CN107237702A - 用于内燃发动机及其系统和方法的活塞环组 - Google Patents

Abstract

提供了用于内燃(IC)发动机的活塞环组。IC发动机包括汽缸，汽缸具有衬套和衬套上的保护层。具有冠部和一组凹槽的活塞设置在汽缸内。一组活塞环设置在一组凹槽内。活塞环从离冠部最近的地方依次设置并且至少包括具有限定第一端部间隙的自由端的第一压缩环和具有限定第二端部间隙的自由端的第二压缩环中的一个。第一压缩环的第一端部间隙的标称值大于第二压缩环的第二端部间隙的标称值。

Description

用于内燃发动机及其系统和方法的活塞环组

技术领域

本发明大体上涉及内燃发动机，并且更具体地涉及用于内燃发动机的活塞环组。

背景技术

一般地，用在动力、海运和工业(P、M和I)应用的发动机不断经受更加严格的排放水平。这些应用中的发动机典型地包括为满足三级排放标准而研发的活塞和气缸衬套。活塞环组的具体环的磨损可以导致不符合排放标准，许多情况下比期望的磨损更快。

例如，活塞环组的增加的磨损率能够因为在P、M和I操作(并且甚至是轨道操作)下的环至活塞槽侧面余隙而导致。P、M和I操作因其在相对高的发动机输出下的极高服务水平而公知。包括展现不规则高的环至活塞槽的活塞压缩环和活塞上的油环的动力组件可以经受相对高的磨损率。因此活塞压缩环和油环在用户期望生命周期之前频繁更换。活塞压缩环和油环的频繁更换能够导致用户不满意。这种过早移除可以增加保修成本，并且当未即时检测或补救时能够造成显著相关后续的发动机损害和发动机可用性损失，更不用说不符合排放标准。

中国专利公开第204344302号描述了一种发动机活塞组件。发动机活塞组件设置有活塞结构和与活塞结构匹配的活塞环组。活塞结构、活塞环组和气缸的内壁一起形成了剩余间隙槽道，剩余间隙槽道设置有至少一个或多个环状突然扩张膨胀空腔并且具有多级节流膨胀的功能。当发动机中的混合气体为燃烧而压缩和点燃并且为进行工作而膨胀时，剩余间隙槽道将生成流动阻力和能量耗散效应，以防止高压混合气体和高温高压燃料气体从发动机的燃烧室和气缸逃离和泄露至曲轴箱，仅有少量烃排放物从剩余间隙逸出。发动机活塞组件被提供以减少发动机汽缸内的碳沉积物和尾气排放中的烃排放物。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了一种内燃发动机。内燃发动机包括汽缸，汽缸包括衬套和衬套上的保护层。内燃发动机进一步包括设置在汽缸内的活塞，活塞包括冠部和具有六个凹槽的一组凹槽。内燃发动机进一步包括具有在凹槽组的对应凹槽中设置的六个活塞环的一组活塞环。一组活塞环的六个活塞环从离冠部最近的地方到离冠部最远的地方依次由以下环组成。六个活塞环包括第一压缩环、第二压缩环、第三压缩环、第四压缩环、第一油环和第二油环，第一压缩环包括限定第一端部间隙的自由端，第二压缩环包括限定第二端部间隙的自由端。第一压缩环具有径向上的0.295±0.01英寸的标称壁厚。第一压缩环的第一端部间隙为或约为0.050±0.01英寸。第二压缩环的第二端部间隙为或约为0.045±0.01英寸。

在本发明的另一个方面中，提供了用于内燃发动机的一组活塞环。一组活塞环包括第一压缩环、第二压缩环和第一油环，第一压缩环具有限定第一端部间隙的自由端，第二压缩环具有限定第二端部间隙的自由端。第一压缩环具有径向上的0.295±0.01英寸的标称壁厚。第一压缩环的第一端部间隙为或约为0.050±0.01英寸。第二压缩环的第二端部间隙为或约为0.045±0.01英寸。第一压缩环配置为布置在活塞上，使得第一压缩环设置成最接近活塞的冠部并且使得第二压缩环设置成第二接近冠部。

在本发明的又一方面中，提供了一种方法。该方法包括提供具有限定第一端部间隙的自由端的第一压缩环。该方法进一步包括提供具有限定第二端部间隙的自由端的第二压缩环。第一压缩环包括第一压缩环的第一端部间隙的标称值，其大于第二压缩环的第二端部间隙的标称值。关于包含第一压缩环和第二压缩环的环组，第一压缩环配置为设置成最接近活塞的冠部，并且第二压缩环配置为设置成第二接近冠部。

通过以下的描述和附图，本发明的其它特征和方面将显而易见。

附图说明

结合于此并构成说明书一部分的附图图示了一个或多个实施例并且同描述一起解释了实施例。附图不一定按比例绘制。进一步地，附图中的任何值或尺寸仅用于图示目的并且能够或能够不代表实际或优选值的值或尺寸。在适用时，某些或所有选择特征能够不被图示以有助于对下面特征的描述和理解。

图1是根据本发明一个或多个实施例的内燃发动机的一部分的横截面视图，内燃发动机具有汽缸和接收在其中的活塞；

图2是图1的部分“P”的放大视图；

图3是根据本发明一个或多个实施例的一组活塞环的分解视图；

图4是根据本发明一个或多个实施例的图3的一组活塞环的第一压缩环的平面图；

图5是根据本发明一个或多个实施例的图3的一组活塞环的第二压缩环的平面图；

图6是根据本发明一个或多个实施例的一组活塞环的分解视图；以及

图7是根据本发明一个或多个实施例的提供多个活塞环的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图陈述的描述旨在作为所述主题的各个实施例的描述，而不一定旨在代表仅有实施例。在某些情况下，描述包括特定细节，目的在于提供所述主题的理解。对本领域技术人员而言显而易见的是，没有这些特定细节也能够实践这些实施例。在某些情况下，为了避免模糊所述主题的概念，公知的结构及部件以方框图的形式示出。在可能的情况下，相应或相似的附图标记在所有的附图中将用于表示相同或相应的配件。

在说明书中，任何关于“一个实施例”或“某个实施例”的引用都是指与这个实施例相关的具体特征、结构、特性、操作或功能被包含在至少一个实施例中。因此，说明书出现的短语“在一个实施例中”或“在某个实施例中”不一定指相同实施例。进一步地，具体特征、结构、特性、操作或功能能够在一个或多个实施例中以任何适宜的方式相互结合，本发明旨在所述主题的实施例可以并且确实涵盖所述实施例的修改和变化。

还必须注意，如在说明书、所附权利要求书和摘要中所使用的，除非上下文另作明确规定，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象。也就是说，除非另外明确指明，如本文所使用的词语“一”和“一个”及类似词语表示“一个或多个”。此外，应当理解，诸如“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“前面”、“后面”、“侧面”、“高度”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“内部”、“外部”、“内”和“外”的术语及能够在本文使用的类似术语仅仅描述参考点并且不一定将所述主题的实施例限制为任何具体定向或配置。另外，诸如“第一”、“第二”和“第三”等的术语仅仅标识本文所述的多个部分、部件、参考点、操作或功能中的一个，并且同样不一定将所述主题的实施例限制为任何具体配置、定向或者功能或操作的顺序。

图1示出了内燃发动机100的一部分的横截面视图。内燃发动机100能够体现为诸如柴油发动机的压缩点火发动机。进一步地，应当理解，内燃发动机100还能够体现为包括但不限于火花点火发动机的其它发动机。例如，内燃发动机100能够是四冲程柴油发动机、二冲程或四冲程汽油发动机、或者二冲程或四冲程气体动力发动机。

内燃发动机100包括汽缸体102。汽缸体102包括设置在汽缸体102内的衬套104。内燃发动机100进一步包括连接至汽缸体102以封闭衬套104的端部的的汽缸盖106。汽缸体102包括在汽缸膛110内的活塞108。活塞108可滑动地设置在汽缸膛110内并且沿着衬套104设置。活塞108与衬套104和汽缸盖106一起限定了内燃发动机100的燃烧室107。应当理解，内燃发动机100能够包括任何数目的汽缸膛110。进一步地，汽缸膛110能够以包括但不限于“轴向式”配置、“V”形配置、对置活塞配置或任何其它配置的各种配置来设置。

汽缸体102的衬套104可以包括保护层112。保护层112能够适于保持保护层112的内表面103上的油膜(未示出)的期望厚度(未示出)。在一个或多个实施例中，保护层112可以包括约40-100微英寸的核心/内核(Rk)范围，约50微英寸的最大峰值高度(Rpk)，和/或约32-100微英寸的谷底深度范围(Rvk)。在一个或多个实施例中，油膜的期望厚度能够在约0.0001-0.001英寸的范围内。

活塞108配置为在汽缸膛110内的衬套104内在下死点(BDC)(未示出)与上死点(TDC)(未示出)之间复运动。活塞108包括内燃发动机100的位于顶部部分的朝向TDC的冠部114和位于底部部分的朝向BDC的从冠部114延伸的裙部117。活塞108可枢转地连接至连杆109，其则能够可枢转地连接至曲轴(未示出)。

图2示出了汽缸体102的部分“P”和图1的活塞108的放大视图。汽缸体102的部分“P”可以包括衬套104和衬套104上的保护层112，以及活塞108的冠部114。活塞108能够具有包括冠部114上的一组凹槽116的圆柱形结构。一组凹槽116在冠部114的环形外表面115处形成。一组凹槽116适于容纳一组活塞环118。当然，图1和图2显示了六个凹槽，但是所公开主题的实施例并不局限于此，这意味着能够设置多于六个的凹槽或者设置少于六个的凹槽。一组活塞环118包括至少两个压缩环和一个或多个油环或刮油环。至少两个压缩环可以在限定在活塞108的冠部114中的一组凹槽116中接收。在本实施例中，压缩环是开口环。如同上述凹槽一样，所公开主题的实施例不限于六个环，这意味着能够设置多于六个的环或者设置少于六个的环。

在所示实施例中，内燃发动机100是包括总共六个活塞环的柴油发动机。六个活塞环包括一组压缩环120和一组油环122。一组压缩环120包括四个压缩环，尽管在一个或多个实施例中只能够设置两个压缩环。四个压缩环体现为第一压缩环124、第二压缩环126、第三压缩环128和第四压缩环130。一组活塞环118适于密封活塞108与保护层112之间的径向间隙“G1”，从而在燃烧过程中保持燃烧室107内的气体的期望压力。

一组油环122包括第一油环132和第二油环134。一组油环122允许油穿过一组压缩环120并且润滑保护层112的内表面103。一组压缩环120从冠部114的顶部部分定位。一组油环122定位在一组压缩环120之下并且离冠部114最远。

活塞108的冠部114容纳在一组凹槽116的对应凹槽处的一组压缩环120和一组油环122。一组凹槽116包括第一凹槽136、第二凹槽138、第三凹槽140、第四凹槽142、第五凹槽144和第六凹槽146。一组活塞环118设置在一组凹槽116的对应凹槽中。进一步地，一组活塞环118从离活塞108的冠部114最近的地方到离活塞108的冠部114最远的地方依次设置。

第一压缩环124设置在第一凹槽136处，离冠部114最近。在一个或多个实施例中，第一压缩环124包括径向上的约0.295±0.01英寸的标称壁厚“R1”。第一压缩环124容纳在一组凹槽116的第一凹槽136中，其能够具有约0.38英寸的径向厚度“T1”。第二压缩环126设置在第二凹槽138处，第三压缩环128设置在第三凹槽140处，第四压缩环130设置在第四凹槽142处，第一油环132设置在也称为“第一油环凹槽”的第五凹槽144处，并且第二油环134设置在也称为“第二油环凹槽”的第六凹槽146处。

活塞108的冠部114包括一组凹槽116，以容纳一组压缩环120和一组油环122。一组凹槽116的每个凹槽都包括径向厚度“T1”，某些或所有的径向厚度能够为约0.38英寸并且轴向厚度“T2”为约0.196英寸。在一个或多个实施例中，一组凹槽116的每个凹槽的径向厚度“T1”是均匀的并且是矩形横截面形状。可选择地，在一个或多个实施例中，一组凹槽116的每个凹槽的径向厚度“T1”能够是非均匀的，或者同其它凹槽相比至少一个凹槽能够具有不同的径向厚度。

图3示出了根据本发明一个或多个实施例的一组活塞环118的分解视图。一组活塞环118包括一组压缩环120和一组油环122。在图3中，一组压缩环120包括四个压缩环。四个压缩环包括第一压缩环124、第二压缩环126、第三压缩环128和第四压缩环130。第一压缩环124包括限定第一端部间隙“E1”(如图4所示)的自由端135，其能够是平坦的且朝向彼此。第一压缩环124的第一端部间隙“E1”被称为第一压缩环124的自由端135之间的间隙。第一压缩环124的第一端部间隙“E1”为或约为0.050±0.01英寸。第一压缩环124包括径向上的约0.295±0.01英寸的标称壁厚“R1”(如图4所示)。第二压缩环126包括限定第二端部间隙“E2”(如图5所示)的自由端141，其能够是平坦的且朝向彼此。第二压缩环126的第二端部间隙“E2”被称为第二压缩环126的自由端141之间的间隙。第二压缩环126的第二端部间隙“E2”为或约为0.045±0.01英寸。在一个或多个实施例中，第一压缩环124的第一端部间隙“E1”与第二压缩环126的第二端部间隙“E2”的比在约1.0-1.2的范围内。因此，第一端部间隙E1的标称值可以大于第二端部间隙E2的标称值。

在图3中，第一压缩环124的每个自由端135都包括朝向彼此的平坦表面131。当然，自由端135能够不是平坦的，但例如具有点。相似地，第二压缩环126的每个自由端141都包括朝向彼此的平坦表面133。当然，自由端141能够不是平坦的，但例如具有点。

第一压缩环124包括限定内圆周143的内表面125。一般来说，内表面125平行于一组凹槽116的第一凹槽的外表面137，第一压缩环124设置在第一凹槽内。第二压缩环126包括限定内圆周145的内表面127。一般来说，内表面127平行于一组凹槽116的第二凹槽138的外表面139，第二压缩环126设置在第二凹槽138内。第一压缩环124包括限定外圆周147的外表面123。一般来说，外表面123可以平行于保护层112的内表面103(如图1所示)。第二压缩环126还包括限定外圆周151的外表面129。一般来说，外表面129可以平行于保护层112的内表面103。在一个或多个实施例中，一组活塞环118能够由铁基材料制成。

例如为了在保护层112上生成均匀受控的油层，第一压缩环124和第二压缩环126的环表面能够具有对称的筒形。第一压缩环124和第二压缩环126的环表面能够表面涂覆有陶瓷铬镀层以维持环的长期操作。在一个或多个实施例中，第一压缩环124的标称壁厚“R1”(如图4所示)与第一凹槽136的径向厚度“T1”(如图4所示)的比能够在约0.5-0.9英寸的范围内，第一凹槽136具有设置在其中的第一压缩环124。

图6示出了根据本发明一个或多个实施例的一组活塞环148的分解视图。一组活塞环148包括一组压缩环150。该组还能够包括油环152。一组压缩环150包括第一压缩环154和第二压缩环156。一组活塞环148可以从离活塞108的冠部114最近的地方到离活塞108的冠部114最远的地方依次设置。更特别地，至少压缩环154配置为最接近活塞108的冠部114，并且压缩环156配置为第二接近冠部114。

第一压缩环154包括限定第一端部间隙“E3”的自由端155。第二压缩环156包括限定第二端部间隙“E4”的自由端157。此外，第一端部间隙E1可以大于第二端部间隙E2。例如，第一压缩环154的第一端部间隙“E3”可以为或约为0.050±0.01英寸，并且第二压缩环156的第二端部间隙“E4”可以为或约为0.045±0.01英寸。在一个或多个实施例中，第一压缩环154的第一端部间隙“E3”与第二压缩环156的第二端部间隙“E4”的比可以在约1.0-1.2的范围内。第一压缩环154可以包括径向上的约0.295±0.01英寸的标称壁厚“R2”。在一个或多个实施例中，第一压缩环154和第二压缩环156由金属或合金制成。

工业实用性

本发明描述的一组活塞环118、148和具有保护层112的衬套104用于内燃发动机100，具体用于柴油发动机，以在燃烧过程中减少微粒物质排放和窜漏燃烧气体。微粒物质排放和窜漏燃烧气体可以通过保持保护层112上的油膜来减少，即在一组活塞环118、148和保护层112的接触表面上。一组活塞环118、148的一组压缩环120、150适于径向扩张，一组压缩环120、150的每个的外表面可以符合保护层112的表面，即保护层112的内表面103。每个压缩环120、150能够用于密封燃烧室107并且因此以防止气体从燃烧室107传递至曲轴箱。每个压缩环120、150还能够用于支撑从活塞108至衬套104的热量传递，并且用于调节发动机油消耗。

图7示出了提供一组活塞环的方法200的流程图，诸如如上讨论的一组活塞环118、148。一组活塞环118是为了图示本发明。

方法200在步骤202处包括提供诸如一组压缩环120的压缩环124的第一压缩环。任选地，第一压缩环124能够设置在活塞108的冠部114的第一凹槽136内。第一压缩环124包括限定第一端部间隙“E1”的自由端135。第一压缩环124设置成最接近活塞108的冠部114。方法200能够进一步包括以这样的方式即径向的第一压缩环124的标称壁厚“R1”为约0.295±0.01英寸来提供第一压缩环124。第一压缩环124中的第一端部间隙“E1”能够为或约为0.050±0.01英寸。

进一步地，在步骤204处，方法200包括提供诸如压缩环126的第二压缩。任选地，第二压缩环能够设置在第二凹槽138中。第二压缩环126还包括限定第二端部间隙“E2”的自由端141。第二压缩环126紧贴在第一压缩环124之下设置。第一压缩环124的第一端部间隙“E1”的标称值可以大于第二压缩环126的第二端部间隙“E2”的标称值。方法200能够进一步包括提供具有为或约为0.045±0.01英寸的第二端部间隙“E2”的第二压缩环126。

虽然本发明的方面已经参照上述实施例进行了具体显示和描述，但本领域技术人员将理解的是，通过所公开机械、系统和方法的修改能够构思各种另外的实施例而不偏离所公开的范围。应当理解，如根据权利要求及其任何等价物所确定的，这种实施例落入本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种内燃发动机，包括：

汽缸，其包括衬套和所述衬套上的保护层；

设置在所述汽缸内的活塞，所述活塞包括冠部和具有六个凹槽的一组凹槽；以及

一组活塞环，其具有在所述一组凹槽的对应凹槽中设置的六个活塞环。

其中，所述一组活塞环的所述六个活塞环从离所述冠部最近的地方到离所述冠部最远的地方依次由以下环组成：

包括限定第一端部间隙的自由端的第一压缩环，

包括限定第二端部间隙的自由端的第二压缩环，

第三压缩环，

第四压缩环，

第一油环以及

第二油环，

其中，所述第一压缩环具有径向上的0.295±0.01英寸的标称壁厚，

其中，所述第一压缩环的所述第一端部间隙为或约为0.050±0.01英寸，以及

其中，所述第二压缩环的所述第二端部间隙为或约为0.050±0.01英寸。

2.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述一组凹槽的每个凹槽包括约0.38英寸的径向厚度和约0.196英寸的轴向厚度。

3.如权利要求2所述的内燃发动机，其中，所述第一压缩环的所述标称壁厚与所述凹槽的所述径向厚度的比在约0.5-0.9的范围内，所述凹槽具有设置在其中的所述第一压缩环。

4.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述保护层包括为或约为40-100微英寸的核心/内核(Rk)范围，为或约为50微英寸的最大峰值高度(Rpk)，以及平均为或约为32-100微英寸的谷底深度范围(Rvk)。

5.如权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述第一压缩环的所述第一端部间隙与所述第二压缩环的所述第二端部间隙的比在约1.0-1.2的范围内。

6.如权利要求1所述的内燃发动机，

其中，所述第一压缩环的所述自由端包括平坦表面，所述平坦表面朝向彼此。

其中，所述第二压缩环的所述自由端包括平坦表面，所述平坦表面朝向彼此。

7.如权利要求1所述的内燃发动机，

其中，所述第一压缩环包括限定内圆周的内表面，以及

其中，所述内表面平行于所述一组凹槽的所述凹槽的外表面，所述第一压缩环设置在所述凹槽内。

8.如权利要求1所述的内燃发动机，

其中，所述第二压缩环包括限定内圆周的内表面，以及

其中，所述内表面平行于所述一组凹槽的所述凹槽的外表面，所述第二压缩环设置在所述凹槽内。

9.如权利要求1所述的内燃发动机，

其中，所述第一压缩环包括限定外圆周的外表面，以及

其中，所述外表面平行于所述衬套的内表面。

10.如权利要求1所述的内燃发动机，

其中，所述第二压缩环包括限定外圆周的外表面，以及

其中，所述外表面平行于所述衬套的内表面。

11.用于内燃发动机的一组活塞环，包括：

包括限定第一端部间隙的自由端的第一压缩环；

包括限定第二端部间隙的自由端的第二压缩环；以及

第一油环，

其中，所述第一压缩环具有径向上的0.295±0.01英寸的标称壁厚，

其中，所述第一压缩环的所述第一端部间隙为或约为0.050±0.01英寸，其中，所述第二压缩环的所述第二端部间隙为或约为0.045±0.01英寸，以及

其中，所述环组配置为布置在活塞上，使得所述第一压缩环设置成最接近所述活塞的冠部并且使得所述第二压缩环设置成第二接近所述冠部。

12.如权利要求11所述的一组活塞环，其中，所述第一压缩环的所述第一端部间隙与所述第二压缩环的所述第二端部间隙的比在约1.0-1.2的范围内。

13.如权利要求11所述的一组活塞环，

其中，所述第一压缩环的所述自由端包括平坦表面，所述平坦表面朝向彼此，以及

其中，所述第二压缩环的所述自由端包括平坦表面，所述平坦表面朝向彼此。

14.如权利要求11所述的一组活塞环，

其中，所述第一压缩环包括限定内圆周的内表面，以及

其中，所述内表面平行于所述一组凹槽的所述凹槽的外表面，所述第一压缩环设置在所述凹槽内。

15.如权利要求11所述的一组活塞环，

其中，所述第二压缩环包括限定内圆周的内表面，以及

其中，所述内表面平行于所述一组凹槽的所述凹槽的外表面，所述第二压缩环设置在所述凹槽内。

16.如权利要求11所述的一组活塞环，

其中，所述第一压缩环包括限定外圆周的外表面，以及

其中，所述外表面平行于所述衬套的内表面。

17.如权利要求11所述的一组活塞环，

其中，所述第二压缩环包括限定外圆周的外表面，以及

其中，所述外表面平行于所述衬套的内表面。

18.如权利要求11所述的一组活塞环，其中，所述第一压缩环和所述第二压缩环由金属或金属合金制成。

19.一种方法，包括：

提供具有限定第一端部间隙的自由端的第一压缩环；以及

提供具有限定第二端部间隙的自由端的第二压缩环，

其中，所述第一压缩环的所述第一端部间隙的标称值大于所述第二压缩环的所述第二端部间隙的标称值，以及

其中，关于包含所述第一压缩环和所述第二压缩环的环组，所述第一压缩环配置为设置成最接近活塞的冠部，并且所述第二压缩环配置为设置成第二接近所述冠部。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括：

提供所述第一压缩环的径向上的0.295±0.01英寸的标称壁厚和在所述第一压缩环内的为或约为0.050±0.01英寸的第一端部间隙；以及

提供所述第二压缩环内的为或约为0.045±0.01英寸的第二端部间隙。