ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО С КАНАВОЧНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ
PISTON RING WITH GROOVED SEAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу с канавочным уплотнением на поверхности поршневого кольца. В частности, настоящее изобретение относится к поршневому кольцу с погруженным в канавку гибким материалом, причем указанный материал уплотняет нижнюю поверхность поршневого кольца, то есть поверхность, направленную от камеры сгорания или днища поршня.
Уровень техники
Поршневые кольца и, в частности, компрессионные поршневые кольца используют, как правило, как в первой (верхней), так и во второй (средней) канавке для поршневого кольца двигателей внутреннего сгорания. При этом функциональное назначение компрессионного кольца может быть описано посредством следующих свойств:
1. Уплотнение картера двигателя от отработавших газов.
2. Снятие лишнего смазочного масла, чтобы как можно меньше масла оставалось и сгорало на внутренней стенке цилиндра.
Для этого используют кольца с выпуклым исполнением рабочей поверхности. Большая часть газа устремляется или протекает через компрессионное кольцо в направлении картера не только в месте зазора, а в зависимости от толщины стенки и диаметра также через нижнюю поверхность кольца. На сегодняшний день это протекание газа обусловлено, главным образом, шероховатостью и волнистостью как поверхности поршневого кольца, так и поверхности поршневой канавки в контактных областях. Кроме того, в зависимости от влияния температуры может происходить деформация поршневой канавки, что также отрицательно отражается на уплотнении.
Известно, что компрессионные кольца выполняют симметричными или выпукло-симметричными с одной максимальной контактной точкой на рабочей поверхности. При этом поверхности канавки для поршневого кольца и поверхности поршневого кольца выполняют с определенной шероховатостью, чтобы придать поршневым кольцам определенную подвижность в направлении по окружности. Как правило, волнистость канавки для поршневого кольца и самого поршневого кольца не рассматривают.
Известные поршневые кольца раскрыты, например, в патентных заявках DE 102010034870 А1 и DE 19942241 А1. В заявке DE 102010034870 А1 раскрыты поршневые кольца со сквозными отверстиями в осевом направлении, что приводит к заданному уменьшению толщины стенки поршневого кольца, особенно эффективному в том случае, если отверстия выполняют вблизи краевого волокна, в данном случае - вблизи внутреннего диаметра поршневого кольца. В заявке DE 19942241 А1 раскрыта канавка для поршневого кольца с хромированным покрытием поверхности канавки для поршневого кольца. DE 19942241 А1
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является уменьшение утечки газов из камеры сгорания через зазор между нижней поверхностью кольца и нижней поверхностью канавки для поршневого кольца.
Эта задача решена поршневым кольцом с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения; предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предусмотрено поршневое кольцо по меньшей мере для одного уплотнения поверхности кольца, причем по меньшей мере одна канавка для уплотнения поверхности кольца расположена на нижней поверхности поршневого кольца. Под нижней поверхностью кольца понимают ту поверхность кольца, которая расположена дальше от камеры сгорания или днища поршня. Кроме того, описываемое изобретением поршневое кольцо содержит отверстия, проходящие от верхней поверхности кольца и/или внутренней поверхности кольца до канавки для уплотнения поверхности кольца или основанию канавки для уплотнения поверхности кольца. В результате газообразные продукты сгорания могут поступать через отверстия в канавку для уплотнения поверхности кольца и прижимать находящееся там уплотнение поверхности кольца к нижней поверхности канавки для поршневого кольца, улучшая, тем самым, уплотнение.
В данном случае уплотнение обычно реализуют посредством тонкого зазора между парами трения с заданной шероховатостью, которой по сравнению с утечкой газов через стык поршневого кольца или дроссельную заслонку можно практически пренебречь. До настоящего времени уплотнения в этом месте не использовались вследствие высоких тепловых и механических нагрузок, а также необходимости отведения тепла от поршня через поршневое кольцо на внутреннюю стенку цилиндра и необходимости свободного вращения поршневого кольца в окружном направлении. Уплотнение в данном месте должно быть выполнено с помощью одного или нескольких уплотнительных элементов, расположенных на нижней поверхности кольца. Такие уплотнительные элементы должны не закрывать зазор между поршневым кольцом и канавкой для поршневого кольца полностью, а лишь более качественно уплотнять зазор между нижней поверхностью поршневого кольца и нижней поверхностью канавки для поршневого кольца.
В одном из примерных вариантов осуществления поршневого кольца, описываемого изобретением, по меньшей мере одно уплотнение поверхности кольца расположено по меньшей мере в одной канавке для уплотнения поверхности кольца и по меньшей мере частично погружено в нее. Это позволяет использовать уплотнение поршневого кольца большего размера и, прежде всего, толщины, благодаря чему можно увеличить долговечность или срок службы. Предпочтительно, по меньшей мере одно уплотнение поверхности кольца установлено по меньшей мере в одну канавку для уплотнения поверхности кольца с возможностью перемещения в осевом направлении, благодаря чему газообразные продукты сгорания могут проходить через отверстия в пространство между уплотнением поверхности кольца и основанием канавки для уплотнения поверхности кольца и прижимать уплотнение поверхности кольца к нижней поверхности канавки для поршневого кольца поршня. При этом нижняя поверхность кольца содержит по меньшей мере одну канавку для уплотнения поверхности кольца. Кроме того, на нижней поверхности поршневого кольца может находиться две, три и более канавки для уплотнения поверхности кольца, для установки одного или нескольких уплотнений поверхности кольца.
В следующем примерном варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна канавка для уплотнения поверхности кольца имеет трапециевидное или прямоугольное сечение.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца по меньшей мере одна канавка для уплотнения поверхности кольца имеет сечение в виде ласточкина хвоста. Основное преимущество такой формы канавки заключается в том, что уплотнение не сможет легко высвободиться из канавки для уплотнения поверхности кольца при установке поршневого кольца в канавку для поршневого кольца.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца по меньшей мере одна канавка для уплотнения поверхности кольца оканчивается перед стыком поршневого кольца. Этот вариант позволяет предотвратить боковое смещение уплотнения поверхности кольца в канавке для уплотнения поверхности кольца и его выход из канавки для уплотнения поверхности кольца в сторону зазора кольца, увеличивая, тем самым, срок службы.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца канавка для уплотнения поверхности кольца проходит до стыка поршневого кольца. Это позволяет установить замкнутое уплотнительное кольцо в канавку для уплотнения поверхности кольца, заходящее на стык кольца. При этом канавка для уплотнения поверхности кольца может расширяться к стыку, обеспечивая возможность перемещения уплотнения поверхности кольца в канавке для уплотнения поверхности кольца. Канавка для уплотнения поверхности кольца или уплотнение поверхности кольца могут содержать элементы, препятствующие перемещению уплотнения поверхности кольца в канавке для уплотнения поверхности кольца в окружном направлении.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца уплотнение поверхности кольца выполнено в виде кольца круглого сечения.
В следующем примерном варианте осуществления поршневое кольцо содержит отверстия, проходящие от верхней поверхности кольца до канавки для уплотнения поверхности кольца. При этом отверстия должны прижимать уплотнение поверхности кольца к поверхности канавки для уплотнения поверхности кольца таким образом, чтобы газообразные продукты сгорания проходили из камеры сгорания через отверстия сзади уплотнения поверхности кольца и, тем самым, прижимали уплотнение поверхности кольца к нижней поверхности канавки для уплотнения поверхности кольца. Это имеет место, предпочтительно, в канавке для уплотнения поверхности кольца в форме ласточкина хвоста, когда одна область может оказывать большее давление и, тем самым, большее усилие на уплотнение поверхности кольца.
В следующем варианте осуществления поршневое кольцо содержит отверстия, проходящие от внутренней стороны кольца до канавки для уплотнения поверхности кольца. Газообразные продукты сгорания находятся в зазоре между верхней поверхностью поршневого кольца и верхней поверхностью канавки для поршневого кольца, а также между внутренней стороной / внутренней поверхностью поршневого кольца и основанием канавки для поршневого кольца. Таким образом, в поршневом кольце может быть выполнен канал, проходящий в радиальном направлении от внутренней поверхности до канавки для уплотнения поверхности кольца выше уплотнения поверхности кольца. В этих вариантах осуществления газообразные продукты сгорания могут поступать в область за уплотнением поверхности кольца и, тем самым, прижимать уплотнение поверхности кольца к нижней поверхности канавки для поршневого кольца, улучшая уплотняющий эффект между нижней поверхностью поршневого кольца и нижней поверхностью канавки для поршневого кольца. Уплотнение поверхности кольца может быть эластичным и не полностью заполнять канавку для уплотнения поверхности кольца, вследствие чего давление газообразных продуктов сгорания будет прижимать уплотнение поверхности кольца к нижней поверхности канавки для поршневого кольца, позволяя, тем самым, уплотнить зазор между нижней поверхностью поршневого кольца и нижними поверхностями канавки для поршневого кольца. Поскольку канавка для уплотнения поверхности кольца занимает лишь часть нижней поверхности поршневого кольца, нагрузка может передаваться через поверхности, на которых отсутствует канавка для уплотнения поверхности кольца.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца по меньшей мере одно уплотнение поверхности кольца выполнено из эластичного материала. Эластичный материал уплотнения поверхности кольца улучшает уплотнение и позволяет давлению в камере между основанием канавки для уплотнения поверхности кольца и уплотнением поверхности кольца деформировать уплотнение поверхности кольца, дополнительно улучшая уплотнение.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца материал по меньшей мере одного уплотнения поверхности кольца содержит металл, например медь, бронзу и/или алюминий, и/или жаропрочную пластмассу, например, политетрафторэтилен, силиконовый каучук или жаропрочный эластомер. Металлические материалы (медь, бронза и/или алюминий) или их сплавы можно относительно легко изготавливать и обрабатывать. Металлические материалы, подобные названным выше, позволяют точно задавать прочность и термостойкость уплотнения поверхности кольца. Кроме того, металлический материал позволяет регулировать твердость материала таким образом, чтобы он мог взаимодействовать с соответствующей уплотняемой поверхностью и, в частности, с нижней поверхностью канавки для поршневого кольца алюминиевого поршня с получением особенно хорошего уплотняющего эффекта. Политетрафторэтилен - известный материал, рассчитанный на высокие тепловые и механические нагрузки и пригодный для полного или частичного изготовления уплотнения поверхности кольца. В то же время силиконовые уплотнения могут изготавливаться с высокой точностью и выдерживать высокие температуры. Кроме того, в качестве высокоэффективной пластмассы можно использовать полипарафенилен. Уплотнение поверхности кольца также может иметь покрытие, подобранное под свойства материала соответствующей пары трения: алюминиевых поршней или чугунных / стальных поршневых колец.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца с уплотнением поверхности кольца материал по меньшей мере одного уплотнения поверхности кольца имеет существенно больший температурный коэффициент расширения по сравнению с материалом самого поршневого кольца. В результате материал уплотнения при повышении рабочей температуры может выступать из канавки для уплотнения поверхности кольца, улучшая, тем самым, уплотнение в этом месте. Кроме того, кольцо при этом может по-прежнему вращаться в канавке для поршневого кольца в окружном направлении, в частности, при запуске холодного двигателя.
В следующем примерном варианте осуществления поршневого кольца с уплотнением поверхности кольца по меньшей мере одно уплотнение поверхности кольца расположено на внутренней половине поршневого кольца. Бочкообразный износ обычных компрессионных колец предполагает, что кольцо скручивается во время работы. Так как уплотняющий эффект необходим в основном при рабочем ходе, уплотнение должно располагаться в месте максимального поверхностного давления между поверхностью поршневого кольца и поверхностью канавки для поршневого кольца. Кроме того, такая конструкция обеспечивает наименьшее негативное влияние на теплопередачу от поршня через поршневое кольцо на охлажденную внутреннюю стенку цилиндра.
В предпочтительном примерном варианте осуществления поршневое кольцо представляет собой компрессионное поршневое кольцо. Компрессионные поршневые кольца лучше всего подходят для настоящего изобретения, поскольку они характеризуются наибольшим перепадом давлений. В частности, маслосъемные кольца относительно хорошо уплотняются масляной пленкой.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение описано ниже со ссылками на примерные варианты осуществления, представленные на схематичных фигурах, на которых изображено:
Фигура 1: вид в разрезе обычного установленного поршневого кольца.
Фигура 2: вид в разрезе варианта осуществления поршневого кольца согласно настоящему изобретению.
Фигура 3А: вид в плане варианта осуществления поршневого кольца согласно настоящему изобретению.
Фигура 3В: вид в разрезе установленного поршневого кольца согласно изобретению.
Фигура 3С: еще один вид в разрезе поршневого кольца согласно изобретению.
Фигура 4А: вид в плане следующего варианта поршневого кольца согласно изобретению.
Фигура 4В: вид в разрезе следующего установленного поршневого кольца согласно изобретению.
Фигура 4С: еще один вид в разрезе следующего поршневого кольца согласно изобретению.
На фигурах и в описании могут быть использованы одинаковые ссылочные обозначения для указания на идентичные или аналогичные элементы и компоненты.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 на виде в разрезе изображено обычное поршневое кольцо 42, вставленное или вложенное в канавку 46 поршневого кольца поршня 44. Обычное поршневое кольцо 42 прилегает рабочей поверхностью 4 к гильзе или цилиндру 40. Обычное поршневое кольцо 42 прилегает поверхностью, направленной от расположенной вверху на фигуре камеры сгорания, или нижней поверхностью 8 кольца к нижней поверхности 54 канавки для поршневого кольца. Шероховатость нижней поверхности 54 канавки для поршневого кольца на рисунке усилена в целях повышения наглядности. Верхняя поверхность 6 кольца находится на расстоянии от верхней поверхности 48 канавки для поршневого кольца, как это должно быть во время рабочего хода двигателя, когда газообразные продукты сгорания прижимают поршневое кольцо 42 вниз в канавку для поршневого кольца. Между внутренней поверхностью 10 кольца и основанием 50 канавки для поршневого кольца находится пространство 52 позади кольца. Зазор между верхней поверхностью 6 кольца и верхней поверхностью 48 канавки для поршневого кольца во время рабочего хода характеризуется давлением Р1, превышающим давление Р2, имеющее место в пространстве 52 позади кольца во время рабочего хода. Шероховатость нижней поверхности 8 кольца и нижней поверхности 54 канавки для поршневого кольца позволяет части газообразных продуктов сгорания улетучиваться через образующийся там зазор А уплотнения под давлением Р2. Задачей настоящего изобретения является улучшение уплотнения зазора А. Обычно эту задачу пытаются решить уменьшением шероховатости нижней поверхности 8 кольца и нижней поверхности 54 канавки для поршневого кольца.
На фигуре 2 на виде в разрезе изображен вариант осуществления поршневого кольца, описываемого изобретением. Поршневое кольцо содержит канавку 12 для уплотнения поверхности кольца, в которой расположено уплотнение 14 поверхности кольца. Канавка 12 для уплотнения поверхности кольца и уплотнение 14 поверхности кольца закрывают лишь часть нижней поверхности кольца, то есть большая часть нижней поверхности 8 кольца может вступать в контакт с нижней поверхностью канавки для поршневого кольца, не показанной на фигуре, что обеспечивает практически беспрепятственную теплопередачу от поршня через кольцо 2 на внутреннюю стенку цилиндра. Материал уплотнения 14 поверхности кольца может иметь увеличенный коэффициент теплового расширения для улучшения уплотнения зазора, в частности, при достижении двигателем своей рабочей температуры. От основания канавки 12 для уплотнения поверхности кольца отверстия 18 проходят вверх, что позволяет газообразным продуктам сгорания прижимать уплотнение 14 поверхности кольца в канавке 12 для уплотнения поверхности кольца вниз к нижней поверхности канавки для поршневого кольца на поршне, в которую вставлено описываемое изобретением поршневое кольцо.
Вместо канавки прямоугольного сечения можно использовать канавки трапециевидного или U-образного сечения. На фигуре 2 уплотнение 14 поверхности кольца расположено в радиальном направлении во внутренней половине (ВнутрПол) поршневого кольца 2.
На фигуре 3А на виде в плане изображен вариант осуществления поршневого кольца 2 согласно изобретению. На виде в плане видна верхняя поверхность 6 кольца, внешняя кромка, образованная рабочей поверхностью 4, и стык 22 кольца. Канавка 12 для уплотнения поверхности кольца обозначена штриховой линией на стороне поршневого кольца 2, направленной от наблюдателя. В данном случае канавка 12 для уплотнения поверхности кольца оканчивается перед стыком 22 кольца. Также возможен вариант, в котором канавка 12 для уплотнения поверхности кольца будет доходить до стыка 22 кольца, а смещению уплотнения 14 поверхности кольца в окружном направлении из канавки 12 для уплотнения поверхности кольца препятствуют с помощью механических средств.
На фигуре 3В изображен разрез установленного поршневого кольца 2, описываемого изобретением. Поршневое кольцо 2 в плане выглядит подобно фигуре 3А. Поршневое кольцо вставлено в канавку для поршневого кольца на поршне. Канавка 12 для уплотнения поверхности кольца имеет трапециевидное сечение, предназначенное для удержания уплотнения 14 поверхности кольца в канавке 12 для уплотнения поверхности кольца. Поршневое кольцо 2 содержит отверстия 18, проходящие от верхней поверхности 6 кольца до канавки 12 для уплотнения поверхности кольца. Через отверстия 18 газообразные продукты сгорания могут распространяться под давлением Р1 в канавку 12 для уплотнения поверхности кольца и прижимать уплотнение 18 поверхности кольца из канавки 12 для уплотнения поверхности кольца к нижней поверхности 54 канавки для поршневого кольца. Если уплотнение 14 поверхности кольца достаточно эластично, давление на поверхность 54 канавки для поршневого кольца может увеличиваться в соответствии с коэффициентом сужения канавки 12 для уплотнения поверхности кольца. На фигуре 3 В уплотнение 14 поверхности кольца расположено в радиальном направлении по центру поршневого кольца 2.
На фигуре 3С на виде в разрезе изображен другой вариант осуществления поршневого кольца согласно изобретению. Поршневое кольцо 2 в плане выглядит подобно фигуре 3А. Канавка 12 для уплотнения поверхности кольца имеет сечение в виде параллелограмма, что позволяет улучшить геометрию уплотнения 14 поверхности кольца, выполненного в виде кольца 16 круглого сечения или открытого кольца 16 круглого сечения. Кольцо 16 круглого сечения можно также выполнить замкнутым, если прочность материала достаточна для выдерживания действия газообразных продуктов сгорания в области стыка, а концы канавки 12 для уплотнения поверхности кольца заканчиваются на стыке достаточно гладко, чтобы предотвратить истирание кольца 16 круглого сечения.
На фигуре 4А на виде в плане изображен вариант осуществления поршневого кольца 2, описываемого изобретением. На виде в плане снизу видна нижняя поверхность 6 кольца и канавка 12 для уплотнения поверхности кольца или уплотнение 14 поверхности кольца. Внешняя кромка образована рабочей поверхностью 4, а стык кольца имеет обозначение 22. От внутренней стороны или внутренней поверхности 10 поршневого кольца 2 до канавки 12 для уплотнения поверхности кольца проходят отверстия 20. Отверстия показаны лишь пунктиром, так как они проходят в радиальном направлении через поршневое кольцо. В этом случае канавка 12 для уплотнения поверхности кольца также оканчивается перед стыком 22 кольца. По сравнению с вариантом осуществления, показанным на фигурах 3А-3С, в этом случае на уплотнение 14 воздействует меньшее давление, что позволяет, например, предотвратить чрезмерное выдавливание уплотнения 14 поверхности кольца из канавки 12 для уплотнения поверхности кольца.
На фигуре 4В на виде в разрезе изображено установленное поршневое кольцо 2 согласно изобретению. Поршневое кольцо 2 в плане подобно фигуре 4А. Канавка 12 для уплотнения поверхности кольца имеет трапециевидное сечение, позволяющее удерживать уплотнение 14 поверхности кольца в канавке 12 для уплотнения поверхности кольца. Поршневое кольцо 2 имеет отверстия 20, проходящие от внутренней поверхности 10 поршневого кольца до канавки 12 для уплотнения поверхности кольца. Через отверстия 20 газообразные продукты сгорания под давлением Р2 могут распространяться по канавке 12 для уплотнения поверхности кольца и прижимать уплотнение 18 поверхности кольца из канавки 12 для уплотнения поверхности кольца к нижней поверхности 54 канавки для поршневого кольца, не показанной на фигуре.
На фигуре 4С изображен еще один разрез другого варианта осуществления поршневого кольца 2 согласно изобретению. Поршневое кольцо 2 в плане также подобно фигуре 4А. Канавка 12 для уплотнения поверхности кольца имеет прямоугольное сечение, максимально снижающее сопротивление смещению уплотнения в направлении нижней поверхности 54 канавки для поршневого кольца, не показанной на фигуре. Благодаря геометрии канавки 12 для уплотнения поверхности кольца достаточно более низкого давления Р2 для достижения достаточно качественного уплотнения зазора. На фигуре 4С уплотнение 14 поверхности кольца расположено в радиальном направлении во внешней половине (ВнешПол) поршневого кольца 2.
В целях упрощения в описании не были перечислены все комбинации канавок 12 для уплотнения поверхности кольца, уплотнений 14 поверхности кольца, отверстий 18 и 20 и радиальных положений канавок для уплотнения поверхности кольца. Эти комбинации, следующие из вариантов осуществления, также следует считать раскрытыми.
Перечень ссылочных обозначений
2 поршневое кольцо
4 рабочая поверхность
6 верхняя поверхность кольца
8 нижняя поверхность кольца
10 внутренняя поверхность кольца
12 канавка для уплотнения поверхности кольца
14 уплотнение поверхности кольца
16 кольцо круглого сечения
18 отверстия от верхней поверхности (6) кольца до канавки для уплотнения поверхности кольца
20 отверстия, от внутренней стороны кольца до канавки для уплотнения поверхности кольца
22 стык поршневого кольца
40 гильза / цилиндр
42 обычное поршневое кольцо
44 поршень
46 канавка для поршневого кольца
48 верхняя поверхность канавки для поршневого кольца
50 основание канавки для поршневого кольца
52 пространство позади кольца
54 нижняя поверхность канавки для поршневого кольца
А зазор в уплотнении между нижней поверхностью кольца и нижней поверхностью канавки для поршневого кольца
ВнешПол внешняя половина радиальной толщины поршневого кольца
ВнутрПол внутренняя половина радиальной толщины поршневого кольца
Р1 давление газообразных продуктов сгорания на верхнюю поверхность кольца
Р2 давление газообразных продуктов сгорания в пространстве позади кольца