专利名称：内燃机活塞用的活塞环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机活塞用的活塞环，特别是二冲程、单向吹气、带滑块的内燃机上用的，其中活塞在其周边表面上设数个沿轴向分隔开的环形槽，每一个槽都有一个上槽面，一个下槽面和一个槽底，活塞环就被嵌在环形槽内以使在活塞进行压缩和燃烧冲程时将上活塞环以上的工作室向下密封起来，活塞环的轴向高度小于其所在环形槽的上、下槽面之间的轴向距离，因此活塞环能在环形槽内沿轴向移动，活塞环具有一个基本上为气密的环接缝使它装在环形槽内时环直径可稍扩大，并有数个泄漏通路分布在环的周边上。
这样一种活塞环可从wo94/12815获知，其中泄漏通路为在环与气缸壁接触时在环的接触表面上所开的槽，即从环的上表面延伸到下表面的槽。
活塞环并被公知在环接缝上有一径向切口，其中越过环的压力降可由被称为环间隙的倾斜延伸的径向切口的宽度控制。在现代的二冲程带滑块的内燃机中，燃烧压力很高，使气体高速向下流动通过环间隙，因此使下面的活塞环和气缸衬里的内表面受到强烈的局部加热。当活塞环在环形槽内旋转时，在下面的活塞环可能会在多处受到局部过热的冲击，使它丧失初始的抗力，以致不再能与衬里的内表面维持所需的密封接触。在这样一个第二环形垮掉后，通过顶环环间隙的气流量便会增加，因为从顶环下面往下到第二环的空腔内的压力都已增加，使顶环在上、下两侧只有较小的压力差。这样便会增加在顶环上环间隙周围区域内的热负荷以致有发生崩溃的危险。
在wo94/12815中提出的活塞项环采用受控制的气体泄漏使它分布在数个小泄漏槽内来解决这个问题。但这些泄漏槽也有不利点，特别是对于承受重载荷的活塞环就受热和受力两方面而言，一方面是因为泄漏槽周围的材料会变得非常热，另一方面是因为该槽会在环内引起应力集中，而该环要承受重载荷。
美国专利1988727号曾说明过一种气密活塞环，该环在高度方向上完全填满所在环形槽。由于在每一个发动机的周期内，活塞环不能沿轴向相对于环形槽而移动，这种活塞环不适合用在现代高输出的内燃机内，在该内燃机内为了防止活塞环的焦化和锁紧，活塞环须能在环形槽内升降。这个美国专利的活塞环在所有的环表面上制有大量的凹穴和缺口以防止环被锁紧。在抵压在下槽面上的下环表面内，大部分接触面积已被去除，并且有两个在径向上互相面对的、横载面为方形的泄漏孔。这种活塞环的制造是非常复杂的。
美国专利1365348号曾说明过另一种活塞环，该环在高度方向上也是把所在的环形槽完全填满的。为了防止气和油积聚在环形槽内环的后面，该环制有平面的上、下表面以使密封得更为严密地抵压在环形槽的上、下表面上，并在其下表面上设有沿径向延伸的通路以便导走积聚在环后的任何小量的气和油。这样可防止压力在环后积聚。
如上已经提过，在现代的发动机内主要的一点是，活塞环须能沿轴向在环形槽内移动，使在每一个发动机周期内活塞环都能在环形槽内升降。在进行燃烧或工作冲程时，燃烧室内的压力很高，该环便抵压在下槽面上。这样在活塞环后面的环形空间便向气缸衬里敞开，因此不需采用从所说美国专利获知的沿径向延伸的通路来防止在活塞环后面的压力积聚。
德国专利39 24 982号曾讲过一种活塞环，该环在环接缝设有环间隙，并在上环面上设有沿径向延伸的槽。据说这种活塞环的设计对重载的活塞环来说并不有利，这是因为在槽的周围会发生应力集中，因此该槽最好在环形的上槽面上形成。使气体流动通过环间隙来减少越过活塞环的压力差。当活塞环在环形槽内被提升而使下环面与下槽面的密封接触失效时，沿径向延伸的槽用来使越过活塞环的压力差迅速消失。
日本专利公报2-48737号曾说明过一种具有平面的上、下表面的活塞环和一个具有数个环形槽的活塞，同时在这些环形槽之间制有与活塞相同的材料的气体流动通道以便控制越过活塞环的压力差。这些通道很难制造。据说这些环在定尺寸时已留出泄漏量以便在越过所有的环时提供均匀的压力降。这意味着或者所用的泄漏量小到如此的程度以致越过每一环的压力差都稍微减小，从而不能得到显著减少磨损的效果，或者泄漏气体的体积流很大，这是为了要在底下几个活塞环之间建立起压力，但这样做会增加发动机的单位燃料耗量，因为在燃烧室内的气体有相当大的一部分跑掉了。
本发明的目的是要提供一种活塞环，它对于发动机、对于其本身、和对于气缸衬里都具有改进的操作性能。
针对这个目的，按照本发明的活塞环的特征在于，泄漏通路是在要与下槽面接触的下环面上制出，并且形状为一狭缝，其缝宽面向环的周边方向而且至少比轴向上的狭缝高度大出好多倍。
将泄漏通路设在下环面上有几个好处。首先，泄漏气体不会直接冲击在下面活塞环的顶部上，并且在环的外周边上材料内的应力集中也可显著变小，该外周边处由于拉应力受到重载荷容易发生疲劳破损。沿径向外流的泄漏气体冲击到气缸衬里的内表面上，但由于活塞环相对于这个内表面的运动远比相对于在其下面的活塞环的运动大，因此材料遭受损伤的危险显然要比上面提到的在活塞顶环上设置沿轴向延伸的泄漏通路的情况小。还有一个好处是泄漏面积可不受环在外周边表面上磨损的影响。
泄漏通路的狭缝形状对达到良好的操作性能来说是至关重要的.在流动通过缝状通路时，气流被摩擦力制动，这个摩擦力是在粘性气流分别与在环上的宽而比较靠近设置的壁表面和环形槽的下槽面之间发生的，其中气体将一个数量被控制的能量发放给通路周围的材料，将它们加热。气体的温度通常在800-1800℃的区间内，狭缝的形状能适当地降低气体在通路内的最高流速，但即使在泄漏气体的体积在一般大的情况下，也要使通路壁的温度接近或高于500℃。在这个高温下，燃烧残余物就不能沉积在通路上并结焦。这个高温并不需要在材料内持续一段时间，只在有一次短暂地将温度提高到约500℃，任何固定在通路上的焦炭都会被松解。
狭缝的高度最好小于1mm，因为较大的高度会使泄漏通路的横载面面积过大。当狭缝高度在0.35和0.55mm的区间内时，气体能够得到特别有利的流动和温度条件，因为靠近设置的宽的通路壁也能在通路的中段从气流中接受能量并使其流速降低。同时在通路的整个宽度上能够达到基本上均匀的流动条件。由于小的狭缝高度有利，因此在必要采用多个通路来获得泄漏通路所需的横载面面积，这样在每一个发动机周期中传送到环上的总热量便可得到较均匀的分布。
在一较优的实施例中，环高至少要比缝高大出八倍，这样就能使环在泄漏通路上方得到一个较大的材料厚度，使环材料能将从气体中接受的能量分布在一较大的面积上。这样便可保证使环的上表面上的温度适当地低于泄漏通路的表面上的高温。
在环形槽上面的环材料内的温度也能加以限制，只要使狭缝的宽度不大于狭缝最大高度的20倍即可，因为部分热量将沿周边方向分散到环形槽附近的材料内。
在直径上与环接缝相对的环区域内最好不要有泄漏通路，因为机械应力在这个区域内最大，如果能使这个区域内不再有泄漏通路，那么由于应力集中和热负荷另外会增加的载荷就可避免。
当环上具有至少四个泄漏通路时，环上的热负荷便可得到一定的分布。但更合适的热分布是在活塞环在下环面上具有至少六个泄漏通路时得到的。当要确定最合适的通路数时，除了热分布以外，其他情况也要考虑，例如在环背与槽底之间的环形空间内是否会有焦炭沉积的危险。泄漏气体将向下流动通过活塞上的数个活塞环，为此它需要在活塞的周边方向上流动以便从一个活塞环的泄通路流动到在其下面的活塞环上的泄漏通路。气体可吸引并挟带燃烧中产生的油渣和残余物，气体需要流动的路程越长，沉积可结焦的残余物的危险就越大，为了抑制焦炭沉积在活塞环后的环形的空间内，活塞环最好在其下环面上设有八到十六个泄漏通路。如果每一次气体都是流动到下一活塞环上最为靠近的泄漏通路内，那么在两个活塞环之间气体在周边方向上最长的流动路程大约相当于活塞环周边长度除以泄漏通路数。由此可见，采用较多数目的泄漏通路可以减少流动路程，但同时也会增加制造费用，因为要将较多的泄漏通路引入到活塞环中。
泄漏通路最好均匀地分布在环的周边上除了与环接缝相对的区域以外的其余部分上，以便得到均匀的操作条件。
泄漏通路的总横截面面积Atot可合适地设在D2/68000到D2/5000的区间内，其中D为气缸的直径以mm计，并且Atot为面积以mm2计。如果面积小于D2/68000，那么为了在相当大的程度上减少活塞环的磨损而要减少的越过活塞环的压力差就会减少得不够。面积的上限D2/5000为一个合适的折中数值，一方面可显著减少活塞环的磨损，另一方面又不太使燃烧条件和单位燃耗变坏。采用上述区间，可有利地使活塞环具有长的寿命，同时就整个发动机来说可得到良好的操作条件。选用的面积可大于所指出的上限，但务必不要选用得过大，以致在排气阀开启后，在活塞环下面的压力会立即迅速跑掉，使在环形槽内的活塞不再能被提升。
对于特别重载的活塞环，可对泄漏通路作适当的设计来减少泄漏通路周围的应力集中。在一相对于应力十分好的实施例中，泄漏通路的上表面至少可由三个圆弧段构成，其中在外面的两个圆弧段的中心位于下环面的上方，而中间圆弧段的中心位于下环面的下方。
下面结合十分概略的附图，对本发明实施例的一例作更详细的说明。
图1为通过按照本发明的活塞环的部分剖面图，该活塞环被布置在活塞的环形槽内，图2为活塞环在环接缝周围区的放大的透视图，图3为按照本发明的活塞环的平面顶视图，图4为图3中的活塞环在泄漏通路周围区域的部分的放大图，图5为图4中的活塞环部分的侧视图，图6为嵌入在环形槽内的活塞环的放大的剖面图，图7为通过一个泄漏通路的剖面图，该通路具有对应力有利的形状。
图1示出一个装在气缸衬里内的活塞1。活塞具有数个在轴向上分隔开的环形槽3，其中每一个槽，如图6所示，具有一个上槽面4、一个下槽面5和一个槽底6。活塞环7被嵌入在环形槽内以便阻止在活塞上方工作室8内的气体压力散布到活塞之下，活塞环具有一个基本上气密的环接缝9，使它装在环形槽3内时能扩张环直径，并在环日渐磨损时使环在接缝处的两端可互相拉离。
环接缝9设计的一例如图2所示，通过接缝的气流大部分被阻住。环形槽的外缘用点划线10示出。环的外表面11与气缸衬里2的内表面对接。在环的接缝处，环的一端有一伸出部跑到环的另一端上相应的凹进部13内。在径向上，伸出部12比环7窄，而在环的内表面上，凹进部13是由一个沿轴向延伸而与伸出部的内表面对接的壁形成的。伸出部12的高度也比环高小，而凹进部13是由一个沿径向伸出而与伸出部的上表面对接的壁向上形成的。当伸出部12的横载面填充凹进部13的横载面时，可使环接缝基本上气密地封闭。公知环接缝还可按其他气密方式设计。
活塞环7在其下表面15上具有数个泄漏通路14。在图3所示的例子中，活塞环具有十个泄漏通路14，它们被均匀地分布在环的周围，并对称地分布在一条延伸通过环接缝的直径16的两侧，这样在这条直径上最受重载的环区域17就可位于两个泄漏通路之间。如果活塞环交替制有奇数个泄漏通路，那么必需使在区域17内的两个泄漏之间的距离大于其他两个泄漏通路之间的距离。
如从图4可清楚地看到，泄漏通路14的纵轴线与环的径向成一α角，因此外流的泄漏气体将以一个在周边方向上的力作用在活塞环上，该力使环在环形槽内旋转。角度α，例如可在20°至70°的区间内，在所示的例子中为30°。
图5示出从外面观看活塞环的情况，泄漏通路14的向外端完全画出，而内向端则用虚线示出。活塞环的高为6.5mm，而泄漏通路的高h＝0.5mm，宽为5mm。在横载面上，泄漏通路的底18基本上为直线，而泄漏通路的每一侧都是S形，由两个圆弧段构成，其中在最外边的一个的半径R为2mm，其中心在下环面15之上并与下环面相切，而在最内边的一个的半径为2mm，其中心在下环面15之下，该圆弧段的一侧与泄漏通路的底18相切，而在另一侧则与最外边的圆弧段相切。当然也可将泄漏通路的横截面制成长方形，但这样会在通路角部造成较大的应力集中。在图7所示的可替代的实施例中，泄漏通路的底部18也有一个圆弧形的横截面，圆弧的曲率半径较大，圆心位于下环面15之下。
在图6所示的横截面中，活塞环的下表面15与下槽面5对接，并且可以看到泄漏通路14是在两个环形空间19和21之间开出一条气体流动通路，其中的一个环形空间19是在活塞环的内表面20和槽底6之间，另一个环形空间21是在气缸衬里2和活塞1的外表面之间。由于活塞环的上表面22是在上槽面4之下某些距离，因此气体可从活塞环上方的在气缸衬里2的内表面和活塞外表面之间的环形空间，流动通过活塞环上方的空间、环形空间19、泄漏通路14，进入到环形空间21，以便使后者的压力增加，从而减少越过活塞环的压力差。
在活塞环内的泄漏区可从一个环变化到另一个环，至于底活塞环当然是不应该有泄漏区的，因为它要构成底密封以便与活塞下方的空间隔开。
当将活塞环安排在环形槽3内而将活塞1插入到气缸衬里2内时，活塞环的直径将比不受应力时小，在环内靠近外表面11的材料将受到拉应力，而靠近内表面20的材料将受到压应力。环内的应力因此使环的外表面11与气缸衬里的内表面保持接触。
按照本发明的活塞环可应用于二冲程的和四冲程的内燃机，但它特别适用于大的二冲程带滑块而且能单向吹气的内燃机，即在气缸衬里下段设有吹气口而在气缸盖内设有排气阀。这种内燃机，例如气缸直径可在250到1000mm的区间内，冲程长度可在900到2400mm的区间内，能在很高的平均压力下操作，压力的区间可从10到19巴，这样就会在活塞环上造成很大的载荷。对这样的内燃机，按照本发明的活塞环能在承受高载荷的条件下使活塞环和气缸衬里达到长的使用寿命。
权利要求
1.一种内燃机活塞(1)用的活塞环(7)，特别是二冲程、单向吹气、带滑块的内燃机，其中活塞在其周边表面上设有数个沿轴向分隔开的环形槽(3)，每一个槽都有一个上槽面(4)、一个下槽面(5)和一个槽底(6)，活塞环就被嵌在环形槽内以便在活塞进行压缩和燃烧冲程时将上活塞环以上的工作室(8)向下密封起来，活塞环(7)的轴向高度小于其所在环形槽内上、下槽面之间的轴向距离，使活塞环能在环形槽内沿轴向移动，活塞环具有一个基本上为气密的环接缝(9)使它装在环形槽内时环直径扩大，并有数个泄漏通路分布在环的周边上，其特征在于，泄漏通路(14)是在要与下槽面(5)接触的下环面(15)上制出，并且形状为一狭缝，其缝宽面向环的周边方向而且至少比轴向上的狭缝高度(h)大出好多倍。
2.按照权利要求1的活塞环，其特征在于缝高(h)小于1mm，最好在0.35到0.55mm的区间内。
3.按照权利要求2的活塞环，其特征在于，环高至少要比缝高(h)大出八倍。
4.按照权利要求1到3中任一项的活塞环，其特征在于，狭缝的宽度不大于狭缝最大高度(h)的20倍。
5.按照权利要求1到4中任一项的活塞环，其特征在于，在直径上与环接缝相对的环区域(17)内不要有泄漏通路(14)。
6.按照权利要求1到5中任一项的活塞环，其特征在于，下环面(15)设有至少四个、最好六个并可适宜地从八个到十六个泄漏通路(14)。
7.按照权利要求6的活塞环，其特征在于，泄漏通路(14)被均匀地分布在环(7)的周边上。
8.按照权利要求1到7中任一项的活塞环，其特征在于，泄漏通路(14)的总横截面面积Atot设在D2/68000到D2/5000的区间内，其中D为气缸的直径以mm计，并且Atot为面积以mm2计。
9.按照权利要求1到8中任一项的活塞环，泄漏通路(14)的上表面至少由三个圆弧段构成，其中在外面的两个圆弧段的中心位于下环面(15)的上方，而中间圆弧段的中心位于下环面(15)的下方。
全文摘要
内燃机活塞用的活塞环(7)被嵌入到活塞周边表面上所设的数个沿轴向分隔开的环形槽(3)内。每一环形槽都有一个上、下槽面(4、5)和一个槽底(6)。活塞环在活塞进行压缩和燃烧冲程时将上活塞环以上的工作室(8)向下密封起来。活塞环(7) 的轴向高度小于其所在环形槽内上、下槽面之间的轴向距离。活塞环具有一个基本上为气密的环接缝(9)使它装在环形槽内时直径扩大。在活塞环的下表面(15)上设有数个分布在环周边上的泄漏通路(14),所说泄漏通路为狭缝形,其缝宽面向环的周边方向而且至少比轴向上的缝高(h)大出好多倍。当活塞环的下表面(15)与下槽面(5)对接时,泄漏气体可流动通过泄漏通路,从而可减少越过活塞环的压力差。
文档编号F16J9/22GK1189884SQ9619523
公开日1998年8月5日 申请日期1996年9月18日 优先权日1995年9月22日
发明者埃里克·克龙 申请人:曼B与W狄赛尔公司