CN107636288A - 具有沟槽密封件的活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有至少一个环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，所述至少一个环侧缘密封件(14)布置在所述活塞环的环下部侧缘(8)上。

Description

具有沟槽密封件的活塞环

技术领域

本发明涉及在其环侧缘上具有沟槽密封件的活塞环。更具体地，本发明涉及具有嵌入在沟槽内的弹性材料的活塞环，其中，该弹性材料密封活塞环的下部侧缘，即相对于燃烧室或者活塞头的远侧缘。

背景技术

活塞环、尤其是压缩环通常用在内燃机的第一(顶部)活塞环沟槽和第二(中央)活塞环沟槽中。压缩环的功能特征在于以下性能：

1.针对燃烧气体密封曲轴箱；

2.剥离过量的润滑油，使得尽可能少的润滑油留在缸体内壁上且能够被燃烧。

具有冠状的接触面设计的环用于该目的。在压缩环中，大部分的气体不仅沿着曲轴箱的方向流经接合点，而且根据壁厚度和直径流经环下部侧缘。当今，该气体流动主要地是由接触区域中的活塞环侧缘和活塞环沟槽侧缘的表面粗糙度和波纹度所引起。根据温度影响，活塞沟槽的变形也可发生且负面地影响密封件。

已知的是以对称的方式或者对称冠状的方式设计压缩环，其中，在接触面上具有各自的最大接触点。在这种情况下，活塞环沟槽侧缘和活塞环侧缘制造有限定的表面粗糙度以使活塞环在周向方向上具有限定的移动性。活塞环沟槽的波纹度或者活塞环本身的波纹度通常不被考虑。

例如在专利申请DE102010034870 A1和DE19942241 A1中公开了已知的活塞环。DE102010034870 A1公开了在轴向方向上具有通孔的活塞环，使得活塞环的壁厚度有意地被减小，其中该壁厚度有意的减小是最有效的，尤其是如果在边层纤维的附近(在这种情况下接近活塞环的内径)产生孔时。DE19942241 A1公开了一种活塞环沟槽，其在活塞环沟槽侧缘上具有铬涂层。DE19942241 A1

发明内容

本发明的目的在于减少通过在环下部侧缘与活塞环沟槽下部侧缘之间的间隙的“漏气”。

该目的通过具有权利要求1的特征的活塞环来实现，其中，在从属权利要求中描述了本发明有利的实施方式。

根据本发明的实施方式，提出了用于至少一个环侧缘密封件的活塞环，其中，至少一个环侧缘密封件沟槽布置在环下部侧缘上。在该背景下，环下部侧缘被认为是相对于燃烧室或活塞头的远侧缘。本发明的活塞环还包括孔，该孔从环上部侧缘和/或从环的内表面延伸到环侧缘密封件沟槽或者环侧缘密封件沟槽的底部。以这样的方式，燃烧气体可通过孔进入环侧缘密封件沟槽且向下按压布置在环侧缘密封件沟槽中的环侧缘密封件抵靠活塞环沟槽下部侧缘进而改善在该位置处的密封效果。

在这种情况下，密封效果通常通过在具有限定的表面粗糙度的摩擦搭档之间的薄的间隙实现，与在活塞环间隙或者节流窗口处的漏气相比该限定的表面粗糙度几乎是忽略不计的。直到现在，由于高的热应力和机械应力，以及从活塞经由活塞环进入缸体内壁的必需的热耗散和活塞环在周向方向上应该可以自由转动的要求，密封件并不用于该目的。在这种背景下，本发明目的在于利用布置在环下部侧缘上的一个或多个密封元件实现密封效果。这些密封元件不用完全密封活塞环与活塞环沟槽之间的整个间隙，而是仅仅以增强的方式密封在环下部侧缘与活塞环沟槽下部侧缘之间的间隙。

在本发明的活塞环的示例性实施方式中，至少一个环侧缘密封件布置在至少一个环侧缘密封件沟槽中且至少部分地嵌入其内。这使得能够使用更大的并且特别是更厚的活塞环密封件，从而可实现延长的使用寿命或者作用时间。优选地是分别将至少一个环侧缘密封件布置在至少一个环侧缘密封件沟槽中，使得该至少一个环侧缘密封件在轴向方面上是可移动的，以使燃烧气体能够通过孔流入在环侧缘密封件与环侧缘密封件沟槽的底部之间的空间中并且由此按压环侧缘密封件抵靠活塞的活塞环沟槽下部侧缘。在这种情况下，环下部侧缘设置有至少一个环侧缘密封件沟槽。然而，也可能在环下部侧缘上布置两个、三个或更多个环侧缘密封件沟槽以容纳一个或多个环侧缘密封件。

在本发明的另一示例性实施方式中，该至少一个环侧缘密封件沟槽实现为梯形沟槽或者矩形沟槽的形式。

在活塞环的另一示例性实施方式中，该至少一个环侧缘密封件沟槽实现为燕尾状沟槽的形式。可看出这种沟槽形状的主要优势在于：在将活塞环安装到活塞环沟槽的过程中，密封件不能够容易地从环侧缘密封件沟槽出来。

在活塞环的另一示例性实施方式中，至少一个环侧缘密封件沟槽分别在活塞环接合点的前方终止。该实施方式使得能够防止环侧缘密封件沟槽中的环侧缘密封件在环间隙的方向上从环侧缘密封件沟槽侧向地移出，从而可实现延长的使用寿命。

在活塞环的另一示例性实施方式中，环侧缘密封件沟槽延伸直至活塞环接合点。这使得能够将同样地在活塞环接合点上延伸的闭合密封环插入到环侧缘密封件沟槽中。在这种情况下，环侧缘密封件沟槽可朝向接合点加宽，使得环侧缘密封件能够在环侧缘密封件沟槽中移动。然而，环侧缘密封件沟槽或环侧缘密封件也可设置有防止环侧缘密封件在环侧缘密封件沟槽中的周向运动的元件。

在活塞环的另一示例性实施方式中，环侧缘密封件实现为O型环的形式。

在活塞环的示例性实施方式中，活塞环包括从环上部侧缘延伸到环侧缘密封件沟槽的孔。在这种情况下，由于来自燃烧室的燃烧气体通过该孔在环侧缘密封件的后方流动且由此按压环侧缘密封件抵靠环侧缘密封件沟槽下部侧缘，因此该孔用于按压环侧缘密封件抵靠环侧缘密封件沟槽侧缘。这优选地通过燕尾状的环侧缘密封件沟槽而实现，其中，该区域能够施加更大的压力且由此对环侧缘密封件上施加更大的力。

在活塞环的另一实施方式中，活塞环包括从活塞环的内侧延伸到环侧缘密封件沟槽的孔。燃烧气体位于在环上部侧缘与活塞环沟槽上部侧缘之间的间隙中、以及在活塞环的内侧或内表面与活塞环沟槽的底部之间的间隙中。从该内表面径向地延伸到在环侧缘密封件上方的环侧缘密封件沟槽的通道因此也能够加工到活塞环中。在这些实施方式中，燃烧气体能够在环侧缘密封件后方流动且由此按压环侧缘密封件抵靠活塞环沟槽下部侧缘以提高环下部侧缘与活塞环沟槽下部侧缘之间的密封效果。环侧缘密封件可以是弹性的且不完全填充环侧缘密封件沟槽，使得燃烧气体的压力能够按压环侧缘密封件抵靠活塞环沟槽下部侧缘从而密封环下部侧缘与活塞环(沟槽)下部侧缘之间的间隙。由于环侧缘密封件沟槽仅仅在环下部侧缘的一部分上延伸，故经由不包含环侧缘密封件沟槽的表面可发生负载转移。

在活塞环的另一示例性实施方式中，至少一个环侧缘密封件的材料是弹性的。由于弹性的环侧缘密封件材料在环侧缘密封件沟槽的底部与环侧缘密封件之间的腔室内的压力下能够变形，故使得弹性的环侧缘密封件材料能够实现优异的密封效果。

在活塞环的另一示例性实施方式中，至少一个环侧缘密封件的材料包括金属材料(诸如铜、青铜和/或铝)，和/或耐热塑料(诸如聚四氟乙烯、硅酮橡胶或者耐热弹性体)。诸如铜、青铜和/或铝或者其各自合金的金属材料能够以相对简单的方式被制造和加工。上文描述类型的金属材料使得能够精确地调节环侧缘密封件的强度和耐热性。金属材料还使得能够调节材料的硬度，以使该材料能够与对应的密封表面相互作用，尤其是与铝活塞内的活塞环沟槽的下部侧缘相互作用以实现特别可靠的密封效应。聚四氟乙烯是一种传统的设计用于高热应力和机械应力的材料，其中，环侧缘密封件可全部地或部分地由该材料制成。硅酮密封件可同时还制造有高精度和高温度稳定性。聚对苯撑也可用作重型塑料。环侧缘密封件还可被涂覆以考虑各个摩擦搭档(即铝活塞和铸铁活塞环或钢活塞环)的材料性能。

在具有环侧缘密封件的活塞环的另一示例性实施方式中，至少一个环侧缘密封件的材料比活塞环本身的材料具有显著更大的热膨胀系数。以这样的方式，随着操作温度增加，密封件材料可从环侧缘密封件沟槽伸出且由此增强了在该位置处的密封效果。另外，环仍可在活塞环沟槽中进行周向运动，尤其当启动冷发动机时。

在具有环侧缘密封件的活塞环的另一示例性实施方式中，至少一个环侧缘密封件布置在活塞环的内半部上。传统的压缩环的冠状耐磨部暗示在操作期间环扭曲。由于在动力冲程期间主要需要密封效果，因此密封件也应布置在该位置处，在该位置处出现在活塞环侧缘与活塞环沟槽侧缘之间的最高表面压力。该设计还使得能够最小程度地影响从活塞经由活塞环到冷却的缸体内壁中的热传递。

在优选的示例性实施方式中，活塞环为压缩环。由于压缩环经受最大的压差，因此压缩环最适合于本发明。通过油膜，油控制环被相对很好地密封。

附图说明

参照单独的示例性实施方式的示意性附图，在下文中更详细地描述了本发明，其中：

图1示出安装状态下的传统活塞环的剖面；

图2示出本发明的活塞环的实施方式的剖面；

图3A示出本发明的活塞环的实施方式的水平投影；

图3B示出安装状态下的本发明的活塞环的剖面；

图3C示出本发明的活塞环的另一剖面；

图4A示出本发明的活塞环的另一实施方式的横平投影；

图4B示出安装状态下的本发明的另一活塞环的剖面；和

图4C示出本发明的另一活塞环的另一剖面。

具体实施方式

在附图以及在下面的描述中，相同或相似的元件和部件由相同的附图标记表示。

图1示出传统活塞环42的剖面，该传统活塞环42插入到或者放置到活塞44的活塞环沟槽46中。该传统活塞环42通过接触面4抵靠衬套或缸体40。该传统活塞环42通过相对于燃烧室的远侧缘置于活塞环沟槽下部侧缘54上或者通过环下部侧缘8置于活塞环沟槽下部侧缘54上，在该图中燃烧室位于上部。活塞环沟槽下部侧缘54的表面粗糙度在该图中被高度扩大。在发动机的动力冲程期间，当燃烧气体在活塞环沟槽内向下按压活塞环42时，如所预期的，环上部侧缘6与活塞环沟槽上部侧缘48间隔开。环后方的体积52在活塞环的内表面10与活塞环沟槽的底部52之间延伸。在动力冲程期间，在环上部侧缘6与活塞环沟槽上部侧缘48之间的间隙中的压力P1高于动力冲程期间在环后方的体积52中的压力P2。由于环下部侧缘8和活塞环沟槽下部侧缘54的表面粗糙度，具有压力P2的一部分燃烧气体可通过在该位置处形成的密封间隙A逸出。本发明目的在于提高密封间隙A的密封效果。传统上，尝试通过减小环下部侧缘8和活塞环沟槽下部侧缘54的表面粗糙度来实现这点。

图2示出本发明的活塞环的实施方式的剖面。活塞环设置有环侧缘密封件沟槽12，环侧缘密封件14布置在环侧缘密封件沟槽12内。环侧缘密封件沟槽12和环侧缘密封件14仅仅覆盖环下部侧缘的一部分，使得环下部侧缘8的大部分能够接触未示出的活塞环沟槽下部侧缘，并且因此从活塞经由环2进入缸体内壁中的热传递很大程度上保持不受影响。环侧缘密封件14的材料可具有较高的热膨胀系数，从而以增强的方式密封间隙，尤其是在已达到其操作温度的发动机中。孔18从环侧缘密封件沟槽12的底部向上延伸并且使得燃烧气体能够向下按压环侧缘密封件沟槽12内的环侧缘密封件14抵靠活塞的活塞环沟槽下部侧缘，本发明的活塞环插入到该活塞环沟槽下部侧缘中。

还可使用梯形的沟槽或者U型沟槽，而不是矩形的沟槽。在图2中，环侧缘密封件14径向地布置在活塞环2的内半部(IH)中。

图3A示出本发明的活塞环2的实施方式的水平投影。环上部侧缘6在该水平投影中是可见的，其中，外边缘由接触面4形成并且活塞环接合点以附图标记22表示。环侧缘密封件沟槽12仅仅由虚线指示，因为它位于活塞环2的远侧上。在这种情况下，环侧缘密封件沟槽12在活塞环接合点22的前方终止。然而，环侧缘密封件沟槽12还可延伸直至活塞环接合点22并且可通过机械方式防止环侧缘密封件14在周向方向上从环侧缘密封件沟槽12滑出。

图3B示出安装状态下的本发明的活塞环2的剖面。该活塞环2的水平投影对应于图3A中的水平投影。活塞环插入到活塞的活塞环沟槽中。环侧缘密封件沟槽12实现为梯形以将环侧缘密封件14保持在环侧缘密封件沟槽12中。活塞环2设置有从环上部侧缘6延伸到环侧缘密封件沟槽12的孔18。具有压力P1的燃烧气体可通过孔18扩散远至环侧缘密封件沟槽12中并且按压环侧缘密封件18从环侧缘密封件沟槽12离开且抵靠活塞环沟槽下部侧缘54。如果环侧缘密封件14是足够弹性的，则施加在活塞环沟槽侧缘54上的压力能够根据环侧缘密封件沟槽12的锥度比而增加。在图3B中，环侧缘密封件14径向地布置在活塞环2的中央。

图3C示出本发明的活塞环的另一示例的另一剖面。该活塞环2的水平投影同样地对应于图3A中的水平投影。环侧缘密封件沟槽12具有平行四边形的形状以为环侧缘密封件14提供增强的密封几何形状，该环侧缘密封件14实现为O型环16或开口的O型环16的形式。然而，如果材料足够坚固以在接合点区域中暴露于燃烧室气体以及如果环侧缘密封件沟槽12的端部在接合点处充分平滑地渐缩以防止O型环16磨损，则O型环16也可是闭合的。

图4A示出本发明的活塞环2的另一实施方式的水平投影。环下部侧缘6以及环侧缘密封件沟槽12或者环侧缘密封件14在该水平投影中从下方是可见的。外边缘由接触面4形成并且活塞环接合点以附图标记22表示。孔20从活塞环2的内侧或内表面10延伸到环侧缘密封件沟槽12。孔仅仅由虚线指示，因为它们径向地延伸通过活塞环。在该实施方式中，环侧缘密封件沟槽12也在活塞环接合点22的前方终止。在这种情况下，施加在密封件14上的压力小于在根据图3A至图3C中的实施方式中的压力，使得能够防止环侧缘密封件14被过度的力按压离开环侧缘密封件沟槽12。

图4B示出安装状态下的本发明的活塞环2的剖面。该活塞环2的水平投影对应于图4A中的水平投影。环侧缘密封件沟槽12实现为梯形以将环侧缘密封件14保持在环侧缘密封件沟槽12中。活塞环2设置有从活塞环的内表面10延伸到环侧缘密封件沟槽12的孔20。具有压力P2的燃烧气体可通过孔18扩散远至环侧缘密封件沟槽12中并且按压环侧缘密封件18从环侧缘密封件沟槽12中离开且抵靠未示出的活塞环沟槽下部侧缘54。

图4C示出本发明的活塞环2的另一示例的另一剖面。该活塞环2的水平投影同样地对应于图4A中的水平投影。环侧缘密封件沟槽12实现为矩形以产生能够沿着未示出的活塞环沟槽下部侧缘54的方向移位的最小阻力。由于环侧缘密封件沟槽12的几何形状，较低的压力P2也足以实现密封间隙的充分密封效果。在图4C中，环侧缘密封件14径向布置在活塞环2的外半部中。

没有对环侧缘密封件沟槽12、环侧缘密封件14、孔18和孔20以及环侧缘密封件沟槽的径向位置的所有组合进行单独地论述，以避免不必要的重复。然而，从所描述的实施方式得出的这些组合应同样被认为是公开的。

附图标记列表

2 活塞环

4 接触面

6 环上部侧缘

8 环下部侧缘

10 环的内表面

12 环侧缘密封件沟槽

14 环侧缘密封件

16 O型环

18 从环上部侧缘(6)延伸到环侧缘密封件沟槽的孔

20 从活塞环的内侧延伸到环侧缘密封件沟槽的孔

22 活塞环接合点

40 衬套/缸体

42 传统的活塞环

44 活塞

46 活塞环沟槽

48 活塞环沟槽上部侧缘

50 活塞环沟槽的底部

52 环后方体积

54 活塞环沟槽下部侧缘

A 环下部侧缘与活塞环下部侧缘之间的密封间隙

径向活塞环厚度的外半部

IH 径向活塞环厚度的内半部

P1 环上部侧缘上的燃烧气体压力

P2 环后方体积中的燃烧气体压力

Claims (14)

1.一种用于至少一个环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，至少一个环侧缘密封件沟槽(12)布置在所述活塞环的环下部侧缘(8)上，所述活塞环(2)还包括孔(18)，所述孔从所述环的环上部侧缘(6)和/或从所述环的内表面(10)延伸到所述环侧缘密封件沟槽(12)。

2.根据权利要求1所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，还包括至少部分地嵌入在所述至少一个环侧缘密封件沟槽(12)中的环侧缘密封件(14)。

3.根据权利要求1或2所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件沟槽(12)实现为梯形沟槽的形式。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件沟槽(12)实现为燕尾状沟槽的形式。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件沟槽(12)在所述活塞环的接合点的前方终止。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述环侧缘密封件沟槽(12)延伸直至所述活塞环的接合点。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件(14)实现为O型环(16)的形式。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述孔(18)从所述环上部侧缘(6)延伸到所述环侧缘密封件沟槽(12)。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述孔(20)从所述环的所述内表面(10)延伸到所述环侧缘密封件沟槽(12)。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件(14)的材料是弹性的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件(14)的材料包括金属材料和/或耐热塑料，所述金属材料诸如铜、青铜和/或铝；所述耐热塑料诸如聚四氟乙烯、硅酮橡胶和/或耐热弹性体。

12.根据前述权利要求2至9中任一项所述的具有环侧缘密封件(14)的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件(14)的材料比所述活塞环(2)的材料具有显著更大的热膨胀系数。

13.根据前述权利要求2至12中任一项所述的活塞环(2)，其中，所述至少一个环侧缘密封件(14)布置在所述活塞环(2)的径向厚度的内半部上。

14.根据前述权利要求2至13中任一项所述的活塞环(2)，其中，所述活塞环(2)是压缩环(2)。