CN103206314B - 具有改善的润滑输送的活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有改善的润滑输送的活塞环，具体地，一种活塞环具有用于定位在活塞的环槽中的主体构件。所述主体构件具有内侧周边、上壁、下壁和外侧周边。所述外侧周边在其中具有凹腔，以在其中储存润滑剂。所述上壁具有接近于所述外侧周边的外侧部分，被构造为在动力冲程的一部分过程中能够在挠曲位置和未挠曲位置之间弹性地挠曲，所述凹腔的储存所述润滑剂的容积通过所述上壁到所述挠曲位置的挠曲而减小以将润滑剂从其驱出到所述气缸的壁。所述壁在其它时间期间弹性地返回到所述未挠曲位置，以允许多余的润滑剂从所述气缸的所述壁通入到所述凹腔中。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞环，且更具体地涉及一种用于内燃发动机中的活塞的带槽口活塞环。
背景技术
内燃发动机中的活塞具有长的一体化的活塞环以提高性能。活塞环减少在压缩和动力冲程过程中气体的窜漏，并允许润滑油或其它润滑剂涂布在气缸壁上，但防止过多的润滑油进入燃烧室。
已经开发出具有不同轮廓的外侧周边的许多类型的活塞环。例如，活塞环可以具有锥形面、桶形面或平坦面。通常由铁制成的活塞环还可以具有多孔的涂层、膜、外层或表面，从而在其抵靠发动机气缸壁滑动时拾取油以形成润滑剂膜。
活塞环构造可以具有基本上为平面的环，或者它可以在其放松位置具有负扭曲或正扭曲。在活塞环的操作过程中，活塞环的形状或扭曲可以在向下冲程和向上冲程过程中改变，从而在向下冲程过程中提供润滑剂的擦拭并在向上冲程过程中旁路通过润滑剂膜。
润滑型态（regime）总是平衡这样的需要，即，提供粘度尽可能地低的润滑剂以减小润滑剂的固有摩擦但是还在接近动力冲程的上止点位置提供所需的高粘度以减小混合的/边界润滑型态。不仅认识到，润滑剂膜厚度会改变且在发动机的不同曲柄角期间会需要不同的润滑需求，而且围绕活塞的不同圆周位置会具有不同的润滑需求，尤其是如果存在变形的气缸孔、活塞具有倾斜或者活塞和活塞环不是真正圆筒形。
需要改进的活塞环，其提供当过量的润滑剂在发动机气缸壁上时吸收并储存润滑剂的腔，并且当需要更多的润滑时可以在动力冲程期间提供额外的润滑剂。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种用于发动机气缸的活塞的活塞环包括用于定位在活塞的环槽中的主体构件。所述主体构件具有内侧周边、上壁、下壁和外侧周边。所述外侧周边在其中具有凹腔，以在其中储存润滑剂。所述上壁具有接近于所述外侧周边的外侧部分，并被构造为在动力冲程的一部分过程中能够在挠曲位置和未挠曲位置之间弹性地挠曲，所述凹腔的储存所述润滑剂的容积通过所述上壁到所述挠曲位置的挠曲而减小以将润滑剂从其驱出到所述气缸的壁。所述上壁在其它时间弹性地返回到所述未挠曲位置，以允许多余的润滑剂从所述气缸的所述壁通入到所述凹腔中。
优选地，嵌入构件容纳在所述凹腔中。所述嵌入构件是多孔的以吸收润滑剂，并且是可压缩的以释放所述润滑剂。
在一个实施例中，所述嵌入构件是编织碳纤维。所述活塞环优选地具有用于限制所述上壁的挠曲和所述嵌入构件的压缩的主动止动构件。在一个实施例中，所述止动构件可以是位于外侧周边处的多个齿。优选地，所述上壁具有其向所述外侧周边渐缩的外侧部分。在一个实施例中，所述凹腔不对称地设置为相对于所述下壁更靠近所述上壁。
根据本发明的另一方面，一种用于内燃发动机的发动机气缸的活塞具有带有侧壁的活塞头，所述侧壁具有用于定位活塞环的至少一个环槽。所述活塞环具有用于定位在所述活塞的上环槽中的主体构件。所述主体构件具有内侧周边、上壁、下壁和外侧周边。所述外侧周边在其中具有凹腔，以在其中储存润滑剂。所述上壁具有接近于所述外侧周边的外侧部分，并被构造为在动力冲程的一部分过程中能够在挠曲位置和未挠曲位置之间弹性地挠曲，所述凹腔的储存所述润滑剂的容积通过所述上壁到所述挠曲位置的挠曲而减小以将润滑剂从其驱出到所述气缸的壁。所述壁在其它时间期间弹性地返回到所述未挠曲位置，以允许多余的润滑剂从所述气缸的所述壁通入到所述凹腔中。
本发明还提供如下方案：
1、一种用于具有发动机气缸的内燃发动机的活塞的活塞环，所述活塞环包括：
主体构件，所述主体构件位于所述活塞的环槽中；
所述主体构件具有内侧周边、上壁、下壁和外侧周边；
所述外侧周边在其中具有凹腔，以在其中储存润滑剂；以及
所述上壁具有接近于所述外侧周边的外侧部分，被构造为在动力冲程的一部分过程中能够在挠曲位置和未挠曲位置之间弹性地挠曲，所述凹腔的储存所述润滑剂的容积通过所述上壁到所述挠曲位置的挠曲而减小，以便将润滑剂从所述凹腔驱出到所述气缸的壁，并且所述上壁在其它时间期间弹性地返回到所述未挠曲位置，以允许多余的润滑剂从所述气缸的所述壁通入到所述凹腔中。
2、根据方案1所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
容纳在所述凹腔中的嵌入构件，所述嵌入构件是多孔的以吸收润滑剂，并且是可压缩的以释放所述润滑剂。
3、根据方案2所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
所述嵌入构件是编织碳纤维。
4、根据方案3所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
主动止动构件，所述主动止动构件限制所述上壁的挠曲和所述嵌入构件的压缩。
5、根据方案1所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
所述上壁具有接近于所述外侧周边渐缩的外侧部分。
6、根据方案1所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
所述凹腔不对称地设置为相对于所述下壁更靠近所述上壁。
7、一种用于具有发动机气缸的内燃发动机的活塞，所述活塞包括：
具有侧壁的活塞头，所述侧壁具有用于定位活塞环的至少一个环槽；
所述活塞环具有用于定位在所述活塞的所述至少一个环槽中的上面一个中的主体构件；
所述主体构件具有内侧周边、上壁、下壁和外侧周边；
所述外侧周边在其中具有凹腔，以在其中储存润滑剂；以及
所述上壁具有接近于所述外侧周边的外侧部分，被构造为在动力冲程的一部分过程中能够在挠曲位置和未挠曲位置之间弹性地挠曲，所述凹腔的储存所述润滑剂的容积通过所述上壁到所述挠曲位置的挠曲而减小以将润滑剂从其驱出到所述气缸的壁，并且所述壁在其它时间期间弹性地返回到所述未挠曲位置，以允许多余的润滑剂从所述气缸的所述壁通入到所述凹腔中。
8、根据方案7所述的活塞，其特征在于，其还包括：
容纳在所述凹腔中的嵌入构件，所述嵌入件是多孔的以吸收润滑剂，并且是可压缩的以释放所述润滑剂。
9、根据方案8所述的活塞，其特征在于，其还包括：
所述嵌入构件是编织碳纤维。
10、根据方案9所述的活塞，其特征在于，其还包括：
主动止动构件，所述主动止动构件限制所述上壁的挠曲和所述嵌入构件的压缩。
11、根据方案7所述的活塞，其特征在于，其还包括：
所述上壁具有其接近于所述外侧周边渐缩的外侧部分。
12、根据方案7所述的活塞，其特征在于，其还包括：
所述凹腔不对称地设置为相对于所述下壁更靠近所述上壁。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施例的一个气缸和具有活塞环的一个活塞的内燃发动机的部分示图；
图2是在图1中示出的本发明的放大局部图；以及
图3是与图2类似的图，其示出了在动力冲程过程中的活塞环的上壁的挠曲。
具体实施方式
现在参照图1，内燃发动机10具有带有气缸壁14的气缸12。活塞16被构造为在气缸内往复运动。活塞具有沿活塞轴向地隔开的三个圆周放置的槽18。这三个槽18分别定位压缩活塞环20、擦拭环22和油环24。
在图2和图3中更清楚地示出的压缩环20具有主环形主体构件26。压缩环20具有内侧周边壁28、上壁30和下壁32。外侧周边部分34具有围绕环20延伸且通过通路部分41对外侧周边开放的凹腔或凹进36。多孔的且可压缩的嵌入构件38适配在凹腔36中。例如，适合于此嵌入件的一种材料是在基质中形成的编织碳纤维。其它材料也是可以的，如果它们是可压缩的、耐热的、多孔的且能吸收润滑剂。
上壁30具有位于凹腔36上方的沿朝向外侧周边部分34变窄或变薄的方向渐缩的外侧部分40。当来自燃烧的极端气体压力施加在上壁上时，锥形允许上壁30在动力冲程的一部分过程中挠曲，如图3所示。
环还可以具有不均匀的槽口（split），使得上壁30可以具有比下壁32薄的尺寸。这种不均匀的槽口可以通过与底壁相比更靠近上壁的凹腔36的不对称设置或与下壁相比对于上壁的不同形状或不同锥度来提供，以提供上壁部分40的进一步的挠性。例如，上壁30可以比下壁32更大程度地渐缩。
这种挠曲实际上减小了凹腔36的容积并压缩嵌入件38，使得被吸收在嵌入构件38中的用于润滑发动机的任何油或其它润滑剂仅在边界/混合润滑型态期间从凹腔36中挤出且推出到气缸壁14。已经发现，当施加在下壁部分32上的向上指向的摩擦力远大于施加在上壁部分30上的向上指向的摩擦力时，上壁30可以在混合/边界润滑型态期间相对于下壁32挠曲。当活塞头相对于气缸的速度最慢且燃烧过程在气缸中开始时，混合边界润滑型态大多数通常在动力冲程的上止点位置期间发生，从而产生被传递到活塞和气缸的热累积。此情形会产生不期望的金属间接触，并且在活塞环和气缸之间没有润滑剂膜或润滑剂膜不足。提供金属间接触的这种混合边界型态会产生微焊缝，这会导致低效率、对发动机的更多的磨损和在保持未控制时发动机的卡滞。
在混合/边界润滑型态期间，上壁和下壁之间的摩擦力的这种大差异提供了施加在上壁外侧部分40上的力矩，其使上壁外侧部分挠曲以向下更靠近下壁32，从而通过气体压力压缩嵌入件38以减小凹腔36的尺寸，并由此使润滑剂从凹腔通过通路41排出且到气缸壁14上。因此，在最需要润滑的时间期间施加增加的润滑剂膜，以减小或消除金属间接触。
在混合润滑型态结束且液力润滑型态发生后，施加在相应的上壁30上的向上指向的力变得比下壁32上的力大，上壁外侧部分40弹性地偏回到如图2所示的位置。当气缸壁和活塞环之间的油或其它润滑剂膜过厚时，嵌入构件38可以随后在液力润滑型态期间通过与气缸的壁接触来吸收多余的油或润滑剂。在液力润滑型态期间的将另外地提供增大的摩擦力的任何多余的润滑剂膜可以在循环重复之前被吸收到嵌入件38的多孔介质中。
主动止动件42可以设置在环的外侧周边34处，以防止上壁过度地挠曲且过度地压缩嵌入件超出其弹性限度。主动止动件42可以是从上壁30向下延伸的圆周放置的齿的形式，并被构造为在多孔嵌入件的永久变形发生之前邻接下壁32。可以想到其他主动止动件，例如形成在嵌入件中的当壁达到预定的最小距离时能够邻接下壁和上壁的内部柱和腹板。
环具有常规的径向槽口44，以允许关于活塞的常规安装并减少窜漏气体。
应当认识到，上壁的挠曲不需要在圆周上是均匀的。混合边界型态关于活塞环可以是不均匀的，关于整个环不会同时发生较大的力。仅经历边界润滑型态的上壁的周缘部分可以挠曲，以将嵌入件38的相应的圆周部分压缩在其附近，从而将需要的润滑油从通路31驱出到气缸中的所需的圆周定位的位置。以这种方式，润滑剂被挤压到活塞环周围的需要额外润滑的特定点。
在特定的应用中，可接受的是仅具有凹腔且不具有多孔的可压缩的嵌入件来在混合/边界润滑型态期间施加润滑剂且在液力润滑型态期间储存多余的润滑剂。凹腔尺寸的减小在混合边界润滑型态期间迫使其中存储的润滑油排出到气缸。在液力润滑型态期间凹腔尺寸的增大允许多余的润滑剂进入。
尽管本发明与上压缩环一起使用被最佳使用且最具有益处，但是它还可以应用于擦拭环。此外，在特定的应用中存在去除底油环的可能性。
以这种方式，本发明通过恰在需要时在特定位置提供更特定的润滑而提供了改善的润滑输送。改善的润滑以两种方式使得液力润滑拖滞相关的损失减小。其去除了多余的润滑剂，并且还允许使用较低粘度的润滑剂。较低粘度的润滑剂的使用还减小了油泵体积和泵相关的损失。较低粘度的润滑剂的使用还通过在局部混合/边界润滑型态期间具体地以必需的力矩引导更多的润滑剂而提供了适当的硬件保护。较低粘度的润滑剂的使用还减小了最小扭矩以在低温下起动发动机，并允许起动需求所需要的电池尺寸的减小。本发明还可以减小低温下的NOx浓度，以有益于排放。
在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，其它变形和修改也是可以的。
Claims (12)
1.一种用于具有发动机气缸的内燃发动机的活塞的活塞环，所述活塞环包括：
主体构件，所述主体构件位于所述活塞的环槽中；
所述主体构件具有内侧周边、上壁、下壁和外侧周边；
所述外侧周边在其中具有凹腔，以在其中储存润滑剂；以及
所述上壁具有接近于所述外侧周边的外侧部分，被构造为在动力冲程的一部分过程中能够在挠曲位置和未挠曲位置之间弹性地挠曲，所述凹腔的储存所述润滑剂的容积通过所述上壁到所述挠曲位置的挠曲而减小，以便将润滑剂从所述凹腔驱出到所述气缸的壁，并且所述上壁在其它时间期间弹性地返回到所述未挠曲位置，以允许多余的润滑剂从所述气缸的所述壁通入到所述凹腔中。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
容纳在所述凹腔中的嵌入构件，所述嵌入构件是多孔的以吸收润滑剂，并且是可压缩的以释放所述润滑剂。
3.根据权利要求2所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
所述嵌入构件是编织碳纤维。
4.根据权利要求3所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
主动止动构件，所述主动止动构件限制所述上壁的挠曲和所述嵌入构件的压缩。
5.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
所述上壁具有接近于所述外侧周边渐缩的外侧部分。
6.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，其还包括：
所述凹腔不对称地设置为相对于所述下壁更靠近所述上壁。
7.一种用于具有发动机气缸的内燃发动机的活塞，所述活塞包括：
具有侧壁的活塞头，所述侧壁具有用于定位活塞环的至少一个环槽；
所述活塞环具有用于定位在所述活塞的所述至少一个环槽中的上面一个中的主体构件；
所述主体构件具有内侧周边、上壁、下壁和外侧周边；
所述外侧周边在其中具有凹腔，以在其中储存润滑剂；以及
所述上壁具有接近于所述外侧周边的外侧部分，被构造为在动力冲程的一部分过程中能够在挠曲位置和未挠曲位置之间弹性地挠曲，所述凹腔的储存所述润滑剂的容积通过所述上壁到所述挠曲位置的挠曲而减小以将润滑剂从其驱出到所述气缸的壁，并且所述上壁在其它时间期间弹性地返回到所述未挠曲位置，以允许多余的润滑剂从所述气缸的所述壁通入到所述凹腔中。
8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，其还包括：
容纳在所述凹腔中的嵌入构件，所述嵌入件是多孔的以吸收润滑剂，并且是可压缩的以释放所述润滑剂。
9.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，其还包括：
所述嵌入构件是编织碳纤维。
10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，其还包括：
主动止动构件，所述主动止动构件限制所述上壁的挠曲和所述嵌入构件的压缩。
11.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，其还包括：
所述上壁具有其接近于所述外侧周边渐缩的外侧部分。
12.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，其还包括：
所述凹腔不对称地设置为相对于所述下壁更靠近所述上壁。
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