[发明专利]密封套筒

说明书

具有在气缸中工作的往复式活塞的内燃机中，活塞和气缸壁之间具有良好的密封是必要的。这种密封通常由所谓的安置在活塞圆周上槽中的活塞环来实现。气缸内部的气压促使活塞环与活塞槽的一侧和气缸壁接触。活塞环和气缸壁之间的间隙以及活塞环和活塞槽侧边之间的间隙都因此将会变小。活塞环作为密封件并减少气体泄露。

气缸内部的气压可以相当高，特别是在用由压缩机或者涡轮增压器而实现增加的进气压力来操作的发动机中更是如此。这种高气压导致活塞环和活塞之间以及活塞环和气缸壁之间相应地具有高接触压力。活塞环和气缸壁之间的高接触压力表明了自身阻碍活塞在气缸中运动的摩擦力。这种摩擦力可以是较大的，即使使用润滑油来减少摩擦力，该摩擦力仍降低发动机的能量效率。所述摩擦力还导致局部产生热量，该热量可以损害润滑剂，导致磨损，严重地限制检修之间的操作时间以及缩短发动机的总体预期寿命。由于摩擦力取决于接触力并因而取决于气缸气压和几何尺寸，这种局部热效果问题在大型发动机中更为明显。

根据本发明，可以减少活塞密封件和气缸壁之间的摩擦力。这可以提高发动机的能量效率，减少磨损，增加检修之间的时间并延长发动机的预期寿命。本发明的中心是实现了活塞密封件和气缸壁之间的密封取决于活塞密封件和气缸壁之间的接触压力，同时摩擦力取决于接触力。即使活塞密封件和气缸壁之间的接触压力保持不变，活塞密封件和气缸壁之间的接触面积的减少也会降低摩擦力。

图1中表示了一种传统的活塞环并描述了一些相关的几何尺寸。在这个代表通过气缸和活塞的中间截面的附图中，1表示活塞，2表示气缸壁，3表示活塞环，4表示活塞环和活塞槽之间的密封区，5表示活塞环和气缸壁之间的密封区。

在一个理想化和简化的分析中，假定非变形体并且其中通过活塞环的气压差为P，以下可以看到(图1所描述的测量)：

a)活塞环和活塞槽之间(区域4)固体和固体的接触压力等于：

P.(w-(w-c)/2)/(w-c)＞P/2

这提供良好的接触和良好的密封。

b)活塞环和气缸壁之间(区域5)的固体和固体的接触压力等于：

P/2

这也提供良好的密封。

c)活塞环和气缸壁之间的摩擦力：

P.h.l.u/2(其中，u表示摩擦系数，l表示气缸壁的圆周长度)

假定密封槽中气油混合物的压力从一端到另一端为线性变化。由于活塞环弹性的力被忽略。

从c可以明显的看到，摩擦力和活塞环每圆周长度的摩擦力取决于活塞环的高度h。高度h越小，摩擦力将越小。包括例如往复式活塞环的弹性和变形的更复杂的模型并不会否定该结论。

对传统的活塞环来说，高度h由活塞环抵抗由于压力和摩擦力而产生变形的需要来决定。活塞本身和气缸壁之间的间隙(图1中的c)与气缸腔的尺寸常成比例地增加。为了抵抗过多的变形，传统的活塞环制作得很大以适合于大的气缸腔，即使压力P并没有增加。传统上，环的高度h通常制造为与气缸腔的直径成正比。

在大型船舶的发动机中，摩擦热对润滑系统和润滑油的质量提出了较高的要求。这种发动机的一个常见故障模式是所谓的“磨损(scuffing)”，即活塞环和气缸壁之间的润滑将失效。这将会对发动机造成严重的损坏。

本发明将关注于降低活塞密封件和气缸壁之间的摩擦。本发明的一个目的是提高发动机的能量效率。本发明的第二个目的是降低由活塞密封件和气缸壁之间的摩擦所导致的局部热量，从而提高润滑和寿命。

本发明使用密封套筒(sealing sleeve)，而不使用密封环。在图2中，显示了根据本发明的这种密封套筒的例子，以及描述了一些相关的几何尺寸。在代表一个如图1所示气缸和活塞的类似中间截面的图2中，1表示活塞，2表示活塞壁，3表示密封套筒，4表示密封套筒和活塞槽的密封区以及5表示密封套筒和气缸壁的密封区。假定活塞和密封套筒上存在高压。密封套筒3的外部具有一个环形切除空间6。该空间通过多个周向(annualy)间距孔7连接到密封套筒的背部，所述间距孔7使气压在环形切除空间6和密封套筒的背部的区域9之间得以均衡。区域9通过狭缝10与活塞上部的高压连通。

在一个对图1中传统活塞环先前做的相似的简单的分析中，我们得到图2中新的密封套筒：

a)密封套筒和活塞槽之间(区域4)固体与固体的接触压力等于：

P.(w-(w-c)/2)/(w-c)＞P/2

这提供良好的接触和良好的密封。

b)密封套筒和气缸壁之间(区域5)固体与固体的接触压力等于：

P/2