CN105221291B - 用于具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃机的上活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上活塞环，用于具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃机的活塞中的凹槽中的活塞环组中。上活塞环包括环本体，该环本体具有上环面、下环面、外环面、内环面与在环分隔部处的第一接合端部与第二接合端部。第一接合端部包括周向延伸的指部，所述第二接合端部分包括容纳所述指部的周向延伸的凹入部。

Description

用于具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃机的 上活塞环

技术领域

本发明涉及用于具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃机的上活塞环，特别是设有具有接合端部以形成气体密封环的环分隔部。

背景技术

具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃机通常地用于海运船舶的推进系统中或者用作发电厂中的原动机。通常地，这些发动机通过重燃料油或者其它廉价可燃产品或者通过气体操作。

发动机活塞设有环组，该环组对抗燃烧压力密封以防燃烧气体渗入扫气空间。此外，活塞环确保润滑膜均匀地分布。环组中的活塞环密封以大约10m/sec的速度振动以便压缩空气与燃烧气体处于约250巴压力的压力以及约400℃的温度并且仅使用几滴油作为润滑的活塞，并且活塞及活塞环具有数千小时的期望使用寿命。因此对于活塞环的主要要求是高耐摩擦与抗腐蚀性以及在高温下的低的弹性下降。

由于当通过重燃料油操作时产生的燃烧气体的侵蚀属性，汽缸套的内壁通过防止汽缸套的内壁遭受燃烧气体的侵蚀部分的特定缸体润滑油来润滑。缸体润滑的供给与所涉及的部件的尺寸，例如具有25cm与108cm之间的直径的活塞，是大型二冲程涡轮增压单流扫气发动机的环组与较小四冲程柴油发动机中的环组不同的原因。

具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气发动机的环组通常地包括四个活塞环，上活塞环是CPR环，即上活塞环或活塞中的凹槽设有卸压槽，该卸压槽允许良好的限定与控制热气从自燃烧室到上活塞环的底面的流动，由此降低了上环上方的压降并且将载荷分布到环组中的几个环上方。

WO02070926公开了设有环分隔部的上活塞环。由在环本体上的接合端部形成环分隔部。一个端部设有与上活塞环的外面与下面平齐的指部。另一个端部设有朝上活塞环的外面与下面开口的凹入部。指部滑动地接合凹入部，但是结果不是气密封，给燃烧气体提供到活塞凹槽与活塞环之间的后侧空间的自由通道。此燃烧气流集中在分隔部区域中，由此加热指部。指部在接触汽缸套的接触面处是最冷的。产生的温度梯度致使指部变形并且造成指部的尖端与汽缸套之间的硬接触。指部的过度磨损与故障可能导致，并且可能造成上活塞环的故障。

发明内容

在此背景上，本申请的目的是提供一种克服或者至少减少了上面指出问题的上活塞环。

通过提供一种上活塞环实现了此目的，该上活塞环与多个下活塞环一起用于在具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃机的活塞的侧壁中的相应环形环凹槽中的活塞环组中以对在活塞上方的燃烧室中的压力进行密封，上活塞环包括环本体，该环本体具有上环面、下环面、外环面、内环面与在环分隔部处允许所述上活塞环的膨胀与收缩的第一接合端部与第二接合端部，第一接合端部包括周向延伸的指部，第二接合端部包括形状与尺寸设计为以便密封地且可滑动地容纳指部的周向延伸的凹入部，凹入部的周向延伸部分成近端部分与远端部分，近端部分最靠近环本体，指部的周向延伸部分成近端部分与远端部分，近端部分最靠近环本体，凹入部的近端部分敞开到外环面并且敞开到下环面，凹入部的远端部分敞开到外环面、敞开到下环面并且敞开到上环面，指部的近端部分与外环面并且与下环面平齐，指部的近端部分的至少径向外部与上环面平齐，并且指部的远端部分与外环面并且与下环面平齐。

通过在第一接合端部中增加与上活塞环的上面平齐的竖直壁或肩部到指部，并且通过在另一个接合端部中形成相应的凹入部，能够限制气体流入环分隔部与限制气体在环分隔部周围流动。由此，气体流动与热量输入分布在上活塞环的全部半径上。这避免了分隔部区域的额外加热。

在上活塞环的第一可能实施中，指部的近端部分设有具有与外面平齐的面以及与上环面平齐的面的竖直壁或肩部。

在上活塞环的第二可能实施中，第二接合端部设有用于容纳肩部的凹入部。

在上活塞环的第三可能实施中，通过水平壁与竖直壁限定凹入部，竖直壁在凹入部的近端部分中完全地延伸向外面并且竖直壁在凹入部的远端部分中仅部分地延伸向外面以形成至少部分地容纳竖直壁的凹入部。

在上活塞环的第四可能实施中，凹入部敞开到内面并且敞开到外面。

在上活塞环的第五可能实施中，主环本体是非圆形的，使得汽缸套与分隔部的区域中的上活塞的外面之间的压力低于上活塞环的剩余外周上。

在第六可能实施中，上活塞环是回火硬化铸件。

在第七可能实施中，上活塞环涂覆以热喷涂层或者涂覆以电镀涂层。

在第八可能实施中，上活塞环设有至少两个受控的泄露凹槽，以允许气体从燃烧室到上活塞环的底面的受控的流动。

在上活塞环的第九可能实施中，水平壁从所述第二接合端部突出到所述凹入部中。水平壁加强并且稳定第二接合端部的远端部分。

在上活塞环的第十可能实施中，凹入部的近端部分仅敞开到外环面并且敞开到下环面。

在上活塞环的第十一可能实施中，指部的远端部分仅与外环面并且与下环面平齐。

通过详细的描述，根据本公开的发动机与方法的其它目的、特征、优点与特性将变得更加显而易见。

附图说明

在本说明书的下面详细部分中，将参照附图中示出的示例性实施方式更加详细地说明本发明，在附图中:

图1是示出具有四个活塞环的环组的通过安装在汽缸套中的活塞的一部分的截面；

图2是以较大比例示出具有五个活塞环的环组的安装在汽缸套中的活塞的截面；

图3是处于装载状态中活塞上环的平面图；

图4是图3中的上活塞环的侧视图；

图5和图6分别示出了在卸压槽周围区域中的图3的环的一部分的侧视图与俯视图，

图7至图11是在分隔部周围区域中的根据本发明的实施方式的活塞上环的立体图，图9聚焦于一个接合端部并且图10聚焦于另一个接合端部；以及

图12至图14是在分隔部周围区域中的根据本发明另一个实施方式的活塞上环的立体图。

具体实施方式

图1和图2示出了活塞1，其圆柱形侧壁设有几个环形凹槽3，其中上凹槽3容纳上活塞环4并且下活塞环6插入在下凹槽3中。上活塞环4与单个活塞1的下活塞环4、6形成配合活塞环4、6的所谓环组。活塞1是具有十字头大二冲程涡轮增压直流扫气发动机的，并且活塞1与汽缸套7和缸盖5一起限定燃烧室2(应该指出的是，图1未示出缸盖5中的排气阀，但是应该理解的是排气阀将存在于发动机中)。

活塞环4、6防止了燃烧室2中的气体压力透入到活塞1下面的空间。

图3和图4示出了上活三环4的实例实施方式，其具有基本上防止气体流动通过分隔部的环分隔部。上活塞环4包括具有分隔部的环本体，其使得能够使环直径在环凹槽3中的装配处部分地膨胀，当上活塞环4在使用过程中磨损时，部分地允许上活塞环4的两个接合端部8、9从彼此收回。

如图5和图6中所示，环的外侧11在实施方式中具有相对于上活塞环4的平面成角度倾斜地延伸的四个卸压槽15。卸压槽确保了从上活塞环4的上侧到下侧的受控的气体流动，以及由此通过单个凹槽15的均匀且适当划界的气体流动。

通过虚线10指示环凹槽3的外边缘。上活塞环4的外面11与此图中未示出的汽缸套接触。

在另一个实施方式中，上活塞环4不设有卸压槽并且例如通过活塞(未示出)中的凹槽提供卸压功能。还可能在没有受控的泄露的情况下操作上活塞环4，即基本上操作活塞1上方的全部压差的气密上活塞环4。

如图7至图11中所示，上活塞环4的一个端部8具有在上活塞环4的另一端部9处突出进入到基本上相应的周向延伸的凹槽28中的周向延伸的指部23。周向延伸的凹入部28的形状与尺寸设计为密封地与可滑动地容纳指部23。

在径向方向中，指部23小于上活塞环4，并且通过邻接舌片23的内侧的竖直壁42在上活塞环4的内侧处划界凹入部28。

舌片23的轴向高度小于环高度，并且通过水平壁36在上面划界凹入部28，水平壁的下侧与指部23的上侧邻接。由于指部23在宽度与高度方向中填充凹入部28，因此，无论指部23的端面29是否在周向方向中与凹入部28的端面33隔开，都基本上防止了燃烧气体流动通过切口到活塞1下面的空间。

凹入部28的周向延伸部分成近端部分46与远端部分47，近端部分46最靠近环本体。

指部23的周向延伸部分成近端部分44与远端部分45，近端部分44最靠近环本体。

凹入部28的近端部分46基本上仅敞开到外环面11并且到下环面17。通过竖直壁42并且通过水平壁36划界凹入部的近端部分46。通过端壁33划界凹入部28的周向方向。

在图7至图11中示出的实施方式中，凹入部28通过在第二接合端部的周向远端部分47中的凹入部26延伸。凹入部26敞开到上面16并且到外面11并且连接到凹入部28。由此，凹入部28的远端部分47敞开到外环面11、敞开到下环面17并且敞开到上环面16。水平壁34从竖直壁42突出直到凹入部28的周向远端部分47中的凹入部26中。水平壁34加强并且稳定第二接合端部9的远端部分。由此，通过竖直壁42与水平壁34、36限定凹入部28。水平壁36在凹入部28的近端部分46中完全地延伸向外面11，同时水平壁34在凹入部28的远端部分47中仅部分地延伸向外面11以便形成其中至少部分地容纳竖直壁25的凹入部26。

指部23的近端部分44具有至少在指部23的近端部分44的轴向延伸部的外部中等于环高度的轴向高度，由此使指部23的近端部分44与外环面11、所述下环面17、以及至少部分地与所述上环面16平齐，由此形成竖直壁25。竖直壁25形成在宽度与高度的方向中填充凹入部26的其它指部，由此对流动通过分隔部的气体形成附加障碍。特别地，通过竖直壁25与由凹入部26形成并且与竖直壁25的径向内面27邻接的面34之间的重叠防止了通过分隔部到上活塞4的内侧的流动。

指部23的远端部分45基本上仅与外环面11以及下环面17平齐。指部23的远端部分45由此具有小于环本体的高度的高度和小于环本体的宽度的宽度。指部23的远端部分的内壁与上臂密封地并且可滑动地接合/邻接在第二接合部分9的水平壁36与竖直壁42中。

环分隔部构造包括具有凸出指部23的一个端部，其具有高度等于环本体的轴向高度的高度的近端部分44以及高度小于环本体的轴向高度的远端部分45，该端部与在另一个端部部分9中的匹配的凹入部结合，该环分隔部构造使得环分隔部基本上气密并且在接合端部上存在增加的头部载荷。

图12至图14示出了上活塞环4的另一个实施方式，其与参照图7至图11描述的实施方式基本上相同，除了第一接合端部8的指部23的近端部分44具有与在指部的近端部分44的全部径向延伸上的环高度相同的高度，由此形成如与竖直壁相对的肩部25。凹入部26相应地较宽以容纳肩部25。

通常地，在组中的全部活塞环4、6都制成是非圆形的。需要非圆形形式，以使得当活塞环插入圆形汽缸套7中时，活塞环在整个环外周上施加精确限定的压力。此压力原则上可以在外周上均匀地分布，然而，负椭圆形式通常地旨在用于大型二冲程涡轮增压直流扫气式内燃机的活塞1使用的上活塞4中。这意味着在分隔部的区域中的压力低于剩余外周上的压力，这避免了在发动机操作过程中在分隔部上的增加的压力。

在实施方式中，上活塞环4是用于在第一凹槽中使用的具有蠕虫状石墨的回火硬化铸造件，而在下凹槽中，非硬化合金铸造件的活塞环具有层状石墨。

在实施方式中，上活塞环4涂覆以热喷涂层或者涂覆以电镀涂层。在实施方式中，上活塞环4具有非对称凸面工作表面(外面)轮廓。

在实施方式中，环组包括：

-上环：非对称筒状、双层涂覆、侧面铬涂覆；

-第二环：非对称筒状、配研(running-in)涂覆、侧面铬涂覆；

-第三环：非对称筒状、配研涂覆；

-第四环：非对称筒状、双层涂覆。

-在另一个实施方式中，环组包括：

-上环：非对称筒状、侧面铬陶瓷涂覆；

-下环：非对称筒状、铬陶瓷涂覆。

如在权利要求中使用的术语“包括”不排除其它的元件或步骤。如在权利要求中使用的术语“一个”(“a”)或“一个”(“an”)不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现在权利要求中列举的几个装置的功能。

在权利要求中使用的附图标记不应解释为限定范围。

尽管出于说明的目的详细地描述了本发明，但是应该理解的是此细节仅用于此目的，并且在不偏离本发明的范围的情况下，本领域中的技术人员可以对其作出修改。

Claims (9)

1.一种具有十字头的大型二冲程涡轮增压直流扫气式发动机，其中，活塞(1)与汽缸套(7)和缸盖(5)一起限定燃烧室(2)，所述活塞(1)设置有包括在所述活塞(1)的侧壁中的相应环形环凹槽(3)中的上活塞环(4)和多个下活塞环(6)的活塞环组，以对所述活塞(1)上方的燃烧室(2)中的压力进行密封，所述上活塞环(4)包括：

环本体，其具有上环面(16)、下环面(17)、外环面(11)、内环面(12)以及位于环分隔部处允许所述上活塞环(4)的膨胀与收缩的第一接合端部与第二接合端部(8，9)，

所述第一接合端部(8)包括周向延伸的指部(23)，

所述第二接合端部(9)包括形状与尺寸设计为用于密封地且可滑动地容纳所述指部(23)的周向延伸的凹入部(28)，

所述凹入部(28)的所述周向延伸部分成近端部分(46)与远端部分(47)，所述近端部分(46)最靠近所述环本体，

所述指部(23)的所述周向延伸部分成近端部分(44)与远端部分(46)，所述近端部分最靠近所述环本体，

所述凹入部的所述近端部分(46)敞开到所述外环面(11)并且到所述下环面(17)，

所述凹入部的所述远端部分(47)敞开到所述外环面(11)、敞开到所述下环面(17)并且敞开到所述上环面(16)，

所述指部(23)的所述近端部分(44)与所述外环面(11)并且与所述下环面(17)平齐，

所述指部(23)的所述近端部分的至少径向外部与所述上环面(16)平齐，

所述指部(23)的所述远端部分(45)与所述外环面(11)并且与所述下环面(17)平齐，

所述环本体是非圆形的，使得所述汽缸套与所述分隔部的区域中的所述上活塞环(4)的外环面(11)之间的压力低于所述上活塞环(4)的剩余外周上的压力，

所述上活塞环(4)被涂覆有热喷涂层或电镀涂层。

2.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述指部(23)的所述近端部分设有第一竖直壁(25)，该第一竖直壁(25)具有与所述外环面(11)平齐的面并且具有与所述上环面(16)平齐的面。

3.根据权利要求2所述的发动机，其中，所述第二接合端部(9)设有用于接收所述第一竖直壁(25)的凹入部(26)。

4.根据权利要求2或3所述的发动机，其中，所述凹入部(28)由水平壁(42)与第二竖直壁(34)限定，所述第二竖直壁(34)在所述凹入部(28)的所述近端部分(46)中完全地延伸向所述外环面(11)，并且所述第二竖直壁(34)在所述凹入部(28)的所述远端部分(47)中仅部分地延伸向所述外环面(11)以形成至少部分地容纳所述第一竖直壁(25)的凹入部(26)。

5.根据权利要求4所述的发动机，其中，所述凹入部(26)敞开到所述上环面(16)并且敞开到所述外环面(11)。

6.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述上环是回火硬化铸件。

7.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述上活塞环设有至少两个受控的泄露凹槽(15)，以便允许气体从所述燃烧室(2)向所述上活塞环的下侧的受控的流动。

8.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述凹入部的所述近端部分(46)仅敞开到所述外环面(11)并且敞开到所述下环面(17)。

9.根据权利要求1所述的发动机，其中，所述指部(23)的所述远端部分(45)仅与所述外环面(11)以及与所述下环面(17)平齐。