CN106838306A

CN106838306A - 用于大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃机的顶活塞环

Info

Publication number: CN106838306A
Application number: CN201610998877.3A
Authority: CN
Inventors: J·W·福格; A·G·苏蕾
Original assignee: MAN Diesel Filial af MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2017-06-13
Also published as: EP3168505A1; JP2017089621A; JP6337058B2; DK179019B1; KR101889706B1; KR20170055913A

Abstract

顶活塞环，用于在具有十字头的大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃发动机的活塞中的槽中在活塞环组中使用。顶活塞环包括：环本体，具有上环面、下环面、外环面、内环面和在环隔离部处的第一接合端部和第二接合端部。第一接合端部包括周向延伸指状件，第二接合端部包括为了密封性地并可滑动地容纳指状件而成形并设定尺寸的周向延伸凹部。指状件具有在指状件的周向范围中的至少一部分上周向延伸的径向突出的舌状件。凹部具有凹槽，凹槽在凹部的周向范围中的至少一部分上周向延伸。舌状件和凹槽的形状在径向和轴向方向上互补，并且凹槽容纳舌状件的周向范围中的至少一部分。

Description

用于大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃机的顶活塞环

技术领域

本发明涉及一种用于具有十字头的大型二冲程涡轮增压单向流扫气内燃发动机的顶活塞环，特别是一种设置有具有接合端部的环隔离部以形成气密环的顶活塞环。

背景技术

具有十字头的大型二冲程涡轮增压单向流扫气发动机通常用在海洋船只的推进系统中或作为发电厂中的原动机。通常，这些发动机在重燃油或其他便宜的可燃制品或气体下操作。

发动机活塞具有环组，该环组针对燃烧压力进行密封从而防止燃烧气体穿透扫气空间。此外，活塞环确保了润滑油膜均匀分布。环组中的活塞环对于针对在大约250bar的压力和大约1800°K的平均气温下的压缩空气和燃烧气体以大约10m/s的平均活塞速率振荡并仅使用几滴油作为润滑的活塞进行密封，并且所有活塞环具有数千小时的期望寿命。因此，对活塞环的主要要求是在高温下高的耐磨损和耐腐蚀以及低的弹性下降。

由于在重燃油下操作时生成的燃烧气体的侵略性，使用用特殊的汽缸润滑油(其保护气缸衬套的内壁免受燃烧气体的侵略性成分影响)来润滑气缸衬套的内壁。对汽缸润滑和相关构件(如直径在25cm与108cm之间的活塞)的尺寸的规定是大型二冲程涡轮增压单流扫气发动机的环组不同于更小的四冲程柴油发动机的环组的原因。

具有十字头的大型二冲程涡轮增压单流扫气发动机的环组通常包括三个或四个活塞环，其中顶活塞环是CPR环，即活塞中的顶活塞环或凹槽具有卸压凹槽，该卸压凹槽允许热气从燃烧室到顶活塞环的下侧的界限明确且受控制的流动，从而减少顶环上的压力下降并将负荷分布在环组中的多个环上。

WO02070926公开了具有环隔离部的顶活塞环。环隔离部由环本体上的接合端部形成。一个端部具有与顶活塞环的外表面和下表面齐平的指状件。另一个端部具有通向顶活塞环的外表面和下表面的凹部。指状件与凹部滑动地接合，但结果是不气密的，给予燃烧气体去往活塞凹槽与活塞环之间的背侧空间的自由通道。该燃烧气体流集中在隔离部区域中，从而加热指状件。指状件在接触气缸衬套的接触面处是最凉的。产生的温度梯度引起指状件变形并引起指状件的尖端与气缸衬套之间的硬接触。指状件的过度磨损和失效能够导致，并可以引起顶活塞环的失效。

该已知的活塞环导致以下缺点。在发动机循环期间，第一环与第二环之间的内环压力将升高到气缸压力以上，导致顶环升起。只要第一环上方的压力高于第一环下方的压力，第一环将停靠在第一环凹槽的基底处。一旦第一环下方的压力最高，第一环将移动并停靠在第一环凹槽的顶部处。由于环端部没有在轴向方向上同时锁定，所以环间隙可能不会同时升起。由于锁定部的非对称设计而在锁定部周围存在小压力差。当压力确定升起时，一个环端部往往在另一环端部之前升起。这是危险的，因为该不均匀升起产生了通过锁定部的气体通道。这样的气体通道对环是有害的，因为热负荷增加并导致环锁定部的不期望的热变形，进一步导致锁定部周围的差的密封。另外，由于压力，在活塞环上产生扭矩。这导致在锁定部的后接头处的成角度开口。此通道将产生对锁定部的热输入。这又导致锁定部的热过热，并且结果造成差的密封能力。

US 2009/0051117公开了具有接合端部的活塞环，一个端部限定了周向延伸指状件并且另一个端部限定了用于容纳指状件的匹配的凹部。指状件具有径向定向的舌状件，该舌状件被容纳在向凹部开口的凹槽中。凹槽在径向方向上开口，即凹槽通向内环表面。该已知的活塞环在径向方向上不气密，因为当接合端部没有完全被压合在一起并且接合端部在使用中从不被完全压合在一起时，在凹槽的径向延伸底部与舌状件的径向延伸尖端之间将存在间隙。

发明内容

在此背景下，本申请的目的是提供一种克服上述问题或至少缓解上述问题的顶活塞环。

根据第一方面，此目的通过提供一种顶活塞环来实现：该顶活塞环用于与在具有十字头的大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃发动机的活塞的侧壁中的各个环状环凹槽中的多个下活塞环一起在活塞环组中使用以针对活塞上方的燃烧室中的压力进行密封，顶活塞环包括：环本体，该环本体具有上环面、下环面、外环面、内环面和在允许顶活塞环伸缩的环隔离部处的第一接合端部和第二接合端部；第一接合端部包括周向延伸指状件，第二接合端部包括为了密封性地并可滑动地容纳指状件而成形并设定尺寸的周向延伸凹部；指状件具有径向突出的舌状件，舌状件在指状件的周向范围中的至少一部分上周向延伸；凹部具有凹槽，凹槽在凹部的周向范围中的至少一部分上周向延伸，具有径向深度(D)舌状件和凹槽的形状在径向和轴向方向上互补，并且凹槽容纳舌状件的周向范围中的至少一部分。

通过用具有包括周向延伸指状件的接合端部和包括用于容纳指状件的凹部的另一个协作的接合端部在顶活塞环中设置舌状件和凹槽构造(该构造在轴向上提供了接合端部的有效机械接合(联锁))，可以构造既气密又机械稳定的顶活塞环。

在第一方面的第一可实现形式中，舌状件的径向高度略小于凹槽的径向深度。

在第一方面的第二可实现形式中，舌状件和凹槽被配置为用于可滑动接合，其允许端部之间在周向方向上的相对运动并且防止端部之间在轴向方向上的相对运动。

在第一方面的第三可实现形式中，舌状件和凹部是弯曲的，并且舌状件和凹部具有与活塞环的曲率对应的相同的曲率半径。

在第一方面的第四可实现形式中，凹部的周向范围被分成近端部分和远端部分，其中近端部分最靠近环本体；指状件的周向范围被分成近端部分和远端部分，其中近端部分最靠近环本体；凹部的近端部分通向外环面和下环面，凹部的远端部分通向外环面、下环面和上环面；指状件的近端部分与外环面和下环面齐平；指状件的近端部分的至少径向外部与上环面齐平，并且指状件的远端部分与外环面和下环面齐平。

在第一方面的第五可实现形式中，指状件的近端部分具有竖直壁，竖直壁具有与外环面齐平的面和与上环面齐平的面。

在第一方面的第六可实现形式中，第二接合端部具有用于容纳竖直壁的凹部。

在第一方面的第七可实现形式中，凹部由下横壁和第一横壁以及第二横壁限定，第二横壁在凹部的近端部分中完全延伸至外环面，并且第一横壁在凹部的远端部分中仅在一定程度上向外环面延伸，以便产生适于至少部分地容纳竖直壁的凹部。

在第一方面的第八可实现形式中，凹部通向内环面和外环面。

在第一方面的第九可实现形式中，主环本体是非圆形的，使得气缸衬套与顶活塞环的外环面之间的压力在隔离部区域比在顶活塞环的其余周边上更低。

在第一方面的第十可实现形式中，顶环是回火硬化铸件。

在第一方面的第十一可实现形式中，顶活塞环涂覆有热喷涂层或电镀涂层。

在第一方面的第十二可实现形式中，顶活塞环具有至少两个受控渗漏凹槽，用于允许气体从燃烧室到顶活塞环的下侧的受控流动。

在第一方面的第十三可实现形式中，凹部的近端部分仅通向外环面和下环面。

在第一方面的第十四可实现形式中，指状件的远端部分仅与外环面和下环面齐平。

在第十五可实现形式中，径向突出的舌状件是径向向内突出的舌状件。

在第十六可实现形式中，径向突出的舌状件是径向向外突出的舌状件。

根据本公开的发动机和方法的其他目的、特点、优点和性质将从详细的说明中变得明显。

附图说明

在本发明说明书的以下详细部分中，将参照附图中所示的示例性实施方式更详细地解释本发明，其中：

图1是贯穿安装在气缸衬套中的活塞的一部分的截面，示出具有四个活塞环的环组，

图2是贯穿安装在气缸衬套中的活塞的截面，以更大比例示出具有五个活塞环的环组，

图3是在负荷状态下的活塞顶环的平面图，

图4是图3的顶活塞环的侧视图，

图5和图6分别示出图3的环的一部分在卸压凹槽周围的区域中的侧视图和俯视图，

图7和图8是第二接合端部的正视图，

图9和图10是第一接合端部的正视图，和

图11是在第一接合端部和第二接合端部重叠的区域中贯穿顶活塞环的截面图。

具体实施方式

图1和图2示出活塞1，活塞1的圆柱形侧壁具有多个环凹槽3，其中，环凹槽3的顶凹槽3容纳活塞顶环4并且下活塞环6已经插入下凹槽3中。单个活塞1的顶活塞环4和下活塞环6形成协作的活塞环4、6的所谓的环组。活塞1是具有十字头的大型二冲程涡轮增压单向流扫气压缩点火式内燃发动机，并且活塞1与气缸衬套7以及气缸盖5一起限定燃烧室2(注意，尽管图1未示出气缸盖5中的排气阀，但可以理解，排气阀应当存在于气缸盖5中的中心孔中)。

活塞环4、6防止燃烧室2中的气压渗透到活塞1下方的空间中。

图3和图4示出具有隔离部的顶活塞环4(其基本上避免了气流穿过隔离部)的示例性实施方式。活塞顶环4具有环本体，该环本体包括上环面16、下环面17、外环面11、内环面12和在环隔离部(允许顶活塞环4的伸缩)处的第一接合端部8和第二接合端部9。因此，隔离部使得可以在环凹槽3中安装顶活塞环4期间在一定程度上伸长环直径，并且当顶活塞环4在使用期间磨损时(在衬套表面上运行的轴向外表面11具有在使用期间将逐渐被磨薄的磨损层L(图11)在一定程度上允许顶活塞环4的第一接合端部8和第二接合端部9彼此脱开。

如图5和图6所示，在实施方式中，顶活塞环4的轴向外侧11具有四个卸压凹槽15(其相对于顶活塞环4的平面以一角度倾斜地延伸)。卸压凹槽15确保受控气体从活塞顶环4的顶侧流向下侧，因此，均匀和适当界定的气流流过各个凹槽15。

环凹槽3的外缘由虚线10表示。顶活塞环4的外表面11与在图5和图6中未示出的气缸衬套接触。

在另一个实施方式中，顶活塞环4不具有卸压凹槽并且卸压功能例如由活塞中的凹槽(未示出)提供。还可以操作没有受控渗漏的顶活塞环4，即气密顶活塞环4，其基本处理活塞1的整个压差。

如图7至图11所示，顶活塞环4的第一端部8具有伸入到在顶活塞环4的第二端部9处的基本对应的周向延伸凹部28中的周向延伸指状件23。周向延伸凹部28被成形并设定尺寸为密封地且周向可滑动地容纳指状件23，并且凹部28和指状件23具有互补的横截面形状。

在径向方向上，指状件23比顶活塞环4更小，并且凹部28通过与指状件23的内侧邻接的下横壁42而被限定在顶活塞环4的内侧。下横壁42与形成凹部28的(径向)延深的周向延伸凹槽52邻接。

指状件23的轴向高度比环高度更小，并且凹部28的近端部分46被横壁36向上限定，横壁36的下侧邻接指状件23的上侧。

凹部28通过凹部26在第二接合端部的周向远端部分47中延伸。凹部26通向顶面16和外环面11并与凹部28连接。因此，凹部28的远端部分47通向外环面11、下环面17和上环面16。横壁34在凹部28的周向远端部分47中从下横壁42一直突出到凹部26。第一横壁34加强和稳定了第二接合端部9的远端部分。因此，凹部28由下横壁42和第一横壁34以及第二横壁36限定。第二横壁36在凹部28的近端部分46中完全延伸至外环面11，同时，横壁34在凹部28的远端部分47中仅在一定程度上向外环面11延伸，以便产生至少部分容纳竖直壁25的凹部26。

指状件23的近端部分44至少在指状件23的近端部分44的径向延伸的外部中的轴向高度与环高度相等，从而使得指状件23的近端部分44与外环面11、下环面17和至少部分地与上环面16齐平，从而形成竖直壁25。竖直壁25在宽度和高度方向上形成填充凹部26的另外的指状件，从而形成对穿过隔离部的气流的另外的障碍。特别地，通过由凹部26以及与竖直壁25的径向内表面邻接产生的竖直壁25与第一横壁34之间的重叠，防止了穿过隔离部向顶活塞环4的内侧的流动。

指状件23的远端部分45仅与外环面11和下环面17大致齐平。因此，指状件23的远端部分45具有比环本体的高度更小的高度和比环本体更小的宽度。指状件23的远端部分的内壁和上壁密封地且可滑动地与第二接合端部9的横壁36和下横壁42接合/邻接。

指状件23具有径向向内定向和纵向周向延伸的舌状件51，周向延伸舌状件51被成形且设定尺寸成与周向延伸凹槽52配合，使得周向延伸舌状件51被周向可滑动地容纳在周向延伸凹槽52中。指状件23的横截面形状通常与凹部28的横截面形状互补，且舌状件51的横截面形状与凹槽52的横截面形状互补。因此，例如如图11所示，包括其舌状件51和凹槽52的指状件23和凹部28具有互补的轮廓。舌状件51和凹部52是弯曲的并且两者具有相同的曲率半径(其与顶活塞环4的曲率相对应)。在另一个示例性实施方式中(未示出)，指状件和凹部的布置是颠倒的，因此舌状件径向向外突出。

优选地，舌状件51的(径向)高度H大致或几乎大致填充凹槽52的整个的(径向)深度D。因此，凹槽52的(径向)深度D优选比舌状件51(径向)高度H稍大。

指状件23与凹部28之间的周向重叠的量是可变的。在使用期间，径向外表面11上的磨损层L和气缸衬套7的运行表面慢慢磨损，这导致指状件23与凹部28之间的周向重叠减少。这同样适用于舌状件51与凹槽52之间的周向重叠。

舌状件51与凹槽52布置通过迷宫式布置确保气密密封，并且舌状件51与凹槽52之间的接合在两个轴向方向(相反的轴向方向)上提供了机械连接(即机械联锁)，因此确保了第一端部8和第二端部9在两个轴向方向上的彼此机械固定。

在示出的实施方式中，周向延伸凹槽52在近端部分46和远端部分47上(在即端部9的整个周向范围上)周向延伸，但这是不必要的，并且在实施方式中，周向延伸凹槽52的周向范围能够具有小于端部分9的周向范围，但在这种情况下，舌状件51的周向范围也将对应地变得更短。

由于具有舌状件51的指状件23在宽度和高度方向上填充包括凹槽52的凹部28，所以无论指状件23的端面29是否与凹部28的端面33周向隔开，都基本上防止了燃烧气体通过切口流向活塞1下面的空间。

凹部28的周向范围被分成近端部分46和远端部分47，其中近端部分46最靠近环本体。

指状件23的周向范围被分成近端部分44和远端部分45，其中近端部分44最靠近环本体。

凹部28的近端部分46基本上仅通向外环面11和下环面17。凹部28的近端部分46通过下横壁42和第二横壁36界定。在周向方向上，凹部28由端壁33限定。

通常，环组中的所有活塞环4，6都被制造成非圆形的。需要这种非圆形的形式使得活塞环在被插入圆形的气缸衬套7中时，对整个环周边施加准确限定的压力。该压力原则上能够被均匀分布在圆周上；然而，负椭圆形式通常针对用于大型二冲程涡轮增压单向流扫气内燃发动机的活塞1的顶活塞环4。这意味着在隔离部的区域中的压力比在其余的周边上的压力更低，这避免了在发动机的操作期间在隔离部上的增加的压力。

在实施方式中，顶活塞环4是用在第一凹槽中的包含蠕虫状石墨的物的回火硬化铸件，而在下凹槽中，是具有片状石墨的非硬化合金铸件的活塞环。

在实施方式中，顶活塞环4涂覆有热喷涂层或电镀涂层。在实施方式中，顶活塞环4具有不对称凸状运行表面(外环面)轮廓。

在实施方式中，环组包括：

-顶环：不对称桶状，双层涂覆，侧面涂铬，

-第二环：不对称桶状，磨合涂覆，侧面涂铬，

-第三环：不对称桶状，磨合涂覆，和

-第四环：不对称桶状，双层涂覆。

在另一个实施方式中，环组包括：

-顶环：不对称桶状，侧面涂铬陶瓷，

-下环：不对称桶状，涂铬陶瓷。

在权利要求书中使用的术语“包括”不排除其他的元素或步骤。在权利要求书中使用的术语“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求书中记载的多个装置的功能。

在权利要求书中使用的附图标记不应视为限制范围。

虽然为了说明已经详细描述了本发明，但是可以理解的是，这些细节仅用于说明，并且本领域技术人员不背离本发明的范围能够在其中作出修改。

Claims

1.一种顶活塞环(4)，用于与在具有十字头的大型二冲程涡轮增压压缩点火式内燃发动机的活塞(1)的侧壁中的各个环状环凹槽(3)中的多个下活塞环(6)一起在活塞环组中使用以针对所述活塞(1)上方的燃烧室(2)中的压力进行密封，所述顶活塞环(4)包括：

环本体，具有上环面(16)、下环面(17)、外环面(11)、内环面(12)和在允许所述顶活塞环(4)伸缩的环隔离部处的第一接合端部和第二接合端部(8，9)，

所述第一接合端部(8)包括周向延伸指状件(23)，

所述第二接合端部(9)包括周向延伸凹部(28)，所述周向延伸凹部(28)的形状和尺寸适于密封性地和可滑动地容纳所述指状件(23)，

所述指状件(23)，具有径向突出的舌状件(51)，所述舌状件(51)在所述指状件(23)的周向范围中的至少一部分上周向延伸，

其特征在于，

所述凹部(28)设有凹槽(52)，所述凹槽(52)在所述凹部(28)的周向范围中的至少一部分上周向延伸，具有一径向深度(D)，

所述舌状件(51)和所述凹槽(52)的形状在径向和轴向方向上互补，并且所述凹槽(52)被配置成容纳所述舌状件(51)的周向范围的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的顶活塞环(4)，其中，所述舌状件(51)的径向高度(H)略小于所述凹槽(52)的径向深度(D)。

3.根据权利要求1或2所述的顶活塞环(4)，其中，所述舌状件(51)和所述凹槽(51)被配置为用于可滑动接合，所述可滑动接合允许所述第一端部和第二端部(8，9)之间在周向方向上的相对运动并防止所述第一端部和第二端部(8，9)之间在轴向方向上的相对运动。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的顶活塞环(4)，其中，所述舌状件(51)和所述凹部(52)是弯曲的，并且所述舌状件(51)和所述凹部(52)具有与所述顶活塞环(4)的曲率对应的相同的曲率半径。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的顶活塞环，其中，所述凹部(28)的周向范围被分成近端部分(46)和远端部分(47)，其中所述近端部分(46)最靠近所述环本体，所述指状件(23)的周向范围被分成近端部分(44)和远端部分(45)，其中所述近端部分最靠近所述环本体，所述凹部的所述近端部分(46)通向所述外环面(11)和所述下环面(17)，所述凹部的所述远端部分(47)通向所述外环面(11)、所述下环面(17)和所述上环面(16)，所述指状件(23)的所述近端部分(44)与所述外环面(11)和所述下环面(17)齐平，所述指状件(23)的所述近端部分的至少径向外部与所述上环面(16)齐平，并且所述指状件(23)的所述远端部分(45)与所述外环面(11)和所述下环面(17)齐平。

6.根据权利要求5所述的顶活塞环，其中，所述指状件(23)的所述近端部分具有竖直壁(25)，所述竖直壁(25)具有与所述外环面(11)齐平的面和与所述上环面(16)齐平的面。

7.根据权利要求6所述的顶活塞环，其中，所述第二接合端部(9)具有用于容纳所述竖直壁(25)的凹部(26)。

8.根据权利要求6或7所述的顶活塞环，其中，所述凹部(28)由下横壁(42)和第一横壁(34)以及第二横壁(36)限定，所述第二横壁(36)在所述凹部(28)的所述近端部分(46)中完全延伸至所述外环面(11)，并且所述第一横壁(34)在所述凹部(28)的所述远端部分(47)中仅在一定程度上向所述外环面(11)延伸，以便产生适于至少部分地容纳所述竖直壁(25)的另一个凹部(26)。

9.根据权利要求8所述的顶活塞环(4)，其中，所述另一个凹部(26)通向所述内环面(16)和所述外环面(11)。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的顶活塞环(4)，其中，所述主环本体是非圆形的，使得所述气缸衬套与所述顶活塞环的外环面之间的压力在所述隔离部区域比在所述顶活塞环(4)的其余周边上更低。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的顶活塞环(4)，其中，所述凹部的所述近端部分(46)仅通向所述外环面(11)和所述下环面(17)。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的顶活塞环(4)，其中，所述指状件(23)的远端部分(45)仅与所述外环面(11)和所述下环面(17)齐平。