/или канавки 13 выполнены наклонными относительно оси поршня.

13. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что канавки 13 по меньшей мере частично выполнены различными.

14. Поршневой двигатель внутреннего сгорания по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что количество и/или величина выполненных на наружной поверхности канавок 13 изменяется в поршневых кольцах 3 одного комплекта поршневых колец.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2