ПОРШНЕВОЕ КОЛЬЦО Российский патент 2019 года по МПК F16J9/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу, в частности к поршневому кольцу с увеличенной долговечностью для современных двигателей внутреннего сгорания.

Уровень техники

Компрессионные или уплотняющие поршневые кольца известного уровня техники (называемые далее в общем случае "поршневыми кольцами") выполняют, главным образом, задачу изоляции камеры сгорания от картера двигателя внутреннего сгорания, чтобы исключить проникновение отработавших газов в картер и - в меньшей степени - проникновение смазочного масла в камеру сгорания. При этом поршневые кольца обеспечивают уплотнение не только на рабочей поверхности, т.е. на граничной поверхности между наружной осевой поверхностью поршневого кольца и внутренней стенкой цилиндра, но и на нижней стороне поршневого кольца, т.е. на граничной поверхности между канавкой для поршневого кольца и нижней стороной поршневого кольца. Здесь и далее термин "нижний" означает сторону цилиндра или поршня, направленную от камеры сгорания.

В современных высоконагруженных машинах часто возникают повреждения, вызванные коррозионными или также абразивными агрессивными воздействиями на нижние стороны поршневых колец. Причина этого заключается в слишком малом количестве смазочного масла, поступающего между указанной стороной кольца и канавкой для поршневого кольца. Эта проблема усугубится в ближайшем будущем, поскольку проводятся дальнейшие исследования, направленные на уменьшение количества смазочного средства, поступающего между канавкой для поршневого кольца и поршневым кольцом. Эти исследования направлены на исключение, так называемого, эффекта "закачивания масла", т.е. нежелательного поступления масла в камеру сгорания вследствие движения качания поршневого кольца во время возвратно-поступательного перемещения поршня, и, таким образом, в конечном счете, для обеспечения регулирования выбросов и уменьшения вредных продуктов сгорания.

В результате коррозии и абразивного износа функциональное уплотнение канавки и указанной стороны поршневого кольца ограничено, что может приводить к увеличенному количеству прорывающихся газов и, в конечном итоге, к неисправности поршневых колец после короткого срока эксплуатации.

Чтобы противодействовать износу рабочих поверхностей, на них наносят хромовое покрытие. Однако на вышеописанную проблематику, связанную с износом указанных сторон колец, хромирование не оказывает какого-либо существенного положительного эффекта. В СН 373594 А для предотвращения сухого трения металлических поверхностей канавки и поршневого кольца друг о друга предлагается по меньшей мере на верхней поверхности поршневого кольца, направленной к камере сгорания, предусматривать углубления, которые заполняют сухим смазочным материалом, смешанным со связующим веществом. При этом сухой смазочный материал действует также в качестве защиты от коррозии.

Однако защита от истирания или от коррозии при помощи таких углублений имеет очень ограниченный срок. Если добавляются другие факторы, вызывающие истирание, эти защитные углубления снашиваются в течение короткого времени и утрачивают свое защитное действие. Настоящее изобретение обеспечивает решение, которое позволяет устранить вышеуказанные недостатки.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу, в частности к поршневому кольцу с повышенной долговечностью для современных двигателей внутреннего сгорания. Если в данном описании идет речь о стороне, направленной к камере сгорания или от камеры сгорания, то это не обязательно относится только к смонтированному состоянию, но в большей степени к указанию направления монтажа, предусмотренному для описываемого поршневого кольца, относительно картера и камеры сгорания. Такое предусмотренное направление монтажа обычно указывается при помощи маркировки на поршневом кольце (например, маркировка "верх" на одной стороне кольца).

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения обеспечено поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, содержащее по меньшей мере одно углубление, предусмотренное на одной стороне поршневого кольца, при этом указанное по меньшей мере одно углубление имеет профиль дна, изменяющийся по глубине в окружном направлении поршневого кольца.

В одном варианте осуществления указанная сторона направлена от камеры сгорания. В другом варианте осуществления указанная сторона направлена к камере сгорания.

Далее, в одном варианте осуществления поршневое кольцо содержит по меньшей мере одно углубление, предусмотренное на стороне кольца, направленной к камере сгорания, при этом указанное по меньшей мере одно углубление имеет профиль дна, изменяющийся по глубине в окружном направлении поршневого кольца.

В одном варианте осуществления расстояние в осевом направлении между стороной кольца и самой высокой точкой углубления составляет не более 50% расстояния в осевом направлении между стороной кольца и самой низкой точкой углубления.

В одном варианте осуществления профиль дна углубления имеет синусоидальную, волнообразную, зигзагообразную, пилообразную или трапециевидную форму.

В одном варианте осуществления углубление проходит через часть указанной стороны на изменяющемся радиальном расстоянии до края указанной стороны кольца.

В одном варианте осуществления радиальное расстояние до края указанной стороны кольца синусоидально изменяется в окружном направлении.

В другом варианте осуществления поршневое кольцо содержит второе углубление, предусмотренное на стороне поршневого кольца, направленной от камеры сгорания, при этом указанное по меньшей мере одно углубление имеет профиль дна, который изменяется по глубине в окружном направлении поршневого кольца, и который имеет сдвиг по фазе относительно профиля дна первого углубления.

В одном варианте осуществления в одно или несколько указанное по меньшей мере одно углубление введен мягкий материал.

В одном варианте осуществления указанный мягкий материал содержит материал, выбранный из группы, включающей в себя медь, молибден, титан, хром, кобальт, никель, олово, цинк, вольфрам или их сплавы.

В одном варианте осуществления указанный мягкий материал содержит материал, выбранный из группы, включающей в себя медь, молибден или лак скольжения.

В одном варианте осуществления высота наполнения углубления мягким материалом составляет от 5% до 50%, наиболее предпочтительно от 10% до 30%.

В одном варианте осуществления на стороне кольца, направленной от камеры сгорания, предусмотрены по меньшей мере два углубления, одно из которых содержит наполнение мягким материалом, а другое не наполнено им.

В одном варианте осуществления на стороне кольца, направленной к камере сгорания, предусмотрены по меньшей мере два углубления, одно из которых содержит наполнение мягким материалом, а другое не наполнено им.

Краткое описание чертежей

Все представленные чертежи выполнены схематически и приведены в качестве примеров. Масштабы и размеры могут быть утрированы для наглядного представления действия и конструктивного исполнения вариантов осуществления изобретения. Во всех возможных случаях одинаковые ссылочные обозначения использованы для обозначения одинаковых или аналогичных деталей. На чертежах показаны:

фиг. 1 - вид в поперечном разрезе поршневого кольца согласно настоящему изобретению, установленного в канавке для поршневого кольца,

фиг. 2А - вид сегмента поршневого кольца согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг. 2В - вид поршневого кольца с фиг. 2А в поперечном разрезе по линии S сечения, на котором показан профиль дна углубления,

фиг. 3 - вид сегмента поршневого кольца согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг. 4 - вид сегмента поршневого кольца согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу, в частности к поршневому кольцу для современных двигателей внутреннего сгорания, имеющему повышенную долговечность. На фиг. 1 показан вид в поперечном разрезе поршневого кольца согласно настоящему изобретению, которое установлено в канавке для поршневого кольца.

На фиг. 1 показано, в частности, углубление или канавка 1 в поршне 2 двигателя внутреннего сгорания. В канавке 1 установлено поршневое кольцо 3. На фиг. 1 камера сгорания (не показана) расположена выше показанного узла. Под действием прижимного усилия отработавших газов поршневое кольцо обычно прижимается вниз, т.е. в направлении, противоположном камере сгорания. Вследствие этого, с одной стороны, на рабочую поверхность поршневого кольца 3 (т.е. на граничную поверхность между наружной осевой поверхностью поршневого кольца 3 и стенкой 6 цилиндра), а, с другой стороны, на нижнюю сторону 4 поршневого кольца 3 (т.е. на граничную поверхность между канавкой 1 для поршневого кольца и нижней радиальной поверхностью поршневого кольца 3) действуют значительные истирающие силы.

На нижней стороне 4 и на верхней стороне поршневого кольца схематически показаны углубления 5, предусмотренные согласно настоящему изобретению. Поскольку на нижнюю сторону вследствие прижимного усилия обычно действуют более высокие силы, углубления 5 на нижней стороне поршневого кольца являются особенно предпочтительными, при этом углубления на верхней стороне могут быть предусмотрены опционально согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2А показан вид сегмента поршневого кольца согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Углубления 5 в поршневом кольце 3 показаны на фиг. 2А в виде концентрических выемок, выполненных на нижней стороне 4 кольца. Согласно настоящему изобретению соответствующие углубления могут быть также предусмотрены на верхней стороне поршневого кольца.

На фиг. 2В показан вид поршневого кольца 3 с фиг. 2А в поперечном разрезе по линии S сечения. В частности, на фиг. 2В показано, что глубина углубления 5 в продольном направлении не постоянна, а в определенной степени изменяется, предпочтительно - на регулярной основе. На фиг. 2B в качестве примера показано синусоидальное изменение профиля углубления, при этом заштрихованная верхняя часть показывает выемку углубления 5. Кроме синусоидального изменения профиля дна углубления 5 возможны также другие формы профиля, как, например, волнообразная, зигзагообразная, пилообразная, трапециевидная форма и т.д. При этом форма углубления вышеуказанными формами не ограничена. Различные формы профиля углублений 5 можно свободно комбинировать на одной стороне кольца и между разными сторонами кольца. Однако особенно предпочтительной является волнообразная или синусоидальная форма, схематически показанная на фиг. 2В.

В радиальном поперечном сечении (как на фиг. 1) углубление предпочтительно имеет V-образную форму (как на фиг. 1), прямоугольную форму, трапециевидную форму, закругленную форму (U-образную форму) или другую подходящую форму, которая не ограничена настоящим описанием. В одном варианте осуществления осевое расстояние b между стороной 4 кольца и самой высокой точкой углубления составляет не более 50% осевого расстояния а между стороной 4 кольца и самой низкой точкой углубления.

На фиг. 3 и 4 показаны виды сегментов поршневых колец согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3 показаны несколько углублений 5, концентрически расположенных на стороне 4 поршневого кольца 3. На фиг. 4 показано углубление 5, расположенное на стороне 4 поршневого кольца 3 и имеющее волнообразную форму, при этом углубление 5 на стороне 4 кольца также петляет в пределах части радиальной высоты поршневого кольца 3. Иными словами, углубление 5, расположенное на части стороны 4 поршневого кольца 3, имеет изменяющееся радиальное расстояние до края стороны 4 кольца. При этом предпочтительно имеется в виду наружный край стороны 4 кольца. Эта волнообразная форма является особенно предпочтительной, поскольку особенно положительного эффекта можно достичь при помощи синусоидального или волнообразного углубления 5 (как показано на фиг. 4) с синусоидальным или волнообразным профилем углубления (как показано на фиг. 2В).

Благодаря круговым или частично круговым углублениям 5, можно при различных соотношениях давления в канавке обеспечить прохождение масла в окружном направлении. Поступающее масло известным образом уменьшает износ и коррозию нижней стороны 4 поршневого кольца 3 и - в соответствующих вариантах осуществления - также верхней стороны поршневого кольца 3. Если предусмотрено несколько углублений 5, расположенных параллельно друг другу (примерно, как на фиг. 2А), то предпочтительно, чтобы профили дна отдельных углублений 5 не совпадали по фазе (т.е. впадина одного углубления в радиальном направлении над впадиной соседнего углубления 5), а имели некоторый сдвиг по фазе (выступ над впадиной). При этом даже в случае неравномерного износа поршневого кольца обеспечивается определенный поток масла в направлении циркуляции, или в окружном направлении.

Альтернативно этому в одно или несколько углублений 5 согласно настоящему изобретению может быть введен мягкий материал, который вбирает частицы, попадающие в систему в результате сгорания. Мягкий материал предпочтительно представляет собой материал, выбранный из группы, включающей в себя медь, молибден, титан, хром, кобальт, никель, олово, цинк, вольфрам или их сплавы. Особенно предпочтительно мягкий материал выбран из группы, включающей в себя медь, молибден или лак скольжения. В общем случае в качестве мягкого материала могут быть использованы любые материалы, способные обеспечивать смазочный эффект, который обычно требуется для юбок поршней или стенок цилиндров (например, в виде включений или крупинок в юбке поршня/стенке цилиндра).

В одном варианте осуществления высота наполнения углубления мягким материалом составляет (в процентах к глубине углубления, т.е. к перпендикулярному расстоянию от стороны кольца до самых низких точек углубления) между 2% и 99%, предпочтительно - между 5% и 50% и наиболее предпочтительно - между 10% и 30%.

Углубления 5 согласно настоящему изобретению могут быть получены в поршневом кольце известными способами, в частности механически - путем фрезерования, или химически - при помощи эрозии.

Изобретение относится к двигателестроению, конкретно к поршневым кольцам. Предложено поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, содержащее по меньшей мере одно углубление, предусмотренное на стороне поршневого кольца, обращенной к камере сгорания и/или от камеры сгорания, при этом указанное по меньшей мере одно углубление имеет профиль дна, изменяющийся по глубине в окружном направлении поршневого кольца. Углубления предназначены для размещения антифрикционного материала. Технический результат – уменьшение износа трущихся поверхностей. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Поршневое кольцо (3) для двигателя внутреннего сгорания, содержащее по меньшей мере одно углубление (5), предусмотренное на стороне (4) поршневого кольца (3), при этом указанное по меньшей мере одно углубление (5) имеет профиль дна, изменяющийся по глубине в окружном направлении поршневого кольца.

2. Поршневое кольцо (3) по п. 1, в котором сторона (4) кольца направлена от камеры сгорания.

3. Поршневое кольцо (3) по п. 1, в котором сторона (4) кольца направлена к камере сгорания.

4. Поршневое кольцо (3) по п. 2, дополнительно содержащее по меньшей мере одно углубление (5), предусмотренное на стороне кольца, направленной к камере сгорания, при этом указанное по меньшей мере одно углубление (5) имеет профиль дна, изменяющийся по глубине в окружном направлении поршневого кольца (3).

5. Поршневое кольцо (3) по одному из предшествующих пунктов, в котором осевое расстояние (b) между стороной (4) кольца и самой высокой точкой углубления составляет не более 50% осевого расстояния (а) между стороной (4) кольца и самой низкой точкой углубления.

6. Поршневое кольцо (3) по одному из предшествующих пунктов, в котором профиль дна углубления (5) имеет синусоидальную, волнообразную, зигзагообразную, пилообразную или трапециевидную форму.

7. Поршневое кольцо (3) по одному из предшествующих пунктов, в котором углубление (5) проходит через часть стороны (4) поршневого кольца (3) на изменяющемся радиальном расстоянии до края стороны (4) кольца.

8. Поршневое кольцо (3) по п. 7, в котором радиальное расстояние до края стороны (4) кольца синусоидально изменяется в окружном направлении.

9. Поршневое кольцо (3) по одному из предшествующих пунктов, содержащее второе углубление (5), предусмотренное на стороне (4) кольца, направленной от камеры сгорания, при этом указанное по меньшей мере одно углубление (5) имеет профиль дна, изменяющийся по глубине в окружном направлении поршневого кольца, который сдвинут по фазе относительно профиля дна первого углубления (5).

10. Поршневое кольцо (3) по одному из предшествующих пунктов, в котором в одно или несколько указанных, по меньшей мере в одно, углублений (5) введен мягкий материал.

11. Поршневое кольцо (3) по п. 10, в котором мягкий материал содержит материал, выбранный из группы, включающей в себя медь, молибден, титан, хром, кобальт, никель, олово, цинк, вольфрам или их сплавы.

12. Поршневое кольцо (3) по п. 10 или 11, в котором мягкий материал содержит материал, выбранный из группы, включающей в себя медь, молибден или лак скольжения.

13. Поршневое кольцо (3) по одному из пп. 10-12, в котором высота наполнения углубления мягким материалом составляет от 5 до 50%, наиболее предпочтительно - от 10 до 30%.

14. Поршневое кольцо (3) по одному из пп. 10-13, в котором на стороне (4) кольца, направленной от камеры сгорания, предусмотрены по меньшей мере два углубления (5), одно из которых содержит наполнение мягким материалом, а другое не наполнено им.

15. Поршневое кольцо (3) по одному из пп. 10-14, в котором на стороне (4) кольца, направленной к камере сгорания, предусмотрены по меньшей мере два углубления (5), одно из которых содержит наполнение мягким материалом, а другое не наполнено им.