ПРОФИЛИРОВАННОЕ КОМПРЕССИОННОЕ ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО
PROFILED COMPRESSION PISTON RING

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к компрессионному поршневому кольцу с областью рабочей поверхности, которая имеет профиль с двумя вершинами ниже середины высоты поршневого кольца.
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.  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.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к компрессионному поршневому кольцу с областью рабочей поверхности, которая имеет профиль с двумя вершинами, расположенными ниже середины высоты поршневого кольца, с признаками пункта 1 формулы. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы.
Компрессионное поршневое кольцо согласно изобретению имеет область рабочей поверхности, верхнюю поверхность, нижнюю поверхность, а также внутреннюю окружную поверхность. В области рабочей поверхности предусмотрен профиль, который, если смотреть поверх осевой высоты области рабочей поверхности, имеет одну верхнюю вершину и одну нижнюю вершину, выполненные выпуклыми и на расстоянии друг от друга. Верхний участок содержит верхнюю вершину, а нижний участок содержит нижнюю вершину. Между вершинами расположена канавка с некоторой глубиной канавки. Обе вершины расположены в осевом направлении ниже середины (относительно высоты) поршневого кольца.
Под понятием "вверх" в данном документе имеют в виду "в направлении камеры сгорания" или "в направлении днища поршня". Под понятием "вниз" в данном документе имеют в виду "в направлении картера двигателя" или "в направлении юбки поршня".
В данном документе рассматривают компрессионное кольцо, которое имеет больше одной максимальной контактной точки или больше одной контактной линии на рабочей поверхности. Кроме того, все они расположены ниже середины осевой высоты. При этом отчетливо увеличивается маслосъемное действие при ходе вниз без изменения способности перелива или всплывания на масляной пленке при ходе вверх. Обе так называемые шарнирные точки или вершины лежат на огибающей кривой и могут быть описаны таким образом, что для случая двух шарнирных точек обе точки являются элементами общей линии рабочей поверхности и точно описывают наивысшую точку линии. Таким образом, при ходе вниз гидродинамика и вместе с этим всплывание поршневого кольца уменьшается, что неизбежно ведет к повышенному маслосъемному действию при ходе вниз. Посредством указанной линии выпуклости выше верхней вершины при ходе вверх может быть достигнута гидродинамика, схожая с гидродинамикой обычного компрессионного кольца.
В примерном варианте осуществления поршневого кольца верхняя вершина расположена в области от 22% до 45%, предпочтительно от 25% до 40%, еще предпочтительней от 30% до 35% общей высоты поршневого кольца. Далее, нижняя вершина может быть расположена в области от 0% до 20%, предпочтительно от 5% до 18%, еще предпочтительней от 10% до 15% общей высоты поршневого кольца.
В дополнительном примерном варианте осуществления поршневого кольца верхняя внешняя кромка поршневого кольца имеет большую верхнюю глубину относительно верхней вершины, чем нижняя глубина нижней внешней кромки относительно нижней вершины. Это соответствует более длинному и более плоскому подъему в части рабочей поверхности, которая проходит от верхней вершины до верхнего края поршневого кольца, чем в области, которая проходит от нижней вершины до нижнего края.
В еще одном варианте осуществления поршневое кольцо содержит третий, средний выпуклый участок с вершиной, расположенной между верхней вершиной и нижней вершиной. Средняя вершина выступает в радиальном направлении больше, чем верхняя вершина и/или нижняя вершина.
В дополнительном варианте осуществления поршневого кольца угол между осевым направлением поршневого кольца и линией между верхней вершиной и средней вершиной равен углу между осевым направлением поршневого кольца и линией между средней вершиной и нижней вершиной. По существу, контактные линии образуют одинаковые конусообразные и зеркально-симметричные поверхности. Если поршневое кольцо перекашивается в канавке для поршневого кольца, то две контактные линии все равно доступны для снятия масла. В этом варианте осуществления предполагается, что кольцо как при движении вверх, так и при движении вниз перекашивается в одинаковой степени.
Если поршневое кольцо перекашивается в канавке для поршневого кольца, то две контактные линии все равно доступны для снятия масла. В этом варианте осуществления предусмотрено, что кольцо как при движении вверх, так и при движении вниз перекашивается в одинаковой степени.
В дополнительном варианте осуществления поршневого кольца осевое направление поршневого кольца параллельно линии между верхней вершиной и средней вершиной, и дополнительно существует угол между осевым направлением поршневого кольца и линией между средней вершиной и нижней вершиной. По существу, две верхние контактные линии образуют цилиндрическую поверхность. Две нижние контактные линии образуют коническую поверхность. Если поршень передвигается в рабочем такте вниз, то отработавшие газы прижимают поршневое кольцо к нижней канавке для поршневого кольца, так что поршневое кольцо плоско прилегает к нижней канавке для поршневого кольца и, таким образом, средняя и верхняя вершина (или контактная линия) находятся в контакте с внутренней поверхностью цилиндра. Если же поршень передвигается вниз в такте впуска, то в цилиндр всасывается новый воздух, и поршневое кольцо прилегает к верхней поверхности канавки для поршневого кольца и перекашивается или скручивается положительно, так что оно прилегает несколько перекошенно к нижней канавке для поршневого кольца. В этом положении средняя и нижняя вершина (или соответствующие контактные линии) находятся в контакте с внутренней поверхностью цилиндра.
Если поршневое кольцо перекашивается в канавке для поршневого кольца, то две контактные линии все равно доступны для снятия масла. В этом варианте осуществления предусмотрено, что кольцо при движении вниз в рабочем такте и в такте впуска перекашивается или скручивается по-разному.
В еще одном варианте осуществления поршневого кольца контур участка между верхней вершиной и средней вершиной одинаков с контуром участка между средней вершиной и нижней вершиной. При этом соответствующий контур может быть перекошен один относительно другого, так как три вершины So, Sm и Su необязательно лежат на одной линии. В данном варианте осуществления между вершинами So и Sm, с одной стороны, и Sm и Su, с другой стороны, в соответствующей канавке между вершинами могут использоваться одинаковые гидродинамические эффекты. Между вершинами So и Sm находится первая верхняя канавка No, а между вершинами Sm и Su находится вторая нижняя канавка Nu.
В другом варианте осуществления поршневого кольца область рабочей поверхности снабжена по меньшей мере в области вершин противоизносным слоем, например алмазоподобным покрытием (DLC). Вершины или контактные линии образуют только малую часть протяжения поршневого кольца по высоте, так что здесь, следовательно, ожидаются высокие контактные давления поверхностей и повышенный износ. Тонкие структуры вершин без соответствующего противоизносного слоя были бы быстро сношены, и поршневое кольцо превратилось бы в обычное выпуклое компрессионное кольцо.
В еще одном варианте осуществления поршневого кольца выпуклые участки, по отношению к осевой высоте области рабочей поверхности, расположены асимметрично друг относительно друга. Вследствие этого, как и в обычных асимметрично выполненных выпуклых компрессионных кольцах, может быть улучшено маслосъемное действие поршневого кольца.
В другом варианте осуществления поршневого кольца верхняя глубина (То) составляет от 20 до 40 мкм, глубина канавки (Tn) - от 1 до 5 мкм, а нижняя глубина (Tu) - от 5 до 20 мкм. В варианте с тремя вершинами So, Sm и Su канавки между вершинами или вершинными линиями So и Sm, с одной стороны, и Sm и Su, с другой стороны, соответственно, имеют одинаковые размеры.
В еще одном примерном варианте осуществления поршневого кольца в смонтированном кольце без дополнительной нагрузки верхняя и нижняя вершины (So, Su) расположены на одной радиальной поверхности или на одной цилиндрической поверхности. В другом примерном варианте осуществления поршневого кольца в смонтированном кольце без дополнительной нагрузки верхняя и средняя вершина (So, Sm) расположены на одной радиальной поверхности или на одной цилиндрической поверхности.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение разъяснено подробнее посредством фигур чертежей отдельных вариантов осуществления.
На фиг. 1 показано обычное компрессионное поршневое кольцо на виде в радиальном разрезе.
На фиг. 2 показан первый вариант осуществления поршневого кольца согласно изобретению на виде в разрезе.
На фиг. 3А показан еще один вариант осуществления поршневого кольца согласно изобретению на виде в разрезе.
На фиг. 3В показано поршневое кольцо с фигуры 3А под нагрузкой на виде в разрезе.
На фиг. 4А показан дополнительный вариант осуществления поршневого кольца согласно изобретению на виде в разрезе.
На фиг. 4В показано поршневое кольцо с фигуры 4А под нагрузкой на виде в разрезе.
Ниже, как в описании, так и в чертежах, для осуществления ссылок на одинаковые или схожие элементы или компоненты используются одинаковые ссылочные обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показано обычное компрессионное поршневое кольцо 20 на виде в радиальном разрезе. Обычное компрессионное поршневое кольцо 20 имеет область 4 рабочей поверхности, верхнюю поверхность 6, нижнюю поверхность 8 и внутреннюю окружную поверхность 10. Обычное компрессионное поршневое кольцо 20 имеет выполненную выпуклой область 4 рабочей поверхности, которая содержит вершину S, причем область 4 рабочей поверхности расположена на половине высоты (1/2Н) высоты Н обычного компрессионного поршневого кольца 20 относительно середины М. Рабочая поверхность обычного компрессионного поршневого кольца 20 выполнена асимметричной, причем поршневое кольцо при движении вверх может всплывать на имеющейся масляной пленке, однако при движении вниз оно может снимать масло с внутренней стенки цилиндра (не показана). Вид разреза показан с обрывом в радиальном направлении, чтобы продемонстрировать профиль рабочей поверхности максимально четко без ограничения большим габаритом обычного компрессионного поршневого кольца 20 в радиальном направлении.
На фиг. 2 показан первый вариант осуществления поршневого кольца 2 согласно изобретению на виде в разрезе. Поршневое кольцо 2 согласно изобретению также имеет область 4 рабочей поверхности, верхнюю поверхность 6, нижнюю поверхность 8 и внутреннюю окружную поверхность 10. Компрессионное поршневое кольцо 2 согласно изобретению имеет выполненную выпуклой область 4 рабочей поверхности, на которой расположены верхняя вершина So и нижняя вершина Su, которые отделены друг от друга вогнутостью, образующей канавку 16. Верхняя вершина So расположена на верхнем участке 12 рабочей поверхности, а нижняя вершина Su расположена на нижнем участке 14 рабочей поверхности. Обе вершины So и Su расположены ниже середины М, расположенной на половине высоты 1/2Н общей высоты Н компрессионного поршневого кольца 2. Вместо только одной вершины S здесь предусмотрены верхняя вершина So и нижняя вершина Su, отделенные друг от друга канавкой 16. Канавка 16 образует масляный аккумулирующий резервуар, который улучшает смазывание и съемное действие поршневого кольца 2. Как и в обычном компрессионном поршневом кольце 20 с фигуры 1 область 4 рабочей поверхности имеет асимметричную форму.
В смонтированном и ненагруженном поршневом кольце две вершины So и Su прилегают к цилиндрической поверхности или внутренней поверхности цилиндра.
Верхний край относительно соответствующей наивысшей вершины So или Su имеет глубину То, которая больше глубины Tu нижнего края области рабочей поверхности. За счет такой асимметричной формы поршневое кольцо может, как и в случае обычного поршневого кольца 20 с фиг. 1, при движении вверх всплывать на имеющейся масляной пленке, а при движении вниз снимать масло с внутренней стенки 18 цилиндра. Глубина Tn канавки 16 между вершинами So и Su меньше, чем глубина То и Tu. Обе вершины So и Su в смонтированном поршневом кольце 2 имеют одинаковые радиальные размеры, так что они образуют контактные линии на внутренней стороне внутренней поверхности 18 цилиндра. Также на фигуре 2 вид разреза показан с обрывом в радиальном направлении по линии обрыва и укороченным, чтобы продемонстрировать профиль рабочей поверхности максимально четко. На фигуре 2 подразумевается, что поверхности 6, 8 поршневого кольца 2 плоско прилегают либо к верхней, либо к нижней поверхности канавки для поршневого кольца, и поршневое кольцо 2 не перекошено в канавке для поршневого кольца.
Компрессионное кольцо имеет больше одной максимальной контактной точки или больше одной контактной линии на рабочей поверхности. Кроме того, все они расположены ниже середины М осевой высоты. Обе так называемые шарнирные точки или вершины So и Su лежат на огибающей кривой и могут быть описаны так, что в случае двух шарнирных точек обе эти точки являются элементами общей линии рабочей поверхности и точно описывают наивысшую точку линии, поэтому обе лежат на цилиндрической поверхности. Таким образом, при ходе вниз уменьшается гидродинамика и, вместе с ней, всплывание поршневого кольца, что неизбежно ведет к увеличенному маслосъемному действию при ходе вниз, или при ходе вверх, или при ходе сжатия в направлении Ko. За счет линии выпуклости выше верхней вершины при ходе вверх может быть достигнута гидродинамика, аналогичная гидродинамике обычного компрессионного кольца.
На фиг. 3А показан второй вариант осуществления поршневого кольца 2 согласно изобретению на виде в разрезе. Принципиальная конструкция соответствует варианту осуществления с фигуры 2 и повторно не раскрывается здесь во всех деталях. В канавке 16, показанной на фигуре 2, расположена еще одно средняя вершина Sm. Канавка 16 разделена, таким образом, на верхнюю канавку No и нижнюю канавку Nu. Средняя вершина имеет больший радиальный размер Rm, чем соответствующие одинаковые радиальные размеры Ro и Ru верхней и нижней вершины So и Su. На фигуре 3 справедливы следующие соотношения: Rm>Ro, Rm>Ru и Ro=Ru, причем знаки отношений > и = должны относиться к области точности изготовления и измерения. В данном варианте осуществления предусмотрено, что поршневое кольцо легко и равномерно перекашивается внутри канавки для поршневого кольца поршня как при движении вверх Ko, так и при движении вниз.
Действие конструкции поршневого кольца 2 с фигуры 3А разъяснено посредством фиг. 3В. Поршневое кольцо легко перекашивается в канавке для поршневого кольца как при движении вверх Ko, так и при движении вниз или движении впускного такта. При движении вверх Ko поршневое кольцо 2 скручивается отрицательно, т.е. его верхняя вершина So и средняя вершина Sm профиля прилегают к внутренней стенке цилиндра, как это показано сплошной линией. Напротив, штрихпунктирной линией An с двумя точками показано компрессионное кольцо в немного положительно скрученном положении, которое ожидается во время такта впуска или движения вниз поршня. Такая форма позволяет все время иметь в распоряжении две контактные линии со стенкой цилиндра, как при движении вверх, так и при движении вниз, для изолирования газов из камеры сгорания.
На фиг. 4А показан второй вариант осуществления поршневого кольца 2 согласно изобретению на виде в разрезе. Принципиальная конструкция соответствует варианту осуществления на фигуре 3А. В данном случае иначе распределены радиальные размеры Ro, Rm и Ru. Средняя вершина Sm и верхняя вершина So имеют равные радиальные размеры Rm и Ro, соответственно. Нижняя вершина Su имеет радиальный размер Ru, который меньше радиальных размеров Ro и Rm верхней и средней вершины So и Sm. На фигуре 4А справедливы следующие соотношения: Ro>Ru, Rm>Ru и Ro=Rm, причем знаки отношений > и = должны относиться к области точности изготовления и измерения.
Этот вариант предусмотрен для того, чтобы достичь максимального маслосъемного действия при движении поршня вниз. Поршневое кольцо снимает масло с внутренней стенки 18 цилиндра как при движении вниз на такте впуска (An), так и при движении вниз на рабочем такте (Ar). При этом предусмотрено, что нижняя поверхность 8 поршневого кольца 2 внутри канавки для поршневого кольца плоско прилегает к нижней поверхности канавки для поршневого кольца на рабочем такте Ar, а на такте впуска поршня поршневое кольцо 2 легко и равномерно перекашивается.
Действие конструкции поршневого кольца 2 с фигуры 4А разъяснено посредством фиг. 4В. Поршневое кольцо перекашивается по причине различных соотношений давлений только при движении вниз на такте впуска An, скручиваясь немного положительно в канавке для поршневого кольца. При движении вниз поршня на рабочем такте Ar, напротив, избыточное давление отработавших газов давит на поршневое кольцо так, что нижняя поверхность поршневого кольца плоско прилегает к нижней поверхности канавки для поршневого кольца.
При движении вниз An на такте впуска поршневое кольцо 2 несколько положительно скручено, так что средняя вершина Sm и нижняя вершина Su профиля поршневого кольца 2 прилегают к внутренней стенке цилиндра, как это показано штрихпунктирными линиями с двумя точками. Сплошной линией Ar, напротив, показано плоское и нескрученное компрессионное кольцо во время движения поршня вниз на рабочем такте. Такая форма профиля поршневого кольца позволяет все время иметь в распоряжении две контактные линии со стенкой цилиндра, как при движении вниз на такте впуска An, так и при движении вниз на рабочем такте, для изолирования газов из камеры сгорания и для снятия масла с внутренней стенки цилиндра (показанной здесь штриховой линией).
Компрессионное кольцо все время имеет больше одной максимальной контактной точки или больше одной контактной линии на рабочей поверхности, даже если кольцо скручивается. Все эти контактные линии расположены ниже середины М осевой высоты поршневого кольца. Поршневое кольцо в области вершин So, Sm и Su выполнено выпуклым, а между вершинами So, Sm и Su выполнены одна верхняя канавка No и одна нижняя канавка Nu, соответственно. Канавки No и Nu предпочтительно выполнены идентичной формы или с идентичным профилем. Кроме того, канавки No и Nu предпочтительно имеют асимметричную форму или профиль, который еще больше усиливает маслосъемное действие асимметричного компрессионного кольца. В частности, предусмотрено, что верхняя поверхность канавки выполнена более отвесной, а нижняя поверхность канавки - более плоской. Таким образом, при ходе вниз уменьшают гидродинамику и, вместе с тем, всплывание поршневого кольца, что неизбежно ведет к повышенному маслосъемному действию при ходе вниз по сравнению с ходом вверх.
Чтобы не перегружать описание, авторы изобретения отказались представлять отдельно все комбинации поршневых колец, которые раскрыты в формуле. Такие комбинации, которые могут быть получены из комбинаций признаков раскрытых вариантов осуществления, также должны рассматриваться в качестве раскрытых.
Список обозначений
2 компрессионное поршневое кольцо
4 область рабочей поверхности 6 верхняя поверхность
8 нижняя поверхность
10 внутренняя окружная поверхность
12 верхний участок
14 нижний участок
18 внутренняя поверхность цилиндра
20 компрессионное поршневое кольцо
Ko такт сжатия
An такт впуска
Ar рабочий такт
Н высота
L направление хода вверх
М середина
N канавка
No верхняя канавка
Nu нижняя канавка
Р профиль
Rm радиус средней вершины
Ro радиус верхней вершины
Ru радиус нижней вершины
S вершина
Sch линия обрыва
Sm средняя вершина
So верхняя вершина
Su нижняя вершина
Tn глубина канавки
То глубина верхней кромки под наивысшей вершиной
Tu глубина нижней кромки под наивысшей вершиной