用于發(fā)動機的壓縮環(huán)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于發(fā)動機(10)的壓縮環(huán)(42)。所述壓縮環(huán)可包括具有外表面(44)的圓柱本體、及形成于圓柱本體中且與圓柱本體的外表面同心的中心孔(46)。所述圓柱本體可包括從中心孔至外表面的徑向尺寸(D)，該徑向尺寸約為圓柱本體的軸向尺寸(d)的1.1至1.3倍。
【專利說明】用于發(fā)動機的壓縮環(huán)

【技術領域】
[0001]本公開大體上涉及一種發(fā)動機，尤其涉及一種具有壓縮環(huán)的發(fā)動機。

【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的二沖程發(fā)動機包括氣缸、與氣缸相連以至少部分地形成燃燒室的缸蓋、及配置在燃燒室內的活塞。氣缸的襯套內形成有至少一個端口，如進氣端口，以便每次活塞在氣缸內向下運動時允許與燃燒室進行氣體交換。所述活塞具有環(huán)形槽及配置在所述環(huán)形槽中的環(huán)。
[0003]活塞環(huán)執(zhí)行多個不同的功能，包括密封活塞與氣缸襯套間的徑向間隙從而使燃燒室內部保持高氣壓?；钊h(huán)所執(zhí)行的其他功能包括保持活塞與氣缸襯套間的潤滑、傳遞熱量使活塞冷卻、及在活塞往復運動中保持相對于氣缸襯套的活塞的軸向位置。
[0004]活塞環(huán)一般分為兩類:壓縮環(huán)和控油環(huán)。壓縮環(huán)通常朝向活塞的頂部并最接近燃燒室。壓縮環(huán)的主要目的是在活塞的壓縮沖程與做功沖程期間阻止氣體從活塞中泄漏，所述泄漏稱為竄漏?？赜铜h(huán)設計用于在活塞的上升沖程期間向氣缸襯套供油以起到適當的潤滑作用，并在活塞的下降沖程期間將余油推送到氣缸底部。壓縮環(huán)可提供二次油控制，而控油環(huán)可提供二次竄漏控制。
[0005]如活塞環(huán)未能成功密封活塞與氣缸襯套間的徑向間隙，可能出現若干個不同的問題。高壓氣體從燃燒室竄漏至活塞下方的曲軸箱可使發(fā)動機性能降低并污染發(fā)動機油。如在上升沖程中發(fā)動機襯套上分布的油量不充分，后續(xù)可能導致襯套磨損、刮傷等其他種類損傷。如余油在下降沖程后留在氣缸襯套處，這些油有可能燃燒并導致顆粒物排放水平超出政府監(jiān)管標準。顆粒物的形成也可能損傷發(fā)動機。
[0006]所公開的發(fā)動機旨在解決上述一個或多個問題。


【發(fā)明內容】

[0007]—方面，本公開針對一種活塞環(huán)。所述活塞環(huán)可包括具有外表面的圓柱形本體、及形成于圓柱形本體中且與圓柱形本體的外表面同心的中心孔。所述活塞環(huán)還可包括從中心孔至外表面的圓柱形本體的徑向尺寸，該徑向尺寸為圓柱形本體的軸向尺寸的1.1至1.3倍。
[0008]另一方面，本公開針對一種活塞組件。所述活塞組件可包括氣缸襯套、配置于氣缸襯套中的活塞頭、及配置在活塞頭的槽中的壓縮環(huán)。此外，壓縮環(huán)的徑向寬度可為其軸向厚度的1.1至1.3倍，且氣缸襯套可具有如下表面飾面(粗糙度):Rk(核心)約為40至100微英寸、Rpk (峰高)最大值約為50微英寸及Rvk (谷深)約為32至100英寸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是已公開示例性發(fā)動機的剖面圖；
[0010]圖2是可與圖1所示發(fā)動機結合使用的已公開示例性活塞及壓縮活塞環(huán)的示意圖；
[0011]圖3是提供圖2所示壓縮環(huán)的替代視圖的示意圖；
[0012]圖4-圖7是可與圖2所示活塞及壓縮環(huán)結合使用的已公開示例性活塞環(huán)的示意圖。

【具體實施方式】
[0013]一種示例性內燃機10在圖1中予以說明。所述發(fā)動機10描述為一種二沖程柴油發(fā)動機。然而，可以設想發(fā)動機10為以下另一種內燃機，如四沖程柴油發(fā)動機、二沖程或四沖程汽油發(fā)動機、或二沖程或四沖程氣體燃料發(fā)動機。除其它部件，發(fā)動機10還包括至少部分地限定氣缸14的發(fā)動機缸體12、設置于氣缸14內的襯套16、和與發(fā)動機缸體12相連接以封鎖襯套16的端部的缸蓋18?；钊?0可滑動配置于襯套16中，且所述活塞20連同襯套16及缸蓋18 —起限定燃燒室22?？梢栽O想的是，發(fā)動機10包括任意數量的燃燒室，且所述燃燒室22設置成“直列式”結構(如圖1所示)、V形結構、活塞對置結構或任何其他傳統(tǒng)結構。
[0014]如圖1和圖2所示，氣缸14的襯套16包括飾面(finish) 31，所述飾面31設計用于在其內表面上保持所需厚度的油。一實施例中，油膜所需厚度可約為0.0001至0.001英寸。在所述實施例中，飾面31可具有約為40至100微英寸的核心(Rk)范圍、約為50微英寸的峰高(Rpk)最大值及約為32至100英寸的谷深(Rvk)范圍。飾面31可連同位于活塞20上的一組特定的活塞環(huán)一起使用。
[0015]活塞20可配置在襯套16中在下止點(BDC)或最低位與上止點(TDC)或最高位之間往復運動。特別是活塞20可為包括可樞轉地連接至桿26的活塞頭24的組件，所述桿26進而可樞轉地連接至曲軸28。發(fā)動機10的曲軸28可轉動地設置于發(fā)動機缸體12內，并且每個活塞20通過桿26與曲軸28聯接，因此每個活塞20在襯套16中的滑動可使曲軸28旋轉。同理，曲軸28的旋轉也可使活塞20滑動。隨著曲軸旋轉約180度，活塞頭24和與之連接的桿26可在下止點與上止點之間移動一個全沖程。發(fā)動機10，即二沖程發(fā)動機，可包括完整循環(huán)，該循環(huán)包括做功/排氣/進氣沖程(TDC至BDC)和進氣/壓縮沖程(BDC至 TDC)。
[0016]在上述做功/排氣/進氣沖程的最后階段，空氣通過位于襯套16中的一個或多個氣體交換口(如進氣口)30被吸入燃燒室22。特別是活塞20在襯套16中向下運動，因此活塞最終將到達某一位置使端口 30不再被活塞20堵塞而與燃燒室22流體連通。當進氣端口 30與燃燒室22流體連通且進氣端口 30處的空氣壓力大于燃燒室22內的壓力時，空氣將通過進氣端口 30進入燃燒室22。燃料可在空氣被吸入燃燒室22之前、過程中或之后與空氣混合。
[0017]在上述進氣/壓縮沖程的開始，空氣仍可通過進氣端口 30進入燃燒室22，且活塞20可開始其上升沖程以使燃料和空氣在燃燒室22內混合。最終，活塞20將堵塞端口 30，并且活塞20的進一步向上運動會壓縮上述混合物。隨著混合物在燃燒室22內被壓縮，混合物的溫度將上升。最終，混合物的溫度及壓力將達到使混合物燃燒的點，從而使化學能在燃燒室22內以溫度及壓力峰值的形式釋放。
[0018]在做功/排氣/進氣沖程的第一階段，燃燒室22內的壓力峰值可迫使活塞20向下，從而將機械能傳遞到曲軸28。在上述向下運動過程中的某一特定點，位于缸蓋18中的一個或多個氣體交換口(如排氣口)32可打開以使燃燒室22內的加壓廢氣排出。特別是隨著活塞20在襯套16中向下運動，活塞將最終到達一位置，在該位置處排氣門34移動成使燃燒室22與排氣口 32流體連通。當燃燒室22與排氣口 32流體連通且燃燒室中廢氣壓力大于排氣口 32壓力時，廢氣將通過排氣口 32從燃燒室22排入排氣歧管36。本公開實施例中，排氣門34循環(huán)運動且該運動受控于與曲軸28機械連接的凸輪(未示出)。然而，可以設想排氣門34的運動可根據需要使用任何傳統(tǒng)方式控制。還可設想，必要時排氣口 32或可置于氣缸襯套16中，如在回流掃氣雙循環(huán)發(fā)動機中。
[0019]如圖1和圖2所示，活塞20的活塞頭24通常為圓柱狀結構，該圓柱狀結構的外環(huán)形表面40中具有一條或多條槽38。所述槽38配置用于接收任意數量的活塞環(huán)，所述活塞環(huán)包括例如一個或多個油環(huán)或刮油環(huán)、一個或多個壓縮環(huán)、和/或在本【技術領域】已知的其他類型的活塞環(huán)。一種示例性活塞環(huán)組39在圖1中予以描述，并且包括六個環(huán)，其中四個可以是壓縮環(huán)(如上部的四個環(huán))。剩余環(huán)可以是控油環(huán)(如下部的兩個環(huán))。
[0020]圖2僅說明了具有一個示例性壓縮環(huán)42的活塞20的上部。所述環(huán)42包括具有中心孔46的圓柱本體、和與中心孔46大致同心的外環(huán)形表面44。中心孔46的直徑可大于相關聯的槽38的內徑但小于活塞頭24的外徑，因此由于直徑差異，環(huán)42可至少部分地保持在槽38內。環(huán)42的徑向尺寸或寬度(D)可約為0.225至0.245英寸或約為該環(huán)42的軸向尺寸或厚度(d)的1.1至1.3倍。本公開實施例中，d可約為0.1875至0.1900英寸。
[0021]尺寸D和d使環(huán)42具有期望程度的彈性。在一個實施例中，期望程度的彈性可以是這樣的，即，使環(huán)42具有足夠的硬度用以在運行中抑制屈曲，但又具有足夠的彈性以在發(fā)動機10運行中適應由高溫和/或壓力引起的變形。具體地說，尺寸D和d使環(huán)42能承受基本均勻的徑向變形。在一個實施例中，環(huán)42可擴張至氣缸14的壁并與之相合(例如，形狀一致)。氣缸14的直徑可約為9.060英寸。在所述實施例中，環(huán)42可設計為在約400至900攝氏度的高溫和/或約1500至2000psi的燃燒壓力下徑向變形。
[0022]活塞頭24和襯套16可通過徑向間隙48分隔。在活塞20的上止點至下止點的沖程中，燃燒室22內的燃燒壓力可使環(huán)42變形并徑向擴張橫跨徑向間隙48，使得環(huán)表面44延伸并抵靠飾面31。環(huán)42具有彈性從而可適應于襯套16的形狀(包括其中的各種輪廓起伏)。通過接觸并適應于襯套16，環(huán)42可密封并防止氣體竄漏，并且有助于將余油從襯套16的飾面31上移除。
[0023]環(huán)42可由不銹鋼基材料制成，所述不銹鋼基材可已被預先施加應力以改進環(huán)的疲勞強度和斷裂敏感度。環(huán)表面44通常為不對稱的筒狀從而可在飾面31上產生均勻可控的油層。環(huán)表面44涂布有陶瓷鍍鉻以便更好地維持環(huán)42的長期運行。此外，環(huán)42側鍍有鉻以增加耐磨度。
[0024]圖3說明了環(huán)42及其組成部分，此后所提及的環(huán)也具有相同的組成部分。一些所述相同組成部分包括以間隙45間隔的端部43及位于端部43的環(huán)末端突出防護部47。間隙45大致對準端口 30以避免在活塞20的TDC至BDC沖程和BDC至TDC沖程中環(huán)末端突出到端口 30中，所述環(huán)末端突出可能損壞端口 30和/或環(huán)42。此外，環(huán)42中的間隙45提供了扭曲環(huán)42所必需的間隔和彈性使得環(huán)42可滑入槽38中，從而便于把環(huán)42裝配到槽38中。表面末端突出防護部47可充當抑制端口 30損壞的附加措施。特別是，表面末端突出防護部47可使環(huán)42的任何部分均無法進入端口 30。
[0025]圖4說明了壓縮環(huán)、環(huán)50的另一實施例。環(huán)50可與環(huán)42 —起或分開使用。如環(huán)50可處于環(huán)42下方的第二位置。環(huán)50包括具有中心孔46的圓柱本體和與中心孔46大致同心的外環(huán)形表面52。中心孔46的直徑可大于相應槽38的內徑并小于活塞頭24的外徑，因此由于直徑差異，環(huán)50可至少部分地保持在槽38內。環(huán)50的徑向尺寸或寬度(D)可約為0.290至0.305英寸或約為該環(huán)50的軸向尺寸或厚度(d)的1.5至1.7倍。本公開實施例中，d可約為0.1850至0.1885英寸。
[0026]環(huán)50可由球墨鑄鐵基材料制成。環(huán)表面52可具有對稱的筒狀從而可在飾面31上產生均勻的可控油層。環(huán)表面52涂布有陶瓷鍍鉻以便更好地維持環(huán)50的長期運行。可以設想，必要時兩個環(huán)50可同時用于同一環(huán)組39。
[0027]圖5說明了壓縮環(huán)、環(huán)54的另一實施例。環(huán)54可與上述環(huán)一起或分開使用。如，環(huán)54可處于環(huán)42下方的第二位置。所述環(huán)54包括具有中心孔46的圓柱本體和與中心孔46大致同心的外環(huán)形表面56。中心孔46的直徑可大于相應槽38的內徑并小于活塞頭24的外徑，因此由于直徑差異，環(huán)54可至少部分地保持在槽38內。環(huán)54的徑向尺寸或寬度(D)可約為0.290至0.305英寸或約為其軸向尺寸或厚度(d)的1.5至1.7倍。本公開實施例中，d可約為0.1850和0.1856英寸之間。
[0028]環(huán)54可由球墨鑄鐵基材料制成。環(huán)表面56可包括納皮爾式鉤狀刮刀58、兩個環(huán)形槽55和凹陷通道57。刮刀58和槽55可用于在活塞20的TDC至BDC沖程中激烈地刮擦油。各槽55可填充鐵基材料，槽的寬度約為0.017至0.022英寸，深度約為0.025至0.035英寸。各槽55以約0.018至0.022英寸的間隙間隔設置。槽55定位成使得它們基本上定中在環(huán)表面56的不被刮刀58間斷的其余部分上。通道57有助于截留住刮下的油并將油傳遞至端口 30下方。通道57的寬度可約為0.032至0.048英寸，高度約為0.065至0.085英寸，半徑約為0.030英寸。環(huán)表面56涂布有鐵基材料以便更好地維持環(huán)50的長期運行。
[0029]圖6說明了控油環(huán)、環(huán)60的一實施例。環(huán)60可與上述環(huán)一起或分開使用。環(huán)60為傳統(tǒng)的自激勵式雙鉤鐵控油環(huán)(self-energized iron double-hook oil control ring)。環(huán)60可包括具有中心孔46的圓柱本體和與中心孔46大致同心的外環(huán)形表面62。中心孔46的直徑可大于相應槽38的內徑并小于活塞頭24的外徑，因此由于直徑差異，環(huán)60可至少部分地保持在槽38內。環(huán)60的徑向尺寸或寬度(D)可約為0.290至0.305英寸或約為其軸向尺寸或厚度(d)的1.1至1.2倍。在本公開實施例中，d可約為0.247至0.249英寸。
[0030]環(huán)60可具有鉤63。鉤63的寬度可約為0.125英寸，半徑約為0.033英寸，并可設置為以與活塞20的軸線成30度角的方式與表面飾面31相接合。組裝好時，鉤63可指向活塞20的底部(如，朝向桿26)。盡管環(huán)60主要設計用作控油環(huán)，但它也可用于幫助防止漏氣和來自端口 30的進入空氣進入發(fā)動機10的曲軸箱(未示出)。
[0031]圖7說明了控油環(huán)、環(huán)64的另一實施例。環(huán)64可與上述環(huán)一起或分開使用。環(huán)64為傳統(tǒng)的自緊式雙鉤鐵控油環(huán)的衍生物。環(huán)64可包括圓柱本體，并可包括多根橫條(如兩根橫條)，橫條65和67配置用于從襯套16的飾面31刮擦余油。橫條65可包括具有對稱筒狀面的環(huán)表面66。橫條67可包括具有不對稱筒狀面的環(huán)表面68。環(huán)64的徑向尺寸或寬度(D)可約為0.210至0.225英寸或約為其軸向尺寸或厚度(d)的0.84至0.85倍。在本公開實施例中，d可約為0.248和0.249英寸之間。
[0032]環(huán)64還可包括彈簧70。所述彈簧70用于延長環(huán)表面66和68的直徑從而使環(huán)64的直徑大于氣缸14的直徑。因此，將環(huán)64放置成與槽38軸向對齊后，環(huán)64在彈簧力作用下擴張并接觸襯套16的飾面31。
[0033]工業(yè)適用性
[0034]所公開的活塞環(huán)和氣缸襯套飾面31可用于需要降低顆粒物排放和燃燒氣體竄漏的任何內燃機。特別是，所公開的活塞環(huán)和氣缸襯套飾面31可協(xié)同工作，從而有助于在飾面31上維持所需的油膜厚度，并有助于阻止燃燒氣體竄漏進入曲軸箱。環(huán)42可設計為在正常的發(fā)動機運行中能徑向變形或以其他方式擴張(延長)。因此，環(huán)42可適應于氣缸14的形狀并與飾面31直接接觸?，F將對飾面31和環(huán)42、50、54、60和64的功能進行說明。
[0035]如圖1所示，飾面31可為襯套16上的表面飾面。飾面31可包括輪廓，該輪廓設計用于當飾面31與所公開活塞環(huán)組共同使用時將油膜的厚度維持在約0.0001至0.001英寸間。
[0036]如，環(huán)42可設計為當暴露于燃燒室22內產生的燃燒壓和/或燃燒溫度時可徑向擴張(延長，延伸)。由此，環(huán)42可有助于阻止竄漏氣體進入曲軸箱。此外，徑向擴張的環(huán)42與飾面31的相互作用可刮走襯套16上的余油，并留下合適的油膜厚度。如，飾面31的輪廓可留住厚度約為0.0001至0.001英寸的油膜并使厚度超過0.001英寸的油被環(huán)42刮走。通過均勻地刮走襯套16上的余油，環(huán)42有助于限制留下并在活塞20的TDC至BDC沖程中燃燒的余油的量。限制成比例燃燒的余油的量相應地限制了發(fā)動機10運行產生的顆粒物的排放量。
[0037]所公開的環(huán)42設計有助于通過在飾面31上保持足夠量的潤滑油來減少在襯套16處產生的摩擦、磨損和損傷。此外,僅環(huán)42的接觸部44可接觸襯套16，因此兩者間產生的摩擦小，并仍可使環(huán)42將活塞頭24徑向定位在襯套16中。
[0038]為將上述六個示例性活塞環(huán)中的每一個安裝在槽38中，首先環(huán)的端部43被彼此推開以暫時擴大中心孔46的直徑。當中心孔46的直徑臨時擴大時，環(huán)可置于活塞頭24上并與槽38軸向對齊。然后松開環(huán)的端部43使環(huán)收縮到槽38中并因此時中心孔46的較小的直徑而保持在槽38中。
[0039]由于飾面31和環(huán)42、50、54、60和64的設計和構造相對簡單，因此易于安裝至任何內燃機10。具體地說，如需要這類益處時，舊發(fā)動機可用具有所述飾面31的襯套16和環(huán)42、50、54、60和64來進行改裝?？筛鶕O(jiān)管標準要求改進發(fā)動機10的舊的或現有模式從而減少發(fā)動機的顆粒物排放。這種情況下，具有所述飾面31的襯套16和環(huán)42、50、54、60和64的改裝發(fā)動機10可解決發(fā)動機10的顆粒物排放相關問題。
[0040]對于所公開的活塞環(huán)和氣缸襯套，本領域技術人員能夠在不脫離本公開的范圍內進行各種變形和改良。本領域技術人員可考慮本說明書和所公開的活塞環(huán)和氣缸襯套的實踐來推理出屬于活塞環(huán)和氣缸襯套的其他實施方式。說明書和實施例僅為例示，本公開的準確范圍由下列權利要求及其等同物表明。
【權利要求】
1.一種活塞環(huán)(42)，包括: 具有外表面(44)的圓柱本體；及 形成于圓柱本體中且與圓柱本體的外表面同心的中心孔(46)， 其中從中心孔至外表面的圓柱本體的徑向尺寸(D)為圓柱本體的軸向尺寸(d)的約1.1 至 1.3 倍。
2.如權利要求1所述的活塞環(huán)，其中圓柱本體配置用于當其暴露在約1500至2000psi的壓力中時向外擴張并一致地適應于氣缸(14)，所述氣缸的直徑至少為9.060英寸。
3.如權利要求1所述的活塞環(huán)，其中圓柱本體由不銹鋼基材料制成。
4.如權利要求1所述的活塞環(huán)，其中圓柱本體是筒狀的。
5.如權利要求1所述的活塞環(huán)，其中活塞環(huán)(42)是一組至少六個活塞環(huán)(42，50，54，60,64)中的一個，所述至少六個活塞環(huán)包括: 至少四個壓縮環(huán)(42，50，54);及 至少兩個控油環(huán)(60,64)。
6.如權利要求5所述的活塞環(huán)，其中所述至少六個活塞環(huán)(42，50，54，60，64)的端部(43)通過間隙(45)分隔，且具有末端突出防護部(47)。
7.如權利要求5所述的活塞環(huán)，其中: 所述至少四個壓縮環(huán)(42，50，54)中的至少兩個(50)是筒狀的；及 所述至少兩個壓縮環(huán)的徑向寬度(D)約為該至少兩個壓縮環(huán)的軸向厚度(d)的1.5至1.7 倍。
8.如權利要求5所述的活塞環(huán)，其中: 所述至少四個壓縮環(huán)(42，50，54)中的至少一個(54)是納皮爾式鉤狀刮油環(huán)；及所述納皮爾式鉤狀刮油環(huán)的徑向寬度(D)約為該納皮爾式鉤狀刮油環(huán)的軸向厚度(d)的1.5至1.7倍。
9.如權利要求5所述的活塞環(huán)，其中: 所述至少兩個控油環(huán)(60，64)中的至少一個控油環(huán)￠0)是雙鉤環(huán)；以及 所述雙鉤環(huán)的徑向寬度(D)約為該雙鉤環(huán)的軸向厚度(d)的1.1至1.2倍。
10.如權利要求5所述的活塞環(huán)，其中: 所述至少兩個控油環(huán)(60，64)中的至少一個控油環(huán)￠4)具有彈簧激勵橫條組；及所述至少兩個控油環(huán)中的所述至少一個控油環(huán)的徑向寬度(D)約為所述至少兩個控油環(huán)中的所述至少一個控油環(huán)的軸向厚度(d)的0.84至0.85倍。
【文檔編號】F16J9/20GK104395649SQ201380034585
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月24日 優(yōu)先權日:2012年6月29日
【發(fā)明者】F·M·格拉茨克, A·G·福奇, F·F·德瓦尼, E·J·克賴爾, D·E·伯勒爾斯通 申請人:易安迪機車公司