活塞结构和发动机

技术领域

本申请涉及汽车技术领域，特别是涉及活塞结构和发动机。

背景技术

活塞环是具有一定弹性的金属密封环，装配于活塞槽中，与活塞一同密封发动机的气缸。在发动机工作时，活塞环会受到气缸中的高温、高压燃气的作用，在气缸内高速运动。因此，活塞环是发动机中工作环境恶劣、使用寿命最短的零件之一。

在活塞环移动时，为降低活塞环和气缸内壁之间的摩擦，常会在活塞环与气缸内壁之间添加润滑油。然而在活塞环移动时，活塞环会将活塞环与气缸内壁之间的润滑油不断挤入燃烧室内，润滑油会随可燃物燃烧，使燃烧室积碳增多以及润滑油消耗量增大，甚至会造成发动机发生爆震现象。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种活塞结构和发动机，以阻止润滑油进入燃烧室，降低润滑油的损耗，提升发动机的稳定性。

本申请一方面提供了一种活塞结构，用于发动机，发动机包括气缸，活塞结构包括：活塞本体，活塞本体设置于气缸内，活塞本体的外周面上设有朝向气缸的第一活塞槽；以及活塞环组，活塞环组包括第一活塞环单元，第一活塞环单元能够安装于第一活塞槽内，第一活塞环单元包括储油槽，储油槽能够储存设置于活塞结构和气缸内壁之间的润滑油，在活塞本体的轴向上，储油槽的两侧形成有抵接面，抵接面能够抵接于气缸的内壁。

在其中一个实施例中，第一活塞环单元包括第一活塞环和第二活塞环，在活塞本体的轴向上，第一活塞环的一侧能够抵接于第一活塞槽的其中一个侧壁，第一活塞环的另一侧抵接于第二活塞环的一侧，第二活塞环的另一侧能够抵接于第二活塞槽的另一个侧壁，在活塞本体的径向上，第一活塞环和第二活塞环能够抵接于气缸的内壁，第一活塞环和第二活塞环之间形成有储油槽。

在其中一个实施例中，第一活塞环包括抵接于第二活塞环的第一壁以及抵接于气缸内壁的第二壁，第二壁由第一壁远离活塞本体的周缘沿远离第二活塞环的方向弯折延伸，第一壁和第二壁形成第一储油槽，第二活塞环包括抵接于第一活塞环的第三壁以及抵接于气缸内壁的第四壁，第四壁由第三壁远离活塞本体的周缘沿远离第一活塞环的方向弯折延伸，第三壁和第四壁形成第二储油槽，第一储油槽和第二储油槽共同形成储油槽，至少部分第二壁和至少部分第四壁被配置为抵接面。

在其中一个实施例中，第二壁包括第一圆弧面和与第一圆弧面相连的第一平面，第一圆弧面被配置为由第一壁远离活塞本体的周缘沿远离第二活塞环的方向弯折形成，第四壁包括第二圆弧面和与第二圆弧面相连的第二平面，第二圆弧面被配置为由第三壁远离活塞本体的周缘沿远离第一活塞环的方向弯折形成，第一平面和第二平面均能够抵接于气缸的内壁，第一圆弧面和第二圆弧面均配置为朝远离活塞本体的方向弯曲。

在其中一个实施例中，第一活塞环上设有第一开口，第二活塞环上设有第二开口，第一开口和第二开口错开设置。

在其中一个实施例中，第一开口和第二开口被配置为在活塞本体的径向上呈180度设置。

在其中一个实施例中，活塞本体还设有第二活塞槽和第三活塞槽，第二活塞槽和第三活塞槽沿活塞本体的周向延伸，第一活塞槽、第二活塞槽和第三活塞槽沿活塞本体的轴向依次设置；活塞环组还包括第二活塞环单元以及第三活塞环单元，第二活塞环单元能够安装于第二活塞槽内，第三活塞环单元能够安装于第三活塞槽内。

在其中一个实施例中，第二活塞环单元包括密封环，密封环套设于第二活塞槽上，在活塞本体的轴向上，密封环能够抵接于第二活塞槽的两个侧壁，在活塞本体的径向上，密封环能够抵接于气缸的内壁。

在其中一个实施例中，至少部分密封环的横截面积沿活塞本体的轴向增大，使得密封环能够抵接于气缸的内壁。

在其中一个实施例中，第三活塞环单元包括衬环以及沿活塞本体的轴向设置于衬环两侧的两个刮片，衬环和刮片均能安装于第三活塞槽中，在活塞本体的轴向上，两个刮片能够在衬环的作用下分别抵接于第三活塞槽的两个侧壁，在活塞本体的径向上，两个刮片能够在衬环的作用下抵接于气缸的内壁。

本申请另一方面提供了一种发动机，发动机包括如上述的活塞结构。

上述活塞结构通过在第一活塞环单元上设置用于储存润滑油的储油槽，在活塞环随活塞运动时，润滑油能够储存在储油槽中，从而阻止润滑油进入气缸的燃烧室内，避免了燃烧室内的积碳，提升了发动机的稳定性，并且储油槽中的润滑油能够均匀地分布在气缸的内壁上，在活塞结构和气缸之间形成更为稳定的油膜，减小了活塞结构与气缸之间的摩擦，降低了活塞结构和气缸的磨损以及润滑油的损耗。

附图说明

图1为本申请一实施例中的发动机的局部示意图。

图2为图1中的A区域的放大示意图。

图3为本申请一实施例中的活塞结构的爆炸图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1到图2，图1和图2示出了本申请一实施例中的发动机100的局部示意图。

本申请一实施例提供了一种发动机100，发动机100包括活塞结构10和气缸20，活塞结构10容纳于气缸20内，并且活塞结构10能够相对气缸20运动。通过活塞结构10在气缸20内运动而压缩气缸20的可燃物，提高可燃物的压力和温度。在可燃物燃烧时，产生的压力能够推动活塞结构10在气缸20内运动，使得可燃物的内能转化为机械能，以推动车辆或者机械设备的运动，产生动力输出。

参阅图3，图3示出了本申请一实施例中的活塞结构10的示意图。

活塞结构10包括活塞本体11和活塞环组12。活塞本体11设置于气缸20内，与气缸20的内壁间隙配合，活塞本体11的外周面上设有沿活塞本体11的周向延伸的环形的第一活塞槽111。活塞本体11通过与活塞杆连接，与曲轴一起实现往复运动。

活塞本体11一方面能够压缩空气，在活塞本体11下行冲程时，将进入气缸20的燃料与空气混合物压缩，增加气体的压力和温度，为燃烧做准备。活塞本体11另一方面能够推动活塞杆，通过活塞杆将动力传递给连杆，然后由连杆传递给曲轴，最终将往复运动转化为旋转运动，提供动力输出。

活塞环组12能够与气缸20的内壁接触并形成密封，防止高压气体从气缸20顶部泄漏到底部，同时防止润滑油进入燃烧室。活塞环组12还可以将活塞本体11上产生的热量传递给气缸20内壁，以保持发动机100的温度。在活塞环组12与气缸20内壁之间的细微间隙可以存储一定量的润滑油，以减少活塞结构10与气缸20内壁之间的摩擦，并提供润滑和冷却。

参阅图1和图2，活塞环组12包括第一活塞环单元121，第一活塞环单元121能够安装于第一活塞槽111内，在活塞本体11的轴向上，第一活塞环单元121能够抵接于第一活塞槽111，在活塞本体11的径向上，第一活塞环单元121能够抵接于气缸20的内壁。第一活塞环单元121包括储油槽1211，储油槽1211能够储存设置于第一活塞环单元121和气缸20内壁之间的润滑油，润滑油用于活塞结构10的润滑。在活塞本体11的轴向上，储油槽1211的两侧形成有抵接面，抵接面能够抵接于气缸的内壁。

通过在第一活塞环单元121上设置用于储存润滑油的储油槽1211，在活塞机构10上下运动时，储油槽1211中的润滑油能够均匀地分布在气缸20的内壁上，改善了活塞机构10和气缸20之间的润滑状态，增加了活塞机构10和气缸20之间的油膜厚度，使得活塞机构10和气缸20之间形成更稳定的油膜，减小了活塞机构10与气缸20之间的摩擦和磨损，以延长活塞机构10和发动机100的寿命，减少了润滑油的损耗，降低了生产成本。

进一步地，在活塞机构10向上运动时，润滑油能够储存于储油槽1211中，阻止过多的润滑油移动至活塞本体11的顶端而进入气缸20的燃烧室中而形成燃烧室内的积碳，提升了发动机100的稳定性，避免发动机100动力下降、油耗增加、噪音加大、汽车舒适性变差、排放恶化，提高发动机100的可靠性。

在一些实施例中，第一活塞环单元121包括第一活塞环1212和第二活塞环1213，在活塞本体11的轴向上，第一活塞环1212的一侧抵接于第一活塞槽111的其中一个侧壁，第一活塞环1212的另一侧抵接于第二活塞环1213的一侧，第二活塞环1213的另一侧抵接于第二活塞槽112的另一个侧壁，在活塞本体11的径向上，第一活塞环1212和第二活塞环1213能够抵接于气缸20的内壁，第一活塞环1212和第二活塞环1213之间形成有储油槽1211。

第一活塞环1212和第二活塞环1213的设置一方面能够形成储油槽1211，防止润滑油进入燃烧室，另一方面第一活塞环1212和第二活塞环1213能够在第一活塞槽111中形成两道密封带，能够有效降低发动机100的漏气量。

特别是随着汽车领域的发展，为降低汽车领域的碳排放，出现了氢气发动机100。但由于氢气作为发动机100的工质，有易燃、易爆的特点，另外由于燃烧产物主要为水，润滑油易产生乳化等问题。为延缓润滑油的劣化周期以及提升发动机100可靠性，氢气发动机100需要严格控制发动机100的漏气量。如果过多的残余废气经活塞环、活塞本体11与气缸20之间的间隙进入气缸20，残余废气中的水会造成润滑油乳化，残余废气中的氢气如果达到4％以上的浓度则可能有爆炸的风险。

本申请中的活塞结构10用于氢气发动机100时，第一活塞环1212和第二活塞环1213的设置能够有效降低氢气发动机100的漏气量，避免因漏气造成的润滑油劣化的问题以及爆炸的风险，提升了氢气发动机100的可靠性和稳定性。

在可行的实施例中，第一活塞环1212和第二活塞环1213的形状结构一致，第一活塞槽111为正常的活塞环槽，相较于改善活塞环的材质，该方式工艺简单，安装方便，具有良好的适用性，降低了生产成本，可实现大规模的工业化生产。

在一些实施例中，参阅图2，第一活塞环1212包括抵接于第二活塞环1213的第一壁1212a以及抵接于气缸20的内壁的第二壁1212b，第二壁1212b由第一壁1212a远离活塞本体11的周缘沿远离第二活塞环1213的方向弯折延伸，第一壁1212a和第二壁1212b形成第一储油槽。

第二活塞环1213包括抵接于第一活塞环1212的第三壁1213a以及抵接于气缸20的内壁的第四壁1213b，第四壁1213b由第三壁1213a远离活塞本体11的周缘沿远离第一活塞环1212的方向弯折延伸，第三壁1213a和第四壁1213b形成第二储油槽，第一储油槽和第二储油槽共同形成储油槽1211。至少部分第二壁1212b和至少部分第四壁1213b被配置为抵接面。

第二壁1212b和第四壁1213b一方面实现了活塞结构10和气缸20之间的密封，另一方面形成第一储油槽和第二储油槽，该方式简单可靠，降低了生产成本，并且第一储油槽和第二储油槽配合形成总的储油槽1211，尽可能大的利用了第一活塞环1212和第二活塞环1213之间的空间，在不影响第一活塞环1212和第二活塞环1213自身结构的基础上，实现了较多的润滑油的储存，改善了活塞环与气缸20之间的磨损，避免了润滑油进入气缸20而造成发动机100的爆震，提升了发动机100的可靠性。

进一步地，第二壁1212b包括第一圆弧面和与第一圆弧面相连的第一平面，第一圆弧面由第一壁1212a远离活塞本体11的周缘沿远离第二活塞环1213的方向弯折形成。第四壁1213b包括第二圆弧面和与第二圆弧面相连的第二平面，第二圆弧面由第三壁1213a远离活塞本体11的周缘沿远离第一活塞环1212的方向弯折形成。第一平面和第二平面形成抵接面，均能够抵接于气缸20的内壁，第一圆弧面和第二圆弧面均配置为朝着远离活塞本体11的方向弯曲。

第一平面和第二平面的设置使得活塞环和气缸20之间能够处于密封的状态，且润滑油能够有效润滑第一平面和第二平面，降低活塞结构10与气缸20之间的摩擦。第一圆弧面和第二圆弧面的设置能够使得储油槽1211中的润滑油容易地进入活塞结构10和气缸20之间，减小活塞结构10的磨损，并且圆弧状的设置对于气缸20内壁的适用性和活塞本体11偏摆的适应性均较好。

进一步地，第一活塞环1212和第二活塞环1213均设置于第一活塞槽111中，能够最低限度地减小环高的尺寸，不改变活塞本体11的压缩高度，使得发动机100更为紧凑。可选地，第一活塞环1212和第二活塞环1213均为矩形桶面环。

在其他实施例中，第一活塞环1212和第二活塞环1213为一体化设置。在可行的实施例中，第一活塞环单元121包括第一活塞环1212，在第一活塞环1212的中部设置储油槽1211，以实现润滑油的储存。

在一些实施例中，参阅图3，第一活塞环1212上设有第一开口1212c，第二活塞环1213上设有第二开口1213c，第一开口1212c和第二开口1213c错开设置。通过第一开口1212c和第二开口1213c分别对第一活塞环1212和第二活塞环1213进行扩张，使得第一活塞环1212和第二活塞环1213能够安装至第一活塞槽111内。

通过第一开口1212c和第二开口1213c错开设置，使得第一活塞环1212和第二活塞环1213之间能够保持封闭状态，降低气流流通面积，增强了第一活塞环1212和第二活塞环1213的节流作用，降低了漏气量，提升了第一活塞环1212和第二活塞环1213的密封效果，同时由于密封作用的提升，能够间接提升发动机100的有效功率，对于提升发动机100的热效率也具有一定的好处。

此外，第一开口1212c和第二开口1213c错开设置能够防止由于活塞结构10运动引起的润滑油流入燃烧室中，通过第二开口1213c的润滑油会被第一活塞环1212所阻挡，而不会由第一开口1212c流出，润滑油的上行量减少，仅能起到润滑作用。

优选地，第一开口1212c和第二开口1213c在活塞本体11的径向上呈180度设置。该设置增强了第一活塞环1212和第二活塞环1213之间的密封性，并且使得活塞环组12之间获得较长的迷宫式漏气路线，增加漏气阻力，减小漏气量。

在一些实施例中，活塞本体11还设有第二活塞槽112和第三活塞槽113，第二活塞槽112和第三活塞槽113沿活塞本体11的周向延伸，第一活塞槽111、第二活塞槽112和第三活塞槽113沿活塞本体11的轴向依次设置。活塞环组12还包括第二活塞环单元122以及第三活塞环单元123，第二活塞环单元122能够安装于第二活塞槽112内，第三活塞环单元123能够安装于第三活塞槽113内。

设置于第一活塞槽111中的第一活塞环单元121和设置于第二活塞槽112中的第二活塞环单元122均用来密封气缸20燃烧室内的可燃混合气体，设置于第三活塞槽113中的第三活塞环单元123用来刮出气缸20上多余的机油。第一活塞环单元121和第二活塞环单元122的设置可以增加润滑油膜的稳定性和厚度，有效减少摩擦损失，延长活塞结构10和气缸20的使用寿命。

在本申请揭示的实施例中，第二活塞环单元122包括密封环1221，密封环1221套设于第二活塞槽112上，在活塞本体11的轴向上，密封环1221能够抵接于第二活塞槽112的两个侧壁，在活塞本体11的径向上，密封环1221能够抵接于气缸20的内壁。在可行的实施例中，第二活塞环单元122也可以设置为上述实施例中的第一活塞环单元121的结构，即第二活塞环单元122通过如两个密封环1221的结构形成储油槽1211。

密封环1221的设置实现了第二活塞槽112的密封，通过第一活塞环1212、第二活塞环1213和密封环1221的叠加，为活塞结构10提供了更多的密封层，增加了对于燃气泄露的阻挡，提高了活塞环和气缸20之间的密封效果，大幅度降低了发动机100的漏气量，提高发动机100的效率和性能。

在一些实施例中，至少部分密封环1221的横截面积沿活塞本体11的轴向增大，使得密封环1221能够抵接于气缸20的内壁，即密封环1221的横截面设置为具有切口的矩形，密封环1221为外切口扭曲环或者内切口扭曲环。在其他实施例中，密封环1221也可以为矩形环、锥形环、桶形环、梯形环等。

至少部分密封环1221的横截面积沿活塞本体11的轴向增大使得密封环1221的截面不对称，压应力和拉应力的轴线不重合，造成密封环1221发生微量的扭曲变形，使密封环1221的边缘与第二活塞槽112的两个侧壁接触，防止密封环1221在第二活塞槽112的上下窜动，避免将气缸20内壁上的润滑油不断挤入燃烧室内，提升发动机100的稳定性，并且增加了活塞结构10和气缸20之间的密封性。

由于密封环1221发生了扭曲，使密封环1221在气缸20内向下运动时刮油，向上运动时由于斜面的油楔作用，密封环1221可在油膜上浮起，将润滑油涂到气缸20内壁上，而在做功行程时，气体压力使密封环1221不再扭曲，起到密封和散热的作用。

在一些实施例中，第三活塞环单元123包括衬环1231以及沿活塞本体11的轴向设置于衬环1231两侧的两个刮片1232，衬环1231和刮片1232均能安装于第三活塞槽113中，在活塞本体11的轴向上，两个刮片1232分别抵接于第三活塞槽113的两个侧壁，在活塞本体11的径向上，衬环1231能够抵接于第三活塞槽113的底壁，两个刮片1232能够抵接于气缸20的内壁。

第三活塞环单元123的作用是活塞结构10上行时，使飞溅在气缸20内壁上的润滑油均匀分布，有利于活塞本体11、活塞环组12和气缸20的润滑；活塞下行时，刮除气缸20内壁上多余的润滑油，防止润滑油窜入燃烧室燃烧。

当第三活塞环单元123安装到第三活塞槽113后，衬环1231在轴向和径向上都受到压缩，在衬环1231弹力的作用下，可使两个刮片1232紧紧压向气缸20内壁，提高了刮油效果，同时两个刮片1232也紧紧得抵靠在第三活塞槽113的侧壁上，使得第三活塞环单元123和第三活塞槽113之间没有侧隙，减少了第三活塞环单元123的泵油作用。衬环1231和两个刮片1232的接触压力高，对气缸20内壁的适应性好，而且回油通路大，重量小，刮油效果明显。在其他实施例中，第三活塞环单元123也可以为整体式油环。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。