CN104718403B - 具有周期性变化的凹槽的活塞环 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，一个活塞环具有外工作面，两个侧面和内圆周面，所述工作面具有切削的凹槽，所述凹槽设置在相对于活塞环的横截面的两工作面部分之间。所述两工作面部分彼此隔开并大致凸出地弯曲，且每个具有顶点。所述凹槽具有周期性变化的深度和周期性变化的宽度，且所述深度的轨迹的周期数目与所述宽度的轨迹的周期数目相等。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机或压缩机的活塞环，更具体地说，涉及一种在工作面上设置有凹槽的活塞环，凹槽在圆周方向上具有周期性变化的宽度和变化的、可变深度。
背景技术
现代的，大体积船用发动机仍然是二冲程柴油发动机，因为这种类型的发动机可以用这种方式设计，即速度通常在从约50转/分到250转/分的范围内(通常低于100转/分)，功率可以高达约100MW，这取决于汽缸的数目。这种大体积、低速运行的两冲程船用发动机优选直接作用于螺旋桨的驱动轴，因为降低转速的减速齿轮由于该发动机的转速可以省略。
这种大体积两冲程发动机通常具有两路分开的油回路，一路用于发动机润滑，一路用于汽缸润滑。汽缸润滑确保在合适的时间点提供足够的润滑油以保证汽缸表面和活塞环的充分润滑。
汽缸润滑油通过衬套喷射到活塞室，取决于机器的负载。活塞环在该润滑膜，支撑面上工作。这里喷射尽可能少的润滑油是一个尤其重要的问题，以节省成本并防止过度润滑。汽缸润滑发生在，例如在冲程的上三分之一，利用润滑油泵通过例如设置在汽缸壁的平面上的润滑油进口，提供润滑油进入到汽缸使得活塞和活塞环的润滑尽可能以最佳的方式保证。油供给到汽缸通常用气体背压的方法进行。
例如，可以使用润滑油喷射系统，通过喷嘴以精确计量的方式喷射润滑油到汽缸内。计算机控制系统记录位置，在该位置活塞被定位，然后有针对性的供给润滑油。这在高压时进行，以致于润滑油喷射得非常精细，以获得汽缸套的可能的最为均匀的湿润，但针对活塞环位置和摩擦实际发生位置。
如果考虑到现代的，大体积二冲程船用发动机以高达2500mm的冲程运转在约50转/分到250转/分的速度，可用于润滑油的供给以及供给的润滑油的分配的时间跨度是短暂的，并且是目前确保润滑质量的重大挑战。如果假设，例如一个汽缸具有900mm的(内)直径和围绕汽缸壁的圆周均匀分布8个油供给进口，在可用的时间跨度内供给的润滑油必须分布在圆周方向的从各个进口开始超过约350mm的长度。
已经发现，用一个或多个活塞环的常规设计，在圆周方向(最大约3％)得不到或只能得到非常低的润滑油分布，由于在圆周方向没有足够的压力梯度。
发明内容
本发明的应用领域大体上是内燃机领域，包括非船用的。
本发明的目的在于提供一种确保低油耗和减少漏气的活塞环，具有充分的润滑条件，并且可以廉价地制造。
该目的用具有以下特征的活塞环来实现。一种活塞环，具有工作面，两个侧面和内圆周面，所述工作面具有切削的凹槽，所述凹槽设置在相对于活塞环的横截面的两工作面部分之间，所述两工作面部分彼此隔开并大致凸出地弯曲，且每个具有顶点，所述凹槽具有周期性变化的深度和周期性变化的宽度，且所述深度的轨迹的周期数目与所述宽度的轨迹的周期数目相等。
根据本发明，凹槽设置在活塞环的工作面上，位于两大致凸出地弯曲的工作面部分之间。所述凹槽在圆周方向具有周期性变化的深度轨迹和周期性变化的宽度轨迹。
所述活塞环的工作面以这样的方式形成，可以在一个由所述凹槽和相对工作面形成的空腔内接收润滑油。凹槽的周期性变化的深度轨迹和周期性变化的宽度轨迹导致流体动力压力在圆周方向建立或产生(尤其与宽度轨迹和深度轨迹一起周期性的变化)，在运行期间。所述流体动力压力导致压力梯度，从而导致润滑油流动和润滑油的圆周分布。流体动力影响润滑油的分布从而导致供给或喷射到凹槽中的润滑油的所需要量的减少和更均匀的分布，关于圆周方向。
圆周方向的均匀的润滑油支撑面因此理想地获得，以确保充分的润滑条件，以尽可能均匀地密封漏气(或者获得尽可能低的漏气)，在活塞工作方向有效地剥离润滑油并允许超转。
在本发明的另一实施例中，所述深度的轨迹的周期数目和所述宽度的轨迹的周期数目都为整数。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽在最小宽度时具有最大深度，在最大宽度时具有最小深度。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽的中心是大致相对于所述两工作面部分的顶线的中央，尤其相对于活塞环的轴向尺寸的中央运行。
在本发明的另一实施例中，两大致凸出地弯曲的工作面部分相对于所述活塞环的轴向尺寸的中央对称地设置。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽关于所述活塞环的垂直于轴线的中间截面镜像对称。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽关于所述活塞环的垂直于轴线的中间截面不对称。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽的宽度位于相对于所述活塞环的轴向尺寸的33％到50％的范围内。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽的深度为0.2～0.7mm。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽大致凹于所述活塞环的工作面上。
在本发明的另一实施例中，所述两工作面部分的顶点大致位于平行于相对工作面的同一面上。
在本发明的另一实施例中，所述宽度的轨迹和深度的轨迹的周期数目位于4和36之间的范围,且包括4和36。
在本发明的另一实施例中，所述凹槽的中心是大致相对于活塞环的轴向尺寸的中央运行。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1(a)和1(b)示出了穿过根据本发明的一实施例的活塞环的第一(径向)横截面和第二(径向)横截面；
图2(a)示出了根据图1中所示的根据本发明的活塞环的工作面的局部平面图，工作面工作在圆周方向；
图2(b)和2(c)示出了设置在工作面上的凹槽的深度分布或深度的轨迹，根据图2(a)所示的活塞环的工作面局部，工作面工作在圆周方向；
图2(d)示出了设置在工作面中的凹槽的宽度的轨迹，根据图2(a)所示的活塞环的工作面局部，工作面工作在圆周方向；
图2(e)示出了活塞环1的平面视图；
图3(a)和3(b)示出了根据本发明的另一实施例的活塞环的立体局部视图和剖视图；
图4(a)和4(b)示出了根据本发明的另一实施例的凹槽以及凹槽宽度和深度的示意性的功能说明轨迹。
具体实施方式
图1示出了穿过本发明的活塞环1的两个(径向)横截面，它们在圆周方向上彼此隔开。根据发明的带有凹槽的活塞环1，在图1中所示，同时优选作为压缩和油控制环，在其背对燃烧室的外部、轮廓边具有切口或凹槽2，即在活塞环1的轮廓工作面3上，所示凹槽在图1中示意性的说明。活塞环1还具有面向燃烧室31的侧面5，和面向油室32的侧面6，以及内圆周面7。
应当指出的是，虽然上文和下文描述涉及根据本发明的活塞环1的用途，用于内燃机中的活塞，尤其是在两冲程内燃机中，但对于本领域的技术人员是一目了然的，根据本发明的实施例的活塞环也可以用在压缩机中。
工作面3具有一轮廓，其被分成两部分。工作面轮廓的第一部分10大致凸出地弯曲，第二部分12同样地大致凸出地弯曲。两凸出地弯曲部分10、12每个具有顶点B1、B2，或者每个具有顶线11、13，其沿横截面的外圆周运行。
两凸出地弯曲部分10、12的工作面轮廓优选关于活塞环1的中平面对称(镜像对称)，如图1(a)和1(b)所示。然而，应当理解的是，本发明并不局限于两凸出地弯曲部分10、12的对称设置，但两凸出地弯曲部分10、12可以关于与中平面平行的平面对称(镜像对称)或不对称。
工作面轮廓的第一凸出地弯曲部分10优选形成于活塞环1的工作面3的轴向尺寸的0％～33％范围内，第一凸出地弯曲部分10的顶点B1进一步优选位于大致约为活塞环1的工作面3的轴向尺寸的25％±5％处。
工作面轮廓的第二凸出地弯曲部分12优选形成于活塞环1的工作面3的轴向尺寸的66％～100％范围内，第二凸出地弯曲部分12的顶点B2进一步优选位于大致约为活塞环1的工作面3的轴向尺寸的75％±5％处。
在沿圆周方向运行的顶线11、13的区域内，活塞环1密封，相对于相对的工作面30，例如汽缸套，以防止由燃烧室31漏气。活塞运动导致流体动力油膜在活塞环1和相对工作面30之间形成，由于活塞运动，该油膜形成在活塞环1和相对工作面30之间，并确保这些部件之间的充分润滑。在剖视图中，运行在圆周方向的顶线11、13以顶点B1、B2示出。
切口或凹槽2在凸出地弯曲部分10、12之间延伸。凹槽2具有沿圆周方向变化的宽度B和沿圆周方向变化的深度T。图1(a)示意性的示出了穿过凹槽2的第一(径向)横截面，具有一最大宽度Bmax和最小深度Tmin，图1(b)示意性的示出了穿过凹槽2的第二(径向)横截面，具有最小宽度Bmin和最大深度Tmax。
应当指出的是，切口或凹槽2设置成接收润滑油。凹槽2的变化的深度T和变化的宽度B以这样一种方式设计，优选获得在圆周方向上位于凹槽中的均匀润滑油流，由于在活塞运行时产生的流体动力压力和由此产生的压力梯度。尤其是峰值(较低或最小深度)和谷值(较大或最大深度)交替形成，通过在圆周方向上的变化的深度轨迹，导致流体动力压力和压力梯度以及确保均匀的润滑油流。
还应当指出的是，根据本发明的活塞环1是一个整体。这意味着活塞环1中的凹槽2具有的最大深度Tmax小于活塞环1的径向厚度，使得润滑油不可能在内圆周面7的方向穿过活塞环1。
活塞环1的横截面的几何中心S位于与活塞环1的工作面3的轴向尺寸有关的两个顶点B1和B2之间的平面上。这确保活塞环1处于静止状态时用两顶点B1和B2支撑在相对工作面30上，并可以用位于其间的薄油膜最小地间隔该相对工作面。
图2(a)示出了根据本发明的活塞环1的工作面3的局部平面图，工作在圆周方向。在示出的工作面3的局部中，凹槽2的宽度轨迹和两顶线11、13都示意性的示出。凹槽2的宽度B在最大宽度Bmax和最小宽度Bmin之间变化。在圆周位置A和C处，凹槽2具有最大宽度Bmax，在圆周位置B处，凹槽2具有最小宽度Bmin。
在图2(a)中示出的凹槽2用两外边界线15和16限定凹槽，借助于它可以确定凹槽2的宽度。在图2(a)中，也示出了截面位置A、B和C。图1(a)中的横截面图由位置A或B处的截面获得，而图1(b)中的横截面图由位置C处的截面获得。
图2(b)和2(c)示出了凹槽2的深度分布或深度T的轨迹，根据图2(a)中示出的具有凹槽2的工作面3的局部。凹槽2的深度T在最小深度Tmin和最大深度Tmax之间变化。凹槽2的宽度B的轨迹和凹槽2的深度分布的轨迹同相。这意味着，当凹槽2具有最大宽度Bmax时，凹槽2形成最小深度Tmin，当凹槽2具有最小宽度Bmin时，凹槽2形成最大深度Tmax。在图2(b)示出的深度分布轨迹中，圆周位置A、B和C也相应的示出，凹槽2的宽度和深度分布的同相轨迹也图示出。
图2(e)示出了活塞环1的平面视图。在图2(a)、2(b)和2(c)中示出的圆周位置截面位置A、B和C也示出在活塞环平面上。活塞环1的工作面3上的凹槽2的宽度和深度沿活塞环1的外圆周周期性的变化。图2(e)通过示例的方式示出了6个周期。这意味着在该示例性的实施例中所示的关于活塞环圆周的角度周期为凹槽2的宽度B和深度T的变化周期优选位于包括到的范围内。周期优选为整数，尤其是相等的数。
应当指出的是，凹槽2的宽度和深度的周期数可以与进口或喷嘴的数目匹配，润滑油通过进口或喷嘴压入或喷射到汽缸内，例如用气体背压的方法。例如，周期数可以与进口或喷嘴的数目相等，或是它们的整数倍。
根据本发明的另一个示例性的实施例的活塞环1在图3(a)和3(b)中示出。在该例子中，角度周期为
凹槽2可以是对称的，即如图1和图2所示的关于活塞环1(未示出)的中平面镜像对称或不对称。凹槽2大致中央地运行，即凹槽关于活塞环1的轴向尺寸以及关于活塞环1的中平面大致中央地运行，如图1和图2中所示(在轴向尺寸的大致50％处)。或者，凹槽2还可以设置在活塞环1的中平面之外。
顶线11和13优选大致位于与活塞环1的平面相平行的圆周线、平面上，参看图2(a)。或者，顶线11和13中的至少一个还可以以一定距离或相同地顺着凹槽2的宽度的轨迹。例如，顶线11和13可以与凹槽2的外边界线15和16相同。这意味着凹槽2的宽度由两部分10或12的顶线11和13之间的距离限定。
凹槽2的宽度B和深度T优选常量，也可以优选在每种情况下以周期或常量函数描述。具体地，凹槽2的宽度B和深度T在每种情况下可以用周期的、可微的函数描述。这意味着，例如边界线15和16可以用角度函数描述，例如，作为圆周角和周期数目k的函数：
凹槽2的宽度B和深度可以同样用角度函数表示，例如，如下所示：
为了更好的理解，在图4(a)和4(b)示出了上述示例性的函数。
在本申请中提出的活塞环尤其适于系统中的具有超过400mm的直径的活塞。
根据本发明形成的活塞环可以优选插入到内燃机的活塞的活塞环槽中，例如大体积两冲程内燃机或压缩机。已经发现，与现有的结构相比，油耗和漏气都可以大大减少。因此，也应当注意的是，利用根据本发明的活塞环，创建了一种内燃机或压缩机活塞环，在设计和制造两方面，对于漏气和油耗可以实现优良的结果，同时确保充分的润滑条件。
根据本发明的另一方面，提供了一种凹槽以具有周期性变化的位置。
根据一示例性的实施例，提供了以下物理值：
直径600mm的活塞环，凹槽宽度1～3mm(轴向高度16mm),凹槽深度0.2～0.7mm(径向壁厚19.5mm)。
参考符号：
1：活塞环
2：切口或凹槽
3：活塞环的工作面(背对燃烧室的外侧面)和外圆周面
5：面向燃烧室的侧面
6：面向油室的侧面
7：内圆周面
10：工作面轮廓的第一凸出地弯曲部分
11：第一顶线
B1：第一顶线的顶点
12：工作面轮廓的第二凸出地弯曲部分
13：第二顶线
B2：第二顶线的顶点
S：形心
15：凹槽的第一边界线
16：凹槽的第二边界线
30：相对工作面，例如汽缸套
31：燃烧室
32：油室
T：(周期性变化)凹槽或切口的深度
B:(周期性变化)凹槽或切口的宽度
Claims (13)
1.一种活塞环，具有工作面(3)，两个侧面(5,6)和内圆周面(7)，所述工作面(3)具有切削的凹槽(2)，所述凹槽(2)设置在相对于活塞环(1)的横截面的两工作面部分(10,12)之间，所述两工作面部分(10，12)彼此隔开并大致凸出地弯曲，且每个具有顶点(B1，B2)，其特征在于，所述凹槽(2)具有周期性变化的深度(T)和周期性变化的宽度(B)，且所述深度(T)的轨迹的周期数目与所述宽度(B)的轨迹的周期数目相等。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述深度的轨迹的周期数目和所述宽度的轨迹的周期数目都为整数。
3.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)在最小宽度(Bmin)时具有最大深度(Tmax)，在最大宽度(Bmax)时具有最小深度(Tmin)。
4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)的中心是大致相对于所述两工作面部分(10、12)的顶线(11，13)的中央运行。
5.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，两大致凸出地弯曲的工作面部分相对于所述活塞环(1)的轴向尺寸的中央对称地设置。
6.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)关于所述活塞环(1)的垂直于轴线的中间截面镜像对称。
7.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)关于所述活塞环(1)的垂直于轴线的中间截面不对称。
8.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)的宽度(B)位于相对于所述活塞环(1)的轴向尺寸的33％到50％的范围内。
9.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)的深度(T)为0.2～0.7mm。
10.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)大致凹于所述活塞环(1)的工作面上。
11.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述两工作面部分(10,12)的顶点(B1，B2)大致位于平行于相对工作面(30)的同一面上。
12.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述宽度的轨迹和深度的轨迹的周期数目位于4和36之间的范围,且包括4和36。
13.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述凹槽(2)的中心是大致相对于活塞环(1)的轴向尺寸的中央运行。
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