RU2307256C2

RU2307256C2 - Piston ring for internal combustion engine

Info

Publication number: RU2307256C2
Application number: RU2005131813/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Данилов (RU); Юрий Степанович Данилов; Дмитрий Анатольевич Никитин (RU); Дмитрий Анатольевич Никитин; Александр Владимирович Хохлов (RU); Александр Владимирович Хохлов; Алексей Викторович Перевалов (RU); Алексей Викторович Перевалов; Максим Сергеевич Швецов (RU); Максим Сергеевич Швецов; Денис Евгеньевич Постников (RU); Денис Евгеньевич Постников
Original assignee: ФГОУ ВПО "Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова"
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-09-27
Also published as: RU2005131813A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: proposed piston ring fitted in piston groove and driven into cylinder liner contains main ring with rectangular section ring groove made on its working surface forming upper and lower beads with end face surfaces of main ring, and antifriction insert fitted in ring groove and fixed from fall in slots made on inner cylindrical surface of main ring at both sides from lock. Antifriction insert is fitted in ring groove to form space between inner surface of insert and bottom of groove. Slots are made in upper bead of main ring. End face clearance is formed between upper end face surface of main ring and wall of piston groove, and behind-the-ring space is formed between inner cylindrical surface of main ring and bottom of piston groove.

EFFECT: improved efficiency of sealing unit owing to higher adaptability of ring to geometry of cylinder liner, increased service life of ring owing to reduced wear of ring and cylinder liner.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в качестве компрессионного поршневого кольца в двигателях внутреннего сгорания.The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used as a compression piston ring in internal combustion engines.

Известно компрессионное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания (см. авт. свид. №580393, кл. F16J 9/20), имеющее С-образный профиль с полками меньшей и большей радиальной ширины и криволинейную рабочую поверхность, отличающееся тем, что, с целью повышения уплотняющей способности, рабочая поверхность выполнена в виде сопряженных поверхностей первого конуса, примыкающего к полке с меньшей радиальной шириной, цилиндра и второго конуса, примыкающего к полке с большей радиальной шириной, высоты которых относятся соответственно как 0,7:0,2:0,1. Такое профилирование рабочей поверхности обеспечивает более высокую герметичность уплотнения за счет наличия цилиндрической зоны и эффект скручивания вследствие различной радиальной ширины полок и наличия конических участков, примыкающих к торцевым поверхностям кольца.A compression piston ring is known for an internal combustion engine (see auth. Certificate. No. 580393, class F16J 9/20) having a C-shaped profile with shelves of smaller and larger radial widths and a curved working surface, characterized in that, for the purpose of increase the sealing ability, the working surface is made in the form of mating surfaces of the first cone adjacent to the shelf with a smaller radial width, the cylinder and the second cone adjacent to the shelf with a larger radial width, the heights of which are respectively 0.7: 0.2: 0, one . Such a profiling of the working surface provides a higher tightness of the seal due to the presence of a cylindrical zone and the twisting effect due to the different radial width of the shelves and the presence of conical sections adjacent to the end surfaces of the ring.

К недостаткам такого кольца следует отнести сложный профиль канавки в поршне, а также возможность появления остаточных деформаций при одевании кольца на поршень вследствие большой радиальной ширины кольца.The disadvantages of such a ring include a complex profile of the groove in the piston, as well as the possibility of residual deformations when dressing the ring on the piston due to the large radial width of the ring.

Прототипом предлагаемого устройства является составное поршневое кольцо для двигателей внутреннего сгорания (см. Энглиш К. Поршневые кольца. - М.: Машгиз. 1962, т.1, с.442, рис.330), состоящее из основного кольца, на рабочей цилиндрической поверхности которого выполнена кольцевая канавка, образующая с нижним и верхним торцами кольца бурты, и вставки из антифрикционного материала, установленной неподвижно в кольцевую канавку на рабочей поверхности основного кольца. Рабочая поверхность антифрикционной вставки выступает за рабочую цилиндрическую поверхность буртов основного кольца на величину около 0,05-0,1 мм, осевая высота вставки равна 0,25-0,35 высоты кольца, сечение вставки - прямоугольное с соотношением сторон 1:1,8-1:1,2. Для лучшего фиксирования вставки канавки иногда выполняются с расширением у дна, в виде ласточкиного хвоста. При использовании колец такой конструкции рабочая поверхность гильзы цилиндра покрывается во время приработки тонким прочно удерживающимся слоем меди, что способствует образованию исключительно гладкой зеркальной поверхности, а рабочая поверхность вставки, выступающая за рабочую поверхность основного кольца, обеспечивает уплотнение камеры сгорания.The prototype of the proposed device is a composite piston ring for internal combustion engines (see English K. Piston rings. - M .: Mashgiz. 1962, v.1, p.442, Fig. 330), consisting of the main ring, on the working cylindrical surface which made an annular groove, forming with the lower and upper ends of the collar ring, and inserts of antifriction material mounted motionlessly in the annular groove on the working surface of the main ring. The working surface of the antifriction insert protrudes beyond the working cylindrical surface of the collars of the main ring by about 0.05-0.1 mm, the axial height of the insert is 0.25-0.35 of the ring height, the insert cross section is rectangular with a aspect ratio of 1: 1.8 -1: 1.2. For better fixation, the insertion of the grooves is sometimes performed with the expansion at the bottom, in the form of a dovetail. When using rings of this design, the working surface of the cylinder liner is coated during running-in with a thin, strongly retaining layer of copper, which contributes to the formation of an extremely smooth mirror surface, and the working surface of the insert protruding beyond the working surface of the main ring provides sealing of the combustion chamber.

К недостаткам прототипа следует отнести сложность профилирования канавки и сборки составного кольца без нарушения формы кольца, недостаточную долговечность из-за расшатывания и выпадения антифрикционных вставок из основного кольца в процессе эксплуатации, а также недостаточную приспособляемость кольца к геометрии цилиндра, имеющего отклонения от правильной геометрической формы.The disadvantages of the prototype include the complexity of profiling the grooves and assemblies of the composite rings without disturbing the shape of the ring, insufficient durability due to loosening and loss of antifriction inserts from the main ring during operation, as well as insufficient adaptability of the ring to the geometry of the cylinder that deviates from the correct geometric shape.

Технической задачей изобретения является повышение приспособляемости и долговечности составного поршневого кольца за счет применения подвижной антифрикционной вставки малой жесткости.An object of the invention is to increase the adaptability and durability of a composite piston ring due to the use of a movable anti-friction insert of low stiffness.

Решение задачи достигается в поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания, содержащем основное кольцо с выполненной на его рабочей поверхности кольцевой канавкой прямоугольного сечения, образующей с торцами кольца бурты, и вставку из антифрикционного материала, установленную в кольцевой канавке на рабочей поверхности основного кольца, где согласно изобретению антифрикционная вставка выполнена с толщиной, равной 0,08-0,12 радиальной толщины основного кольца, и зафиксирована от выпадения в пазах, выполненных на внутренней цилиндрической поверхности основного кольца по обе стороны от замка, вставка установлена в кольцевую канавку свободно, образуя между дном канавки и внутренней поверхностью вставки полость, которая сообщена с камерой сгорания посредством выполненных в верхнем бурте кольца равномерно по его периметру и симметрично относительно замка прорезей длиной 5-10 мм и глубиной, равной глубине кольцевой канавки, причем рабочая поверхность антифрикционной вставки расположена на одном уровне с рабочей поверхностью буртов основного кольца.The solution to the problem is achieved in a piston ring for an internal combustion engine containing a main ring with an annular groove of rectangular cross section formed on its working surface, forming collars with the ends of the collar, and an antifriction material insert installed in the annular groove on the working surface of the main ring, where according to the invention the anti-friction insert is made with a thickness equal to 0.08-0.12 of the radial thickness of the main ring, and is fixed from falling out in the grooves made on the inner cylinder the surface of the main ring on both sides of the lock, the insert is installed in the annular groove freely, forming a cavity between the bottom of the groove and the inner surface of the insert, which communicates with the combustion chamber by means of rings made in the upper collar uniformly around its perimeter and symmetrically with respect to the lock 10 mm and a depth equal to the depth of the annular groove, and the working surface of the antifriction insert is located at the same level as the working surface of the collars of the main ring.

Кроме того, решение задачи достигается тем, что кольцевая канавка выполнена с глубиной, равной 0,15-0,22 радиальной толщины основного кольца, и высотой, равной 0,85-0,87 общей осевой высоты основного кольца.In addition, the problem is achieved by the fact that the annular groove is made with a depth equal to 0.15-0.22 of the radial thickness of the main ring, and a height equal to 0.85-0.87 of the total axial height of the main ring.

В отличие от прототипа в предлагаемом поршневом кольце толщина антифрикционной вставки меньше глубины канавки, а рабочая поверхность вставки расположена на одном уровне с рабочей поверхностью буртов, следовательно, между внутренней поверхностью вставки и дном канавки образуется полость, в которую через прорези в верхнем бурте основного кольца проникают газы из камеры сгорания. Длина каждой из прорезей составляет 5-10 мм в зависимости от наружного диаметра кольца (чем больше диаметр - тем больше длина прорези), количество прорезей четное, но не более восьми. При большем количестве прорезей, а также при большей их длине может снизиться жесткость основного кольца, что нежелательно. Для равномерного распределения газов, поступающих из камеры сгорания, прорези должны быть расположены равномерно по периметру кольца и симметрично относительно замка, причем прорези не должны быть совмещены с замком и противолежащим ему участком - спинкой кольца для сохранения жесткости основного кольца в указанных сечениях.Unlike the prototype, in the proposed piston ring the thickness of the antifriction insert is less than the depth of the groove, and the working surface of the insert is located at the same level as the working surface of the collars, therefore, a cavity is formed between the inner surface of the insert and the bottom of the groove, into which they penetrate through the slots in the upper collar of the main ring gases from the combustion chamber. The length of each of the slots is 5-10 mm, depending on the outer diameter of the ring (the larger the diameter, the greater the length of the slot), the number of slots is even, but not more than eight. With more slots, as well as with a larger length, the stiffness of the main ring may decrease, which is undesirable. For a uniform distribution of gases coming from the combustion chamber, the slots should be located evenly around the perimeter of the ring and symmetrically with respect to the lock, and the slots should not be aligned with the lock and the opposite section of the ring - the back of the ring to maintain the stiffness of the main ring in these sections.

Размеры кольцевой канавки на рабочей поверхности основного кольца выбраны исходя из следующих условий. Во-первых, размеры канавки должны обеспечивать образование необходимого пространства между вставкой и дном канавки для воздействия газов на подвижную антифрикционную вставку с целью ее прилегания к гильзе цилиндра. Во-вторых, размеры канавки должны быть такими, чтобы не была значительно снижена механическая прочность основного кольца. Исходя из этих условий, были выбраны оптимальные размеры кольцевой канавки: осевая высота канавки равна 0,85-0,87 общей осевой высоты основного кольца, глубина канавки равна 0,15-0,22 радиальной толщины основного кольца.The dimensions of the annular groove on the working surface of the main ring are selected based on the following conditions. Firstly, the dimensions of the groove must provide the necessary space between the insert and the bottom of the groove for the gas to act on the movable anti-friction insert in order to adhere to the cylinder liner. Secondly, the dimensions of the groove should be such that the mechanical strength of the main ring is not significantly reduced. Based on these conditions, the optimal dimensions of the annular groove were selected: the axial height of the groove is 0.85-0.87 of the total axial height of the main ring, the depth of the groove is 0.15-0.22 of the radial thickness of the main ring.

Такая конструкция составного кольца обеспечивает проникновение газов из камеры сгорания через прорези в верхнем бурте основного кольца в полость, образованную дном канавки на рабочей поверхности основного кольца и внутренней поверхностью вставки. Попавшие в эту полость газы прижимают вставку к стенке гильзы цилиндров, обеспечивая уплотнение и повышенную приспособляемость кольца вследствие ее малой жесткости. Одновременно газы воздействуют на дно канавки в основном кольце, тем самым частично разгружая его от действия газов в заколечном пространстве и уменьшая силу прижатия основного кольца к стенке гильзы цилиндра.This design of the composite ring ensures the penetration of gases from the combustion chamber through the slots in the upper collar of the main ring into the cavity formed by the bottom of the groove on the working surface of the main ring and the inner surface of the insert. Gases trapped in this cavity press the insert against the cylinder liner wall, providing a seal and increased flexibility of the ring due to its low rigidity. At the same time, the gases act on the bottom of the groove in the main ring, thereby partially unloading it from the action of gases in the annular space and reducing the force of pressing the main ring against the cylinder liner wall.

Оригинальность предложенного решения заключается в том, что уплотнение камеры сгорания и повышенная приспособляемость кольца к геометрии цилиндра обеспечиваются за счет воздействия газов из камеры сгорания на вставку малой жесткости.The originality of the proposed solution lies in the fact that the sealing of the combustion chamber and the increased adaptability of the ring to the geometry of the cylinder are ensured by the action of gases from the combustion chamber on the low rigidity insert.

Предложенное решение отличается от прототипа тем, что антифрикционная вставка имеет малую радиальную толщину и, следовательно, обладает малой жесткостью. Вставка зафиксирована от выпадения и установлена в канавке свободно таким образом, что между вставкой и дном канавки образована полость, которая сообщается с камерой сгорания посредством прорезей, выполненных в верхнем бурте основного кольца, а рабочая поверхность вставки расположена на одном уровне с рабочей поверхностью буртов.The proposed solution differs from the prototype in that the antifriction insert has a small radial thickness and, therefore, has low rigidity. The insert is fixed from falling out and installed in the groove freely so that between the insert and the bottom of the groove a cavity is formed that communicates with the combustion chamber through slots made in the upper collar of the main ring, and the working surface of the insert is located at the same level with the working surface of the collars.

На фиг.1 показан общий вид поршневого кольца; на фиг.2 - разрез кольца в плоскости, проходящей через прорезь в верхнем бурте кольца; на фиг.3 - замок кольца.Figure 1 shows a General view of the piston ring; figure 2 is a section of a ring in a plane passing through a slot in the upper collar of the ring; figure 3 - ring lock.

Составное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, установленное в канавку поршня 1 и заведенное в гильзу цилиндра 2 (фиг.2), содержит основное кольцо 3 (фиг.1) с выполненной на его рабочей поверхности кольцевой канавкой прямоугольного сечения высотой, равной 0,85-0,87 общей осевой высоты основного кольца, и глубиной, равной 0,15-0,22 радиальной ширины основного кольца, которая образует с торцевыми поверхностями основного кольца 3 верхний 4 и нижний 5 бурты, и антифрикционную вставку 6 толщиной, равной 0,08-0,12 радиальной толщины основного кольца, установленную в кольцевой канавке на рабочей поверхности основного кольца таким образом, что наружная рабочая поверхность вставки расположена на одном уровне с рабочей поверхностью буртов 4 и 5. Антифрикционная вставка 6 установлена в канавке свободно и зафиксирована от выпадения в пазах 7, выполненных на внутренней цилиндрической поверхности основного кольца по обе стороны от замка (фиг.3). Так как толщина вставки меньше глубины канавки, в которой она установлена, то между внутренней поверхностью вставки и дном канавки образована полость 8 (фиг.2), которая сообщается с камерой сгорания двигателя посредством выполненных в верхнем бурте 4 основного кольца равномерно по его периметру и симметрично относительно замка прорезей 9 длиной 5-10 мм и глубиной, равной глубине канавки на рабочей поверхности основного кольца (фиг.1). Между верхней торцевой поверхностью основного кольца и стенкой канавки поршня образован торцевой зазор 10, а между внутренней цилиндрической поверхностью основного кольца и дном канавки поршня образовано заколечное пространство 11.A composite piston ring for an internal combustion engine installed in a piston groove 1 and inserted into a cylinder liner 2 (FIG. 2), comprises a main ring 3 (FIG. 1) with an annular groove of rectangular cross section made on its working surface with a height equal to 0.85 -0.87 of the total axial height of the main ring, and a depth equal to 0.15-0.22 of the radial width of the main ring, which forms the upper 4 and lower 5 collars with the end surfaces of the main ring 3, and the anti-friction insert 6 with a thickness of 0, 08-0.12 radial thickness of the main stake A ring is installed in the annular groove on the working surface of the main ring so that the outer working surface of the insert is flush with the working surface of the collars 4 and 5. The anti-friction insert 6 is installed in the groove and is free from falling out in grooves 7 made on the inner cylindrical the surface of the main ring on both sides of the lock (figure 3). Since the thickness of the insert is less than the depth of the groove in which it is installed, a cavity 8 (Fig. 2) is formed between the inner surface of the insert and the bottom of the groove, which communicates with the engine combustion chamber through the main ring made in the upper collar 4 uniformly around its perimeter and symmetrically relative to the lock of the slots 9 with a length of 5-10 mm and a depth equal to the depth of the groove on the working surface of the main ring (figure 1). An end gap 10 is formed between the upper end surface of the main ring and the wall of the piston groove, and an annular space 11 is formed between the inner cylindrical surface of the main ring and the bottom of the piston groove.

Поршневое кольцо работает следующим образом. При рабочем ходе поршня газы из камеры сгорания (не показана) попадают через прорези 9, выполненные в верхнем бурте 4 основного кольца, в полость 8, образованную внутренней поверхностью вставки, дном и стенками канавки на рабочей поверхности основного кольца (фиг.2), а через торцевой зазор 10 - в заколечное пространство 11. Газы, попавшие в полость 8, воздействуют на внутреннюю поверхность антифрикционной вставки 6. При этом вставка под действием газов прижимается к стенке гильзы цилиндра 2, что обеспечивает надежное уплотнение камеры сгорания, а также повышенную приспособляемость кольца к геометрии цилиндра вследствие малой жесткости вставки 6. Так как вставка выполнена из антифрикционного материала (например, из бронзы), то рабочая поверхность гильзы цилиндра покрывается во время приработки тонким прочно удерживающимся слоем меди, что способствует образованию исключительно гладкой зеркальной поверхности и улучшению условий работы сопряжения кольца и стенки гильзы цилиндра. Одновременно с этим газы в полости 8 оказывают давление и на дно канавки на рабочей поверхности основного кольца, в результате чего основное кольцо 3 частично разгружается от действия газов в заколечном пространстве 11, что ведет к снижению силы давления основного кольца на стенку гильзы 2. Газы в полости 8 воздействуют также и на стенку канавки на рабочей поверхности основного кольца, сопряженную с нижним буртом 5 основного кольца 3, дополнительно прижимая нижний торец основного кольца к стенке канавки поршня, что повышает герметичность уплотнения.The piston ring works as follows. During the stroke of the piston, gases from the combustion chamber (not shown) enter through the slots 9 made in the upper collar 4 of the main ring into the cavity 8 formed by the inner surface of the insert, the bottom and walls of the groove on the working surface of the main ring (Fig. 2), and through the end gap 10 into the annular space 11. The gases entering the cavity 8 act on the inner surface of the anti-friction insert 6. In this case, the insert is pressed against the cylinder liner wall 2 by the action of gases, which ensures reliable sealing of the combustion chamber, and Also, the increased adaptability of the ring to the geometry of the cylinder due to the low rigidity of the insert 6. Since the insert is made of antifriction material (for example, bronze), the working surface of the cylinder liner is coated during running in with a thin, firmly retained layer of copper, which contributes to the formation of an extremely smooth mirror surface and improving the working conditions of the pairing of the ring and the cylinder liner wall. At the same time, the gases in the cavity 8 exert pressure on the bottom of the grooves on the working surface of the main ring, as a result of which the main ring 3 is partially unloaded from the action of gases in the annular space 11, which leads to a decrease in the pressure force of the main ring on the wall of the sleeve 2. Gases in cavities 8 also act on the groove wall on the working surface of the main ring, conjugated with the lower shoulder 5 of the main ring 3, additionally pressing the lower end of the main ring against the wall of the piston groove, which increases the tightness of the seal tneniya.

Таким образом, за счет прилегания вставки под действием газов к стенкам гильзы обеспечивается уплотнение камеры сгорания и повышенная приспособляемость кольца к геометрии гильзы цилиндра, а за счет частичного разгружения основного кольца обеспечивается снижение интенсивности изнашивания гильзы цилиндра и основного кольца по рабочей цилиндрической поверхности, что ведет к повышению долговечности составного поршневого кольца.Thus, due to the fit of the insert under the action of gases to the walls of the liner, the combustion chamber is sealed and the ring is more adaptable to the geometry of the cylinder liner, and due to the partial unloading of the main ring, the wear rate of the cylinder liner and the main ring decreases along the working cylindrical surface, which leads to increase the durability of the composite piston ring.

Claims

1. A piston ring for an internal combustion engine, comprising a main ring with an annular groove of rectangular cross section formed on its working surface, forming collars with the ends of the collar, and an antifriction material insert installed in the annular groove on the working surface of the main ring, characterized in that it is antifriction the insert is made with a thickness equal to 0.08-0.12 of the radial thickness of the main ring, and is fixed from falling out in grooves made on the inner cylindrical surface of the main face on both sides of the lock, the insert is installed in the annular groove freely, forming a cavity between the bottom of the groove and the inner surface of the insert, which is in communication with the combustion chamber by means of rings made in the upper collar uniformly around its perimeter and symmetrically with respect to the lock with slots 5-10 mm long and the depth equal to the depth of the annular groove, and the working surface of the antifriction insert is located on the same level with the working surface of the collars of the main ring.

2. The piston ring according to claim 1, characterized in that the annular groove on the working surface of the main ring is made with a depth of 0.15-0.22 of the radial thickness of the main ring and a height of 0.85-0.87 of the total axial heights of the main ring.