CN106103960B - 活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于活塞式发动机的活塞的活塞环，所述活塞环包括：外圆周表面(2)、内圆周表面(4)、指向活塞上侧的方向的上侧面(6)、以及指向活塞下侧的方向的下侧面(8)，其中，所述下侧面(8)相对于所述上侧面(6)倾斜地延伸，从而，所述活塞环在所述外圆周表面(2)处的轴向高度(A)大于在所述内圆周表面(4)处的轴向高度(B)，以及其中，在所述活塞环的止推部的每一侧上，至少一个凹陷部(10)设置在所述上侧面(6)中。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及一种活塞环，该活塞环具有改进的支承性能、磨损性能和刮油性能。本发明尤其涉及一种活塞环，该活塞环适于补偿在活塞式发动机的运转期间发生的活塞凹槽倾斜。

背景技术

在运转期间，内燃机的活塞在燃烧热和由燃烧热产生的轴向上不同的温度分布的影响下变形。最高温度主要在燃烧室侧，同时，温度在曲轴箱的方向上降低。这带来的结果是活塞环凹槽的倾斜，从而相对于汽缸轴，活塞环凹槽的侧面具有向下的倾斜。

位于活塞环凹槽中的活塞环使其下侧面在燃烧压力的影响下用其整个表面抵靠活塞凹槽的下侧面，因此假定其截面与凹槽具有相同的倾角。这带来的结果是活塞环工作表面的枢转点向上移动并由此改变流体动力特征，伴随着朝向上工作边缘的改变的支承性能/磨损性能、增大的油膜厚度和较差的刮油性能。

该问题的一个已知的解决方案在于将活塞的凹槽侧面制成具有相应的向下的倾斜，该向下的倾斜补偿该作用，从而在运转期间，在温度影响下，凹槽侧面将自身放置成垂直于汽缸工作路径。换句话说，活塞环凹槽不构造成侧面垂直于汽缸工作路径的矩形截面，而是侧面倾斜于汽缸工作路径的梯形截面(分别在热不变形的状态中)。然而，这包括制造活塞的增加的制造花费，并因此与具有常规矩形截面的活塞环凹槽相比是不利的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供活塞环，所述活塞环补偿在具有矩形截面的常规凹槽的活塞中凹槽倾斜的作用。比起适配的活塞环凹槽的已知解决方案，这能够以更节约成本并且更简单的方式来实现，此外，具有常规活塞的发动机因此还可以随后装配有改进的活塞环。

根据本发明的一个方面，提供了用于活塞式发动机的活塞的活塞环，所述活塞环包括：

-外圆周表面；

-内圆周表面；

-指向活塞上侧的方向的上侧面；以及

-指向活塞下侧的方向的下侧面；

其中，

-所述下侧面相对于所述上侧面倾斜地延伸，从而，所述活塞环在所述外圆周表面处的轴向高度大于在所述内圆周表面处的轴向高度；以及

-其中，在所述活塞环的止推部的每一侧上，至少一个凹陷部设置在所述上侧面上。

为了抵消凹槽倾斜的作用，提出了具有补偿活塞凹槽倾斜的活塞环。为此，该环被装配成在其外径处具有更大的轴向高度，而将在内径处的高度给定为标称高度。选择在外径处增大的轴向高度，从而对环的下侧面给定出在发动机的运转期间与凹槽相同的向下的倾斜。

由于在外圆周表面上增大的高度，减小了环和凹槽之间的轴向间隙或对应的距离。这引起了在该位置处的减少的气流并因此在上侧面和内圆周表面处的减小的压力形成。这是不利的，因为在该方面特别关键的止推区域中，活塞环不再最优地压抵汽缸壁或对应的衬套，并且气密性因此降低。由此，尤其出现增大的漏气损失。

这根据本发明得以补偿，其在于至少一个凹陷部(例如，以凹部的形式)在每种情况下被引入到环的上侧面中、至少在止推端部的区域中的圆周上。由此，活塞环的上侧面和上凹槽侧面之间的距离以目标方式增大或对应地接近于可能存在于常规活塞环中的值。因此，气流增大，从而活塞环再次以所需方式压抵汽缸壁或对应的衬套。

根据实施方式，所述凹陷部延伸到所述外圆周表面中。

根据本发明的凹陷部可以仅仅布置在上侧面中或还可以延伸到外圆周表面中。

根据实施方式，在所述止推部的每一侧上设置有多个彼此间隔开的凹陷部。

为了以所需的方式影响气流，相同形式的另一些凹陷部以特定的间隔被引入到上侧面中。

根据实施方式，所述凹陷部布置成在从所述止推部的两侧上0°到90°的范围内。

根据实施方式，所述凹陷部距所述内圆周表面的距离为所述上侧面的径向长度的至少1/3。或换句话说，所述凹陷部延伸超过来自所述外圆周表面的径向壁厚度的最大2/3。

根据实施方式，所述上侧面与所述内圆周表面形成直角。

根据实施方式，所述下侧面的倒角适于补偿所述活塞在活塞式发动机的运转中对应的活塞凹槽的倾斜。

活塞环的下侧面的倾斜优选地被设计成在运转中发生凹槽倾斜期间，该凹槽倾斜基本上被补偿。

优选地，所述凹陷部的轴向深度和/或径向宽度和/或切线长度的尺寸取决于到环止推部的距离和/或取决于距所述活塞环的内侧的径向距离。可替代地或附加地，优选的是，所述凹陷部的数目和/或间距取决于到所述环止推部的距离和/或取决于距所述活塞环的内侧的径向距离。

附图说明

图1为在倾斜的环凹槽中的常规活塞环的截面图；

图2为根据本发明的具有倒角的下侧面的活塞环的截面图；

图3为图2的在不倾斜的环凹槽中的活塞环的截面图；

图4为图3的在倾斜的环凹槽中的活塞环的截面图；

图5为根据实施方式的在不倾斜的环凹槽中的活塞环的截面图；

图6为根据另一实施方式的在不倾斜的环凹槽中的活塞环的截面图；

图7为根据又一实施方式的在不倾斜的环凹槽中的活塞环的截面图；

图8为根据图6的实施方式的活塞环的三维截面图；以及

图9显示在活塞环的实施方式中凹槽关于环止推部的角度分布的俯视图。

具体实施方式

在图1中显示了具有以平行方式延伸的矩形侧面的常规活塞环。以虚线示出了具有不倾斜的活塞环凹槽的情况。在考虑的发动机的冷状态中，活塞环凹槽的几何形状是矩形。在发动机的运转期间，在轴向上通过不同的热应力(在活塞冠处高的热应力，在汽缸体的方向上的减小的热应力)发生了不同的热导致变形。由此，环凹槽以实线所示的方式倾斜(不一定按照比例)。

在发动机的运转中，通过燃烧时发生的气体压力，气体通过活塞环的上侧面6进入环凹槽和活塞环之间的空间中。由此，活塞环以所需的方式被向下和向外按压，以便密封汽缸壁或对应的衬套。同样呈现有矩形几何形状的常规活塞环通过将其下侧面8的整个表面抵在活塞环凹槽的下侧面上而使其自身具有这种作用。由于活塞环凹槽受热影响而倾斜，因此其下侧面倾斜地延伸，这引起活塞环关于冷发动机的情况的旋转。

由此，活塞环的枢转点(即，凸的工作表面与汽缸壁/汽缸衬套的接触点)相对于不变形的状态而向上移动。这导致了对流体动力特征的损害，支承性能和磨损性能被取代或者在活塞环的上侧面6的方向上增加。更大的油膜厚度产生并且伴随着旋转通过汽缸壁或对应的衬套的下工作边缘的更大的距离而恶化的刮油性能。

根据本发明，这被得以弥补，因为活塞环设置有倾斜的下侧面8。该环在外圆周表面上具有比在内圆周表面上的轴向高度B更大的轴向高度A。在外圆周表面上增大的轴向高度A在此被选择，从而下环侧面8被给定成与倾斜状态中的环凹槽相同的下降梯度α。在图2中的截面显示了该活塞环。

由此，实现了在发动机的运转中，活塞环(如所提供的)抵在汽缸壁或对应的衬套上。由此防止了上述损害发动机的效率的影响。

然而，该改变的几何形状导致了这样的事实：相对于常规矩形活塞环或内圆周表面4上的对应的间隙，在外圆周表面2上环凹槽和活塞环之间的轴向间隙减小(h1<h2)，如在图3(不倾斜的环凹槽)和图4(倾斜的环凹槽)中可以看到的。这导致了减小的气流，因此活塞环的上侧面6和内圆周表面4上的压力减小。因此在燃烧压力下还减小了将施加到汽缸壁或对应的衬套上的所需作用，这导致了汽缸壁或对应的衬套的更大的距离。再次，由此可以导致更大的油膜厚度、减小的气密性和恶化的刮油性能。这尤其在环止推部的区域中发生。

因此，根据本发明还提出了在活塞环的止推部的每一侧上设置至少一个凹陷部10在上环侧面中。通过该凹陷部10，环凹槽的上侧面和活塞环的上侧面6之间的间隙或对应的距离局部增大。由此，气流增大，从而活塞环可以再次通过燃烧压力以所需的方式压抵汽缸壁或对应的衬套。在图5至图7中显示了数个示例性实施方式。

图5显示了一个变型，在该变型中呈现了凹陷部10以便基本上为半圆形。该凹陷部仅仅位于活塞环的上侧面6中，即，其不伸入到工作表面2中。在此显示的优选实施方式中，凹陷部10布置成在环凹槽的上边缘下方基本上居中。该变型尤其适于具有足够大地伸出环凹槽的活塞环。在此有利的是，工作表面2保持不被接触。

通常应用的是，为了抵消气流的节流，凹槽和环之间的最窄位置的区域中的一个或多个凹陷部已经在轴向上具有了一定深度。这里，目的是放大垂直于气流方向的截面。

图6显示了一个变型，在该变型中，凹陷部10还部分伸入到活塞环的工作表面2中。该变型尤其适于这样的活塞环：该活塞环仅仅相对凹槽伸出一点。通过伸入到工作表面2中，到活塞凹槽的足够距离仍会产生，因此，用于气体通过的足够空间仍会产生。在此，不利的是，工作表面2的面积至少局部减小。

图7显示另一变型，在该变型中，在该情况下，三个凹陷部10在径向上一个接一个地布置。这用于加固气体通道。凹陷部10的形状、深度、数目和距离在径向和切线方向都是可变的并且可以灵活方式配置。因此，例如，具有一个接一个径向布置的凹陷部的轴向深度可被设计成在环的内侧的方向上减小(未显示)。

图8显示一个实施方式，根据该实施方式，凹陷部10设置在活塞环的工作表面2和上侧面6中，其中，径向尺寸被选择成其最大为活塞环的径向宽度的2/3。如在此还可以看到，在该实施方式中，凹陷部10的深度和切线宽度在活塞环的内圆周表面的方向上减小。

通过凹陷部的参数“尺寸”和“距离”的相应变型，燃烧引起的接触压力可以灵活方式调节，例如，接触压力为距环止推部的距离的函数、接触压力为局部预应力的函数等。一方面，这通过以下情况来发生：通过在接近于止推部的位置处(在径向方向)设置多个凹陷部，或通过凹陷部在朝向止推部的方向上的更小距离，或通过对应地选择较大的轴向深度/径向宽度/切线长度，轴向深度/径向宽度/切线长度作为到环止推部的距离的函数。另一可能的替选方案是，在环止推部的每一侧，在切线方向上的一个长凹陷部，其中，该长凹陷部在其尺寸“轴向深度”/“径向宽度”/“切线长度”方面改变，从而作为到环止推部的距离的函数，汽缸壁或对应的衬套上的接触压力被相应地调节。

该止推端部不同于相对设置的环背部在于，对于汽缸弯曲的较差的适应性，因为活塞环在止推端部处比在环背部处“更软”。因此，径向压力分布根据相对于止推端部或对应的环背部而在活塞环上的位置。因此，如在环止推部处很有必要实现活塞环的改进的邻接，根据本发明在止推区域中设置凹陷部就足够了，以便通过燃烧压力强化该邻接。图9显示了示例性布置，在该布置中，凹陷部布置成距彼此一定距离，并且距环止推部最大达90°。根据本发明通常适用的是，该凹陷部的布置和尺寸根据活塞环的径向压力分布来选择，以便在发动机的运转期间，在活塞环的所有位置中实现作用在汽缸壁或对应的衬套上尽可能多的相同接触压力。

如果未明确说明不同的，所描述的示例性实施方式的基本上所有单独的特征可以彼此随意地组合。

Claims (6)

1.一种用于活塞式发动机的活塞的活塞环，所述活塞环包括：

-外圆周表面(2)；

-内圆周表面(4)；

-指向活塞上侧的方向的上侧面(6)；以及

-指向活塞下侧的方向的下侧面(8)；

其中，

-所述下侧面(8)相对于所述上侧面(6)倾斜地延伸，从而，所述活塞环在所述外圆周表面(2)处的轴向高度(A)大于在所述内圆周表面(4)处的轴向高度(B)；以及

-其特征在于，在所述活塞环的止推部的每一侧上，切向上彼此间隔开的数个凹陷部(10)设置在所述上侧面(6)上，所述凹陷部(10)延伸到所述外圆周表面(2)中；

所述凹陷部(10)距所述内圆周表面的距离为所述上侧面(6)的径向长度的至少1/3。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述凹陷部(10)布置成在从所述止推部的两侧上的0°到90°的范围内。

3.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述上侧面(6)与所述内圆周表面(4)形成直角。

4.根据权利要求1所述的活塞环，其中，所述下侧面(8)的倒角适于在所述活塞式发动机的运转中补偿所述活塞的对应的活塞凹槽的倾斜。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的活塞环，其中，所述凹陷部(10)的轴向深度和/或径向宽度和/或切线长度的尺寸取决于到所述环止推部的距离和/或取决于距所述活塞环的内侧的径向距离。

6.根据权利要求1-4中的任一项所述的活塞环，其中，所述凹陷部(10)的数目和/或间距取决于到所述环止推部的距离和/或取决于距所述活塞环的内侧的径向距离。