CN103147871A

CN103147871A - 用于发动机的活塞和汽缸装置及从活塞移除沉积物的方法

Info

Publication number: CN103147871A
Application number: CN2012102885706A
Authority: CN
Inventors: L·菲尔施肯切特
Original assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2013-06-12
Also published as: KR20130063996A; EP2602453A1; JP2013119852A

Abstract

本发明涉及用于发动机的活塞和汽缸装置及从活塞移除沉积物的方法。往复活塞式燃烧发动机具有至少一个汽缸套（3），在汽缸套（3）中，在安装状态下活塞的上活塞侧（1011）界定燃烧空间（VB），并且活塞布置成能在汽缸套（3）中在上死点（OT）和下死点之间沿着活塞轴线（A）在轴向上来回移动。在邻近于燃烧空间（VB）的活塞顶（101）和远离燃烧空间（VB）的活塞裙（102）之间，在活塞的套表面处形成有包括至少一个活塞环的活塞环组件（4），所述至少一个活塞环被设计为最靠近所述上活塞侧（1011）的顶环（41）。根据本发明，在顶环（41）和上活塞侧（1011）之间，在活塞顶（101）的区域中的活塞的套表面处设置有切口部（5）。

Description

用于发动机的活塞和汽缸装置及从活塞移除沉积物的方法

技术领域

本发明涉及用于往复活塞式燃烧发动机（尤其是大型二冲程柴油发动机）的活塞和汽缸装置，以及从活塞的套表面移除沉积物的方法。

背景技术

现有技术已知的用于往复活塞式燃烧发动机（诸如大型二冲程柴油发动机），尤其用于纵向扫气的大型二冲程柴油发动机的活塞通常配备有在相应的活塞环槽中上下叠置的多个活塞环的组件。已知的活塞环组件通常包括至少两个活塞环，通常，然而，三个、四个、甚至五个活塞环，这取决于往复活塞式燃烧发动机的尺寸、功率或构造或者取决于要求和发动机在其下被操作的特定操作条件。

在这方面活塞环满足非常不同的功能，诸如在汽缸的运行表面上分配润滑剂和/或擦掉润滑剂，相对于曲柄轴箱密封燃烧空间，或，在纵向扫气的大型二冲程柴油发动机的情况下，相对于接收器空间密封等。

在纵向扫气大型二冲程柴油发动机的情况下，用途典型是由四个或五个活塞环组成的活塞环组件用于相对于下活塞侧密封燃烧空间，该下活塞侧被指向接收器空间，在扫气阶段开始时新鲜的空气流从该接收器空间通过扫气狭缝进入汽缸的燃烧空间中。下活塞环根据环隙被显著地或多或少地加载。在这方面，在下活塞环之间出现不同类型的不稳定性，该不稳定性例如能导致压力脉动，继而引起活塞运转中的不稳定性，这是因为存在太多的具有相似或相同功能的活塞环。

大型柴油发动机常常用作船用驱动装置或者还用于定点作业，例如用于驱动用于电能生产的大型发电机。在这方面，发电机通常在相当大的周期内在永久操作中运转，这对操作安全性和可用性提出高要求。在特别长的维护间隔内，低磨损以及燃料和操作材料的经济处理因此对于操作员的机器操作是中心标准。除了其它因素以外，这种大口径缓慢运转柴油发动机的活塞运转行为对于维护间隔的长度、可用性是决定因素，并且通过润滑剂消耗和燃料消耗对于操作成本且因此对于效率也是直接决定因素。汽缸润滑以及由发动机的活塞环组件密封燃烧空间的复杂问题也变得越来越重要，其中汽缸润滑具体地通过往复移动的活塞中润滑装置或通过设置在汽缸壁中的润滑油喷嘴来在大型柴油发动机中实现。

在内燃机的操作中再三地产生问题的一点是能在发动机中的最大变化点处沉积的燃烧残余。首先常常用重燃油操作的大型二冲程柴油发动机的情况下，燃烧残余显示一基本问题，因为所使用的燃料，即重燃油充满许多物质，这些物质能导致各种各样的固体、液体和气体燃烧残余，这些燃烧残余能具体地沉积在活塞处、活塞环槽处，尤其是还沉积在活塞顶或汽缸处，优选地还沉积在上死点附近。

例如在

二冲程发动机的情况下特别已知的是在汽缸套的上部提供所谓的反抛光环以将燃烧残余的沉积物从活塞顶擦掉。这环例如能制造成为具有矩形截面的薄壁套，该套通常具有比汽缸本身的小的内截面。擦掉效应由直径收缩产生以用于擦掉活塞顶处的沉积物。反抛光环的内径在这方面基于活塞顶的直径并且的确具体地基于其在发动机操作中的最大直径。因此对于已知的反抛光环目的在于设计如此窄的内径使得活塞顶和反抛光环直径的间隙变得尽可能小，但是活塞顶不会机械地刷直接接触的反抛光环。

显然，反抛光环的设计必须遵循非常大量的折衷。低负载和较冷活塞顶下，间隙，也就是活塞顶和反抛光环直径的间隔简单地由于热膨胀效应而大于高负载下的间隙。在这方面必须另外考虑的是，汽缸中的不同部件（诸如汽缸运行表面，活塞、具体地活塞环、活塞环槽，而且活塞顶）通常沿外围方向和沿纵向具有不同的磨损，这取决于执行的操作小时数，并且因此不会具有任何真正地不变的限定直径。

因此显然，反抛光环和活塞顶不会在所有操作条件下并且不在从现有技术已知的发动机中的参与部件的整个使用寿命内理想地相互作用。

在这一点上先前未解决的问题在这方面是反抛光环，常常也缩写成APR可以不完全达到活塞环组件的上边，也就是说不完全达到活塞的上死点活塞中的活塞环组件的顶环，这是因为否则反抛光环能接触到顶环，这能导致巨大损坏，在最坏情况下达到破坏顶环，或甚至导致对活塞本身的严重损坏，这甚至可以具有汽缸故障的结果或在最坏情况下具有整个发动机故障的结果。

因为因此反抛光环不会完全达到上死点活塞中的活塞环组件的顶环，所以在顶环上方活塞的活塞顶处始终存在一个或宽或窄区域，反抛光环不会与该区域接触，使得位于该区域的沉积物也能不被反抛光环抛掉。

关于现有技术已知的活塞的这些问题将参照图1稍微更详细地说明。在这点上必须指出的是，在涉及来自现有技术的特征或示例的图中的该应用附图标记的范围内具有一撇（dash？），而根据本发明的实施方式的特征通过不具有一撇的附图标记提供。

图1示出了从诸如用于大型集装箱船的大型二冲程柴油发动机的现有技术众所周知的活塞1’。大型二冲程柴油发动机通常具有多个汽缸套，为了清楚起见图1中未示出这些汽缸套，在汽缸套中活塞1’的上活塞侧1011’在安装状态下界定燃烧空间VB’，其中活塞1’布置成能在汽缸套中在上死点和下死点之间沿着活塞轴线A’沿轴向往复移动。在这方面，如已经提及的，包括设计为最接近于上活塞侧1011’的顶环41’的至少一个活塞环的活塞环组件4’形成在活塞1’的套表面处位于与燃烧空间VB’相邻的活塞顶101’和远离燃烧空间VB’的活塞裙102’之间。

在其沿朝向上死点的方向的运动中，活塞1’最终和反抛光环接触，即，活塞顶101’被推进反抛光环，使得它能刮掉或抛掉在活塞顶101’的套表面处的沉积物D’，直到活塞1’已到达其在汽缸套中的最高点，上死点。因为反抛光环已公认地将活塞顶101’的套表面的较大部分从位于上死点处的沉积物D’解放出来，但是反抛光环本身不会完全达到活塞1’的上死点位置处的活塞环组件4’的顶环41’，因此沉积物D’带留在顶环41’上方活塞顶101’的套表面处，该沉积物带不能由反抛光环刮掉，因为反抛光环也不会完全达到位于上死点的顶环41’。

结果是，沉积物D’的大体环形带在沿朝向上死点的方向的活塞1’的进一步向下运动中在活塞顶101’的区域在的活塞1’的套表面处沿着顶环41’和上活塞侧1011’之间获得，并且导致汽缸套的运行表面处的众所周知的破坏效果。即汽缸套的运行表面的表面中的诸如划痕的损坏能由留在活塞顶101’的沉积物D’产生，或者剩余的沉积物D’能例如也随着时间的过去变得疏松，能粘在活塞环组件4’中，例如活塞环槽中，并且因此最终也能导致对活塞1’的损坏，具体地对活塞环槽或也对活塞环的损坏。这损坏至少缩短维护间隔，缩短汽缸套的部件的使用周期，并且在最坏的情况下能导致受影响的汽缸套或甚至整个发动机的完全失效。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种活塞、汽缸装置以及从活塞的套表面移除沉积物的方法，使得现有技术中已知的关于活塞顶处的沉积物的问题能被避免。

因此，本发明涉及一种用于具有至少一个汽缸套的往复活塞式燃烧发动机，尤其是用于大型二冲程柴油发动机的活塞，在汽缸套中，在安装状态下所述活塞的上活塞侧界定燃烧空间，并且所述活塞布置成能在所述汽缸套中在上死点和下死点之间沿着活塞轴线在轴向上来回移动。在这方面，在邻近所述燃烧空间的活塞顶和远离所述燃烧空间的活塞裙之间，在所述活塞的套表面处形成有包括至少一个活塞环的活塞环组件，所述至少一个活塞环被设计为最接近所述上活塞侧的顶环。根据本发明，在所述活塞顶的区域中，在所述活塞的所述套表面处，在所述顶环和所述上活塞侧之间设置有切口部。

因为在所述顶环上方的所述活塞顶处设置有切口部，因此反抛光环能将所述活塞顶的整个剩余套表面从所述沉积物解放出来，而不会像现有技术中那样有一条沉积物带留在所述顶环附近。这在本发明中得以确保的原因是，根据本发明的切口部沿外围方向在所述活塞顶的周围形成，并且所述反抛光环至少达到所述切口部的上边，优选地，当所述活塞处于所述上死点时，所述反抛光环甚至部分覆盖所述切口部，所述切口部定位在所述顶环上方的不被所述反抛光环到达的区域中，而在现有技术中，沉积物的或多或少的环形区域被留在所述套表面处。

不但根据本发明的所述切口部上方的所述活塞顶的整个套表面由此借助所述反抛光环被从破坏性的沉积物可靠地解放出来，而且所述切口部还能吸收和暂时存储由所述反抛光环刮掉的沉积物，使得所述沉积物很大程度上不再和所述汽缸套的运行表面接触，并且也能例如不再进入所述活塞环槽。暂时存储在所述切口部中的所述沉积物能接着例如随着汽缸润滑油被逐渐输送走或者能被吹出通过靠近所述下死点的扫气狭缝，使得它们不再在所述汽缸套中产生破坏效果。

在本发明的优选实施方式中，所述顶环的可预定径向环段沿朝向所述活塞裙的方向界定所述切口部。即，所述切口部直径毗接所述顶环而没有任何间隔，其中，所述径向环段的宽度达到所述顶环的总径向环宽的至多30%，优选在所述顶环的径向环宽的0.5%至15%之间，特别优选在1%至5%之间。由此特别可能的是，存储在所述活塞环组件中的气压的一部分能更容易地逃到所述切口部中，因此例如还有助于并由此有利于存储在所述切口部中的所述沉积物的吹出或移除。

在另一实施方式中，相反，在所述顶环和所述切口部之间设置有直径与所述活塞顶的直径相对应的间隔区域。这最终意味着，所述顶环布置得与根据本发明的切口部稍微间隔开。所述间隔区域的直径优选地小于所述切口部上方的上部区域中的所述活塞顶的直径。所述间隔区域上的可能沉积物能因此不与所述汽缸运行表面接触。当所述活塞定位在所述上死点的位置处时，所述反抛光环的下缘应该突出到所述切口部中。

在这方面，所述切口部的轮廓特别优选地相对于活塞轴线不对称地形成，其中，尤其是，所述切口部的轮廓沿所述活塞轴线朝向所述顶环的方向的梯度小于朝向所述上活塞侧的方向的梯度，由此，例如所述切口部中的刮掉的沉积物不能在所述活塞的向下运动中容易地向上逸出，而是被“捕捉”在所述切口部的台阶状上部区域中，使得它们能在所述切口部中逐渐与润滑油混合和/或能被吹出穿过靠近所述下死点的所述扫气狭缝。

所以，所刮掉的沉积物能被更好地保留在所述切口部中，直到它们从该切口部被移除或者能例如沿可预定方向和/或移动从所述切口部直接移除，所述切口部的表面例如还能具有合适的纹理（structuring）。该纹理可因此例如由绕所述活塞轴线延伸的一个或更多个槽或例如由螺旋形槽形成。

本发明还涉及一种用于往复活塞式燃烧发动机（尤其是大型二冲程柴油发动机）的活塞衬套，该活塞衬套包括布置在汽缸套中的活塞，其中所述活塞的上活塞侧界定燃烧空间，并且所述活塞布置成能在所述汽缸套中在上死点和下死点之间沿着活塞轴线在轴向上来回移动。在这方面，在邻近于所述燃烧空间的活塞顶和远离所述燃烧空间的活塞裙之间，在所述活塞的套表面处形成有包括至少一个活塞环的活塞环组件，所述至少一个活塞环被设计为最靠近所述上活塞侧的顶环。根据本发明，在所述活塞顶的区域中，在所述活塞的所述套表面处，在所述顶环和所述上活塞侧之间设置有切口部。

实际上，反抛光环特别优选地以本身已知的方式形成在所述汽缸套处所述上死点的区域中，使得所述反抛光环在操作状态下与所述活塞的所述切口部协作，使得所述活塞顶的区域中的所述活塞的所述套表面处的沉积物能由所述反抛光环输送到所述切口部中。

特别地，所述反抛光环在所述活塞侧的端部能充分或完全覆盖所述活塞的所述上死点的区域中的所述切口部。

在这方面，本身已知的压缩垫片常常被提供用于设定所述上死点的位置，例如在十字头处，其中所述切口部特别优选地设计成使得其能在由所述压缩垫片设定的所述上死点的任何位置中至少部分地用所述反抛光环覆盖。

尤其是，本发明还涉及一种从具有至少一个汽缸套的往复活塞式燃烧发动机的活塞的套表面移除沉积物的方法，所述往复活塞式燃烧发动机尤其是大型二冲程柴油发动机，在所述汽缸套中，在安装状态下所述活塞的上活塞侧界定燃烧空间，并且所述活塞在所述汽缸套中在上死点和下死点之间沿着活塞轴线在轴向上来回移动。在这方面，在邻近于所述燃烧空间的活塞顶和远离所述燃烧空间的活塞裙之间，在所述活塞的所述套表面处形成有包括至少一个活塞环的活塞环组件，所述至少一个活塞环被设计为最靠近所述上活塞侧的顶环。根据本发明，在所述活塞顶的区域中，在所述活塞的所述套表面处，在所述顶环和所述上活塞侧之间设置有切口部，至少部分地借助于设置在所述汽缸套处的反抛光环将所述套表面处的沉积物刮到上述切口部中。

在这方面，所述上死点的位置特别优选地借助于压缩垫片以本身已知的方式设定，使得所述切口部能在所述上死点的区域中用所述反抛光环覆盖。

附图说明

将在下面参照附图更详细地说明本发明。在图示中示出有：

图1从现有技术已知的活塞；

图2根据本发明的具有活塞的汽缸装置的实施方式；以及

图3根据本发明的活塞的另一实施方式。

具体实施方式

图1示出了关于已知活塞的问题，该问题从现有技术已知并且首次由本发明避免。因为最初已经详细地讨论了图1，因此这里可以直接继续说明图2，该图2示出了对于实践特别重要的根据本发明的汽缸装置的实施方式。

往复活塞式燃烧发动机2（在本情况下大型二冲程柴油发动机）的汽缸套装置的汽缸套3参照图2以示意方式被示出。汽缸装置包括布置在汽缸套3中的汽缸1，其中，活塞1的上活塞侧1011以本身已知的方式界定燃烧空间VB，并且活塞1布置成能在汽缸套3中在上死点OT和下死点之间沿着活塞轴线A沿轴向往复移动。除两个另外的活塞环之外，活塞环组件4包括设计为最靠近上活塞侧1011的顶环41的活塞环，活塞环组件4形成在邻近燃烧空间VB的活塞顶101和远离该燃烧空间VB的活塞裙102之间的活塞1的套表面处。根据本发明，切口部5设置在顶环41和上活塞侧1011之间活塞顶101的区域中的活塞1的套表面处。

反抛光环APR形成在上死点OT的区域中的汽缸套3处，同样地如本身已知的。在根据本发明的汽缸装置中，反抛光环APR在操作状态下与活塞1的切口部5协作，使得活塞顶101的区域中活塞1的套表面处的沉积物D能由反抛光环APR输送到切口部5中，其中反抛光环APR的位于活塞侧的端部在活塞1的上死点OT的区域中覆盖切口部5，如所示。

在这方面，活塞环41的可预定径向环段沿朝向活塞裙102的方向界定切口部5，即，在图2的具体实施方式中，顶环41直接邻近于切口部5，其中直接邻近于切口部的径向环段410的宽度在此达到顶环41的径向环宽411的大约0.5%至15%之间。

如能容易被认可的，切口部5的轮廓K相对于活塞轴线A不对称地形成并且在此尤其具有比沿朝向上活塞侧1011的方向的梯度小的沿朝向顶环41的方向沿着活塞轴线A的梯度。

根据实施方式，如已经提及的，切口部5的表面能具有合适的结构，其中该结构尤其能够例如由绕活塞轴线A延伸的一个或更多个槽形成。

根据本发明的活塞1的另一实施方式参照附图3被示意地示出，该活塞与根据图2的活塞1的唯一不同之处在于，在顶环41和切口部5之间设置间隔区域6，该间隔区域的直径与活塞顶101的直径对应。这意味着在图3的示例中，顶环41不直接邻近于切口部5，而是由间隔区域6与间隔开，该间隔区域6形成切口部5和顶环41之间的一种桥。由此具体地能更好地防止存储在切口部5中的沉积物D能移入顶环41的环形槽中。

间隔区域6的直径优选地小于切口部5上方的上部区域中的活塞顶101的直径。间隔区域6上的可能沉积物由此能不和汽缸运行表面接触。当活塞1定位在上死点的位置处时，反抛光环APR的下缘应该突出到切口部5中。

本领域技术人员将理解的是，前面描述的本发明的实施方式的示例应理解为示例并且具体地所示的实施方式的所有合适的组合被本发明涵盖。

Claims

1.一种用于往复活塞式燃烧发动机（2）的活塞，所述往复活塞式燃烧发动机尤其是大型二冲程柴油发动机，所述往复活塞式燃烧发动机具有至少一个汽缸套（3），在所述汽缸套（3）中，在安装状态下所述活塞的上活塞侧（1011）界定燃烧空间（VB），并且所述活塞布置成能在所述汽缸套（3）中在上死点（OT）和下死点之间沿着活塞轴线（A）在轴向上来回移动，其中，在邻近于所述燃烧空间（VB）的活塞顶（101）和远离所述燃烧空间（VB）的活塞裙（102）之间，在所述活塞的套表面处形成有包括至少一个活塞环的活塞环组件（4），所述至少一个活塞环被设计为最靠近所述上活塞侧（1011）的顶环（41），所述活塞的特征在于，在所述活塞顶（101）的区域中，在所述活塞的所述套表面处，在所述顶环（41）和所述上活塞侧（1011）之间设置有切口部（5）。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述顶环（41）的可预定径向环段（410）沿朝向所述活塞裙（102）的方向界定所述切口部（5）。

3.根据权利要求1或2所述的活塞，其中，所述径向环段（410）的宽度达到所述顶环（41）的径向环宽（411）的至多30%，优选在所述顶环（41）的所述径向环宽（411）的0.5%至15%之间，特别优选在1%至5%之间。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞，其中，在所述顶环（41）和所述切口部（5）之间设置有间隔区域（6），所述间隔区域的直径与所述活塞顶（101）的直径相对应，其中，所述间隔区域（6）的直径优选地小于所述活塞顶（101）在所述切口部（5）上方的上部区域中的直径。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞，其中，所述切口部（5）的轮廓（K）相对于所述活塞轴线（A）不对称地形成。

6.根据权利要求5所述的活塞，其中，所述切口部（5）的所述轮廓沿所述活塞轴线（A）朝向所述顶环（41）的方向的梯度小于沿所述活塞轴线（A）朝向所述上活塞侧（1011）的方向的梯度。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞，其中，所述切口部（5）的表面（51）具有纹理。

8.根据权利要求7所述的活塞，其中，所述纹理由绕所述活塞轴线（A）延伸的槽形成。

9.一种用于往复活塞式燃烧发动机（2）的汽缸套装置，所述往复活塞式燃烧发动机尤其是大型二冲程柴油发动机，所述汽缸套装置包括布置在汽缸套（3）中的活塞（1），其中，所述活塞（1）的上活塞侧（1011）界定燃烧空间（VB），并且所述活塞（1）布置成能在所述汽缸套（3）中在上死点（OT）和下死点之间沿着活塞轴线（A）在轴向上来回移动，其中，在邻近于所述燃烧空间（VB）的活塞顶（101）和远离所述燃烧空间（VB）的活塞裙（102）之间，在所述活塞的套表面处形成有包括至少一个活塞环的活塞环组件（4），所述至少一个活塞环被设计为最靠近所述上活塞侧（1011）的顶环（41），所述活塞的特征在于，在所述活塞顶（101）的区域中，在所述活塞的所述套表面处，在所述顶环（41）和所述上活塞侧（1011）之间设置有切口部（5）。

10.根据权利要求9所述的汽缸套装置，其中，在所述上死点（OT）的区域中，在所述汽缸套（3）处形成有反抛光环（APR），使得所述反抛光环（APR）在操作状态下与所述活塞（1）的所述切口部（5）协作，从而在所述活塞顶（101）的区域中位于所述活塞（1）的所述套表面处的沉积物（D）能由所述反抛光环（APR）输送到所述切口部（5）中。

11.根据权利要求9或10所述的汽缸套装置，其中，所述反抛光环（APR）的在所述活塞侧的端部在所述活塞（1）的所述上死点（OT）的区域中覆盖所述切口部（5）。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的汽缸套装置，其中，设置有用于设定所述上死点（OT）的位置的压缩垫片。

13.根据权利要求12所述的汽缸套装置，其中，所述切口部（5）设计成使得该切口部（5）能在所述上死点（OT）的任何设定位置处用所述反抛光环（APR）覆盖。

14.一种用于从具有至少一个汽缸套（3）的往复活塞式燃烧发动机（2）的活塞（1）的套表面移除沉积物的方法，所述往复活塞式燃烧发动机尤其是大型二冲程柴油发动机，在所述汽缸套（3）中，在安装状态下所述活塞（1）的上活塞侧（1011）界定燃烧空间（VB），并且所述活塞（1）布置成在所述汽缸套（3）中在上死点（OT）和下死点之间沿着活塞轴线（A）在轴向上来回移动，其中，在邻近于所述燃烧空间（VB）的活塞顶（101）和远离所述燃烧空间（VB）的活塞裙（102）之间，在所述活塞（1）的所述套表面处形成有包括至少一个活塞环的活塞环组件（4），所述至少一个活塞环被设计为最靠近所述上活塞侧（1011）的顶环（41），所述方法的特征在于，在所述活塞顶（101）的区域中，在所述活塞（1）的所述套表面处，在所述顶环（41）和所述上活塞侧（1011）之间设置有切口部（5），至少部分地借助于设置在所述汽缸套（3）处的反抛光环（APR）将所述套表面处的沉积物（D）刮到上所述切口部（5）中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述上死点（OT）的位置借助于压缩垫片设定，使得所述切口部（5）在所述上死点（OT）的区域中用所述反抛光环（APR）覆盖。