CN104781593B - 具有变化顶线的活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种活塞环(1)，具有一外工作面(3)，两侧面(5，6)和一内圆周面(7)。工作面(3)具有轮廓。工作面的轮廓大致是凸出的球面，并具有顶点(B1)。顶点(B1)的轴向位置在圆周方向上周期性地变化。

Description

具有变化顶线的活塞环

技术领域

本发明涉及内燃机或压缩机活塞环，更具体地说，涉及一种具有变化顶线的活塞环，顶线设置在运行在圆周方向的工作面上，并在轴向方向上周期性变化。

背景技术

现代的，大体积船用发动机仍然是二冲程柴油发动机，因为这种类型的发动机可以用这种方式设计，即速度通常在从约50转/分到250转/分的范围内(通常低于100转/分)，功率可以高达约100MW，这取决于汽缸的数目。这种大体积、低速运行的两冲程船用发动机优选直接作用于螺旋桨的驱动轴，因为降低转速的减速齿轮由于该发动机的转速可以省略。

这种大体积两冲程发动机通常具有两路分开的油回路，一路用于发动机润滑，一路用于汽缸润滑。汽缸润滑确保在合适的时间点提供足够的润滑油以保证汽缸表面和活塞环的充分润滑。

汽缸润滑油通过衬套喷射到活塞室，取决于机器的负载。活塞环在该润滑膜，支撑面上工作。这里喷射尽可能少的润滑油是一个尤其重要的问题，以节省成本并防止过度润滑。汽缸润滑发生在，例如在冲程的上三分之一，利用润滑油泵通过例如设置在汽缸壁的平面上的润滑油进口，提供润滑油进入到汽缸使得活塞和活塞环的润滑尽可能以最佳的方式保证。油供给到汽缸通常用气体背压的方法进行。

例如，可以使用润滑油喷射系统，通过喷嘴以精确计量的方式喷射润滑油到汽缸内。计算机控制系统记录位置，在该位置活塞被定位，然后有针对性的供给润滑油。这在高压时进行，以致于润滑油喷射得非常精细，以获得汽缸套的可能的最为均匀的湿润，但针对活塞环位置和摩擦实际发生位置。

如果考虑到现代的，大体积二冲程船用发动机以高达2500mm的冲程运转在约50转/分到250转/分的速度，可用于润滑油的供给以及供给的润滑油的分配的时间跨度是短暂的，并且是目前确保润滑质量的重大挑战。如果假设，例如一个汽缸具有900mm的(内)直径和围绕汽缸壁的圆周均匀分布8个油供给进口，在可用的时间跨度内供给的润滑油必须分布在圆周方向的从各个进口开始超过约350mm的长度。

有例如由美国专利US3851889中已知的活塞环，具有通过斜面、凹槽或切口的方式在油流中产生的湍流，斜面设置在活塞环的工作面的一侧边，凹槽或切口设置活塞环上并环绕圆周，其结果是，系统中的油流被主要引导在活塞环运动的优选方向(向下)。专利文献DE871390描述了一种活塞环，在工作面上环绕圆周设置有袋状凹陷，所述凹陷旨在促进油进入相互滑动的面之间的间隙的通道。

已经发现，用一个或多个活塞环的常规设计，在圆周方向(最大约3％)得不到或只能得到非常低的润滑油分布，由于在圆周方向没有足够的压力梯度。

发明内容

本发明的应用目的是所有内燃机，包括非船用的。

本发明的目的在于提供一种确保低油耗和减少漏气的活塞环，具有充分的润滑条件，并且可以廉价地制造。

该目的用具有权利要求1的特征的活塞环来实现。优选配置形成从属权利要求的主体。

根据本发明，提出了一种新型活塞环工作面轮廓。活塞环的工作面具有大致凸出地弯曲的轮廓，轮廓具有顶点或支点，顶点或支点的在工作面上的轴向位置关于圆周方向变化。

活塞环的工作面以这种方式成形，导致在运行时在圆周方向建立或产生流体动力压力(尤其是与顶点的轴向位置一起变化)。所述流体动力压力产生压力梯度，从而导致润滑油流动以及润滑油的圆周分布。流体动力影响润滑油的分布从而导致供给或喷射到凹槽中的润滑油的所需要量的减少和更均匀的分布，关于圆周方向。

圆周方向的均匀的润滑油支撑面因此理想地获得，以确保充分的润滑条件，以尽可能均匀地密封漏气(或者获得尽可能低的漏气)，在活塞工作方向有效地剥离润滑油并允许超转。

本发明的一方面在于，油在圆周方向输送以使较少的油被消耗。为此，顶点在圆周方向在轴向高度不断变化或改变，但优选没有凹部或孔或槽存在于工作面，如现有技术中的情况。

一种包括至少两个活塞环的系统也优选地提供。两个活塞环的每一个为根据本发明形成。在系统设置中，根据本发明的两个活塞环的顶点的周期性变化的轴向位置的轨迹相位偏移180°。

活塞环优选以这种方式形成，顶点的轴向位置的变化在圆周方向上是周期性的，优选地，周期性变化的轴向位置的周期数目是整数。

还优选为，活塞环上的顶点(B1)的轴向位置的轨迹关于与活塞环1的中平面相同或平行的平面大致对称。

还优选为，活塞环上的顶点(B1)的轴向位置的轨迹关于与活塞环1的中平面相同或平行的平面不对称。

此外，活塞环上的顶点(B1)的轴向位置优选具有约为活塞环1的轴向尺寸的50％至60％的总变化量。

此外，活塞环上的顶点(B1)的轴向位置的轨迹的周期数目优选位于4和36之间的范围,且包括4和36。

最后，在包括至少两个活塞环的系统中，两个活塞环的每一个优选如以上所述的活塞环，至少两个活塞环的顶点的周期性变化的轴向位置的轨迹相位偏移180°。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1(a)、1(b)和1(c)示出了经过根据本发明一实施例的活塞环的第一(径向)横截面、第二(径向)横截面和第三(径向)横截面，每个横截面位于不同的角位置；

图2(a)示出了根据本发明图1中所示的活塞环的工作面的局部平面图，工作在圆周方向；

图2(b)示出了工作面的轮廓的顶线轨迹，根据图2(a)中所示的活塞环的工作面的局部，工作在圆周方向；

图3示出了根据本发明的另一实施例的活塞环的局部立体示意图；以及

图4通过例子示出了根据本发明的另一实施例的工作面的轮廓的顶线的功能性描述轨迹。

具体实施方式

图1(a)至1(c)示出了经过根据本发明的活塞环1的(径向)横截面，它们在圆周方向相互间隔开。

根据本发明的活塞环1，如图1所示，同时优选作为压缩环和油控制环，具有一背对燃烧室的外轮廓边，即活塞环1的切削的工作面3，一面向燃烧室31的侧面5，一面向油室32的侧面6以及一内圆周面7。

应当指出的是，虽然上文和下文描述涉及根据本发明的活塞环1的用途，用于内燃机中的活塞，尤其是在两冲程内燃机中，但对于本领域的技术人员是显而易见的，根据本发明的实施例的活塞环也可以用在压缩机中。

工作面3具有一轮廓，该轮廓大致凸出地弯曲，并具有顶点B1以及形成一沿外圆周运行的顶线11。

在圆周顶线11的区域，活塞环1密封，相对于相对工作面30，例如汽缸套，以防止由燃烧室31漏气。活塞运动导致流体动力油膜在活塞环1和相对工作面30之间形成，由于活塞运动，该油膜形成在活塞环1和相对工作面30之间，并确保该部件之间的充分润滑。在横截面视图中，沿圆周方向运行的顶线11以顶点B1示出。

如已经在图1(a)至1(c)中所见，工作面3的轮廓的顶点B1随着相对于圆周的横截面的位置在活塞环1的轴向方向变化。在图2(b)中，顶点B1的中心位置示意性的示出，而图2(a)和2(b)示意性的示出了B1的相对于中心位置的两个轴向方向的最大变化位置。

活塞环1的横截面的形心优选位于顶点B1的两最外轴向位置之间的平面上。这确保处于静止状态的活塞环1在顶线11的整个轨迹支撑在相对工作面30上，并最低限度地与该相对工作面用位于其间的薄油膜(未示出)间隔开。

图2(a)示出了根据本发明的活塞环1的工作面3的局部的平面视图，工作面工作在圆周方向。顶点B1的轨迹在轴向方向周期地变化，可以由图2(a)中可见。这里以例子的形式示出的轨迹是关于活塞环1的中平面对称的。即，顶点B1的轴向位置变化，具有一与活塞环1的中平面相关的最大振幅。

应当指出的是，所示出的对称仅是本发明的一个优选实施例，并不意味着本发明仅限于此。例如，顶点B1的轴向位置的轨迹也可以关于与活塞环1的中平面平行并间隔一定距离的平面对称。此外，顶点B1的轴向位置的轨迹也同样可以不对称，即，顶点B1的轴向位置的轨迹在由活塞环1的中平面开始的两相反的轴向方向上的振幅不同。

在图2(a)中，也示出了截面位置A、B、C和D。图1(a)中示出的横截面视图由位置A或D处的截面得到，而图1(b)中示出的横截面视图由位置B处的截面得到，图1(c)中示出的横截面视图由位置C处的截面得到。

图2(b)示出了活塞环1的平面视图。圆周位置和截面位置A、C和D也在活塞环平面中示出。顶点B1的轴向位置沿活塞环1的外圆周周期地变化。图2(b)以例子的形式示出了6个周期。这意味着在示意性的实施例中，相对于活塞环圆周的周期角度为顶点B1的轴向位置的变化周期数优选位于包括4到36的范围内。周期数优选整数，尤其是相等的数目。

应当指出的是，周期的数目可以与进口或喷嘴的数目匹配，润滑油通过进口或喷嘴压入或喷射到汽缸内，例如用气体背压的方法。例如，周期数可以与进口或喷嘴的数目相等，或是它们的整数倍。

顶点B1的轴向位置优选具有相对于活塞环1的轴向尺寸的约50％至60％的总变化宽度(即，在轴向位置的对称轨迹的情况下，为两倍振幅)。顶点B1的轴向位置优选在相对于活塞环1的轴向尺寸的约25％至75％的范围内变化。

根据本发明的活塞环1的另一示意性的实施例在图3中以立体视图示出。如在图3中可以看出，两个根据本发明的活塞环可以用作一个系统。在这种情况下，该活塞环优选以此种方式形成：各自的顶点的轴向位置的轨迹彼此相位偏移180°。

顶点B1的轴向位置的轨迹优选是常量，进一步优选可以用周期的、常量函数描述。尤其是，顶点B1的轴向位置的轨迹可以用周期的、可微函数进行描述。这意味着，例如，顶点B1的轴向位置的轨迹可以表达为周向角度和周期数目K的函数，例如：

为了更好地理解，上述示意性函数在图4中示出。

在本申请中提出的活塞环尤其适于系统中的具有超过400mm的直径的活塞。

根据本发明形成的活塞环可以优选用到内燃机的活塞的活塞环槽中，例如大体积两冲程内燃机或压缩机。已经发现，与现有的结构相比，油耗和漏气都可以大大减少。因此，也应当注意的是，利用根据本发明的活塞环，创建了一种内燃机或压缩机活塞环，在设计和制造两方面，对于漏气和油耗可以实现优良的结果，同时确保充分的润滑条件。

本发明的本义在于，为了降低油耗在周向方向输送油。该目的是这样实现的，在圆周方向上，支点或顶点在轴向高度上变化，但是没有凹部或孔洞或槽存在于工作面上，如在现有技术中。工作面仍然是几乎不变的，除了顶点。如果从侧面观察活塞环，可以看出可见的蛇形或正弦线轮廓。

参考符号：

1：活塞环

3：活塞环的工作面(背对燃烧室的外侧面)和外圆周面

5：面向燃烧室的侧面

6：面向油室的侧面

7：内圆周面

11：顶线

B1：顶线的顶点

30：相对工作面，例如汽缸套

31：燃烧室

32：油室

Claims (8)

1.一种活塞环，具有一外工作面(3)、两个侧面(5,6)和一内圆周面(7)，所述外工作面(3)具有轮廓，所述外工作面(3)的轮廓大致凸出地弯曲并具有顶点(B1)，其特征在于，所述顶点(B1)的轴向位置在圆周方向上变化。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述顶点的轴向位置的变化是周期性的。

3.根据权利要求2所述的活塞环，其特征在于，周期性变化的轴向位置的周期数目是整数。

4.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述顶点(B1)的轴向位置的轨迹关于与活塞环(1)的中平面相同或平行的平面大致对称。

5.根据权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述顶点(B1)的轴向位置的轨迹关于与活塞环(1)的中平面相同或平行的平面不对称。

6.根据权利要求1至4任一项所述的活塞环，其特征在于，所述顶点(B1)的轴向位置具有为所述活塞环(1)的轴向尺寸的50％至60％的总变化量。

7.根据权利要求1至5任一项所述的活塞环，其特征在于，所述顶点(B1)的轴向位置的轨迹的周期数目位于4和36之间的范围,且包括4和36。

8.一种包括至少两个活塞环的系统，其特征在于，两个活塞环的每一个为根据权利要求1至6任一项所述的活塞环，所述至少两个活塞环的顶点的周期性变化的轴向位置的轨迹相位偏移180°。