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

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. Наружная сторона расположена между верхней и нижней сторонами по наружному диаметру кольца и образована непрерывной кривой, проходящей в осевом направлении кольца. Указанная непрерывная кривая содержит первую и вторую выпуклые поверхности, соединенные вогнутой поверхностью, при этом каждая выпуклая поверхность образована, соответственно, первым и вторым радиусами. Способ изготовления поршневого компрессионного кольца содержит механическую обработку наружной стороны кольца с целью формирования профиля в виде непрерывной кривой, проходящей в осевом направлении кольца, причем указанная непрерывная кривая содержит первый выпуклый участок и второй выпуклый участок, соединенные промежуточным участком. Изобретение обеспечивает снижение трения со стенкой цилиндра двигателя. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к компрессионному поршневому кольцу для двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Поршневые узлы двигателей внутреннего сгорания содержат поршень с кольцевыми канавками, и уплотняющими элементами, расположенными в каждой канавке. Один из уплотняющих элементов может представлять собой разрезное компрессионное кольцо. Ширина компрессионного кольца в осевом направлении и связанной с ним канавки может быть уменьшена, чтобы уменьшить площадь контакта между компрессионным кольцом и боковой стенкой отверстия цилиндра, и тем самым, чтобы уменьшить трение между указанными двумя поверхностями. Размеры компрессионного кольца и канавки могут быть ограниченны исходя из технологичности и других факторов, что тем самым ограничивает снижения трения.

Раскрытие изобретения

Согласно варианту осуществления изобретения предложено компрессионное кольцо для поршня двигателя, содержащее верхнюю сторону и нижнюю сторону. Внутренняя сторона расположена между верхней и нижней сторонами по внутреннему диаметру кольца. Наружная сторона расположена между верхней и нижней сторонами по наружному диаметру кольца. Наружная сторона образована непрерывной кривой, проходящей в осевом направлении кольца. Указанная непрерывная кривая содержит первую и вторую выпуклые поверхности, соединенные вогнутой поверхностью, при этом каждая выпуклая поверхность образована, соответственно, первым и вторым радиусами.

Согласно другому варианту осуществления предложен поршневой узел для двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршень, который содержит головку и боковую стенку. На боковой стенке образована кольцевая канавка.

Компрессионное кольцо выполнено такого размера, какой позволяет разместить его в указанной канавке. Компрессионное кольцо содержит наружную сторону, образованную непрерывной кривой. Наружная сторона содержит первую и вторую выпуклые поверхности, соединенные вогнутой поверхностью, при этом каждая выпуклая поверхность образована, соответственно, первым и вторым радиусами кривизны.

Согласно еще одному варианту осуществления способ изготовления компрессионного кольца содержит формирование кольца, содержащего наружную сторону, внутреннюю сторону, верхнюю сторону и нижнюю сторону. Наружную сторону кольца получают механической обработкой, формируя профиль в виде непрерывной кривой, проходящей в осевом направлении кольца. Указанная непрерывная кривая содержит первый выпуклый участок и второй выпуклый участок, соединенные вогнутым участком, причем каждый выпуклый участок образован, соответственно, первым и вторым радиусами.

Различным вариантам осуществления настоящего изобретения свойственны связанные с ними преимущества, при этом указанные варианты осуществления не несут ограничительного характера. Например, благодаря тому, что предусмотрено верхнее компрессионное кольцо с парой выпуклых участков, эффективная площадь поверхности контакта со стенкой цилиндра двигателя уменьшена по сравнению с кольцом, содержащим одну выпуклую поверхность, и тем самым снижено трение.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схематичное изображение двигателя внутреннего сгорания, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 - частичный вид в разрезе поршня и компрессионного кольца, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 - вид в аксонометрии компрессионного кольца по фиг. 2, и

Фиг. 4 - схематическое изображение компрессионного кольца по фиг. 2.

Осуществление изобретения

В соответствии с требованиями ниже будут подробно рассмотрены варианты осуществления настоящего изобретения, однако, следует понимать, что раскрываемые варианты осуществления являются только примерами, и что они могут быть осуществлены в разнообразных других формах. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе; чтобы показать подробности определенных компонентов, некоторые фрагменты могут быть увеличены или уменьшены. Поэтому раскрываемые в изобретении конкретные конструктивные и функциональные детали следует понимать не как детали, ограничивающие идею изобретения, а лишь как представительную основу для специалистов в данной области для разнообразного применения настоящего изобретения.

Фиг. 1 схематически изображает двигатель 20 внутреннего сгорания. Двигатель 20 содержит ряд цилиндров 22, при этом на фигуре показан один цилиндр. Двигатель 20 содержит камеру 24 сгорания, связанную с каждым цилиндром 22. Цилиндр 22 образован стенками 32 и поршневым узлом 34. Поршневой узел 34 соединен с коленчатым валом 36. Камера 24 сгорания выполнена с возможностью связи по текучей среде с впускным коллектором 38 и выпускным коллектором 40. Впускной клапан 42 управляет потоком из впускного коллектора 38 в камеру 24 сгорания. Выпускной клапан 44 управляет потоком из камеры 24 сгорания в выпускной коллектор 40. В целях управления работой двигателя впускной и выпускной клапаны 42, 44 могут быть приведены в действие различными способами, известными в данной области техники.

Топливная форсунка 46 подает топливо из топливной системы непосредственно в камеру 24 сгорания, так что данный двигатель представляет собой двигатель с прямым впрыском топлива. Вместе с двигателем 20 может быть использована система впрыска топлива низкого или высокого давления, или же, согласно другим примерам, может быть использована система впрыска топлива во впускной канал. Система зажигания содержит свечу 48 зажигания, которой управляют, чтобы высвободить энергию в виде искры для воспламенения топливно-воздушной смеси в камере 24 сгорания. В других вариантах осуществления изобретения могут быть использованы другие системы подачи топлива и системы зажигания, или могут быть использованы другие технологии, включая компрессионное воспламенение.

Двигатель 20 содержит контроллер и различные датчики, выполненные с возможностью подачи в котроллер сигналов для использования при управлении подачей воздуха и топлива к двигателю, опережением зажигания, мощностью двигателя, его крутящим моментом и т.п. В число датчиков двигателя могут входить, помимо других возможных, кислородный датчик в выпускном коллекторе 40, датчик температуры хладагента двигателя, датчик положения педали акселератора, датчик давления в коллекторе (MAP, от англ. Manifold Absolute Pressure), датчик положения двигателя для определения положения коленчатого вала, датчик массового расхода воздуха во впускном коллекторе 38, датчик положения дроссельной заслонки и т.п.

Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, двигатель 20 используют в качестве единственного основного движителя транспортного средства, например, традиционного транспортного средства или транспортного средства с системой «старт-стоп». Согласно другим вариантам осуществления изобретения, двигатель внутреннего сгорания может быть использован в автомобиле с гибридным приводом, где присутствует дополнительный основной движитель, например, электрическая машина, чтобы обеспечить дополнительную энергию для привода автомобиля.

Каждый цилиндр 22 работает по четырехтактному циклу, включающему в себя такт впуска, такт сжатия, такт зажигания и такт выпуска. Согласно другим примерам, двигатель может работать по двухтактному циклу. На такте впуска впускной клапан 42 открыт, а выпускной клапан 44 закрыт, в то время как поршневой узел 34 движется от верхней части цилиндра 22 к нижней части цилиндра 22, чтобы ввести воздух из впускного коллектора в камеру сгорания. Положение поршневого узла 34 в верхней части цилиндра 22 обычно именуют верхней мертвой точкой (ВМТ). Положение поршневого узла 34 в нижней части цилиндра 22 обычно именуют нижней мертвой точкой (НМТ).

Во время такта сжатия впускной и выпускной клапаны 42, 44 закрыты. Поршневой узел 34 перемещается от нижней части в направлении верхней части цилиндра 22, чтобы осуществить сжатие воздуха в камере 24 сгорания.

Затем в камеру 24 сгорания поступает топливо и воспламеняется. В изображенном двигателе 20 топливо впрыскивают в камеру 24, а затем воспламеняют при помощи свечи 48 зажигания. Согласно другим примерам топливо может быть воспламенено способом компрессионного воспламенения.

Во время такта расширения воспламененная топливно-воздушная смесь в камере 24 сгорания расширяется, заставляя поршневой узел 34 перемещаться из верхней части цилиндра 22 к нижней части цилиндра 22. Перемещение поршневого узла 34 вызывает соответствующее движение коленчатого вала 36 и создает механический крутящий момент на выходе двигателя 20.

Во время такта выпуска впускной клапан 42 оставляют закрытым, а выпускной клапан 44 открывают. Поршневой узел 34 перемещается из нижней части цилиндра 22 к верхней части цилиндра 22, чтобы удалить отработавшие газы и продукты сгорания из камеры 24 сгорания за счет сокращения объема камеры 24. Отработавшие газы выходят из цилиндра 22 в выпускной коллектор 40, и далее следуют в систему дополнительной обработки, например, в каталитический нейтрализатор отработавших газов.

Положения впускного и выпускного клапанов 42, 44 и их фазы, а также фазу впрыска топлива и угол опережение зажигания можно изменять для различных тактов работы двигателя.

Поршневой узел 34 содержит поршень 50 с головкой 52, боковую стенку 54 и юбку 56. Поршень 50 содержит конструкцию для его соединения с коленчатым валом 36 посредством пальца шатуна или аналогичного элемента. Боковая стенка 54 образует цилиндр, на котором выполнен ряд кольцевых канавок 58. На фиг. 1 показаны три кольцевые канавки, однако в поршневом узле 34 может быть использовано любое число кольцевых канавок. Согласно одному варианту осуществления изобретения, плоскости кольцевых канавок 58 параллельны плоскости, образованной головкой 52 поршня. Кольцевые канавки 58 разнесены друг от друга в осевом направлении. Верхняя канавка 60 содержит верхнее компрессионное кольцо или уплотнительный элемент, и расположена рядом с головкой 52. Другие канавки содержат уплотнительные элементы, такие как компрессионные кольца или маслосъемные кольца. Уплотнительные элементы, включая компрессионные кольца и маслосъемные кольца, взаимодействуют со стенкой 32 отверстия цилиндра, когда поршневой узел перемещается в цилиндре 22. Жидкие или твердые смазочные материалы, такие как масло, служат для уменьшения трения, когда поршневой узел 34 перемещается внутри цилиндра 22, а также для предотвращения выхода отработавших газов из камеры 24 сгорания, например, путем просачивания.

Чтобы уменьшить трение между верхним компрессионным кольцом и стенкой цилиндра, может оказаться желательным уменьшить общую ширину кольца в осевом направлении, и тем самым уменьшить площадь поверхности контакта между компрессионным кольцом и стенкой цилиндра. В настоящее время трение между верхним компрессионным кольцом и стенкой цилиндра уменьшают за счет уменьшения ширины верхнего компрессионного кольца в осевом направлении. Канавки, такие как верхняя канавка 60, могут быть ограничены по размеру до минимальной ширины в соответствии с ограничениями механической обработки и с производственными ограничениями. Это, в свою очередь, накладывает ограничение на размер не только канавки 60, но также и на размер верхнего компрессионного кольца, которое находится в канавке. Верхнее компрессионное кольцо может иметь ширину в осевом направлении практически равную ширине канавки 60, чтобы уменьшить изгиб кольца, просачивание газов и т.п. Например, в силу производственных ограничений, включая ограничения на ширину верхнего компрессионного кольца и ширину канавки, минимальная ширина кольца в осевом направлении может составлять приблизительно 1 мм.

Фиг. 2 изображает частичный вид в разрезе поршневого узла 34. Показана верхняя канавка 60, являющаяся смежной с головкой 52 поршня и ближайшей к ней канавкой. Данная канавка выполнена путем механической обработки боковой стенки 54 поршня 50. Канавка 60 содержит верхнюю и нижнюю поверхности 62, 64, которые отстоят друг от друга в направлении продольной оси 66. Внутренняя стенка 68 соединяет верхнюю и нижнюю поверхности 62, 64 и проходит по окружности вокруг поршня 50 и утоплена внутрь от поверхности боковой стенки 54.

Канавка 60 вмещает верхнее компрессионной кольцо 70. Дополнительные виды верхнего компрессионного кольца 70 представлены на фиг. 3 и 4. Верхнее компрессионное кольцо 70 может быть разрезным кольцом, и может быть изготовлено из металла или другого подходящего материала. Верхнее компрессионное кольцо 70 может представлять собой единую деталь, выполненную и/или механически обработано из единого куска заготовки.

Верхнее компрессионное кольцо 70 содержит верхнюю сторону 72 и нижнюю сторону 74, которые отстоят друг от друга в осевом направлении. Верхняя сторона 72 расположена рядом с верхней поверхностью 62. Нижняя сторона 74 расположена рядом с нижней поверхностью 64. Верхняя сторона 72 и нижняя сторона 74 проходят в плоскости, которая в общем параллельна головке 52, при этом стороны проходят наружу вдоль радиальной оси 76. Внутренняя сторона 78 расположена между верхней и нижней сторонами, рядом с внутренней стенкой 68.

Верхнее компрессионное кольцо 70 содержит наружную сторону 80. По меньшей мере часть наружной стороны 80 заходит за боковую стенку 54 поршня 50, и выступает из нее. Наружная сторона 80 выполнена с возможностью контакта с отверстием цилиндра, и при перемещении поршня совершает поступательное движение относительно цилиндра. Наружная сторона 80 образует площадь контакта с цилиндром, где две указанные поверхности контактируют друг с другом.

Наружная сторона 80 содержит два выступа или выпуклые поверхности 82, которые обуславливают уменьшенную общую площадь контакта с цилиндром, поддерживая при этом ширину кольца 70 равной или превышающей минимальную ширину, которая определена производственными ограничениями и т.п. Каждая выпуклая поверхность 82 выполнена по радиусу и заключает в себе дугу окружности. Каждая выпуклая поверхность 82 примыкает к верхней или нижней стороне 72, 74 кольца 70. Между выпуклыми поверхностями 82 образован промежуточный участок, такой как желобок 84 или вогнутая поверхность. За счет уменьшения общей или эффективной площади контакта кольца 70 с цилиндром уменьшено также и общее трение.

Согласно одному примеру, кольцо 70 обеспечивает уменьшение площади контакта с отверстием цилиндра приблизительно на 50% по сравнению со стандартным верхним компрессионным кольцом с одним выпуклым выступом, и тем самым обеспечивает снижение сил трения. Сила трения может быть снижена приблизительно на 50%, если исходить из нормального контактного давления. Такое снижение сил трения обеспечивает уменьшение расхода топлива двигателем приблизительно на 0,15%.

Кроме того, профиль наружной стороны 80 обеспечивает улучшенное уплотнение. К примеру, уплотнение может быть улучшенным для нижней мертвой точки и верхней мертвой точки при наклонном положении поршня во время его перекладки.

На фиг. 3 изображен вид в аксонометрии разрезного компрессионного кольца и показан разрез 90. Внутренняя сторона 78 расположена вдоль внутреннего диаметра кольца 70. Наружная сторона 80 расположена вдоль наружного диаметра кольца 70.

На фиг. 4 схематически изображено кольцо 70 и показаны размеры кольца в миллиметрах, в соответствии с одним примером. Профиль поперечного сечения кольца 70 включает внутреннюю сторону 78, верхнюю сторону 72, нижнюю сторону 74 и наружную сторону 80. Ширина кольца в направлении продольной оси 66 показана равной 1 мм. Ширина кольца в направлении радиальной оси 76 составляет 2,5 мм. Каждая из выпуклых поверхностей 82 имеет радиус кривизны 0,25 мм, и содержит дугу окружности. Касательная к точке на верхней выпуклой поверхности 92 совпадает с верхней стороной 72 так, что касательная наложена на верхнюю сторону 72. Касательная к точке на нижней выпуклой поверхности 94 совпадает с нижней стороной 74 так, что касательная наложена на нижнюю сторону 74. Радиусы верхней и нижней выпуклых поверхностей 92, 94 могут быть равны друг другу, как показано на фигуре.

Между двумя указанными выпуклыми поверхностями образован желобок или вогнутая поверхность 84. Данная вогнутая поверхность может иметь радиус кривизны равный 0,01 мм или 0,099 мм. На фиг. 4 показано, что радиус кривизны вогнутой поверхности 84 составляет 0,099 мм. Радиус кривизны вогнутой поверхности 84 меньше, чем радиус кривизны верхней выпуклой поверхности 92 и/или чем радиус кривизны нижней выпуклой поверхности 94.

Как видно из фиг. 4, наружная сторона 80 образует гладкую кривую или профиль 96. Согласно одному примеру верхняя выпуклая поверхность переходит в вогнутую поверхность, и нижняя выпуклая поверхность переходит в вогнутую поверхность для образования гладкого непрерывного профиля 96. Профиль 96 не содержит никаких разрывов, таких как скачки и т.п., и профиль 96 может также быть несегментированным. Профиль 96 является гладким, так что по меньшей мере первая производная функции профиля является непрерывной и/или гладкой. Вторая производная функции профиля 96 может также быть непрерывной и/или гладкой. Согласно некоторым примерам функция профиля 96 является непрерывно дифференцируемой. Кроме того, кривые 92, 94, 84 соприкасаются в точках соединения. В представленном примере кривые 92, 94 и 84 также имеют общие касательные или касательные направления в точках соединения указанных кривых. Например, у кривых 92 и 84 есть общая касательная в точке их соединения, как и у кривых 94 и 84.

Различным вариантам осуществления настоящего изобретения свойственны связанные с ними преимущества, при этом указанные варианты осуществления не несут ограничительного характера. Например, благодаря тому, что предусмотрено верхнее компрессионное кольцо с парой выпуклых поверхностей на наружной стороне кольца, эффективная площадь контакта со стенкой цилиндра двигателя уменьшена по сравнению с кольцом, содержащим одну выпуклую поверхность, и тем самым снижено трение и уменьшен расход топлива. Кроме того, такая боковая сторона кольца обеспечивает улучшенное уплотнение цилиндра в верхней и нижней мертвых точках, когда поршень может наклоняться во время его перекладки.

Хотя выше были рассмотрены примеры вариантов осуществления изобретения, не предполагается, что рассмотренные варианты осуществления описывают все возможные формы настоящего изобретения. Скорее, то, что изложено в описании изобретения, является именно описанием, а не ограничением, и следует понимать, что в границах идеи и объема изобретения в него могут быть внесены различные изменения. Кроме того, отличительные признаки различных вариантов осуществления могут быть использованы в сочетании, чтобы образовать дополнительные варианты осуществления изобретения.

1. Компрессионное кольцо для поршня двигателя, содержащее: верхнюю сторону и нижнюю сторону,

внутреннюю сторону, расположенную между верхней и нижней сторонами по внутреннему диаметру кольца, причем верхняя сторона, нижняя сторона и внутренняя сторона выполнены с возможностью взаимодействия с кольцевой канавкой поршня, и

наружную сторону, расположенную между верхней и нижней сторонами по наружному диаметру кольца для взаимодействия с отверстием цилиндра, причем наружная сторона образована гладкой непрерывной кривой, проходящей в осевом направлении кольца, при этом указанная кривая содержит первую и вторую выпуклые поверхности, соединенные вогнутой поверхностью;

причем первый радиус первой выпуклой поверхности равен второму радиусу второй выпуклой поверхности; и

причем вогнутая поверхность имеет третий радиус, меньший половины первого радиуса.

2. Компрессионное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что первая выпуклая поверхность переходит в вогнутую поверхность, и вторая выпуклая поверхность переходит в вогнутую поверхность для образования кривой.

3. Компрессионное кольцо по п. 2, отличающееся тем, что указанная гладкая непрерывная кривая образована функцией несегментированного профиля.

4. Компрессионное кольцо по п. 3, отличающееся тем, что по меньшей мере первая производная функции профиля непрерывна.

5. Компрессионное кольцо по п. 4, отличающееся тем, что по меньшей мере вторая производная функции профиля непрерывна.

6. Компрессионное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что каждая выпуклая поверхность - первая и вторая - содержит дугу окружности.

7. Компрессионное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что первая выпуклая поверхность имеет касательную, совпадающую с верхней стороной.

8. Компрессионное кольцо по п. 7, отличающееся тем, что вторая выпуклая поверхность имеет касательную, совпадающую с нижней стороной.

9. Компрессионное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что первая выпуклая поверхность и вогнутая поверхность имеют первое общее направление касательной в первой точке соединения между указанными поверхностями, и вторая выпуклая поверхность и вогнутая поверхность имеют второе общее направление касательной во второй точке соединения между указанными поверхностями.

10. Компрессионное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что первая выпуклая поверхность соединяется с верхней стороной по первой общей касательной; и

причем вторая выпуклая поверхность соединяется с нижней стороной по второй общей касательной.

11. Поршневой узел для двигателя, содержащий:

поршень, содержащий головку и боковую стенку, на которой образована кольцевая канавка, и

компрессионное кольцо, помещенное в указанную канавку и содержащее наружную сторону, образованную гладкой непрерывной кривой и содержащую первую и вторую выпуклые поверхности, соединенные вогнутой поверхностью, при этом каждая выпуклая поверхность имеет первый радиус кривизны, более чем в два раза превышающий второй радиус кривизны вогнутой поверхности.

12. Поршневой узел по п. 11, отличающийся тем, что кольцевая канавка расположена рядом с головкой поршня, так что указанное компрессионное кольцо представляет собой верхнее компрессионное кольцо.

13. Поршневой узел по п. 11, отличающийся тем, что первая и вторая выпуклые поверхности выполнены с возможностью контакта со стенкой цилиндра двигателя.

14. Поршневой узел по п. 11, отличающийся тем, что ширина компрессионного кольца в осевом направлении составляет приблизительно 1 мм, при этом первый радиус кривизны составляет приблизительно 0,25 мм.

15. Поршневой узел по п. 11, отличающийся тем, что функция осевого профиля наружной стороны является непрерывно дифференцируемой.

16. Поршневой узел по п. 11, отличающийся тем, что вдоль первой выпуклой поверхности наружная сторона соединяется с верхней стороной компрессионного кольца так, что касательная первой выпуклой поверхности совпадает с указанной верхней стороной; и

причем вдоль второй выпуклой поверхности наружная сторона соединяется с нижней стороной компрессионного кольца так, что касательная второй выпуклой поверхности совпадает с указанной нижней стороной.

17. Способ изготовления поршневого компрессионного кольца, содержащий формирование наружной стороны кольца с профилем в виде гладкой непрерывной кривой, проходящей в осевом направлении кольца, при этом указанная непрерывная кривая содержит первый выпуклый участок и второй выпуклый участок, соединенные вогнутым участком, причем каждый выпуклый участок образован первым радиусом кривизны, вогнутый участок образован вторым радиусом кривизны, меньшим половины первого радиуса кривизны.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что гладкая непрерывная кривая образована так, что первый выпуклый участок и вогнутый участок имеют первое общее направление касательной в первой точке соединения между ними, и второй выпуклый участок, и вогнутый участок имеют второе общее направление касательной во второй точке соединения между ними.

19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что формирование наружной стороны включает создание профиля наружной стороны, соответствующего гладкой несегментированной функции, проходящего в осевом направлении кольца, при этом указанная функция является непрерывно дифференцируемой.