МАСЛОСЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ Российский патент 2007 года по МПК F16J9/20 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве маслосъемных колец, устанавливаемых на поршнях двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.

Известны маслосъемные поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания, изготовленные из стальной ленты волнистого профиля. Волнистый профиль задает некоторый угол торцовым поверхностям кольца к верхней и нижней поверхностям канавки поршня и соответственно к поверхности цилиндра двигателя. При этом торцовые наклонные поверхности кольца являются его скребками. В задней вертикальной стенке кольца, по ее окружности, симметрично торцовым поверхностям кольца периодически выполнены отверстия для прохода масла в заколечное пространство поршневой канавки (патент США №2631908. Энглиш К. Поршневые кольца, т.1. Машгиз. 1962, с.512, фиг.430, 431).

Такое маслосъемное кольцо, находясь в канавке поршня в рабочем положении, обладает упругими силами не только в радиальном направлении, но и в осевом, так как размер кольца по высоте таков, что его наклонные торцовые поверхности с определенным усилием упираются в верхнюю и нижнюю торцовые поверхности канавки поршня вблизи наружных краев. Радиальная составляющая от упругой осевой силы будет дополнительной силой к первоначально заданному радиальному давлению кольца. Суммарная радиальная сила увеличивает давления прижатия скребков к поверхности цилиндра, что улучшает маслосбрасывающие функции кольца.

Основным недостатком работы аналога является постоянное заданное давление скребков кольца на поверхность цилиндра как при движении поршня к нижней мертвой точке, так и при движении его к верхней мертвой точке, хотя известно, что сброс масла кольцом с поверхности цилиндра происходит только при движении поршня к нижней мертвой точке.

При одинаковом заданном давлении кольца на поверхность цилиндра двигателя наблюдается повышенный расход масла на угар, так как при движении поршня к верхней мертвой точке имеет место транспортирование кольцом части масла с поверхности цилиндра в зону высоких температур и в камеру сгорания двигателя. Отсюда следует, что при движении поршня к верхней мертвой точке надо уменьшать радиальное давление маслосъемного кольца до минимума, а при движении поршня к нижней мертвой точке увеличивать до необходимого.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству (прототип) является маслосъемное кольцо, состоящее из стального разрезного кольца коробчатого сечения с верхним и нижним скребками, размещенное в канавке поршня, и экспандера, расположенного между скребками кольца (а.с. №1390458, МКИ F16j). Верхний скребок кольца расположен перпендикулярно к задней окружной вертикальной стенке кольца и, соответственно, к поверхности цилиндра двигателя. Нижний скребок кольца расположен под некоторым углом к окружной вертикальной стенке кольца и, соответственно, к поверхности цилиндра и представляет собой конус с вершиной, направленной вверх. Рабочие поверхности скребков выполнены коническими с вершинами конусов, направленными вверх. Экспандер выполнен в виде разрезного кольцевого элемента с боковой рабочей поверхностью, имеющей выступы бочкообразной формы, контактирующие с поверхностью цилиндра, причем высота выступов должна быть не менее зазора между цилиндром и поршнем.

Назначение кольца коробчатого сечения сбрасывать масло с поверхности цилиндра при помощи верхнего и нижнего скребков при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Назначение экспандера - воздействовать своей массой на нижний наклонный скребок для уменьшения угла его наклона к поверхности цилиндра с целью увеличения давления на поверхность цилиндра и улучшения процесса сбрасывания масла.

Работа такого маслосъемного устройства осуществляется следующим образом. При движении поршня к нижней мертвой точке, когда последний находится в первой половине хода (примерно первые 80 градусов поворота кривошипа), сила инерции экспандера направлена к верхней мертвой точке. Экспандер вместе с кольцом прижимается к верхнему торцу поршневой канавки. Нижний маслосъемный скребок не испытывает воздействия со стороны экспандера и угол наклона скребка к поверхности цилиндра не изменяется - остается заданным. В результате радиальное давление наклонного скребка на поверхность цилиндра не самое высокое и сброс масла осуществляется пока обычным порядком. Во второй половине хода поршня силы инерции экспандера меняют направление на противоположное и уже начинают воздействовать на нижний наклонный скребок, нажимая на последний. Нижний скребок, изгибаясь в районе сопряжения с вертикальной окружной стенкой кольца, поворачивается как относительно вертикальной стенки кольца, так и относительно поверхности цилиндра. При этом угол наклона нижнего скребка уменьшается и он стремиться занять горизонтальное положение, параллельное верхнему скребку. Поскольку нижний скребок из-за своего наклонного положения имеет несколько большую длину по сравнению с верхним горизонтальным скребком, то при уменьшении угла наклона скребка и стремлении занять горизонтальное положение, его радиальное давление на зеркало цилиндра увеличивается. Тем самым улучшается процесс сбрасывания масла с поверхности цилиндра.

Недостатком такой конструкции является то, что улучшение маслосбрасывающих функций наблюдается только в нижней части цилиндра, в районе нижней мертвой точки, в то время как в средней части цилиндра, там, где высокая температура и вероятность угарания масла выше, маслосбрасывающие функции кольца не улучшаются. Это связано с тем, что кольцо, изготовленное из стальной ленты коробчатого профиля с нижним наклонным скребком к поверхности цилиндра, обладает относительно малой упругостью в осевом направлении, в котором действует сила инерции экспандера. Причиной малой упругости кольца в осевом направлении является большая жесткость в месте сопряжения наклонного скребка с окружной вертикальной стенкой кольца. Именно в этом месте происходит деформация изгиба наклонного скребка под воздействием изменяющихся сил инерции экспандера. Жесткость кольца в этом месте создает сопротивление силам инерции экспандера и от нее зависит величина изменения угла поворота нижнего наклонного скребка. Но жесткость кольца постоянна, а сила инерции экспандера по ходу перемещения поршня изменяется по косинусоиде от нуля (80 градусов поворота кривошипа) до максимальной (180 градусов поворота кривошипа - нижняя мертвая точка) (В.Н.Болтинский. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М.: Издательство сельскохозяйственной литературы. 1962, с.119). По этой причине силы инерции экспандера в начальный период их возникновения (примерно от 80 градусов поворота кривошипа до 110 градусов) не могут преодолеть жесткость кольца в сопряжении наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца и положение наклонного скребка не будет меняться. Рабочий диапазон сбрасывания масла наклонным скребком кольца с поверхности цилиндра по ходу движения поршня получится довольно коротким и будет находиться вблизи нижней мертвой точки. На поверхности цилиндра будут оставаться излишки масла, которые в дальнейшем могут попасть в камеру сгорания двигателя при движении поршня к верхней мертвой точке. Расход масла на угар будет увеличиваться.

Технической задачей изобретения является увеличение упругих свойств маслосъемного кольца в осевом направлении и тем самым повышение эффективности съема масла с поверхности цилиндра двигателя и уменьшение расхода масла на угар.

Задача достигается в маслосъемном устройстве цилиндро-поршневой группы, содержащем в канавке поршня стальное кольцо коробчатого сечения с верхним и нижним скребками, рабочие поверхности которых выполнены коническими с вершинами конусов, направленными вверх, между которыми расположен экспандер, выполненный в виде разрезного кольцевого элемента с боковой рабочей поверхностью, имеющей выступы бочкообразной формы, контактирующей с поверхностью цилиндра, причем высота выступов выполнена не менее зазора между цилиндром и поршнем, а нижний скребок кольца выполнен наклонным в виде конуса с вершиной, направленной вверх, где согласно изобретению по окружности сопряжения нижнего наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца выполнены периодически расположенные круглые отверстия, которые могут быть и овальными, причем продольные оси овальных отверстий должны располагаться по окружности оси сопряжения.

Посредством предлагаемого маслосъемного устройства цилиндро-поршневой группы, а именно путем выполнения периодически расположенных отверстий в сопряжении наклонного скребка с окружной вертикальной стенкой кольца, можно уменьшить жесткость кольца и, тем самым, повысить упругие свойства кольца в осевом направлении. В результате, во второй половине хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке наклонный скребок будет по ходу поршня раньше реагировать даже на малые величины возрастающих сил инерции экспандера. Угол наклона скребка к поверхности цилиндра начнет уменьшаться раньше по ходу движения поршня, а следовательно, и давление его на поверхность цилиндра будет возрастать также раньше. Рабочий диапазон съема масла по ходу движения поршня будет увеличиваться. Увеличится эффективность съема масла, уменьшится расход масла на угар (теоретическое обоснование деформации наклонного скребка маслосъемного кольца приведено в приложении).

Наличие изобретения в предлагаемом маслосъемном устройстве цилиндро-поршневой группы доказывается периодически расположенными по окружности сопряжения наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца отверстиями.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что периодически расположенные по окружности вертикальной стенки кольца отверстия выполнены в сопряжении наклонного скребка и вертикальной стенки кольца, т.е. в том месте, где происходит изгиб наклонного скребка под действием экспандера.

Использование изобретения позволит улучшить маслосбрасывающие функции предлагаемой конструкции за счет увеличения рабочего диапазона съема масла с поверхности цилиндра по ходу движения поршня от верхней мертвой точки до нижней по причине уменьшения жесткости кольца в сопряжении наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца. Наклонный скребок становится более гибким в том месте, где выполнены отверстия, и поэтому будет раньше реагировать на возрастающую силу инерции экспандера. Увеличится эффективность съема масла, уменьшится расход масла на угар.

Маслосъемное устройство цилиндро-поршневой группы поясняется чертежами.

На фиг.1 изображено маслосъемное устройство цилиндро-поршневой группы вблизи верхней мертвой точки при движении поршня к нижней мертвой точке.

На фиг.2 изображено маслосъемное устройство цилиндро-поршневой группы во второй половине хода поршня при движении поршня к нижней мертвой точке.

На фиг.3 изображено маслосъемное кольцо с круглыми отверстиями в сопряжении наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца (экспандер условно не показан).

На фиг.4 изображено маслосъемное кольцо с овальными отверстиями в сопряжении наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца (экспандер условно не показан).

Предлагаемое маслосъемное устройство цилиндро-поршневой группы состоит из маслосъемного кольца 1 коробчатого сечения с верхним 2 и нижним 3 скребками и экспандера 4, выполненного в виде разрезного кольцевого элемента, расположенного между скребками 2 и 3 (фиг.1). Кольцо 1 с экспандером 4 размещено в канавке 5 поршня 6. Нижний скребок 3 наклонен под углом ϕ к поверхности цилиндра 7 и выполнен в виде конуса с вершиной, направленной к верхней мертвой точке. Скребки 2 и 3 имеют рабочие кромки 8 и 9, которые выполнены коническими с вершинами конусов, направленными к верхней мертвой точке. Экспандер 4 имеет боковую рабочую поверхность 10 с выступами бочкообразной формы 11, которые контактируют с поверхностью цилиндра 7. Высота выступов 11 выполнена не менее зазора между поршнем 6 и поверхностью цилиндра 7. В сопряжении 12 нижнего наклонного скребка 3 с вертикальной стенкой 13 кольца 1 по всей его окружности периодически выполнены сквозные отверстия 14 (фиг.1, 2). Отверстия могут быть круглыми 15 (фиг.3) или овальными 16 (фиг.4). Продольные оси овальных отверстий 16 совпадают с окружной осью сопряжения 12 нижнего наклонного скребка 3 с вертикальной стенкой 13 кольца 1.

Назначение маслосъемного кольца 1 коробчатого сечения сбрасывать излишки масла скребками 2 и 3 с поверхности цилиндра 7.

Назначение экспандера 4 - воздействовать своей силой инерции на нижний наклонный скребок 3 с целью изменения его положения относительно поверхности цилиндра 7 и активизации сброса масла при движении поршня 6 к нижней мертвой точке во второй половине его хода.

Назначение бочкообразных выступов 11 экспандера 4 - уменьшить площадь соприкосновения между экспандером и цилиндром с целью уменьшения сил трения между ними.

Назначение сквозных отверстий 14, периодически выполненных в сопряжении 12 нижнего наклонного скребка 3 с вертикальной стенкой 13 кольца 1, - уменьшить жесткость кольца в сопряжении 12 и, тем самым, сделать нижний скребок 3 более подвижным относительно вертикальной стенки кольца 13 под воздействием силы инерции Р_i экспандера 4. Кроме того, отверстия 14 могут служить для отвода масла в заколечное пространство канавки 5 и далее в картер двигателя через дренажные каналы поршня 6.

Работа маслосъемного устройства цилиндро-поршневой группы осуществляется следующим образом. При движении поршня 6 к нижней мертвой точке, когда он находится в первой половине хода (примерно первые 80 градусов поворота кривошипа) сила инерции Р_i экспандера 4 направлена к верхней мертвой точке, так как ускорение "а" экспандера 4 вместе с кольцом 1 и поршнем 6 направлено в сторону нижней мертвой точки (фиг.1). Экспандер 4 вместе с кольцом 1 прижимается к верхнему торцу поршневой канавки 5. Нижний наклонный скребок 3 не испытывает воздействия со стороны экспандера 4 и угол наклона скребка 3 к поверхности цилиндра 7 не изменяется и остается первоначально заданным и равным ϕ. В результате радиальное давление R наклонного скребка 3 на поверхность цилиндра 7 невысокое, требуемое для создания нужной толщины пленки масла в первой половине хода поршня (фиг.1).

Во второй половине хода поршня 6, начиная с 80 градусов поворота кривошипа, направление ускорения "а" поршня 6, кольца 1 и экспандера 4 меняется на противоположное. В результате сила инерции Р_i экспандера 4 так же меняет свое направление на противоположное и начинает воздействовать уже на нижний наклонный скребок 3, нажимая на последний. Скребок 3 будет стремиться занять положение, параллельное верхнему скребку 2. Угол наклона ϕ скребка 3 к поверхности цилиндра 7 будет уменьшаться до ϕ₁. В результате радиальное давление R наклонного скребка 3 на поверхность цилиндра 7 увеличится до R₁ и маслосбрасывающее его действие повысится (фиг.2).

Так как в сопряжении 12 нижнего наклонного скребка 3 с вертикальной стенкой 13 кольца 1 (в месте изгиба наклонного скребка 3) выполнены отверстия 14, уменьшающие жесткость кольца 1 в этом месте, то процесс деформации наклонного скребка 3 будет начинаться при меньших значениях силы инерции P_i. Сброс масла наклонным скребком 3 кольца 1 будет происходить раньше по ходу поршня 6, что позволит увеличить диапазон сброса масла с поверхности цилиндра 7.

Предлагаемая конструкция маслосъемного устройства цилиндро-поршневой группы позволит улучшить его маслосъемные функции, снизить попадание масла в камеру сгорания, уменьшить нагарообразование и, тем самым, увеличить срок службы двигателя в целом.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к маслосъемным кольцам, устанавливаемым на поршнях двигателей внутреннего сгорания и компрессоров. Изобретение позволяет уменьшить расход масла на угар путем обеспечения эффективного удаления излишка масла с поверхности цилиндра. Маслосъемное устройство цилиндро-поршневой группы содержит в канавке поршня стальное кольцо коробчатого сечения с верхним и нижним скребками, рабочие поверхности которых выполнены коническими с вершинами конусов, направленными вверх, между которыми расположен экспандер, выполненный в виде разрезного кольцевого элемента с боковой рабочей поверхностью, имеющей выступы бочкообразной формы, контактирующие с поверхностью цилиндра. Высота выступов выполнена не менее зазора между цилиндром и поршнем. Нижний скребок кольца выполнен наклонным в виде конуса с вершиной, направленной вверх. По окружности сопряжения нижнего наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца выполнены периодически расположенные круглые отверстия, которые могут быть и овальными. Продольные оси овальных отверстий должны располагаться по окружности оси сопряжения. 4 ил.

Маслосъемное устройство цилиндропоршневой группы, содержащее в канавке поршня стальное кольцо коробчатого сечения с верхним и нижним скребками, рабочие поверхности которых выполнены коническими с вершинами конусов, направленными вверх, между которыми расположен экспандер, выполненный в виде разрезного кольцевого элемента с боковой рабочей поверхностью, имеющей выступы бочкообразной формы, контактирующие с поверхностью цилиндра, причем, высота выступов выполнена не менее зазора между цилиндром и поршнем, а нижний скребок кольца выполнен наклонным в виде конуса, с вершиной, направленной вверх, отличающееся тем, что по окружности сопряжения нижнего наклонного скребка с вертикальной стенкой кольца выполнены периодически расположенные круглые отверстия, которые могут быть и овальными, причем, продольные оси овальных отверстий должны располагаться по окружности оси сопряжения.