КОМПРЕССИОННОЕ МАСЛОСЪЕМНОЕ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО
COMPRESSION OIL CONTROL PISTON RING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к поршневому кольцу, в частности к компрессионному поршневому кольцу с функцией съема масла.
Уровень техники
Одна из основных проблем четырехтактного двигателя заключается в контроле и уплотнении системы поршневого кольца и поршня от и с помощью картерного масла. По этой причине применяются поршневые кольца, которые должны обеспечивать максимально возможное уплотнение камеры сгорания от масла, находящегося в картере двигателя, так называемые масляные или маслосъемные кольца, и компрессионные кольца, которые должны обеспечивать максимально возможное уплотнение камеры сгорания для предотвращения утечек газа, называемых также просачиванием газа. Обычно устанавливают два компрессионных кольца со стороны камеры сгорания и одно маслосъемное кольцо со стороны картера двигателя. В последнее время применяют усиление вторым компрессионным кольцом, т.е. средним кольцом, получая некоторый вид двойного ролика, при этом указанное кольцо должно, с одной стороны, выполнять функцию компрессии, а, с другой стороны, функцию съема масла.
Обычно в качестве второго компрессионного кольца используют конические компрессионные поршневые кольца или поршневые кольца с проточкой на рабочей поверхности, которые имеют максимально острую нижнюю рабочую кромку для съема масла. Недостатком такого кольца в двигателях с высоким наддувом является возможность возникновения нестабильности вследствие высокого давления на рабочую поверхность, что приводит к радиальному смещению от стенки цилиндра. При этом функция съема масла со стенки цилиндра может выполняться только за счет больших количеств масла, которые отбрасываются от поршня в направлении стенки цилиндра. При этом следует учитывать, что такие количества должны быть подведены к маслосъемному кольцу, которое по причине малых размеров буртика не сможет перемещать эти количества масла в направлении картера двигателя.
Таким образом, существует потребность в компрессионном поршневом кольце, которое обеспечивает достаточный съем масла и при этом одновременно позволяет исключить радиальное смещение от стенки цилиндра.
Раскрытие сущности изобретения
Указанная задача решена поршневым кольцом согласно изобретению, наружная рабочая поверхность которого разделена на области, проходящие в окружном направлении на разной осевой высоте рабочей поверхности и образующие верхнюю область рабочей поверхности со стороны камеры сгорания, нижнюю область рабочей поверхности со стороны картера двигателя и среднюю область рабочей поверхности, расположенную между верхней и нижней областями рабочей поверхности. Граница между верхней и средней областями рабочей поверхности образует линию съема масла, в то время как граница между средней и нижней областями рабочей поверхности образует линию вершины, при этом линия съема масла проходит радиально дальше снаружи, чем линия вершины. Верхняя и нижняя область рабочей поверхности на виде в осевом поперечном разрезе имеют выпуклый изгиб наружу. Средняя область рабочей поверхности содержит чередующиеся в окружном направлении выпуклые участки, которые на виде в осевом поперечном разрезе имеют выпуклый изгиб наружу, и вогнутые участки, которые на виде в осевом поперечном разрезе имеют по меньшей мере частичный изгиб внутрь.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения линия вершины может быть расположена радиально дальше снаружи, чем по меньшей мере одна радиально самая дальняя внутренняя точка вогнутых участков.
Согласно другому аспекту радиальное расстояние между линией съема масла и по меньшей мере одной радиально самой дальней внутренней точкой вогнутых участков меньше, чем пятикратное радиальное расстояние между линией съема масла и линией вершины.
Согласно следующему аспекту рабочая поверхность на любом виде в осевом поперечном разрезе является гладкой и не имеет ребер.
Согласно следующему аспекту вогнутые участки и выпуклые участки средней области рабочей поверхности гладко переходят друг в друга, не образуя ребер.
Согласно следующему аспекту средняя область рабочей поверхности содержит в окружном направлении 3-5, предпочтительно 8-24, более предпочтительно 12-18 вогнутых участков.
Согласно следующему аспекту каждый из выпуклых участков охватывает в окружном направлении угол, равный по меньшей мере 5°.
Согласно следующему аспекту концы рабочей поверхности, которые граничат с замком поршневого кольца, содержат выпуклый участок.
Согласно следующему аспекту линия съема масла и линия вершины проходят в окружном направлении, по существу, на постоянном расстоянии от боковой стороны поршневого кольца.
Согласно следующему аспекту расстояние в радиальном направлении между линией съема масла и линией вершины в окружном направлении является, по существу, постоянным.
Согласно следующему аспекту линия съема масла проходит на осевой высоте, отсчитанной от обращенной к картеру двигателя боковой стороны и составляющей 45-70%, предпочтительно 50-60% от общей осевой высоты поршневого кольца.
Согласно следующему аспекту рабочая поверхность образует замкнутую поверхность, при этом не предусмотрены какие-либо отверстия, проходящие через поршневое кольцо к его внутренней стороне.
В настоящем описании используется обычная система обозначений, согласно которой термин "осевой" относится к соответствующему направлению поршня, т.е. к направлению его возвратно-поступательного движения, или к соответствующей оси поршня-цилиндра. Ось кольца представляет собой ось, которая проходит через центр кольца в осевом направлении и которая в смонтированном состоянии кольца совпадает с центральной осью поршня. Радиальное направление соответствует направлению, которое проходит параллельно плоскости кольца к оси кольца или от нее. Осевой разрез означает разрез, в котором ось кольца находится в плоскости разреза.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено более подробное описание вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
фиг. 1 - виды поршневого кольца в осевом поперечном разрезе; и фиг. 2 - вид сверху и соответствующая частичная развертка поршневого кольца.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан вид в осевом поперечном разрезе варианта осуществления поршневого кольца 1 согласно изобретению. Контур рабочей поверхности 2 дважды показан на чертеже, при этом контур, расположенный слева и справа, отличаются по форме и принадлежат к разным участкам в окружном направлении. Рабочая поверхность 2 поршневого кольца 1 разделена по осевой высоте на три области: на верхнюю область Во рабочей поверхности, среднюю область Bm рабочей поверхности и нижнюю область Bu рабочей поверхности. При этом сверху расположена сторона кольца 1, обращенная в направлении камеры сгорания, а, соответственно, снизу - сторона, обращенная в направлении картера двигателя.
Линии, по которым граничат друг с другом области Во, Bm, Bu рабочей поверхности, образуют расположенную сверху, со стороны камеры сгорания, линию Р1 съема масла и расположенную снизу, со стороны картера двигателя, линию Р2 вершины. Линия Р2 вершины расположена радиально внутри на расстоянии от линии Р1 съема масла, т.е. показанное на чертеже расстояние R2 от линии Р2 вершины до базовой линии меньше, чем расстояние R1 от линии Р1 съема масла до той же самой базовой линии. Линия Р2 вершины предпочтительно проходит в окружном направлении, по существу, на постоянном радиальном расстоянии R1-R2 от линии Р1 съема масла. Линия Р1 съема масла находится в радиально самой дальней наружной области поршневого кольца 1, при этом на виде в осевом поперечном разрезе образуется точка поворота. По линии Р1 съема масла или, соответственно, в узкой области вокруг линии Р1 съема масла, поршневое кольцо 1 в смонтированном состоянии прилегает к стенке цилиндра и при движении поршня в направлении вниз снимает вниз масло со стенки цилиндра.
Благодаря тому, что поршневое кольцо 1 прилегает к стенке цилиндра выше, чем обычно в случае применения в качестве среднего поршневого кольца конического компрессионного поршневого кольца или поршневого кольца с проточкой на рабочей поверхности, для газов, образующихся в камере сгорания, имеется относительно меньшая область, например, по сравнению с коническим компрессионным поршневым кольцом, т.е. имеется меньшая площадь между стенкой цилиндра и поршневым кольцом, в которую они могут проникать и отжимать поршневое кольцо от стенки цилиндра. Соответственно, возникает относительно малая сила, создаваемая давлением газов, направленная внутрь и отжимающая поршневое кольцо от стенки цилиндра, поэтому вероятность радиального смещения от стенки цилиндра уменьшается, и уплотняющая функция кольца улучшается.
Верхняя область Во рабочей поверхности и нижняя область Bu рабочей поверхности на виде в осевом поперечном разрезе имеют постоянный в окружном направлении выпуклый изгиб наружу. Выпуклый изгиб наружу в данном контексте следует понимать таким образом, что для каждой точки данной области можно провести окружность, которая проходит через указанную точку, при этом ее кривизна соответствует кривизне рабочей поверхности в точке на виде в осевом поперечном разрезе, и которая в окрестности точки, по существу, совпадает с видом в осевом поперечном разрезе рабочей поверхности, при этом центр окружности, если смотреть со стороны рабочей поверхности, лежит в направлении, проходящем внутрь кольца, т.е. в направлении оси кольца, или при соответственно меньшем изгибе - даже на другой стороне оси кольца. Вогнутый внутрь изгиб аналогично этому означает, что центр окружности расположен снаружи.
Средняя область Bm рабочей поверхности в окружном направлении содержит два типа участков, которые чередуются друг с другом: выпуклые участки Ах и вогнутые участки Av. На выпуклых участках Ах рабочая поверхность 2 на виде в осевом поперечном разрезе имеет выпуклость наружу, это относится ко всей осевой высоте средней области Bm. Поскольку переходы между областями Во, Bm, Bu рабочей поверхности проходят предпочтительно гладко, это означает, что рабочая поверхность 2 выпуклых участков Ах на виде в поперечном разрезе по всей их осевой высоте имеет выпуклый изгиб наружу, т.е. выполнена бочкообразной. Термин "гладко" означает отсутствие ребер и, соответственно, углов на виде в поперечном разрезе, таким образом, кривую можно также описать дифференцируемой функцией.
На вогнутых участках Av рабочая поверхность 2 на виде в осевом поперечном разрезе по меньшей мере частично имеет вогнутый изгиб внутрь. Вследствие этого образуются углубления внутрь относительно выполненной выпуклой и бочкообразной рабочей поверхности на выпуклых участках Ах. Таким образом, профиль поршневого кольца на этих участках становится несколько более тонким за счет образования профильных выемок. В общем, на вогнутых участках Av рабочая поверхность имеет лишь частичный вогнутый изгиб внутрь, чтобы обеспечить гладкий переход с отсутствием ребер между областями Во, Bm, Bu рабочей поверхности.
При этом радиально самая дальняя внутренняя точка соответствующих вогнутых участков Av, так сказать, наиболее глубокая точка углублений, предпочтительно расположена радиально дальше внутри, чем линия Р2 вершины. С другой стороны, радиальное расстояние N от этой по меньшей мере одной самой дальней внутренней точки до линии Р1 съема масла не должно превышать пятикратное радиальное расстояние R1-R2 от линии Р1 съема масла и линии Р2 вершины. Этим радиальным расстоянием N и количеством выпуклых участков Ах определяется объем, в который может поступать масло при движении поршня вниз.
Конфигурация рабочей поверхности 2 поршневого кольца 1 с чередующимися по окружности выпуклыми и вогнутыми участками Ах, Av средней области Bm рабочей поверхности создает разность гидродинамического давления масла и, таким образом, обеспечивает распределение масла в окружном направлении. В объем, который образуется профильными выемками на вогнутых участках Av, может одновременно поступать масло, поэтому при движении поршня вниз происходит не просто переход через масло, присутствующее на стенке цилиндра, что, возможно, могло бы иметь место, поскольку линия Р1 съема масла, находящаяся в контакте со стенкой цилиндра, расположена гораздо выше, чем, например, в случае конического компрессионного поршневого кольца, и, таким образом, имеется относительно большая область, в которую может проникать масло и отжимать кольцо от стенки цилиндра.
Рабочая поверхность на любом виде в осевом поперечном разрезе предпочтительно является гладкой и не имеет ребер, т.е. имеет "непрерывную касательную". Кроме того, предпочтительно, чтобы рабочая поверхность была гладкой и не имела ребер также в окружном направлении; в частности, чтобы вогнутые участки Av и выпуклые участки Ах гладко переходили друг в друга, не образуя ребер. Если оба эти условия выполняются, то, выражаясь математически, рабочая поверхность описывается дифференцируемой функцией, например, в цилиндрических координатах.
На фиг. 1 линия Р1 съема масла расположена немного выше середины осевой высоты поршневого кольца 1. Предпочтительно линия Р1 съема масла расположена вблизи или выше середины. Точнее, осевое расстояние до нижней боковой стороны 3 кольца предпочтительно составляет 45-70%, более предпочтительно 50-60% общей осевой высоты поршневого кольца.
На фиг. 2 показаны вид сверху (вверху) и соответствующая частичная развертка (внизу) варианта осуществления поршневого кольца 1 согласно изобретению, представленного в качестве примера. Приведенные выше пояснения к фиг. 1 относятся также к фиг. 2. На виде сверху показаны чередующиеся друг с другом в окружном направлении вогнутые участки Av и выпуклые участки Ах. Кроме того, показано радиальное расстояние N по меньшей мере от одной самой дальней внутренней точки до линии Р1 съема масла, которая в наибольшей степени удалена от нее наружу. Для наглядности углубления показаны преувеличенными, по этой же причине они не заштрихованы, даже если они не видны на виде сверху.
В качестве примера на чертеже показано 14 вогнутых участков Av. Рабочая поверхность предпочтительно содержит в окружном направлении 3-30, предпочтительно 8-24, более предпочтительно 12-18 вогнутых участков Av. Кроме того, рабочая поверхность с обеих сторон от замка поршневого кольца предпочтительно заканчивается выпуклым участком Ах, благодаря чему исключается сжатие места в направлении замка поршневого кольца. При этом каждый из выпуклых участков предпочтительно охватывает угловую область, составляющую по меньшей мере 5° в окружном направлении. Рабочая поверхность имеет бочкообразную форму с профильными выемками, которые обеспечивают гидродинамическое давление для распределения масла и объем для поступления масла.
На частичной развертке в виде штриховых линий показаны линия Р1 съема масла и линия Р2 вершины. Линия Р2 вершины показана сквозной, однако, она проходит для опоры только до вогнутых участков Av, где, как видно на осевом поперечном разрезе на фиг. 1, образуется вторая точка поворота. В показанном предпочтительном варианте осуществления осевое расстояние от линии Р1 съема масла и линии Р2 вершины до нижней боковой стороны 3 поршневого кольца в окружном направлении является, по существу, постоянным. При этом не предусмотрены какие-либо отверстия, которые проходили бы сквозь тело поршневого кольца до его внутренней стороны.