CN1102994C - 柴油内燃机的缸套 - Google Patents

Abstract

一种柴油内燃机的缸套(1)具有至少一个带有外部润滑油供给通道的、向内开口的油槽，并至少具有第一组和第二组向内开口的凹口，每组至少具有两个沿缸套圆周方向具有间断长度的凹口(14)。在这些组上的凹口(14)位于顶部15%的工作表面(6)的长度上，不同组上的凹口(14)在缸套(1)的纵向上以相互分离的方式而布置，并在缸套(1)的圆周方向上相互排列。

Description

柴油内燃机的缸套

本发明涉及柴油内燃机的缸套，该缸套具有基本上呈圆柱形内表面的工作表面，并且具有至少一个带有外部的润滑油供给通道的、向内开口的油道和至少第一组凹口及第二组凹口，这些凹口只向着气缸的内侧开口并在缸套的圆周方向上具有间断的长度，因此在这些组上的凹口布置在顶部15％的工作表面的长度上，而不同组上的凹口在缸套的纵向上以相互分离的方式而布置。

在与缸套的连接中，存在一个公知的问题：有时在不适当的情况下活塞环和缸套的工作表面之间产生咬缸。这种咬缸似乎没有规律地产生，它们可能在新缸套的磨合期间和正常工作期间内随机地产生。这种咬缸的产生被假设为发生在缸套的顶部上，在那里活塞环和工作表面承受最重负荷。

在活塞的压缩冲程过程中，所建立起来的压力产生在活塞上方，由涡轮增压器提供的扫气从例如3bar和4bar之间的原始压力在活塞顶部位置上压缩到相当高的压力如100bar到150bar的压力。在压缩冲程的第一部分，建立压力较慢，并且直到活塞正到达它的顶部位置时为止绝大多数的压力升高不会产生。在活塞顶部位置周围，燃料阀打开，燃料喷射到气缸并点燃，随后燃烧期间的气缸压力增加到最大燃烧压力，该燃烧压力例如可能处于160和200bar之间，同时气缸上部的温度升高到超过500℃。在燃烧期间，活塞顶上方的燃烧室内的巨大压力升高引起燃烧气体扩散到活塞环槽和活塞环之间的环形空间，在这里压力对环的背面起作用并把它们压靠在缸套的工作表面上。燃烧期间的高温也使得工作表面上的润滑油膜的粘度变小，因此油膜很容易破裂。活塞在它的顶部位置周围运动相对较慢从而进一步增加了油膜破裂的危险。因此，需要在工作表面上保持油膜的、与工作表面相对的活塞环的滑动速度很小。在膨胀冲程期间，活塞被向下推动，绝大多数的压力降低发生在膨胀冲程的第一半部分，随后压力降低相对较慢，并刚好在活塞通过扫气口之前，压力一般已大约降低到扫气的压力。因此，与气缸其它部分上的压力负荷相比，气缸顶部周围区域的压力负荷非常大。因此，无论从哪一点来看，缸套顶部周围区域是承受最重负荷的工作表面的部分。

以前，人们进行了各种努力来防止在缸套下部区域内所产生的咬缸扩散到其它区域或者更大的区域。DK170430描述了带有两个呈槽形的环形凹口的缸套，这些凹口只向着气缸的内侧开口，并且这些凹口各自直接布置在扫气口的上方和下方上。这些凹口收集由活塞环在膨胀冲程过程中向下推动的部分润滑油，从而防止了咬缸扩散到这些凹口的上方区域上，而这种咬缸通过活塞裙部与缸套接触可在扫气口下方区域内产生并扩散。

JP-A6232207公开了一种缸套，该缸套带有用来提供润滑油的、位于缸套上部的进入口和呈凹口形的、环状的锯齿形储油器，该储油器布置在扫气口稍上的下部三分之一的缸套上。该凹口只向着缸套的内侧开口并起着改善润滑油分布的作用，活塞向下运动通过凹口期间润滑油收集并保存在凹口内，并且随后又把润滑油释放到活塞环中去。由于凹口是锯齿形，因此在活塞通过扫气口下方的底部位置之后向上运动通过储油器时，润滑油沿着环而分布。因此，凹口保留了润滑油，否则润滑油在扫气口浪费掉了。

JP-A60259750公开了一种缸套，该缸套在工作表面上布置有呈圆形孔的收油器(oil recevoir)。在工作期间，收油器收集由活塞环从缸套下部上的喷油孔向上刮下来的润滑油。保留在收油器中的油随后传送到工作表面上，从而改善活塞环和工作表面之间的接触区的润滑。

FR-A1133041公开了一种缸套，该缸套最好在它的整个高度上的工作表面上布置有若干小的保留油的槽或者空腔，从而使接触区域最小，因而使活塞环和工作表面之间的摩擦最小。

人们已经知道：油膜的局部破裂可以产生咬缸，从而活塞环与工作表面直接接触，因此形成了咬缸，而咬缸引起局部过热，由于加热使得在随后的检查中可以观察到过热损害了缸套和活塞环的材料。至此，咬缸的产生假设成由于缺少润滑而由表面咬接所引起的，正在进行工作期间的咬缸导致不良热量的产生，而热量使材料具有咬缸的变色特征。

本发明的目的是以一种方式设计一种缸套，为的是在工作过程中，减少在活塞环和工作表面区域之间产生咬缸，而活塞环和工作表面之间的接触压力特别高。

根据这个目的，本发明的缸套的特征在于：这些凹口呈细长槽的形状，这些槽在缸套的圆周方向以这样的相互排列而布置，以致在平行于缸套轴线的工作表面上的任何线与这些槽中的至少一个相交。

工作表面的顶部布置在缸套的纵向位置上，在该位置上顶部活塞环具有它的上死点，工作表面向下延伸到最下部活塞环的下死点。因此，工作表面的长度比冲程大出大约是环部件的高度。

事实上，靠近具有最重负荷的区域内的工作表面顶部的槽位置除去了环的支撑区域，并采用了间断的环支撑，这些导致环上的负荷较重和增加了咬缸的危险，但是尽管这样，环和缸的磨损减少了，因为槽干涉了咬缸的开始形成。

迄今为止，对咬缸形成的主要机构的一般理解大概是不正确的，因为它预先假定为逐步的平稳过程，该过程超过一段时间会导致咬缸。突然的、局部的特别过热引发咬缸，而突然的、局部的特别过热由活塞环和工作表面之间的大量摩擦所引起的，而大量磨擦的结果是在活塞环和工作表面之间形成了暂时的、有规律的粘接处。这种粘接产生在高燃烧压力把活塞环推过工作表面上的油膜的膨胀冲程期间。由于燃烧压力也把极其大的向下撞击施加到活塞和活塞环这两者上，因此立即又使活塞环与同时变得粗糙的工作表面上所扯下的材料分离开。这种扯下促使进一步产生热量，因此产生了另外的粘接。在活塞环连续通过时，局部咬缸可能被弄平，或者扩散到工作表面的较大区域。

在活塞环移动的相反方向上工作表面上即使布置非常窄的槽也干涉在环绕槽的区域内有效地开始形成咬缸。温度升高是产生粘接的先决条件。如果活塞环使油膜破裂，那么由于环与工作表面之间的摩擦增加引起热量的产生。简单地说，在环通过工作表面上的槽的时刻，冷却取代了加热，由于活塞环和缸套这两者的材料具有合适的较低正常温度，因此热量不断地从活塞环上的被加热位置传导走。因此，热量产生的暂时中断足够用来防止咬缸的开始形成。

除了减少咬缸的产生外，本发明的这些槽具有本身是公知的另外的优点，即起着无源储油器的作用并防止所产生的咬缸扩散。

把槽布置在工作表面上的这样位置不是简单的事情，在该位置上活塞环被推出来紧紧地靠在工作表面上，并且上述的温度和润滑油条件处于极限。由于槽除去了环的一些支撑区域，因此存在这样的危险：在通过槽时它在活塞上的槽内变得扭曲，因为相对较薄且具有弹性的环承受重负荷。如果环扭曲了，那么通过撞击槽的边缘而使它损坏。

根据本发明，借助于在缸套的圆周方向上形成带有间断长度的槽，及借助于沿缸套的纵向以相互分离的方式来布置它们，可以避免活塞环的这种扭曲和引起磨损。当活塞环通过一些槽时，通过保留下来的这些槽之间的工作表面来支撑它。

把这些间断槽布置成这样：在平行于缸套轴线的工作表面上的任何线至少与一个槽相交，因此确保了在每个活塞冲程中活塞环圆周方向上的任何位置通过一个或多个冷却槽。

在这些组上的槽可以形成取向为缸套圆周方向的槽，这就提供了一种有利于简单地制造缸套的可能性。例如，把这些槽切削成工作表面或者磨成工作表面。

在一组上的这些槽最好位于缸套的同一纵向位置上，这就进一步使制造简单，因为在机加工期间需要的定位较少。

此外，最好在每组上的这些槽沿缸套圆周方向上具有最大为80％、最好最大为60％的工作表面圆周长的总长度。如果在一组上的这些槽沿缸套圆周方向上具有超过80％的工作表面圆周长的总长度，那么活塞环需要具有不适当高的刚度来避免在活塞环槽内的过度扭曲。如果在一组上的这些槽在缸套圆周方向上具有最大为60％的工作表面圆周长的总长度，那么这将会提供活塞环的满意支撑，同时只需两组槽就可盖住工作表面的整个圆周。

借助于每组至少包括5个槽、最好至少包括8个槽来得到一个特别的优点，即在通过槽时，使避免咬缸的需要与使活塞的扭曲最小的需要相平衡。就每组上的5个槽、最好是8个槽而言，活塞环沿圆周方向上的支撑区域之间的距离不大。

此外，在每组上的这些槽沿工作表面的圆周而均匀分布，因此使缸套的制造简单，并使通过这些槽的活塞环部分的长度最小。

在优选实施例中，工作表面供活塞的活塞环来使用，活塞环具有预定的最小高度，在这些组中的槽具有比活塞环的所述最小高度还小的高度，最好最大值为75％的这种最小高度，合适的高度为1-3mm的范围内。如果槽的高度比活塞环的最小高度大，那么当它通过这些槽时，它们将阻碍对至少一个活塞环的工作表面的密封。当槽在压缩和燃烧期间布置在带有最大压力的区域内时，这种阻碍将对发动机的效率具有负面影响。如果槽的高度最大为75％的活塞环的最小高度，那么将会有效地确保防止泄漏并改善活塞环的支撑。1到3mm之间的槽高度将会有效地中断咬缸的形成，同时保持一般具有超过10mm环高的活塞环的较好支撑。

属于不同组的槽沿着至少35mm的缸套纵向上相互具有间隔。以这种方式，在不同组上的槽端部周围区域上的应力集中之间可以避免相互干扰。

本发明还涉及柴油内燃机的缸套和活塞，该缸套具有基本上是圆柱形的内表面，该内表面组成了活塞的活塞环的工作表面，该活塞环具有预定的最小高度，并且至少具有一个带有外部的润滑油供给通道的、向内开口的油道和至少具有一个只向气缸内侧开口的槽，该缸套的特征在于：至少一个槽绕着缸套的整个内表面延伸，并具有比30％的活塞环最小高度还小的高度，这些槽沿缸套径向上的深度比它们沿缸套纵向上的高度的一半大，并且被布置在顶部15％的工作表面长度上。

在这个实施例中，借助于至少一个槽具有比30％的活塞环的最小高度还小的高度，可以防止由于活塞环的合成磨损所引起的活塞环在活塞环槽内的扭曲。因此，活塞环总是由工作表面来支撑，该工作表面位于与至少70％的活塞环高度相对应区域的上方，相应地，该活塞环通过槽而不会在活塞环槽内变得不适当的扭曲。如上所述，这些槽减少了咬缸的形成。

借助于在缸套径向上的深度比它们在缸套纵向上的高度的一半还大的槽，可得到缸套的合适使用寿命。例如，如果活塞环的最小高度是6mm，而且在正常平稳工作期间的工作表面每工作1000小时磨损接近0.02mm，那么在这种情况下，这些槽将具有0.6mm的深度并将不会磨损下去直到不断工作接近3.4年之后为止。通常，船用发动机设计来在每次维修检查之间能不断工作接近两年，在那种情况下，所确定的槽深度被认为是合适的较低极限。

每个槽在缸套的固定纵向位置上沿着工作表面的圆周延伸。因此，如上所述，可防止槽阻碍活塞。

此外，至少可形成3个槽。当这个实施例的这些槽相对较窄时，可能有利于布置3个或更多个相互靠近的槽，从而提高阻止咬缸。

在顶部10％的工作表面长度上，这些槽之间的距离可能比8倍的槽的高度小。在工作表面最上部区域的这个相对较近的位置上，在具有最重负荷的工作表面的区域内基本上可防止咬缸的形成。

在第二个实施例中，每个槽在工作表面的圆柱形部分的端部之间向上和向下延伸，该部分的高度比活塞环的最小高度还小。以这种方式，可防止这些槽阻碍活塞环，同时对槽的相同区域而言环的支撑区域增加了。

就上述本发明的两个实施例而言，在新制造的缸套上，槽具有至少2mm的深度是适合的，从而确保缸套有较长的使用寿命，而不需要重新机加内表面上的槽。

油道位于槽的下方，从而防止油的供给受到缸套顶部上所产生的高压影响。

现在，参照附图，借助于实施例中的例子，在下面进一步详细地描述本发明，在附图中：

图1表示缸套的局部侧视图、局部纵向剖视图，在该图中描述了一部分活塞处于上死点，

图2表示了在内表面上带有槽的缸套的最上部分的放大局部视图，

图3表示了与图2相对应的、在内表面上带有槽的缸套最上部分的第二实施例的放大局部视图，

图4表示在内表面上带有第三种凹口的缸套最上部分的放大局部视图，

图5表示了与图2的相对应的、在内表面上带有槽的缸套最上部分的实施例的放大局部视图，及

图6表示了与活塞环和活塞结合起来的缸套工作表面上的槽的放大横截面图。

图1表示用于大型两冲程十字头型发动机上的缸套1。根据发动机的大小，可制成大小不同的缸套，而该缸套具有一般在250mm到1000mm范围内的孔和一般在100cm到420cm范围内的相应长度。缸套1常常由铸铁制成，并且它以是一个整体的或者被分成许多部分，这些部分沿着相互的延伸方向而装配起来。在分段式缸套中，由涂有合适运转层的钢来形成上头部分是可能的。上述那种十字头型发动机具有高效压缩比如1∶16-1∶20，而这种压缩比在活塞环上引起重负荷。

借助于把环形、向下的表面2布置在发动机的结构外壳或缸体上的顶板上，缸套1以公知的方式安装在未示出的发动机上，随后，把活塞3安装在缸套内，把缸盖4布置在它的环形、向上的表面5上的缸套顶部上，并借助于未示出的缸盖螺栓把它固定到顶板上。

缸套1具有基本上是圆柱形的内表面，该内表面构成了活塞3上的活塞环7的工作表面6。一环形排的扫气口8布置在缸套的下部分上。活塞3沿着缸套的纵向方向在上死点和下死点之间运动，在上死点处活塞的上表面9位于缸盖4的孔内，而在下死点处活塞的上表面刚刚位于扫气口8的下端。工作表面6从刚好位于最上部活塞环的上死点上方处的上边缘10延伸到刚好位于最下部的活塞环的下死点下方处的下边缘11。波浪形润滑油道12布置在上部三分之一的工作表面下方的缸套的内表面上，润滑油通过进入孔13加入到工作表面，从而润滑位于缸套的内表面上的工作表面6。

在用a来表示的区域内，该区域构成了顶部15％的工作表面长度，许多槽布置在工作表面6上，这些槽只朝着缸套的内侧开口。

图6表示了部分工作表面6和活塞3的纵向放大剖视图。活塞3具有活塞环槽16，而活塞环7以公知的方式布置在活塞环槽16内。活塞环槽16比活塞环7高，在燃烧过程中，燃烧气体从上面通过间隙17扩散到环槽16的底部和活塞环的圆柱形内表面之间的环形空间18内。由于燃烧气体的高压作用，因此弹性活塞环7沿着箭头所示方向被推靠在工作表面6上，而该工作表面6覆盖了润滑油膜19，因此活塞环7密封与工作表面6相对的活塞3。工作表面6布置有槽14，本实施例中的槽14形成为锐缘的槽，但是它在过渡到工作表面6的地方也具有圆边缘20。当活塞上下移动时，把润滑油刮到槽14内。

槽14的高度比活塞环7的高度小得多，相应地，当通过槽14时，工作表面6很好地支撑着活塞环。在没有示出的第二实施例中，槽14的高度比活塞环7的高度大，从而使得气体通过一个或多个活塞环7而有一定的泄漏。

如果位于活塞环7的外表面上的位置22被过热，那么在通过槽14时这个位置就冷却了。如果与期望的相反，在活塞环7上的的位置22和工作表面6之间形成了粘接，那么借助于通过槽14的位置来防止这种粘接扩散，借助于槽的一个边缘20可以弄平任何主要的不平处。

图2表示缸套最上部的局部放大视图，在所示出的实施例视图中，区域a(见图1)在工作表面6上具有两组槽14。每组构成了一排槽14，该这些槽以间隔21而布置，这些槽沿着垂直于缸套的纵向轴线而布置。这些间隔21组成了支撑表面，当它们向上或向下通过该排槽时该表面支承活塞环7，因此活塞环7在环槽内不会变得扭曲了。这几排槽14沿着缸套的纵向方向相互间隔布置，最上排的这些槽沿着圆周方向与底排的这些槽稍微重叠，因此平行于缸套纵向方向的工作表面上的任何线与一个或者多个槽14相交。这些槽均匀地分布在圆周方向上并具有相同的长度。对如直径为700cm的缸套1而言，每组具有11个槽是合适的，其中每个槽的长度为125mm、高度为2mm-3mm及深度为2mm-3mm。如果仅采用了两组，最上排的这些槽接近位于距工作表面的最上部边缘10为100到200mm处，底排的这些槽位于最上排下方处大约为50mm处。多排提高了防止咬缸的效果，但是缸套的制造费用相应地提高了。

图3表示了缸套的另一个实施例，根据该实施例3组槽14、15布置在工作表面6上，并且沿着缸套的纵向方向相互分开。顶部那组和底部那组这两组组成了一排间隔布置的槽14，而这些槽14沿着垂直于缸套的纵向轴线的线而布置。中间的那组组成了一排向上和向下交替倾斜的槽。这些槽沿着圆周方向稍微重叠，因此在平行于缸套的纵向方向上的工作表面上的任何线与一个或多个槽14、15相交。

图4表示带有呈孔形23的圆形凹口的缸套1。

根据本发明，措词“一组槽”应该理解为广义上的一组槽。一组槽包括这些布置在缸套上的不同纵向位置上的凹口。

图5表示本发明的另一个实施例，在该实施例中，5个窄的圆形槽24绕着工作表面的整个圆周方向连续地延伸并相互邻近地布置。槽的高度最大为30％的活塞环的最小高度，基本上与图6的示意图相一致。这些窄的槽使得活塞环通过槽时，而不会产生这种使环的边缘撞击槽边缘的变形。

在本发明的范围内，形成许多种不同形状的槽是可能的，如波浪形轨迹、直线型的或角状的轨迹，把不同的实施例结合起来也是可能的。例如，如果它们的高度较小，那么沿圆周方向把间断的槽设置得更加相互靠近。

工作表面最上部区域的槽的位置容易受到最重负荷的影响，该位置对引起咬缸的机构具有破坏效果。当最上部区域不产生咬缸时，活塞环几乎不会引起咬缸，因为环负荷较小并在工作表面上进一步降低。

Claims (19)

1.一种柴油内燃机的缸套(1)，它具有基本上呈圆柱形的内表面(6)的工作表面，并具有至少一个带有外部的润滑油供给通道(13)的向内开口的油道(12)，和至少第一组与第二组凹口，这些凹口只向气缸的内侧开口并在缸套的圆周方向上具有间断的长度，因此在这些组上的凹口布置在顶部15％的工作表面(6)的长度上，不同组上的凹口在缸套(1)的纵向上以相互分离的方式而布置，其特征在于：这些凹口呈细长槽(14，15)，这些槽在缸套(1)的圆周方向上以这样的相互排列而布置，以致在平行于缸套轴线的工作表面(6)上的任何线至少与这些槽(14，15)中的一个相交。

2.如权利要求1所述的缸套(1)，其特征在于：在上述组上的槽(14)的方向为缸套的圆周方向。

3.如权利要求1或2所述的缸套(1)，其特征在于：在一组上的槽(14，15)位于缸套(1)的同一纵向位置上。

4.如权利要求1-2任一所述的缸套(1)，其特征在于：在每组上的槽(14，15)沿缸套(1)的圆周方向上具有最大为80％的工作表面(6)的圆周长的总长度。

5.如权利要求4所述的缸套(1)，其特征在于：所述总长度为工作表面(6)圆周长的60％。

6.如权利要求1-2任一所述的缸套(1)，其特征在于：每组至少包括5个槽(14，15)。

7.如权利要求6所述的缸套(1)，其特征在于：每组至少包括8个槽(14，15)。

8.如权利要求1-2任一所述的缸套(1)，其特征在于：在每组上的槽(14，15)沿着工作表面(6)的圆周均匀分布。

9.如权利要求1-2任一所述的缸套(1)，其特征在于：工作表面(6)供活塞(3)的活塞环(7)使用，活塞环(7)具有预定的最小高度，在这些组上的槽(14，15)具有比活塞环(7)的所述最小高度还小的高度。

10.如权利要求9所述的缸套(1)，其特征在于：所述槽形高度最大为所述最小高度的75％。

11.如权利要求9所述的缸套(1)，其特征在于：槽的合适高度在1～3mm的范围内。

12.如权利要求1-2任一所述的缸套(1)，其特征在于：属于不同组的槽(14，15)在至少35mm的缸套(1)的纵向上相互具有间隔。

13.一种柴油内燃机的缸套(1)和活塞(3)，缸套(1)具有基本上呈圆柱形的内表面，该内表面构成了活塞(3)的活塞环(7)的工作表面(6)，该活塞环(7)具有预定的最小高度，该缸套具有至少一个带有外部润滑油供给通道(13)的向内开口的油道(12)，和至少一个槽(24)，该槽只向气缸的内侧开口，其特征在于：至少一个槽(24)绕着缸套(1)的整个内表面(6)延伸，并具有比活塞环(7)最小高度的30％还小的高度，这些槽(24)沿缸套(1)的径向具有比它们沿缸套(1)纵向上高度的一半还大的深度，这些槽布置在顶部15％的工作表面(6)长度上。

14.如权利要求13所述的缸套(1)，其特征在于：每个槽(24)在缸套(1)的固定纵向位置上沿着工作表面(6)的圆周延伸。

15.如权利要求10或13所述的缸套(1)，其特征在于：它至少包括3个所述槽(24)。

16.如权利要求13或14所述的缸套(1)，其特征在于：在顶部10％的工作表面(6)的长度上，槽(24)之间的距离比8倍的槽高度还小。

17.如权利要求13所述的缸套(1)，其特征在于：每个槽(24)在工作表面(6)的圆柱形部分的端部之间向上和向下延伸，该部分的高度比活塞环(7)的最小高度小。

18.如权利要求1或13所述的缸套(1)，其特征在于：槽(14，15，24)在新制造的缸套(1)上至少具有2mm的深度。

19.如权利要求1或13所述的缸套(1)，其特征在于：油道(12)位于槽(14，15，24)的下方。

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