Верхнее поршневое кольцо

 

Использование: изобретение может быть использовано в конструкциях поршневых колец большеразмерных двухтактных двигателей. Сущность изобретения: верхнее поршневое кольцо 4 имеет прорезь 9 для обеспечения его расширения при монтаже, причем концы прорези выполнены с возможностью предотвращения прохождения газа из камеры сгорания. На внешней боковой поверхности кольца от его верхнего торца до нижнего выполнены канавки 15, суммарная ширина канавок составляет 0,1-1% длины его окружности, преимущественно 0,2-0,5%. Канавки 15 ограничивают падение давления через кольцо и снижают износ кольца. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к верхнему поршневому кольцу для поршня двигателя внутреннего сгорания (ДВС), особенно больше размерного двухтактного двигателя, причем кольцо имеет прорезь, которая дает возможность кольцу расширяться при монтаже в канавке для поршневого кольца в боковой стенке поршня, а два конца кольца на прорези сконструированы так, чтобы газ камеры сгорания цилиндра не проходил через прорезь.

Известно верхнее поршневое кольцо ДВС, преимущественно больше размерного двухтактного двигателя, установленное в поршневой канавке на боковой поверхности поршня и снабженное прорезью для обеспечения его расширения при монтаже, а на внешней боковой поверхности кольца от его верхнего торца до нижнего выполнены канавки (патент Франции 999612, F 16 9/00, опублик. 1952.

Верхнее поршневое кольцо имеет прорезь, выполненную с помощью радиального реза. Когда поршень с его верхним кольцом устанавливают в цилиндре, два конца кольца расположены на некотором расстоянии друг от друга, которое увеличивается по мере износа кольца, когда центровая линия прорези кольца перемещается радиально наружу по мере изнашивания кольца, посредством чего диаметр кольца увеличивается и увеличивает разрыв между двумя концами.

Газ камеры сгорания может проходить в разрыве кольца через зазор между гильзой цилиндра и поршнем и поскольку разрыв кольца увеличивается, когда верхнее поршневое кольцо изнашивается, сквозной поток газа через него также будет увеличиваться и вызывать повышенную тепловую нагрузки на гильзу и поршень в области вокруг разрыва кольца.

Верхнее поршневое кольцо будет, как правило, смещаться в окружном направлении канавки для поршневого кольца при работе двигателя, на опыт показывает, что перемещение верхнего кольца может остановиться, что может привести к большой тепловой нагрузке на расположенное ниже поршневое кольцо и на гильзу цилиндра напротив разрыва кольца.

Увеличенная локальная тепловая нагрузка в случае статичного верхнего кольца может привести к началу образования трещины и другой нежелательной эрозии материала.

Поскольку желательно избежать излишней тепловой нагрузки, было разработано несколько различных типов верхних колец, где два конца кольца имеют взаимно перекрывающиеся языки, которые перекрывают по меньшей мере основную часть разрыва кольца и ограничивают возможность прохождения газообразных продуктов сгорания через разрыв кольца.

Такие верхние поршневые кольца могут быть использованы в двигателях, работающих на нефтяном горючем плохого качества, где верхнее кольцо препятствует прохождению продуктов сгорания к комплекту колец, расположенному ниже верхнего кольца.

Однако эти, так называемые, поршневые кольца очень подвержены износу, причем износ кольца зависит от перепада давления между верхней и нижней сторонами кольца.

Задачей изобретения является создание долговечного верхнего поршневого кольца, которое обеспечивает ограниченный поток газа, который постоянен в течение срока службы кольца.

Поставленная задача решается тем, что в верхнем поршневом кольце ДВС, преимущественно большеразмерного двухтактного двигателя, установленного в поршневой канавке на боковой поверхности поршня и снабженного прорезью для обеспечения его расширения при монтаже, а на внешней боковой поверхности кольца от его верхнего торца до нижнего выполнены канавки, суммарная ширина канавок составляет 0,1-1% длина окружности, преимущественно 0,2-0,5% а концы прорези выполнены с возможностью по существу предотвращения прохождения газа из камеры сгорания.

Канавки дают такой регулируемый и ограниченный поток газа из камеры сгорания к нижней стороне кольца, что, с одной стороны, верхнее поршневое кольцо становится способным предотвращать воздействие основной части продуктов сгорания на комплект колец, расположенных ниже верхнего кольца, когда существенная часть падения давления приходится на верхнее кольцо, а с другой стороны, эти канавки вызывают износ кольца, сохраняемый в допустимых пределах, когда падение давления через кольцо уменьшается по сравнению с падением давления известных газонепроницаемых верхних поршневых колец.

Когда поток газа имеет место через эти канавки, а не через ранее известный разрыв кольца, поток газа по существу является постоянным в течение срока службы кольца, что способствует равномерной и ограниченной тепловой нагрузке на гильзу цилиндра, поршень и поршневое кольцо.

Путем распределения ограниченного потока газа между двумя или более канавками было получено существенное уменьшение локальной тепловой нагрузки в области смежной канавки.

Поскольку, по существу, предотвращают течение газа через прорезь, локальная тепловая нагрузка в дополнение к тому, что она меньше, чем в известных верхних кольцах с ограниченным потоком газа, является, по существу, постоянной и независимой от износа кольца.

Для получения предполагаемого эффекта важно, чтобы суммарная ширина канавок составляла 0,1-1% длины окружности кольца.

Если сумма ширины канавок меньше 0,1% длины окружности кольца, износ кольца будет относительно велик, а если суммарная ширина будет превышать 1% длины окружности, увеличивается влияние давления на расположенные ниже поршневые кольца.

Приемлемый компромисс между низким износом кольца, с одной стороны, и хорошей защитой расположенных ниже колец, с другой стороны, был получен с поршневым кольцом, когда сумма ширины канавок составляла 0,2-0,5% длины окружности кольца.

Канавки, соответственно, могут простираться наклонно, предпочтительно под углом 45^o, по отношению к плоскости кольца.

Это уменьшает окружные напряжения в кольце, но, что более важно, ограниченный поток газа через наклонные канавки способствует поддержанию кольца в движении при работе двигателя с тем, чтобы верхнее кольцо непрерывно смещалось в окружном направлении канавки для поршневого кольца.

Это противодействует локальному перегреву гильзы цилиндра и расположенного ниже поршневого кольца. Если требуется больший или меньший эффект смещения, канавки могут образовывать более или менее острый угол, например, от 30 до 60^o, с плоскостью кольца.

Если требуется сохранить поток газа через канавки в течение всего срока службы кольца, глубина канавок должна быть больше, чем допустимый износ кольца в радиальном направлении.

Несмотря на относительно большую глубину канавки, поток газа через канавку ограничивается областью канавки, расположенной в радиальном направлении наружу канавки для поршневого кольца в боковой стенке поршня.

Другими словами, поток газа ограничен шириной канавки в окружном направлении и размером зазора между внутренней стороной гильзы цилиндра и внешней стороной поршня.

Чтобы ограничить тепловую нагрузку области вокруг канавки, ширина канавки должна быть соответственно мала. Следовательно, ширина канавок может быть равной, по существу, половине их глубины, когда кольцо не изношено.

Если верхнее поршневое кольцо должно быть использовано вместе с гильзой цилиндра, которая, как ожидается, будет изнашиваться в течение срока службы кольца, боковые стенки канавки могут соответственно радиально расходиться в направлении наружу.

Когда величина зазора между гильзой и поршнем увеличивается, обнажается большая часть канавки, уменьшающаяся вовнутрь ширина канавки приводит к образованию по существу постоянной обнаженной области канавки и, следовательно, тепловой нагрузки.

Когда в качестве горючего используют тяжелое нефтяное топливо, продукты сгорания содержат шлаковые материалы, которые делают желательным, чтобы ширина отдельной канавки была больше 1 мм для предотвращения засорения канавки шлаковыми материалами и менее 3 мм для ограничения количества шлаковых материалов, проникающих через канавку к расположенным ниже поршневым кольцам.

Предпочтительно, чтобы максимальное число канавок составляло восемь и соответственно от трех до пяти, принимая частично во внимание, чтобы сумма ширины канавок не становилась слишком большой относительно длины окружности кольца, а частично, чтобы ширина отдельной канавки не стала столь малой, чтобы канавка засорялась сажей и другими остатками продуктов сгорания.

На фиг.1 изображено сечение участка поршня, пригнанного к гильзе цилиндра, на фиг.2 увеличенный схематический перспективный вид фрагмента поршневого кольца в соответствии с изобретением в области вокруг прорези, на фиг.3 вид сверху всего верхнего поршневого кольца в ненагруженном состоянии, на фиг. 4 и 5 вид сверху и вид сбоку соответственно участка кольца, показанного на фиг. 3, в области вокруг канавки, на фиг.6 вид, соответствующий виду, представленному на фиг.4, другого варианта воплощения в соответствии с изобретением.

На фиг.1 показан поршень 1, цилиндрическая боковая стенка 2 которого выполнена с несколькими канавками для поршневых колец 3. В верхней канавке расположено верхнее поршневое кольцо 4, а в нижней маслораспределительное кольцо 5, в то время как обычные поршневые кольца 6 установлены в промежуточных канавках. Поршневые кольца регулируют положение поршня в радиальном направлении в гильзе цилиндра 7 и предотвращают проникновение газа под давлением в камере сгорания 8 в пространство под поршнем.

Внешняя боковая поверхность маслораспределительного кольца 5 выполнена с большим числом наклонных канавок, которые настолько близко расположены друг к другу, что канавки охватывают всю внутреннюю боковую поверхность гильзы и распределяют по ней тонким слоем смазывающее масло.

Однако возможно также избежать маслораспределительного кольца, если подающее масло устройство само способно обеспечить соответствующее распределение смазывающего масла.

Верхнее поршневое кольцо имеет прорезь 9, которая придает ему возможность частично увеличивать диаметр кольца при монтаже в канавку для поршневого кольца 3, позволять двум концам кольца частично перемещаться в направлении друг от друга при изнашивании кольца.

На фиг.2 иллюстрируется пример прорези кольца, которая препятствует течению газа через прорезь. Внешний край канавки для поршневого кольца указывается пунктирными линиями 10. Внешняя боковая поверхность 11 кольца находится в контакте с гильзой цилиндра, не показанной на этом чертеже.

Один конец кольца имеет выступающий язык 12, который выступает в соответствующее углубление на другом конце кольца.

В радиальном направлении язык 12 меньше кольца 4 и углубление 13 ограничивается на внутренней боковой поверхности кольца вертикальной стенкой, упирающейся во внутреннюю боковую поверхность языка.

Аксиальная высота языка 12 меньше высоты кольца и углубление 13 в направлении вверх ограничено выступающей частью 14, нижняя сторона которой упирается в верхнюю сторону языка 12.

Когда язык 12 выходит из углубления 12 в направлениях ширины и высоты, газообразные продукты сгорания, по существу, предотвращаются от прохождения через прорезь является ли язык в окружном направлении разнесенным со дном углубления 13 или нет.

Внешняя боковая поверхность кольца имеет четыре канавки 15, которые наклонно простираются под углом альфа относительно плоскости кольца, как показано на фиг.5.

Приемлемо низкие напряжения в кольце могут быть получены, когда уголь альфа находится в интервале от 25 до 65^o. В приведенном примере угол альфа равен 45^o.

Когда верхнее поршневое кольцо предназначено для большеразмерного низкооборотного дизельного двигателя, где диаметр поршня может быть, например, 0,9 м, ширина канавки b может быть составлять, например, 2 мм, а глубина канавки t может быть рана 5 мм, которая может быть сравнима с зазором между поршнем и гильзой приблизительно 0,3 мм, когда двигатель является новым. Следовательно, может быть сношено более 4,5 мм ширины кольца, прежде чем в зазоре начнет появляться дно канавки.

На фиг.4 показано, что боковые стенки канавки, по существу, параллельны, но, как показано на фиг.6, возможна также конструкция канавки с боковыми стенками 16 радиально расходящимися в направлении наружу.

Такая конструкция боковых стенок автоматически компенсирует больший зазор между поршнем и гильзой, который имеет место после длительного срока службы, с тем, чтобы обнаженная область канавки 15 вне канавки для поршневого кольца 3 была, по существу, постоянной в течение срока службы кольца.

Конечно, можно сконструировать другую газонепроницаемую прорезь кольца и в то же самое время использовать канавки в соответствии с изобретением, которые гарантируют регулируемый поток газа от верхней стороны к нижней стороне верхнего поршневого кольца, а, следовательно, равномерный и соответственно ограниченный поток газа через отдельную канавку.

Распределение потока газа между от двух до восьми канавками также уменьшает тепловую нагрузку на отдельную канавку.

В соответствии с изобретением на одном и том же поршне можно использовать более одного верхнего поршневого кольца, с тем, чтобы перепад давления, который выдерживает верхнее кольцо, распределялся между несколькими кольцами.

Формула изобретения

1. Верхнее поршневое кольцо двигателя внутреннего сгорания, преимущественно большеразмерного двухтактного двигателя, установленное в поршневой канавке на боковой поверхности поршня и снабженное прорезью для обеспечения его расширения при монтаже, на внешней боковой поверхности кольца от его верхнего торца до нижнего выполнены канавки, отличающееся тем, что суммарная ширина канавок составляет 0,1 1% длины его окружности, преимущественно 0,2 0,5% а концы прорези выполнены с возможностью по существу предотвращения прохождения газа из камеры сгорания.

2. Кольцо по п.1, отличающееся тем, что канавки кольца выполнены наклонно, преимущественно под углом 45^o к его плоскости.

3. Кольцо по пп.1 и 2, отличающееся тем, что глубина каждой канавки кольца больше допустимого его износа в радиальном направлении.

4. Кольцо по п.3, отличающееся тем, что ширина каждой канавки равна половине ее глубины.

5. Кольцо по пп.1 4, отличающееся тем, что боковые стенки каждой канавки кольца выполнены расходящимися в радиальном направлении.

6. Кольцо по пп.1 4, отличающееся тем, что ширина каждой канавки кольца составляет 1,0 3 мм, преимущественно 2 мм.

7. Кольцо по пп.1 6, отличающееся тем, что максимальное число канавок кольца составляет 8, преимущественно 3 5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6