ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО
PISTON RING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному поршневому кольцу поршневого двигателя внутреннего сгорания, в частности, к верхнему поршневому кольцу с оптимизированной конструкцией.
Уровень техники
Вследствие механической нагрузки давлением, прикладываемой к верхнему поршневому кольцу, и с учетом изгиба поршня под действием давления зажигания возникает осевой износ кольцевых канавок поршня и торцов поршневых колец. Характеристика износа определяется увеличением износа в направлении наружного диаметра. При этом точка контакта между поршневым кольцом и поверхностью цилиндра перемещается все дальше в верхнюю область рабочей поверхности. Вследствие гидродинамических воздействий уменьшается эффективность съема масла верхним поршневым кольцом (маслосъемная кромка отходит от стенки цилиндра) во время хода поршня вниз, при этом смазочное масло остается на стенке цилиндра, и расход масла увеличивается.
В уровне техники известна асимметричная выпуклость или минутная (наклонная) форма рабочей поверхности поршневых колец. Положение высшей точки (называемой также поворотной точкой) этих поршневых колец определено в стандарте ISO 6623:2004 и находится ниже центра тяжести поршневого кольца: расстояние от высшей точки до верхнего торца больше, чем половина высоты поршневого кольца, или, иными словами, высшая точка расположена в вертикальном направлении ниже середины поршневого кольца.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает поршневое кольцо поршневого двигателя внутреннего сгорания с признаками пункта 1 формулы изобретения; предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения обеспечено поршневое кольцо поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее:
- тело кольца с открытым замком, радиальной наружной стороной рабочей поверхности, радиальной внутренней окружной стороной, а также двумя противоположными в осевом направлении торцевыми сторонами;
- по меньшей мере частичное покрытие на стороне рабочей поверхности; и
- проходящую по окружности выемку в нижней области рабочей поверхности, заканчивающуюся за пределами области замка;
при этом сторона рабочей поверхности имеет выпуклый профиль с поворотной точкой, которая расположена на уровне 55-80% осевой высоты поршневого кольца.
Таким образом, поворотная точка расположена выше середины (в осевом направлении) поршневого кольца. Благодаря такому целенаправленному смещению положения высшей точки или поворотной точки в направлении верхнего торца кольца (верхний торец), можно обеспечить разгрузку нижнего торца поршневого кольца по наружному диаметру по сравнению с известными поршневыми кольцами, в которых поворотная точка расположена ниже середины. Вследствие сил, действующих на поршневое кольцо во время работы двигателя, возникает поворот в направлении по часовой стрелке, в то время как обычные поршневые кольца с поворотной точкой, расположенной ниже середины, имеют тенденцию к повороту в направлении против часовой стрелки. При этом поршневое кольцо согласно изобретению обеспечивает более эффективный съем масла и уменьшение износа.
Для того чтобы исключить возникновение гидродинамического давления под высшей точкой, которое отрывает маслосъемную кромку от стенки цилиндра, предусмотрено использование соответствующей формы в виде проходящей по окружности выемки. Для минимизации потерь, связанных с утечками газов из камеры сгорания, выемка заканчивается на определенном расстоянии от замка, таким образом, чтобы в области замка выемка отсутствовала.
Согласно одному варианту осуществления область замка расположена в зоне, составляющей 0,003-0,2% длины окружности поршневого кольца с каждой стороны замка. Или иными словами, выемка начинается на расстоянии от замка, которое соответствует 0,003-0,2% длины окружности поршневого кольца.
Согласно одному варианту осуществления поворотная точка выпуклого профиля рабочей поверхности расположена на уровне 60-70% осевой высоты поршневого кольца. Этот вариант осуществления является особенно пригодным для поршневых колец с небольшой осевой высотой, несколько меньшей чем 3 мм.
Согласно одному варианту осуществления радиальная внутренняя окружная сторона имеет профиль, по существу, симметричный относительно осевой середины. В одном простом варианте осуществления внутренняя окружная сторона имеет, по существу, плоское поперечное сечение.
Согласно одному варианту осуществления осевая высота кольца составляет по меньшей мере 3 мм.
Согласно одному варианту осуществления радиальная глубина выемки уменьшается до нуля перед областью замка.
Согласно одному варианту осуществления покрытие (В) на стороне рабочей поверхности покрывает поворотную точку или оставляет ее свободной. Поэтому высшая точка поршневого кольца находится в контакте с рабочей поверхностью цилиндра либо посредством нанесенного на нее покрытия, либо альтернативно этому - посредством свободного от покрытия основного тела. Покрытие может быть нанесено физически или гальванически.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид в поперечном разрезе традиционного поршневого кольца;
фиг. 2 - схематический вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления поршневого кольца согласно изобретению;
фиг. 3 - вид в поперечном разрезе первой области поршневого кольца согласно изобретению;
фиг. 4 - вид в поперечном разрезе второй области поршневого кольца с фиг. 3;
фиг. 5 - вид в поперечном разрезе первой области другого варианта осуществления поршневого кольца согласно изобретению;
фиг. 6 - вид в поперечном разрезе второй области поршневого кольца с фиг. 5; и
фиг. 7 - вид в аксонометрии области замка поршневого кольца согласно изобретению.
Осуществление изобретения
1
1
На фиг. 1 показан вид в поперечном разрезе традиционного поршневого кольца известного уровня техники. При этом показана фаза хода вниз поршня во время рабочего такта соответствующего двигателя. Сила F возникает под влиянием газообразных продуктов сгорания, действующих, главным образом, на наружный диаметр поршневого кольца. Она создает момент M, направленный против часовой стрелки.
2
2
3
3
Сила F давления газов, возникающая в результате сгорания топлива, действует позади поршневого кольца, т.е., на его радиальную внутреннюю окружную сторону. С физической точки зрения сила, распределенная по поверхности, действует в виде сосредоточенной силы в центре тяжести плоскости осевой высоты кольца (см. F) на плоскую внутреннюю сторону, примерно посредине нее. Другая сила F, также создаваемая газообразными продуктами сгорания топлива, действует на внутренний диаметр поршневого кольца и создает момент М, направленный против часовой стрелки.
4
s
s
k
Сила противодействия (см. F) в поршневых кольцах известного уровня техники вследствие расположения поворотной точки в нижней области действует ниже центра X тяжести плоскости, что приводит к возникновению момента M, направленного против часовой стрелки, при этом поршневое кольцо дополнительно нагружается силой F реакции в точке контакта с нижней канавкой поршня. Это приводит к усилению торцевого износа на наружном диаметре канавки поршня и поршневого кольца.
s
Действие момента M в направлении против часовой стрелки вызывает, с одной стороны, механическое смещение эффективной высшей точки в направлении камеры сгорания, а, с другой стороны, отрыв маслосъемной кромки от стенки цилиндра. Это приводит к уменьшению эффективности съема масла поршневым кольцом, в то время как толщина остаточной, не удаляемой пленки масла увеличивается. Во время такта сгорания масло, остающееся в камере сгорания, также сгорает, что приводит к увеличению расхода масла, а также к ухудшению параметров выхлопных газов.
В целом, недостатки традиционного поршневого кольца состоят в увеличенной нагрузке поршневого кольца, усиленном износе и повышенном расходе масла.
На фиг. 2 показан вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления поршневого кольца согласно изобретению. Благодаря целенаправленному смещению согласно изобретению положения высшей точки или поворотной точки в направлении верхнего торца кольца (верхний торец), обеспечивается разгрузка нижнего торца поршневого кольца по наружному диаметру. При этом поворотная точка находится выше середины стороны рабочей поверхности.
1
1
2
3
В случае традиционного поршневого кольца, показанного на фиг. 1, сила F действует, в основном, по наружному диаметру поршневого кольца и создает момент M в направлении против часовой стрелки. При этом сила F давления газов действует в середине внутренней стороны кольца, а сила F давления газов - на нижнем внутреннем диаметре кольца.
su
s
k
В отличие от ситуации, показанной на фиг. 1, сила F4' противодействия из-за смещения поворотной точки в верхнюю половину поршневого кольца действует выше середины стороны рабочей поверхности. В результате возникает момент M, направленный по часовой стрелке вокруг центра X тяжести плоскости. Поэтому, благодаря уменьшению силы F реакции, уменьшается износ нижнего торца поршневого кольца и прилегающей нижней канавки поршневого кольца.
Кроме того, это препятствует отрыву маслосъемной кромки поршневого кольца от внутренней стороны цилиндра и снижению эффективности съема масла. При этом, в отличие от традиционного поршневого кольца со скручиванием в направлении против часовой стрелки, расход масла во время работы уменьшается.
Поскольку маслосъемная кромка поршневого кольца не отрывается от внутренней стороны цилиндра, вследствие накопления масла на маслосъемной кромке О (см. фиг. 1) может возникать гидродинамическое давление, которое, в свою очередь, приводит к образованию момента, направленного против часовой стрелки. Для исключения такого эффекта согласно изобретению предусмотрена соответствующая форма поршневого кольца. В поршневом кольце согласно изобретению в нижней области стороны рабочей поверхности выполнена проходящая по окружности выемка, как показано на фиг. 2.
Однако поскольку это может привести к усилению проникновения газов из камеры сгорания в картер в области замка, указанная выемка согласно изобретению заканчивается перед замком, т.е., к замку подходит обычный участок, не содержащий выемки. Это показано на следующих чертежах.
На фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе первой области поршневого кольца согласно изобретению. Эта область лежит за пределами области замка и представляет собой, например, заднюю относительно замка область кольца. В этой области предусмотрена выемка А. При этом выемка А на стороне рабочей поверхности должна иметь размер, составляющий от 20 до 40% осевой высоты кольца. Допускаются также значения от 10 до 60%. На рабочей поверхности находится также покрытие В (не показанное отдельно на фиг. 2), нанесенное физически или гальванически. Высшая точка в данном варианте осуществления не имеет покрытия, однако, в альтернативных вариантах осуществления (см., например, фиг. 5 и 6) на нее также может быть нанесено покрытие.
4
2
2
В идеальном случае высшая точка (на которую действует сила F) расположена в диапазоне высот h от 60 до 70% осевой высоты h кольца (h=60…70% h), но возможно также в диапазоне от 55 до 80%, в особенности при высоте колец более 3 мм. Таким образом, высшая точка расположена выше центра S тяжести плоскости.
На фиг. 4 показан вид в поперечном разрезе второй области поршневого кольца согласно изобретению. Эта область представляет собой область замка. Чтобы минимизировать утечку газов, проникающих в картер из камеры сгорания, выемка А (показана штриховой линией) заканчивается перед областью замка, т.е., поперечное сечение показанного поршневого кольца в области замка имеет обычный вид без выемки.
На фиг. 5 и 6 показан альтернативный вариант осуществления относительно варианта, показанного на фиг. 3 и 4. В отличие от этого высшая точка в данном варианте осуществления имеет покрытие, т.е. высшая точка расположена в зоне покрытия, и контакт с рабочей поверхностью цилиндра осуществляется через это покрытие, в то время как в варианте осуществления, показанном на фиг. 3 и 4 в высшей точке происходит контакт свободного от покрытия основного тела с рабочей поверхностью цилиндра.
На фиг. 7 представлен вид в аксонометрии области замка поршневого кольца согласно изобретению, на котором можно видеть вариант осуществления завершения выемки. На самом замке и в непосредственно граничащей с ним области С согласно изобретению выемка в нижней области рабочей поверхности отсутствует. Выемка начинается только на некотором расстоянии от замка. В переходной области между областью замка и областью полной глубины выемки ее глубина плавно увеличивается или уменьшается, при этом крутизна наклона и/или закругление выемки могут быть выполнены в соответствии с конкретными требованиями.