Уплотнение между поршнем и зеркалом цилиндра

 

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Цель изобретения - снижение расхода масла на угар. Разрезное упругое поршневое кольцо /ПК/ 1 установлено в канавке 5 поршня, рабочая поверхность которого выполнена конической. В ПК 1 выполнены маслоотводящие каналы 8, направленные от конической рабочей поверхности 4 к нижней торцовой его поверхности 2. Расстояние L от центров входных отверстий каналов до нижней торцовой поверхности 2 ПК связано с углом конусности ПК соотношением L=3,5/Α<SP POS="POST">1,8</SP>. На поверхности 2 ПК 1 или на нижней торцовой поверхности 6 канавки 5 м.б.выполнена кольцевая проточка, соединяющаяся с каналами 8. На поверхности 4 ПК 1 м.б. выполнена кольцевая проточка, соединяющаяся с входными отверстиями каналов 8. Каналы 8 в продольном сечении м.б. выполнены из двух сопряженных участков с различными проходным сечением, причем участок канала с меньшим сечением расположен со стороны поверхности 4 ПК. Каналы 8 м.б. выполнены из двух несоосных сопряженных участков и м.б. расположены под углом один к другому. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

F 02 F 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ho б Ю

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4282531/25-06 (22) 10.07.87 (46) 23.07.89. Бюл. № 27 (71) Волгоградский политехнический институт и Волгоградский моторный завод (72) А. А. Ющенко, С. М. Марков и В. П. Андропов (53) 621.43-762.444 (088.8) (56) П атент Ф ран ции № 2492032, кл. F 02 F 5/00, 1982. (54) УПЛОТНЕНИЕ МЕЖДУ ПОРШНЕМ

И ЗЕРКАЛОМ ЦИЛИНДРА (57) Изобретение м. б. использовано в двигателях внутреннего сгорания. Цель изобретения — — снижение расхода масла на угар.

Разрезное упругое поршневое кольцо (ПК)

1 установлено в канавке 5 поршня, рабочая поверхность к-рого выполнена конической.

В ПК 1 выполнены маслоотводящие кана„„с 1,1„„1495480 д1

2 лы 8, направленные от конической рабочей поверхности 4 к нижней торцовой его поверхности 2. Расстояние 1 от центров входных отверстий каналов до нижней торцовой поверхности 2 ПК связано с углом конусностй ПК соотношением 3=3,5/n 8. На поверхности 2 ПК 1 или на нижней торцовой поверхности 6 канавки 5 м. б. выполнена кольцевая проточка, соединяющаяся с каналами 8. На поверхности 4 ПК 1 м. б. выполнена кольцевая проточка, соединяющаяся с входными отверстиями каналов 8. Каналы 8 в продольном сечении м. б. выполнены из двух сопряженных участков с различным проходным сечением, причем участок канала с меньшим сечением расположен со стороны поверхности 4 ПК. Каналы 8 м. б. выполнены из двух несоосных сопряженных участков и м. б. расположены под углом один к другому.. 5 з. п. ф-лы, 7 ил.

1495480

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в качестве уплотнения поршня в двигателях внутреннего сгорания.

Цель изобретения — снижение расхода масла на угар.

На фиг. 1 показаны графики для определения минимальной толщины слоя масла под коническим кольцом для различных сочетаний высот конического кольца L и углов конусности ос; на фиг. 2 — уплотнение поршня двигателя внутреннего сгорания с маслоотводящим каналом, поперечное сечение; на фиг. 3 — то же, с кольцевой проточкой на нижнем торце кольца, в которую входит маслоотводящий канал, поперечное сечение; на фиг. 4 — кольцо с кольцевой проточкой на рабочей грани кольца, в которой расположено входное отверстие маслоотводящего канала; на фиг. 5 — то же, с маслоотводящим каналом, вблизи входного отверстия которого расположен гидравлический затвор в виде участка канала с более узким сечением; на фиг. 6 — маслоотводящий канал с гидравлическим затвором, формируемым смещением оси короткого участка канала; на фиг. 7 — - маслоотводягций канал, состоящий из прямых участков, пересекающихся под углом.

Уплотнение содержит коническое комнрессионное кольцо 1 с нижней 2 и верхней 3 гранями, рабочей поверхностью 4 и канавку поршня 5 с нижней 6 и верхней 7 гранями; ширина кольца Н, высота I угол конусности s. В кольце 1 расположен маслоотводящий канал 8 на высоте 1 от нижней грани 2 кольца. Рабочая поверхность 4 кольца 1 через слой масла толщино" h„контактирует с зеркалом цилиндра 9.

В кольцевую проточку 10 на нижнем торце 2 кольца 1 выходит маслоотводящий ка; нал 8.

В кольце 1 с кольцевой проточкой 11 на рабочей поверхности 4 кольца может быть расположено входное отверстие маслоотводящего канала 8.

В кольце 1 с маслоотводящим каналом 8 вблизи входного отверстия может быть расположен гидравлический затвор в виде сужения 12 канала.

В маслоотводящем канале 8 с гидравлическим затвором выполняется смещение оси короткого участка 13 канала.

Маслоотводящий канал может состоять из прямых участков 14 и 15, пересекающихся под углом.

При движении кольца 1 к верхней мертвой точке (ВМТ) благодаря конусности,< рабочей поверхности 4 оно всплывает над зеркалом цилиндра 9 на толщину масляной плен. ки h . Скорость масляной пленки на зеркале цилиндра 9 равна нулю, а на рабочей поверхности 4 кольца 1 она максимальна и

45 Если количество маслоотводящих каналов в кольце невелико и расстояния между

vx входными отверстиями велики, для сбора и распределения масла по каналам на рабочей грани 4 кольца 1 выполняется кольцевая проточка 11. Масло по этой проточке перетекает к входным отверстиям маслоотводящих каналов 8.

На второй половине пути от НМТ к ВМТ кольцо 1 двигается с замедлением, в результате чего возрастает сила инерции столба масла в маслоотводящих каналах 8. Наибольшей величины силы инерции достигает вблизи ВМТ, когда гидродинамический напор в масляном клине перестает иметь место (скорость кольца 1 равна нулю) . Под

40 равна скорости движения кольца 1. В результате вязкого трения в масляном слое и перепада давления над и под кольцом 1 между его рабочей поверхностью 4 и зеркалом цилиндра 9 имеет место неравномерная эпюра давлений с максимумом, положение которого зависит от угла конусностиа кольца 1 и толщины масляного слоя h,. .Для цилиндрических колец (cr=-О) он всегда располагается на середине высоты кольца, а для конических — в зависимости от угла конусности с смещается к верхней грани 3 кольца 1, т. е. оказывается вблизи устья маслоотводящих каналов и положительно влияет на прокачку масла по ним.

Масло под действием высокого давления в масляном слое выносится в маслоотводягцие каналы 8 и по ним выходит в зазор между нижней гранью 2 кольца и нижней гранью 6 поршневой канавки.

На первой половине хода кольца 1 от нижней мертвой точки (НМТ) к ВМТ оно оказывается прижатым к нижней грани 6 поршневой канавки под действием сил инерции (кольцо в этот момент движется с положительным ускорением), сил трения кольца о слой масла на зеркале цилиндра 9 и сил адгезии по нижней грани 2 кольца 1 и нижней грани 6 канавки через масляную пленку между ними. Для уменьшения сил адгези и необходимо увеличивать толщину слоя масла и уменьшать поверхность контакта, для чего на нижней грани 2 кольца или нижней грани 6 канавки выполняется кольцевая проточка 10.

Когда давление масла между гранями 6 и 2 превышает суммарное усилие от сил инерции кольца, сил трения и адгезии, кольцо поднимается вверх до соприкосновения своей верхней гранью 3 с верхней гранью 7 поршневой канавки. Масло из масляного канала 8 через щель между гранями 6 и 2 перетекает в зазор между цилиндром и поршнем под кольцом. При этом прижатие кольца к верхней грани 7 поршневой канавки способствует уменьшению прорыва газов из камеры сгорания в картер.

1495480 действием сил инерции, особенно на тактах впуска и выпуска, когда давление газов в камере сгорания минимально, может произойти обратный выброс масла из маслоотводящего канала 8 на зеркало цилиндра 9.

Чтобы уменьшить возможность обратного выброса масла в маслоотводящих каналах 8 предусматриваются гидравлические затворы в виде сужений 12 в каналах, смещений осей коротких участков 3 каналов, пересечения прямых участков !4 и 15 каналов под углом.

При движении кольца 1 от ВМТ к НМТ давление у входных отверстий маслоотводящих каналов уменьшается, однако включаются в работу скребковые и маслосбрасывающие свойства конических и бочкообразных колец.

На первой половине пути кольца 1 от

ВМТ к НМТ оно прижато силами инерции к верхней грани 7 поршневой канавки. Силы инерции объемов масла в маслоотводяьцих каналах 8 уменьшаются по мере удаления кольца от ВМТ. В то же время против сил инерции в этот момент действуют силы гидродинамического давления в масляном слое между рабочей поверхностью 4 кольца и зеркалом цилиндра 9 и силы давления газов. Под действием равнодействующих этих сил опять начинается отвод масла в щель между нижней гранью 2 кольца и нижней гранью 6 канавки.

На второй половине пути от ВМТ к НМТ на кольцо 1 действуют силы инерции, направленные к НМТ, и под действием этих сил кольцо отрывается от верхней грани 7 канавки, а масло из объема, ограниченного гранями 6 и 2, выдавливается в зазор между цилиндром и поршнем.

В коническом компрессионном кольце выполнены каналы для отвода масла с зеркала цилиндра к нижней торцовой поверхности кольца, причем положение входных отверстий маслоотводящих каналов по отношению к нижней торцовой поверхности кольца связано с углом конусности кольца соотношением где f — расстояние середины входных отверстий маслоотводящих каналов от нижней торцовой поверхности кольца, мм;

А — угол конусности компрессионного кольца, град.

Маслоотводящие каналы в компрессионном кольце соединяют область избыточного гид1 одинамического давления в масляном слое между рабочей поверхностью кольца и зеркала цилиндра с областью низкого давления на нижней торцовой поверхности

GUpLKX(X — 1)

Р= Ро

30 где давление в масляном клине под кольцом; давление окружающей среды; скорость движения кольца; коэффициент динамической вязкости масла; высота кольца; минимальная толшина слоя смазки под кольцом;

Po—

U—

1

ho—

40 Х= — — относительная координата по

Х высоте кольца;

К= — — — коэффициент конусности кольца;

Ltgn по а — угол конусности кольца.

45 Интегрирование этого уравнения по Х с использованием условия равновесия кольца на масляном клине под действием сил собственной упругости позволяет прийти к соотношению для»инимальной тол шины слоя масла под коническим кольцом

GU««L ln(I+Kl

Р К 2К! К где Є— давление кольца от снл собственной упругости.

Сушествует оптимальное сочетание высоты кольца и угла конуc Hoc Tli, и р и котором достигается максимальная тол шина слоя смазки под кольцом и, следовательно. максимальная подъемная снл". кольца кольца в ill () иод пряж «чти я ко. шцг «сп,! «зм и его инерции к верхне» торцу поршневой канавки на второй половине хода поршня к

ВМТ, вследствие чего обеспечивается перетекание масла с зеркала цилиндра в образовавшийся зазор между нижними торцовыми поверхностями кольца и канавки. Та» самым уменьшается количе:тво масла, выбрасываемого кольцом в камеру сгорания и расходуемого на угар.

На тактах сжатия и сгорания, когда компрессионное кольцо под действие» высокого давления в камере сгорания прижато к нижней торцовой поверхности поршневой канавки, происходит запирание маслоотводящих каналов, что исключает прорыв газов через них и потерю основной уплотняющей функции компрессионного ко.1ьца.

Место расположения входных отверстий маслоотводящиi каналов на рабочей поверхности конического компрессионного кольца выбирается из условия обеспечения его максимальной подъемной силы при движении к камере сгорания, что также способствует снижению расхода масла на угар.

Гидродинамическое давление в масля25 ном клине под коническим компресионным кольцом для чисто фрикционного течения может быть определено из соотношения

1495480 где E — высота кольца, мм, соответствующая оптимуму; а — угол конусности, град, для которого ищется оптимум.

Высота конических колец обычно принимается больше оптимальных, поэтому при отводе масла с зеркала цилиндра верхняя О часть кольца осушается, что равносильно уменьшению высоты кольца. Однако это приводит к полезному повышению подъемной силы кольца до тех пор, пока высота не станет меньше оптимальной. Чтобы не допустить перехода рабочей высоты кольца через 031тимум, маслоотводящие каналы на рабочей поверхности кольца нужно располагать на высоте, соответствующей оптимуму.

Таким образом, npmle11cIIIIe маслоотводящих каналов в конических ком пресионных 20 к о:1 ь ц а х, I3 H 3 bl I3 3 Io I l I I I X и х р и б 0 ч у 10 I I I I H >Kшок1 торцовую поверхности при расположеIlllH входных отверстий каналов в районе высоты кольца, соответствующей максимальной подъемной силе для заданного угла конусности, обеспечивает отвод масла с зеркала цилиндра без потери герметичносп1 кольцевого уплотнения, в результате че10 уменьшается расход масла на угар.

Bhlxoä масла из маслоотводящего канала в 1цель между нижними торцами кольца 3р и канавки в поршне может быть затруднен из-за сил адгезии (прилипания) кольца и канавки через тонкий слой масла. Для снижения силы адгезии необходимо увеличивать толщину масляного слоя между кольцом и канавкой, что достигается в предлагаемом 35 уплотнении с помощью кольцевых проточек на нижних торцовых поверхностях кольца или поршневой канавки.

Поскольку тол цина слоя масла на зеркале цилиндра мала, то в случае достаточ- 4g ного удаления входных отверстий маслоотводяц3,их каналов друг от друга, затрудняется поступление масла в них, и, как следствие, возрастает расход масла на угар.

Для повышения надежности подпитки маслом маслоотводящих каналов на рабочей 4> поверхности кольца выполняется кольцевая проточка, являющаяся накопителем масла.

Движение поршневого кольца в двигателях с кривошипно-шатунным механизмом происходит с переменной скоростью и ускорением. Объемы масла, заполняющие маслоотводящие каналы, в связи с этим подвержены действию сил инерции, которые при подходе поршня к ВМТ могут приводить к обратному выталкиванию масла на зеркало цилиндра. Для уменьшения этого явления в маслоотводящем канале может выполняться гидравлический затвор в виде сужения сечения канала, осевого смещения двух сверлений, составляющих канал, или резкого изгиба канала. Для повышения эффективности гидравлического затвора он должен быть расположен возможно ближе к устью канала (рабочей поверхности кольца).

Формула изобретения

1. Уплотнение между поршнем и зеркалом цилиндра, содержащее разрезное упругое поршневое кольцо, установленное в канавке поршня, причем его рабочая поверхность выполнена конической, отличающееся тем, что, с целью снижения расхода масла на угар, в поршневом кольце выполнены маслоотводящие каналы, направленные от рабочей поверхности кольца к нижней торцовой поверхности кольца, причем положения центров входных отверстий маслоотводящих каналов относительно нижней торцовой поверхности кольца связаны с углом конусности кольца с соотношением

f = 3,5/, где 3 — расстояние центра входных отверстий маслоотводяших каналов от нижней торцовой поверхности кольца, мм; — угол конусности компрессионного кольца, град.

2. Уплотнение по п. 1, отличающеся тем, что на нижней торцовой поверхности кольца или на нижней торцовой поверхности поршневой канавки выполнена кольцевая проточка, соединяющаяся с маслоотводящими каналами.

3. Уплотнение по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что на конической рабочей поверхности кольца выполнена кольцевая проточка, соединяющаяся с входными отверстиями маслоотводящих каналов.

4. Уплотнение по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что маслоотводящие каналы в продольном сечении выполнены из двух сопряженных участков с различным проходным сечением, причем. участок канала с меньшим сечением расположен со стороны рабочей поверхности кольца.

5. Уплотнение по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что маслоотводяшие каналы выполнены из двух сопряженных участков, выполненных несоосно.

6. Уплотнение по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что маслоотводящие каналы расположены под углом один к другому.!

495480

8b/СОЛ7П КОЛ6ЦЯ, РЖ

Фиг.1

1495480

Составитель A. Гладких

Редактор H. Ту пина Техред И. Верес Корректор Э. Лончакова

Заказ 4229/31 Тираж 482 Г1одписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 1О1