ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО С КАНАВКОЙ, ИМЕЮЩЕЙ ПЕРИОДИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩУЮСЯ ФОРМУ
PISTON RING WITH GROOVE, WHICH HAS PERIODICALLY VARYING FORMS

Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу двигателя внутреннего сгорания или компрессора, в частности к поршневому кольцу, имеющему проходящую на рабочей поверхности в окружном направлении канавку с периодически изменяющейся шириной и изменяющейся переменной глубиной.
Современные двигатели большого объема для судов являются двухтактными дизельными двигателям, поскольку двигатели этого типа могут быть выполнены таким образом, что их скорость вращения, как правило, лежит в диапазоне от 50 об/мин до 250 об/мин (как правило, меньше 100 об/мин), а мощность в зависимости от числа цилиндров может достигать приблизительно 100 МВт. Такие судовые двухтактные двигатели большого объема и медленного вращения, предпочтительно, воздействуют непосредственно на приводной вал (валы) винта (винтов), так как их скорость вращения позволяет обходиться без понижающих редукторов для снижения скорости вращения.
Как правило, эти двухтактные двигатели большого объема имеют два раздельных масляных контура, один для смазки двигателя и один для смазки цилиндров. Система смазки цилиндров предназначена для того, чтобы в соответствующий момент времени в распоряжении было достаточно смазочного масла для обеспечения достаточной смазки поверхностей цилиндров или поршневых колец.
Смазочное масло для цилиндров впрыскивается в поршневую камеру через гильзу цилиндра в зависимости от нагрузки машины. Поршневые кольца скользят по этой масляной пленке на несущей поверхности. При этом кроме прочего желательно впрыскивать как можно меньше смазочного масла, чтобы снизить затраты и предотвратить излишнюю смазку. Смазка цилиндра производится, например, в верхней трети хода за счет того, что смазочное масло подается в цилиндр масляным насосом через впускные отверстия для смазочного масла, предусмотренные, например, в плоскости в стенке цилиндра, так что обеспечивается по возможности оптимальная смазка поршня и поршневых колец. Подача масла в цилиндры осуществляется обычно способом газового противодавления.
Например, может использоваться система впрыскивания смазочного масла, которая впрыскивает смазочное масло через сопла с точным дозированием. Система с компьютерным управлением регистрирует, в каком положении находится поршень, и затем целенаправленно подает смазочное масло. Это производится под высоким давлением, так что смазочное масло распыляется очень тонко, чтобы получить как можно более равномерное смачивание рабочей поверхности цилиндра, однако целенаправленно в том месте, где находятся поршневые кольца и где трение действительно имеет место.
Следует учитывать, что современные судовые двухтактные двигатели большого объема со скоростью вращения, составляющей приблизительно от 50 об/мин до 250 об/мин, работают с величиной хода до 2500 мм, при этом промежуток времени, имеющийся в распоряжении для подачи и распределения смазочного масла, короткий и предъявляет высокие требования к обеспечению качества смазки. Предположим, например, что цилиндр имеет диаметр (внутренний) 900 мм, при этом предусмотрены восемь равномерно распределенных по окружности устройств для подачи масла на стенку цилиндра, поданное смазочное масло должно распределяться за соответствующий промежуток времени от впускных устройств в окружном направлении на длине около 350 мм.
Практика показывает, что при обычной конструкции одного или нескольких поршневых колец из-за отсутствия градиента давления в окружном направлении не обеспечивается или обеспечивается в очень малой степени распределение смазочного масла в окружном направлении (максимально около 3%).
Областью применения настоящего изобретения являются двигатели внутреннего сгорания вообще, в том числе не только судовые.
Целью настоящего изобретения является создание поршневого кольца, которое при достаточных смазочных характеристиках обеспечивает также низкий расход масла и низкий пропуск газов, а также экономично в изготовлении.
Данная цель достигается за счет поршневого кольца, обладающего признаками пункта 1 формулы изобретения.
Согласно изобретению канавка на рабочей поверхности поршневого кольца расположена между двумя, по существу, выпуклыми участками рабочей поверхности. В окружном направлении канавка имеет периодически изменяющуюся глубину и периодически изменяющуюся ширину.
Выполненная таким образом рабочая поверхность поршневого кольца может принимать смазочное масло в полость, образующуюся между канавкой и ответной рабочей поверхностью. Периодически изменяющаяся глубина и периодически изменяющаяся ширина канавки при работе обусловливают возникновение гидродинамических давлений (в частности, периодически изменяющихся вместе с изменением глубины и ширины) в окружном направлении. Эти гидродинамические давления ведут к появлению градиентов давления, вызывающих потоки смазочного масла и распределение смазочного масла в окружном направлении. Гидродинамическое распределение смазочного масла в окружном направлении приводит к снижению требуемого количества смазочного масла и более равномерному распределению в окружном направлении смазочного масла, подаваемого или впрыскиваемого в канавку.
Таким образом, получают распределенное по окружной поверхности несущее зеркало смазочного масла, как это необходимо, чтобы обеспечить условия для достаточной смазки, как можно более равномерную изоляцию от пропуска газов (или получение минимально возможного пропуска газов), а также эффективный съем смазочного масла в рабочем направлении поршня с его перепуском.
Предпочтительные примеры выполнения изобретения изложены в зависимых пунктах.
Далее изобретение будет подробно пояснено на примерных вариантах осуществления, проиллюстрированных на чертежах, на которых:
фиг. 1(a) и 1(b) изображают первое (радиальное) поперечное сечение и второе (радиальное) поперечное сечение поршневого кольца согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 2(a) изображает на виде сверху фрагмент проходящей в окружном направлении рабочей поверхности поршневого кольца согласно изобретению, изображенному на фиг. 1;
фиг. 2(b) и 2(c) изображают изменение профиля глубины и глубину канавки, расположенной на рабочей поверхности в соответствии с показанным на фиг. 2(a) участком рабочей поверхности поршневого кольца, идущим в окружном направлении;
фиг. 2(d) изображает изменение ширины канавки, расположенной на рабочей поверхности в окружном направлении в соответствии с показанным на фиг. 2(a) участком рабочей поверхности поршневого кольца;
фиг. 3(a) и 3(b) изображают в аксонометрии и в поперечном сечении участок поршневого кольца в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения; и
фиг. 4(a) и 4(b) функционально описывают примеры кривых хода канавки и ее глубины и ширины в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 1 показаны два расположенных на расстоянии друг от друга (радиальных) поперечных сечения поршневого кольца 1 в соответствии с изобретением. Показанное на фиг. 1 поршневое кольцо 1 с канавкой, действующее одновременно в качестве уплотнительного и маслосъемного кольца, имеет на своей наружной, обращенной от камеры сгорания профилированной стороне, то есть на профилированной рабочей поверхности 3 поршневого кольца 1, паз или канавку 2, схематично показанную на фиг. 1. Далее, поршневое кольцо 1 содержит обращенную к камере 31 сгорания боковую сторону 5, обращенную к масляной камере 32 боковую сторону 6 и внутреннюю окружную поверхность 7.
Следует отметить, что хотя вышеприведенное и нижеприведенное описание относится к использованию поршневого кольца 1 согласно изобретению для поршня двигателя внутреннего сгорания, в частности, двухтактного двигателя внутреннего сгорания, для специалиста в данной области очевидно, что поршневое кольцо согласно варианту осуществления настоящего изобретения может использоваться также в компрессорах.
Рабочая поверхность 3 имеет профиль, подразделенный на два участка. Первый участок 10 профиля рабочей поверхности является, по существу, сферически выпуклым, и второй участок 12 также является, по существу, сферически выпуклым. Каждый сферически выпуклый участок 10, 12 имеет наивысшую точку В1, В2, или каждый имеет линию 11, 13, содержащую наивысшую точку, проходящую вдоль наружной периферии в поперечном сечении.
Профили двух сферически выпуклых участков 10, 12, предпочтительно, выполнены симметричными (зеркально симметричными) относительно средней плоскости поршневого кольца 1, как это показано на фиг. 1(a) и 1(b). Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается симметричной конфигурацией двух сферически выпуклых участков 10, 12 и что профили двух сферически выпуклых участков 10, 12 могут быть выполнены симметричными (зеркально симметричными) относительно плоскости, параллельной средней плоскости, или несимметричными.
Первый сферически выпуклый участок 10 профиля рабочей поверхности, предпочтительно, выполнен в области от 0% до 33% осевой протяженности рабочей поверхности 3 поршневого кольца 1, а наивысшая точка В1 первого сферически выпуклого участка 10, предпочтительно, лежит, по существу, на расстоянии, равном приблизительно 25%±5% осевой протяженности рабочей поверхности 3 поршневого кольца 1.
Второй сферически выпуклый участок 12 профиля рабочей поверхности, предпочтительно, выполнен в диапазоне от 66% до 100% осевой протяженности рабочей поверхности 3 поршневого кольца 1, а наивысшая точка В1 первого сферически выпуклого участка 10, более предпочтительно, лежит, по существу, на расстоянии, равном приблизительно 75%±5% осевой протяженности рабочей поверхности 3 поршневого кольца 1.
В области проходящих в окружном направлении линий 11, 13, содержащих наивысшие точки, поршневое кольцо 1 прижимается к ответной рабочей поверхности 30, например к рабочей поверхности гильзы цилиндра, и уплотняет от проникновения газов из камеры 31 сгорания. За счет движения поршня между поршневым кольцом 1 и ответной рабочей поверхностью 30 образуется гидродинамическая масляная пленка, которая формируется вследствие движения поршня между поршневым кольцом 1 и ответной рабочей поверхностью 30 и обеспечивает достаточную смазку между ними. На видах в поперечных сечениях проходящие в окружном направлении линии 11, 13, содержащие наивысшие точки, представлены в виде наивысших точек В1, В2.
Между сферически выпуклыми участками 10, 12 проходит канавка или канавка 2. Канавка 2 имеет переменную в окружном направлении ширину В и переменную в окружном направлении глубину Т. На фиг. 1(a) схематично представлено первое (радиальное) поперечное сечение канавки 2 с максимальной шириной Bmax и минимальной глубиной Tmin. На фиг. 1(b) схематично представлено второе (радиальное) поперечное сечение канавки 2 с минимальной шириной Bmin и максимальной глубиной Tmax.
Следует отметить, что паз или канавка 2 предусмотрена для приема смазочного масла. Переменная глубина Т и переменная ширина В канавки 2 организованы таким образом, что вследствие создающихся при работе поршня гидродинамических давлений и образующихся в результате этого градиентов давления получается, предпочтительно, равномерный поток в окружном направлении смазочного масла, находящегося в канавке. В частности, за счет переменного профиля глубины образованные чередующиеся возвышения (меньшие или минимальные глубины) и впадины (большие или максимальные глубины) в окружном направлении воздействуют на гидродинамические давления или градиенты давления и создают равномерный поток смазочного масла.
Также следует заметить, что поршневое кольцо 1 согласно изобретению выполнено в виде единой детали. Это означает, что канавка 2 в поршневом кольце 1 имеет максимальную глубину Tmax, которая меньше радиальной протяженности поршневого кольца 1, так что смазочное масло не может проходить через поршневое кольцо в направлении к внутренней окружной поверхности 7.
Центроид S поперечного сечения поршневого кольца 1 лежит в плоскости между двумя наивысшими точками В1 и В2 относительно осевой протяженности рабочей поверхности поршневого кольца 1. Благодаря этому поршневое кольцо 1 в статическом состоянии прилегает обеими наивысшими точками В1 и В2 к ответной рабочей поверхности 30 или возможно минимально отстоит от нее на толщину тонкой расположенной между ними масляной пленки (не показана).
На фиг. 2(a) на виде сверху изображен фрагмент проходящей в окружном направлении рабочей поверхности 3 поршневого кольца 1 согласно изобретению. На показанном участке схематично представлены изменение ширины канавки 2 и две линии 11, 13, содержащие наивысшие точки. Ширина В канавки 2 изменяется между максимальной шириной Bmax и минимальной шириной Bmin. В положениях А и С канавка 2 имеет максимальную ширину Bmax, а в положении В она имеет минимальную ширину Bmin.
На фиг. 2(a) обозначены две ограничивающие канавку 2 граничные линии 15 и 16, с помощью которых можно определить ширину канавки. Также на фиг. 2(a) показаны положения А, В и С поперечных сечений. Показанное на фиг. 1(a) поперечное сечение соответствует положениям А или С, а показанное на фиг. 1(b) поперечное сечение соответствует положению В.
Фиг. 2(b) и 2(c) изображают профиль или изменение глубины Т канавки 2 в соответствии с фрагментом рабочей поверхности 3 с канавкой 2, показанным на фиг. 2(a). Глубина Т канавки 2 изменяется между минимальной глубиной Tmin и максимальной глубиной Tmax. Изменение ширины В канавки 2 и изменение глубины синфазны. Это означает, что когда канавка 2 имеет максимальную ширину Bmax, ее глубина Tmin минимальна, а когда она имеет минимальную ширину Bmin, ее глубина Tmax максимальна. В показанной на фиг. 2(b) диаграмме изменения глубины показаны соответственно окружные положения А, В и С и проиллюстрированы изменения ширины и глубины в одной фазе.
Фиг. 2(е) изображает вид плоскости поршневого кольца 1. В плоскости поршневого кольца показаны окружные положения или положения А, В, С поперечных сечений, показанные на фиг. 2(a), 2(b) или 2(c). Ширина и глубина канавки 2 на рабочей поверхности 3 поршневого кольца 1 изменяются периодически вдоль наружной окружной периферии поршневого кольца 1. На фиг. 2(d) в качестве примера показана периодичность, равная 6. Другими словами, угол ϕ периода по отношению к окружной периферии поршневого кольца в данном примерном варианте осуществления составляет ϕ=60°. Предпочтительно, периоды изменения ширины В и глубины Т канавки 2 составляют от 4 (ϕ=90°) до 36 (ϕ=10°). Предпочтительно, число периодов равно целому числу, и, в частности, периоды равны.
Следует отметить, что число периодов глубины или ширины канавки 2 может быть согласовано с числом впускных устройств или сопел, через которые смазочное масло нагнетается или впрыскивается в цилиндр, например, способом газового противодавления. Так например, число периодов может быть равно числу впускных устройств или сопел, однако может быть также числом, кратным этому числу.
Другой пример исполнения поршневого кольца 1 в соответствии с изобретением показан на фиг. 3(a) и 3(b). В этом примере угол периода равен ϕ=30°
Канавка 2 может быть симметричной, то есть зеркально симметричным, как это показано на фиг. 1 и 2, или несимметричной относительно средней плоскости поршневого кольца 1 (не показана). Канавка 2 проходит, по существу, посередине, то есть она проходит, по существу, посередине по отношению к осевой протяженности поршневого кольца 1 или по отношению к средней плоскости поршневого кольца 1, как это показано на фиг. 1 и 2 (по существу, на 50% осевой протяженности). Однако альтернативно канавка 2 может быть также расположена за пределами средней плоскости.
Предпочтительно, линии 11 и 13, содержащие наивысшие точки, расположены, по существу, на окружностях, плоскости которых параллельны плоскости поршневого кольца 1; см. фиг. 2(a). Однако альтернативно по меньшей мере одна из линий 11 и 13, содержащих наивысшие точки, может следовать кривой изменения ширины канавки 2 на расстоянии или совпадать с ней. Так, например, линии 11 и 13, содержащие наивысшие точки, могут быть идентичными наружным граничным линиям 15 и 16 канавки 2. Другими словами, ширина канавки определяется расстоянием между содержащими наивысшие точки линиями 11 и 13 двух участков 10 или 12.
Предпочтительно, ширина В и глубина Т канавки 2 изменяются непрерывно и также, предпочтительно, могут быть описаны периодическими непрерывными функциями. В частности, ширина В и глубина Т канавки 2 могут описываться периодическими дифференцируемыми функциями. Это означает, что, например, граничные линии 15 и 16 могут описываться функциями углов, например, такими как функция окружного угла ϕ и числа k периодов:
Ширина В и глубина Т канавки 2 могут быть выражены также функциями углов, например, следующим образом:
Для лучшего понимания эти приведенные в качестве примера функции представлены на фиг. 4(a) и 4(b).
Предложенное в данном описании поршневое кольцо предназначено, в частности, для поршней диаметром больше 400 мм.
Поршневое кольцо с канавкой согласно изобретению, предпочтительно, может использоваться в поршнях двигателей внутреннего сгорания, таких как двухтактные двигатели внутреннего сгорания, или в поршнях компрессоров. При этом было установлено, что по сравнению с известными решениями могут быть значительно снижены расход масла, с одной стороны, и пропуск газов, с другой стороны. Следовательно, можно утверждать, что в аспектах конструкции и изготовления в соответствии с изобретением создано поршневое кольцо для поршня двигателя внутреннего сгорания или компрессора, которое показывает выдающиеся результаты в отношении пропуска газов и расхода масла при обеспечении надежной смазки.
Согласно следующему аспекту изобретения обеспечивается канавка периодически изменяющейся формы.
В примерном варианте осуществления предусмотрены следующие физические значения: диаметр кольца 600 мм, ширина канавки 1-3 мм (осевая высота 16 мм), глубина канавки 0,2-0,7 мм (радиальная толщина стенки 19,5 мм).
Перечень позиций
1: Поршневое кольцо
2: Паз или канавка
3: Рабочая поверхность поршневого кольца (наружная поверхность, обращенная от камеры сгорания сторона) или наружная окружная поверхность
5: Боковая сторона, обращенная к камере сгорания
6: Боковая сторона, обращенная к масляной камере
7: Внутренняя окружная поверхность
10: Первый сферически выпуклый участок профиля рабочей поверхности
11: Первая линия, содержащая наивысшую точку
В1: Наивысшая точка первой линии, содержащей наивысшую точку
12: Второй сферически выпуклый участок профиля рабочей поверхности
13: Вторая линия, содержащая наивысшую точку
В2: Наивысшая точка второй линии, содержащей наивысшую точку
S: Центроид
20: Контактная точка первой наивысшей точки или первой линии, содержащей наивысшую точку
21: Контактная точка второй наивысшей точки или второй линии, содержащей наивысшую точку
15: Первая граничная линия канавки
16: Вторая граничная линия канавки
30: Ответная рабочая поверхность, например гильза цилиндра
31: Камера сгорания
32: Масляная камера
Т: (Периодически изменяющаяся) глубина паза или канавки
В: (Периодически изменяющаяся) ширина паза или канавки