专利名称：用于运行往复活塞式发动机的方法和用于往复活塞式发动机的活塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于运行往复活塞式发动机的方法和用于这种往复活塞式发动机的活塞，特别是用于两冲程式大型柴油机的活塞，该活塞作为工作腔的界限设置在相应的气缸套中，其中在活塞和气缸套之间的间隙通过一活塞环组覆盖，所述活塞环组具有多个前后顺序设置的、分别设置在活塞的相应的活塞环槽中的活塞环，这些活塞环能由来自工作腔的气体加载。
背景技术：
在实践中常见的这种类型的装置中，在所有的活塞环上都设置气体泄漏。为此，通常使用开缝的活塞环，所述活塞环的端部彼此间隔开，从而形成从上向下连续的缝隙，所述缝隙形成用于泄漏气体的流动路径。但所述缝隙的横截面随着相关活塞环的逐渐扩展而不断增大，也就是说随着磨损的增大而变大。由EP 0742 875B1已知开头所述类型的活塞，其中至少最上面的活塞环构造成气密的活塞环，该活塞环设有用于实现受控的泄漏的圆周侧的槽。该文献还提出，活塞环组的多个或所有的活塞环都可以设计成具有用于实现受控的泄漏的圆周侧的槽的气密的活塞环。因此，在任何情况下在活塞环组的每个活塞环上都可以实现泄漏，从而会出现从工作腔选出的气体的强度不等的泄漏流，并由此出现由此造成的功率损失。根据经验，在前面所述类型的装置中，还会出现，活塞环组的不同活塞环具有非常不同的使用寿命，这意味着高的维护成本。JP 2-48 737B2公开了一种活塞，其中所有的活塞环都构造成气密的活塞环，其中配设给这些活塞环的、彼此叠置的活塞环槽通过设置在活塞侧的、构造成孔等的流动路径彼此连接以实现受控的泄漏。这里泄漏流特别是在最下面的活塞环上被阻拦。但因此该最下面的活塞环在每个做功冲程中被较强烈地加载，所以根据经验比位于其上方的活塞环更快地磨损。在这两种已知的装置中，显然在活塞环组内需要较大数量的活塞环。但在运行期间出现的摩擦和由此造成的功率损失随着活塞环的数量而提高。因此，这种已知的装置还在很大程度上不能实现优化的运行方式。
发明内容
由此出发，本发明的目的是，以简单、经济的方式这样改进开头所述的现有技术， 使得可以实现所有活塞环尽可能均衡的使用寿命并且降低功率损失。结合上述类型的活塞，根据本发明这样来实现所述目的，只有距工作腔最远的活塞环构造成无泄漏可能的气密的活塞环，为每个另外的、较靠近工作腔定位的活塞环配设有用于实现来自工作腔的气体的受控泄漏的结构，在活塞环组的至少两个前后顺序设置的活塞环之间设有至少一个膨胀室，用于使所出现的泄漏气体发生附加的膨胀，为此膨胀室的容积超过两个没有附加的膨胀容积地前后顺序设置的活塞环界定的环形空间的容积。利用这种措施可靠地避免了已知的布置方式的缺点。根据本发明设置的膨胀室实现了所出现的泄漏气体的超出常规程度的膨胀，也就是说超出在已知的布置结构中可能的程度，在已知的布置结构中在分别由两个活塞环界定的各环形空间中同样也发生膨胀，所述膨胀室因此有利地起缓冲及延迟装置的作用，通过所述缓冲及延迟装置在活塞的每个做功冲程中缓冲和延迟对气密的活塞环的作用压力负载。由此能够有利地实现了由活塞环组承受的燃烧压力向所有的活塞环以及在较长的行程范围中最佳的分布，这对于实现所有的活塞环均衡的使用寿命是有利的并且实现了对可供使用的能量的良好利用。根据本发明的措施还提供了一种有利的可能性相对于已知的布置结构减少活塞环组的活塞环的数量， 这不仅引起磨擦损失的降低，而且引起动态力的降低，并由此相对于已知的装置引起明显的功率增益。根据本发明的措施的另一个优点在于，根据本发明的活塞由于膨胀室也可以容易地识别，设置在活塞侧的膨胀室例如在气缸套的扫气开口的区域可容易地检查，这方便了维修。所述上位的措施的有利的实施方式和合理的扩展方案在各从属权利要求中给出。有利地设定，至少所述气密的活塞环的前面直接设置至少一个膨胀室。该措施已经证实是特别合理的，因为在最下面的气密的活塞环处对所出现的载荷的缓冲和延迟是特别重要的，因为这里不发生进一步的泄漏。另一个有利的措施在于，设有至少一个活塞侧的缺口作为膨胀室。此时有利地在膨胀室的容积尺寸确定的方面得到大的结构上的自由度。此外，由此出发，构造成活塞侧缺口的膨胀室的容积在运行期间保持基本上恒定。因此，在此无需担心由在活塞和气缸套之间的间隙宽度引起的以及由气缸套在运行中的变形引起的限制。起膨胀室作用的活塞侧缺口适宜地可构造成槽形环绕的。这不仅实现了简单的制造，而且还有利地实现了在整个活塞圆周上的均勻作用。在上述措施的另一扩展方案中可以设想，设置在两个活塞环之间的每个膨胀室的容积至少相当于、优选略微超出一个活塞环槽的容积。由于所述的措施有利地可以使用活塞环比活塞环槽少的活塞环组，并且可以简单地使一个活塞环槽不用活塞环占据。该槽当然不需要通常在活塞环槽中设置的铠装(Panzerimg)，因此还可以与横截面略有不同。除了前面所述的优点以外，还实现了非常紧凑的布置结构。如上所述，减少活塞环实现摩擦的降低以及由此实现了由此导致的功率损失的降低。上述空槽还有利地引起与其相邻的各活塞环的较大的间距，这有利于扩大膨胀室的容积。所述上位的措施的其它有利的构型以及合理的扩展方案在其余的从属权利要求中给出并且可以由以下参照附图对实施例的说明详细得出。
下面描述的附图中图1示出往复活塞内燃机的气缸活塞总成的上部区域的垂直剖视图，图2示出气密的活塞环的透视图，图3示出具有圆周侧的泄漏槽的气密的活塞环的展开图，以及图4示出图3涉及的类型的活塞环在安装状态下的剖视图，其中，为了简化视图，所示活塞环的周侧槽竖直延伸地绘制。
具体实施例方式本发明的主要应用领域是构造成大型发动机的往复活塞式发动机，特别是例如应用在舰船的驱动中的两冲程式大型柴油机。这种装置的基本结构和工作方式本身是已知的，因此在当前情况下不需要再详细说明。图1所涉及的气缸-活塞总成属于一两冲程式大型柴油机。所示的气缸-活塞总成包括气缸1和容纳在该气缸中的活塞2。气缸1包括环绕的气缸套3和接纳在该气缸套上的气缸盖4。在气缸1中设有工作腔5，该工作腔的下边界通过在气缸套3中引导的、可上下运动的活塞2形成。在运行中通过在此未详细示出的、设置在气缸套3的下部区域中的进气缝隙给工作腔5加载主要由空气组成的充气并通过一同样未详细示出的、通常设置在气缸盖4的区域中的喷射装置给工作腔5加载燃料。在此类型的大型发动机中，活塞2 通过一在此未详细示出的活塞杆与一十字头相连接，该十字头通过一连杆与发动机的曲轴共同作用。为实现发动机的正常运行，也就是说为了避免燃烧气体从工作腔5强烈逸出到设置在活塞2下方的扫气箱中，设有接纳在活塞2上的、在气缸套3上刮擦的、沿活塞的运动方向前后顺序设置的活塞环6、7、8。这些活塞环共同形成所谓的活塞环组9，该活塞环组在所示实例中包括三个沿活塞2的运动方向前后顺序设置的活塞环6、7、8。也可设想采用更多的活塞环，或者少到两个的活塞环。每个活塞环6、7、8被接纳在活塞2的相配的活塞环槽10、11、12中。在所示实例中设有三个配设给三个活塞环6、7、8的、环绕的活塞环槽10、 11、12。活塞环组9的各活塞环以其径向外部的圆周区域覆盖在活塞2的外周与气缸套3 的内周之间的间隙13，并由此地实现向下密封工作腔5。活塞环6、7、8为了安装在活塞2上以及为了实现在气缸套3上的可靠贴靠而必须在径向方向上扩张。为此，环绕的活塞环具有相对可动的端部。这里所述端部可构造成使它们界定一从上向下贯通的缝隙，经该缝隙发生来自工作腔5的气体的泄漏。图2示出另一种类型的环绕封闭的、无缝隙的结构方式。图2所依据的活塞环具有按榫和槽形式彼此嵌接的端部区域。这里，在图2左侧，一端部区域设有向径向外侧并向下敞开的、腔室状的缺口 14。在图2右侧，另一端部区域设有沿圆周方向突出的指部15，所述指部的横截面与缺口 14的横截面相匹配并嵌接到缺口中。这里，缺口 14和指部15彼此的嵌接长度的尺寸确定为，使得在活塞环扩张的情况下完全不会由于磨损而消除彼此的嵌接。根据图1的活塞环组9构造成，使得最下面的，也就是说距工作腔5最远的活塞环 8气密地封闭间隙13。因此该最下面的活塞环8根据图2所示的结构原理设计成气密的活塞环。相反，给两个设置在前面的活塞环6、7配设有用于实现来自工作腔5气体的受控的泄漏的结构。该结构可以是上述类型的缝隙，或者也可以是其它结构，如使活塞环槽10、 11、12彼此连接的、设置在活塞侧的、孔等形式的流动通道，或者是活塞环侧的缺口或类似结构。在任何情况下都得到这样的流动路径，经由该流动路径使得设置在第一、也就是说最接近工作腔5定位的活塞环6后面的活塞环7、8能被来自工作腔5的气体加载。活塞环6、 7、8适宜地略低于相应的活塞环槽10、11、12，从而得到从间隙13通向活塞环槽10、11、12的径向内侧的区域的流动路径，相应地活塞环6、7、8在其径向内周的区域中为实现扩张而被来自工作腔5的气体加载。在所示实例中，应发生气体泄漏的两个上部的活塞环6、7同样按照气密活塞环的形式构成，但为了实现受控的泄漏，所述活塞环设有至少一个、优选多个圆周侧的槽16。在所示实例中，如图3所示，活塞环6、7应具有多个、在此四个在圆周上分布的圆周侧的槽16。 这些槽适宜地相对于环平面倾斜地设置，这有利于相配的活塞环的转动运动。图4最佳地示出，圆周侧的槽16的深度t大于间隙13的宽度b。这里，槽16的在运行中有效的通过横截面相当于活塞2未覆盖的、就是说突出于活塞2的外周的槽区域，从而得到一流动横截面，该横截面的面积由间隙宽度b与槽16的在图3中作为平行的槽侧面的距离示出的宽度 c的乘积得出。因为槽16的深度t大于间隙宽度b，所以所述横截面即使在相关的活塞环 6或7磨损的情况下也不会改变。深度t适宜地大于间隙宽度b与相关活塞环在可设想的使用寿命中允许的磨损厚度之和，使得所述通过横截面在整个使用寿命中都存在。圆周侧的槽16实现了将活塞环6，7上的受控的泄漏精确地确定到较低的水平。流动穿过由槽16形成的流动路径的泄漏气体分别到达通过两个活塞环界定的环形空间，在那里发生降压/膨胀(Entspanrumg)。但因为间隙13的宽度比较小，所以该降压在没有附加措施的情况下也非常小。因此，为了给气密的下部活塞环8卸荷，在该活塞环8 上部的区域中设置一膨胀室17，也就是说与不存在扩大的自由空间或容积的情况相比扩大的自由空间或容积。与在两个常规布置的、也就是说按照活塞环6、7的类型布置的活塞环之间的环形空间或如开头所述已知的布置结构布置的活塞环界定的、以18表示的类型的环形空间所能实现的降压相比，膨胀室17为泄漏气体提供了附加的降压可能，也就是说扩大的降压可能性。在根据图1的实施例中，膨胀室17直接布置在气密的活塞环8的前面，从而形成直接的作用连接。在膨胀室17中实现的所出现的气体的降压使得作用在下部的活塞环8 上的气体压力降低并且使得该加载延迟，所述加载因此与对布置在前面的活塞环7的加载间隔一时间间隔后才实现。这实现了能在较长的活塞行程范围上良好地利用可供使用的能量。另外由此出发，当在出现对下部的气密的活塞环8上最大加载时，在与气缸套3的接触区域中已建立了润滑膜。如上所述，膨胀室17的容积大于位于两个上部的活塞环6，7之间或位于已知布置结构的活塞环之间的环形空间18的容积，在那里没有为所出现的气体的附加的膨胀设置
膨胀室。在根据图1所示的实施例中，膨胀室17通过一活塞侧的缺口形成。所述缺口例如可以是径向的孔等。但适宜的是，如所示的示例中那样，设有用于形成膨胀室17的环绕的槽。如图1中用实线表示的，它可以具有类似于活塞环槽的构型。但也可以设想其它的横截面，如图1中用虚线表示的。为使活塞2的支承定位在膨胀室17上方的活塞环7的区域的承载能力不被膨胀室17损害，在配设给设置在膨胀室17前面的下部的活塞环8的活塞环槽12与相邻的、配设给第二活塞环7的活塞环槽11之间的距离与在配设给第一活塞环6的活塞环槽10和配设给相邻的第二活塞环7的活塞环槽11之间的正常槽距离相比是扩大的。由此还实现了通过活塞环7、8界定的环形空间的扩大，这引起自由空间的扩大并由此引起膨胀室17的扩大。在一些情况下这样扩大的环形空间可能便足以形成用于附加膨胀的膨胀室，从而能够放弃附加的活塞侧缺口。但通常在没有活塞侧缺口的情况下不能以希望的程度实现所希望的附加的膨胀。膨胀室17的必要的容积与在设置在前面的活塞环、这里是活塞环7的区域中期望的泄漏相协调。对于泄漏很弱的情况，膨胀室17的容积可以是常规的活塞环槽容积的一倍至两倍。对于泄漏很强的情况，可设想是活塞环槽容积的两到三倍的较大容积。所示的实例基于泄漏很弱的情况。因此，膨胀室17可以按活塞环槽的形式构成。对于活塞和活塞环组的组合这里适用的是，对于确定数量的活塞环应设定多一个槽的更大数量的活塞环槽。所以，在所示实例中，对于仅具有三个活塞环(一个气密的活塞环8和两个具有受控的泄漏的活塞环6、7)的活塞环组9使用具有四个活塞环槽的活塞2，其中一个活塞环槽，即从上面数第三个活塞环槽保持是空的，没有设置活塞环。因此，这些活塞环槽也不需要常规的铠装等。当然也可以设想其它数量的活塞环。在一种简单的情况下，也可以设置仅具有两个活塞环的活塞环组9，这两个活塞环即为下面的、气密地封闭间隙13的活塞环和上面的、允许受控的泄漏的活塞环以及设置在这两个活塞环之间的膨胀室17。如上所述，在设置在气密的活塞环8前面的膨胀室17中实现的、所出现的气体的附加的膨胀引起下部的气密的活塞环8的明显的卸荷，这对于其使用寿命产生有利的作用。设置在前面的活塞环6、7由于在此允许的、受控的泄漏而卸荷。这些活塞环可设计成， 使得活塞环组9的所有活塞环6、7、8的使用寿命大致相同。为此，可以例如通过相应地确定作为受控的泄漏的流动路径而设置的槽16的数量和/或宽度，来单独地确定在活塞环6、 7上的允许的、受控的泄漏。因此，上部活塞环6、7的槽16的整个横截面例如可以是不同的，例如使得形成这样的向下的分级，即，大致使得第一活塞环6用于受控泄漏的流动横截面大于设置在气密的活塞环8前面的第二活塞环7。也可设想，在具有受控的泄漏的活塞环 6、7之间的区域中同样提高所出现的气体附加的膨胀的可能性。上面的说明应理解为，本发明不限于所示的实施例。
权利要求
1.用于往复活塞式发动机的活塞，特别是用于两冲程式大型柴油机的活塞，所述活塞作为工作腔(5)的边界设置在配设的气缸套(3)中，其中在活塞( 和气缸套C3)之间的间隙(1 通过一活塞环组(9)覆盖，所述活塞环组具有多个前后顺序设置的、分别布置在活塞O)的配设的活塞环槽(10、11、12)中的活塞环(6、7、8)，所述活塞环能由来自工作腔 (5)的气体加载，其特征在于，只有距工作腔( 最远的活塞环(8)构造成无泄漏可能的气密的活塞环，为每个另外的、较靠近工作腔(5)定位的活塞环(6、7)配设用于实现来自工作腔(5)的气体的受控的泄漏的结构，在活塞环组(9)的至少两个前后顺序设置的活塞环之间设有至少一个膨胀室(17)，用于所出现的泄漏气体的附加的膨胀。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，膨胀室(17)的容积超过由两个无附加的膨胀容积地前后顺序设置的活塞环(6、7)界定的环形空间(18)的容积。
3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，在至少所述气密的活塞环(8)的前面直接设置至少一个膨胀室(17)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，所述膨胀室(17)包括至少一个活塞侧的缺口。
5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，属于膨胀室(17)的活塞侧的缺口构造成槽形的。
6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，属于膨胀室(17)的槽按照未被活塞环占据的活塞环槽的形式构成。
7.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，每个设置在两个活塞环之间的膨胀室(17)的容积至少等于一个活塞环槽(10、11、12)的容积。
8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，膨胀室的容积在活塞环槽(10、11、12)的容积的一倍到三倍的范围内。
9.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，所述活塞环组(9)至少具有所述一个气密的活塞环(8)和至少一个另外的活塞环(7)，所述另外的活塞环与气密的活塞环(8) —起限定膨胀室(17)并具有受控的泄漏。
10.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，设有三个适于分别容纳一个活塞环(6、7、8)的活塞环槽(10、11、12)和一个另外的槽，所述另外的槽用作膨胀室(17) 并位于最后一个和倒数第二个活塞环槽(11、12)之间。
11.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，在位于膨胀室(17)两侧的活塞环槽(11、12)之间的距离大于其余的活塞环槽(10、11)之间的距离。
12.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，所述气密的活塞环(8)具有按榫和槽的形式密封地彼此嵌接的端部。
13.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，每个设置在气密的活塞环 (8)前面的活塞环(6、7)同样具有按榫和槽的形式密封地彼此嵌接的端部，并且附加地设有用于受控的泄漏的缺口。
14.根据权利要求13所述的活塞，其特征在于，每个设置在气密的活塞环(8)前面的活塞环(6、7)都具有圆周侧的槽(16)，这些圆周侧的槽的深度⑴大于在活塞(2)与气缸套 (3)之间的间隙(13)的宽度(b)与在使用寿命上允许的活塞环厚度的磨损之和。
15.根据权利要求14所述的活塞，其特征在于，与设有圆周侧的槽的活塞环(6、7)的圆周侧的槽(16)的有效总流动横截面相对应的泄漏横截面小于开缝的活塞环的端部之间的横截面。
16.根据上述权利要求中任一项所述的活塞，其特征在于，对于每个为受控的泄漏设置的活塞环(6、7)单独地确定有效的泄漏横截面的尺寸，使得所有活塞环都具有相同的使用寿命ο
17.用于运行往复活塞式发动机的方法、特别是运行两冲程式大型柴油机的方法，其中通过设置在气缸套C3)中的活塞( 界定工作腔(5)，在活塞( 与气缸套C3)之间的间隙 (13)通过一活塞环组(9)覆盖，所述活塞环组具有多个前后顺序设置的、分别设置在活塞 (2)的配设的活塞环槽(10、11、12)中的活塞环(6、7、8)，所述活塞环能由来自工作腔(5) 的气体加载，其特征在于，在活塞( 与气缸套C3)之间的间隙(1 通过距工作腔(5)最远的活塞环(8)向下气密地封闭，在每个设置在距工作腔( 最远的活塞环(8)前面的活塞环(6、7)上允许受控的泄漏，泄漏气体的压力在到达距工作腔( 最远的活塞环(8)之前通过在至少一个为膨胀设置的膨胀室(17)中的膨胀而降低。
全文摘要
本发明涉及一种用于往复活塞式发动机的活塞，该活塞(2)界定工作腔(5)并可在气缸套(3)中移动，活塞和气缸套之间的间隙(13)通过活塞环组(9)覆盖，该活塞环组具有多个前后顺序设置的、分别设置在活塞(2)的对应活塞环槽(10、11、12)中的活塞环(6、7、8)，活塞环能由来自工作腔的气体加载，可这样实现功率损失的高度降低和活塞环的使用寿命基本上均衡活塞与气缸套之间的间隙通过距工作腔最远的活塞环(8)向下气密地封闭，在每个设置在距工作腔最远的活塞环前面的活塞环(6、7)上允许受控的泄漏，泄漏气体的压力在到达距工作腔最远的活塞环之前通过在至少一个为此设置的膨胀室(17)中的膨胀而降低。
文档编号F02F3/02GK102278201SQ201110123189
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月14日
发明者C·L·费尔特 申请人:曼柴油机涡轮机欧洲股份公司曼柴油机涡轮机德国分公司