CN103201487A - 在内壁面形成有凹凸的气缸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气缸，该气缸为了提高耐久性而在内壁形成微细凹凸。本发明的上述微细凹凸，增大活塞环与气缸内壁之间的油膜压力，在缺少机油的地方圆滑地供给机油，从而能够减少活塞环与气缸内壁之间的磨耗。

Description

在内壁面形成有凹凸的气缸

技术领域

本发明涉及内燃机的气缸，涉及在内壁的壁面上形成有凹凸的气缸。即，本发明涉及如下所述的技术：在以润滑剂为媒介进行相对运动的两个表面中的至少一个表面上形成微细凹凸而减少摩擦和磨耗。

背景技术

内燃机具有接受由燃料燃烧产生的爆炸力而运动的活塞和对上述活塞的运动进行引导的气缸。气缸还称为气筒（气筒），在汽油发动机或柴油发动机中，将燃料与空气一起喷入到气缸内并点火、爆炸，通过其爆炸力来使活塞移动。

将上述气缸的内部或内壁称为膛（bore），将气缸的内壁的壁面还称为膛面。

活塞在气缸的内部（膛）移动并不断地与气缸的内壁进行摩擦。特别是，增进活塞与气缸内壁之间的密闭，为了不泄露空气或燃料、爆炸气体，在活塞上部的周围具备活塞环，但是上述活塞环与气缸内壁之间的摩擦特别严重。

活塞环与气缸内壁以一般称为机油的润滑剂为媒介彼此平行地进行相对运动。此时，机油起到在活塞环与气缸内壁之间形成润滑膜来减少活塞环与气缸内壁之间的摩擦的作用。

一般来说，从流体润滑理论清楚地可知：如气缸的内壁和活塞，两个表面平行时，即使该两个表面以液体润滑剂为媒介进行相对运动，在该润滑剂内部也不会产生流体动压。

如上所述，气缸与活塞的平行的相对运动不仅是很难形成润滑膜的运动，而且由于气缸中的高燃烧压和燃烧热，以在活塞（或活塞环）与气缸内壁之间始终缺少机油的状态下运转。由此，在活塞环和气缸内壁上产生严重的摩擦和磨耗。在这种运转条件下长时间运转时，燃料消耗或机油消耗量肯定增加，根据情况有时还成为更换发动机的原因。

为了减少与活塞环摩擦的气缸内壁的磨耗，以往开发有热处理、表面粗糙度改善、搪磨（horning）等方法。但是，随着发动机的工作环境向对活塞环磨耗脆弱的方向改变，要求能够比以往的方法更有效地减少活塞环的磨耗的方法。

发明内容

技术课题

对此，本发明人知道当在进行相对运动的两个表面中的至少一个表面上加工多个微细凹凸时，即使该两个表面平行地进行相对运动，在两个面之间也会产生流体动压，由此能够改善润滑性，并基于此完成了本发明。

在本发明中，在内燃机的气缸10的内壁11上形成凹凸40、50来减少气缸和活塞环的磨耗。

在本发明中，在气缸内壁面上形成凹凸而由上述凹凸来收集如机油那样的润滑剂，从而上述润滑剂改善气缸内壁与活塞或活塞环之间的润滑状态，从而减少在边界面上产生的磨耗。即，在本发明中，提供在内壁上形成有微细凹凸的气缸。

本发明的微细凹凸，能够比以往的热处理、表面粗糙度改善、磨缸等方法更有效地减少气缸和活塞环的磨耗。

在本发明中，特别是在气缸上找出能够使磨耗减少效果极大化的位置，在该位置上形成微细凹凸，从而能够有效地减少气缸与活塞或活塞环的磨耗。

在本发明中，还在最佳的位置上形成所需程度的微细凹凸，从而提供能够缩短气缸制造费用和制造时间的方案。

解决技术课题的方法

本发明提供如下所述的气缸：在上止点（Top Dead Center；TDC）与下止点（BottomDead Center；BDC）之间的区间、即冲程距离（L）区间中的至少一部分的区域上形成有微细凹凸。

上止点（TDC）是指活塞在气缸中运动而上升到最高地点时活塞头部的位置，下止点（BDC）是指活塞在气缸中运动而下降到最低地点时活塞头部的位置。另外，冲程距离是指活塞头部在气缸内部移动的区间，意味着上止点与下止点之间的区间。在图1、图2a和2b中用“TDC”表示的是气缸的上止点，用“BDC”表示的是气缸的下止点，用“L”表示的上止点与下止点之间的区间为冲程距离。

本发明涉及对插入到内部的活塞的运动进行引导的气缸，提供如下所述的气缸：在上述气缸的内壁面上形成有多个凹凸，在活塞冲程距离区间中，在从上止点（TDC）起5至50%距离的区域中的至少一部分的区域上形成有多个凹凸。

在本发明中，将气缸冲程距离区间中的从上止点（TDC）起5至50%距离的区域称为第1区域（100）（参照图2a）。

上述凹凸可以形成在整个上述第1区域上，也可以仅形成在上述第1区域的一部分上。不管上述凹凸是在整个上述第1区域上形成还是仅在上述第1区域的一部分上形成，上述凹凸也能够在形成凹凸的区域内分开均匀的间隔来形成。以均匀的间隔形成凹凸在制造工序等方面存在优点。

根据本发明的一例，能够在上述活塞的冲程距离中的从上止点（TDC）起5%至50%距离的区域（第1区域；100）中的至少30%以上的区域上形成多个凹凸。即，能够以上述凹凸分布在上述第1区域（100）中的至少30%以上的区域中的方式在气缸内壁形成凹凸。

根据本发明的其他一例，还能够在活塞的冲程距离中的从上止点（TDC）起8至32%距离的区域中的至少一部分的区域上形成多个凹凸。在本发明中，将气缸冲程距离中的从上止点（TDC）起8%至32%距离的区域称为第2区域（200）（参照图2a）。

上述凹凸可以形成在整个上述第2区域，也可以仅形成在上述第2区域的一部分上。不管上述凹凸是形成在整个上述第2区域伤还是仅形成在上述第2区域的一部分上，上述凹凸也能够在形成凹凸的区域内隔着均匀的间隔而形成。以均匀的间隔形成凹凸在制造工序等方面存在优点。

根据本发明的一例，能够在上述活塞的冲程距离中的从上止点（TDC）起8%至32%距离的区域（第2区域；200）中的至少30%以上的区域上形成多个凹凸。即，能够以上述凹凸分布在上述第2区域（200）中的至少30%以上的区域的方式在气缸内壁形成凹凸。

如果在气缸内壁凹凸过少，则润滑剂收集空间减少而很难体现充分的润滑效果，另外如果在气缸内壁凹凸过多，则不是凹凸的部分、即与活塞环摩擦的部分的面积过多地减少，反而在其摩擦部分上，表面压力增加而有可能弱化摩擦特性。

在本发明中，不特别限定上述凹凸的形状。只要是凹入形成而能够收集润滑油的形状，则凹凸的形状可以是任何形状。但是，如果凹凸的形状不合适，则摩擦减少的效果有可能不大。

基于表面微细凹凸的摩擦和磨耗减少技术的核心，可以说是以摩擦和磨耗最少的方式确定凹凸的形状、排列方法。

但是，使摩擦和磨耗最少的凹凸的形状、排列方法，由于会根据两个面的接触形状、负载、滑动速度等运转条件而受到很大的影响，因此确定其要件不是简单的作业。例如，在接触部的形状为线形状、点形状、或者面形状时用于使摩擦和磨耗最少的凹凸的形状和排列方法各不同。因此，关于用于减少摩擦和磨耗的表面凹凸形成技术的开发，必须先进行对其工作环境或运转条件的确认和定义，在所确定的工作环境或运转条件下开发最佳的凹凸形状及其排列。

另一方面，在气缸内表面加工微细凹凸有可能会增加燃料消耗或机油消耗量。为了防止这些，必须在最佳的区域形成凹凸。在本发明中，提示了用于凹凸加工的最佳的区域并提案了用于磨耗改善的该凹凸的最佳形状，使得在不增加燃料和油消耗量的同时减少活塞环磨耗。

根据本发明的一例，上述凹凸的形状可以是凹面镜形状的微细孔（参照图4）。根据气缸的规格或使用形状，凹凸的深度和密度有可能不同。

根据上述本发明的一例，可以使上述凹面镜形状的微细孔的深度为0.01mm～0.03mm、直径为0.07mm～0.17mm。此时，在形成有上述凹面镜形状的微细孔的区域的整个面积中，上述凹面镜形状的微细孔纯占面积比例为5%～15%。以下，将上述面积比例成为“密度”。

参照图4，在形成有上述凹面镜形状的微细孔的区域的整个面积中，上述凹面镜形状的微细孔纯占面积比例、即密度可以如以下公式1计算。

数学式1

微细孔的纯面积比例（密度）={π×（Db/2）²}/（Da）²

根据本发明的其他一例，上述凹凸的形状也可以是波线槽形状（参照图6）。

在上述本发明的一例中，可以使上述波线槽形状的凹凸的深度为0.01～0.03mm、线宽为0.08～0.18mm。

上述波线槽形状的凹凸的长度和凹凸之间的间隔可以根据凹凸的密度而变化成各种长度和间隔。根据本发明的一例，在形成并分布有上述波线槽形状的凹凸的区域的整个面积中，上述波线槽形状的凹凸纯占面积比例可以是8%～18%。

参照图6，在形成有上述波线槽形状的凹凸的区域的整个面积中，上述波线槽形状的凹凸纯占面积比例、即密度可以如以下公式2那样计算。

数学式2

波线槽形状凹凸的纯面积比例（密度）=（Lc×Lb）/{（La+Lc）×（Lb+Ld）}

根据本发明的一例，上述波线槽的长度和间隔可以成为密度的变量。当然，也可以是其他要素成为密度的变量。

发明效果

根据本发明，通过在气缸内壁上部形成凹凸，从而捕获促进磨耗的磨耗粒子，在润滑剂不足的状况下供给润滑剂，增大活塞环与气缸内壁之间的油膜压力，从而能够减少气缸与活塞或活塞环的磨耗。

特别是，当在气缸内壁中的从上止点起冲程距离8～32%区域上形成凹凸时，减少气缸与活塞或活塞环的磨耗的效果非常优秀。

本发明的一例的凹面镜形状的微细孔形凹凸，加工容易且捕获磨耗粒子、供给润滑剂、增大油膜压力的效果突出。关于上述凹面镜形状的微细孔形凹凸，特别是在深度为0.01～0.03mm、直径为0.07～0.17mm、密度为5～15%时，捕获磨耗粒子、供给润滑剂、增大油膜压力的效果突出。

波线槽形状的凹凸的加工也容易，捕获磨耗粒子、供给润滑剂、增大油膜压力的效果优秀。上述波线槽形状凹凸特别是在深度为0.01～0.03mm、线宽为0.08～0.18mm、密度为8～18%时，捕获磨耗粒子、供给润滑剂、增大油膜压力的效果突出。

根据本发明，改善在内燃机彼此进行相对运动的活塞环与气缸膛之间的润滑状态，从而能够将活塞环的磨耗减少70%以上。

附图说明

图1是示出一般气缸的图，示出了上止点（TDC）和下止点（BDC）。

图2a是为了说明在气缸内壁上形成微细凹凸的位置的图，左边表示气缸冲程距离中的从上止点（TDC）起5至50%距离的区域、即第1区域（100），右边表示气缸冲程距离中的从上止点（TDC）起8至32%距离的区域、即第2区域（200）。

图2b是说明在气缸内壁形成微细凹凸的位置的示意图。

图3是示出在应用于实施例1至10的气缸中的内壁的磨耗分布的图表。

图4是形象化了在气缸内壁上形成的微细孔形状凹凸的样子的图，示出了微细孔形状凹凸的规格和设计变量。

图5是在将图4所示的微细孔形状凹凸形成在气缸内壁而进行了磨耗试验时，示出活塞环的磨耗的图表。

图6是形象化了在气缸内壁上形成的波线槽形状凹凸的样子的图，示出了波线槽形状凹凸的规格和设计变量。

图7是在将图6所示的波线槽形状凹凸形成在气缸内壁而进行了磨耗试验时，示出活塞环的磨耗的图表。

图8是比较了在气缸内壁形成微细凹凸的情况和没有形成微细凹凸的情况时的活塞环的磨耗量的图表。此时，气缸内壁的微细凹凸分别形成在从上止点起冲程距离的5～50%区域、从上止点起冲程距离的5～50%区域以外的区域、从上止点起冲程距离的8～32%区域以及从上止点起冲程距离的8～32%以外的区域中。

图9是按照从气缸内壁的上止点起冲程距离的5～50%区域中形成有凹凸的部分的面积比例来比较了磨耗量的图表。

图10是按照在从气缸内壁的上止点起冲程距离的8～32%区域中形成有凹凸的部分的面积比例来比较了磨耗量的图表。

标号说明

10：气缸                      11：气缸内壁

40：凹面镜形状的微细孔形凹凸  50：波线槽形状的凹凸

TDC：上止点                   BDC：下止点

L：冲程距离

具体实施方式

以下，参照实施例和附图，进一步详细说明本发明。

<实施例1～10>

在本发明中，为了确认形成多个凹凸（微细凹凸）而能够使气缸与活塞环的磨耗减少效果极大化的气缸内部的区域，首先测量了实际使用的气缸内壁的磨耗状态。以从气缸下端部起测量的距离为基准，按照各个距离来测量了磨耗状态，并在图3中示出。

图3中的距离（Length）表示从气缸下端部向上端侧上升的距离。该气缸的冲程距离为12.6cm、上止点为20cm地点、下止点为7.4cm地点。

参照图3，可知在16～19cm区域上产生最大的磨耗。当用图2的A、B来标记图3的磨耗区域时，由于A=1cm、B=4cm，该气缸的冲程距离L为12.6cm，因此A/L=0.08、B/L=0.32。因此，可以说本实施例的气缸是在从上止点起冲程距离的8%～32%区域上产生最多的磨耗的气缸。

为了确认由将本发明的凹面镜形状的微细孔形凹凸形成在气缸内壁而引起的活塞环与气缸的磨耗改善效果，如下地执行了磨耗试验。

将如图4所示的凹面镜形状的微细孔形凹凸，如下表1所示，形成在气缸上而执行了磨耗试验。此处，关于凹面镜形状的微细孔形凹凸，将直径、深度、密度作为设计变量，此处直径为Db、深度为Dc，能够数学式1求出上述凹凸的密度。

表1

根据表1的试验结果，选择了磨耗减少效果特别优秀的实施例1和5。并且，追加实现相当于上述实施例1与5的中间尺寸的凹凸形状而设定为实施例10，如下述表2所示进行了设计。对它们每个执行了5次磨耗试验，将其结果表示在图5。

【表2】

在图5中，“UnTexture”表示没有形成有凹凸的气缸中的活塞环的磨耗量，Dim2-1、2Mid、Dim2-5分别表示形成有表2的实施例1、实施例10、实施例5的凹凸的气缸中的活塞环的磨耗量。

参照图5，在实施例10的情况下，与没有形成有凹凸的情况（UnTexture）的磨耗量相比，活塞环的磨耗量减少40%程度。即，确认到：当将直径为0.12mm、深度为0.02mm、密度为10%的凹面镜形状的微细孔形凹凸加工到气缸内壁中的从上止点起冲程距离8%～32%区域中时，能够使活塞环的磨耗减少60%左右。

<实施例11～20>

为了确认将本发明的波线槽形状的凹凸形成在气缸内壁时的活塞环磨耗改善效果，如下地执行了磨耗试验。

将如图6所示的波线槽形状的凹凸，如下表3所示地形成在气缸上来执行了磨耗试验。此时，关于波线槽形状的凹凸，将线宽、深度、密度作为设计变量，此处线宽为Lc、深度为Le，能够从数学式2求出密度。

表3

根据上述表3的试验结果，选择了磨耗改善效果优秀的实施例12和17。并且，追加实现相当于上述实施例12与17的中间尺寸的波线槽形状的凹凸而作为实施例20。将它们如下表4所示设计，分别执行了5次磨耗试验。将其结果示出在图7。

表4

在图7中，“UnTexture”表示没有加工有凹凸的活塞环的磨耗，Dash2-2、Dash2-7、Dash Opt分别表示表4的实施例12、17以及20中的活塞环的磨耗。

如图7所示，在实施例20的凹凸被加工在气缸内壁时，活塞环磨耗量是没有加工凹凸时的活塞环磨耗量的24%左右。即，可以确认到：当将线宽为0.13mm、深度为0.02mm、密度为13%的波线槽形状的凹凸加工到从气缸内壁的上止点起冲程距离的8%～32%区域中时，能够使活塞环的磨耗减少76%。

如上所述，根据本发明，改善在内燃机中彼此进行相对运动的活塞环与气缸内壁之间的润滑状态，而能够使活塞环的磨耗减少70%。

另一方面，在图8中比较了在应用到本实施例的气缸中形成凹凸的情况和没有形成凹凸的情况的活塞环的磨耗量。

具体地讲，比较了对于i）没有形成微细凹凸的情况、ii）在从上止点起冲程距离的5%～50%区域中形成了微细凹凸的情况、iii）在从上止点起冲程距离的5%～50%区域以外的区域中形成了微细凹凸的情况、iv）在从上止点起冲程距离的8%～32%区域中形成了微细凹凸的情况以及v）在从上止点起冲程距离的8%～32%以外的区域中形成了微细凹凸的情况的试验结果。

参照图8，在从上止点起冲程距离5%～50%区域以外的区域中形成有微细凹凸的情况，与在气缸内壁没有形成有微细凹凸的情况相同，几乎没有活塞环的磨耗减少效果。相反，在从上止点起冲程距离的5%～50%区域中形成微细凹凸的情况和在从上止点起冲程距离的8%～32%区域中形成微细凹凸的情况，与在气缸内壁没有形成微细凹凸的情况相比，活塞环的磨耗减少效果优秀。特别是，可知在从上止点起冲程距离的8%～32%区域中形成了微细凹凸的情况下，活塞环的磨耗减少效果最佳。

另外，根据本实施例，当在气缸内壁形成微细凹凸，在从上止点起冲程距离5%～50%区域中的一部分上形成微细凹凸时，比较了按照形成有微细凹凸的面积比例的活塞环的磨耗量，将实验结果表示在图9。即，可以说图9是对于在从上述上止点起冲程距离的5%～50%区域中的几%的区域中形成微细加工的试验结果。此时，将对于从上止点起冲程距离的5%～50%的整个区域形成凹凸的情况标记为100%，将完全没有形成有微细凹凸的情况标记为0%。并且，在从上止点起冲程距离5%～50%区域中，从上端依次对10%区域、20%区域、30%区域、40%区域、50%区域、60%区域、70%区域、80%区域、90%区域也形成微细凹凸，测量了活塞环的磨耗量。

实验结果，确认到在从上止点起冲程距离5%～50%区域（第1区域；100）中的至少在30%以上的区域中形成凹凸时，表现出优秀的活塞环磨耗改善效果（参照图9）。

并且，根据本发明，当在气缸内壁形成微细凹凸，在从上止点起冲程距离的8～32%区域内部分地形成凹凸时，按照形成凹凸的面积比例来比较活塞环的磨耗量并表示在图10中。即，可以说图10是对于在从上止点起冲程距离的8%～32%区域中的几%的区域中形成微细加工的试验结果。此时，将对于从上止点起冲程距离的8～32%的整个区域形成凹凸的情况标记为100%，将完全没有形成微细凹凸的情况标记为0%。并且，在从上止点起冲程距离8%～32%区域中，从上端依次对10%区域、20%区域、30%区域、40%区域、50%区域、60%区域、70%区域、80%区域、90%区域也形成微细凹凸，测量了活塞环的磨耗量。

试验结果，确认到在从上止点起冲程距离8%～32%的区域（第2区域；200）中，在至少30%以上的区域中形成凹凸时，表现出优秀的活塞环磨耗改善效果（参照图10）。即，在8%～32%的区域中的该区域的30%以上加工微细凹凸是非常有效的。而且，可知在从上止点起冲程距离8%～32%区域中的30%以上的区域中形成凹凸的情况，与在从上止点起冲程距离5%～50%区域中的30%以上的区域中形成凹凸的情况相比，能够更减少活塞环的磨耗量。

工业上的可利用性

本发明能够在各种气缸中应用，特别是能够在内燃机的气缸中应用。

Claims (10)

1.一种气缸，其在内部插入有活塞而对活塞的运动进行引导，该气缸的特征在于，

在上述气缸的内壁上形成多个凹凸，在活塞的冲程距离区间中，在从上止点（TDC）起5%至50%距离内的区域中的至少一部分区域中形成有多个凹凸。

2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，

在上述活塞的冲程距离区间中，在从上止点（TDC）起5%至50%距离内的区域中的至少30%以上的区域中形成有上述多个凹凸。

3.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，

在上述活塞的冲程距离区间中，在从上止点（TDC）起8%至32%距离内的区域中的至少一部分区域中形成有上述多个凹凸。

4.根据权利要求3所述的气缸，其特征在于，

在上述活塞的冲程距离区间中，在从上止点（TDC）起8%至32%距离内的区域中的至少30%以上的区域中形成有上述多个凹凸。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的气缸，其特征在于，

上述凹凸的形状为凹面镜形状的微细孔。

6.根据权利要求5所述的气缸，其特征在于，

上述凹面镜形状的微细孔的深度为0.01mm～0.03mm，直径为0.07mm～0.17mm。

7.根据权利要求6所述的气缸，其特征在于，

形成有上述凹面镜形状的微细孔的区域的整个面积中、上述凹面镜形状的微细孔纯占面积为5%～15%。

8.根据权利要求1至4中的任意一项所述的气缸，其特征在于，

上述凹凸的形状为波线槽形状。

9.根据权利要求8所述的气缸，其特征在于，

上述波线槽形状的凹凸的深度为0.01mm～0.03mm，线宽为0.08mm～0.18mm。

10.根据权利要求9所述的气缸，其特征在于，

形成有上述凹凸的区域的整个面积中、上述凹凸纯占面积的密度为8%～18%。

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