CN102292535B - 密封套筒 - Google Patents

Abstract

一种密封套筒，该密封套筒用于在内燃机的活塞和气缸壁之间提供密封，所述密封套筒在活塞运动方向具有至少三倍于该密封套筒在气缸径向的宽度的高度，该密封套筒在其接触气缸壁的外表面上具有加压的环形切除部。

Description

密封套筒

具有在气缸中工作的往复式活塞的内燃机中，活塞和气缸壁之间具有良好的密封是必要的。这种密封通常由所谓的安置在活塞圆周上槽中的活塞环来实现。气缸内部的气压促使活塞环与活塞槽的一侧和气缸壁接触。活塞环和气缸壁之间的间隙以及活塞环和活塞槽侧边之间的间隙都因此将会变小。活塞环作为密封件并减少气体泄露。

气缸内部的气压可以相当高，特别是在用由压缩机或者涡轮增压器而实现增加的进气压力来操作的发动机中更是如此。这种高气压导致活塞环和活塞之间以及活塞环和气缸壁之间相应地具有高接触压力。活塞环和气缸壁之间的高接触压力表明了自身阻碍活塞在气缸中运动的摩擦力。这种摩擦力可以是较大的，即使使用润滑油来减少摩擦力，该摩擦力仍降低发动机的能量效率。所述摩擦力还导致局部产生热量，该热量可以损害润滑剂，导致磨损，严重地限制检修之间的操作时间以及缩短发动机的总体预期寿命。由于摩擦力取决于接触力并因而取决于气缸气压和几何尺寸，这种局部热效果问题在大型发动机中更为明显。

根据本发明，可以减少活塞密封件和气缸壁之间的摩擦力。这可以提高发动机的能量效率，减少磨损，增加检修之间的时间并延长发动机的预期寿命。本发明的中心是实现了活塞密封件和气缸壁之间的密封取决于活塞密封件和气缸壁之间的接触压力，同时摩擦力取决于接触力。即使活塞密封件和气缸壁之间的接触压力保持不变，活塞密封件和气缸壁之间的接触面积的减少也会降低摩擦力。

图1中表示了一种传统的活塞环并描述了一些相关的几何尺寸。在这个代表通过气缸和活塞的中间截面的附图中，1表示活塞，2表示气缸壁，3表示活塞环，4表示活塞环和活塞槽之间的密封区，5表示活塞环和气缸壁之间的密封区。

在一个理想化和简化的分析中，假定非变形体并且其中通过活塞环的气压差为P，以下可以看到(图1所描述的测量)：

a)活塞环和活塞槽之间(区域4)固体和固体的接触压力等于：

P.(w-(w-c)/2)/(w-c)＞P/2

这提供良好的接触和良好的密封。

b)活塞环和气缸壁之间(区域5)的固体和固体的接触压力等于：

P/2

这也提供良好的密封。

c)活塞环和气缸壁之间的摩擦力：

P.h.l.u/2(其中，u表示摩擦系数，l表示气缸壁的圆周长度)

假定密封槽中气油混合物的压力从一端到另一端为线性变化。由于活塞环弹性的力被忽略。

从c可以明显的看到，摩擦力和活塞环每圆周长度的摩擦力取决于活塞环的高度h。高度h越小，摩擦力将越小。包括例如往复式活塞环的弹性和变形的更复杂的模型并不会否定该结论。

对传统的活塞环来说，高度h由活塞环抵抗由于压力和摩擦力而产生变形的需要来决定。活塞本身和气缸壁之间的间隙(图1中的c)与气缸腔的尺寸常成比例地增加。为了抵抗过多的变形，传统的活塞环制作得很大以适合于大的气缸腔，即使压力P并没有增加。传统上，环的高度h通常制造为与气缸腔的直径成正比。

在大型船舶的发动机中，摩擦热对润滑系统和润滑油的质量提出了较高的要求。这种发动机的一个常见故障模式是所谓的“磨损(scuffing)”，即活塞环和气缸壁之间的润滑将失效。这将会对发动机造成严重的损坏。

本发明将关注于降低活塞密封件和气缸壁之间的摩擦。本发明的一个目的是提高发动机的能量效率。本发明的第二个目的是降低由活塞密封件和气缸壁之间的摩擦所导致的局部热量，从而提高润滑和寿命。

本发明使用密封套筒(sealing sleeve)，而不使用密封环。在图2中，显示了根据本发明的这种密封套筒的例子，以及描述了一些相关的几何尺寸。在代表一个如图1所示气缸和活塞的类似中间截面的图2中，1表示活塞，2表示活塞壁，3表示密封套筒，4表示密封套筒和活塞槽的密封区以及5表示密封套筒和气缸壁的密封区。假定活塞和密封套筒上存在高压。密封套筒3的外部具有一个环形切除空间6。该空间通过多个周向(annualy)间距孔7连接到密封套筒的背部，所述间距孔7使气压在环形切除空间6和密封套筒的背部的区域9之间得以均衡。区域9通过狭缝10与活塞上部的高压连通。

在一个对图1中传统活塞环先前做的相似的简单的分析中，我们得到图2中新的密封套筒：

a)密封套筒和活塞槽之间(区域4)固体与固体的接触压力等于：

P.(w-(w-c)/2)/(w-c)＞P/2

这提供良好的接触和良好的密封。

b)密封套筒和气缸壁之间(区域5)固体与固体的接触压力等于：

P/2

这也提供良好的密封。

c)活塞密封件和气缸壁之间的摩擦力为：

P.heff.l.u/2(其中，u表示摩擦系数，l表示气缸壁的圆周长度)

由于heff可以制作得远远小于图1中传统活塞环的高度h，因此，该密封套筒的摩擦力可以远远低于传统活塞环的摩擦力。环形切除空间6中的压力与密封套筒的背部上的压力和活塞的顶部上的压力相等。狭缝10中的压力也应当认为是相同的。因而，压差P仅作用于密封套筒整体高度的一部分上。作为选择，环形切除空间6中的气体可以视为起到气垫的功能，该气垫能够平衡由密封套筒内部压力所导致的力的大部分。

为了实现足以抵抗由于摩擦力和气压所导致的变形，而且还不能和气缸壁之间产生太大的摩擦，传统的活塞环制造为：环的宽度w比环的高度h大或者基本上与环的高度h具有一样的尺寸。根据本发明的密封套筒可以制造为：该密封套筒的高度h可远大于它的宽度w。由于切除空间6中的气垫，这样的密封套筒可以制得而不会使该密封套筒相对于气缸壁导致过多的摩擦。较高的整体高度使得套筒能够抵抗变形，即使密封套筒的宽度w很小。

本发明的第三个目的是制造一种活塞密封件，该活塞密封件能够抵抗过多的变形，同时在径向方向上仍然保持挠性并能够循从气缸壁上不规则(irregularities)。活塞密封件的这种适应非完美气缸壁的能力能够减少泄露。该活塞密封件也能够降低在气缸壁突起区域的异常高接触压力的风险和危险摩擦状态。磨损(scuffing)经常发生在这个区域。根据本发明的密封套筒的弹性使得润滑情况更宽余。在润滑由新鲜润滑油的连续供给来实现的发动机中，可以减少润滑油的供给，从而节省操作成本。

当施加力来弯曲一个直梁时，产生的弯曲(1/r，其中，r等于弯曲半径)与梁横截面的惯性转矩成反比。产生的弯曲在弯曲方向上又与截面高度的立方成正比。对一个已经从初始状态弯曲的物体，相应关系适用于其从原始形状的变形。根据本发明，优选地，能够制造具有宽度w的密封套筒，该宽度w小于密封套筒高度h的1/3。宽度w减少到1/3同时保持其他情况不变，这将使横截面的惯性转矩变为其原有值的1/27。调整密封套筒适应气缸壁的不规则的力将减少到1/27。这并不需要改变构造的传统和经证明的材料。

根据本发明制造的活塞密封件优选地制造为比传统活塞环具有更小的宽度。在对旧发动机的改造中，如果旧的活塞环槽甚至能够使用具有更小宽度的新的密封套筒，这有时会是一个优势。这可以通过使用一个放置在密封套筒内部不工作的环以填满剩余空间并使工作套筒保持正确位置来实现。在其他情况下，活塞槽的外部高度可以向上和向下增加，根据本发明制造的新的高密封件放置在所述产生的高外部槽中。密封套筒将通过新的槽表面来保持其位置，同时旧的和深槽的剩余部分将不在套筒中部的背面产生损害。

所述新的活塞密封件的一个重要特征是套筒外表面的环形切除部6与活塞高压侧气体输送接触(gas conveying contact)。这个特征使得环形切除部在套筒和气缸壁之间作为气垫。该气垫平衡了由作用在套筒背部的气压产生的力的一部分。在图2所示的设计中，气体连通通过贯穿套筒至套筒背部空间9的孔7来实现，空间9通过狭缝10与活塞高压侧接触，该狭缝10形成在套筒和槽边之间的套筒的高压侧。作为选择，通常就是这样，当高压总是作用在活塞密封件的相同一侧时，这样的气体输送连接通过穿过垂直孔或者套筒上部(假定高压在上部垂直操作活塞)的垂直槽11的更直接的路径来实现。所述的两个可供选择的方式如图3和图4所示。

传统活塞环在其顶部和底部易于磨损，并因此具有稍微凸起的密封面。实际上，这样的凸起或者筒形的外表面通常是一个有意的设计特征。总之，这样的凸起表面对于所述环由于摩擦和气压以及活塞和气缸之间的间隙所导致的环的变形提供很少的支援。为了抵抗环的变形，必须依赖环的内部刚度和宽的宽度(w)。在根据本发明的密封套筒中，情况是不同的。该密封套筒上不具有凸起的接触面，而是具有两个不同并间隔开的接触面，该接触面互相以一定距离隔开。这同样适用于磨损的套筒上。

在图2中，密封套筒和气缸壁之间的接触区8不具有密封功能。然而只要存在接触，这意味着活塞套筒位于其合适的位置。而传统的活塞环必须依赖内部刚度来抵抗变形，根据本发明的活塞密封件可以保持不变形并由气缸壁来支持。在由于上部以及活塞和气缸壁之间间隙的压力而导致套筒趋于倾斜的帮助下，接触区8上的接触力由套筒的弹性提供。图2中的接触区5上的接触力直接取决于密封件背部压力的作用。这样的压力使得两个接触面贴紧气缸壁，而且套筒可以制造得相当窄和具有挠性(图2中的小宽度w)而没有变形的风险。通过从套筒底部(低压部)的外部移除材料并且从而从槽的边缘移动倾斜的基准点，倾斜趋势可以得以提高并独立于活塞和气缸之间的间隙。这可以通过使密封套筒低压部的外边缘为斜角的(bevelling)或圆角的(rounding)来实现，从而通过密封活塞槽边，密封套筒与活塞槽边的接触表面终止在活塞槽中。在图5中，1表示活塞，2表示气缸壁，3表示在套筒底部12去除材料的密封套筒，因而倾斜13的基准点远离气缸壁2。基准点的这种移动还降低了槽边缘14的材料疲劳的损害风险。作为选择，相应的效果可以通过去除如图5中的虚线所示的槽的14处的外部材料来实现。与传统活塞环的情形相比，基准点远离气缸壁的这种移动不会增加密封件变形的趋势。

为了简洁，在上述说明书中描述只使用一个密封装置并且气缸中的高压从上方作用的情形。但本发明并不局限于该具体实施例，而是同样适用于其他情形，其中，如通常传统活塞环的情况，多个密封装置可以串联使用。上方的压力或活塞或密封套筒上的压力将取代从该装置的高压侧的压力。

Claims (4)

1.密封套筒（3），该密封套筒用于在内燃机的活塞和气缸壁之间提供密封，所述密封套筒设置在活塞表面的面向气缸壁的槽中，所述密封套筒以和传统活塞环一样的方式密封活塞槽的一侧和气缸壁，其特征在于，所述密封套筒的高度（h）是该密封套筒的宽度（w）的至少三倍，并且所述密封套筒的面向气缸壁（2）的表面具有环形切除部，该环形切除部设置为通过在所述密封套筒（3）中以孔或槽形式的连接部（7，11）而加压，以同时实现低摩擦和对变形的抵抗、挠性以及具有循从气缸壁的能力。

2.根据权利要求1所述的密封套筒（3），其特征在于，所述连接部（7，11）是孔（7）的形式，该孔（7）从所述切除部（6）穿过所述密封套筒（3）到所述密封套筒（3）的远离气缸壁（2）的一侧。

3.根据权利要求1所述的密封套筒（3），其特征在于，所述连接部（7，11）是槽或孔（11）的形式，该槽或孔（11）位于所述密封套筒（3）的面向所述气缸壁（2）的上部。

4.根据权利要求1、2或3所述的密封套筒（3），其特征在于，所述密封套筒（3）的底部的外边缘是圆角的或斜角的。

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