CN113330206A - 具有下衬套支承件的用于发动机气缸的衬套 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于内燃发动机(10)的气缸孔(20)的气缸衬套(28)。所述气缸衬套(28)包括中空圆柱体(29)和限定在所述气缸孔(20)的侧壁(24)和所述气缸衬套(28)的外表面(48)之间的冷却剂腔(46)。多个下密封凹槽(52、53、54)设在所述气缸衬套(28)的外表面(48)中。下衬套支承件(56)布置在所述下密封凹槽中的最上面的下密封凹槽(52)与所述冷却剂腔(46)之间。下衬套支承件(56)在周向方向上具有非对称构造，使得在气缸孔(20)的侧壁(24)与圆柱体(29)的外表面(48)之间的间隙在围绕推力/止推平面(60)的区域中相对较小，并且在围绕垂直平面(62)的区域中相对较大。

Description

具有下衬套支承件的用于发动机气缸的衬套
技术领域
本公开大体上涉及一种用于内燃发动机的气缸的气缸衬套，并且更具体地涉及一种用于发动机气缸的气缸衬套，其对气缸衬套的下部提供增加的支承。
背景技术
诸如柴油或汽油发动机的内燃发动机包括限定多个发动机缸孔的发动机缸体。在发动机的操作期间，活塞由于燃料的燃烧而在气缸孔内往复运动，并且生成机械功。每个气缸孔可包括装配在气缸孔内的气缸衬套并且活塞在其内往复运动。气缸衬套允许具有特定气缸孔构造和大小的发动机通过简单地更换用于特定构造的发动机的气缸衬套而与不同直径的活塞一起使用。另外，如果磨损或损坏，可以移除和更换气缸衬套。
在操作期间，气缸衬套可经受高负载和应力，这对于相对薄壁的气缸衬套可能存在特定问题。为了帮助为衬套提供结构支承，可在气缸衬套与气缸孔之间提供紧密间隙。然而，在操作期间，气缸衬套也可以经受高热应力。更具体地，由于活塞在气缸衬套的内表面上滑动，并且气缸衬套界定燃烧室的至少一部分，因此可产生热，热从气缸衬套的内侧传递到气缸衬套的外侧。为了帮助散热，气缸衬套的外表面可以形成用于冷却气缸衬套的冷却剂循环空间。需要适当的冷却剂流动，以防止衬套的点蚀。
美国专利申请公开号2018/0010549公开了一种气缸衬套，其具有椭圆形上套环，以及除了曲轴箱中的衬套的坐置区域和密封元件区之外带有旋转不对称外部轮廓的侧壁。该公开案指出，此构造有助于防止在发动机操作期间由气缸衬套上的机械应力和热应力引起的冷却剂空化对气缸衬套的损坏。然而，所公开的构造并未解决在气缸衬套的下端处的防止冷却剂逸出到曲轴箱中的密封元件区域中发生的机械应力和热应力。
发明内容
一方面，本公开描述了一种用于内燃发动机的气缸孔的气缸衬套，活塞在气缸孔中往复运动。活塞具有成角度附接的连杆，所述成角度附接的连杆限定推力/止推平面以及相对于推力/止推平面垂直地延伸的垂直平面，在所述推力/止推平面中，活塞在气缸衬套上施加侧推力。所述气缸衬套包括具有下端和上端的中空圆柱体。冷却剂腔限定于所述气缸孔的侧壁与所述气缸衬套的外表面之间。多个下密封凹槽设在所述气缸衬套的外表面中，多个下密封凹槽中的每一个包括相应的下密封构件。下密封凹槽布置在冷却剂腔与圆柱体的下端之间。下衬套支承件布置在所述下密封凹槽中的最上面一个与所述冷却剂腔之间。下衬套支承件在周向方向上具有非对称构造，使得在气缸孔的侧壁和圆柱体的外表面之间的间隙在围绕推力/止推平面的第一区域中相对较小，并且在围绕垂直平面的第二区域中相对较大。
另一方面，本公开描述了一种发动机。所述发动机包括发动机缸体，发动机缸体包括气缸孔。气缸衬套支承在所述气缸孔中，并且包括具有下端和上端的中空圆柱体。活塞由成角度附接的连杆支承以在气缸衬套中往复移动，所述成角度附接的连杆限定推力/止推平面以及相对于推力/止推平面垂直地延伸的垂直平面，在所述推力/止推平面中，活塞在气缸衬套上施加侧推力。冷却剂腔限定于所述气缸孔的侧壁与所述气缸衬套的外表面之间。多个下密封凹槽设在所述气缸衬套的外表面中，多个下密封凹槽中的每一个包括相应的下密封构件。下密封凹槽布置在冷却剂腔与圆柱体的下端之间。下衬套支承件布置在所述下密封凹槽中的最上面一个与所述冷却剂腔之间。下衬套支承件在气缸孔和气缸衬套的周向方向上具有非对称构造，使得在气缸孔的侧壁和圆柱体的外表面之间的间隙在围绕推力/止推平面的第一区域中相对较小，并且在围绕垂直平面的第二区域中相对较大。
又一方面，本公开描述了一种用于内燃发动机的气缸孔的气缸衬套，活塞在气缸孔中往复运动。活塞具有成角度附接的连杆，所述成角度附接的连杆限定推力/止推平面以及相对于推力/止推平面垂直地延伸的垂直平面，在所述推力/止推平面中，活塞在气缸衬套上施加侧推力。所述气缸衬套包括具有下端和上端的中空圆柱体。冷却剂腔限定于所述气缸孔的侧壁与所述气缸衬套的外表面之间。多个下密封凹槽设在所述气缸衬套的外表面中，多个下密封凹槽中的每一个包括相应的下密封构件。下密封凹槽布置在冷却剂腔与圆柱体的下端之间。下衬套支承件布置在所述下密封凹槽中的最上面一个与在所述气缸孔的侧壁和所述气缸衬套的外表面中的至少一个上的所述冷却剂腔之间。下衬套支承件在气缸孔和气缸衬套的周向方向上具有非对称构造，使得在气缸孔的侧壁和圆柱体的外表面之间的间隙在围绕推力/止推平面的第一区域中相对较小，并且在围绕垂直平面的第二区域中相对较大。
附图说明
图1是根据本公开的示例性发动机的局部剖切透视图。
图2是根据本公开的示例性气缸孔和气缸衬套的横截面视图。
图3是图2的气缸孔和气缸衬套的细节A的放大横截面视图，示出了下衬套支承件。
图4A-D是沿方向B-B观察的图3的气缸孔的横截面视图，示出了图3的下衬套支承件的不同实施例。
图5是具有下衬套支承件的另一实施例的气缸衬套的透视图。
图6A-C是图5的气缸衬套的横截面视图，示出了图5的下衬套支承件的不同实施例。
具体实施方式
本公开涉及一种用于发动机的气缸孔的气缸衬套。现在参考附图，其中相同的附图标记指代相同的元件，图1示出了发动机10的示例性实施例，该发动机可以是例如柴油发动机、汽油发动机或气体燃料驱动的发动机。在所公开的实施例中，发动机10是四冲程柴油发动机。然而，本领域技术人员将认识到，发动机10可以是任何其它类型的燃烧发动机，例如，两冲程或四冲程汽油或气体燃料驱动的发动机。
发动机10可包括活塞12、连杆14和曲轴16的组件等。每个活塞12可以由连杆14中的对应一个连杆连接到曲轴16，使得活塞12的移动导致曲轴16的旋转。这些部件可以一起操作，以通过发动机10的燃烧室18内的一系列爆炸将燃料中的化学能转变成曲轴16的旋转运动。这些爆炸可以使发动机10的活塞12和连杆14在气缸孔20内往复运动。以此方式，气缸孔20可充当燃烧过程在其中发生的压力容器，并且充当在其内滑动的活塞12的引导件。气缸孔20可以成彼此成角度的两组布置在发动机缸体22内。每组可包括位于曲轴16的相同侧上的一组气缸20，其轴线位于穿过曲轴16的轴线的共同平面中。每个气缸孔20可以具有侧壁24，并且可以由气缸盖在其顶部处密封。
图2示出了可用于保护相关联的气缸孔20免受由活塞12引起的磨损和退化的示例性气缸衬套28的横截面视图。气缸衬套28可以可移除地安装在气缸孔20内，活塞12在气缸孔中往复运动。气缸衬套28可具有沿着纵向轴线30延伸的中空大体圆柱体29，其具有上端32和下端33。在发动机10的操作期间，当活塞12由连杆14和曲轴16(图1中所示)在上下往复运动中驱动时，气缸衬套28的内表面34可形成对应活塞12的滑动表面。气缸衬套28可以是任何类型的钢或铸铁。
如图2中所示，气缸衬套28的上端32还可包括环形肩部分38，所述环形肩部分可包括从气缸衬套28的上端沿径向向外延伸的环形凸缘40。凸缘40的外表面可与形成于发动机缸体22中的环形阶梯状安装表面配合以将气缸衬套28固定在适当位置，并且防止气缸衬套28进一步向下滑动到气缸孔20中。肩部分38还可包括邻近凸缘40的环形凹部42，所述环形凹部可构造成接收设在气缸衬套28与发动机缸体22之间的上密封构件44。上密封构件44可构造成密封水和/或油，以免从发动机向外部泄漏。在一些实施例中，密封部件44可体现为O形环，然而，可根据需要使用本领域已知的任何其它密封件。并非所有气缸衬套都在上端处包括环形肩部分，并且并非所有发动机缸体都包括配合的阶梯状安装表面，并且本公开不限于具有这种布置的衬套和缸体。
在发动机10的操作期间，燃烧室18中的燃烧可以使得气缸衬套28变热。为了帮助消散此热量，发动机缸体22和气缸衬套28可构造成使得允许冷却剂(例如，水、二醇或互混的混合物)沿着气缸衬套28的外表面48循环。例如，气缸孔20可构造为包括冷却剂套或腔46，所述冷却剂套或腔包括其中在气缸衬套28的外表面48与气缸孔20的侧壁24之间具有增加的间隙的区域。在所示的实施例中，冷却剂腔46位于气缸衬套28和气缸孔20的中心部分周围。
为了帮助防止冷却剂泄漏到曲轴箱中，气缸衬套28可以设有布置在冷却剂腔46下方的多个下密封构件49、50、51(图3中示出)。下密封构件49、50、51中的每一个可布置在气缸衬套28的外表面48中的多个下密封凹槽52、53、54(也在图3中示出)中的对应一个中，所述下密封凹槽设在气缸衬套28的下端33附近。下密封构件49、50、51可以布置在其相应的凹槽52、53、54中，使得密封构件在气缸衬套28的外表面48与气缸孔20的侧壁24之间延伸。在所示实施例中，三个下密封凹槽52、53、54和三个密封构件49、50、51以纵向间隔布置提供。然而，在其它实施例中，可以提供不同数目的下密封构件和下密封凹槽。在一些实施例中，下密封构件49、50、51可体现为O形环，但也可使用其它类型的密封构件。密封构件49、50、51可以由EPDM(乙烯丙烯二烯单体)或氟弹性体(如耐冷却剂FKM)或任何其它合适的材料制成。
由于连杆14相对于活塞12的角度，在发动机10的操作期间，活塞12抵靠气缸孔20的侧面推动。尤其是，随着活塞12在其做功冲程上沿气缸孔20被向下推动，活塞12在其尝试转动曲轴时将遇到阻力。此阻力将使活塞12在气缸衬套28上施加侧推力。施加该推力的一侧有时称为推力侧。同样，随着活塞12在其压缩冲程上向上移动并且遇到燃烧室18中的空气/燃料混合物的阻力，侧推力由活塞施加在气缸衬套28的相对侧上(即，与在做功冲程上施加推力的位置相对的一侧)。施加该推力的这一侧有时称为止推侧。连接气缸的推力和止推侧的平面有时称为推力/止推平面，并且大体上是垂直于由将连杆14连接到活塞12的销限定的旋转轴线延伸的平面。
这些应力相对于气缸衬套28会存在特定问题的区域是下密封凹槽52、53、54与冷却剂腔46之间的区域。更确切地说，潜在关注区域可以是最上面的下密封凹槽52与冷却剂腔46的下边缘之间的区域。为了帮助最小化由该区域中的活塞侧推力引起的应力，气缸衬套28和/或气缸孔20可以构造有可变尺寸的下衬套支承件56，所述可变尺寸的下衬套支承件可以位于用于下密封构件的气缸衬套中的凹槽(在本例中是最上面的下密封构件49和凹槽52)的上方不远以及冷却剂腔46下方的区域中。如下文更详细地描述的，此下衬套支承件56可构造成限制由活塞侧推力引起的气缸衬套28的移位，同时仍允许气缸衬套28周围的冷却剂流动。
为此目的，下衬套支承件56可构造为使得气缸衬套28的外表面48与气缸孔20的侧壁24之间的间隙在周向方向上变化。更确切地说，下衬套支承件56可以构造成使得减少或最小化气缸衬套28的外表面48之间的间隙，以在围绕推力/止推平面的区域中提供紧密间隙，从而为气缸衬套28提供支承，同时间隙远离推力/止推平面增加以提供改善的冷却剂流。在一个实施例中，间隙可在围绕垂直于推力/止推平面(即旋转90°)的平面的区域中最大化。限定下衬套支承件56的可变间隙可经由气缸孔20或气缸衬套28的外表面48的构造实施。
图3示出了其中下衬套支承件56设在气缸孔20的侧壁24中的实施例。图3的细节区域由图2中的字母A识别。图3的横截面示出在气缸孔20和气缸衬套28之间的相对较大间隙的区域，其远离推力/止推平面存在，并且在垂直于推力/止推平面的平面中最大化。在图3所示的实施例中，下衬套支承件56包括下角部中的倒角58；然而，此倒角不是必需的且不一定提供。下衬套支承件56可以是机械加工到发动机缸体22中的特征(如对于现有发动机缸体是此情况)，或者其在所述缸体铸造时形成。备选地，下衬套支承件56可以实施为套筒插入件，其布置在气缸孔20中并且由此形成气缸孔20的一部分。
图4A-D示出了提供下衬套支承件56的气缸孔20的周向可变构造。在图4A-D中，所述推力/止推平面标为60，并且垂直于所述推力/止推平面的平面标为62。在图4A-D所述的每个实施例中，气缸孔20构造成在围绕垂直平面62的区域中的直径与在围绕推力/止推平面60的区域中的直径相比增大。在垂直平面62的区域中，增加的直径导致在气缸孔20的侧壁24与气缸衬套28之间的增加的间隙，以允许冷却剂流动，而推力/止推平面60围绕区域具有紧密的间隙，其可克服活塞侧推力为气缸衬套28提供增加的支承。
在图4A-D中的每个的实施例中，使用不同几何形状来实现气缸孔20在围绕垂直平面62的区域中的增加的直径。图4A和4B的实施例在气缸孔20的侧壁24中使用椭圆形形状来构造下衬套支承件56，其中椭圆形的短轴在推力/止推平面60中，而椭圆形的长轴在垂直平面62中。图4B的实施例的椭圆形形状提供了与图4A的实施例相比更大的推力/止推平面60周围的紧密间隙区域。图4C的实施例的几何形状在围绕垂直平面62的区域中使用矩形阶梯实施下衬套支承件56，而在围绕推力/止推平面60的区域中仍提供一定半径的曲线。图4D中所示的下衬套支承件56的实施例使用在围绕垂直平面62的区域中的可变半径曲线来增加冷却剂流的间隙，其中最大半径设在垂直平面62的点处。尽管图4A-D中示出了各种示例性构造，但下衬套支承件56也可使用与本公开一致的其它几何形状在气缸孔20中实施。
图5示出了备选实施例，其中下衬套支承件56实施在气缸衬套28的外表面48上。在图5的实施例中，下衬套支承件56包括气缸衬套28的外表面48上的环形凸缘64，环形凸缘又布置在最上面的下密封构件凹槽52上方。此凸缘64在周向方向上具有非对称构造。如图6A-C所示，当在气缸孔20中提供下衬套支承件56时，限定气缸衬套28上的下衬套支承件56的凸缘64可具有不同的几何形状。在这些几何形状中的每一个中，气缸衬套28可插入气缸孔20中并且对准，使得凸缘64最小化在围绕推力/止推平面60的区域中气缸衬套28的外表面48之间的间隙，以针对活塞侧推力提供支承，同时最大化在围绕垂直平面62的区域中的间隙以提供增加的冷却剂流。
在图6A和6B的实施例中，限定下衬套支承件56的凸缘64具有椭圆形构造，其中在推力/止推平面60中的椭圆的长轴最小化对与气缸孔20的间隙来增加支承，而短轴位于垂直平面62中以提供增加的冷却剂流。图6A的实施例构造成以便提供与图6B的实施例相比更大的推力/止推平面60周围的紧密间隙区域，而图6B的实施例围绕垂直平面62提供更大间隙的更大区域。图6C的实施例使用在围绕推力/止推平面60的区域中的可变半径曲线为气缸衬套28提供增大的支承，其中最大半径设在推力/止推平面60的点处。尽管图6A-C中示出了各种示例性构造，但下衬套支承件56也可使用具有与本公开一致的其它几何形状的凸缘64在气缸衬套28上实施。
工业适用性
所公开的气缸衬套28和气缸孔20布置可用于期望增加相关联发动机的可靠性和操作寿命的任何应用中。本公开可特别涉及具有相对薄壁的气缸衬套，所述气缸衬套可能具有由于活塞推力而增加的损坏风险。由所公开的下衬套支承件56在围绕推力/止推平面的区域中提供的更紧密的间隙可有助于通过控制衬套在由活塞的移动引起的负载下在下密封构件上方不远的区域中的位移来最小化气缸衬套中的应力。与此同时，在围绕垂直于推力/止推平面的平面的区域中的增大的间隙可有助于防止由于空化引起的衬套点蚀或由低冷却剂流引起的腐蚀。
如适用法律所允许的，本公开包括所附权利要求书中叙述的主题的所有修改和等效内容。另外，除非在本文中另有指示或者与上下文明显矛盾，本公开涵盖上述元件以所有可能变型的任何组合。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机(10)的气缸孔(20)的气缸衬套(28)，活塞(12)在所述气缸孔中往复运动，所述活塞(12)具有成角度附接的连杆(14)，所述成角度附接的连杆限定推力/止推平面(60)以及相对于所述推力/止推平面(60)垂直延伸的垂直平面(62)，在所述推力/止推平面中，所述活塞(12)在所述气缸衬套上施加侧推力(28)，所述气缸衬套(28)包括：
中空圆柱体(29)，所述中空圆柱体具有下端(33)和上端(32)；
冷却剂腔(46)，所述冷却剂腔限定在所述气缸孔(20)的侧壁(24)与所述气缸衬套(28)的外表面(48)之间；
所述气缸衬套(28)的外表面(48)中的多个下密封凹槽(52、53、54)，所述多个下密封凹槽各自包括相应的下密封构件(49、50、51)，所述下密封凹槽布置在所述冷却剂腔(46)与所述圆柱体(33)的下端之间；以及
下衬套支承件(56)，所述下衬套支承件布置在所述下密封凹槽中的最上面的下密封凹槽(52)与所述冷却剂腔(46)之间，所述下衬套支承件(56)在所述气缸衬套(28)和气缸孔(20)的周向方向上具有非对称构造，使得所述气缸孔(20)的侧壁(24)与所述圆柱体(29)的外表面(48)之间的间隙在围绕所述推力/止推平面(60)的第一区域中相对较小，并且在围绕所述垂直平面(62)的第二区域中相对较大。
2.根据权利要求1所述的气缸衬套(28)，其中所述下衬套支承件(56)设在所述气缸孔(20)的侧壁(24)中。
3.根据权利要求2所述的气缸衬套(28)，其中所述下衬套支承件(56)在由所述气缸孔(20)的纵向轴线限定的方向上观察时具有椭圆形构造，所述椭圆形构造在所述推力/止推平面(60)中具有短直径，并且在所述垂直平面(62)中具有长直径。
4.根据权利要求2所述的气缸衬套(28)，其中所述下衬套支承件(56)在垂直于所述气缸孔(20)的纵向轴线的方向上具有变化的直径，其中所述直径在所述垂直平面(62)中达到最大值，并且在所述推力/止推平面(60)中达到最小值。
5.根据权利要求2所述的气缸衬套(28)，其中所述下衬套支承件(56)在围绕所述垂直平面(62)的区域中具有矩形阶梯。
6.根据权利要求2所述的气缸衬套(28)，其中所述下衬套支承件(56)在垂直于所述气缸孔(20)的纵向轴线的方向上具有多个可变半径曲线，所述可变半径曲线在所述垂直平面(62)中具有最大半径，并且在所述推力/止推平面(60)中具有最小半径。
7.根据权利要求1所述的气缸衬套(28)，其中所述下衬套支承件(56)包括在所述气缸衬套(28)的外表面(48)上的环形凸缘(64)。
8.根据权利要求7所述的气缸衬套(28)，其中限定所述下衬套支承件(56)的所述凸缘(64)当在由所述气缸衬套(28)的纵向轴线限定的方向上观察时具有椭圆形构造，所述椭圆形构造在所述推力/止推平面(60)中具有长直径，并且在所述垂直平面(62)中具有短直径。
9.根据权利要求7所述的气缸衬套(28)，其中限定所述下衬套支承件(56)的所述凸缘(64)在垂直于所述气缸衬套(28)的纵向轴线的方向上具有变化的直径，其中所述直径在所述垂直平面(62)中达到最小值，并且在所述推力/止推平面(60)中达到最大值。
10.根据权利要求7所述的气缸衬套(28)，其中限定所述下衬套支承件(56)的所述凸缘(64)在垂直于所述气缸衬套(28)的纵向轴线的方向上具有多个可变半径曲线，其中所述可变半径曲线在所述垂直平面(62)中具有最小半径，并且在所述推力/止推平面(60)中具有最大半径。
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