CN101403348B

CN101403348B - 往复运动内燃机的活塞环

Info

Publication number: CN101403348B
Application number: CN2008100949302A
Authority: CN
Inventors: 牧野武郎; 吉原定男; 渡边启; 细川直史
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Japan motor Limited by Share Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: DE602008002794D1; JP2009091927A; DK2045488T3; EP2045488A1; CN101403348A; KR20090035413A; EP2045488B1

Abstract

本发明提供了一种往复运动内燃机的活塞环，通过以最大限度增大活塞环外周面的第1曲面半径R，能够提高气体密封性，防止因活塞环的外周面与汽缸套的滑动面之间的气体密封能力不足引起的窜气量增大，防止因窜气量增大引起的活塞环内表面部的污染增大，防止因窜气中所含的亚硫酸气体导致汽缸套3的滑动面3a周边被硫酸腐蚀的增大，并且，能够降低接触压力。沿轴向将接触汽缸套滑动面的活塞环的外周面形成为曲率半径R的曲面的活塞环，其特征在于：相对于发动机的缸内径D，将上述外周面的曲率半径R设定为R＝1.18D～1.35D的圆弧轮廓。

Description

往复运动内燃机的活塞环

发明领域

本发明涉及往复运动内燃机的活塞环，其沿轴向将滑动接触发动机的汽缸套内周面的滑动面形成曲率半径R的曲面，特别涉及柴油发动机等往复运动内燃机的活塞环。

背景技术

图2(A)为大型柴油内燃机的燃烧室周围的示意性剖面图，图2(B)为活塞环安装部附近的局部剖面图。在图2中，在沿活塞1高度方向形成的环槽1a中分别插入多个活塞环2，在该活塞1中，上述活塞环2的外周面2a一边滑动接触汽缸套3的滑动面3a，一边往复运动。在该活塞1的上部形成向发动机燃烧室6开口的环侧面间隙7，在该环侧面间隙7中填充来自燃烧室6的燃烧气体。

由标号4标示的汽缸盖覆盖上述汽缸套3的上面，在该汽缸盖、汽缸套3以及活塞1的上面形成上述燃烧室6。另外，在这种大型柴油内燃机中，在燃烧室6的中央部插入大直径的排气阀5。另外，将上述活塞1的输出从活塞杆8传递至图中未示出的曲轴。

图4为大型柴油内燃机的活塞环的放大剖面图，嵌插在上述环槽1a内的活塞环2一边使其外周面2a滑动接触汽缸套3的滑动面3a，一边往复运动。该活塞环2的外周面2a通过圆滑连接与半径R0的上述滑动面3a接触的第1曲面、连接该第1曲面R0与上表面侧2s的上表面侧曲面R1以及连接该第1曲面R0和下表面侧2t的下表面侧曲面R2形成。

由于上述大型柴油内燃机中的活塞环2相对于汽缸轴向作用倾斜的力，因此，从提高初始摩擦性的观点考虑，与汽缸套3相对的外周面2a不应是平板状，其一般呈半径接近汽缸内径D的圆弧状轮廓。

这是为了防止产生以下问题，即：在大型柴油内燃机中，由于活塞1的行程S大到缸内径D的2～4D，因此，若增大活塞环2的第1曲面R0，则在活塞1倾斜较大的活塞行程S的上端部以及下端部，活塞环2的第1曲面R0接触汽缸套的滑动面3a，从而活塞环2的上表面侧曲面R1或下表面侧曲面R2接触上述滑动面3a。

另外，在专利文献1(日本特开2002-39384号公报)中披露了一种内燃机的活塞环，该活塞环是通过圆滑连接中央部的第1曲面R0、连接该第1曲面R0和上表面侧的上表面侧曲面R1、连接该第1曲面R0和下表面侧的下表面侧曲面R2形成的，该上表面侧曲面R1和下表面侧曲面R2构成如下：上述R1和R2形成为在0.5mm以上并小于上述第1曲面R0，不会在上述上表面侧曲面R1以及下表面侧曲面R2上产生表面处理层的裂纹或剥离。

如上所述，为了避免活塞环2的第1曲面R0与汽缸套的滑动面3a接触，从而活塞环2的上表面侧曲面R1或下表面侧曲面R2与上述滑动面3a接触的问题，大型柴油内燃机中的活塞环2的第1曲面R0为通常发动机的缸内径D(汽缸套的滑动面的内径)以下，例如取内径D的0.9D～1D左右。

图5为显示活塞环2的气体密封能力的说明图，L为气体密封的长度，H为活塞环2外周的最小间隙，R0是第1曲面的半径，在这种结构中，表现气体密封能力的泄漏流量Q为：

Q＝(H³ΔP/12μL)＝(ΔP·L²/2592·μ·R0³)…1)

μ：活塞环2的外周面与汽缸套3的滑动面3a的摩擦系数，

ΔP：活塞环2的上下压差。

上述泄漏流量Q越小，气体密封能力就越高。

因此，根据上述公式(1)，若减小第1曲面的半径R0，则泄漏流量Q与R0的倒数的三次方成正比增加。

因此，如上述现有技术那样，若使第1曲面的半径R0取作R0＝内径D的0.9D～1D左右而较小，则由上述公式(1)所示的泄漏流量Q会增大，上述活塞环2的外周面2a的气体密封能力会降低，从而产生因活塞环2的外周面2a与汽缸套3的滑动面3a之间的气体密封能力不足引起的窜气量增大、因窜气量增大引起的活塞环内表面部(ピストンリングバツク部)的污染增大、因在窜气中所含的亚硫酸气体导致汽缸套3的滑动面3a的周边被硫酸腐蚀增大等不良情况。

另外，上述活塞环2的外周面与汽缸套3的滑动面3a之间的接触压力P众所周知，接触压力P与第1曲面的半径R0呈反比，随着第1曲面的半径R0减小，接触压力P会增加。

因此，通过以上内容可知，从接触压力P方面考虑，极力增大上述第1曲面的半径R0也是有利的。

发明内容

本发明是针对上述现有技术中的问题作出的，其的一个目的在于提供了一种活塞环，该活塞环通过以最大限度增大活塞环外周面的第1曲面半径R0，提高气体密封能力，防止因活塞环的外周面与汽缸套的滑动面之间的气体密封能力不足引起的窜气量增大，防止因窜气量增大引起的活塞环内表面部的污染增大，防止因窜气中所含的亚硫酸气体导致汽缸套3的滑动面3a周边被酸腐蚀的增大，并且降低了接触压力，以及提供柴油发动机等往复运动燃烧内燃机，其具有至少作为顶部环而组装有该活塞环的活塞。

本发明是为解决上述问题作出的，其提供了一种活塞环，该活塞环沿轴向将接触汽缸套滑动面的活塞环的外周面形成为曲率半径R的曲面，其特征在于：相对于发动机的缸内径D，将上述外周面的曲率半径R设定为R＝1.18D～1.35D的圆弧轮廓；特别提供了一种柴油发动机，其特征在于：其具有活塞，该活塞至少组装有该活塞环作为与活塞环上面的燃烧室最接近的顶部环。

在相关发明中，最好具有以下结构。

(1)在上述外周面上实施兼有该外周面与汽缸套的滑动面的初始磨合性、耐磨损性以及耐划伤性的钼系喷镀膜的涂敷。

(2)在安装在活塞顶部上的多个上述活塞环中，配置于最接近燃烧室位置的上述活塞环的外周面的圆弧半径R的中心从上述活塞环的高度中心向上述燃烧室的相反侧偏移以偏离中心，其它的上述活塞环的外周面的圆弧的半径R的中心与上述活塞环的高度中心相一致，或从上述活塞环的高度中心向上述燃烧室的相反侧偏移以偏离中心。

附图说明

图1为本发明的大型柴油内燃机的活塞环的放大剖面图。

图2(A)为大型柴油内燃机的燃烧室周围的示意性剖面图，图2(B)为活塞环安装部附近的局部剖面图。

图3(A0)为至今常用的R＝0.95D的情况，(A1)为本发明的情况(R＝1.35D的情况)。另外，(1)为环接触面压力，(2)为窜气(ブロ一バイガス)流路阻力。

图4为以往的大型柴油内燃机的活塞环的放大剖面图。

图5为显示活塞环2的气体密封能力的说明图。

具体实施方式

下面，将利用图中所示实施例对本发明进行详细说明。但是，只要没有对在该实施例中记载的结构部件的尺寸、材料、形状、它们的相对配置等作特定说明，它们就仅是说明例，不应对本发明的范围进行限制。

图2(A)为大型柴油内燃机的燃烧室周围的示意性剖面图，图2(B)为活塞环安装部附近的局部剖面图。在图2中，活塞1在沿高度方向形成的环槽1a中分别插入多个活塞环2，该活塞1在上述活塞环2的外周面2a一边滑动接触汽缸套3的滑动面3a的同时往复运动。在该活塞1的上部形成向发动机燃烧室6开口的环侧面间隙7，在该环侧面间隙7中填充来自燃烧室6的燃烧气体。

本发明涉及对上述活塞环2形状的改进。

图1为本发明的大型柴油内燃机的活塞环的放大剖面图。

活塞环2嵌合插入沿轴向在上述活塞1上滚压出的环槽1a内，该活塞环2一边使其外周面2a滑动接触汽缸套3的滑动面3a，一边往复运动(S为接触宽度，2b为滑动接触点)。

另外，在图1中，环槽1a和活塞环2的下表面形成面接触以便对沿箭头A方向流动的燃烧气体进行密封。

该活塞环2的外周面2a是通过圆滑连接与轴向曲率半径R的上述滑动面3a接触的第1曲面、连接该第1曲面R与上表面侧2s的上表面侧曲面R1以及连接该第1曲面和下表面侧2t的下表面侧曲面R2形成的。在图1中，H为活塞环2的高度，B为活塞环2的宽度。

在本发明中，沿轴向以曲率半径R的曲面形成与汽缸套3的滑动面3a接触的活塞环的外周面2a，相对于发动机的缸内径D，将上述外周面2a的曲率半径R设定为R＝1.18D～1.35D的圆弧轮廓。

例如，在该大型柴油内燃机的活塞环2中，相对于上述缸内径D＝850mm，以R＝1150mm，R1＝R2＝1.25mm设定活塞环2。

在上述R＝1.18D～1.35D的设定中，设定活塞环2的外周面2a的曲率半径，即第1曲面的半径R的最小值R＝1.18D，以使由上述公式(1)所得的泄漏流量Q与如今经常使用的R＝0.95D相比、达到泄漏流量Q＝1/2左右的值。

另外，在达到上述R＝1.18D～1.35D的设定中，对于第1曲面的半径R的最大值R＝1.35D而言，若增大上述第1曲面R，则在活塞1的倾斜增大的活塞行程的上端部以及下端部，活塞环2的第1曲面R为用于避免直接接触汽缸套3的滑动面3a的上述第1曲面的半径R的最大值。

因此，若超过上述最大值R＝1.35D，则会产生活塞环2的上表面侧曲面R1或下表面侧曲面R2直接接触上述汽缸套3的滑动面3a的不良情况。

总之，换句话说，从气体密封性的观点考虑，上述活塞环2的第1曲面的半径R越大，就越有效。具体来说，相对燃烧气体的窜气阻力与上述活塞环2的第1曲面的半径R的三次方成比例。因此，通过使上述活塞环的第1曲面的半径R相对于缸内径达到1.18～1.35倍以下，能够以2～3倍改善燃烧气体的窜气阻力。此处，由于在窜气阻力为2倍以下的情况下，其效果并不明显，因此，使活塞环的第1曲面的半径R的下限为1.18倍。

但是，在极度增大上述活塞环外周面的圆弧半径的情况下，若通过由侧向力产生的活塞侧压导致的活塞摆动或热变形(上述热变形在最接近活塞上面的燃烧室的顶部环最大，特别是由于柴油发动机的压缩点火，在上述燃烧室达到1600～2000℃的情况下，其影响极大)导致上述活塞环倾斜的情况下，存在上述活塞环的边缘与汽缸套接触而损伤汽缸套的可能性。由于上述活塞环的边缘不与汽缸套接触的物理形状的制约，上述活塞环的滑动面的圆弧半径与缸内径之比的上限为1.35倍。

利用缸内径D＝330mm以上的发动机中的实验结果，验证相对于以上的发动机的缸内径D，R＝1.18D～1.35D的圆弧轮廓的设定值的有效性。

图3(A0)为至今常用的R＝0.95D的情况，图3(A1)为本发明的情况(R＝1.35D的情况)。如图3(A1)所示，本发明的情况(R＝1.35D的情况)与(A0)情况(常用的R＝0.95D)相比，油膜厚度U更大，从而能够获得足够的油膜厚度U。

另外，对于(1)环接触面压力而言，(A1)(本发明的情况(R＝1.35D的情况)比(A0)的情况(常用的R＝0.95D)减少了X1＝17％。

另一方面，(2)对于窜气流路阻力而言，(A1)(本发明的情况(R＝1.35D的情况)相对于(A0)的情况(常用的R＝0.95D)，窜气流路阻力X2增加了大约3倍(即，上述泄漏流量Q减少了1/3)。另外，在(A2)的情况(本发明的情况(R＝1.18D的情况)中，窜气流路阻力X3达到大约2倍。

因此，通过扩大上述活塞环2的第1曲面的半径R至1.18D～1.35D的范围，如上述公式(1)那样，通过增大第1曲面的半径R，泄漏流量Q与R的3次方成反比减小，在1.35D时，能够减小为现状的(R＝0.95D)的大约1/3(参见图3的(2)窜气流路阻力)。

这样，通过提高活塞环2的外周面2a与汽缸套3的滑动面3a之间的气体密封能力，油膜密封部A(参见图1)中的窜气量会减少以防止发动机性能降低，同时，由此能够防止因上述窜气量减少而导致活塞环内表面部的污染，能够抑止因窜气中所含的亚硫酸气体导致汽缸套3的滑动面3a周边被硫酸腐蚀。

另外，若在活塞环2的外周面2a实施兼有该外周面2a与汽缸套3的滑动面3a的初始磨合性、耐磨损性以及耐划伤性的钼系喷镀膜等的涂敷，则通过钼系硬粒子改善汽缸套3的滑动面3a的粗糙度以早期提高磨合性，从而能够提高由汽缸套3的滑动面3a的铸造组织带来的贮油性。

另外，对于活塞环2而言，使与汽缸套3相对的外周面2a的第1曲面的半径R1达到1.18D～1.35D的范围，同时，使多个安装的上述活塞环2中配置于最接近燃烧室位置的上述活塞环2的滑动面的圆弧的半径中心R从上述活塞环的高度中心2c向上述燃烧室6的相反侧偏移以偏离中心，其它的上述活塞环2的圆弧半径中心R则与活塞环2的高度H的中心2c相一致或从上述活塞环的高度中心2c向上述燃烧室6的相反侧偏移以偏离中心。

通过形成这种活塞环2的外周面2a的轮廓，对于安装的多个上述活塞环2中暴露于最恶劣的热环境下的上述活塞环2，即安装在最接近燃烧室6处的上述活塞环2(与可能达到1600～2000℃的活塞上面的燃烧室最接近的顶部环)而言，能够确保其气体密封性。

因此，对于上述顶部环而言，特别是用于上述燃烧室可能达到1600～2000℃时的柴油发动机，其效果是非常明显的。

另外，第2活塞环之后可以与上述活塞环2的高度中心2c相一致。

在本发明中，在沿轴向将接触汽缸套的滑动面的活塞环的外周面形成为曲率半径R的曲面的活塞环中，相对于发动机的缸内径D，以R＝1.18D～1.35D的圆弧轮廓设定上述外周面的曲率半径R。

在这种设定中，设定外周面的曲率半径R，即第1曲面的半径R的最小值R＝1.18D，以使由上述公式(1)所得的泄漏流量Q与如今经常使用的R＝0.95D相比、达到泄漏流量Q＝1/2左右的值。

另外，对于上述第1曲面的半径R的最大值R＝1.35D而言，若增大上述第1曲面R，则在活塞1的倾斜增大的活塞行程上端部以及下端部，活塞环的第1曲面R为能够避免直接接触汽缸套滑动面的上述第1曲面的半径R的最大值，若超过上述最大值R＝1.35D，则会产生活塞环2的上表面侧曲面R1或下表面侧曲面R2直接接触上述汽缸套3的滑动面3a的不良情况。

利用在缸内径D＝330mm以上的发动机中的实验验证相对于以上的发动机的缸内径D，R＝1.18D～1.35D的圆弧轮廓的设定值的有效性。

因此，通过扩大上述第1曲面的半径R至1.18D～1.35D的范围，如上述公式(1)那样，通过增大第1曲面的半径R，能够与R的三次方成反比减少泄漏流量Q，在1.35D时，减少为现状的(R＝0.95D)的大约1/3。

通过提高所述活塞环外周面与汽缸套的滑动面之间的气体密封性，能够防止因窜气量的增大所引起的发动机性能的降低，同时，由此能够防止因上述窜气量增大而增大活塞环内表面部的污染，能够抑止因窜气中所含的亚硫酸气体导致汽缸套的滑动面周边被硫酸腐蚀，并且，能够降低接触压力。

即，换句话说，从气体密封性的观点考虑，上述活塞环的第1曲面的半径R越大，就越有效。具体来说，相对燃烧气体的窜气阻力如前所述，与活塞环的第1曲面的半径R的三次方成正比。因此，通过使相对于缸内径的上述活塞环的第1曲面的半径R为1.18～1.35倍以下，能够使燃烧气体的窜气阻力改善至2～3倍。此处，由于在窜气阻力为2倍以下的情况下，其效果并不明显，因此，活塞环的第1曲面的半径R的下限为1.18倍。

然而，在极度增大上述活塞环外周面的圆弧半径R的情况下，若通过由侧向力产生的活塞侧压形成的活塞摆动或热变形而导致上述活塞环倾斜，则存在上述活塞环的边缘与汽缸套接触而损伤汽缸套的可能性。由于上述活塞环的边缘不与汽缸套接触的物理形状的制约，因此，上述活塞环的滑动面的圆弧半径与缸内径之比的上限为1.35。

另外，若在外周面上实施兼有该外周面与汽缸套的滑动面的初始磨合性、耐磨损性以及耐划伤性的钼系喷镀膜的涂敷(技术方案2)，则能够通过钼系硬粒子改善汽缸套的滑动面的粗糙度以早期提高磨合性，从而能够提高由汽缸套的滑动面的铸造组织带来的贮油性。

另外，对于活塞环而言，使活塞环与汽缸套相对的外周面的第1曲面的半径R为1.18D～1.35D的范围，并且，在安装的多个上述活塞环中，使配置于最接近燃烧室位置的上述活塞环的滑动面的圆弧半径中心从上述活塞环的高度中心向上述燃烧室的相反侧偏移以偏离中心，其它的上述活塞环的滑动面的圆弧半径中心则与活塞环的高度中心相一致，或从上述活塞环的高度中心向上述燃烧室的相反侧偏移以偏离中心。

通过形成这种滑动面的轮廓，对于在安装的多个上述活塞环中暴露于最恶劣的热环境下的上述活塞环，即安装在最接近燃烧室位置的上述活塞环而言，能够确保其气体密封性。

根据本发明，能够提供一种活塞环的结构，该结构通过以最大限度增大活塞环外周面的第1曲面半径R，能够提高气体密封性，防止因活塞环的外周面与汽缸套的滑动面之间的气体密封能力不足引起的窜气量增大，防止因窜气量增大引起的活塞环内表面部的污染增大，防止因窜气中所含的亚硫酸气体导致汽缸套3的滑动面3a周边被硫酸腐蚀的增大，并且，能够降低接触压力，并且，本发明能够提供具有活塞的往复式燃烧内燃机，特别是柴油发动机，该活塞至少组装有该活塞环作为顶部环。

Claims

1.一种往复运动内燃机的活塞环，沿轴向将接触汽缸套滑动面的活塞环的外周面形成为曲率半径R的曲面，其特征在于：相对于发动机的缸内径D，将上述外周面的曲率半径R设定为R＝1.18D～1.35D的圆弧轮廓。

2.根据权利要求1所述的往复运动内燃机的活塞环，其特征在于：在上述外周面上实施兼有该外周面与汽缸套的滑动面的初始磨合性、耐磨损性以及耐划伤性的钼系喷镀膜的涂敷。

3.根据权利要求1所述的往复运动内燃机的活塞环，其特征在于：在安装在活塞顶部上的多个上述活塞环中，配置于最接近燃烧室位置的上述活塞环的轴向外周面的圆心从上述活塞环的高度中心向上述燃烧室的相反侧偏移以偏离中心，其它的上述活塞环的轴向外周面的圆心与上述活塞环的高度中心相一致，或从上述活塞环的高度中心向上述燃烧室的相反侧偏移以偏离中心。

4.根据权利要求1所述的往复运动内燃机的活塞环，其特征在于：上述往复运动内燃机为柴油发动机。

5.一种柴油发动机，其特征在于：具有活塞，该活塞至少组装有权利要求1所述的活塞环作为与活塞环上面的燃烧室最接近的顶部环。