CN116696586A - 用于大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头内燃机的活塞环 - Google Patents

Abstract

一种用于大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头内燃机的活塞环，具有在允许所述活塞环膨胀和收缩的环部段处的第一接合端部部分和第二接合端部部分，其中第一接合端部部分包括周向延伸的指状部，第二接合端部部分包括周向延伸的凹陷部，在指状部的端部处设置有间隙区域，在间隙区域中只有带有凹陷部的第二接合端部部分构成所述活塞环的外环表面的抵靠气缸套滑动的部分，在横截面中看，外环表面至少在所述环部段中是凸形的并且是一虚拟圆的一部分，所述虚拟圆具有圆心和曲率半径，曲率半径为活塞环的直径的至少0.8倍，优选为至少1倍。因此，将可以在间隙区域中获得有效的密封，避免了与涂层损坏和来自活塞上方的燃烧室的燃烧气体窜漏有关的问题。

Description

用于大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头内燃机的活塞环

技术领域

本发明涉及一种活塞环，其用于大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头内燃机的活塞侧壁中的环形活塞环槽中的活塞环组件，以对活塞上方的燃烧室中的压力进行密封，该活塞环具有：环本体；直径；高度；上环表面；下环表面；外环表面和内环表面，在内燃机运行期间，所述外环表面抵靠气缸套的内侧滑动；以及在允许活塞环膨胀和收缩的环部段处的第一接合端部部分和第二接合端部部分，其中所述第一接合端部部分包括周向延伸的指状部，所述第二接合端部部分包括周向延伸的凹陷部，所述凹陷部的形状和尺寸设计成能够位移地接收所述指状部，其中在所述指状部的端部处设置有一间隙区域，在所述间隙区域中只有带有所述凹陷部的所述第二接合端部部分构成外环表面的抵靠气缸套滑动的部分，其中，在横截面中看，活塞环的外环表面至少在所述环部段中是凸形的并且是虚拟圆的一部分，该虚拟圆具有圆心和曲率半径，所述曲率半径为活塞环的直径的至少0.8倍，优选为至少1倍。

背景技术

大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头内燃机典型用于海上船舶的推进系统中或者用作发电厂中的原动机。典型地，这些内燃机使用船用重燃料油船用柴油或气体燃料(例如，天然气或石油气)运行。

内燃机活塞设置有环组件，所述环组件对燃烧压力进行密封，以便防止燃烧气体渗入扫气空间。另外，活塞环的轮廓确保捕获气缸油以在气缸套的内侧上形成润滑膜。环组件中的活塞环密封以大约10m/sec的速度振动的活塞，用于使压缩空气和燃烧气体处于约250bar的压力和约400℃的温度下，并且内燃机每转一圈仅使用几滴气缸油作为润滑，所有这些部件都具有数千小时的预期使用寿命。因此，对活塞环的主要要求是高耐磨、耐划伤和耐腐蚀以及在高温下弹性下降少。

由于在使用重燃料油运行时产生的燃烧气体具有侵蚀性，气缸套的内壁采用特殊的高缓冲气缸润滑油进行润滑，这种高缓冲气缸润滑油能保护气缸套的内壁免受燃烧气体的侵蚀性成分的影响。气缸润滑的提供和所涉及的部件的尺寸(像直径在25cm到108cm之间的活塞)是导致大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头发动机的环组件与较小的四冲程柴油发动机中的环组件不同的原因。

大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头发动机的环组件典型包括四个活塞环，其中至少顶部活塞环为CPR环，即，顶部活塞环设置有卸压槽，所述卸压槽允许良好限定和控制的热气从燃烧室到顶部活塞环下侧的流动，从而控制顶部活塞环上的压力下降并且将负载分布在环组件中的多个环上。然而，包括两个或三个活塞环的环组件也是常见的替代方案。

此外，为了获得环组件中各个活塞环的最佳性能，众所周知的是为活塞环的外环表面提供不同的轮廓。因此，已知的是使活塞环的外环接触表面具有筒形轮廓，所述筒形轮廓在活塞环的整个外周上具有相同的曲率半径，其尺寸和位置为活塞环的大部分滑动外表面提供了约为所述外表面的高度的1/3的密封区域。这种设计的缺点是其在间隙区域上提供了有限的密封表面，在活塞环相对较短的运行时间之后，密封通常将在所述间隙区域处开始泄漏。间隙区域中的这种泄漏和可能的过热通常会导致涂层剥离和活塞环塌陷。因此，间隙区域处的现有设计的问题只是简单地密封不足，这导致温度升高，进而最终导致严重的涂层损坏和窜漏，该窜漏会影响下方的环。为了克服所述缺点，WO2015165634A1描述了一种具有所谓的双筒设计的活塞环，其包括具有两个周向重叠环端部的对接区域和外表面，其中对接区域中的每个环端的外表面均设置有它们各自的凸形或筒形表面区域。以这种方式应该在间隙区域中获得更有效的密封，但是这种已知的设计既复杂又生产昂贵。

从EP3933232A1已知引言中提到的那种活塞环。

间隙区域周围的现有活塞环设计的另一个问题是只有一部分滑动表面是主动密封，这可能会迅速导致通过间隙发生泄漏，泄漏导致温度升高并最终导致间隙区域过热，在这种情况下，通常会观察到在间隙区域处金属陶瓷涂层严重剥离，这转而又会在该间隙区域处产生燃烧气体的完全通过。最后，由于高气流和缺乏密封，这种泄漏会加速并导致该间隙处的窜漏和非常高的温度。为了解决此问题，建议使用平坦轮廓，例如，对于所有不同的活塞环尺寸而言与环间隙成+/-10至20度，以便增加密封面积/密封线以覆盖整个锁定区域并且通过在平坦的滑动表面使用激光熔覆来改善间隙区域处的材料性能。由此，避免泄漏并提高耐磨性，以便保持平坦的密封轮廓一致。改善的耐磨性和材料强度很可能在间隙区域处提供一致的平坦轮廓。此措施的目的是实现出色的密封并且不会有涂层在气密锁定部处剥离的风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种在引言中提到的那种活塞环，其具有提供间隙区域的第一接合端部部分和第二接合端部部分，其中至少显著地减少与在间隙区域中获得有效的密封相关的上述挑战。

前述及其他目的通过本发明的特征实现。进一步的实施方式从说明书和附图中变得明显。

根据第一方面，提供了一种活塞环，其用于大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头内燃机的活塞的侧壁中的环形环槽中的活塞环组件，以对活塞上方的燃烧室中的压力进行密封，该活塞环具有：环本体；直径；高度；上环表面；下环表面；外环表面和内环表面，在内燃机运行期间所述外环表面抵靠气缸套的内侧滑动；以及在允许活塞环膨胀和收缩的环部段处的第一接合端部部分和第二接合端部部分，其中所述第一接合端部部分包括周向延伸的指状部，所述第二接合端部部分包括周向延伸的凹陷部，所述凹陷部的形状和尺寸设计成用于能够位移地接收所述指状部，其中在所述指状部的端部处设置有间隙区域，在所述间隙区域中只有带有凹陷部的第二接合端部部分构成外环表面的抵靠气缸套滑动的部分，其中，在横截面中看，至少在所述环部段中的所述活塞环的外环表面是凸形的并且是虚拟圆的一部分，所述虚拟圆具有圆心和曲率半径，所述曲率半径为活塞环的直径的至少0.8倍，优选地为活塞环的直径的至少1倍，其特征在于，在包含所述下环表面的水平平面中看，所述虚拟圆的圆心与活塞环的下表面的距离为活塞环的高度的1/4到3/4之间，优选地为活塞环的高度的至少约2/3。

因此，将可以在间隙区域中获得有效的密封，其中避免了与涂层损坏和来自活塞上方的燃烧室的燃烧气体窜漏有关的问题。通过为环部段提供如上限定的外表面，确保提供密封效果的活塞环的滑动表面还包括在间隙区域中具有凹陷部的端部部分的足够部分，以同样确保在该间隙区域中以及在具有带有接合端部部分的环部段的活塞环中的适当的密封效果，其中所述凹陷部构成该间隙区域中的外环表面的高度的不足1/3。

进一步优选的是，至少在所述环部段中的活塞环的外环表面在其高度的至少3/4上基本上是平坦的。

优选的是，所述环部段从间隙区域沿每个周向方向延伸至少10角度，优选15角度，最优选20角度。这样，密封区域增加并且密封效果改善，这转而产生较低的温度并且由此降低涂层剥离和窜漏的风险，而涂层剥离和窜漏转而又很可能导致环组件中下环上的环塌陷。

可以在提供最佳密封效果的环部段中以任何适当的方式设计活塞环，但是优选的是，凹陷部开口到所述外环表面和所述下环表面，并且所述指状部与所述外环表面和所述下环表面二者齐平。

进一步优选的是，环本体是非圆形的，使得在环部段的间隙区域中气缸套与活塞环的外环表面之间的压力低于顶部活塞环的其余外周上的压力。需要这种非圆形形式，使得活塞环在被插入到圆形气缸套中时在整个环外周上施加精确限定的压力。该压力原则上可以在外周上均匀分布，然而，负椭圆形状通常旨在用于大型二冲程涡轮增压单流扫气内燃机的活塞的活塞环中。这意味着环部段的间隙区域中的压力低于其余外周上的压力，这避免了在内燃机运行期间环部段上的压力升高。

在本发明的一实施例中，活塞环未涂覆或涂覆有热喷涂涂层或电镀涂层。

在本发明的一实施例中，活塞环在外环表面中设置有受控泄漏槽，用于允许气体从所述活塞环的上方到下方的受控流动。

在本发明的一实施例中，活塞环是顶部活塞环和/或第二活塞环。

附图说明

将参照附图中所示的示例性实施例更详细地解释本发明，其中：

图1是穿过装配在气缸套中的活塞的分段的截面，示出了具有四个活塞环的环组件，

图2是装配在气缸套中的活塞的放大截面，示出了带有五个活塞环的环组，

图3是处于已安装状态的活塞环的一部分的平面图，

图4是图3的活塞环在环部段周围的区域中的一部分的前视图，

图5是在环部段中的活塞环的一实施例的横截面图，以及

图6是图3的活塞环在环部段周围的区域中的一部分的前透视图。

具体实施方式

在图1和图2中示出了活塞1，所述活塞的一侧设置有多个环槽3，所述环槽中的顶部环槽3接收顶部活塞环4，下活塞环6已经插入在下环槽3中。顶部活塞环4和下活塞环6形成所谓的协作活塞环4、6的环组件。活塞1是为大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头发动机设计的，并且活塞1与气缸套7和气缸盖5一起限定燃烧室2。

活塞环4、6防止燃烧室2中的气体压力渗透到活塞1下方的空间。

图3至图6示出了根据本发明的活塞环4的示例性实施例。活塞环4、6具有环本体11、直径32、高度21、上环表面22、下环表面23、外环表面12和内环表面24。在发动机运行期间，外环表面12抵靠气缸套7的内侧滑动。活塞环4具有包括第一接合端部部分8和第二接合端部部分9的环部段10，该环部段基本上防止来自燃烧室2的燃烧气体流动通过环部段10。环部段10使其可以在安装在环槽3中时部分扩大环直径，从而部分地允许活塞环4的两个接合端部部分8、9随着活塞环4在使用期间磨损而从彼此撤回。

如在图4中更详细可见的那样，第一接合端部部分8包括周向延伸的指状部13，第二接合端部部分9包括周向延伸的凹陷部14。指状部13被接收在凹陷部4中并且可以在凹陷部14中滑动。位于指状部13的端部13a与凹陷部14的端部14a之间的是间隙区域15，在该间隙区域中只有带有凹陷部14的第二接合端部部分9构成外环表面12的一部分，在发动机运行期间，该部分抵靠气缸套7滑动并且对活塞1上方的燃烧室2中的压力进行密封。

在根据本发明的活塞环中，在横截面中可见，活塞环4、6的外环表面12至少在环部段10中是凸形的并且是一虚拟圆的一部分，所述虚拟圆具有圆心20和曲率半径25，所述曲率半径为活塞环4、6的直径的至少0.8倍，优选为活塞环4、6的直径的至少1倍。以这种方式，确保外环表面12在间隙区域15中也有至少足够部分提供对活塞1上方的燃烧室2中的压力的有效密封，使得避免了与涂层损坏和来自活塞1上方的燃烧室2的燃烧气体窜漏有关的问题。图4中的线18表示外环表面12的抵靠气缸套7滑动并提供适当密封效果的下部分与在线18上方的不提供有效密封的其余外环表面12之间的界线。

因此，根据本发明制备的直径为800mm的活塞环4、6的外环表面12至少在环部段10的包括间隙区域15的部分中以至少800mm的曲率半径25成凸形。以这种方式，活塞环4、6的外环表面12在该环部段10中将被认为是近似平坦的，由此提供最佳的密封效果。

在图3和图4所示的实施例中，环部段10从间隙区域15沿每个周向方向延伸20角度。

在图5中可以看到活塞环4、6的实施例的横截面图，其具有800mm的半径并且在环部段10中可见，其中曲率半径25为900mm，因此外环表面12在其大部分高度上看起来是大致平坦的。在所示的实施例中，活塞环的高度为18mm并且外环表面曲率的中心在中间，即距下方9mm处。如上所述，外环表面12是虚拟圆的一部分，如在包含下环表面23的水平平面中可见，所述虚拟圆具有圆心20。因为在具有带有接合端部部分的环部段的大多数活塞环中的带有凹陷部14的第二接合端部部分9构成间隙区域15中外环表面12高度的不足1/2，更通常为约1/3或不足1/3，所以为了确保充分的密封效果，根据本发明建议，如在包含下环表面23的水平平面可见，虚拟圆的圆心20与活塞环4、6的下表面23的距离为活塞环4、6的高度的1/4到3/4之间，优选为活塞环4、6的高度的至少约2/3。以这种方式，至少在所述环部段10中活塞环4、6的外环表面12在其高度的至少3/4上基本上是平坦的。

如在图6中清楚地可见的，活塞环4、6的具有第一接合端部部分8和第二接合端部部分9的环部段10设计成使得凹陷部14开口到所述外环表面12和所述下环表面23二者，并且所述指状部13与所述外环表面12和所述下环表面23二者齐平。

环本体11可以有利地设计成非圆形的，使得在环部段10的区域中气缸套7与活塞环4、6的外环表面12之间的压力低于顶部活塞环的其余外周上的压力。

此外，活塞环4、6可以涂覆有热喷涂层或电镀涂层。

此外，活塞环4、6可以在外环表面12中设置有受控泄漏槽，以便允许气体从所述活塞环4、6的上方到下方的受控流动。

活塞环4、6可以是顶部活塞环和/或第二活塞环。

Claims (8)

1.一种活塞环(4，6)，所述活塞环用于大型二冲程涡轮增压单流扫气十字头内燃机的活塞(1)的侧壁中的环形环槽(3)中的活塞环组件，以对所述活塞(1)上方的燃烧室(2)中的压力进行密封，所述活塞环(4，6)具有：环本体(11)；直径(32)；高度(21)；上环表面(22)；下环表面(23)；外环表面(12)和内环表面(24)，在所述内燃机运行期间，所述外环表面(12)抵靠气缸套(7)的内侧滑动；以及位于允许所述活塞环(4，6)膨胀和收缩的环部段(10)处的第一接合端部部分(8)和第二接合端部部分(9)，其中所述第一接合端部部分(8)包括周向延伸的指状部(13)，所述第二接合端部部分(9)包括周向延伸的凹陷部(14)，所述凹陷部的形状和尺寸设计成用于能够位移地接收所述指状部(13)，其中在所述指状部(13)的端部处设置有间隙区域(15)，在所述间隙区域(15)中只有带有所述凹陷部(14)的所述第二接合端部部分(9)构成所述外环表面(12)的抵靠所述气缸套(7)滑动的部分，其中，在横截面中看，所述活塞环(4，6)的所述外环表面(12)至少在所述环部段(10)中是凸形的并且是一虚拟圆的一部分，所述虚拟圆具有圆心(20)和曲率半径(25)，所述曲率半径为所述活塞环(4，6)的直径的至少0.8倍，优选为至少1倍，其特征在于，在包含所述下环表面(23)的水平平面中看，所述虚拟圆的圆心(20)与所述活塞环(4，6)的所述下环表面(23)的距离为所述活塞环(4，6)的高度的1/4到3/4之间，优选为所述活塞环(4，6)的高度的至少约2/3。

2.根据权利要求1所述的活塞环(4，6)，其特征在于，至少在所述环部段(10)中，所述活塞环(4，6)的所述外环表面(12)在其高度的至少3/4上是基本平坦的。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的活塞环(4，6)，其特征在于，所述环部段从所述间隙区域(15)沿每个周向方向延伸至少10角度，优选15角度，最优选20角度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的活塞环(4，6)，其特征在于，所述凹陷部(14)开口到所述外环表面(12)和所述下环表面(23)，并且所述指状部(13)与所述外环表面(12)和所述下环表面(23)二者齐平。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的活塞环(4，6)，其特征在于，所述环本体(11)为非圆形的，使得在所述环部段(10)的区域中所述气缸套(7)与所述活塞环(4，6)的所述外环表面(12)之间的压力低于顶部活塞环的其余外周上的压力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的活塞环(4，6)，其特征在于，所述活塞环(4，6)未涂覆或涂覆有热喷涂涂层或电镀涂层。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的活塞环(4)，其特征在于，所述活塞环(4，6)在所述外环表面(12)中设置有受控泄漏槽，用于允许气体从所述活塞环(4，6)的上方到所述活塞环的下方的受控流动。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的活塞环(4)，其特征在于，所述活塞环(4，6)是顶部活塞环和/或第二活塞环。