CN1419626A - 内燃机活塞 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的旋转活塞。该活塞具有枢轴和第一弧形密封表面，该表面绕着枢轴沿着圆周通道进行运动，该表面形成了可拆下和可更换的活塞裙部。活塞还包括第二弧形密封表面，该表面也绕着枢轴沿着圆周通道进行运动，该表面借助于活塞底部(21)而连接到第一弧形密封表面(12)上。第二弧形密封表面包括设置在底层(20)上的至少两个弧形密封元件(24)，这些元件(24)设置底层(20)上，因此它们在底层(20)上进行有限的横向运动。这些元件(24)具有配合表面，这些配合表面限制了配合表面之间的燃烧气体的通道。该活塞还包括侧部密封件，这些密封件设置在槽(63)内，这些槽位于活塞的侧部上。限制销(60)有助于使密封件定位在密封槽(63)内，并且还关闭燃烧气体的压力泄漏通道。该活塞还包括装置来允许液体冷却剂通过旋转轴、通过活塞中的液体冷却通道并且从旋转轴中流出。

Description

内燃机活塞
本发明的背景技术
在欧洲专利说明书WO95/08055中(该专利说明书所公开的内容在这里引入以作参考)，描述了一种内燃机，该内燃机使用了旋转活塞，该旋转活塞绕着旋转位置在燃烧室内进行摆动。该活塞在远离旋转位置的活塞端部附近连接到驱动曲轴的连杆上。活塞具有第一弧形密封表面和第二密封表面，第一弧形密封表面密封燃烧室的壁，第二密封表面借助于活塞底部连接到第一弧形密封表面上。两个密封表面距离活塞的旋转位置具有不变的径向尺寸大小。
第一弧形密封表面形成了裙部，因此一部分弧形密封表面的壁与燃烧室的壁形成了气体密封。该裙部也有助于活塞中的热量进行散失。在活塞的外表面和室壁之间一定得保持足够的间隙，从而补偿通过热膨胀所产生的变形。
活塞还包括用来在活塞的侧部和燃烧室壁之间进行密封的装置，为此可以使用各种形式的密封件。在正常情况下，借助于密封槽使这些在活塞上或者燃烧室壁上安装就位，其中密封件安装到密封槽中。该装置还提供来确保这些密封件合适地安装在这些槽内。
现有技术的活塞通常制造成一个整体，并且包括密封槽，这些密封槽位于活塞的前边缘和活塞的侧部上，这些装置公开在WO95/08055中，从而在活塞和燃烧室壁之间得到充分密封。
本发明的目的
本发明的目的是提供一种改进的活塞和/或活塞元件，这些活塞和/或活塞元件用于旋转活塞式内燃机中，如WO95/08055中所描述的、采用了旋转活塞的那种。
本发明的公开内容
相应地，本发明的一种形式可以说包括内燃机的旋转活塞，所述活塞具有：旋转轴，借助于旋转轴使活塞在内燃机的燃烧室内进行旋转；第一弧形密封表面，它与旋转轴隔开，并且绕着旋转轴沿着圆周通道进行运动；及第二弧形密封表面，它沿径向偏离第一弧形密封表面，并且借助于活塞底部而连接到第一弧形密封表面上，其特征在于：第二弧形密封表面包括至少两个元件，这些元件中的每一个接触地设置在密封底层上，该密封底层(seal bed)形成了活塞的一部分，而一个元件的边缘与第二元件的边缘相配合，这些装置被提供来在这些元件的所述配合边缘之间形成气体密封。
优选地，第二弧形密封表面包括至少两个基本上是矩形的元件，这些元件具有纵向端和横向边缘，每个元件具有适合于密封室壁的弧形密封表面并且具有适合于支撑在活塞的密封底层上的后表面，每个元件以这样的方式设置在密封底层上，因此一个元件的内部横向边缘与第二元件的横向边缘接触并与之配合，每个元件在密封底层上进行有限运动，从而使每个元件的外部横向边缘与室壁保持密封接触。
优选地，这些元件的纵向端部适合于设置在形成于活塞的密封底层中的槽内。
优选地，这些元件是向外推动的弹簧。
优选地，这些元件的这些接触边缘配合在一起，从而在与密封底层相结合的地方形成了气体密封。
优选地，这些元件的接触边缘形成相互啮合的形状。
在另一种形式中，本发明可以说包括内燃机的旋转活塞，所述活塞具有：旋转轴，借助于旋转轴使活塞在内燃机的燃烧室内进行旋转；第一弧形密封表面，它与旋转轴隔开，并且绕着旋转轴沿着圆周通道进行运动；及第二弧形密封表面，它沿径向偏离第一弧形密封表面，并且借助于活塞底部而连接到第一弧形密封表面上，其特征在于：第一弧形密封表面包括可拆下的裙部，该裙部位于远离旋转轴的活塞边缘上。
优选地，裙部具有外表面，该外表面从活塞的旋转轴沿着圆周通道进行运动。
优选地，裙部基本上是矩形的，并且具有两个纵向边缘和两个侧边缘，其中纵向边缘以这样的方式形成，以致裙部可以以这样的方式位于活塞，因此裙部的外表面可以密封发动机的燃烧室的壁。
优选地，一个纵向边缘包括榫舌，该榫舌适合于设置在形成于活塞中的槽内。
优选地，裙部的第二纵向边缘包括滚筒结构45，该滚筒结构具有法兰，借助于该法兰把滚筒结构固定到活塞上。
在另一种形式中，本发明可以说包括内燃机的旋转活塞，所述活塞具有第一弧形密封件和第二弧形密封件，这两个密封件绕着活塞的旋转轴沿着圆周通道进行运动，所述第一弧形密封件径向偏离第二弧形密封件，所述活塞具有底部，该底部在第一和第二弧形密封件之间进行延伸，其特征在于，活塞包括侧部密封件，这些密封件设置在密封槽内，而这些密封槽位于活塞的侧部上，所述侧部密封件适合在活塞的侧部和燃烧室的壁之间保持气体密封，借助定位销使每个侧密封件设置在密封槽内。
优选地，定位销保持在形成于密封槽的壁中的孔内，并且与形成在侧部密封件中的互补开口接合。
在另一种形式中，本发明包括内燃机的旋转活塞，所述活塞具有第一弧形密封件和第二弧形密封件，这两个密封件绕着活塞的旋转轴沿着圆周通道进行运动，所述第一弧形密封件径向偏离第二弧形密封件，所述活塞具有底部，该底部在第一和第二弧形密封件之间进行延伸，其特征在于，冷却介质的冷却剂通道形成于活塞内。
优选地，冷却剂通道包括：从枢轴的入口，该入口通过形成于活塞中的通道；和从枢轴的出口。
附图的简短描述
现在，参照附图来描述本发明。其中：
图1是根据WO95/08055的公开内容的旋转活塞的局部示意性侧视图；
图2是与图1所示的相同的、但安装了本发明的一些完整元件的活塞的侧视图；
图3是从摆动端看去的3/4的视图，它示出具有滑动密封件、但没有裙部的图2的活塞。
图4是从图3所示的活塞的旋转端的下方看去的3/4的视图；
图5是从图3所示的活塞的旋转端的上方看去的3/4的视图；
图6是从安装在本发明的活塞中的、滑动密封的一种形式的前部看去的视图；
图7是图6的滑动密封件的后部的视图，它还示出了滑动密封件的接触元件之间的连接处的一种变形；它还示出了预加载弹簧。
图8是图7所示的滑动密封的前部的视图。
图9是从本发明的活塞的旋转端看去的视图，它示出了滑动密封和与活塞安装在一起的预加载弹簧的位置。
图10是从具有裙部但没有滑动密封的本发明活塞的摆动端看去的3/4的视图，
图11是从活塞的旋转端看去的、图10所示的活塞的上端看去的3/4的视图；
图12是从图10所示的活塞的下方看去的3/4的视图；
图13a是从本发明的裙部的一种形式的后部看去的3/4的视图；
图13b是从图13a所示的裙部的下方看去的3/4的视图；
图13c是从图13a所示的裙部的前部看去的3/4的视图；
图14是详细地示出了密封件定位销的局部示意图。
优选实施例的描述
图示在图1中的、WO/08055所公开的现有技术活塞10借助于枢轴14可以在燃烧室(在附图中没有示出)内进行旋转，该活塞10具有第一弧形密封表面12，该表面形成了活塞的裙部。现有技术的活塞还包括第二弧形密封表面13，该表面13沿径向偏离裙部12，而裙部的表面和第二弧形密封表面沿着绕枢轴14的圆周通道进行运动。活塞包括活塞销11，从而可以安装连杆(在附图中没有示出)的端部，借助于连杆使发动机的曲轴进行旋转。图1中所示的活塞还包括设置在弧形表面15中的密封槽15，该密封槽15安装密封装置，从而使弧形表面12和燃烧室壁(在附图中没有示出)之间形成气体密封。第二弧形密封表面13也与附图中没有示出的第二室的相应壁部形成气体密封。活塞包括用来安装密封件的侧部槽16，这些密封件密封燃烧室的侧部。
特别如图2到8所示的改进活塞提供了一种改进的密封设计，这种设计有助于燃烧气体的密封性并简化了制造过程。特别如图1所示的现有技术活塞通常在一个零件中制造出，这些侧部密封件设置在活塞的每侧上，而一个密封件位于第一弧形表面的前缘上。这些密封件保持在密封槽15(参见图1)和密封槽16中，而活塞内部径向表面13阻碍了密封槽15，而密封槽16位于活塞的侧部上。这种密封设计需要密封槽15在头部的侧表面之外延伸到活塞的侧部上，从而安放密封件，而这些密封件设置在头部并且绕着内部的径向活塞表面的外边缘延伸，从而与侧部密封件相遇。
活塞与燃烧室壁的上述密封形式存在各种制造问题，并且为了克服需要密封槽15延伸到活塞元件的侧部之外并且延伸到侧部内板表面中，因此需要在拐角处密封该室，该拐角由活塞径向表面和侧表面的交汇处形成。
如图2到9所示一样，图1的密封表面13的结构被改进了。现在，密封由滑动表面形成，特别参照图3、6、7和8。密封表面包括底层(bed)20，该底层20从活塞的底部21沿着与旋转轴14成径向的方向进行延伸。撑板17(参见图4)使该底层的刚度得到合适提高，从而使该结构具有足够的刚度。优选地，底层20包括开口23(参见图9和10)，而这些开口由桥部分32所分隔开。
在图解的变形中，滑动密封(特别参照图7和8)包括两个弧形密封元件24，这些密封元件可以基本上是相同的。这些元件包括榫舌25，这些榫舌可以设置在槽26内，而槽26形成于密封表面的底层20中。零件24的后表面成形成可密接地接合在底层20上，并且榫舌25以这样的方式  设置在槽26内，以致这些零件将保持在槽26内，但是限制了槽26内的横向运动。
每个弧形密封件具有配合表面，该表面最好形成啮合表面，如图7和8中用28所示一样。所示出的啮合表面的一个优选形式是呈互锁的正弦波的形式。啮合表面的作用是使两个密封零件在密封底层20上具有独立的横向运动，但是限制燃烧气体的通道通过两个零件的结合处的配合表面。应该知道，其它形状的啮合表面也可以采用，所示出的特殊结构只是作为啮合表面的一种形式的例子而提出的。
密封零件24由高度耐磨的材料形成，或者具有高度耐磨的表面，尤其地，密封元件的侧边缘30形成为提供靠在燃烧室的侧部上的密封表面。为了确保充分密封，这些零件最好被弹顶，从而推动这些零件24的边缘30靠在燃烧室壁上。实现这个目的的一种优选形式是借助于拉力弹簧31，特别参照图7和9。弹簧31由弹簧钢形成基本上是U形，并且设置在形成于活塞桥部32后部的撑板15中的孔内。可以使用各种各样的把弹簧支架固定到密封元件上的方法。一个最佳方式是使弹簧支架的端部接合在形成于密封元件24的后表面上的孔内，如附图所示一样。
应该知道，尽管滑动密封件图解成由两个元件形成，但是这只是优选结构，并且随着每个元件之间的合适密封表面28的需要，可以使用两个以上的元件。两个元件之间的断开线形成了互锁表面，从而确保了这些零件的热膨胀不会在断开线上形成过大的间隙，否则，在该断开线上可以产生压力泄漏。应该知道，互锁表面的形式只是一种优选形式，可以实现提供通过结合处的气体密封的这种理想目的的各种结构可以使用，这些对于本领域普通技术人员来讲是显而易见的。
拉力弹簧30的作用是向外给滑动密封件进行预加载，从而有助于在靠于燃烧室的侧部上的密封元件的侧部之间形成密封接触。
通过使用滑动密封元件所产生的另一个优点是，现在，密封表面13包括这样的一些元件，这些元件与活塞元件分离，因此这些元件可以与活塞分开制造。借助于活塞的底层20内的保持槽26，抑制这些元件在离心力的作用下进行运动。如果在滑动密封元件的表面上产生了磨损，那么拆下和更换这些元件是一件容易的事情。
这种变形所产生的另一种好处是，相同的密封元件与设置在头部内的密封件和侧壁平板内表面相配合。环绕活塞的室密封线在这样的位置上相交：在该位置上，内部的径向密封表面与室的侧壁相遇。因此，在室的侧壁板的内表面内不需要密封壳体，因为内部的径向活塞表面不能阻碍活塞在内部的径向活塞表面的两侧上的密封。
另一个优点是，密封装置的弧形表面不会由于热膨胀而变形，因为它不是活塞的整体部分，因此它可以均匀地进行膨胀。这确保可以保持较好的直密封表面，因此密封件可以与室的壁保持较好的密封接触。
另一个优点是，滑动密封元件是可更换的元件。这有利于制造活塞，因为它可以克服研磨活塞内部弧形表面时的困难，因为可以在旋转心轴上对这个元件进行表面研磨。
这种改进还包括改进的活塞裙部，这种活塞裙部的优选实施例图解在图10到13中。
裙部40成形成：当它连接到活塞上时，它具有这样的外表面41，该外表面41沿着离开枢轴14的圆周通道进行运动。裙部(特别参照图13a、13b和13c)实质上是矩形的，并且在一个横向边缘上形成榫舌42，该榫舌42平滑地安装在定位槽43内(参见图3)，而定位槽43形成于活塞底部21下方的活塞前壁上。裙部的第二横向边缘最好成形成滚筒结构45从而提供凸缘46，该凸缘46支撑在活塞的突出部47上(还可参见图3和4)。借助于铆钉(在附图中没有示出)使凸缘44连接到突出部47上，从而牢牢地使裙部的下边缘设置到活塞上。由于滚筒结构45具有弹性，因此裙部易于局部浮出定位槽43，这就与燃烧室的壁形成了较好的密封接触。如果出于某些原因而需要更换裙部，那么拆下铆钉并且使榫舌42从定位槽43中浮出来是简单的事情。
在欧洲专利说明书WO95/08055中所公开的发动机结构中，活塞中的裙部的主要功能是，当活塞处于上死点位置上时，密封主进气室的排气口。裙部还可以使热量有效地从活塞顶区域传递走。当公知的圆形活塞的裙部的主要功能是限制轴向负荷时，这不是欧洲专利说明书95/08055所公开的活塞所要求的，因此它可以使裙部作为独立的、实质上是浮动的元件。这里所公开的、使裙部作为独立的元件来制造的优点是，它可以从活塞元件向外运动，从而与燃烧室的表面相遇，并且保持稳定接触，而与活塞是热的或者是冷的无关。这就补偿了活塞的膨胀量并且确保主进气室与排气口间的较好密封。热量通过浮动的外部径向裙部而从活塞的前边缘传递到燃烧室壁上。这个可以被实现，因为浮动的裙部在整个的活塞热膨胀范围内与活塞和燃烧室的冷却表面保持直接接触。此外，由于裙部是可以更换的元件，因此简化了活塞的制造。
当裙部40被描述为具有一个形成榫舌42的横向边缘和成形成滚筒结构45的第二横向边缘时，应该知道，这些是把裙部连接到活塞上的最佳优选方法。可以使用对于本领域普通技术人员来讲是显而易见的、把裙部连接到活塞上的其它方法，其中的主要要求是，把裙部牢牢地连接到活塞上，并且相对于活塞具有理想的浮动度，并且易于拆下和更换，这些是必须的。
借助于形成通过枢轴的液体冷却剂通道来使活塞进行液体冷却。冷却剂借助于枢轴可以循环到活塞中，然后通过活塞冷却通道并通过枢轴的另一端排出。液体冷却具有潜在的重要优点，从而使热量以这样的速率从活塞中移出，该速率可以使发动机长时间地以大负荷运动。液体冷却的另一潜在优点是在为航空器工作而设计的发动机中，因为这使在安全全负荷工作时间范围内具有较好的安全系数。它还减少了在把活塞安装到发动机中时热膨胀所需要的间隙。
活塞的另一个变形是侧部密封件在活塞内的定位。例如，公知的是，在传统活塞槽内使用销，从而确保了活塞环不能在槽内进行旋转。当进气口或者排气口形成于燃烧室的壁中时，这是特别重要的，从而防止活塞环在环槽内移动到这样位置的可能性：在该位置上，活塞环内的间隙与燃烧室壁内的开口对准。在如图2和14所特别示出的本发明的情况下，限制销60用来限制水平侧密封件62在活塞弧形通道所产生的离心力的作用下进行移动。水平侧密封件62内的限制销60与形成在密封件的内边缘上的配合槽63对准，从而限制侧部密封件的离心负荷作用在前部密封件的外端上。侧部密封件的限制销60的另一个功能是关闭水平侧密封件后部的压力泄漏通道。销60影响了这个，因为它设置在燃烧室密封区域的旋转侧上的密封槽63的后部上。因此，水平侧密封件62合适地安装在限制销60的周围，因此阻塞了密封件后面的气体泄漏通道。
在阅读了这个说明书之后，对该结构进行各种改进和改变，对于本领域普通技术人员来讲是显而易见的，并且这些改进和改变落入本发明的总范围内。所有这些改进和改变都包括在本申请的范围内。

Claims (15)

1.一种内燃机的旋转活塞，所述活塞具有：旋转轴，借助于旋转轴使活塞在内燃机的燃烧室内进行旋转；第一弧形密封表面，它与旋转轴隔开，并且绕着旋转轴沿着圆周通道进行运动；及第二弧形密封表面，它沿径向偏离第一弧形密封表面，并且借助于活塞底部而连接到第一弧形密封表面上，其特征在于：第二弧形密封表面包括至少两个元件，这些元件中的每一个接触地设置在密封底层上，该密封底层形成了活塞的一部分，而一个元件的边缘与第二元件的边缘相配合，这些装置被提供来在这些元件的所述配合边缘之间形成气体密封。
2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，第二弧形密封表面包括至少两个基本上是矩形的元件，这些元件具有纵向端和横向边缘，每个元件具有适合于密封室壁的弧形密封表面并且具有适合于支撑在活塞的密封底层上的后表面，每个元件以这样的方式设置在密封底层上，因此一个元件的内部横向边缘与第二元件的横向边缘接触并与之配合，每个元件在密封底层上进行有限运动，从而使每个元件的外部横向边缘与室壁保持密封接触。
3.如权利要求2所述的活塞，其特征在于，这些元件的纵向端部适合于设置在形成于活塞的密封底层中的槽内。
4.如权利要求2所述的活塞，其特征在于，这些元件是向外推动的弹簧。
5.如权利要求2所述的活塞，其特征在于，这些元件的这些接触边缘配合在一起，从而在与密封底层相结合的地方形成了气体密封。
6.如权利要求2所述的活塞，其特征在于，这些元件的接触边缘形成相互啮合的形状。
7.一种内燃机的旋转活塞，所述活塞具有：旋转轴，借助于旋转轴使活塞在内燃机的燃烧室内进行旋转；第一弧形密封表面，它与旋转轴隔开，并且绕着旋转轴沿着圆周通道进行运动；及第二弧形密封表面，它沿径向偏离第一弧形密封表面，并且借助于活塞底部而连接到第一弧形密封表面上，其特征在于：第一弧形密封表面包括可拆下的裙部，该裙部位于远离旋转轴的活塞边缘上。
8.如权利要求7所述的活塞，其特征在于，裙部具有外表面，该外表面从活塞的旋转轴沿着圆周通道进行运动。
9.如权利要求7所述的活塞，其特征在于，裙部基本上是矩形的，并且具有两个纵向边缘和两个侧边缘，其中纵向边缘以这样的方式形成，以致裙部可以以这样的方式位于活塞上，因此裙部的外表面可以密封发动机的燃烧室的壁。
10.如权利要求9所述的活塞，其特征在于，一个纵向边缘包括榫舌，该榫舌适合于设置在形成于活塞中的槽内。
11.如权利要求9所述的活塞，其特征在于，裙部的第二纵向边缘包括滚筒结构，该滚筒结构具有法兰，借助于该法兰把滚筒结构固定到活塞上。
12.一种内燃机的旋转活塞，所述活塞具有第一弧形密封件和第二弧形密封件，这两个密封件绕着活塞的旋转轴沿着圆周通道进行运动，所述第一弧形密封件径向偏离第二弧形密封件，所述活塞具有底部，该底部在第一和第二弧形密封件之间进行延伸，其特征在于，活塞包括侧部密封件，这些密封件设置在密封槽内，而这些密封槽位于活塞的侧部上，所述侧部密封件适合在活塞的侧部和燃烧室的壁之间保持气体密封，借助定位销使每个侧密封件设置在密封槽内。
13.如权利要求12所述的活塞，其特征在于，定位销保持在形成于密封槽的壁中的孔内，并且与形成在侧部密封件中的互补开口接合。
14.一种内燃机的旋转活塞，所述活塞具有第一弧形密封件和第二弧形密封件，这两个密封件绕着活塞的旋转轴沿着圆周通道进行运动，所述第一弧形密封件径向偏离第二弧形密封件，所述活塞具有底部，该底部在第一和第二弧形密封件之间进行延伸，其特征在于，冷却介质的冷却剂通道形成于活塞内。
15.如权利要求14所述的活塞，其特征在于，冷却剂通道包括：从枢轴的入口，该入口通过形成于活塞中的通道；和从枢轴的出口。
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