CN104395649A - 用于发动机的压缩环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于发动机(10)的压缩环(42)。所述压缩环可包括具有外表面(44)的圆柱本体、及形成于圆柱本体中且与圆柱本体的外表面同心的中心孔(46)。所述圆柱本体可包括从中心孔至外表面的径向尺寸(D)，该径向尺寸约为圆柱本体的轴向尺寸(d)的1.1至1.3倍。

Description

用于发动机的压缩环

技术领域

本公开大体上涉及一种发动机，尤其涉及一种具有压缩环的发动机。

背景技术

传统的二冲程发动机包括气缸、与气缸相连以至少部分地形成燃烧室的缸盖、及配置在燃烧室内的活塞。气缸的衬套内形成有至少一个端口，如进气端口，以便每次活塞在气缸内向下运动时允许与燃烧室进行气体交换。所述活塞具有环形槽及配置在所述环形槽中的环。

活塞环执行多个不同的功能，包括密封活塞与气缸衬套间的径向间隙从而使燃烧室内部保持高气压。活塞环所执行的其他功能包括保持活塞与气缸衬套间的润滑、传递热量使活塞冷却、及在活塞往复运动中保持相对于气缸衬套的活塞的轴向位置。

活塞环一般分为两类：压缩环和控油环。压缩环通常朝向活塞的顶部并最接近燃烧室。压缩环的主要目的是在活塞的压缩冲程与做功冲程期间阻止气体从活塞中泄漏，所述泄漏称为窜漏。控油环设计用于在活塞的上升冲程期间向气缸衬套供油以起到适当的润滑作用，并在活塞的下降冲程期间将余油推送到气缸底部。压缩环可提供二次油控制，而控油环可提供二次窜漏控制。

如活塞环未能成功密封活塞与气缸衬套间的径向间隙，可能出现若干个不同的问题。高压气体从燃烧室窜漏至活塞下方的曲轴箱可使发动机性能降低并污染发动机油。如在上升冲程中发动机衬套上分布的油量不充分，后续可能导致衬套磨损、刮伤等其他种类损伤。如余油在下降冲程后留在气缸衬套处，这些油有可能燃烧并导致颗粒物排放水平超出政府监管标准。颗粒物的形成也可能损伤发动机。

所公开的发动机旨在解决上述一个或多个问题。

发明内容

一方面，本公开针对一种活塞环。所述活塞环可包括具有外表面的圆柱形本体、及形成于圆柱形本体中且与圆柱形本体的外表面同心的中心孔。所述活塞环还可包括从中心孔至外表面的圆柱形本体的径向尺寸，该径向尺寸为圆柱形本体的轴向尺寸的1.1至1.3倍。

另一方面，本公开针对一种活塞组件。所述活塞组件可包括气缸衬套、配置于气缸衬套中的活塞头、及配置在活塞头的槽中的压缩环。此外，压缩环的径向宽度可为其轴向厚度的1.1至1.3倍，且气缸衬套可具有如下表面饰面(粗糙度)：Rk(核心)约为40至100微英寸、Rpk(峰高)最大值约为50微英寸及Rvk(谷深)约为32至100英寸。

附图说明

图1是已公开示例性发动机的剖面图；

图2是可与图1所示发动机结合使用的已公开示例性活塞及压缩活塞环的示意图；

图3是提供图2所示压缩环的替代视图的示意图；

图4-图7是可与图2所示活塞及压缩环结合使用的已公开示例性活塞环的示意图。

具体实施方式

一种示例性内燃机10在图1中予以说明。所述发动机10描述为一种二冲程柴油发动机。然而，可以设想发动机10为以下另一种内燃机，如四冲程柴油发动机、二冲程或四冲程汽油发动机、或二冲程或四冲程气体燃料发动机。除其它部件，发动机10还包括至少部分地限定气缸14的发动机缸体12、设置于气缸14内的衬套16、和与发动机缸体12相连接以封锁衬套16的端部的缸盖18。活塞20可滑动配置于衬套16中，且所述活塞20连同衬套16及缸盖18一起限定燃烧室22。可以设想的是，发动机10包括任意数量的燃烧室，且所述燃烧室22设置成“直列式”结构(如图1所示)、V形结构、活塞对置结构或任何其他传统结构。

如图1和图2所示，气缸14的衬套16包括饰面(finish)31，所述饰面31设计用于在其内表面上保持所需厚度的油。一实施例中，油膜所需厚度可约为0.0001至0.001英寸。在所述实施例中，饰面31可具有约为40至100微英寸的核心(Rk)范围、约为50微英寸的峰高(Rpk)最大值及约为32至100英寸的谷深(Rvk)范围。饰面31可连同位于活塞20上的一组特定的活塞环一起使用。

活塞20可配置在衬套16中在下止点(BDC)或最低位与上止点(TDC)或最高位之间往复运动。特别是活塞20可为包括可枢转地连接至杆26的活塞头24的组件，所述杆26进而可枢转地连接至曲轴28。发动机10的曲轴28可转动地设置于发动机缸体12内，并且每个活塞20通过杆26与曲轴28联接，因此每个活塞20在衬套16中的滑动可使曲轴28旋转。同理，曲轴28的旋转也可使活塞20滑动。随着曲轴旋转约180度，活塞头24和与之连接的杆26可在下止点与上止点之间移动一个全冲程。发动机10，即二冲程发动机，可包括完整循环，该循环包括做功/排气/进气冲程(TDC至BDC)和进气/压缩冲程(BDC至TDC)。

在上述做功/排气/进气冲程的最后阶段，空气通过位于衬套16中的一个或多个气体交换口(如进气口)30被吸入燃烧室22。特别是活塞20在衬套16中向下运动，因此活塞最终将到达某一位置使端口30不再被活塞20堵塞而与燃烧室22流体连通。当进气端口30与燃烧室22流体连通且进气端口30处的空气压力大于燃烧室22内的压力时，空气将通过进气端口30进入燃烧室22。燃料可在空气被吸入燃烧室22之前、过程中或之后与空气混合。

在上述进气/压缩冲程的开始，空气仍可通过进气端口30进入燃烧室22，且活塞20可开始其上升冲程以使燃料和空气在燃烧室22内混合。最终，活塞20将堵塞端口30，并且活塞20的进一步向上运动会压缩上述混合物。随着混合物在燃烧室22内被压缩，混合物的温度将上升。最终，混合物的温度及压力将达到使混合物燃烧的点，从而使化学能在燃烧室22内以温度及压力峰值的形式释放。

在做功/排气/进气冲程的第一阶段，燃烧室22内的压力峰值可迫使活塞20向下，从而将机械能传递到曲轴28。在上述向下运动过程中的某一特定点，位于缸盖18中的一个或多个气体交换口(如排气口)32可打开以使燃烧室22内的加压废气排出。特别是随着活塞20在衬套16中向下运动，活塞将最终到达一位置，在该位置处排气门34移动成使燃烧室22与排气口32流体连通。当燃烧室22与排气口32流体连通且燃烧室中废气压力大于排气口32压力时，废气将通过排气口32从燃烧室22排入排气歧管36。本公开实施例中，排气门34循环运动且该运动受控于与曲轴28机械连接的凸轮(未示出)。然而，可以设想排气门34的运动可根据需要使用任何传统方式控制。还可设想，必要时排气口32或可置于气缸衬套16中，如在回流扫气双循环发动机中。

如图1和图2所示，活塞20的活塞头24通常为圆柱状结构，该圆柱状结构的外环形表面40中具有一条或多条槽38。所述槽38配置用于接收任意数量的活塞环，所述活塞环包括例如一个或多个油环或刮油环、一个或多个压缩环、和/或在本技术领域已知的其他类型的活塞环。一种示例性活塞环组39在图1中予以描述，并且包括六个环，其中四个可以是压缩环(如上部的四个环)。剩余环可以是控油环(如下部的两个环)。

图2仅说明了具有一个示例性压缩环42的活塞20的上部。所述环42包括具有中心孔46的圆柱本体、和与中心孔46大致同心的外环形表面44。中心孔46的直径可大于相关联的槽38的内径但小于活塞头24的外径，因此由于直径差异，环42可至少部分地保持在槽38内。环42的径向尺寸或宽度(D)可约为0.225至0.245英寸或约为该环42的轴向尺寸或厚度(d)的1.1至1.3倍。本公开实施例中，d可约为0.1875至0.1900英寸。

尺寸D和d使环42具有期望程度的弹性。在一个实施例中，期望程度的弹性可以是这样的，即，使环42具有足够的硬度用以在运行中抑制屈曲，但又具有足够的弹性以在发动机10运行中适应由高温和/或压力引起的变形。具体地说，尺寸D和d使环42能承受基本均匀的径向变形。在一个实施例中，环42可扩张至气缸14的壁并与之相合(例如，形状一致)。气缸14的直径可约为9.060英寸。在所述实施例中，环42可设计为在约400至900摄氏度的高温和/或约1500至2000psi的燃烧压力下径向变形。

活塞头24和衬套16可通过径向间隙48分隔。在活塞20的上止点至下止点的冲程中，燃烧室22内的燃烧压力可使环42变形并径向扩张横跨径向间隙48，使得环表面44延伸并抵靠饰面31。环42具有弹性从而可适应于衬套16的形状(包括其中的各种轮廓起伏)。通过接触并适应于衬套16，环42可密封并防止气体窜漏，并且有助于将余油从衬套16的饰面31上移除。

环42可由不锈钢基材料制成，所述不锈钢基材可已被预先施加应力以改进环的疲劳强度和断裂敏感度。环表面44通常为不对称的筒状从而可在饰面31上产生均匀可控的油层。环表面44涂布有陶瓷镀铬以便更好地维持环42的长期运行。此外，环42侧镀有铬以增加耐磨度。

图3说明了环42及其组成部分，此后所提及的环也具有相同的组成部分。一些所述相同组成部分包括以间隙45间隔的端部43及位于端部43的环末端突出防护部47。间隙45大致对准端口30以避免在活塞20的TDC至BDC冲程和BDC至TDC冲程中环末端突出到端口30中，所述环末端突出可能损坏端口30和/或环42。此外，环42中的间隙45提供了扭曲环42所必需的间隔和弹性使得环42可滑入槽38中，从而便于把环42装配到槽38中。表面末端突出防护部47可充当抑制端口30损坏的附加措施。特别是，表面末端突出防护部47可使环42的任何部分均无法进入端口30。

图4说明了压缩环、环50的另一实施例。环50可与环42一起或分开使用。如环50可处于环42下方的第二位置。环50包括具有中心孔46的圆柱本体和与中心孔46大致同心的外环形表面52。中心孔46的直径可大于相应槽38的内径并小于活塞头24的外径，因此由于直径差异，环50可至少部分地保持在槽38内。环50的径向尺寸或宽度(D)可约为0.290至0.305英寸或约为该环50的轴向尺寸或厚度(d)的1.5至1.7倍。本公开实施例中，d可约为0.1850至0.1885英寸。

环50可由球墨铸铁基材料制成。环表面52可具有对称的筒状从而可在饰面31上产生均匀的可控油层。环表面52涂布有陶瓷镀铬以便更好地维持环50的长期运行。可以设想，必要时两个环50可同时用于同一环组39。

图5说明了压缩环、环54的另一实施例。环54可与上述环一起或分开使用。如，环54可处于环42下方的第二位置。所述环54包括具有中心孔46的圆柱本体和与中心孔46大致同心的外环形表面56。中心孔46的直径可大于相应槽38的内径并小于活塞头24的外径，因此由于直径差异，环54可至少部分地保持在槽38内。环54的径向尺寸或宽度(D)可约为0.290至0.305英寸或约为其轴向尺寸或厚度(d)的1.5至1.7倍。本公开实施例中，d可约为0.1850和0.1856英寸之间。

环54可由球墨铸铁基材料制成。环表面56可包括纳皮尔式钩状刮刀58、两个环形槽55和凹陷通道57。刮刀58和槽55可用于在活塞20的TDC至BDC冲程中激烈地刮擦油。各槽55可填充铁基材料，槽的宽度约为0.017至0.022英寸，深度约为0.025至0.035英寸。各槽55以约0.018至0.022英寸的间隙间隔设置。槽55定位成使得它们基本上定中在环表面56的不被刮刀58间断的其余部分上。通道57有助于截留住刮下的油并将油传递至端口30下方。通道57的宽度可约为0.032至0.048英寸，高度约为0.065至0.085英寸，半径约为0.030英寸。环表面56涂布有铁基材料以便更好地维持环50的长期运行。

图6说明了控油环、环60的一实施例。环60可与上述环一起或分开使用。环60为传统的自激励式双钩铁控油环(self-energized irondouble-hook oil control ring)。环60可包括具有中心孔46的圆柱本体和与中心孔46大致同心的外环形表面62。中心孔46的直径可大于相应槽38的内径并小于活塞头24的外径，因此由于直径差异，环60可至少部分地保持在槽38内。环60的径向尺寸或宽度(D)可约为0.290至0.305英寸或约为其轴向尺寸或厚度(d)的1.1至1.2倍。在本公开实施例中，d可约为0.247至0.249英寸。

环60可具有钩63。钩63的宽度可约为0.125英寸，半径约为0.033英寸，并可设置为以与活塞20的轴线成30度角的方式与表面饰面31相接合。组装好时，钩63可指向活塞20的底部(如，朝向杆26)。尽管环60主要设计用作控油环，但它也可用于帮助防止漏气和来自端口30的进入空气进入发动机10的曲轴箱(未示出)。

图7说明了控油环、环64的另一实施例。环64可与上述环一起或分开使用。环64为传统的自紧式双钩铁控油环的衍生物。环64可包括圆柱本体，并可包括多根横条(如两根横条)，横条65和67配置用于从衬套16的饰面31刮擦余油。横条65可包括具有对称筒状面的环表面66。横条67可包括具有不对称筒状面的环表面68。环64的径向尺寸或宽度(D)可约为0.210至0.225英寸或约为其轴向尺寸或厚度(d)的0.84至0.85倍。在本公开实施例中，d可约为0.248和0.249英寸之间。

环64还可包括弹簧70。所述弹簧70用于延长环表面66和68的直径从而使环64的直径大于气缸14的直径。因此，将环64放置成与槽38轴向对齐后，环64在弹簧力作用下扩张并接触衬套16的饰面31。

工业适用性

所公开的活塞环和气缸衬套饰面31可用于需要降低颗粒物排放和燃烧气体窜漏的任何内燃机。特别是，所公开的活塞环和气缸衬套饰面31可协同工作，从而有助于在饰面31上维持所需的油膜厚度，并有助于阻止燃烧气体窜漏进入曲轴箱。环42可设计为在正常的发动机运行中能径向变形或以其他方式扩张(延长)。因此，环42可适应于气缸14的形状并与饰面31直接接触。现将对饰面31和环42、50、54、60和64的功能进行说明。

如图1所示，饰面31可为衬套16上的表面饰面。饰面31可包括轮廓，该轮廓设计用于当饰面31与所公开活塞环组共同使用时将油膜的厚度维持在约0.0001至0.001英寸间。

如，环42可设计为当暴露于燃烧室22内产生的燃烧压和/或燃烧温度时可径向扩张(延长，延伸)。由此，环42可有助于阻止窜漏气体进入曲轴箱。此外，径向扩张的环42与饰面31的相互作用可刮走衬套16上的余油，并留下合适的油膜厚度。如，饰面31的轮廓可留住厚度约为0.0001至0.001英寸的油膜并使厚度超过0.001英寸的油被环42刮走。通过均匀地刮走衬套16上的余油，环42有助于限制留下并在活塞20的TDC至BDC冲程中燃烧的余油的量。限制成比例燃烧的余油的量相应地限制了发动机10运行产生的颗粒物的排放量。

所公开的环42设计有助于通过在饰面31上保持足够量的润滑油来减少在衬套16处产生的摩擦、磨损和损伤。此外，仅环42的接触部44可接触衬套16，因此两者间产生的摩擦小，并仍可使环42将活塞头24径向定位在衬套16中。

为将上述六个示例性活塞环中的每一个安装在槽38中，首先环的端部43被彼此推开以暂时扩大中心孔46的直径。当中心孔46的直径临时扩大时，环可置于活塞头24上并与槽38轴向对齐。然后松开环的端部43使环收缩到槽38中并因此时中心孔46的较小的直径而保持在槽38中。

由于饰面31和环42、50、54、60和64的设计和构造相对简单，因此易于安装至任何内燃机10。具体地说，如需要这类益处时，旧发动机可用具有所述饰面31的衬套16和环42、50、54、60和64来进行改装。可根据监管标准要求改进发动机10的旧的或现有模式从而减少发动机的颗粒物排放。这种情况下，具有所述饰面31的衬套16和环42、50、54、60和64的改装发动机10可解决发动机10的颗粒物排放相关问题。

对于所公开的活塞环和气缸衬套，本领域技术人员能够在不脱离本公开的范围内进行各种变形和改良。本领域技术人员可考虑本说明书和所公开的活塞环和气缸衬套的实践来推理出属于活塞环和气缸衬套的其他实施方式。说明书和实施例仅为例示，本公开的准确范围由下列权利要求及其等同物表明。

Claims (10)

1.一种活塞环(42)，包括：

具有外表面(44)的圆柱本体；及

形成于圆柱本体中且与圆柱本体的外表面同心的中心孔(46)，

其中从中心孔至外表面的圆柱本体的径向尺寸(D)为圆柱本体的轴向尺寸(d)的约1.1至1.3倍。

2.如权利要求1所述的活塞环，其中圆柱本体配置用于当其暴露在约1500至2000psi的压力中时向外扩张并一致地适应于气缸(14)，所述气缸的直径至少为9.060英寸。

3.如权利要求1所述的活塞环，其中圆柱本体由不锈钢基材料制成。

4.如权利要求1所述的活塞环，其中圆柱本体是筒状的。

5.如权利要求1所述的活塞环，其中活塞环(42)是一组至少六个活塞环(42，50，54，60，64)中的一个，所述至少六个活塞环包括：

至少四个压缩环(42，50，54)；及

至少两个控油环(60，64)。

6.如权利要求5所述的活塞环，其中所述至少六个活塞环(42，50，54，60，64)的端部(43)通过间隙(45)分隔，且具有末端突出防护部(47)。

7.如权利要求5所述的活塞环，其中：

所述至少四个压缩环(42，50，54)中的至少两个(50)是筒状的；及

所述至少两个压缩环的径向宽度(D)约为该至少两个压缩环的轴向厚度(d)的1.5至1.7倍。

8.如权利要求5所述的活塞环，其中：

所述至少四个压缩环(42，50，54)中的至少一个(54)是纳皮尔式钩状刮油环；及

所述纳皮尔式钩状刮油环的径向宽度(D)约为该纳皮尔式钩状刮油环的轴向厚度(d)的1.5至1.7倍。

9.如权利要求5所述的活塞环，其中：

所述至少两个控油环(60，64)中的至少一个控油环(60)是双钩环；以及

所述双钩环的径向宽度(D)约为该双钩环的轴向厚度(d)的1.1至1.2倍。

10.如权利要求5所述的活塞环，其中：

所述至少两个控油环(60，64)中的至少一个控油环(64)具有弹簧激励横条组；及

所述至少两个控油环中的所述至少一个控油环的径向宽度(D)约为所述至少两个控油环中的所述至少一个控油环的轴向厚度(d)的0.84至0.85倍。