МАСЛОСЪЕМНОЕ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE PISTON SCRAPER RING

Изобретение относится к машиностроению, а конкретно к проектированию, производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Известны маслосъемные кольца двигателей внутреннего сгорания, содержащие два раздельных скребковых элемента с расширителями различной конструкции (Заявка №53-22204, Япония, МПК F02F 5/00, опубл. 1978; авторское свидетельство №1312217, СССР, МПК F02F 5/00, опубл. 1985), а также широко используемые в настоящее время малоэффективные маслосъемные коробчатые поршневые кольца ГОСТ 621-87.
Известно уплотнительное и маслосъемное кольцо двигателя внутреннего сгорания (Заявка №59-20859, Япония, МПК F02F 5/00, опубл. 1984), ближайшее по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое за прототип, в котором скребковые элементы имеют симметричную форму рабочей поверхности, расширители-экспандеры выполнены пластинчатыми. Скребковые элементы не могут снять со стенки цилиндра излишки масла, так как масло - жидкость практически не сжимаемая, при больших скоростях движения поршня оно отжимает рабочую поверхность скребкового элемента от стенки цилиндра, оставляя слишком большую толщину смазочного слоя. При движении поршня в верхнее положение на такте «сжатие» часть свежего масла, оставшегося на стенке цилиндра после такта «впуск», снимается компрессионными кольцами и верхним скребковым элементом и выбрасывается в камеру сгорания. При движении поршня в нижнее положение на следующем такте «рабочий ход» большое количество масла, оставшегося на стенке цилиндра после прохождения нижнего и верхнего скребковых элементов и оказавшегося в зоне высоких температур, сгорает, образуя на стенке цилиндра копоть, сажу и другие вредные продукты процесса сгорания. Так как последние имеют меньшую вязкость по сравнению с маслом, то они легко снимаются со стенки цилиндра компрессионными кольцами и верхним скребковым элементом маслосъемного кольца при движении поршня в верхнее положение на следующем рабочем такте «выпуск» и выбрасываются в атмосферу, ухудшая экологические показатели двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности маслосъемных колец, увеличении мощности и ресурса двигателя, уменьшении расхода топлива и масла, улучшении экологических характеристик двигателя.
1
2
Технический результат достигается тем, что в маслосъемном поршневом кольце двигателя внутреннего сгорания, содержащем скребковые элементы и расположенное между ними расширительное кольцо, рабочая поверхность верхнего скребкового элемента выполнена профилированной и имеет плоскую цилиндрическую часть, от которой выполнен скос по радиусу R в направлении движения поршня в верхнее положение, а рабочая поверхность нижнего скребкового элемента также выполнена профилированной и имеет цилиндрическую часть, от которой выполнен скос по радиусу R в том же направлении.
Нижний торец верхнего скребкового элемента выполнен под углом 4°…5° к своему верхнему торцу, при этом угол скоса от рабочей поверхности направлен вверх по оси поршня, а верхний торец нижнего скребкового элемента выполнен под углом 4°…5° к своему нижнему торцу, при этом угол скоса от рабочей поверхности направлен вниз по оси поршня.
Упругое, разрезное расширительное кольцо выполнено в виде усеченного конуса с углом конуса 8°…10°, обращенного вершиной конуса к стенке цилиндра, а большим основанием в сторону дна поршневой канавки, причем в кольце выполнены сквозные пазы, сообщающие полость, расположенную между стенкой цилиндра и поверхностью внешнего диаметра кольца, с придонной полостью поршневой канавки.
На чертеже представлено частичное сечение двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, верхний скребковый элемент 3, расширительное кольцо 4, нижний скребковый элемент 5, установленные в поршневой канавке 6.
Маслосъемное поршневое кольцо работает следующим образом.
При движении поршня 2 в нижнее положение нижний скребковый элемент 5 своим нижним торцом снимает основную часть масла со стенки цилиндра 1, причем толщина оставляемого слоя масла на стенке цилиндра 1 зависит от удельного давления рабочей поверхности скребкового элемента 5 на стенку цилиндра 1, которое, в свою очередь, зависит от собственных сил упругости и площади цилиндрической части, формирующей с нижним торцом скребкового элемента 5 острую кромку рабочей поверхности. От цилиндрической части профилируется радиусный скос рабочей поверхности скребковых элементов 3 и 5, который ограничивает соскабливающее действие скребковых элементов 3 и 5 при движении поршня 2 в верхнее положение. Чем больше ширина цилиндрической части на рабочей поверхности скребковых элементов 3 и 5, тем меньше удельное давление его на стенку цилиндра 1, тем большая толщина смазочного слоя остается на стенке цилиндра. И наоборот, чем меньше ширина цилиндрической ленточки на рабочей поверхности скребковых элементов 3 и 5, тем больше удельное давление его на стенку цилиндра 1, тем меньшая толщина смазочного слоя остается на стенке цилиндра 1. Исходя из этого, предусматривается предварительная черновая операция снятия масла со стенки цилиндра 1 нижним скребковым элементом 5, для чего увеличивается ширина цилиндрической част и на его рабочей поверхности. Для окончательного формирования расчетной величины минимально необходимого гидродинамического смазочного слоя определяется минимально необходимая ширина цилиндрической части верхнего скребкового элемента 3.
При движении поршня 2 в верхнее положение верхний скребковый элемент 3 своим радиусным верхним торцом наезжает на масляную пленку и, так как масло - это жидкость практически не сжимаемая, оставляет ее в том виде, в каком она была сформирована скребковыми элементами 3 и 5 при движении поршня 2 в нижнее положение. Точно так же действует и нижний скребковый элемент 5. Кроме того, учитывая большую скорость движения поршня 2 и гидродинамические особенности масла, последнее, накопившееся в полости самого маслосъемного кольца и не успевшее отравиться через отверстия расширительного кольца 4 и отверстия в дне поршневой канавки 6 во внутреннюю полость поршня 2, при его движении в верхнее положение, отжимает скребковый элемент 5 от стенки цилиндра 1 и выходит в зазор между поршнем 2 и стенкой цилиндра 1.
При движении поршня 2 в нижнее положение масло, снятое со стенки цилиндра 1 верхним скребковым элементом 3, удаляется из внутренней полости маслосъемного кольца через радиальные отверстия конического расширительного кольца 4 и далее через отверстия в дне поршневой канавки 6 во внутреннюю полость поршня 2. Кроме того, коническое расширительное кольцо 4 обеспечивает необходимые жесткость и устойчивость скребковых элементов 3 и 5 при движении поршня 2, учитывает термодинамические изменения размеров поршневой канавки 6 и цилиндра 1, а также износ контактных поверхностей. Для выполнения этих условий и обеспечения надежности работы маслосъемного кольца величина угла конуса кольца 4 должна быть в пределах угла самоторможения кинематических пар, который находится в пределах 12°, а при наличии смазки и вибраций должен быть не более 8°…10°.
При разработке предлагаемой конструкции маслосъемного кольца выполнено главное требование, которое должно выполняться всеми проектируемыми маслосъемными поршневыми кольцами - формировать минимально необходимую толщину гидродинамического смазочного слоя на стенке цилиндра только при движении поршня в нижнее положение и ограничивать снятие масла со стенки цилиндра при движении поршня в верхнее положение.
Разработанное маслосъемное поршневое кольцо оставляет на стенке цилиндра минимально необходимую толщину гидродинамического смазочного слоя, обеспечивающего минимальный расход моторного масла на угар и минимальные потери на трение поршневых колец, следствием чего является повышение мощности и ресурса двигателя, снижение расхода топлива и моторного масла, улучшение экологических показателей двигателя.