CN1788173A - 活塞式发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活塞式发动机，它具有至少一个容纳在一个气缸中活塞(6)，该活塞设有至少一个布置在一个配属的活塞环槽(8)中的活塞环(9)，该活塞环以在其底面上的一个加压的接触面压在配属的活塞环槽(8)的下侧面上，其中按以下方式可以使容纳活塞环(9)的活塞环槽(8)的下侧面的具有较长的使用寿命，即，使在活塞环(9)的底面上的与活塞环槽(8)的下侧面接触的接触面小于由活塞环(9)的径向内部的边缘和活塞环槽(8)的径向外部的边缘限定的重叠面。

Description

活塞式发动机
技术领域
本发明涉及一种活塞式发动机，特别是一种活塞式内燃机，优选一种二冲程大型柴油机的形式，它具有至少一个容纳在一个气缸中的活塞，该活塞设有至少一个布置在一个配属的活塞环槽中的活塞环，该活塞环以在其底面上的一个加压的接触面压在配属的活塞环槽的下侧面上。
背景技术
容纳有活塞环的活塞环槽的下侧面必定承受磨损。使用寿命以及由此所要求的维护时间间隔的长度取决于磨损率。磨损率越高，所述间隔就越短。短的维护时间间隔不利于经济性。
发明内容
由此出发本发明的任务是以简单且廉价的方法改进开头所述类型的活塞式发动机，使得一个活塞环槽的每个容纳配属的活塞环的下侧面实现较长的使用寿命。
根据本发明，实现所述任务在于，使活塞环的底面上的加压的、与活塞环槽的下侧面接触的接触面小于由活塞环的径向内部的边缘以及活塞环槽的径向外部的边缘限定的重叠面。
在活塞环的底面接触配属的活塞环槽下侧面的地方，也就是在接触面的区域可能会产生研磨以及相应的磨损。因为活塞环底面上的接触面比重叠面小，并且活塞环在运行时是运动的，所以由活塞环接触的活塞环槽下侧面的面上产生的磨损被分布到整个重叠面上。其结果是在整个重叠面上发生相对较小的磨损率以及相应的较长的使用寿命。由此采用本发明的措施能够实现较长的维护时间间隔以及相应的突出的经济性。
上述措施的优选方案以及有利的拓展方案在从属权利要求中给出。
优选的是，活塞环的底面可以设有一些表面侧的空隙，所述空隙界定有效接触面积。这种措施是一种可以容易制造的解决方案。
合乎目的的是，活塞环的有效接触面积的大小与活塞环底面总面积的比例处于1∶1.5至1∶3的范围内。一个优选的比例是1∶2。这使得在一方面为产生的表面压力以及另一方面为在更大面上的磨损分布之间得到有利的协调。
在上述措施的另一个拓展方案中，活塞环槽的容纳配属的活塞环的下侧面具有一个连续的表面。这简化了制造。
有利的是，活塞环槽的下侧面的表面可以由一种耐磨材料制成。这提高了使用寿命。
另一种优选的措施可以在于，界定有效接触面积的空隙以活塞环的径向内部的边缘为起点。由此确保到达活塞环内侧的废气可以进入到所述空隙中，由此可以实现活塞环的卸载并由此可以降低在有效接触面积区域中的表面压力，这有利于降低磨损。
有利的是，界定有效接触面积的空隙可以在一个配属于活塞环的径向外部的边缘区域的接触区域处终止。由这种方式连续构成的接触区域以有利的方式实现了气密接触。
合乎目的的是，接触区域可以设置至少一个构成泄漏通道的通孔，所述通孔与一个以活塞环的径向内部的边缘为起点的空隙连通。这种措施实现了一种受控的泄漏，这特别是在上面的活塞环中是希望的，以保证相应位于下面的活塞环的可靠加载气压。
根据上述措施的另一种优选的方案，界定有效接触面积的空隙可以设计为以活塞环径向内部的边缘为起点的、一直延伸到接触区域的槽，它们优选具有相对于径向方向倾斜的延伸曲线。这种措施支持活塞环的转动并由此支持磨损在整个重叠面上的良好分布。
优选的是，相互隔开界定有效接触面积的空隙的隔片的宽度小于活塞环的横向于此隔片定向的位移。由此也有利于磨损均匀地分布在整个重叠面上。
上述措施的其它优选方案以及有利的拓展方案在其它从属权利要求中给出，并可在后续描述中借助于附图详细得出。
附图说明
下述附图示出：
图1二冲程大型柴油机的气缸的垂向剖面的部分视图，
图2图1中包括活塞环的断面的放大视图，
图3图2中活塞环的底面的俯视图，
图4图2中的活塞环的径向剖视图，示出了气流，
图5另一种活塞环实施例的俯视图，
图6根据图5的活塞环的径向剖面图。
具体实施方式
本发明的主要应用领域是大型活塞式内燃机，特别是二冲程大型柴油机，它们例如可以在船舶驱动装置中得到应用。这种发动机的构造以及工作原理已经公知，因此在本说明书中不再详细描述。
在图1中示出的一个二冲程大型柴油机的包括一个燃烧室1的气缸具有一个缸套2以及一个缸盖5，缸盖安装在缸套上、设有一个通过气门3控制的排气口以及一个进气门4。燃烧室1的下面的运动边界由一个在缸套2内导引的活塞6构成，活塞具有一个固定在一个未示出的活塞杆上的下部以及一个安置在下部上的活塞冠7。活塞冠7设有一个活塞环组，它在这里包括四个嵌入到圆周侧的活塞环槽8内的活塞环9，其中可以涉及所谓的气密的或者开口的活塞环。
通常活塞环组的至少最上面的活塞环为了避免功率损失设计成无开口的活塞环，它具有一个在其整个圆周上无缝隙地连续的、与缸套2的工作面共同作用的圆周面。位于其下的活塞环可以是开口的活塞环，它们的以一个角度倾斜的端部相互对置形成一个切口或者缝隙。本发明在两种情况中的应用都是有利的。
活塞环9以其底面支承于各个配属的活塞环槽8的下侧面上。在运行时，活塞环9通过在燃烧室8内产生的气压加载，该负荷传递到配属的活塞环槽的下侧面上，并在此必定引起磨损。只要该磨损达到一个确定的值，那么包含活塞环槽8的活塞冠7就必须更换，这就要求高昂的费用。
为了延长活塞冠7的使用寿命并由此相应地延长维护时间间隔，例如由图2所知，活塞环9在其底面设有一些表面侧的空隙10，它们使得活塞环9的加压的、与配属的活塞环槽8的下侧面实际接触的接触面相对于最大可能接触面被减小。接触面相应小于活塞环底面与配属的活塞环槽8的下侧面的相对的重叠面，这也就是说接触面相对于在活塞环9的径向内部的边界与活塞环槽8的径向外部的边界之间的面积被减小了。这种减小如此选择，使得活塞环9的底面的有效接触面积相对于其下部的总面积的比例处于1∶1.5至1∶3之间的范围内。在一个优选的实施例中，这种减小大致相当于活塞环9底面面积的一半，这样在有效接触面积和活塞环9底面的总面积之间得到1∶2的比例。由此在试验中可以获得特别优良的结果。
由于活塞环9的运动，其有效接触面积逐渐与配属的活塞环槽8的下侧面的整个面对的承载面11接触，由此在活塞环9底面以及支承面11之间的实际接触区域中产生的磨损分布到整个支承面11上。在该整个面上看，产生相对较小的磨损率。
活塞环槽8的下侧面优选设置一层由耐磨材料制成的保护层12，它包含连续的支承面11。为了形成该保护层12，可以使用价格上有利的材料，如铬或者铬合金。由于降低了整个支承面上的磨损率，也可以使用这种价格上有利的材料实现相对较长的使用寿命。
如从图2到4中可以看出，界定活塞环底面有效接触面积的空隙10以配属的活塞环9的径向内部的边缘为起点，并且如在图2中可以最清楚的看出，它相应地与一个由活塞环槽8的径向内部的边界以及活塞环9的与该边界隔开距离对置的径向内部的边界限定的环形腔室13连通。活塞环9的高度略小于配属的活塞环槽8的净高度。通过这种方式在活塞环9的上方得到一个间隙14，通过该间隙14环形腔室13与位于活塞冠7和缸套2之间的间隙15连通，并由此与燃烧室1连通。
在此如在图4中通过流向箭头16所示，活塞环9被废气环流，该废气可以被压入到空隙10中。由此产生作用到活塞环9上的、向上指向的力，由此减小了作用到有效接触面积上的压力，这也就是说接触面卸载了，这使得除了上面提到的磨损在整个支承面11上的分布以外，也有利于延长支承面11的使用寿命。
在基于图2至4的实施例中，如在图3中可以看出，空隙10设计为以活塞环9的径向内部的边缘为起点的槽，它们在与活塞环9的径向外部的边缘隔开一段距离的位置处终止。由此得到一个平面的、与活塞环9的径向外部的边缘相邻的接触区域17，该接触区域实现了活塞环9的底面在配属的活塞环槽8的下侧面的支承面11上的气密接触。该接触区域17优选如此宽，使得其最小的宽度与活塞环9的总宽度的比例例如为1∶3至1∶5，优选例如为1∶4。
如图3和4所示，接触区域17优选在活塞环9的圆周上设有至少一个构成泄漏通道18的通孔，所述通孔与一个以活塞环9的径向内部的边缘为起点的空隙10连通，使得废气可以从活塞环9上方的区域到达活塞环9下方的区域，如在图4中用流向箭头16a所示。如从图3和4中可以看出，流动通道18的净横截面小于与之连通的槽型空隙10的净横截面。为此构成流动通道18的通孔的深度小于表面侧的空隙10的深度。当流动通道18的深度为空隙10的深度的四分之一(1/4)时就已经足够了，在空隙10的深度方面有利的是为活塞环9的宽度的五十分之一(1/50)到二十分之一(1/20)，并且优选为三十分之一(1/30)。
在基于图2和4的实施例中，空隙10设计为以活塞环9的径向内部的边缘为起点的槽，这在前面已经提到。该空隙优选是这样的，使得在一个正方形上得到一个近似平面的构造。空隙的位置优选如此选择，使得它的至少一个侧面与径向方向成一个角度α。另一侧面可以与径向方向成一个相同的角度α或者另一个角度β或者沿径向方向延伸。流动通道18的侧面相互平行且倾斜于径向方向是有利的，优选与空隙10的更剧烈地相对于径向方向倾斜的侧面倾斜相同的角度。
通过空隙10的至少一个侧面以及必要时流动通道18的至少一个侧面相对于径向方向倾斜地延伸，使活塞环9的旋转运动得到支持，这对出现的磨损在整个支承面11上的分布起有利的作用。
上面提到的空隙10的至少一个侧面或者两个侧面的倾斜处于0°到60°之间是有利的。在图3中所示的实施例中，两个侧面相对于径向方向倾斜了不同的角度α和β，其中角度α优选为50°，而角度β优选为25°。由此实现了活塞环9良好的旋转特性。流动通道18的倾斜平行于倾斜了较大角度α的侧面。
如图3进一步所示，构成空隙10的槽通过一些隔片19相互隔开，它们在这里与接触区域17相关。隔片19的宽度小于活塞环9的横向于隔片延伸的旋转位移是有利的，这同样对磨损在整个支承面11上的均匀分布起有利的作用。
由于角度α和β的不同，隔片19在径向内侧宽于靠近接触区域的端部。由此如从图3可以看出，与在空隙10的侧面平行延伸时的情况相比，活塞环9在其邻近径向内部的边缘的区域中更大面积地贴靠在活塞环槽8的支承面11上。由此可以实现在活塞环9的径向内侧接触和径向外侧接触之间的良好平衡，并由此实现可靠的密封效果。
在基于图5和6的实施例中，提出了减小所述活塞环9的有效接触面积的空隙的另一种构造。但是磨损减小的效果如同前述实施例。在此对于相同的零件继续使用相同的附图标记。在根据图5、6的实施例中，为了构成减小接触面的空隙，活塞环9在其底面设置了一些与其径向内部的边缘或者径向外部的边缘同心环绕地延伸的槽20，所述槽与至少一个以活塞环9的径向内部的边缘为起点的径向切槽21连通。在圆周上也可以设置多个切槽21。在径向上排成梯队的槽20之间有与之同心的隔片22。隔片22的径向宽度小于活塞环9的径向位移是有利的。
从活塞环9的径向外部的边缘出发设置一个相对较宽的、实现气密接触的接触区域17。它被至少一个从切槽21离开的流动通道18断开。在基于图5和6的实施例中，关于深度比例以及面积比例也适用上面对于图2至4所作的说明。
上述实施例可以看出，本发明不限于在附图中示出的减小有效接触面积的空隙的构造。更确切地说在实践中可以实现是任意形式。

Claims (20)

1.活塞式发动机，特别是活塞式内燃机，优选一种二冲程大型柴油机的形式，它具有至少一个容纳在一个气缸中的活塞(6)，该活塞设有至少一个布置在一个配属的活塞环槽(8)中的活塞环(9)，该活塞环以在其底面上的一个加压的接触面压在配属的活塞环槽(8)的下侧面上，其特征为：活塞环(9)的底面的加压的、与活塞环槽(8)的下侧面接触的接触面小于由活塞环(9)的径向内部的边缘和活塞环槽(8)的径向外部的边缘限定的重叠面。
2.按权利要求1所述的活塞式发动机，其特征为：所述活塞环(9)的底面的有效接触面积与活塞环(9)的底面的总面积的比例处于1∶1.5至1∶3的范围内，优选为1∶2。
3.按前述权利要求任一项所述的活塞式发动机，其特征为：所述活塞环(9)的底面设有一些表面侧的空隙(10；20、21)，它们界定了活塞环(9)的底面的有效接触面积。
4.按权利要求3所述的活塞式发动机，其特征为：所述空隙(10；20、21)以活塞环(9)的径向内部的边缘为起点。
5.按前述权利要求任一项所述的活塞式发动机，其特征为：所述活塞环槽(8)的下侧面具有一个连续的支承面(11)。
6.按前述权利要求任一项所述的活塞式发动机，其特征为：所述活塞环槽(8)的下侧面设有一层由耐磨材料制成的覆层(12)。
7.按权利要求6所述的活塞式发动机，其特征为：所述覆层(12)由铬或者一种铬合金构成。
8.按前述权利要求任一项所述的活塞式发动机，其特征为：减小所述活塞环(9)底面的有效接触面积的空隙(10；20、21)在一个配属于活塞环(9)的底面的径向外部的边缘区域的接触区域(17)处终止。
9.按权利要求8所述的活塞式发动机，其特征为：所述接触区域(17)设有至少一个构成泄漏通道(18)的通孔，所述通孔与一个以活塞环(9)的径向内部的边缘为起点的空隙(10；20、21)连通。
10.按权利要求9所述的活塞式发动机，其特征为：所述泄漏通道(18)的净深度小于减小所述活塞环(9)的底面的有效接触面积的空隙(10；20、21)的净深度。
11.按前述权利要求8至10任一项所述的活塞式发动机，其特征为：所述接触区域(17)的最小宽度与活塞环(9)的总宽度的比例为1∶4。
12.按前述权利要求任一项所述的活塞式发动机，其特征为：减小所述活塞环(9)的底面的有效接触面积的空隙(10；20、21)的深度与活塞环(9)的宽度的比例处于1∶50至1∶20的范围内，优选为1∶30。
13.按前述权利要求任一项所述的活塞式发动机，其特征为：减小所述活塞环(9)的底面的有效接触面积的空隙被一些隔片(19；22)相互隔开，隔片的宽度小于活塞环(9)的横向于隔片定向的位移。
14.按前述权利要求任一项所述的活塞式发动机，其特征为：减小所述活塞环(9)的底面的有效接触面积的空隙(10)设计为以活塞环(9)的径向内部的边缘为起点的槽。
15.按权利要求14所述的活塞式发动机，其特征为：构成所述空隙(10)的槽的至少一个侧面相对于径向方向倾斜一个角度(α)。
16.按权利要求15所述的活塞式发动机，其特征为：构成所述空隙(10)的槽的两个侧面相对于径向方向倾斜。
17.按权利要求16所述的活塞式发动机，其特征为：构成所述空隙(10)的槽的各侧面相对于径向方向倾斜不同的角度。
18.按权利要求15-17所述的活塞式发动机，其特征为：各侧面的倾角最大为60°。
19.按权利要求17和18所述的活塞式发动机，其特征为：一个侧面的倾角为25°，而另一个侧面的倾角为50°。
20.按前述权利要求1至13任一项所述的活塞式发动机，其特征为：减小所述活塞环(9)的底面的有效接触面积的空隙具有一些与活塞环(9)的边缘同心的槽(20)，它们与至少一个以活塞环(9)的径向内部的边缘为起点的径向切槽(21)连通。
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