柴油內燃機的缸套的製作方法
2023-05-31 21:04:06
專利名稱：柴油內燃機的缸套的製作方法
技術領域：
本發明涉及柴油內燃機的缸套，該缸套具有基本上呈圓柱形內表面的工作表面，並且具有至少一個向內敞開的油道，該油道具有外部的潤滑油供給通道和至少一個凹口，該凹口只向著氣缸的內側開口。
在與缸套的連接中，存在一個公知的問題有時在不適當的情況下活塞環和缸套的工作表面之間產生咬缸。這種咬缸似乎沒有規律地產生，它們可能在新缸套的磨合期間和正常工作期間內隨機地產生。這種咬缸的產生被假設為發生在缸套的頂部上，在那裡活塞環和工作表面承受最重負荷。
在活塞的壓縮衝程過程中，所建立起來的壓力產生在活塞上方，由渦輪增壓器提供的掃氣從例如3bar和4bar之間的原始壓力在活塞頂部位置上壓縮到相當高的壓力如100bar到150bar的壓力。在壓縮衝程的第一部分，建立壓力較慢，並且直到活塞正到達它的頂部位置時為止絕大多數的壓力升高不會產生。在活塞頂部位置周圍，燃料閥打開，燃料噴射到氣缸並點燃，隨後燃燒期間的氣缸壓力增加到最大燃燒壓力，該燃燒壓力例如可能處於160和200bar之間，同時氣缸上部的溫度升高到超過500°。在燃燒期間，活塞頂上方的燃燒室內的巨大壓力升高引起燃燒氣體擴散到活塞環槽和活塞環之間的環形空間，在這裡壓力對環的背面起作用並把它們壓靠在缸套的工作表面上。燃燒期間的高溫也使得工作表面上的潤滑油膜的粘度變小，因此油膜很容易破裂。活塞在它的頂部位置周圍運動相對較慢從而進一步增加了油膜破裂的危險。因此，需要在工作表面上保持油膜的、與工作表面相對的活塞環的滑動速度很小。在膨脹衝程期間，活塞被向下推動，絕大多數的壓力降低發生在膨脹衝程的第一半部分，隨後壓力降低相對較慢，並剛好在活塞通過掃氣口之前，壓力一般已大約降低到掃氣的壓力。因此，與氣缸其它部分上的壓力負荷相比，氣缸頂部周圍區域的壓力負荷非常大。因此，無論從哪一點來看，缸套頂部周圍區域是承受最重負荷的工作表面的部分。
以前，人們進行了各種努力來防止在缸套下部區域內所產生的咬缸擴散到其它區域或者更大的區域。DK170430描述了帶有兩個呈槽形的環形凹口的缸套，這些凹口只向著氣缸的內側開口，並且這些凹口各自直接布置在掃氣口的上方和下方上。這些凹口收集由活塞環在膨脹衝程過程中向下推動的部分潤滑油，從而防止了咬缸擴散到這些凹口的上方區域上，而這種咬缸通過活塞裙部與缸套接觸可在掃氣口下方區域內產生並擴散。
JP-A6232207公開了一種缸套，該缸套帶有用來提供潤滑油的、位於缸套上部的進入口和呈凹口形的、環狀的鋸齒形油儲油器，該儲油器布置在掃氣口稍上的下部三分之一的缸套上。該凹口只向著缸套的內側開口並起著改善潤滑油分布的作用，活塞向下運動通過凹口期間潤滑油收集並保存在凹口內，並且隨後又把潤滑油釋放到活塞環中去。由於凹口是鋸齒形，因此在活塞通過掃氣口下方的底部位置之後向上運動通過儲油器時，潤滑油沿著環而分布。因此，凹口保留了潤滑油，否則潤滑油在掃氣口浪費掉了。
工作表面上的凹口的這些公知實施例布置在缸套的下部上，這就意味著在沒有負荷的情況下活塞環基本上通過凹口，因為燃燒室內的壓力在該活塞的這些位置上較低。
人們已經知道油膜的局部破裂可以產生咬缸，從而活塞環與工作表面直接接觸，因此形成了咬缸，而咬缸引起局部過熱，由於加熱使得在隨後的檢查中可以觀察到過熱損害了缸套和活塞環的材料。至此，咬缸的產生假設成由於缺少潤滑而由表面咬接所引起的，正在進行工作期間的咬缸導致不良熱量的產生，而熱量使材料具有咬缸的腿色特徵。
本發明的目的是以一種方式設計一種缸套，為的是在工作過程中，減少在活塞環和工作表面區域之間產生咬缸，而活塞環和工作表面之間的接觸壓力特別高。
根據這個目的，本發明的缸套的特徵在於這些凹口至少包括第一組和第二組，每組至少具有兩個凹口，這些凹口沿著缸套的圓周方向具有間斷的長度，在這些組上的凹口布置在頂部15％的工作表面長度上，這些不同組上的凹口沿著缸套縱向方向上以相互分離而布置，並且這些不同組上的凹口沿著缸套的圓周方向上以這樣的相互布置而布置，因此在平行於缸套軸線的工作表面上的任何線與這些凹口中的至少一個相交。
工作表面的頂部布置在缸套的縱向位置上，在該位置上頂部活塞環具有它的上死點，工作表面向下延伸到最下部活塞環的下死點。因此，工作表面的長度比衝程大出大約是環部件的高度。
事實上，靠近具有最重負荷的區域內的工作表面頂部的凹口位置除去了環的支撐區域，並採用了間斷的環支撐，這些導致環上的負荷較重和增加了咬缸的危險，但是儘管這樣，環和缸的磨損減少了，因為凹口干涉了咬缸的開始形成。
迄今為止，對咬缸形成的主要機構的一般理解大概是不正確的，因為它預先假定為逐步的平穩過程，該過程超過一段時間會導致咬缸。突然的、局部的特別過熱引發咬缸，而突然的、局部的特別過熱由活塞環和工作表面之間的大量摩擦所引起的，而大量磨擦的結果是在活塞環和工作表面之間形成了暫時的、有規律的粘接處。這種粘接產生在高燃燒壓力把活塞環推過工作表面上的油膜的膨脹衝程期間。由於燃燒壓力也把極其大的向下撞擊施加到活塞和活塞環這兩者上，因此立即又使活塞環與同時變得粗糙的工作表面上所扯下的材料分離開。這種扯下促使進一步產生熱量，因此產生了另外的粘接。在活塞環連續通過時，局部咬缸可能被弄平，或者擴散到工作表面的較大區域。
在活塞環移動的相反方向上工作表面上即使布置非常窄的凹口也幹涉在環繞凹口的區域內有效地開始形成咬缸。溫度升高是產生粘接的先決條件。如果活塞環使油膜破裂，那麼由於環與工作表面之間的摩擦增加引起熱量的產生。簡單地說，在環通過工作表面上的凹口的時刻，冷卻取代了加熱，由於活塞環和缸套這兩者的材料具有合適的較低正常溫度，因此熱量不斷地從活塞環上的被加熱位置傳導走。因此，熱量產生的暫時中斷足夠用來防止咬缸的開始形成。
除了減少咬缸的產生外，本發明的這些凹口具有本身是公知的另外的優點，即起著無源儲油器的作用並防止所產生的咬缸擴散。
把凹口布置在工作表面上的這樣位置不是簡單的事情，在該位置上活塞環被推出來緊緊地靠在工作表面上，並且上述的溫度和潤滑油條件處於極限。由於凹口除去了環的一些支撐區域，因此存在這樣的危險在通過凹口時它在活塞上的槽內變得扭曲，因為相對較薄且具有彈性的環承受重負荷。如果環扭曲了，那麼通過撞擊凹口的邊緣而使它損壞。
根據本發明，藉助於在缸套的圓周方向上形成帶有間斷長度的凹口，及藉助於沿缸套的縱向以相互分離的方式來布置它們，可以避免活塞環的這種扭曲和引起磨損。當活塞環通過一些凹口時，通過保留下來的這些凹口之間的工作表面來支撐它。
把這些間斷凹口布置成這樣在平行於缸套軸線的工作表面上的任何線至少與一個凹口相交，因此確保了在每個活塞衝程中活塞環圓周方向上的任何位置通過一個或多個冷卻凹口。
在這些組上的凹口可以形成為槽，而這些槽沿缸套的圓周方向延伸，這就提供了一種有利於簡單地製造缸套的可能性。例如，把這些槽切削成工作表面或者磨成工作表面。
在一組上的這些凹口最好位於缸套的同一縱向位置上，這就進一步使製造簡單，因為在機加工期間需要的定位較少。
此外，最好在每組上的這些凹口沿缸套圓周方向上具有最大為80％、最好最大為60％的工作表面圓周長的總長度。如果在一組上的這些凹口沿缸套圓周方向上具有超過80％的工作表面圓周長的總長度，那麼活塞環需要具有不適當高的剛度來避免在活塞環槽內的過度扭曲。如果在一組上的這些凹口在缸套圓周方向上具有最大為60％的工作表面圓周長的總長度，那麼這將會提供活塞環的滿意支撐，同時只需兩組凹口就可蓋住工作表面的整個圓周。
藉助於每組至少包括5個凹口、最好至少包括8個凹口來得到一個特別的優點，即在通過凹口時，使避免咬缸的需要與使活塞的扭曲最小的需要相平衡。就每組上的5個凹口、最好是8個凹口而言，活塞環沿圓周方向上的支撐區域之間的距離不大。
此外，在每組上的這些凹口沿工作表面的圓周而均勻分布，因此使缸套的製造簡單，並使通過這些凹口的活塞環部分的長度最小。
在優選實施例中，工作表面供活塞的活塞環來使用，活塞環具有預定的最小高度，在這些組中的凹口具有比活塞環的所述最小高度還小的高度，最好最大值為75％的這種最小高度，合適的高度為1-3mm的範圍內。如果凹口的高度比活塞環的最小高度大，那麼當它通過這些凹口時，它們將阻礙對至少一個活塞環的工作表面的密封。當凹口在壓縮和燃燒期間布置在帶有最大壓力的區域內時，這種阻礙將對發動機的效率具有負面影響。如果凹口的高度最大為75％的活塞環的最小高度，那麼將會有效地確保防止洩漏並改善活塞環的支撐。1到3mm之間的凹口高度將會有效地中斷咬缸的形成，同時保持一般具有超過10mm環高的活塞環的較好支撐。
屬於不同組的凹口沿著至少35mm的缸套縱向上相互具有間隔。以這種方式，在不同組上的凹口端部周圍區域上的應力集中之間可以避免相互幹擾。
本發明還涉及柴油內燃機的缸套，該缸套具有基本上是圓柱形的內表面，該內表面組成了活塞上的活塞環的工作表面，該活塞環具有預定的最小高度，並且至少具有一個帶有外部的潤滑油供給通道的、向內開口的油道和至少具有一個只向氣缸內側開口的槽，該缸套的特徵在於至少一個槽繞著缸套的整個內表面延伸，並具有比30％的活塞環最小高度還小的高度，這些槽沿缸套徑向上的深度比它們沿缸套縱向上的高度的一半大，並且被布置在頂部15％的工作表面長度上。
在這個實施例中，藉助於至少一個槽具有比30％的活塞環的最小高度還小的高度，可以防止由於活塞環的合成磨損所引起的活塞環在活塞環槽內的扭曲。因此，活塞環總是由工作表面來支撐，該工作表面位於與至少70％的活塞環高度相對應區域的上方，相應地，該活塞環通過槽而不會在活塞環槽內變得不適當的扭曲。如上所述，這些槽減少了咬缸的形成。
藉助於在缸套徑向上的深度比它們在缸套縱向上的高度的一半還大的槽，可得到缸套的合適使用壽命。例如，如果活塞環的最小高度是6mm，而且在正常平穩工作期間的工作表面每工作1000小時磨損接近0.02mm，那麼在這種情況下，這些槽將具有0.6mm的深度並將不會磨損下去直到不斷工作接近3.4年之後為止。通常，船用發動機設計來在每次維修檢查之間能不斷工作接近兩年，在那種情況下，所確定的槽深度被認為是合適的較低極限。
每個槽在缸套的固定縱向位置上沿著工作表面的圓周延伸。因此，如上所述，可防止槽阻礙活塞。
此外，至少可形成3個槽。當這個實施例的這些槽相對較窄時，可能有利於布置3個或更多個相互靠近的槽，從而提高阻止咬缸。
在頂部10％的工作表面長度上，這些槽之間的距離可能比8倍的槽的高度小。在工作表面最上部區域的這個相對較近的位置上，在具有最重負荷的工作表面的區域內基本上可防止咬缸的形成。
在第二個實施例中，每個槽在工作表面的圓柱形部分的端部之間向上和向下延伸，該部分的高度比活塞環的最小高度還小。以這種方式，可防止這些槽阻礙活塞環，同時對槽的相同區域而言環的支撐區域增加了。
就上述本發明的兩個實施例而言，在新製造的缸套上，凹口或槽具有至少2mm的深度是適合的，從而確保缸套有較長的使用壽命，而不需要重新機加內表面上的凹口或者槽。
油道位於凹口或槽的下方，從而防止油的供給受到缸套頂部上所產生的高壓影響。
現在，參照附圖，藉助於實施例中的例子，在下面進一步詳細地描述本發明，在附圖中
圖1表示缸套的局部側視圖、局部縱向剖視圖，在該圖中描述了一部分活塞處於上死點，圖2表示了在內表面上帶有凹口的缸套的最上部分的放大局部視圖，圖3表示了與圖2相對應的、在內表面上帶有凹口的缸套最上部分的第二實施例的放大局部視圖，圖4以較大比例表示在內表面上帶有凹口的缸套最上部分的第三實施例的放大局部視圖，圖5表示了與圖2的相對應的、在內表面上帶有凹口的缸套最上部分的第四實施例的放大局部視圖，及圖6表示了與活塞環和活塞結合起來的缸套工作表面上的凹口的放大橫截面圖。
圖1表示用於大型兩衝程十字頭型發動機上的缸套1。根據發動機的大小，可製成大小不同的缸套，而該缸套具有一般在250mm到1000mm範圍內的孔和一般在100cm到420cm範圍內的相應長度。缸套1常常由鑄鐵製成，並且它以是一個整體的或者被分成許多部分，這些部分沿著相互的延伸方向而裝配起來。在分段式缸套中，由塗有合適運轉層的鋼來形成上頭部分是可能的。上述那種十字頭型發動機具有高效壓縮比如1∶16-1∶20，而這種壓縮比在活塞環上引起重負荷。
藉助於把環形、向下的表面2布置在發動機的結構外殼或缸體上的頂板上，缸套1以公知的方式安裝在未示出的發動機上，隨後，把活塞3安裝在缸套內，把缸蓋4布置在它的環形、向上的表面5上的缸套頂部上，並藉助於未示出的缸蓋螺栓把它固定到頂板上。
缸套1具有基本上是圓柱形的內表面，該內表面構成了活塞3上的活塞環7的工作表面6。一環形排的掃氣口8布置在缸套的下部分上。活塞3沿著缸套的縱向方向在上死點和下死點之間運動，在上死點處活塞的上表面9位於缸蓋4的孔內，而在下死點處活塞的上表面剛剛位於掃氣口8的下端。工作表面6從剛好位於最上部活塞環的上死點上方處的上邊緣10延伸到剛好位於最下部的活塞環的下死點下方處的下邊緣11。波浪形潤滑油道12布置在上部三分之一的工作表面下方的缸套的內表面上，潤滑油通過進入孔13加入到工作表面，從而潤滑位於缸套的內表面上的工作表面6。
在用a來表示的區域內，該區域構成了頂部15％的工作表面長度，許多凹口布置在工作表面6上，這些凹口只朝著缸套的內側開口。
圖6表示了部分工作表面6和活塞3的縱向放大剖視圖。活塞3具有活塞環槽16，而活塞環7以公知的方式布置在活塞環槽16內。活塞環槽16比活塞環7高，在燃燒過程中，燃燒氣體從上面通過間隙17擴散到環槽16的底部和活塞環的圓柱形內表面之間的環形空間18內。由於燃燒氣體的高壓作用，因此彈性活塞環7沿著箭頭所示方向被推靠在工作表面6上，而該工作表面6覆蓋了潤滑油膜19，因此活塞環7密封與工作表面6相對的活塞3。工作表面6布置有凹口14，本實施例中的凹口14形成為銳緣的槽，但是它在過渡到工作表面6的地方也具有圓邊緣20。當活塞上下移動時，把潤滑油刮到凹口14內。
凹口14的高度比活塞環7的高度小得多，相應地，當通過凹口14時，工作表面6很好地支撐著活塞環。在沒有示出的第二實施例中，凹口14的高度比活塞環7的高度大，從而使得氣體通過一個或多個活塞環7而有一定的洩漏。
如果位於活塞環7的外表面上的位置22被過熱，那麼在通過凹口14時這個位置就冷卻了。如果與期望的相反，在活塞環7上的的位置22和工作表面6之間形成了粘接，那麼藉助於通過凹口14的位置來防止這種粘接擴散，藉助於凹口的一個邊緣20可以弄平任何主要的不平處。
圖2表示缸套最上部的局部放大視圖，在所示出的實施例視圖中，區域a(見圖1)在工作表面6上具有兩組凹口14。每組構成了一排呈槽形14的凹口，該這些凹口以間隔21而布置，該這些凹口沿著垂直於缸套的縱向軸線而布置。這些間隔21組成了支撐表面，當它們向上或向下通過該排槽時該表面支承活塞環7，因此活塞環7在環槽內不會變得扭曲了。這幾排槽14沿著缸套的縱向方向相互間隔布置，最上排的這些槽沿著圓周方向與底排的這些槽稍微重疊，因此平行於缸套縱向方向的工作表面上的任何線與一個或者多個槽14相交。這些槽均勻地分布在圓周方向上並具有相同的長度。對如直徑為700cm的缸套1而言，每組具有11個槽是合適的，其中每個槽的長度為125mm、高度為2mm-3mm及深度為2mm-3mm。如果僅採用了兩組，最上排的這些槽接近位於距工作表面的最上部邊緣10為100到200mm處，底排的這些槽位於最上排下方處大約為50mm處。多排提高了防止咬缸的效果，但是缸套的製造費用相應地提高了。
圖3表示了缸套的另一個實施例，根據該實施例呈槽形14、15的3組凹口布置在工作表面6上，並且沿著缸套的縱向方向相互分開。頂部那組和底部那組這兩組組成了一排間隔布置的槽14，而這些槽14沿著垂直於缸套的縱向軸線的線而布置。中間的那組組成了一排向上和向下交替傾斜的槽。這些槽沿著圓周方向稍微重疊，因此在平行於缸套的縱向方向上的工作表面上的任何線與一個或多個槽14、15相交。
圖4表示缸套1的另一個實施例，在該實施例中，凹口包括3組，每組具有一排呈孔形23的圓形凹口。這些孔23均勻分布並在圓周方向上相互可以替換，它們具有合適的直徑，從而在圓周方向上稍微重疊。
根據本發明，措詞「一組凹口」應該理解為廣義上的一組凹口。參照圖4的實施例，當這些組相互沿著圓周方向而替換時，每組可理解為3個孔傾斜地布置在相互的下方上。一組凹口包括這些布置在缸套上的不同縱向位置上的凹口。
圖5表示本發明的另一個實施例，在該實施例中，凹口包括5個窄的圓形槽24，這些槽繞著工作表面的整個圓周方向連續地延伸並相互鄰近地布置。槽的高度最大為30％的活塞環的最小高度，基本上與圖6的示意圖相一致。這些窄的槽使得活塞環通過槽時，而不會產生這種使環的邊緣撞擊槽邊緣的變形。
在本發明的範圍內，形成許多種不同形狀的凹口是可能的，如波浪形軌跡、直線型的或角狀的軌跡，把不同的實施例結合起來也是可能的。例如，如果它們的高度較小，那麼沿圓周方向把間斷的凹口設置得更加相互靠近。
工作表面最上部區域的凹口或者槽的位置容易受到最重負荷的影響，該位置對引起咬缸的機構具有破壞效果。當最上部區域不產生咬缸時，活塞環幾乎不會引起咬缸，因為環負荷較小並在工作表面上進一步降低。
權利要求
1.一種柴油內燃機的缸套(1)，它具有基本上呈圓柱形的內表面(6)的工作表面，並具有至少一個帶有外部的潤滑油供給通道(13)的、向內開口的油道(12)和至少一個凹口(14，15，23)，該凹口只向氣缸的內側開口，其特徵在於這些凹口(14，15，23)至少包括第一組和第二組，每組至少具有兩個沿缸套圓周方向具有間斷長度的凹口(14，15，23)，在這些組上的凹口(14，15，23)位於頂部15％的工作表面(6)的長度上，不同組上的凹口(14，15，23)在缸套(1)的縱向上以相互分離的方式而布置，並在缸套(1)的圓周方向上以這樣的相互布置以致在平行於缸套軸線的工作表面(6)上的任何線至少與這些凹口(14，15，23)中的一個相交。
2.如權利要求1所述的缸套(1)，其特徵在於在這些組上的凹口形成為槽(14)，該槽(14)在缸套的圓周方向上延伸。
3.如權利要求1或2所述的缸套(1)，其特徵在於在一組上的凹口(14，15，23)位於缸套(1)的同一縱向位置上。
4.如權利要求1-3任一所述的缸套(1)，其特徵在於在每組上的凹口(14，15，23)沿缸套(1)的圓周方向上具有最大為80％和最好最大為60％的工作表面(6)的圓周長的總長度。
5.如權利要求1-4任一所述的缸套(1)，其特徵在於每組至少包括5個、最好至少包括8個凹口(14，15，23)。
6.如權利要求1-5任一所述的缸套(1)，其特徵在於在每組上的凹口(14，15，23)沿著工作表面(6)的圓周均勻分布。
7.如權利要求1-6任一所述的缸套(1)，其特徵在於工作表面(6)供活塞(3)的活塞環(7)使用，活塞環(7)具有預定的最小高度，在這些組上的凹口(14，15，23)具有比活塞環(7)的所述最小高度還小的高度，最好最大為這種最小高度的75％，合適的高度在1-3mm的範圍內。
8.如權利要求1-7任一所述的缸套(1)，其特徵在於屬於不同組的凹口(14，15，23)在至少35mm的缸套(1)的縱向上相互具有間隔。
9.一種柴油內燃機的缸套(1)，它具有基本上呈圓柱形的內表面，該內表面構成了活塞(3)的活塞環(7)的工作表面(6)，該活塞環(7)具有預定的最小高度，該缸套具有至少一個帶有外部潤滑油供給通道(13)的、向內開口的油道(12)和至少一個槽(24)，該槽只向氣缸的內側開口，其特徵在於至少一個槽(24)繞著缸套(1)的整個內表面(6)延伸，並具有比30％的活塞環(7)最小高度還小的高度，這些槽(24)沿缸套(1)的徑向具有比它們沿缸套(1)縱向上高度的一半還大的深度，這些槽布置在頂部15％的工作表面(6)長度上。
10.如權利要求9所述的缸套(1)，其特徵在於每個槽(24)在缸套(1)的固定縱向位置上沿著工作表面(6)的圓周延伸。
11.如權利要求9或10所述的缸套(1)，其特徵在於這些槽(24)至少包括3個槽(24)。
12.如權利要求9-11任一所述的缸套(1)，其特徵在於在頂部10％的工作表面(6)的長度上，槽(24)之間的距離比8倍的槽高度還小。
13.如權利要求9、11或12任一所述的缸套(1)，其特徵在於每個槽(24)在工作表面(6)的圓柱形部分的端部之間向上和向下延伸，該部分的高度比活塞環(7)的最小高度小。
14.如權利要求1-13任一所述的缸套(1)，其特徵在於凹口(14，15，23，24)或槽(24)在新製造的缸套(1)上至少具有2mm的深度。
15.如權利要求1-14任一所述的缸套(1)，其特徵在於油道(12)位於凹口(14，15，23，24)或者槽的下方。
全文摘要
一種柴油內燃機的缸套(1)具有至少一個帶有外部潤滑油供給通道的、向內開口的油槽,並至少具有第一組和第二組向內開口的凹口,每組至少具有兩個沿缸套圓周方向具有間斷長度的凹口(14)。在這些組上的凹口(14)位於頂部15%的工作表面(6)的長度上,不同組上的凹口(14)在缸套(1)的縱向上以相互分離的方式而布置,並在缸套(1)的圓周方向上相互排列。
文檔編號F02B3/06GK1256740SQ98805180
公開日2000年6月14日 申請日期1998年5月11日 優先權日1997年5月16日
發明者艾爾令·布萊達爾·安德森, 阿蘭·奧斯特格德 申請人:曼B與W狄賽爾公司