Поршневое кольцо

Авторы патента:

F16J9/26 - характеризующиеся использованием определенных материалов

F16J9/20 - кольца с особым поперечным сечением (кольца с L-образным сечением F16J 9/02); маслосъемные кольца

Владельцы патента RU 2719250:

ФЕДЕРАЛЬ-МОГУЛЬ БУРШЕЙД ГМБХ (DE)

Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу поршневого двигателя внутреннего сгорания и направлено на повышение эффективности съема масла и уменьшение износа. Поршневое кольцо поршневого двигателя внутреннего сгорания содержит тело кольца с открытым замком, радиальной наружной стороной рабочей поверхности, радиальной внутренней окружной стороной, а также двумя противоположными в осевом направлении торцевыми сторонами; по меньшей мере частичное покрытие (B) на стороне рабочей поверхности; и проходящую по окружности выемку (A) в нижней области рабочей поверхности, которая заканчивается за пределами области (C) замка. Сторона рабочей поверхности имеет выпуклый профиль с поворотной точкой, расположенной на высоте h₂, составляющей 60-70% осевой высоты h поршневого кольца, и находящейся в верхней половине поршневого кольца. Выемка (A) на стороне рабочей поверхности имеет размер, равный 20-40% осевой высоты h поршневого кольца, и определяет нижнюю область рабочей поверхности и поршневого кольца. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному поршневому кольцу поршневого двигателя внутреннего сгорания, в частности, к верхнему поршневому кольцу с оптимизированной конструкцией.

Уровень техники

Вследствие механической нагрузки давлением, прикладываемой к верхнему поршневому кольцу, и с учетом изгиба поршня под действием давления зажигания возникает осевой износ кольцевых канавок поршня и торцов поршневых колец. Характеристика износа определяется увеличением износа в направлении наружного диаметра. При этом точка контакта между поршневым кольцом и поверхностью цилиндра перемещается все дальше в верхнюю область рабочей поверхности. Вследствие гидродинамических воздействий уменьшается эффективность съема масла верхним поршневым кольцом (маслосъемная кромка отходит от стенки цилиндра) во время хода поршня вниз, при этом смазочное масло остается на стенке цилиндра, и расход масла увеличивается.

В уровне техники известна асимметричная выпуклость или минутная (наклонная) форма рабочей поверхности поршневых колец. Положение высшей точки (называемой также поворотной точкой) этих поршневых колец определено в стандарте ISO 6623:2004 и находится ниже центра тяжести поршневого кольца: расстояние от высшей точки до верхнего торца больше, чем половина высоты поршневого кольца, или, иными словами, высшая точка расположена в вертикальном направлении ниже середины поршневого кольца.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает поршневое кольцо поршневого двигателя внутреннего сгорания с признаками пункта 1 формулы изобретения; предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно первому аспекту изобретения обеспечено поршневое кольцо поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее:

- тело кольца с открытым замком, радиальной наружной стороной рабочей поверхности, радиальной внутренней окружной стороной, а также двумя противоположными в осевом направлении торцевыми сторонами;

- по меньшей мере частичное покрытие на стороне рабочей поверхности; и

- проходящую по окружности выемку в нижней области рабочей поверхности, заканчивающуюся за пределами области замка;

при этом сторона рабочей поверхности имеет выпуклый профиль с поворотной точкой, которая расположена на уровне 55-80% осевой высоты поршневого кольца.

Таким образом, поворотная точка расположена выше середины (в осевом направлении) поршневого кольца. Благодаря такому целенаправленному смещению положения высшей точки или поворотной точки в направлении верхнего торца кольца (верхний торец), можно обеспечить разгрузку нижнего торца поршневого кольца по наружному диаметру по сравнению с известными поршневыми кольцами, в которых поворотная точка расположена ниже середины. Вследствие сил, действующих на поршневое кольцо во время работы двигателя, возникает поворот в направлении по часовой стрелке, в то время как обычные поршневые кольца с поворотной точкой, расположенной ниже середины, имеют тенденцию к повороту в направлении против часовой стрелки. При этом поршневое кольцо согласно изобретению обеспечивает более эффективный съем масла и уменьшение износа.

Для того чтобы исключить возникновение гидродинамического давления под высшей точкой, которое отрывает маслосъемную кромку от стенки цилиндра, предусмотрено использование соответствующей формы в виде проходящей по окружности выемки. Для минимизации потерь, связанных с утечками газов из камеры сгорания, выемка заканчивается на определенном расстоянии от замка, таким образом, чтобы в области замка выемка отсутствовала.

Согласно одному варианту осуществления область замка расположена в зоне, составляющей 0,003-0,2% длины окружности поршневого кольца с каждой стороны замка. Или иными словами, выемка начинается на расстоянии от замка, которое соответствует 0,003-0,2% длины окружности поршневого кольца.

Согласно одному варианту осуществления поворотная точка выпуклого профиля рабочей поверхности расположена на уровне 60-70% осевой высоты поршневого кольца. Этот вариант осуществления является особенно пригодным для поршневых колец с небольшой осевой высотой, несколько меньшей чем 3 мм.

Согласно одному варианту осуществления радиальная внутренняя окружная сторона имеет профиль, по существу, симметричный относительно осевой середины. В одном простом варианте осуществления внутренняя окружная сторона имеет, по существу, плоское поперечное сечение.

Согласно одному варианту осуществления осевая высота кольца составляет по меньшей мере 3 мм.

Согласно одному варианту осуществления радиальная глубина выемки уменьшается до нуля перед областью замка.

Согласно одному варианту осуществления покрытие (В) на стороне рабочей поверхности покрывает поворотную точку или оставляет ее свободной. Поэтому высшая точка поршневого кольца находится в контакте с рабочей поверхностью цилиндра либо посредством нанесенного на нее покрытия, либо альтернативно этому - посредством свободного от покрытия основного тела. Покрытие может быть нанесено физически или гальванически.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - вид в поперечном разрезе традиционного поршневого кольца;

фиг. 2 - схематический вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления поршневого кольца согласно изобретению;

фиг. 3 - вид в поперечном разрезе первой области поршневого кольца согласно изобретению;

фиг. 4 - вид в поперечном разрезе второй области поршневого кольца с фиг. 3;

фиг. 5 - вид в поперечном разрезе первой области другого варианта осуществления поршневого кольца согласно изобретению;

фиг. 6 - вид в поперечном разрезе второй области поршневого кольца с фиг. 5; и

фиг. 7 - вид в аксонометрии области замка поршневого кольца согласно изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан вид в поперечном разрезе традиционного поршневого кольца известного уровня техники. При этом показана фаза хода вниз поршня во время рабочего такта соответствующего двигателя. Сила F₁ возникает под влиянием газообразных продуктов сгорания, действующих, главным образом, на наружный диаметр поршневого кольца. Она создает момент M₁, направленный против часовой стрелки.

Сила F₂ давления газов, возникающая в результате сгорания топлива, действует позади поршневого кольца, т.е., на его радиальную внутреннюю окружную сторону. С физической точки зрения сила, распределенная по поверхности, действует в виде сосредоточенной силы в центре тяжести плоскости осевой высоты кольца (см. F₂) на плоскую внутреннюю сторону, примерно посредине нее. Другая сила F₃, также создаваемая газообразными продуктами сгорания топлива, действует на внутренний диаметр поршневого кольца и создает момент М₃, направленный против часовой стрелки.

Сила противодействия (см. F₄) в поршневых кольцах известного уровня техники вследствие расположения поворотной точки в нижней области действует ниже центра X_s тяжести плоскости, что приводит к возникновению момента M_s, направленного против часовой стрелки, при этом поршневое кольцо дополнительно нагружается силой F_k реакции в точке контакта с нижней канавкой поршня. Это приводит к усилению торцевого износа на наружном диаметре канавки поршня и поршневого кольца.

Действие момента M_s в направлении против часовой стрелки вызывает, с одной стороны, механическое смещение эффективной высшей точки в направлении камеры сгорания, а, с другой стороны, отрыв маслосъемной кромки от стенки цилиндра. Это приводит к уменьшению эффективности съема масла поршневым кольцом, в то время как толщина остаточной, не удаляемой пленки масла увеличивается. Во время такта сгорания масло, остающееся в камере сгорания, также сгорает, что приводит к увеличению расхода масла, а также к ухудшению параметров выхлопных газов.

В целом, недостатки традиционного поршневого кольца состоят в увеличенной нагрузке поршневого кольца, усиленном износе и повышенном расходе масла.

На фиг. 2 показан вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления поршневого кольца согласно изобретению. Благодаря целенаправленному смещению согласно изобретению положения высшей точки или поворотной точки в направлении верхнего торца кольца (верхний торец), обеспечивается разгрузка нижнего торца поршневого кольца по наружному диаметру. При этом поворотная точка находится выше середины стороны рабочей поверхности.

В случае традиционного поршневого кольца, показанного на фиг. 1, сила F₁ действует, в основном, по наружному диаметру поршневого кольца и создает момент M₁ в направлении против часовой стрелки. При этом сила F₂ давления газов действует в середине внутренней стороны кольца, а сила F₃ давления газов - на нижнем внутреннем диаметре кольца.

В отличие от ситуации, показанной на фиг. 1, сила F4' противодействия из-за смещения поворотной точки в верхнюю половину поршневого кольца действует выше середины стороны рабочей поверхности. В результате возникает момент M_su, направленный по часовой стрелке вокруг центра X_s тяжести плоскости. Поэтому, благодаря уменьшению силы F_k реакции, уменьшается износ нижнего торца поршневого кольца и прилегающей нижней канавки поршневого кольца.

Кроме того, это препятствует отрыву маслосъемной кромки поршневого кольца от внутренней стороны цилиндра и снижению эффективности съема масла. При этом, в отличие от традиционного поршневого кольца со скручиванием в направлении против часовой стрелки, расход масла во время работы уменьшается.

Поскольку маслосъемная кромка поршневого кольца не отрывается от внутренней стороны цилиндра, вследствие накопления масла на маслосъемной кромке О (см. фиг. 1) может возникать гидродинамическое давление, которое, в свою очередь, приводит к образованию момента, направленного против часовой стрелки. Для исключения такого эффекта согласно изобретению предусмотрена соответствующая форма поршневого кольца. В поршневом кольце согласно изобретению в нижней области стороны рабочей поверхности выполнена проходящая по окружности выемка, как показано на фиг. 2.

Однако поскольку это может привести к усилению проникновения газов из камеры сгорания в картер в области замка, указанная выемка согласно изобретению заканчивается перед замком, т.е., к замку подходит обычный участок, не содержащий выемки. Это показано на следующих чертежах.

На фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе первой области поршневого кольца согласно изобретению. Эта область лежит за пределами области замка и представляет собой, например, заднюю относительно замка область кольца. В этой области предусмотрена выемка А. При этом выемка А на стороне рабочей поверхности должна иметь размер, составляющий от 20 до 40% осевой высоты кольца. Допускаются также значения от 10 до 60%. На рабочей поверхности находится также покрытие В (не показанное отдельно на фиг. 2), нанесенное физически или гальванически. Высшая точка в данном варианте осуществления не имеет покрытия, однако, в альтернативных вариантах осуществления (см., например, фиг. 5 и 6) на нее также может быть нанесено покрытие.

В идеальном случае высшая точка (на которую действует сила F₄) расположена в диапазоне высот h₂ от 60 до 70% осевой высоты h кольца (h₂=60…70% h), но возможно также в диапазоне от 55 до 80%, в особенности при высоте колец более 3 мм. Таким образом, высшая точка расположена выше центра S тяжести плоскости.

На фиг. 4 показан вид в поперечном разрезе второй области поршневого кольца согласно изобретению. Эта область представляет собой область замка. Чтобы минимизировать утечку газов, проникающих в картер из камеры сгорания, выемка А (показана штриховой линией) заканчивается перед областью замка, т.е., поперечное сечение показанного поршневого кольца в области замка имеет обычный вид без выемки.

На фиг. 5 и 6 показан альтернативный вариант осуществления относительно варианта, показанного на фиг. 3 и 4. В отличие от этого высшая точка в данном варианте осуществления имеет покрытие, т.е. высшая точка расположена в зоне покрытия, и контакт с рабочей поверхностью цилиндра осуществляется через это покрытие, в то время как в варианте осуществления, показанном на фиг. 3 и 4 в высшей точке происходит контакт свободного от покрытия основного тела с рабочей поверхностью цилиндра.

На фиг. 7 представлен вид в аксонометрии области замка поршневого кольца согласно изобретению, на котором можно видеть вариант осуществления завершения выемки. На самом замке и в непосредственно граничащей с ним области С согласно изобретению выемка в нижней области рабочей поверхности отсутствует. Выемка начинается только на некотором расстоянии от замка. В переходной области между областью замка и областью полной глубины выемки ее глубина плавно увеличивается или уменьшается, при этом крутизна наклона и/или закругление выемки могут быть выполнены в соответствии с конкретными требованиями.

1. Поршневое кольцо поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее:

- по меньшей мере частичное покрытие (B) на стороне рабочей поверхности, и

- проходящую по окружности выемку (A) в нижней области рабочей поверхности, которая заканчивается за пределами области (C) замка,

в котором сторона рабочей поверхности имеет выпуклый профиль с поворотной точкой, расположенной на высоте h₂, составляющей 60-70% осевой высоты h поршневого кольца, и находящейся в верхней половине поршневого кольца,

причем выемка (A) на стороне рабочей поверхности имеет размер, равный 20-40% осевой высоты h поршневого кольца, и определяет нижнюю область рабочей поверхности и поршневого кольца.

2. Поршневое кольцо по п. 1, в котором область (C) замка составляет 0,003-0,2% длины окружности поршневого кольца в обе стороны от замка.

3. Поршневое кольцо по одному из предшествующих пунктов, в котором радиальная внутренняя окружная сторона имеет, по существу, симметричный профиль относительно осевой середины.

4. Поршневое кольцо по одному из предшествующих пунктов, в котором осевая высота h кольца составляет по меньшей мере 3 мм.

5. Поршневое кольцо по одному из предшествующих пунктов, в котором радиальная глубина выемки (A) уменьшается до нуля перед областью замка.

6. Поршневое кольцо по одному из предшествующих пунктов, в котором на стороне рабочей поверхности покрытие (B) покрывает или оставляет свободной поворотную точку.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым кольцам с канавочным уплотнением на поверхности поршневого кольца. Поршневое кольцо (2) по меньшей мере для одного уплотнения (14) поверхности кольца, в котором на нижней поверхности (8) поршневого кольца расположена по меньшей мере одна канавка (12) для уплотнения поверхности кольца.

Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо // 2677816

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу. Скользящий элемент имеет по меньшей мере одну поверхность скольжения, снабженную покрытием на основе углерода и по меньшей мере на отдельных участках имеющую среднеквадратичное значение локальных углов наклона профиля RΔq шероховатости согласно стандарту DIN EN ISO 4287, равное от 0,05 до 0,11 или от 0,08 до 0,1.

Высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания // 2674177

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплопроводному поршневому кольцу для двигателя внутреннего сгорания. Поршневое кольцо содержит Mn-Cr-ую сталь в качестве основного материала и слой твердой пленки износостойкого покрытия на наружной окружной поверхности, причем Mn-Cr-ая сталь включает, в мас.%: С от 0,52 до 0,65, Si от 0,15 до 0,35, Mn от 0,60 до 1,00, Cr от 0,60 до 1,00, Р 0,04 или менее, S 0,04 или менее, небольшое количество компонентов Al, Ni и Cu (суммарное содержание) в диапазоне от 0,05 до 3,0 мас.%, при этом содержание каждого из компонентов Al, Ni и Cu составляет от 0,01 до 1,0, остальное – Fe и неизбежные примеси.

Полиуретановое эластомерное уплотнение для гидравлических насосов // 2659400

Настоящее изобретение относится к способу формования поршневого уплотнения гидравлического насоса, а также к гидравлическому насосу, включающему поршневое уплотнение.

Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, с покрытием // 2649490

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу. Скользящий элемент имеет по меньшей мере одну поверхность скольжения с покрытием, которое по направлению изнутри наружу имеет по меньшей мере один первый адгезионный слой, твердый безводородный DLC-слой, второй адгезионный слой, мягкий водородсодержащий, содержащий по меньшей мере один металл и/или по меньшей мере один карбид металла DLC-слой, который является более мягким, чем твердый безводородный DLC-слой, а также твердый водородсодержащий DLC-слой, который является более твердым, чем мягкий водородсодержащий, содержащий по меньшей мере один металл и/или по меньшей мере один карбид металла DLC-слой.

Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо со стойким покрытием // 2634811

Изобретение относится к элементу скольжения для двигателя внутреннего сгорания, снабженному износостойким покрытием (10), которое находится на по меньшей мере одной ходовой поверхности элемента скольжения, причем покрытие (10) изнутри наружу имеет карбидный или нитридный слой (16), расположенный на нем карбидсодержащий DLC-слой (17), расположенный на предыдущем слое свободный от металла PVD-DLC-слой (22) и размещенный на предыдущем слое свободный от металла PACVD-DLC-слой (18).

Поршневое кольцо с увеличенной усталостной прочностью для двигателя внутреннего сгорания и способ изготовления поршневого кольца // 2633734

Изобретение относится к поршневому кольцу (2) с повышенной усталостной прочностью из пластически деформируемого материала. Поршневое кольцо (2) содержит рабочую поверхность (4), которая сверху ограничена верхней кромкой (3) рабочей поверхности, а снизу - нижней кромкой (1) рабочей поверхности.

Поршневое кольцо со слоем из хрома и твердых частиц для защиты от износа и коррозионностойкой боковой поверхностью // 2613819

Изобретение относится к поршневому кольцу, способу его изготовления и двигателю внутреннего сгорания, содержащему упомянутое поршневое кольцо. Поршневое кольцо содержит основную часть из хромистой стали с более чем 10% по массе хрома, имеющую внутреннюю периферийную поверхность, первую боковую поверхность, вторую боковую поверхность и внешнюю периферийную поверхность.

Поршневое кольцо, применение поршневого кольца и способ нанесения защитного покрытия для поршневого кольца // 2600819

Изобретение относится к поршневому кольцу, его применению и способу его изготовления. Поршневое кольцо (1) выполнено с основой (10) и нанесенным на нее защитным покрытием от износа (20), которое имеет, по меньшей мере, первый элемент, точка плавления которого составляет Tm≤700°C.

Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо с нанесенным покрытием // 2585603

Изобретение относится к элементу скольжения, используемому в двигателе внутреннего сгорания, имеющему по меньшей мере на одной поверхности износоустойчивое покрытие.

Поршневое кольцо с канавочным уплотнением // 2703770

Компрессионное поршневое кольцо // 2696156

Изобретение относится к компрессионному поршневому кольцу. Кольцо имеет рабочую поверхность, внутреннюю периферийную поверхность, а также проходящие между ними верхнюю и нижнюю боковые поверхности, причем в зоне нижней боковой поверхности со стороны рабочей поверхности выполнена небольшая конусность < 30' осевой высотой 10-30% по отношению ко всей высоте рабочей поверхности, которая переходит в проходящую в направлении верхней боковой поверхности конусность, составляющую 90-200', и причем на всей рабочей поверхности осаждено тонкое износостойкое покрытие толщиной от 0,1 до < 20 мкм, в частности 4-6 мкм.

Компрессионное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, поршневой узел двигателя внутреннего сгорания и способ изготовления компрессионного поршневого кольца // 2679087

Изобретение относится к уплотнительной технике. Компрессионное кольцо для поршня двигателя содержит верхнюю сторону и нижнюю сторону, а также внутреннюю сторону, расположенную между верхней и нижней сторонами по внутреннему диаметру кольца.

Профилированное компрессионное поршневое кольцо // 2679067

Изобретение относится к компрессионному поршневому кольцу (2), содержащему область (4) рабочей поверхности, верхнюю поверхность (6), нижнюю поверхность (8) и внутреннюю окружную поверхность (10), причем область (4) рабочей поверхности снабжена профилем, содержащим, если смотреть поверх осевой высоты области рабочей поверхности (4), расположенные на расстоянии друг от друга и выполненные выпуклыми участки (12, 14), содержащие верхнюю и нижнюю вершины So, Su, причем между вершинами So, Su расположена канавка (16) с глубиной Tn, при этом обе вершины So; Su в осевом направлении расположены ниже середины М поршневого кольца (2).

Маслосъемное поршневое кольцо и способ его изготовления // 2670477

Изобретение относится к маслосъемному поршневому кольцу, которое включает в себя основание (1), содержащее снабженную рабочими ребрами (20, 21) зону (2) рабочей поверхности, внутреннюю периферийную поверхность (3), верхние и нижние боковые стороны (4), а также проходящие между рабочими ребрами до внутренней периферийной поверхности маслоотводящие расточки/прорези (12), при этом а) основание имеет конструктивную высоту (а) 1,2-≤2,5 мм, б) ширина (b) соответствующего рабочего ребра составляет в зоне внешней периферийной поверхности 0,10-0,35 мм, в) в зоне рабочих ребер предусмотрены огибающие канавки (8, 9), снабженные износостойким покрытием (10, 11, 18), г) каждая канавка (8, 9) проходит частично в зоне соответствующего рабочего ребра таким образом, что в зоне верхней и нижней боковых сторон образуется свободный от покрытия участок шириной (с) 0,04-0,25 мм, д) свободный от покрытия участок соответствующего рабочего ребра в зоне перехода в соответствующую боковую сторону выполнен прямоугольным и имеет острую кромку (22, 23), е) глубина (d) предусмотренных в зоне рабочих ребер канавок составляет 0,005-0,10 мм, ж) высота (е) соответствующего рабочего ребра составляет 0,15-0,70 мм.

Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания // 2651694

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Цилиндропоршневая группа двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр (1), у которого внутренняя поверхность выполнена в виде усеченного конуса с большим основанием в нижней части и меньшим основанием в верхней части, поршень (2) и компрессионные кольца (3), (5) и (6).

Поршневое кольцо // 2645395

Изобретение относится к поршневому кольцу. Поршневое кольцо (1) выполнено с основным корпусом, который имеет поверхность (2) качения, внутреннюю периферийную поверхность, а также проходящие между ними верхнюю и нижнюю боковые поверхности.

Поршневое кольцо с канавкой, имеющей периодически изменяющуюся форму // 2614313

Изобретение относится к поршневому кольцу, содержащему рабочую поверхность, две боковые стороны и внутреннюю окружную поверхность, причем рабочая поверхность выполнена профилированной с канавкой.

Поршневое кольцо с переменной линией поверхности, содержащей наивысшую точку // 2613793

Изобретение относится к поршневому кольцу (1), которое имеет внешнюю рабочую поверхность (3), две боковые стороны (5, 6) и внутреннюю окружную поверхность (7). Рабочая поверхность (3) выполнена профилированной.

Поршневое кольцо, содержащее канавку по окружности кольца // 2676826

Изобретение относится к поршневому кольцу для двигателя внутреннего сгорания или компрессора, в частности к поршневому кольцу, содержащему наружную рабочую поверхность (3), две боковые поверхности (5, 6) и внутреннюю окружную поверхность (7), причем рабочая поверхность (3) содержит профилированный элемент в виде канавки (2), причем канавка (2) в поперечном сечении поршневого кольца (1) расположена между верхним участком (3') рабочей поверхности и нижним участком (3'') рабочей поверхности по волнообразной траектории.