Набор поршневых колец
Изобретение относится к машиностроению и м.б. использовано в качестве уплотнения цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания. Набор поршневых колец состоит из верхнего кольца и нижнего кольца. Указанные кольца имеют общую ось, общую наружную кольцевую поверхность и общую внутреннюю кольцевую поверхность; каждое из них имеет прилегающую поверхность в месте взаимного контакта. В радиальном разрезе набора поршневых колец указанные две прилегающих поверхности сопрягаются на участке стыка, который в радиальном направлении имеет наружный край и внутренний край, при этом радиально наружу к указанному наружному краю указанные две прилегающие поверхности взаимно разделяются и с общей наружной кольцевой поверхностью образуют первый клиновидный зазор с углом при вершине, равным около 10’’-1°30’’; при этом расстояние от указанной вершины до общей наружной кольцевой поверхности превышает расстояние от нее до общей внутренней кольцевой поверхности. Изобретение позволяет улучшить свойства уплотнения. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.
Настоящее изобретение относится к набору поршневых колец.
Из уровня техники известен поршень, который имеет набор компрессионных колец, состоящий из верхнего кольца и нижнего кольца. Во время возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре набор компрессионных колец и внутренняя поверхность цилиндра смазываются машинным маслом. Когда нижнее кольцо движется вниз, снимая масло со стенки цилиндра, скопление снятого масла приводит к созданию очень высокого давления. Вместе с тем происходит образование зазора между нижней поверхностью нижнего кольца и противолежащей боковой поверхностью поршневой кольцевой канавки. В результате этого снятое масло под действием давления проникает в этот зазор и по заднему зазору между внутренней поверхностью кольца и дном поршневой кольцевой канавки поступает в камеру сгорания. Это приводит, с одной стороны, к сгоранию и потере масла, а с другой стороны, к загрязнению атмосферы.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание набора улучшенных компрессионных и маслосбрасывающих поршневых колец.
Техническая задача достигается тем, что предлагается набор поршневых колец, состоящий из верхнего кольца и нижнего кольца, при этом верхнее кольцо и нижнее кольцо имеют общую ось, общую наружную кольцевую поверхность и общую внутреннюю кольцевую поверхность. Каждое из колец имеет прилегающую поверхность в месте взаимного контакта, в радиальном разрезе набора поршневых колец две прилегающие поверхности сопрягаются на участке стыка, который в радиальном направлении имеет наружный край и внутренний край, при этом радиально наружу к наружному краю две прилегающие поверхности взаимно разделяются и с общей наружной кольцевой поверхностью образуют первый клиновидный зазор с углом при вершине, равным 10''-1°30'', и расстояние от вершины до общей наружной кольцевой поверхности превышает расстояние от нее до общей внутренней кольцевой поверхности.
При этом внутрь к внутреннему краю две прилегающие поверхности взаимно разделяются и с общей внутренней кольцевой поверхностью образуют второй клиновидный зазор с углом при вершине, равным 2°-7°30''.
Предпочтительно угол при вершине первого клиновидного зазора равен 10''-1°, а угол при вершине второго клиновидного зазора равен 2°-6°.
Также предпочтительно, чтобы длина первого клиновидного зазора в радиальном направлении в 10 раз превышала длину второго клиновидного зазора в радиальном направлении.
Набор поршневых колец используется для поршня, который содержит верхнюю поверхность, соприкасающуюся с газообразными продуктами сгорания, наружную цилиндрическую поверхность, центральную ось, определяемую этой наружной цилиндрической поверхностью, и поршневую кольцевую канавку, выполненную в наружной цилиндрической поверхности и имеющую кольцевые боковые поверхности, обращенные в направлении к верхней поверхности, и в поршневой кольцевой канавке размещено поршневое кольцо, которое имеет кольцевую боковую поверхность, прилегающую к боковой поверхности канавки, при этом от места пересечения плоскости, определяемой боковой поверхностью канавки, и наружной цилиндрической поверхности в направлении, противоположном направлению центральной оси, и радиально внутрь образована незаполненная полость, создающая разрыв в наружной цилиндрической поверхности, и эта полость находится в углублении, обращенном радиально наружу и расположенном вблизи линии пересечения с плоскостью.
Далее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг.1 - вид узла с двухнаборным поршнем, имеющим высокоэффективное уплотнение, и с набором поршневых колец,
фиг.2 - вид, показывающий расположение верхнего кольца и нижнего кольца в первой кольцевой канавке согласно фиг.1,
фиг.3 - вид в разрезе выемки на наружном крае нижней боковой поверхности нижнего кольца в объединенных компрессионных кольцах согласно фиг.1,
фиг.4 - вид в разрезе выемки на поршне вблизи наружного края нижней боковой поверхности компрессионного кольца согласно фиг.1,
фиг.5 - вид, показывающий положение при накоплении масла в маслонакопительной выемке во время движения поршня согласно фиг.1 в направлении от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке,
фиг.6 - вид, показывающий положение при вытекании накопленного масла из маслонакопительной выемки во время завершения хода на фиг.5 и обратного движения поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке,
фиг.7-8 - два других вида в разрезе, показывающие предпочтительные варианты выполнения объединенных компрессионных колец в наборе колец,
фиг.9 - увеличенный вид радиального ступенчато-изогнутого стыка нижнего кольца согласно фиг.1,
фиг.10 - подробный вид, показывающий установку объединенных поршневых колец в поршне,
фиг.11 - вид, показывающий расположение в кольцевой канавке рабочих стыков объединенных поршневых компрессионных колец,
фиг.12 - вид в разрезе, показывающий рабочее положение объединенных поршневых колец в кольцевой канавке поршня двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.1 показан узел с поршнем, имеющим два набора поршневых колец и обеспечивающим высокоэффективное уплотнение с набором поршневых колец. Поршень 8 содержит объединенные компрессионные кольца 1 и 2 в первой кольцевой канавке и маслосбрасывающее кольцо 10 во второй кольцевой канавке. Из объединенных колец верхнее кольцо 1 имеет прямой стык, а нижнее кольцо 2 - радиально направленный ступенчато-изогнутый стык. Эти стыки расположены под углом 180° друг к другу (фиг.2). На фиг.3 показана несообразная выемка 5 на наружном крае нижней боковой поверхности 3 нижнего кольца 2, а на фиг.4 - несообразная выемка 6 на наружном крае нижней стороны 4 первой кольцевой канавки. Выемка 5 и выемка 6 вместе образуют маслонакопительную полость 7 для снижения давления масла и улучшения смазывания (фиг.5). Во время движения поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке масло 14, которое снимается нижним краем нижнего кольца 2, соприкасающимся со стенкой цилиндра 14 (фиг.5), поступает в маслонакопительную полость 7, как это показано стрелками. Так как зазор 9 у нижнего кольца 2 и маслонакопительная полость 7 имеют выпуклую граничную поверхность раздела, то маслонакопительная полость сужается у этой поверхности раздела. Таким образом, давление машинного масла, создающееся в маслонакопительной полости, распределяется следующим образом. Давление в выемке 5 на нижнем кольце 2 (фиг.3) больше, чем в выемке 6 на поршне 8, показанной на фиг.4, в результате чего создается перепад давления. Когда машинное масло из выемки 5 проходит в выемку 6 через суженную часть, то согласно гидродинамике создается область низкого давления в нижнем боковом зазоре 9, показанном на фиг.5. Таким образом, машинное масло будет вытекать из бокового зазора 9 в направлении, показанном стрелкой. Это позволяет избежать протекания машинного масла из нижнего бокового зазора 9 в задний зазор, происходящего в обычных поршневых кольцах, и закачивания масла из заднего зазора в верхний боковой зазор и затем в камеру сгорания. Кроме того, так как при конструировании объем маслонакопительной полости делается больше, чем объем машинного масла, снимаемого и поступающего в маслонакопительную полость, то в этой полости 7 не сможет создаваться слишком высокое давление, что обеспечивает невозможность утечки машинного масла его продавливанием по рабочей поверхности контакта верхнего кольца 1 и нижнего кольца 2 со стенкой 13 цилиндра. В результате этого снижаются расход машинного масла и выброс газообразных продуктов горения, образующихся при сгорании машинного масла. Во время движения поршня от нижней мертвой точки обратно к верхней мертвой точке масло 14, находящееся в маслонакопительной полости 7 (фиг.6), будет поглощать тепло от нижнего кольца 2 и поршня 8. При вытекании машинного масла из маслонакопительной полости 7 одновременно с равномерным распределением машинного масла по рабочей поверхности стенки 13 цилиндра будет происходить образование масляной пленки и теплообменной поверхности, в результате чего достигаются улучшенное смазывание рабочей поверхности стенки 13 цилиндра и снижение температуры поршневых колец и поршня. Кроме того, после сокращения количества колец в наборе на одно кольцо, т.е. с трех колец до двух колец, и вызванного этим уменьшения площади контакта поршневых колец и рабочей поверхности стенки 13 цилиндра не происходят ухудшение теплопередачи, повышение температуры колец, разрушение уплотнительной масляной пленки на их рабочей поверхности, ослабление компрессионных свойств и ускоренный износ рабочих поверхностей. Одновременно уменьшаются расход мощности на трение и расход масла и топлива и обеспечивается дальнейшее повышение к.п.д. и мощности двигателя.
Настоящее изобретение может также иметь следующие предпочтительные варианты его осуществления: в сочетании верхнего кольца 1 и нижнего кольца 2 одно из них в сечении может иметь трапецеидальную форму, а другое - трапецеидальную форму с выемкой (фиг.7) или же одно из них может иметь трапецеидальную форму, а другое - прямоугольную форму с выемкой (фиг.8).
Настоящее изобретение эффективно решает проблемы отвода наружу тепла от поршневых колец и поршня. Таким образом, улучшаются смазывание и уплотнение, в результате чего при использовании набора из двух поршневых колец срок службы колец увеличивается приблизительно в два раза, чем при использовании обычного набора из трех колец.
На фиг.10 показан поршень с одним набором объединенных поршневых компрессионных колец и одним набором маслосбрасывающих колец. В первой кольцевой канавке стыки верхнего и нижнего колец расположены относительно друг друга под углом в 180°. Местоположение стыков смещено относительно направления оси отверстия 11 для поршневого пальца.
На фиг.11 показаны объединенные поршневые компрессионные кольца, состоящие из верхнего кольца 1 и нижнего кольца 2. После объединения этих колец их радиальное сечение имеет форму прямоугольника. На внешней периферии верхнего кольца и нижнего кольца между их прилегающими поверхностями предпочтительно выполнить клиновидный зазор с углом, равным 10''-1°30''. Этот клиновидный зазор может быть выполнен на всю ширину прилегающих поверхностей или на части ее. Наиболее предпочтительный размер вышеуказанного угла равен 30''-1°30'' и 10''-1°.
Настоящее изобретение включает также следующие наиболее предпочтительные варианты его осуществления. На внутренней периферии верхнего кольца и нижнего кольца между их прилегающими поверхностями образован клиновидный зазор с углом, равным 2°-7°30'', предпочтительно 2°-6°. Таким образом, между верхним кольцом 1 и нижним кольцом 2 имеются два различных зазора 22 и 23, которые имеют в сечении трехугольную форму и соединены своими вершинами, при этом зазор 23 имеет сравнительно короткую длину. Длина клиновидного зазора на внешней периферии в 10 раз превышает длину клиновидного зазора на внутренней периферии.
Кроме того, для обеспечения лучшей подвижности верхнего и нижнего колец относительно друг друга две противолежащие вершины трехугольных зазоров образуют точку опоры, которая находится на меньшем расстоянии от внутренней поверхности колец, чем от их наружной поверхности.
Верхнее кольцо 1 в разрезе имеет форму многоугольника, а нижнее кольцо 2 - форму перевернутой трапеции. Кроме того, на фиг.12 показаны верхний боковой зазор 9' между кольцом и кольцевой канавкой и задний зазор 9'' между внутренней периферийной стороной верхнего и нижнего колец и кольцевой канавкой.
Во время работы двигателя внутреннего сгорания объединенные поршневые компрессионные кольца согласно настоящему изобретению действуют следующим образом.
Ход всасывания: по окончании хода выпуска, когда поршень достигает верхней мертвой точки, он движется в направлении от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, при этом верхнее кольцо 1 выдавливает нагар из зазора 9'. В то же самое время верхняя боковая поверхность верхнего кольца 1 и нижняя боковая поверхность нижнего кольца 2 соприкасаются с верхней и нижней боковыми поверхностями кольцевой канавки, образуя уплотнительную поверхность и уплотнительный пояс, которые препятствуют утечке смазочного машинного масла из бокового зазора 9 в задний зазор 9''. При этом ходе каждое верхнее кольцо и нижнее кольцо образуют свои уплотнительную поверхность и уплотнительный пояс с противолежащими боковыми поверхностями кольцевой канавки, перекрывающие канал прохождения масла и газов через боковые зазоры.
Ход сжатия: по окончании хода всасывания поршень движется в направлении от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, при этом нижнее кольцо 2 выдавливает смазочное машинное масло из бокового зазора 9 влево к стенке цилиндра. Нижняя боковая поверхность нижнего кольца 2 и нижняя боковая поверхность кольцевой канавки плотно смыкаются, образуя уплотнительную поверхность или уплотнительный пояс, при этом правый верхний угол верхнего кольца 1 и боковая поверхность кольцевой канавки образуют уплотнительный пояс. Уплотнительный пояс и уплотнительная поверхность, образованные каждым из верхнего и нижнего колец, перекрывают канал утечки газов через боковые зазоры.
1. Набор поршневых колец, состоящий из верхнего кольца и нижнего кольца, при этом верхнее кольцо и нижнее кольцо имеют общую ось, общую наружную кольцевую поверхность и общую внутреннюю кольцевую поверхность, каждое из них имеет прилегающую поверхность в месте взаимного контакта, в радиальном разрезе набора поршневых колец две прилегающие поверхности сопрягаются на участке стыка, который в радиальном направлении имеет наружный край и внутренний край, при этом радиально наружу к наружному краю две прилегающих поверхности взаимно разделяются и с общей наружной кольцевой поверхностью образуют первый клиновидный зазор с углом при вершине, равным около 10’’-1°30’’, и расстояние от вершины до общей наружной кольцевой поверхности превышает расстояние от нее до общей внутренней кольцевой поверхности.
2. Набор поршневых колец по п.1, отличающийся тем, что внутрь к внутреннему краю две прилегающие поверхности взаимно разделяются и с общей внутренней кольцевой поверхностью образуют второй клиновидный зазор с углом при вершине, равным 2°-7°30’’.
3. Набор поршневых колец по п.1 или 2, отличающийся тем, что угол при вершине первого клиновидного зазора равен 10’’-1°.
4. Набор поршневых колец по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что угол при вершине второго клиновидного зазора равен 2-6°.
5. Набор поршневых колец по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что длина первого клиновидного зазора в радиальном направлении в 10 раз превышает длину второго клиновидного зазора в радиальном направлении.
