CN1460788A - 设有隔热套和密封装置的汽缸及带隔热顶的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种设有隔热套和密封装置的汽缸及带隔热顶的活塞。所述的汽缸由隔热套21、密封装置28和导向套46或压气汽缸52构成。汽缸内相应的活塞具有一个外表面光滑完整的套筒。因密封装置设在了隔热套的以下部位，使密封环等远离了汽缸的高温工作区域，同时，因采用充气控制机构向活塞与陶瓷内衬的间隙内充入压缩空气，也阻止了作功燃气向间隙内的进入，让附着在密封环等部位的润滑油能在正常的温度下工作。

Description

设有隔热套和密封装置的汽缸及带隔热顶的活塞

本发明涉及一种汽缸，尤其是用于中冷、回热式内燃机中的设有隔热套和密封装置的汽缸。本发明还包括装在该汽缸中的带隔热顶的活塞。

对内燃机的汽缸通过设置由陶瓷材料和耐热金属构成的隔热套可直接减少汽缸的散热损失，这一特点对中冷、回热式内燃机更有益处，因为所减少的汽缸散热损失会转变为更高的排气温度，使回热器从排气中所回收的热量更多。但在采用现有的陶瓷材料及技术方案制成低散热汽缸后，由于缸套表面的温度已升到500℃左右，随活塞到达缸套上部的润滑油便会发生结碳和蒸发现象，产生难以解决的高温润滑问题。

本发明的目的是克服上述现有技术中难以解决的高温润滑问题，提供一种设有隔热套和密封装置的汽缸及带有隔热顶的活塞，该设有隔热套和密封装置的汽缸不仅充分利用了陶瓷材料的隔热性能，而且使所设的密封装置不会受到高温燃气的影响，同时还让附着在密封环等部位的润滑油避开了汽缸的高温工作表面。

为实现上述目的，本发明的这种汽缸采用了以下结构，该汽缸设在缸体中，汽缸的隔热套包括陶瓷内衬和外部的耐热金属套，所设的汽缸由隔热套、密封装置和导向套三部分构成。隔热套和密封装置装在缸体内下侧的导向套上面，由隔热套的耐热金属套依次把密封装置的支承环套、T型环套和L型环套压在导向套顶部的肩台上。T型环套和L型环套的截面形状为倒放的T型及L型，各T型及L型环套上的台阶借助于上、下相邻部件的端面使之构成安装密封环和刮油环的沟槽。在设有刮油环的T型或L型环套上、或者在其底面设有若干均匀排列的使装有刮油环的沟槽与外侧相通的通油孔或通油槽，在与通油槽(或通油孔)位置相对应的缸体内壁面上设有与回油管相通的回油环槽。缸盖的底面与第一密封环之间的尺寸略大于活塞的行程距离。为在导向套上形成润滑油层，在导向套上侧的内壁面上设有与供油管相通的供油环槽。在供油环槽以下部位设有若干适当宽度并均匀排列的存油环槽。

装在上述汽缸中的带有隔热顶的活塞采用了组合式结构，活塞的套筒具有光滑完整的外表面，套筒的长度略大于缸盖底面与刮油环之间的距离。

在动力活塞被制成双作用的中冷、回热式内燃机中，所设的汽缸由隔热套、密封装置和压气汽缸三部分构成，在压气汽缸的底面设有带进气门和出气阀的缸盖。隔热套和密封装置装在缸体内下侧的压气汽缸上面，由隔热套的耐热金属套把密封装置的T型环套和L型环套压在压气汽缸的顶部肩台上。此汽缸中的T型环套、L型环套和回热环槽等与上面所述的汽缸相同。在压气汽缸上侧靠近肩台的位置处，设有与供油管相通的供油环槽。上部缸盖的底面与第一密封环之间的尺寸略大于活塞的行程距离。

在这种具有双作用功能的汽缸中，压气汽缸即可采用与隔热套和密封装置相同的内径，也可让压气汽缸的内径大于隔热套、密封装置和供油肩台的内径。加大压气汽缸的内径后，在与压气汽缸相邻的供油肩台上设有若干指向压气汽缸内壁的出油口，在压气汽缸内壁的上侧还设有与曲轴箱连通的通气口。

设在双作用汽缸中的活塞采用的也是组合结构，它包括活塞座、套筒和具有陶瓷耐热层的活塞顶，套筒通过活塞座上的台阶安装在活塞座上，所设的套筒具有光滑完整的外表面，它的长度略大于上部缸盖的底面与刮油环之间的距离。在活塞座上通过所设的回油环槽和密封环槽分别装有刮油环和密封环，回油环槽与活塞座内的回油腔连通，回油腔又经活塞杆头部的通油孔与活塞杆内的回油路连通。根据压气汽缸的内径等于或大于隔热套和密封装置的不同，活塞座的外径也与所在压气汽缸的内径相适应。

为阻止高温高压燃气向活塞与陶瓷内衬的间隙中进入，在缸体内所设的耐热金属套的底端面上、或者在与之相接触的支承环套的上端面上设有若干均匀排列、通向外侧的通气沟槽，在与通气沟槽位置相对应的缸体内壁上设有供气环槽，该供气环槽经通气道和控制阀与通向中间冷却器的压力管道连通。控制阀被设计成在活塞离开下止点，其套筒遮挡住通气沟槽并上行一定的距离后开启，在活塞行到上止点附近关闭。

采用上述设有隔热套和密封装置的汽缸结构后，因密封装置的密封环等部件设在了陶瓷内衬以下的位置，使密封环等远离了汽缸的高温工作表面，另外，在活塞上行时，由于已通过控制阀等向活塞与陶瓷内衬的间隙中充入了低温压缩空气，作功时只有一小部分高温高压燃气充进活塞上侧的间隙内，让下侧的密封环等根本不会受高温燃气的作用与影响。同时，因活塞套筒的大部分表面也未受高温燃气的加热作用，从而使附着在密封环和活塞套筒上的润滑油也不会有过高的工作温度。这样，便从根本上解决了采用陶瓷内衬后所遇到的高温润滑问题。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明第一实施方案的结构剖视图。

图2是本发明第二实施方案的结构剖视图。

图3是本发明第二实施方案的另一种结构剖视图。

图4是装有三个密封环和一个刮油环的T型环套与L型环套的结构组合图。

图5是装有三个密封环和一个刮油环的T型环套结构组合图。

图6是装有四个密封环和一个刮油环的T型环套与L型环套的结构组合图。

在图1所给出的本发明第一实施方案中，带有隔热套和密封装置的汽缸20处于缸体8中，为最大限度的减少汽缸内作功燃气的散热损失，汽缸的隔热套21包括陶瓷内衬22和外部的耐热金属套23，并且在陶瓷内衬、耐热金属套和缸体三者之间都设有可减少传热损失的气隙26。根据汽缸20所具有的不同功能及区域划分，汽缸是由隔热套21、密封装置28和导向套46三部分构成。隔热套21和密封装置28装在缸体8内的下侧导向套46上面，由隔热套21的耐热金属套23依次把密封装置的支承环套29、T型环套31和L型环套38压在导向套46顶部的肩台48上。在这里，支承环套29的主要作用是用来承受汽缸内活塞的侧向作用力。支承环套、T型环套和L型环套之间通过外侧的密封圈27保持密封。所设的T型环套31和L型环套38的截面形状为倒放的T型及L型，两个T型和L型环套上的所设台阶借助于上、下相邻部件的端面使之构成了安装密封环36和刮油环43的沟槽。在图1中，在T型环套31的两侧台阶上安装了两个密封环36，在L型环套38上安装了刮油环43。在设有刮油环的T型或L型环套上、或者在其底面设有若干均匀排列的使装有刮油环43的沟槽42与外侧相通的通油槽或通油孔，图1中采用了在L型环套38的底面设有通油槽44的结构。在与通油槽44(或通油孔)位置相对应的缸体内壁面9上设有与回油管11相通的回油环槽10。实际中，当在汽缸的内壁上加工出用来装密封环和刮油环的沟槽后，如能在窄小的汽缸空间内方便的安装好所设的密封环及刮油环，也可不采用图1中的这种较复杂的T型和L型环套的结构方式。

由于用来密封活塞的密封环设在了汽缸上，装在汽缸20内的活塞63与普通的活塞是有较大区别的，如图1所示，这种活塞采用了组合的结构方式，它包括活塞座69、套筒66和具有陶瓷耐热层65的活塞顶64。活塞座69装在套筒66中，并通过其支承面70顶在套筒内壁上的凸肩67上，以能承受从活塞顶64经套筒66传递来的作功压力。在活塞座69装上连杆87后，用螺栓72把活塞座69与套筒66连接在一起，使两者构成了一个整体结构，活塞销95则被套筒66套在其中。因不在活塞63上安装密封环等，活塞的套筒66具有光滑完整的外表面48，同时，套筒的长度要略大于缸盖底面2与刮油环43之间的距离，以使活塞行到上止点时，活塞的套筒下侧仍能与刮油环相互接触。在活塞行到下止点时，为让活塞的套筒上侧不脱离第一密封环36，缸盖1的底面2与第一密封环36之间的尺寸也要略大于活塞63的行程距离。

在活塞63与汽缸20的各部分配合接触中，活塞的套筒66与陶瓷内衬22是离开一定间隙互不接触的。由汽缸20下侧的密封装置28(包括支承环套、T型及L型环套)和导向套46所提供的滑动工作面让其内的活塞能顺利的上下运行。

当活塞63在汽缸20内高速运行时，如不采用飞溅方式向汽缸的导向套46表面提供润滑油，可在导向套的上侧内壁面47上设有与供油管50相通的供油环槽49，由油泵提供的润滑油经供油管50和供油环槽49送往导向套的内壁面。在本发明的这种技术方案中，因活塞63的套筒66尺寸较长，为减少套筒与导向套46的接触面积，进一步减小两者之间的摩擦力，在导向套的油环槽49以下部位还设有若干适当宽度并均匀排列的存油环槽51。

在图1的实施例中，汽缸20内正在进行燃烧作功过程，副缸5中的配气活塞6上行把副缸内的压缩空气压进通道式燃烧室3内，与喷入燃烧室内的燃油混合燃烧，所形成的作功燃气推动活塞63下行作功。在作功过程中，为防止高温燃气过多地进入活塞63与陶瓷内衬22的间隙内，在缸体8上设有能向间隙内充气的控制机构。该机构如图1中所示，在缸体8内所设的耐热金属套23的底端面24上，设有若干均匀排列、通向外侧的通气沟槽25(也可以把通气沟槽25设在支承环套29的上端面上)，在与通气沟槽25位置相对应的缸体内壁9上设有供气环槽12，该供气环槽经通气道13和控制阀14与通向中间冷却器的压力管道18连通。在缸体上设有充气控制机构后，当汽缸20内的活塞63离开下止点，让其套筒66遮挡住通气沟槽25并上行一定的距离后，控制阀14经摇臂16被凸轮17控制开启(参看图2)，从中间冷却器来的压缩空气便经控制阀14和通气沟槽25在活塞63上行时充入活塞与陶瓷内衬22的间隙中。控制阀的开启时刻应调整在当活塞行到上止点后，间隙内也被压缩空气基本充满，然后控制阀关闭。在活塞63被高温高压燃气推动下行作功时，因活塞与陶瓷内衬的间隙内已充入了低温压缩空气，进入间隙中的高温燃气便不会很多，使活塞套筒66的下侧大部分表面不会受高温燃气的加热作用，更加热不到下部的密封环36等部件。随着活塞继续下行作功，汽缸内高温燃气的压力也相应降低，而充入活塞与陶瓷内衬间隙中的压缩空气在吸收了陶瓷内衬上的一定热量后，也在活塞下行过程中进入汽缸，以作功方式参与对活塞的下行推动。当然，由于充入间隙内的压缩空气总量较少，对活塞的下行推动力也是较小的。

图2给出的是本发明第二实施方案的结构剖视图。在这一方案中，在汽缸20的下侧增设了带进气门和出气阀的缸盖60，以构成具有双作用功能的汽缸。由图2可见，设在缸体8中的汽缸20由隔热套21、密封装置28和压气汽缸52三部分构成，活塞73经穿过下部缸盖60的活塞杆88与曲轴箱中的曲柄环相连。汽缸20的隔热套21包括陶瓷内衬22和外部的耐热金属套23。隔热套21和密封装置28装在缸体8内的下侧压气汽缸52上面，由隔热套21的耐热金属套23把密封装置28的T型环套31和L型环套38压在压气汽缸52顶部的肩台54上。第二实施例汽缸内的T型环套31、L型环套38及缸体内壁面9上的回油环槽10等结构与图1中的实施例相同。在压气汽缸52的上侧靠近肩台54的位置处设有与供油管50相通的供油环槽49，以便能向活塞73和压气汽缸52提供润滑油。

在图2所示出的汽缸结构中，由于汽缸20的下侧是压气汽缸52，装在汽缸中的活塞73也是由上部的套筒77和下部的活塞座79两部分所构成。活塞73采用的也是组合结构，包括活塞座79、套筒77和具有陶瓷耐热层76的活塞顶74。套筒77通过活塞座79上的台阶安装在活塞座上，并由螺栓81把活塞座79与套筒77上部的从活塞顶74伸下来的支管75连接在一起，使活塞顶、套筒和活塞座构成一个整体结构。套筒77具有光滑完整的外表面78，其长度略大于上部缸盖1的底面2与刮油环43之间的距离。同样，缸盖的底面2与第一密封环36之间的尺寸也略大于活塞73的行程距离，以使活塞73在行到上、下止点的位置时，让活塞的套筒77始终不会脱离密封环36和刮油环43。由于汽缸20上的密封环36只是与活塞的套筒77配合密封，在活塞座79上通过所设的回油槽和密封环槽还分别装有刮油环84和密封环86，以使活塞座实现与压气汽缸52的配合密封。为使刮油环84所集到的润滑油具有返回的通道，活塞座79上的回油槽82与其内的回油腔83连通，回油腔又经活塞杆88头部的通油孔90与活塞杆内的回油路91连通。

在图2的汽缸中，压气汽缸52采用了与隔热套21和密封装置28相同的内径。由于活塞73的活塞杆88占据了一小部分压气汽缸的容积，这使压气汽缸的进气容积相对小于汽缸上部的作功容积。实际中，可通过涡轮增压或机械增压的方式增加压气汽缸的充气量，并以此方式实现更有利的两级压缩、两级冷却的进气压缩过程。当不对压气汽缸增压时，也可采用图3所示的实施方案，让压气汽缸的内径适当大于隔热套21、密封装置28和供油肩台55的内径，以补偿活塞杆88所占据的进气容积。采用较大直径的压气汽缸后，在与压气汽缸相邻的供油肩台55上设有若干指向压气汽缸内壁53的出油孔57。在压气汽缸内壁的上侧，设有与曲轴箱连通的通气口58。在图2和图3所示的实施列中，为汽缸20所设置的由控制阀14、摇臂16和凸轮18等构成的充气控制机构与图1中的实施例相同。

由于图2和图3中汽缸20下侧的压气汽缸52采用了不同的内径，各汽缸内活塞73下侧的活塞座79外径也是与所在压气汽缸的内径相适应的。图2中因压气汽缸52的内径与隔热套21和密封装置28的内径相同，活塞73的活塞座79外径也等于上部套筒77的外径。图3中的压气汽缸52的内径被相应加大后，活塞73的活塞座79外径也相应大于上部套筒77的外径。

图1、图2和图3中的汽缸因缸径较小，在T型的密封环套上只设了2条密封环36。当需要增大汽缸直径，同时也相应增加密封环的数量时，可采用图4、图5和图6中所给出的T型和L型环套的不同组合方式。图4中的组合方式采用了一个T型环套31和两个L型环套38，能安装3条密封环36和1条刮油环43。图5中的组合方式采用了两个T型环套31，在两T型环套之间设了一个隔离环套37，以使上下侧T型环套相邻端面上的台阶能形成安装密封环36的沟槽。图6中的组合方式有一个L型环套38和两个T型环套31，在两T型环套之间也设有隔离环套37，图6中的这种组合方式可安装4条密封环36和1条刮油环43。

在图1、图2和图3所给出的各不同实施方案中，虽然各汽缸的具体结构有所不同，但在汽缸的上部都设置了耐高温的陶瓷内衬。由于采用了在陶瓷内衬以下的位置设置密封环件的结构方式，让所设的密封环件远离了汽缸上部的高温工作区域。同时，由于又采用了充气控制机构向活塞与陶瓷内衬的间隙中充入低温压缩空气，进入间隙内的高温燃气也相对很少，使活塞下侧的大部分表面不会受燃气的高温加热，也让附着在密封环和活塞等工作面上的润滑油保持着较低的工作温度，从而使密封环等能在良好的润滑条件下正常运转。

当活塞在汽缸内高速移动时，由于活塞与陶瓷内衬是隔开一定间隙互不接触的，这样便可相对降低陶瓷内衬的加工精度，也使陶瓷内衬不会受到直接的机械作用力，有利于提高陶瓷内衬的工作可靠性。

中冷、回热式内燃机采用带陶瓷隔热层的汽缸后，因取消了汽缸的冷却水套等，有利于进一步减轻发动机的重量。在发动机工作时，因只需用散热器散发掉活塞在压缩排出过程中的压缩热，使散热器的散热量相应减少。而从汽缸排出的高温气体因其热量已被回热器大部分收回，出回热器后的排气温度也大大降低，这些因素使发动机在整个运转过程中，所产生的废热大幅度减少，燃油的燃烧热量大都被转化为功率向外输出。

Claims (10)

1、一种设有隔热套和密封装置的汽缸，该气缸处于缸体(8)中，汽缸的隔热套(21)包括陶瓷内衬(22)和外部的耐热金属套(23)，其特征是：所述的汽缸由隔热套(21)、密封装置(28)和导向套(46)三部分构成，隔热套和密封装置装在缸体(8)内下侧的导向套(46)上面，由隔热套(21)的耐热金属套(23)依次把密封装置的支承环套(29)、T型环套(31)及L型环套(38)压在导向套(46)顶部的肩台(48)上；T型环套(31)和L型环套(38)的截面形状为倒放的T型及L型，各T型及L型环套上的台阶借助于上、下相邻部件的端面使之构成安装密封环(36)和刮油环(43)的沟槽，在设有刮油环的T型或L型环套上，或者在其底面设有若干均匀排列、使装有刮油环(43)的沟槽(22)与外侧相通的通油孔或通油槽(44)，在与通油槽(44)(或通油孔)位置相对应的缸体内壁面(9)上设有与回油管(11)相通的回油环槽(10)；缸盖(1)的底面与第一密封环(36)之间的尺寸略大于活塞(63)的行程距离。

2、根据权利要求1所述的汽缸，其特征是：在导向套(46)上侧的内壁面上设有与供油管(50)相通的供油环槽(49)，在供油环槽以下部位设有若干适当宽度并均匀排列的存油环槽(51)。

3、用于权利要求1或2的汽缸中带有隔热顶的活塞，它采用组合结构，包括活塞座(69)、套筒(66)和具有陶瓷耐热层(65)的活塞顶(64)，活塞座(69)装在套筒(66)内，通过其支承面(70)顶在套筒(66)内壁的凸肩(67)上，其特征是：套筒(66)具有光滑完整的外表面(68)，套筒的长度略大于缸盖(1)底面与刮油环(43)之间的距离。

4、一种设有隔热套和密封装置的汽缸，该汽缸处于缸体(8)中，汽缸的隔热套(21)包括陶瓷内衬(22)和外部的耐热金属套(23)，其特征是：所述的汽缸由汽缸套(21)、密封装置(28)和压气汽缸(52)三部分构成，在压气汽缸(52)的底面设有带进气门和出气阀的缸盖(60)；隔热套(21)和密封装(28)装在缸体(8)内下侧的压气汽缸(52)上面，由隔热套(21)的耐热金属套(23)把密封装置的T型环套(31)和L型环套(38)压在压气汽缸(52)的顶部肩台(54)上；T型环套(31)和L型环套(38)的截面形状为倒放的T型及L型，各T型及L型环套上的台阶借助于上、下相邻部件的端面使之构成安装密封环(36)和刮油环(43)的沟槽；在设有刮油环的T型或L型环套上、或者在其底面设有若干均匀排列的使装有刮油环(43)的沟槽通向外侧的通油孔或通油槽(44)，在与通油槽(或通油孔)的位置相对应的缸体内壁面(9)上设有与回油管(11)相通的回油环槽(10)；在压气汽缸(52)上侧靠近肩台(54)的位置处，设有与供油管(50)相通的供油环槽(56)；缸盖(1)的底面与第一密封环(36)之间的尺寸略大于活塞(73)的行程距离。

5、根据权利要求4所述的汽缸，其特征是：压气汽缸(52)采用与隔热套(21)和密封装置(28)相同的内径。

6、根据权利要求4所述的汽缸，其特征是：压气汽缸(52)的内径大于隔热套(21)、密封装置(28)和供油肩台(55)的内径，在与压气汽缸相邻的供油肩台(55)上设有若干指向压气汽缸内壁(53)的出油口(57)，在压气汽缸内壁的上侧设有与曲轴箱连通的通气口(58)。

7、用于权利要5或6的汽缸中带有隔热顶的活塞，它采用组合结构，包括活塞座(79)、套筒(77)和具有陶瓷耐热层(76)的活塞顶(74)，套筒(77)通过活塞座(79)上的台阶安装在活塞座上，其特征是：套筒(77)具有光滑完整的外表面(78)，套筒的长度略大于缸盖(1)的底面与刮油环(43)之间的距离；在活塞座(79)上通过所设的回油环槽和密封环槽分别装有刮油环(84)和密封环(86)，回油环槽(82)与活塞座(79)内的回油腔(83)连通，回油腔又经活塞杆(88)头部的通油孔(90)与活塞杆内的回油路(91)连通。

8、根据权利要求7所述的活塞，其特征是：活塞的活塞座(79)外径与所在的压气汽缸(52)的内径相适应。

9、根据权利要求1或4所述的汽缸，其特征是：在缸体(8)内所设的耐热金属套(23)的底端面(24)上、或者在与之相接触的支承环套(29)的上端面上设有若干均匀排列、通向外侧的通气沟槽(25)，在与通气沟槽位置相对应的缸体内壁(9)上设有供气环槽(12)，该供气环槽经通气道(13)和控制阀(14)与通向中间冷却器的压力管道(18)连通。

10、根据权利要求9所述的汽缸，其特征是：控制阀(14)在活塞离开下止点、其套筒遮挡住通气沟槽(25)并上行一定的距离后开启，在活塞行到上止点附近关闭。

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