BR112015003743B1

BR112015003743B1 - anel de pistão e sistema de pelo menos dois anéis de pistão

Info

Publication number: BR112015003743B1
Application number: BR112015003743-7A
Authority: BR
Inventors: Richard Mittler; Frank Nathem
Original assignee: Federal-Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2020-10-27
Also published as: DE102012220464A1; KR20150082205A; US20150292620A1; EP2917615A1; CN104781593B; EP2917615B1; JP6275151B2; JP2016502041A; BR112015003743A2; RU2613793C2; RU2015118748A; PT2917615T; WO2014072113A1; CN104781593A

Abstract

ANEL DE PISTÃO E SISTEMA DE PELO MENOS DOIS ANÉIS DE PISTÃO De acordo com a invenção, é fornecido um anel de pistão tendo uma face de operação externa, dois flancos e uma face circunferencial interna. A face de operação tem perfilagem. O perfil da face de operação é substancialmente convexamente curvo e tem um ápice. A posição axial do ápice varia periodicamente na direção circunferencial.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO

[1] A presente invenção se refere a um anel de pistão para motor de combustão interna, ou para um compressor, em particular um anel de pistão tendo uma linha de ápice que é organizada na face de operação correndo na direção circunferencial e varia periodicamente na direção axial.

[2] Os motores modernos de grande volume para navios ainda são motores diesel de dois tempos, uma vez que este tipo de motor pode ser projetado de tal forma que a velocidade do mesmo esteja tipicamente numa faixa de aproximadamente 50 rpm a 250 rpm (tipicamente menos de 100 rpm) e a potência do mesmo pode chegar até aproximadamente 100 MW, dependendo do número de cilindros. Tais motores de navio de grande volume, funcionamento lento de dois tempos, de preferência, agem diretamente no(s) eixo(s) de acionamento do(s) hélice(s), uma vez que uma engrenagem de redução para reduzir a velocidade de rotação pode ser omitida devido à velocidade dos referidos motores.

[3] Esses motores de grande volume de dois tempos tipicamente têm dois circuitos de óleo separados, um para lubrificação do motor e outro para lubrificação do cilindro. A lubrificação do cilindro assegura que bastante lubrificante seja fornecido em um ponto apropriado no tempo para garantir suficiente lubrificação das superfícies de cilindro e dos anéis de pistão.

[4] O lubrificante de cilindro é injetado através da camisa na câmara do pistão, dependendo da carga da máquina. Os anéis de pistão operam neste filme lubrificante, a superfície de suporte. Aqui é uma questão, entre outras, de injetar tão pouco lubrificante quanto possível a fim de economizar custos e evitar excesso de lubrificação. A lubrificação do cilindro ocorre, por exemplo, no terço superior do curso fornecendo lubrificante por meio de uma bomba de lubrificante através de entradas de lubrificante as quais são, por exemplo, fornecidas num plano na parede do cilindro para o cilindro, de modo que a lubrificação do pistão e do anel de pistão seja assegurada de uma maneira tão ideal quanto possível. O suprimento de óleo para os cilindros geralmente ocorre usando o método de contrapressão de gás.

[5] Por exemplo, pode ser usado um sistema de injeção de lubrificante que injeta lubrificante nos cilindros via bocais de uma maneira precisamente dosada. Um sistema controlado por computador registra a posição na qual um pistão está localizado e, em seguida, fornece lubrificante de forma orientada. Isto ocorre à alta pressão, de modo que o lubrificante seja muito finamente pulverizado a fim de obter a mais uniforme possível umectação da camisa do cilindro, mas dirigida para onde estão os anéis de pistão e onde a fricção na verdade ocorre.

[6] Se considerarmos que os motores de navio modernos, de grande volume, dois tempos são operados a uma velocidade de aproximadamente 50 rpm a 250 rpm com um curso de até 2500 mm, o espaço de tempo disponível para o fornecimento do lubrificante e a distribuição do lubrificante fornecido é curto e apresenta grandes desafios no sentido de assegurar a qualidade da lubrificação. Se assumirmos, por exemplo, que um cilindro tem um diâmetro (interno) de 900 mm e 8 entradas para o fornecimento de óleo são fornecidas distribuídas uniformemente ao redor da circunferência da parede do cilindro, o lubrificante fornecido deve ser distribuído na direção circunferencial através de um comprimento de aproximadamente 350 mm começando das respectivas entradas no espaço de tempo disponível.

[7] Há anéis de pistão conhecidos, por exemplo, da patente US 3851889, com os quais turbulência é gerada no fluxo de óleo por meio de um chanfro o qual é feito em um lado da face de operação do anel e ranhuras ou recessos que são fornecidos no mesmo e conduzem em torno da circunferência, como resultado do que o fluxo de óleo no sistema é guiado principalmente numa direção preferida do movimento do pistão (para baixo). O documento de patente DE 871 390 descreve anéis de pistão que são fornecidos com depressões tipo bolsão na face de operação ao redor da circunferência, as referidas depressões sendo destinadas a facilitar a passagem de óleo para o espaço interno entre faces deslizantes entre si.

[8] Verificou-se que com um projeto convencional dos um ou mais anéis de pistão nenhuma ou apenas uma distribuição muito baixa do lubrificante na direção circunferencial (máximo de 3% aproximadamente) é obtida, devido a gradientes de pressão insuficientes na direção circunferencial.

[9] A utilização da presente invenção se destina a todos os motores de combustão interna, incluindo aquelas não em navios.

[10] O objeto da presente invenção é fornecer um anel de pistão que assegure baixo consumo de óleo e blow-by inferior com condições de lubrificação suficientes e possa ser produzido de modo barato.

[11] Este objeto é atingido com um anel de pistão tendo as características da Reivindicação 1. Configurações preferidas formam o assunto das sub-Reivindicações.

[12] De acordo com a invenção, propõe-se um novo perfil de face de operação para um anel de pistão. A face de operação do anel de pistão tem um perfil curvo substancialmente convexo tendo um ponto de ápice ou articulação, a posição axial do qual na face de operação varia em relação à direção circunferencial.

[13] Uma face de operação do anel de pistão formada desta maneira faz com que pressões hidrodinâmicas acumulem ou surjam (em particular, variando com a posição axial do ápice) na direção circunferencial durante a operação. As referidas pressões hidrodinâmicas resultam em gradientes de pressão, levando a fluxos de lubrificante e uma distribuição circunferencial do lubrificante. A distribuição circunferencial efetuada hidrodinamicamente do lubrificante resulta em uma redução na quantidade necessária e uma distribuição mais uniforme, em relação à direção circunferencial, do lubrificante fornecido ou injetado na ranhura.

[14] Uma superfície de suporte de lubrificante que é uniforme em relação à circunferência é assim obtida como desejado a fim de assegurar condições de lubrificação suficientes, vedar tão uniformemente quanto possível de blow-by (ou para obter blow-by mais baixo possível), separar o lubrificante efetivamente na direção de trabalho do pistão e permitir sobreoperação.

[15] Um aspecto da presente invenção se situa em que o óleo é transportado na direção circunferencial, de modo que menos óleo seja consumido. Para este fim, o ápice é variado ou alterado constantemente através da altura axial na direção circunferencial, mas de preferência nenhum recesso ou furo ou ranhura está presente na face de operação, como é o caso na técnica anterior.

[16] Um sistema consistindo em pelo menos dois anéis de pistão é fornecido também de preferência. Dois dos anéis de pistão são, cada um, formados de acordo com a presente invenção. Os cursos das posições axiais periodicamente variáveis dos ápices dos dois anéis de pistão de acordo com a invenção são deslocados em fase por 180° na disposição do sistema.

[17] O anel de pistão de preferência é formado de tal forma que a variação na posição axial do ápice seja periódica na direção circunferencial e, de preferência, o número de períodos da posição axial periodicamente variável é inteiro.

[18] Também é preferido que o curso da posição axial do ápice (Bl) no anel de pistão seja substancialmente simétrico em relação um plano que é paralelo ou idêntico ao plano central do anel de pistão 1.

[19] Também é preferido que o curso da posição axial do ápice (Bl) no anel de pistão seja assimétrico em relação a um plano que é paralelo ou idêntico ao plano central do anel de pistão 1.

[20] Além disso, a posição axial do ápice (Bl) no anel de pistão de preferência tem uma variação total de aproximadamente 50% a 60% em relação à extensão axial do anel de pistão.

[21] Além disso, o número de períodos do curso da posição axial do ápice (Bl) no anel de pistão de preferência se encontra numa faixa entre 4 e 36 inclusive.

[22] Finalmente, no sistema consistindo em pelo menos dois anéis de pistão, os dois anéis de pistão são cada um, de preferência, um anel de pistão como indicado acima e os cursos das posições axiais periodicamente variáveis do ápice de pelo menos dois anéis de pistão são deslocados em fase por 180°.

[23] A invenção é explicada em mais detalhes abaixo utilizando as modalidades exemplificativas mostradas nos desenhos, nas quais as Figuras 1(a), 1(b), 1(c) - mostram uma primeira seção transversal (radial), uma segunda seção transversal (radial) e uma terceira seção transversal (radial) através de um anel de pistão de acordo com uma modalidade da presente invenção, cada uma em posições angulares diferentes; a Figura 2(a) - mostra uma vista plana de um detalhe da face de operação, operando na direção circunferencial, do anel de pistão de acordo com o anel de pistão de acordo com a invenção mostrada na Figura 1; a Figura 2(b) - mostra um curso da linha de ápice do perfil da face de operação de acordo com o detalhe da face de operação, operando na direção circunferencial, do anel de pistão mostrado na Figura 2(a); a Figura 3 - mostra uma vista em perspectiva de um detalhe de um anel de pistão de uma modalidade adicional de acordo com a invenção; e a Figura 4 - mostra a título de exemplo um curso funcionalmente descrito da linha de ápice do perfil da face de operação de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção.

[24] As Figuras 1(a) a 1(c) mostram seções transversais (radiais) que são espaçadas entre si na direção circunferencial através de um anel de pistão 1 de acordo com a invenção.

[25] O anel de pistão 1 de acordo com a invenção, que é mostrado na Figura 1 e de preferência age como um anel de compressão e controle de óleo ao mesmo tempo, tem um lado perfilado externo que se volta para longe da câmara de combustão, isto é, uma face de operação perfilada 3 do anel de pistão 1, um flanco 5 que se volta para a câmara de combustão 31, um flanco 6 que se volta para a câmara de óleo 32 e uma face circunferencial interna 7.

[26] Deve-se notar que, embora a descrição acima e abaixo se refira ao uso do anel de pistão 1 de acordo com a invenção para um pistão em um motor de combustão interna, em particular em um motor de combustão interna de dois tempos, é imediatamente claro para uma pessoa versada na técnica que um anel de pistão de acordo com uma modalidade de acordo com a invenção também pode ser utilizado em compressores.

[27] A face de operaçao 3 tem um perfil que é substancialmente convexamente curvado e tem um ápice Bl e forma uma linha de ápice 11 correndo ao longo da circunferência externa.

[28] Na região da linha de ápice circunferencial 11, o anel de pistão 1 veda em relação a uma face de contraoperação 30, tal como uma camisa de cilindro para evitar blow-by da câmara de combustão 31.0 movimento do pistão faz com que um filme de óleo hidrodinâmico se forme entre o anel de pistão 1 e a face de contraoperação 30, o referido filme de óleo se formando entre o anel de pistão 1 e a face de contraoperação 30 devido ao movimento do pistão e assegurando lubrificação suficiente entre as referidas peças. Nas vistas em seção transversal, a linha de ápice 11 correndo na direção circunferencial é mostrada como ápices B1.

[29] Como já pode ser visto nas Figuras 1(a) a 1(c), o ápice Bl do perfil da face de operação 3 varia com a posição da seção transversal em relação à circunferência na direção axial do anel de pistão 1. Na Figura 2(b), uma posição central do ápice Bl é mostrada esquematicamente, enquanto as Figuras 2(a) e (c) mostram esquematicamente posições de variação máxima do ápice Bl nas duas direções axiais em relação à posição central.

[30] O centróide da seção transversal do anel de pistão 1 se encontra de preferência em um plano entre as duas posições axiais mais externas do ápice Bl. Isto assegura que o anel de pistão 1 no estado estático apóia contra a face de contraoperação 30 ao longo de todo o curso da linha de ápice lie pode ser minimamente espaçado além da referida face de contraoperação por um filme de óleo fino (não mostrado) situado entre os mesmos.

[31] A Figura 2(a) mostra uma vista plana de um detalhe da face de operação 3, correndo na direção circunferencial, do anel de pistão 1 de acordo com a invenção. O curso do ápice Bl que varia periodicamente na direção axial pode ser visto na Figura 2(a). O curso mostrado aqui a título de exemplo é simétrico a um plano central do anel de pistão 1. Isto é, a posição axial do ápice Bl varia com uma amplitude máxima em relação ao plano central do anel de pistão 1.

[32] Deve ser observado que a simetria mostrada é meramente uma modalidade preferida da presente invenção e não significa que a invenção é limitada à mesma. Por exemplo, o curso da posição axial do ápice Bl também pode ser simétrico em relação um plano que é paralelo a e está a uma distância do plano central do anel de pistão 1. Além disso, o curso da posição axial do ápice Bl pode igualmente ser assimétrico, isto é, tal que as amplitudes do curso da posição axial do ápice Bl sejam diferentes nas duas direções axiais opostas a partir do plano central do anel de pistão 1.

[33] Na Figura 2(a), as posições das seções A, B, C e D também são mostradas. A vista em seção transversal mostrada na Figura 1(a) é obtida com uma seção na posição A ou D, enquanto a vista em seção transversal mostrada na Figura 1(b) é obtida com uma seção na posição B e a vista em seção transversal mostrada na Figura 1(c) é obtida com uma seção na posição C.

[34] A Figura 2(b) mostra uma vista do plano do anel de pistão 1. As posições circunferenciais e as posições seccionais A, B, C e D mostradas na Figura 2(a) são mostradas no plano do anel de pistão. A posição axial do ápice Bl varia periodicamente ao longo da circunferência externa do anel de pistão 1. Figura 2(b) mostra uma periodicidade de 6 a título de exemplo. Isto significa que o ângulo de período em relação à circunferência do anel de pistão é cp = 60° na modalidade exemplificativa mostrada. Os períodos das variações na posição axial do ápice B1 de preferência se situam em uma faixa de 4 (cp = 90°) a 36 (cp = 10°) inclusive. Os períodos são de preferência inteiros e, em particular, iguais em números.

[35] Note-se que o número de períodos pode ser combinado com o número de entradas ou bocais através dos quais o lubrificante é pressionado ou injetado no cilindro, por exemplo, usando o método de contrapressão de gás. Por exemplo, o número de períodos pode ser igual ao número de entradas ou bocais ou ainda ser um inteiro múltiplo do mesmo.

[36] A posição axial do ápice Bl, de preferência, tem uma largura de variação total (isto é, o dobro da amplitude no caso de um curso simétrico da posição axial) de aproximadamente 50% a 60% em relação à extensão axial do anel de pistão 1. A posição axial do ápice B1 varia de preferência dentro de uma faixa de aproximadamente 25% a 75% em relação á extensão axial do anel de pistão 1.

[37] Uma modalidade exemplificativa adicional de acordo com a invenção do anel de pistão 1 é mostrada na vista em perspectiva na Figura 3. Como pode ser visto na Figura 3, dois anéis de pistão de acordo com a invenção podem ser usados como um sistema. Neste caso, os anéis de pistão de preferência são formados de tal forma que os cursos das posições axiais dos respectivos ápices sejam deslocados em fase por 180°.

[38] O curso da posição axial do ápice Bl é preferivelmente constante e de preferência ainda pode ser descrito por uma função periódica constante. Em particular, o curso da posição axial do ápice Bl pode ser descrito por uma função periódica diferenciável. Isto significa que, por exemplo, o curso da posição axial do

[39] Ápice Bl pode ser expresso, por exemplo, em função do ângulo circunferencial cp e o número de períodos k: Paxial =AMOX COS(k'(p)

[40] A função exemplificativa acima é mostrada para melhor compreensão na Figura 4.

[41] O anel de pistão proposto no presente pedido é em particular para pistões em um sistema tendo um diâmetro de mais de 400 mm.

[42] Um anel de pistão formado de acordo com a presente invenção, de preferência, pode ser usado em uma ranhura de anel de pistão em pistões para motores de combustão interna, tal como motores de combustão interna de grande volume, dois tempos ou compressores. Verificou-se que tanto o consumo de óleo quanto blow-by podem ser grandemente reduzidos em comparação com configurações conhecidas. Portanto, deve-se notar que, com um anel de pistão de acordo com a invenção, um anel de pistão para pistões de um motor de combustão interna ou compressor é criado tanto em termos de projeto quanto de produção que atinge excelentes resultados com respeito a blow-by e consumo de óleo, embora assegurando condições de lubrificação suficientes.

[43] O conceito básico da presente invenção se encontra em transportar o óleo na direção circunferencial a fim de reduzir o consumo de óleo. Este objeto é atingido em que o ponto de articulação ou ápice muda ao longo da altura axial na direção circunferencial, mas nenhum recesso ou furo ou ranhura está presente na face de operação, como na técnica anterior. A face de operação permanece virtualmente inalterada, com a exceção do ápice. Se o anel de pistão for visto de lado, pode ser visto um perfil visível de uma serpentina ou linha senoidal. Lista de símbolos de referência 1: um anel de pistão 3: uma face de operação do anel de pistão (o lado externo voltado para longe da câmara de combustão) e uma face circunferencial externa 5: um flanco voltado para a câmara de combustão 6: um flanco voltado para a câmara de óleo 7: uma face circunferencial interna 10: um perfil de face de operação curvado convexamente 11: uma linha de ápice 81: um ápice da linha de ápice 82: uma face de contraoperação, por exemplo, camisa do cilindro 83: uma câmara de combustão 84: uma câmara de óleo

Claims

1 - Anel de Pistão, tendo uma face de operação externa (3), dois flancos (5, 6) e uma face circunferencial interna (7), a face de operação (3) tendo perfilagem, o perfil da face de operação (3) sendo convexamente curvo e tendo um ápice (Bl), caracterizado por que a posição axial do ápice (Bl) varia na direção circunferencial.

2 - Anel de Pistão, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por que a variação na posição axial do ápice é periódica e de preferência o número de períodos da posição axial periodicamente variada é inteiro.

3 - Anel de Pistão, de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado por que o curso da posição axial do ápice (Bl) é simétrico em relação a um plano que é paralelo ou idêntico ao plano central do anel de pistão (1).

4 - Anel de Pistão, de acordo com a Reivindicação 1 ou 2, caracterizado por que o curso da posição axial do ápice (Bl) é assimétrico em relação a um plano que é paralelo ao plano central do anel de pistão (1) ou idêntico a ele.

5 - Anel de Pistão, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 3, caracterizado por que a posição axial do ápice (Bl) tem uma variação total de 50% a 60% em relação à extensão axial do anel de pistão (1).

6 - Anel de Pistão, de acordo com qualquer uma das Reivindicações de 1 a 4, caracterizado por que o número de períodos do curso da posição axial do ápice (Bl) se encontra numa faixa entre 4 e 36 inclusive.

7 - Sistema de Pelo Menos Dois Anéis de Pistão, caracterizado por que dois dos anéis de pistão são cada qual um anel de pistão de qualquer uma das Reivindicações de 1 a 5, e os cursos das posições axiais periodicamente variadas dos ápices de pelo menos dois anéis de pistão são deslocados em fase por 180°.