CN110291313B - 晃动受抑制的活塞环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活塞环，具体是一种压缩活塞环，所述活塞环在活塞环上侧面上具有至少一个凹口，所述至少一个凹口的下边缘相对于活塞环上侧面倾斜地延伸，所述至少一个凹口从活塞环内侧面径向地向外延伸，或者从活塞环支承表面径向地向内延伸。活塞环具有倒角，所述倒角与至少一个凹口相反。至少一个凹口和倒角在径向方向上至多延伸至活塞环的截面区域的重心区域处。

Description

晃动受抑制的活塞环
技术领域
本发明涉及用于内燃机的活塞环，具体是压缩活塞环。
背景技术
在发动机的高速运转下，压缩环在第二活塞环槽中会变得不稳定，即，环开始径向地和/或轴向地晃动，这导致气体通过气缸壁和活塞环支承表面之间出现的间隙而产生漏气。当活塞环由上侧面上的惯性力保持时，所述环之前的压力的增加引起环径向地或轴向地晃动。普通设计的环不能纠正这个问题，无论它们具有正扭曲还是负扭曲。
存在已知的现有技术的活塞环，所述活塞环在其上侧面(即面向燃烧室的一侧)具有凹口或槽。然而，这种设计由于环的薄弱而导致增加了环破裂的风险。
因此，需要一种活塞环，所述活塞环一方面有效地抑制环自身的晃动，另一方面又不易于出现破裂或其他磨损。
发明内容
该目的通过一种活塞环实现，所述活塞环具有活塞环支承表面、与所述活塞环支承表面相反的活塞环内侧面、活塞环上侧面以及活塞环下侧面；在所述活塞环上侧面中设置有至少一个凹口，并且所述至少一个凹口从所述活塞环内侧面开始径向地向外延伸；至少一个凹口的下边缘相对于所述活塞环上侧面倾斜地延伸，以及所述活塞环在安装状态下具有负扭曲，所述活塞环在所述活塞环内侧面和所述活塞环下侧面之间的边缘处具有倒角，所述至少一个凹口和所述倒角从所述活塞环内侧面开始在径向方向上至多延伸到所述活塞环的轴向截面区域的中心的位置，并且所述至少一个凹口与所述倒角相反。
该目的通过另外地一种活塞环来实现，所述活塞环具有活塞环支承表面、与所述活塞环支承表面相反的活塞环内侧面、活塞环上侧面以及活塞环下侧面；在所述活塞环上侧面中设置有至少一个凹口，所述至少一个凹口从所述活塞环支承表面开始径向地向内延伸；所述至少一个凹口的下边缘相对于所述活塞环上侧面倾斜地延伸，所述活塞环在安装状态下具有正扭曲，所述活塞环在所述活塞环内侧面和所述活塞环上侧面之间的边缘处具有倒角，所述至少一个凹口从所述活塞环支承表面开始延伸，并且所述倒角从所述活塞环内侧面开始在径向方向上至多延伸到所述活塞环的轴向截面区域的中心的位置，并且所述至少一个凹口与所述倒角相反。
根据本发明的一个方面，在所述至少一个凹口的所述下边缘和所述活塞环上侧面之间形成的角度在3°和30°之间。
根据另一方面，所述至少一个凹口的径向尺寸至多为所述活塞环的径向厚度的75％。
根据另一方面，所述至少一个凹口的总体积与所述活塞环的周长的商在0.04mm2至0.08mm2的范围内。
根据另一方面，所述活塞环是矩形环、梯形环、锥面环、鼻形环或鼻形锥面环。
根据另一方面，设置有多个凹口，优选地设置至多40个凹口。
根据另一方面，每个凹口都具有相同的形状。
根据另一方面，所述凹口在周向方向上彼此以相同的间距来布置。
根据另一方面，所述活塞环的轴向高度调节成使得在所述活塞环要被安装到其中的所述活塞环槽中留有最大为50μm的轴向间隙。
该目的还通过根据前述特征的活塞环和具有活塞环槽的活塞的组合设置来实现。
根据该组合设置的另一方面，所述活塞环槽具有比所述活塞环的轴向高度大0μm至50μm、优选地大20μm至40μm的轴向高度。
根据该组合设置的另一方面，所述活塞环槽的轴向高度在径向方向上朝向内侧减小。
根据该组合设置的另一方面，在轴向截面中所述活塞环槽上侧面和所述活塞环槽下侧面之间的角度为0.3°至1°。
根据该组合设置的另一方面，所述活塞环槽的外侧轴向高度比所述活塞环槽的内侧轴向高度大至少30μm，优选地大30μm至50μm。
在本专利申请的范围内，面向燃烧室的一侧也称为上侧，而相应地，下侧是面向曲轴箱的一侧(背离燃烧室的一侧)。“轴向”是指平行于环形活塞环的轴线的方向；“径向”是指与环形活塞环的轴线垂直的方向。轴向方向对应于使用活塞环的活塞的轴向方向。
在下文的描述中，短语“至少一个凹口”也被简化为“凹口”。除非另有说明，术语“凹口”因此包括多个凹口和单个凹口。同样，设置在活塞环上侧面并从活塞环内侧面开始径向向外延伸的凹口简称为术语“内侧面凹口”，类似地，设置在活塞环上侧面并从活塞环支承表面开始径向向内延伸的凹口简称为术语“外侧面凹口”。
附图说明
下面参考附图更详细地描述本发明的实施方式的示例，在附图中：
图1A示出了根据一个实施方式的具有内侧面凹口的活塞环的剖视图；
图1B示出了根据一个实施方式的具有外侧面凹口的活塞环的剖视图；
图2A示出了在安装状态下的具有内侧面凹口的带有负扭曲的活塞环的剖视图；
图2B示出了在安装状态下的具有外侧面凹口的带有正扭曲的活塞环的剖视图；
图3示出了在安装状态下的具有凹口的带有负扭曲的活塞环的细节透视图；
图4示出了具有多个凹口的活塞环的透视图；以及
图5示出了根据本发明的活塞环和活塞的剖视图。
具体实施方式
图1A示出了根据本发明的一个实施方式的活塞环1的剖视图(为简单起见，没有阴影线)。活塞环1具有活塞环支承表面4、活塞环内侧面6、活塞环上侧面8(在燃烧室侧)和活塞环下侧面10(在曲轴箱侧)。从活塞环内侧面6开始径向地向外延伸的至少一个凹口2设置在活塞环上侧面8上。所述至少一个凹口由虚线表示。对于透视图，参见图3和图4。此外，活塞环1在活塞环下侧面10和活塞环内侧面6之间的边缘处具有倒角12。因此，倒角12与在活塞环内侧面6上的所述至少一个凹口2相反。
倒角在附图中表示为斜面。然而，在本专利申请的上下文中，术语“倒角”应更普遍地理解为活塞环(在轴向截面中)的周边凹口(所述周边凹口围绕活塞环的周边延伸)。例如，“倒角”区域中的截面的外部轮廓除了其是直的如斜面的情况之外，通常也可以指的是：具有(多边形的)角；是(内凹的或外凸的)圆拱形的等等。
与传统的活塞环相比，所述凹口有利于燃烧气体在活塞环上侧面和在其中安装有活塞环1的活塞环槽的上侧面之间的流动(即，到达活塞环内侧面)，从而将活塞环1更强力地压靠在气缸壁上以改善密封效果。
这也可以使得将轴向间隙最小化，所述轴向间隙即活塞环侧面和活塞环槽侧面之间的间隙。与通常的60-120μm相比，本文的活塞环1的轴向高度优选地调节为活塞环槽的轴向高度，以便留下的间隙最大为50μm，优选为20-40μm。因此，可以减少在活塞环侧面和活塞环槽侧面之间流动的油量，而气体可以流过至少一个凹口。
图1B示出了根据本发明另一实施方式的活塞环1的剖视图。这与图1A所示的视图的不同之处在于，至少一个凹口2不位于内侧面而是位于外侧面，并且活塞环1的倒角12位于活塞环上侧面8与活塞环内侧面6之间的边缘处。换句话说，倒角12优选地与基于活塞环上侧面8的至少一个凹口2相反。所述至少一个凹口2从活塞环支承表面4开始径向地向内延伸。保留了所述至少一个凹口2位于所述活塞环上侧面8上的布置。以上关于图1A所述的内容在这里也适用。
下面参考图2A和图2B，进一步解释参考图1A和图1B描述的实施方式的“扭曲行为”。下文描述的根据本发明的活塞环的附加特征和特性适用于根据图1A的实施方式和根据图1B的实施方式两者。
在径向方向上，凹口2不延伸到所述活塞环支承表面4(在内侧面凹口的情况下)，和/或不延伸到活塞环内侧面6(在外侧面凹口的情况下)，即，所述凹口2的径向尺寸小于活塞环1的径向厚度(即，壁厚)；所述凹口至多延伸到活塞环的轴向截面区域的中心的位置。本文优选的是，凹口2的径向尺寸T至多为活塞环1的径向厚度的75％，更优选地50％，更优选地25％。凹口2的径向尺寸优选地为活塞环1的径向厚度的20％和60％之间，更优选地40％和60％之间。
类似地，倒角12在径向方向上至多延伸到活塞环的轴向截面区域的中心的位置。倒角12的径向尺寸优选至多为活塞环1的径向厚度的50％。
至少一个凹口可以具有不同的形状。例如，除了立方形状和具有矩形截面的形状之外，例如，还可以想到圆拱形或者具有梯形、三角形或圆弓形截面的形状。所述至少一个凹口2的深度(即，在轴向方向上的尺寸)从活塞环内侧面6和/或活塞环支承表面4开始沿径向方向线性地减小，即，所述至少一个凹口2的下边缘相对于活塞环上侧面8倾斜地延伸。所述深度优选地以这样的方式减小，使得形成的斜面的角度θ在3°和30°之间，更优选地在10°和20°之间。换句话说，凹口2的下边缘相对于活塞环上侧面8延伸的角度θ优选地在3°和30°之间，更优选地以10°和20°之间。当然，不同形状的凹口也可以同时用于同一活塞环上。
优选设置多个凹口，更优选地设置至多40个凹口。所述凹口优选地沿周向方向有规律地布置，即凹口彼此之间隔开均匀的距离。
所述凹口的在活塞环内侧面或活塞环支承表面上所测量的总面积(在径向方向上所考虑的由所述凹口形成的通道的总的截面积)应该至少相当于20μm乘以活塞环周长。换句话说，如果所有凹口都具有相同的形状，而所述形状是矩形截面，则对于面积可以使用以下方程：
L·d·N≥π·D·20μm
其中，N表示凹口的数量，L是凹口在周向方向上的长度，d是凹口的轴向深度(均是在活塞环内侧面或活塞环轴承表面上测量的)，以及D是活塞环的直径，在内侧面凹口的情况下所述直径是在活塞环内侧面上测量的，或者在外侧面凹口的情况下所述直径是在活塞环支承表面上测量的。如果凹口具有不同的形状，则应该保持类似地这种条件，即，
tot≥π·D·20μm
其中，tot是凹口的总面积，其是在活塞环内侧面或活塞环支承表面上测量的。
凹口的总数可以根据相应的要求进行调整。例如，在活塞环具有的直径在60mm至150mm的范围内的情况下，可以在周向方向上布置较少数量的相对宽的长度大于20mm的凹口，或者布置较大数量的相对较窄的长度小于10mm的凹口。
如果T表示凹口在径向方向上延伸的距离，即凹口的径向尺寸，那么优选地，对于体积适用于下面的方程：
T·L·d·N≥π·D·0.04mm2
该方程的假设是在使用上述的面积方程的情况下，当在径向方向上考虑时，所述凹口具有矩形截面，并且所述凹口的轴向深度从活塞环内侧面或活塞环支承表面开始近似线性地减小(换句话说，假设形成如上所述的斜面)。
如果所述凹口不具有如在径向方向上看到的矩形截面，而是具有不同的形状，并且如果所述凹口的轴向深度在径向方向上线性地减小(如上所述)，则更常使用下面的方程：
2·V·N≥π·D·0.04mm2
其中，V是单个凹口的体积。如果各个凹口具有不同的形状，则方程为：
2·Vtot≥π·D·0.04mm2
其中，Vtot是所有凹口的总体积(再次假设，凹口的轴向深度基本上是线性减小的)。优选地，Vtot在π·D·0.04mm2至π·D·0.08mm2的范围内，即，换句话说，所述凹口2的总体积Vtot与所述活塞环的周长π·D的比是在0.04mm2到0.08mm2的范围内。
图2A和图2B示出了处于安装状态(即，当活塞环处于应力下时)的根据本发明的活塞环。如果存在所谓的“扭曲”，那么下面将解释“扭曲”与凹口的相互作用。图2A中所示的活塞环对应于图1A中的活塞环，图2B中所示的活塞环对应于图1B中的活塞环。以上关于图1A和图1B所作的陈述也分别适用于图2A和图2B中所示的活塞环。因此，下面仅描述那些与扭曲的相互作用相关的内容；参考了前面对其他特征和属性的解释。
图2A示出了处于安装状态的具有负扭曲的活塞环(对应于图1A中的活塞环)的视图。活塞环1安装在活塞22的活塞环槽中，并且示出了与活塞环接触的气缸壁20。术语“负扭曲”表示：当处于安装状态下的活塞环受到应力时，所述活塞环在外侧向下倾斜。这种“扭曲行为”是由在截面中的扰动引起的，所述扰动是在活塞环中产生的，例如通过对在活塞环内侧面6和所述活塞环侧面之一之间的环边缘创建倒角或周边凹口而在活塞环中产生的。在该图中，在活塞环1的下侧面上(即，在活塞环内侧面6和活塞环下侧面10之间的边缘处)创建这种倒角12，这导致了所谓的“负扭曲”，(在该图所示的视图中，这是由箭头表示的逆时针方向的扭曲)。负扭曲导致活塞环的内侧上边缘与活塞环槽上侧面24接触。在这种情况下，凹口2布置在活塞环上侧面8的内侧处，即布置在活塞环1与活塞环槽上侧面24接触的位置。
相应地，在活塞环内侧面6的上边缘处的倒角导致了所述安装状态下的“正扭曲”。这在图2B中作为示例示出，其示出了处于安装状态的根据图1B的活塞环。在活塞环1具有正扭曲的情况下，凹口2(如图中所示)布置成使得所述凹口位于活塞环上侧面8的外侧处。当活塞环受到应力时，活塞环的扭曲(在图2B中再次用箭头表示)导致活塞环上侧面8与活塞环槽的外侧上边缘接触，即凹口2被布置的位置。
在这两种情况下，即正扭曲和负扭曲的情况下，所述凹口2各自布置成使得所述凹口位于活塞环1与活塞环槽上侧面24接触的位置。凹口2因此形成用于燃烧气体的通道，使得所述气体进入活塞环1的后面，即所述气体可以进入活塞环内侧面和活塞槽底部之间的区域18中。以上结合图1A和图1B所作的陈述也适用于图2A和图2B，特别是关于尺寸和面积/体积方程的陈述。
还可以想到的是，凹口以无规律的间隔来布置，以便平衡无规律的扭曲，因为所述凹口也会影响扭曲行为。
图3和图4示出了对应于图1A和图2A中的实施方式的本发明的实施方式的透视图。特别是如图4所示，凹口2在外部区域与活塞22之间、在气缸壁20与活塞22之间形成通道，以及活塞环内侧面6和活塞环槽底部14之间的区域18，因此这允许燃烧气体逸出和串气到径向上位于活塞环内侧面6和活塞环槽底部14之间的内侧区域18中。由于气体的压力，而向活塞环1施加径向向外的力，以将活塞环支承表面4压靠在气缸壁上，从而抑制了环径向地晃动。
图4以透视图示出了活塞环1的细节。这里应该指出的是，多个凹口2沿周向方向布置。
根据本发明的活塞环具体地设置成用于第二压缩环。这种压缩环优选地被设计成矩形环、梯形环、锥面环、鼻形环或鼻形锥面环。根据本发明的活塞环优选地用在梯形活塞环槽中，所述梯形活塞环槽在径向向外的方向上变宽，在活塞环槽侧面之间形成0.3°至1°的角度。
图5示出了活塞22与活塞环1的组合设置。活塞环1是如上所述的根据本发明的活塞环。例如，这里示出了在内侧面具有凹口的活塞环(参见图1A)，但是也可以使用任何其他实施方式。对于第一部分省略了附图标记，因此仅示出了必要特征。
活塞22具有活塞环槽，但是对于附加的活塞环也可以存在其他活塞环槽。活塞环槽的轴向高度为0-50μm，优选地比活塞环的轴向高度大20-40μm。
活塞环槽的侧面的延伸不是平行的，而是活塞环槽的侧面之间的间距在朝向内侧的径向方向上减小，其中在活塞环槽侧面之间形成角度Φ。作为示例，在此，活塞环槽下侧面26平行于径向方向(即，垂直于轴向方向)延伸，而活塞环槽上侧面24不平行于该径向方向延伸。通常，仅一个活塞环槽(上或下)侧面不平行于径向方向延伸或两个活塞环槽(上或下)侧面24、26都不平行于径向方向延伸。角度Φ表示两个活塞环槽侧面之间的角度，即，不是活塞环槽上侧面与径向方向之间的角度，如图中是为简单起见所示的，但该角度在此处所示的示例中确实对应于此。角度Φ优选地在0.3°和1°之间。活塞环槽的外侧轴向高度(轴向上的外侧的高度)优选比活塞环槽的内侧轴向高度(轴向上的内侧的高度)大至少30μm，更优选地大30-50μm。
附图标记列表：
1 活塞环；
2 凹口；
4 活塞环支承表面；
6 活塞环内侧面；
8 活塞环上侧面；
10 活塞环下侧面；
12 倒角；
14 活塞环槽底部；
18 活塞环内侧面和活塞环槽底部之间的区域；
20 气缸壁；
22 活塞；
24 活塞环槽上侧面；
26 活塞环槽下侧面。

Claims (17)

1.一种活塞环(1)，所述活塞环包括活塞环支承表面(4)、与所述活塞环支承表面相反的活塞环内侧面(6)、活塞环上侧面(8)以及活塞环下侧面(10)；
其中，在所述活塞环上侧面(8)中设置有至少一个凹口(2)，所述至少一个凹口(2)从所述活塞环内侧面(6)开始径向地向外延伸；
其中，所述至少一个凹口(2)的下边缘相对于所述活塞环上侧面(8)倾斜地延伸，其中，所述活塞环(1)在安装状态下具有负扭曲，其中，所述活塞环在所述活塞环内侧面(6)与所述活塞环下侧面(10)之间的边缘处具有倒角(12)，所述至少一个凹口(2)和所述倒角(12)在径向方向上至多延伸到所述活塞环的轴向截面区域的中心的位置，并且所述至少一个凹口(2)与所述倒角(12)相反；其中，设置有多个凹口(2)。
2.一种活塞环(1)，所述活塞环包括活塞环支承表面(4)、与所述活塞环支承表面相反的活塞环内侧面(6)、活塞环上侧面(8)以及活塞环下侧面(10)；
其中，在所述活塞环上侧面(8)中设置有至少一个凹口(2)，所述至少一个凹口(2)从所述活塞环支承表面(4)开始径向地向内延伸；
其中，所述至少一个凹口(2)的下边缘相对于所述活塞环上侧面(8)倾斜地延伸，其中，所述活塞环(1)在安装状态下具有正扭曲，其中，所述活塞环在所述活塞环内侧面(6)与所述活塞环上侧面(8)之间的边缘处具有倒角(12)，所述至少一个凹口(2)从所述活塞环支承表面(4)延伸，并且所述倒角(12)从所述活塞环内侧面(6)在径向方向上至多延伸到所述活塞环的轴向截面区域的中心的位置，并且所述至少一个凹口(2)与所述倒角(12)相反；其中，设置有多个凹口(2)。
3.根据权利要求1或2所述的活塞环(1)，其中，在所述至少一个凹口(2)的所述下边缘和所述活塞环上侧面(8)之间形成的角度在3°和30°之间。
4.根据权利要求1所述的活塞环(1)，其中，所述至少一个凹口(2)的径向尺寸至多为所述活塞环的径向厚度的75％。
5.根据权利要求1所述的活塞环(1)，其中，所述至少一个凹口(2)的总体积(Vtot)与所述活塞环的周长(πD)的商在0.04mm2至0.08mm2的范围内。
6.根据权利要求1所述的活塞环(1)，其中，所述活塞环(1)是矩形环、梯形环、锥面环、鼻形环或鼻形锥面环。
7.根据权利要求1所述的活塞环(1)，其中，设置至多40个凹口。
8.根据权利要求7所述的活塞环(1)，其中，所述凹口(2)都具有相同的形状。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的活塞环(1)，其中，所述凹口(2)设置成在周向方向上彼此均匀间隔。
10.根据权利要求1所述的活塞环(1)，其中，所述活塞环(1)的轴向高度调节成使得在所述活塞环要被安装到其中的活塞环槽中留有最大为50μm的轴向间隙。
11.一种具有活塞环槽的活塞(22)与根据权利要求1至10中任一项所述的活塞环(1)的组合设置。
12.根据权利要求11所述的组合设置，其中，所述活塞环槽具有比所述活塞环的轴向高度大0μm-50μm的轴向高度。
13.根据权利要求12所述的组合设置，其中，所述活塞环槽具有比所述活塞环的轴向高度大20μm-40μm的轴向高度。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的组合设置，其中，所述活塞环槽的轴向高度在径向方向上朝向内侧减小。
15.根据权利要求14所述的组合设置，其中，在轴向截面中活塞环槽上侧面和活塞环槽下侧面之间的角度(Φ)为0.3°至1°。
16.根据权利要求14所述的组合设置，其中，所述活塞环槽的外侧轴向高度比所述活塞环槽的内侧轴向高度大至少30μm。
17.根据权利要求16所述的组合设置，其中，所述活塞环槽的外侧轴向高度比所述活塞环槽的内侧轴向高度大30μm-50μm。
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