CN1250505A - 柴油式两冲程滑块发动机的活塞 - Google Patents

Abstract

柴油式两冲程滑块发动机的活塞,活塞有一组用于活塞环的活塞环槽,活塞环在活塞轴向的高度小于活塞环槽的高度,活塞在至少一些活塞环处有减压通道,在活塞环上方和下方的活塞外表面和相关的气缸衬套内表面之间的环形空间之间形成气流连通,该减压通道至少部分形成在活塞中,用于从活塞环上方环形空间到下方环形空间流动的热气的减压通道的出口的位置和定向,使在经过出口的延伸部,通道的轴线避免冲击活塞环,这些减压通道的整个截面面积A_tot在D²/68000－D²/10000的范围中。

Description

柴油式两冲程滑块发动机的活塞

本发明涉及一种柴油式两冲程滑块发动机的活塞，其有用于活塞环的活塞环槽，活塞环在活塞轴向的高度比与其相关的活塞环槽的高度要小，活塞的至少一些活塞环的部分有减压通道，在活塞环上方和下方的环形空间之间和活塞外表面和与之相关的气缸衬套之间形成气流连接，该减压通道至少部分形成在活塞中。

GB-A了2104621和日本专利公开号2-48737中描述了一种有用于活塞环的活塞环槽的活塞，其中，在活塞材料中在活塞环槽之间形成有气流通道，其为直线的孔的形式，其从活塞环槽最内的活塞环的后面开始，并朝斜下方向外延伸，使孔在下面的活塞环槽的上表面中部附近露出。这意味着在下面的活塞环槽中的活塞环会受到来自泄漏气体的不利的热影响，于是，就有损坏活塞环材料和降低活塞环应力的危险，而这种活塞环应力能使活塞环外表面与衬套内表面保持接触。

DE-A19514918公开了一种用于四冲程筒状活塞发动机的活塞。其目的是解决下述问题：当活塞环靠在活塞环槽上表面时，来自曲轴箱的润滑油集中在活塞环槽中，在随后的活塞环的位置改变而与活塞环槽下表面接触时，润滑油又从活塞环槽进入燃烧室。活塞环槽通过一连接通道连接，连接通道有一轴向部分和两个径向部分。根据该专利，在吸气行程时，连接通道使活塞环从与活塞环槽上表面接触到与下表面接触的移动更早，这就阻断了润滑油流入活塞环槽，从而改进了阻止润滑油流入燃烧室的密封作用。在一滑块发动机中，润滑油传送的问题不是相关的，另外，两冲程发动机没有吸气行程。另外，连接通道的轴向部分难于制造。

已知活塞环的各种例子，其形成有凹部，使泄漏气体通过活塞环，以减小穿过活塞环的压力降，从而减少活塞环的磨损。例如，WO94/12815中描述了作为形成在活塞环与汽缸壁接触表面的槽的泄漏路径，即，这路径从活塞环上表面延伸到其下表面。

本发明的目的是提供一种活塞，其允许有限量的泄漏气体有控制地流动，经过至少一个活塞环，以减少活塞环的磨损，并且同时保护活塞环不受过度的影响。

本发明提供了一种用于柴油式两冲程滑块发动机的活塞，活塞有一组用于活塞环的活塞环槽，活塞环在活塞轴向的高度小于与活塞环相关的活塞环槽的高度，活塞在至少一些活塞环处有减压通道，在活塞环上方和下方的活塞外表面和相关的气缸衬套内表面之间的环形空间之间形成气流连通，该减压通道至少部分形成在活塞中，其特征在于：用于从活塞环上方环形空间到下方环形空间流动的热气的减压通道的出口的位置和定向，使在经过出口的延伸部，通道的轴线避免冲击活塞环，这些减压通道的整个截面面积A_tot在D²/68000-D²/10000的范围中，D是以mm表示的气缸直径，A_tot是以mm²表示的面积。

当热的泄漏气体从减压通道中流出时，其是集中的热气流的形式，其形成一非常集中的点加热其冲击的材料，因为在加热的点，不能保持任何有效厚度的热保持边界层。根据本发明的设计能使高负载的活塞环避免流出气体的点加热，使活塞环能完成其基本功能，防止燃烧室中的高压穿透到活塞下面。这特别是现代有很高气缸输出的两冲程滑块发动机的一个优点。

考虑到适当减少燃料消耗和延长气缸部件寿命的相反要求，活塞环的磨损被控制在一限度内，这对滑块发动机的操作是基本的。如果面积小于D²/68000，穿过活塞环的压力差将不利地过高，而导致活塞环的严重磨损。D²/10000的面积上限指示了活塞环磨损显著减少和燃烧条件不严重恶化和特定的燃料消耗之间的一适当的折衷。所述的范围提供了一与发动机好的操作条件相结合作为一整体的有利的长的活塞环寿命。面积上限也防止排气阀打开后，活塞环在槽中不向上移动，活塞环下面的压力很快逸出。

与已知的在侧面有泄漏路径的活塞环相比，本发明的活塞可以使用无全部或部分机械加工进入活塞环外表面的泄漏路径而减弱的活塞环。这是一个显著的优点，因为活塞环的应力水平在其外表面是高的，并且甚至有凹部的小的区域也可以引起在外表面的材料中引起不利的应力集中。

在一个实施例中，减压通道的开口位于活塞环背面径向内侧，减压通道在与活塞轴向平行延伸。这些减压通道能从活塞下表面排列地钻孔，在与所有活塞环槽相交的单一的钻孔操作中，所有通道向上延伸到顶部活塞环槽。如果希望不使用一组钻孔部分，其可以被阻塞。因为钻孔通道位于活塞环后面的活塞环槽的底部，能防止泄漏气体的气流直接冲击活塞环。这一实施例提供了活塞的有利的简单的制造。

在另一实施例中，减压通道的孔位于活塞的外表面，从而，泄漏气体的气流冲击气缸衬套内表面。因为活塞在衬套上运动，在所有时间里，气流都作用在新的区域，这就减轻了过热。与活塞环不同，衬套通过冷却剂冷却，其带出了由泄漏气体传递的热量。

如果希望使活塞环槽和活塞环完全脱离泄漏通道，各减压通道可以包括至少两个通道段，其从活塞外圆周面向内延伸，并在活塞内相互流动连接，最好是通过有直线汇交路径和在一交叉点交汇的通道段。

让减压通道的至少一部分从活塞环槽凹部与活塞环槽上或下表面大致平行地延伸，并在活塞外周面上开孔，这使通道容易制造，因为在制造时，工具可以在活塞径向钻进。

在一最佳实施例中，减压通道在一可取下地装在活塞环槽凹部的活塞部分中延伸。它们可以是在各活塞环槽中的可取下的活塞部分。活塞部分可以由装在活塞环槽的座内的一组部件构成，而形成一整体的活塞部分。分离的活塞部分大大小于整个活塞，所以在减压通道的制造中容易处理。另外，活塞部分能独立于活塞的其他部分进行更换，这是有利的，因为围绕减压通道的材料易于被腐蚀。

最好，活塞环槽的下表面有例如铬材料的涂层，其比活塞的基体材料要硬，减压通道是在活塞环槽下表面向上开口的通道，减压通道在活塞轴向的高度大于硬质材料的厚度。来自向上开口的通道的泄漏气体的压力以一向上的力影响活塞环的下表面，当活塞处于工作行程结束时，该力用于使活塞环从活塞环槽下表面迅速抬升。这一抬升和相伴随的活塞环在活塞环槽中向上和向下的移动能基本使活塞环槽不会产生积炭。通道比硬质材料厚度更深还有一优点，因为其比下面的基体材料对热更敏感。当允许通道全部经过硬质材料时，仅有一很小的硬质材料部分暴露于泄漏气体的热影响。

可以使减压通道包括几个从活塞环上表面穿过活塞环延伸到其下表面的通道部分，在活塞环下表面的通道部分开口进入至少一个形成于活塞环槽下表面上的向上开口的环形通道部分，并且其通过径向向外延伸的通道部分与活塞环下面的环形空间相通。在这一实施例中，热气的主要部分避免经过活塞环后面的活塞环槽中的腔，在离活塞环前和后表面一适当距离向下穿过活塞环到向上开口的通道部分，从该处气流在活塞环下向外流动。环形的向上开口的通道部分在活塞环下表面分配气体的力的作用，使能有利地均匀地作用于活塞环。

对于各活塞环，可以适当地有4个，最好7-16个有效的减压通道，其基本沿活塞圆周均匀地分布。通道的数量越多，热负载分布在减压通道周围材料上就更均匀。除了热分布，当最适当的通道数量被确定时，也可以考虑其他情况，如积炭沉积在活塞环槽中的危险。泄漏气体将通过在活塞上的几个活塞环流出。并且如果减压通道在不同的活塞环槽之间的圆周方向相互移动气体必须在活塞圆周方向流动，从活塞环槽上的泄漏路径到下面活塞环槽的泄漏路径。气体可以与油的燃烧中吸取其残余物，可以成为积炭的残余物质的沉积的危险更大，气流路径更长。考虑到在活塞后面在环形空间防止积炭沉积，活塞环下表面上最好有8-16个泄漏通道。

下面通过实施例并参照附图对本发明进行描述。

图1是有用于活塞环的活塞环槽的活塞的侧视图；

图2a和2b是活塞中活塞环槽的减压通道第一实施例的纵向剖视图和横向剖视图；

图3a和3b是减压通道第二实施例的分别通过活塞环槽的侧视图和垂直剖视图；

图4a是第三实施例的剖视图；

图4b和4c是第三实施例两个变型的侧视图；

图5a和5b是减压通道第四实施例的活塞环槽的剖视图和侧视图，其中，图5b是一放大图；

图6a是第五实施例的剖视图；

图6b，6c，6d和6e是第五实施例不同变型的侧视图；

图7a和7b分别是减压通道第六实施例的活塞环槽的剖视图和侧视图。

图1显示了一用于大型柴油式两行程滑块发动机的活塞1。通过一活塞杆和一滑块，以及一连杆(未示)，活塞连接于曲轴。根据发动机的尺寸，活塞直径例如可以在240-1000mm的范围之间。活塞有若干轴向间隔的活塞环槽2-4，活塞环可以安装在活塞环槽中。典型地，在活塞上安装有4个活塞环，但是当然也可以使用其他数目的活塞环，例如2-8个活塞环。

在下面的描述中，在不同的实施例中，对于相同种类的部件使用相同的标号。

图1所示的活塞有一较长的活塞部分，一所谓的高顶部环槽脊5，其位于顶部活塞环的活塞环槽的上方。因为热的燃烧气体到达活塞环之前，必须首先经过气缸内表面和高顶部环槽脊之间的环形间隙，所以其对顶部活塞环提供了一定程度的保护。高顶部环槽脊5例如可以有一轴向延伸部，使顶部活塞环在活塞最高点下面的定位大于五倍最好是大于十倍活塞环的高度。活塞也可以如图2所示的成形，其中，用于顶部活塞环的活塞环槽2靠近活塞的最高点。

许多减压通道6位于活塞环槽2的底部，并使活塞环槽2与下面的活塞环槽3相连。相应地，活塞环槽3与其下面的活塞环槽相连，并向下直到底部的活塞环槽4。减压通道6可以通过在活塞环槽底部通道的半径位置与活塞中心轴线7平行地钻孔形成，从而，在活塞环(未示)背面内侧径向地形成通道，使流出的泄漏气体不会直接地冲击活塞环。位于底部活塞环槽4下面的孔部10被一栓塞堵住，通过焊接或其他任何方式充填和封闭，防止气体通过孔部10向下流到活塞之下。如果希望气体在向下流到下面的活塞环槽之前能沿活塞环槽的圆周方向流动，可以钻出多于减压通道数量的孔，并且在一个活塞环槽中堵住一些孔，并在另一活塞环槽中堵住另一些孔。

在第二实施例中，各减压通道11被制造为两段通道部分12，13，其位置完全离开安装了活塞环14的相关的活塞环槽(2或3)。活塞环14中的应力使其外环表面15与气缸壁内表面16或气缸衬套17接触。通道段12在活塞环槽上方的区域从气缸圆周外表面18向活塞内的斜下方钻孔，并且通道段13在活塞环槽下方的区域从外表面18向活塞内的斜上方钻孔，使通道段12，13有相汇合的通路，并在一相交的汇合点19相互汇合，汇合点19可以适当地位于活塞环槽的径向内侧。

本实施例可以变型，使每个通道包括几个通道段。例如，活塞1可以形成一位于活塞环槽内侧的内部环形腔，环形腔可以构成一在各通道中的区段，使各通道段能从活塞外表面简单地钻孔进入内环形腔。首先，这意味着能以较低的精度进行钻孔，因为通道段不需要在交汇点汇合，第二，泄漏气体可以通过环形腔在几个通道之间进行分配。如果不希望进行这种分配，内部的腔可以在各减压通道之间隔开。

在活塞上方的燃烧室进行燃烧时，热的泄漏气体流入活塞环上方的通道段12，并从活塞环下方的通道段13的开口20流出。

图4a中显示了第三实施例，其有第二活塞环槽3，减压通道21从活塞环背面22后面的环形空间3’的底部向斜下方延伸到活塞外表面18，位于活塞环14的下方。在工作冲程时，活塞环14被向下压，与活塞环槽的下表面23形成密封接触。因为活塞环的高度小于活塞环槽的高度，所以，在活塞环上表面和活塞环槽上表面24之间有一相当的间隙，并且这个间隙使活塞环后面的环形空间3’与活塞环上面活塞外表面处的环形空间25基本上处于相同的压力下。

热的泄漏气体从环形空间3’通过通道21并从开口20处流出，在该处，气流通过活塞环下面的环形空间26，并冲击气缸衬套的内表面16，并且同时，由于泄漏气体的流入，在环形空间26中形成压力。出口20位于活塞外表面，所以能相对于内表面16连续地移动，使后者不会受到热损伤。显然，环形空间3’被提供对应于泄漏气体流出量的热气，但这一提供是通过活塞环上表面和活塞环槽上表面24之间的间隙进行的，该流通面积比通道21的截面面积大许多倍，所以，其气流较慢和较平缓。

通道21可以有不同的截面形状，例如，可以是如图4b所示的简单的圆形截面，或如图4c所示的一细长的截面。细长的截面使每个通道有一更大的面积，对于特定的整个泄漏面积来说，这使每个活塞环槽有较少的通道。也可以在同一活塞环槽中采用有多种不同截面形状的通道。

在第四实施例中，减压通道30从活塞环后面的环形空间3’的底部与活塞环槽下表面23平行地，并径向向外地延伸到外表面18的开口20。活塞环槽的下和上表面有一硬质材料，例如铬的涂层31。减压通道30是一向上敞开的通道，其通道深度d大于涂层31的厚度t。这就提供了一优点：热的泄漏气体仅会对涂层有较小程度的影响。当然，通道30也可以有不同的截面面积，如上面参照通道21所述的。

在第五实施例中，减压通道32有一分离的活塞部分33，其构成了用于活塞环14的活塞环槽的下边界。该活塞部分有一与活塞环槽底部的一凹部相啮合的突缘部分34，从而使该活塞部分紧固到活塞的其余部分上。该活塞部分可以由铸钢制造，使其能比普通铸铁的活塞材料，长期承受更高温度——通常至少为450℃的影响，而铸铁对温度是更为敏感的。另外，在一可分离和更换的活塞部分33中形成减压通道有一基本的优点，对于要安装活塞的发动机，根据实际动力输出选择，可以在同一活塞基体上安装不同的所述活塞部分。例如，活塞环槽中最合适的泄漏面积根据特定发动机的最大压力，并通过活塞部分的适当选择，活塞基体能适应发动机的实际操作参数。

对于上面描述的各个实施例有一共同的特性，与单个活塞环相关的减压通道的整个截面面积A_tot是在D²/68000-D²/10000的范围中，并最好是在D²/30000-D²/20000的范围中。对于典型的两冲程滑块发动机来说，活塞直径D是大约600mm，并且A_tot是在5.29-36mm²的范围中，最好是在12-18mm²的范围中。对于活塞直径D为大约1000mm的特大型发动机来说，面积A_tot是在14.7-100mm²的范围中，最好是在33.3-50mm²的范围中。

如图6b和6c所示，减压通道32可以有不同的截面形状和尺寸，图6d显示了通道在活塞部分33顶部的位置，对应于图5b所示的实施例。另外，如图6e所示，通道32可以位于活塞部分33的下表面上，但其不是最佳的实施例。

在图7a，b所示的第六实施例中，减压通道包括一通道部分35，其穿过活塞环14，最好从环形空间25向斜下方向环形通道部分36延伸，通道部分36作为一向上敞开的凹部形成在活塞环槽的上表面23上。泄漏气体从通道部分36经径向延伸的通道部分37流动到出口20，在该处，气体冲击衬套的内表面16，速度减慢，并使环形空间26中的压力增加。

本发明可以有许多变型，都在本发明精神范围之中。

Claims (10)

1.用于柴油式两冲程滑块发动机的活塞(1)，活塞有一组用于活塞环的活塞环槽(2-4)，活塞环在活塞轴向的高度小于与活塞环相关的活塞环槽的高度，活塞在至少一些活塞环处有减压通道，在活塞环上方和下方的活塞外表面(18)和相关的气缸衬套内表面(16)之间的环形空间之间形成气流连通，该减压通道至少部分形成在活塞中，其特征在于：用于从活塞环(14)上方环形空间(25)到下方环形空间(26)流动的热气的减压通道(6，11，21，30，32，35-37)的出口(20)的位置和定向，使在经过出口(20)的延伸部，通道的轴线避免冲击活塞环(14)，这些减压通道的整个截面面积A_tot在D²/68000-D²/10000的范围中，D是以mm表示的气缸直径，A_tot是以mm²表示的面积。

2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于：减压通道(6)的开口(20)位于活塞环(14)背面径向内侧，并且减压通道(6)与活塞轴向平行延伸。

3.如权利要求1所述的活塞，其特征在于：减压通道(11，21，30，32，37)的开口(20)位于活塞圆周面(18)上。

4.如权利要求3所述的活塞，其特征在于：各减压通道(11)包括至少两个通道段(12，13)，其从活塞的圆柱形外表面(18)向内延伸，并在活塞(1)内相互可流通地连接，最好是有直线交汇路径并在一交汇点(19)汇合的的通道段。

5.如权利要求1所述的活塞，其特征在于：减压通道(30，32，36-37)的至少一部分从活塞环槽的一凹部与活塞环槽上或下表面(23)大致平行地延伸，并开孔于活塞圆周面上。

6.如权利要求5所述的活塞，其特征在于：减压通道(32)在一活塞部分(33)中延伸，该活塞部分(33)可取下地插入活塞环槽(2，3)上的一凹部中。

7.如权利要求5所述的活塞，其特征在于：活塞环槽的下表面(23)具有一比活塞(1)基体材料更硬的例如铬材料的涂层(31)，减压通道是在活塞环槽下表面的向上敞开的通道(30，37)，并且，减压通道在活塞轴向的高度大于硬质材料涂层的厚度。

8.如权利要求1-7中任一所述的活塞，其特征在于：减压通道包括穿过活塞环(14)从其上表面延伸到其下表面的通道部分(35)，在活塞环中的通道部分开孔进入至少一个向上敞开的环形通道部分(36)，该通道部分(36)形成于活塞环槽下表面，并通过径向向外延伸的通道部分(37)与活塞环下面的环形空间(26)连通。

9.如权利要求1-8中任一所述的活塞，其特征在于：对于单个活塞环(14)，至少有4个，最好7-16个有效的减压通道(6，11，21，30，32，35-37)，它们沿活塞的圆周大致均匀地分布。

10.如权利要求1-9中任一所述的活塞，其特征在于：所述减压通道的全部截面面积A_tot是在D²/30000-D²/20000的范围中。

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