CN104067034A - 内燃发动机的活塞的密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及密封装置(10)，其适合被插入内燃发动机的活塞(20)的第一槽(20′)中。根据本发明的密封装置(10)包括界定第一间隙部分(12′)的第一环形本体(10′)和界定第二间隙部分(12″)的第二环形本体(10″)。根据本发明，此类本体重叠以便相对于参考轴线(101)，所述第一部分(12′)的位置不同于所述第二部分(12″)的位置，所述两个本体(10′、10″)与所述参考轴线(101)共轴。

Description

内燃发动机的活塞的密封装置

发明领域

本发明属于内燃发动机的生产领域。更准确地，本发明涉及适合提供燃烧室和气缸体之间的密封的内燃发动机的活塞的密封装置。本发明还涉及包含根据本发明的密封装置的内燃发动机并且还涉及包含所述内燃发动机的商用或工业交通工具。

现有技术的描述

众所周知，在奥托循环或狄塞尔循环内燃发动机中，在燃烧室中形成的压力直接作用在各自活塞的头上，引起其在相应的气缸中的冲程。活塞冲程导致活塞本身被连接到的曲轴的旋转。因此，压力对活塞的作用导致用于主动轴的可利用转矩。

还已知的是，为了隔开每个燃烧室与气缸体，密封圈通常被使用、被放置在活塞本体上所界定的相应的周边槽中。在这方面，图1是包含槽的活塞1的透视图，密封圈3通常被放置在所述槽内。通常使用的密封圈经受高温并且经受按照其强度和其方向两者的复合力。由于这个原因，其沿着圆周对应于中断部分3′或“间隙部分”3′被中断。

密封圈的数量，即被界定在活塞中的环形槽的数量，根据发动机的类型变化。在奥托循环发动机的情况下，例如，至少第一槽和第二槽被界定在活塞上，所述第二槽在所述第一槽之下的位置。因此，两个密封圈将被提供。

在“快速的”狄塞尔循环发动机即具有3000rpm或以上的旋转速度的情况下，两个槽通常被提供在活塞上的第一槽之下。因此，至少三个密封圈将被提供。当在“缓慢的”狄塞尔循环发动机即具有低于1500rpm的旋转速度的情况下，除了第一槽之外，槽的数量可以高于或等于三个。因此，在这些情况下较高数量的圈被提供。

然而，在任何情况下，被插入到活塞的第一环形槽(即较靠近活塞顶表面的那个)中的密封圈的主要功能通常是气密封的，而在其它槽中(第二、第三，等等)的圈还可以是刮刀式，或无论怎样，还可以具有其它目的。

图2和图3示出通常被插入到第一环形槽中的密封圈的两种不同的实施方案。特别地，在这些图中所示的密封圈示出实质上Z形的中断部分(间隙)，即包括具有较大延伸的中央部分5′和两个具有较小延伸的末端部分5″，所述末端部分5″从中央部分5′的相对的侧面形成。

更准确地，在图2的解决方案中，间隙部分的部分5′主要根据相对于其中圈所在的水平面4的倾斜面形成，而两个末端部分5″根据正交于同样的水平面4的平面形成。然而在图3的解决方案中，间隙部分的部分5′平行于其中圈所在的水平面4形成，而两个末端部分5″通常根据正交于同样的水平面4的平面形成。

上文所描述的两种解决方案(图2和3)，因为界定间隙部分的不同部分的定向，阻挡圈的两个平整表面(图2和3中所示的下表面6′和上表面6″)之间的气体通路。狭槽部分根据“曲径(labyrinth)”形状被实质上界定，即其根据彼此之间附带的不同的平面形成，以便阻挡气体流向气缸体。

图2和3中所示的解决方案，以及本领域中已知的其它类似的解决方案，在舰船上使用的热力发动机的领域中或无论如何在其中相当大的直径的气缸/活塞被需要的那些情况下是相对有效的。然而，这些解决方案，在低功率发动机的情况下，即在通常低于250mm的直径(内径)的情况下是极其不利的。在这些应用中，因为缩减尺寸的密封圈(随之而来的缩减尺寸的活塞)，界定具有根据上文所描述的那些的“曲径”结构的间隙部分是极其困难。这意味着一方面增加的成本并且另一方面低的可靠性。特别地已经注意到，在具有缩减内径的发动机的情况下，传统的圈在性能和燃料消耗两方面具有局限。在这种意义上，必须注意到，对燃烧室中所产生的气体的低效率的密封导致主动轴可利用的功率减少。

根据这些考虑，对备选的技术解决方案的需要显现出来，所述备选的技术解决方案允许克服前述局限以及与传统密封圈相关的缺点。因此，本发明的主要任务是提供用于内燃发动机的活塞的密封装置，所述密封装置允许解决上文所述的所有缺点。

在此任务的范围中，本发明的第一个目的是提供对每个类型的发动机(即不考虑其内径)都是有效的密封装置。本发明的另一目的是提供允许获得相对于传统的解决方案较高的密封即允许减少/取消从燃烧室到气缸体环境的气体流动的密封装置。

相当重要地，本发明的目的是提供可靠并且容易以有竞争力的成本制造的密封装置。

发明概述

本发明因此涉及根据权利要求1中所陈述的内容的密封装置。特别地，密封装置具有极其简单的结构，所述结构通过连接两个环形本体来获得，它们中的每一个包含由具有实质上径向切面(radial section)的平面所界定的间隙部分。两个环形本体的重叠和环形本体本身的间隙部分的偏置位置(未对齐)整体上界定允许获得燃烧室的改善的密封的“曲径结构”。与现有技术不同，此类曲径结构在没有对环形本体的复杂并且精密的切割操作下被获得，在成本和可靠性方面具有显著的优势。

本发明的目标还是根据权利要求8中所陈述的内容的活塞。特别地，活塞的特征在于其包括根据本发明的密封装置，所述密封装置被放置在活塞的第一槽中以便环形本体在槽内自由旋转。此解决方案有利地允许使环形本体的磨损和/或安置环形本体的第一槽的磨损保持均匀。同时，此解决方案还使在发动机正常运行期间对应于第一槽的积碳的形成保持得更均匀。

附图列表

根据本发明，从以下对密封装置的详细描述中，另外的特征和优点将变得明显的，所述密封装置以仅仅例证性并且非限制性的形式被示出在附图中，其中：

-图1示出包含本领域已知类型的密封圈的内燃发动机的活塞的透视图；

-图2和3示出本领域已知类型的密封圈的示意图；

-图4示出根据本发明的密封装置的分解图；

-图5示出根据本发明的包含密封装置的活塞头的部分；

-图6示出根据本发明的密封装置的第一实施方案的剖视图；

-图7、7A以及7B示出根据本发明的密封装置的另外的实施方案的剖视图；

-图8和9示出根据本发明的密封装置在内燃发动机的活塞的第一环形槽中的第一可能的阻挡模式；

在附图中，相同的参考数字和字母识别相同的元件或组件。

发明详细描述

本发明因此涉及适合安装在内燃发动机的活塞上的密封装置10。特别地，密封装置10被意图可操作地放置在被界定在活塞的本体20上的第一环形槽20′之内。特别地，词句“第一槽”表示活塞的较靠近活塞本身的本体20的头25的环形槽20′，如图10中所示。

根据本发明的密封装置10包括第一环形本体10′和第二环形本体10″。第一本体10′界定实质上中断了环形的连续性的第一间隙部分12′。第一间隙部分12′因此被界定在第一环形本体10′的两末端10a之间。根据本发明，此类末端10a中的每一个形成于径向平面，即在包含参考轴线101的平面上，第一环形本体10′围绕所述参考轴线101形成。

同样地，第二本体10″界定实质上中断了环形的连续性的第二间隙部分12″。同样，第二间隙部分12″因此被界定在第二环形本体10″的两个相互面对的末端10b之间。同样，在这种情况下，第二本体10″的末端10b是径向平面，即其在包含参考轴线101的径向平面上形成，第二环形本体10″围绕所述参考轴线101形成。

参考图6和7，根据本发明，两个环形本体10′、10″具有相同的直径尺寸。这意味着第一环形本体10′的内径Di和外径De与第二环形本体10″的内径Di′和外径De′相一致。

根据本发明，第一本体10′与第二本体10″连接以便两个本体与图4中所示的参考轴线101共轴。两个本体10′、10″在实质上正交于所述参考轴线101的接触面(图5中所示)上接触。特别地，根据本发明，两个本体10′、10″被布置以便第一本体10′的第一间隙部分12′的位置不同于第二本体10″的第二间隙部分12″的位置。两个部分12′、12″的位置相对于上文界定的参考轴线101被评估。

换句话说，两个环形本体10′、10″被布置以便两个间隙部分12′、12″没有被对齐，即其没有被放置在相同的平面上。通过这种特定的布置，穿过第一本体10′的第一间隙部分12′的气体流动有利地被第二本体10″阻塞。两个本体10′、10″的重叠以及两个部分12′、12″的偏置位置整体上界定允许获得燃烧室的完全密封的“曲径结构”。不同于现有技术，此类“曲径结构”在没有对环形本体的复杂并且精密的切割操作下被获得。

相反，第一部分12′根据第一平面102′界定，第一平面102′具有实质上径向切面，即包含参考轴线101，第一环形本体10′围绕所述参考轴线101形成。同样地，第二间隙部分12″也根据具有实质上径向切面的不同于第一平面201′并且也包含参考轴线101的第二平面102″界定。明显的是，为了获得这样的间隙部分12、12，简单并且便宜的切割操作是足够的。

根据本发明，两个本体10′、10″皆具有径向切面，所述径向切面包括在实质上正交于所述参考轴线101的平面上形成的至少平坦侧15。两个环形本体10′、10″重叠并且对应于如图6、7、9、7A、7B中所示的相应的平坦侧而被连接。此类平坦侧实质上界定上文所示的接触面102，对应于所述接触面102，两个本体10′、10″被连接。

通常根据本发明，意图占用在所述第一槽中的上部位置的本体10′、10″中的至少一个具有径向的锥形形状，所述锥形形状部分地通过所述平坦侧15并且部分地通过与平坦侧15相对的至少倾斜侧16而被界定，所述倾斜侧16从较高的高度H1到较低的高度H2形成，如图7和9中所示的。为了本发明的目的，所述本体10′、10″的表达“径向切面”涉及相对于包含参考轴线101的剖面被评估的切面。

具有锥形径向切面的环形本体(在槽20′的上部)的使用允许有利地限制积碳只在槽本身中形成。环形本体10′、10″的形状(在径向切面的形状方面)，与其相互的位置(在本体本身的间隙部分12′、12″的相互位置方面)一起以协作的方式使得密封装置10确保燃烧室的有效气密封并且同时有效地控制积碳的形成变成可能，尤其是在狄塞尔发动机领域中。

根据本发明另一特别相关的方面，两个环形本体10′、10″在其平坦侧15的附近被连接并且借助于机械固定操作比如例如点焊或紧压(pinching)而被相互地阻挡(block)。机械固定操作实质上具有界定对应于两个环形本体10′、10″的接触面(平坦侧15)的某些连接区域39的目的。此类连接区域39防止两个本体10′、10″的相对运动，即其保持两个本体10′、10″相互地阻挡以便第一本体10′的第一间隙部分(12′)相对于第二部分(12″)保持固定的位置，反之亦然。因此，通过连接两个环形本体10′、10″所界定的“曲径结构”被有利地确保。例如，在焊接的情况下，连接区域39由来源于焊接的熔接材料的区域所界定。这样的区域可以是点状的，如在点焊的情况下，但也可以是连续的，在整个连接侧形成或按区域形成。

再参考图4，第一间隙部分12′在包含参考轴线101的第一径向平面102′上形成，而第二间隙部分12″在第二径向平面102″上形成。两个本体10′、10″被优选地连接并且相互地阻挡以便第一径向切面平面102′和第二径向切面平面102″之间的角度α被包括在30°和180°之间的范围中。上文所述的角度α代表环形本体10′、10″的间隙部分12′、12″的不同位置。

参考图5，燃烧室中产生的气体(通过箭头F1所示)穿过第一本体10′的第一间隙部分12′，但其通路被存在的第二本体10″阻挡。为了达到第二间隙部分12″，气体因此被迫渗入彼此接触的两个本体10′、10″之间，因此失去其强度。这方面导致气缸体中有利的压力密闭度，并且同时导致发动机性能的增加，因为气体的能量没有被耗散而相反其被转换成用于主动轴的有效功率。这还表示燃料消耗的有利的减少，所述有利的减少可以被估计在1个百分点和1.5个百分点之间的范围。

图6和9涉及第一可能的实施方案，其中第一本体10′具有实质上梯形形状的径向切面，而第二本体10″具有实质上矩形形状的径向切面。用这种方式，并且因为第一本体10′(在槽20′中的上本体)的锥形形状，密封装置10的径向切面整体上具有“直角梯形”的形状，其中第一本体10′的倾斜侧16被意图面向活塞20的第一槽20′的上侧26′。如已经提到，此类解决方案同时允许燃烧室的最佳气密封和在第一槽20′本身之内的积碳形成的限制。

如果密封装置具有前述的形状(具有锥形的径向切面的第一本体10′和具有矩形的径向切面的第二本体)，活塞的第一槽20′将具有实质上C形的径向切面，以便遵从环形本体10′、10″在槽本身之内的微动。此类微动产生自清洁效果，因此允许较好地控制来源于燃烧的积碳形成。

参考图7，根据备选的实施方案，第一本体10′和第二本体10″两者皆具有通过平坦侧15并且通过与平坦侧相对的倾斜侧16所界定的锥形的/梯形的形状的径向切面，所述倾斜侧16从对应于两个本体10′、10″的外径(De、De′)的较高的高度H1直到相反地对应于内径Di、Di′的较低的高度H2形成。在这种情况下，两个本体10′、10″对应于其平坦侧15被连接、重叠并且相互地阻挡以便界定用于密封装置10的实质上梯形形状的径向切面，此类径向切面具有实质上等腰梯形的形状，具有两个倾斜侧16，它们中的每一个被意图面向第一槽20′的侧(上部的26′或下部的26″)。这样的第二实施方案特别适合用于以高于15-16的MEP(平均有效压力)运行或使用重质燃料的狄塞尔发动机。在这些条件中，实际上，有必要产生在圈和槽之间的自清洁效果，所述自清洁效果通过圈在槽内的微运动而获得。在这个意义上，已经观察到，两个环形本体10′、10″的径向切面的锥形形状和密封装置10的径向切面的总体上“等腰梯形”的形状对于控制积碳的形成是非常有效的。

参考图7和7A，在具有锥形/梯形的切面的环形本体10′、10″的存在下，活塞20的第一槽20′可以具有等腰梯形形状的径向切面(图7中所示)，即在几何学上与通过连接两个本体10′、10″产生的密封装置10的径向切面的形状配对。作为备选，活塞的第一槽20′可以具有实质上C形的径向切面(图7A中所示)。

密封装置10的两个环形本体10′、10″可以由通常被用于制造传统类型的密封圈的材料制造。此外，根据本身已知的方法，它们可以被表面涂层、或处理以便增加耐磨性。

本发明还涉及用于包括柱形本体20的内燃发动机的活塞，所述柱体20围绕纵向轴线105(图5中所示)形成，其在上面被顶表面(head surface)25所定界。此类本体20包括被界定在靠近此类顶表面25的位置中的至少第一环形槽20′。活塞20的特征在于其包含根据本发明被可操作地布置在第一槽20′之内的密封装置10。在这一点上，当密封装置10被插入第一槽20′中时，活塞20的纵向轴线105与密封装置10的参考轴线101对齐，如图4和5中所示。

根据本发明，密封装置10以可旋转的方式被插入活塞20的第一槽20中，即以便环形本体10′、10″相对于活塞本体20的纵向轴线105自由旋转。换句话说，密封装置相对于第一槽20′自由旋转直到某种程度，这有利地允许使磨损和积碳形成均匀。此类效果有利地导致密封装置的可靠性和寿命的增加。同时，两个本体10′、10″两者皆有助于燃烧室中所产生的气体的密封并且有助于刮去其中活塞20滑动的气缸的壁上的残油。可以观察到的是，当密封装置10相对于其中密封装置10被安置的第一槽10′自由移动/旋转时，两个本体10′、10″由于彼此限制它们的机械固定而不能改变它们相互的位置。因此，本体10′、10″的间隙部分12′、12″的成角度的相互位置保持不变以确保上文所描述的曲径结构。

再参考图6和7，如上文所示，活塞的第一槽20′的径向切面可以具有不同的径向切面，这取决于密封装置10的本体10′、10″的径向切面的几何形状。第一槽20′的表达“径向切面”表示相对于包含活塞的纵向轴线105(图5)的剖面被评估的切面。第一槽20′，例如，可以因此具有实质上C形的径向切面(如图6中所示)、或作为备选的，实质上梯形形状的径向切面(如图7中所示)。

参考图8和9，根据可能的实施方案，密封装置10(图8和9)的环形本体10′、10″的机械固定操作在把密封装置插入第一槽20′中之后进行。

本发明最后涉及包含多个气缸的内燃发动机，活塞被可滑动地插入在它们的每一个中。此类发动机的特征在于根据本发明的活塞被插入所述气缸中的至少一个中。

根据本发明的密封装置允许实现上文所陈述的目的。特别地，与已知的解决方案相比，根据本发明的密封装置允许获得燃烧室的改善的隔离，这导致较低的污染并且导致较低的油的劣化。借助于上文所描述的密封装置获得的燃烧室的有效隔离度还允许减少气缸体中的压力，并且增加性能并且减少发动机自身的燃料消耗量。同时，根据本发明的密封装置允许有利地减少渗漏穿过环形本体的气体流量。此类气体，众所周知，需要被过滤以便在被再循环到输入管路之前分离它们所包含的油。减少此类气体流量导致复杂性和与气体过滤相关的成本的有利减少。

根据本发明的密封装置可以经受大量的变型或修改，而不偏离本发明的范围；此外，所有的细节可以被在技术上是等效的其它细节所替换。

在实践中，根据目前的技术需求和目前的工艺水平，所使用的材料以及还有尺寸以及形状可以是任何的。

Claims (13)

1.一种用于内燃发动机的活塞的密封装置(10)，所述密封装置(10)适合于被插入到所述活塞的第一环形槽(20′)中，其特征在于，所述密封装置(10)包括：

-第一环形本体(10′)，其界定第一间隙部分(12′)；

-第二环形本体(10″)，其界定第二间隙部分(12″)，所述第二本体(10″)具有实质上等于所述第一本体(10′)的直径尺寸的直径尺寸，

所述本体(10′、10″)被连接使得所述本体(10′、10″)实质上与参考轴线(101)共轴并且在实质上正交于所述参考轴线(101)的平面(102)上接触，所述本体(10′、10″)被相互地布置使得所述第一部分(12′)的位置不同于所述第二部分(12″)的位置，所述部分(12′、12″)的所述位置相对于所述参考轴线(101)被评估，所述本体(10′、10″)具有由至少平坦侧(15)所界定的径向切面，所述至少平坦侧(15)实质上正交于所述参考轴线(101)，所述本体(10′、10″)对应于所述至少平坦侧(15)被连接，所述环形本体(10′、10″)中的至少一个具有由与所述平坦侧(15)相对的倾斜侧(16)所界定的锥形形状的径向切面，所述倾斜侧(16)从较高的高度(H1)到较低的高度(H2)形成，所述径向切面相对于包含所述参考轴线(101)的平面被评估。

2.根据权利要求1所述的密封装置(10)，其中所述第一本体(10′)和所述第二本体(10″)通过机械固定操作而被相互地阻挡，使得所述第一部分(12′)相对于所述第二部分(12″)保持固定的位置，且反之亦然。

3.根据权利要求2所述的密封装置(10)，其中所述第一本体(10′)和所述第二本体(10″)通过点焊或紧压而被阻挡。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的密封装置(10)，其中所述第一本体(10′)和所述第二本体(10″)两者皆具有通过平坦侧(15)并且通过倾斜侧(16)所界定的锥形形状的径向切面，所述倾斜侧(16)与所述平坦侧(15)相对，所述倾斜侧(16)从较高的高度(H1)到较低的高度(H2)形成，所述本体(10′、10″)对应于其平坦侧(15)被连接并且重叠使得所述密封装置(10)作为整体具有实质上梯形的径向切面。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的密封装置(10)，其中所述第一本体(10′)具有通过平坦侧(15)并且通过倾斜侧(16)所界定的锥形形状的径向切面，所述倾斜侧(16)与所述平坦侧(15)相对，所述倾斜侧(16)从较高的高度(H1)到较低的高度(H2)形成，并且其中所述第二本体(10″)具有实质上矩形的径向切面，对应于其平坦侧(15)被连接并且重叠使得所述密封装置(10)作为整体具有实质上直角梯形形状的径向切面。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的密封装置(10)，其中所述第一间隙部分(12′)在包含所述参考轴线(101)的第一径向平面(102′)上形成并且其中所述第二间隙部分(12″)在第二径向平面(102″)中形成，其中所述环形本体(10′、10″)被布置并且相互地阻挡使得所述第一径向平面(102′)和所述第二径向平面(102″)之间的角度(α)被包括在30°和180°之间的区间中。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的密封装置(10)，其中所述本体(10′、10″)具有适合改善其耐磨性的表面涂层。

8.一种用于内燃发动机的活塞，所述活塞包括围绕纵向轴线(105)形成的柱形本体(20)，所述柱形本体(20)在上面被顶表面(25)所定界并且包括在靠近所述顶表面(25)的位置中的第一槽(20′)，其特征在于，所述活塞包括被插入到所述第一槽(20′)中的根据权利要求1到7中任一项所述的密封装置(10)，所述密封装置被布置在所述第一槽(20′)中使得所述环形本体(10′、10″)相对于所述纵向轴线(105)自由旋转。

9.根据权利要求8所述的活塞，其中所述第一槽(20′)具有实质上C-形的径向切面，所述实质上C-形的径向切面相对于包含所述纵向轴线(105)的平面被评估。

10.根据权利要求8所述的活塞，其中所述第一槽(20′)具有实质上梯形的径向切面，所述实质上梯形的径向切面相对于包含所述纵向轴线(105)的平面被评估。

11.根据权利要求8到10中任一项所述的活塞，其中所述密封装置(10)的所述本体(10′、10″)在把所述密封装置(10)插入到所述第一槽(20′)中之后借助于机械固定操作而被相互地阻挡。

12.一种内燃发动机，其包括多个气缸，活塞被可滑动地插入在所述多个气缸中的每一个中，所述发动机的特征在于，根据权利要求8到11中任一项所述的活塞被插入到所述气缸中的至少一个中。

13.一种工业或商用交通工具，其包括根据权利要求12所述的内燃发动机。