CN103339422B

CN103339422B - 组合活塞环

Info

Publication number: CN103339422B
Application number: CN201280007530.8A
Authority: CN
Inventors: 冈崎史裕; 柴野知哉; 杉原弘幸; 小林弘幸
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2012163118A; US20130305918A1; EP2672151A1; BR112013019833A2; WO2012105538A1; EP2672151A4; MX2013009015A; EP2672151B1; JP5658585B2; CN103339422A

Abstract

本发明的目的在于，提供一种组合活塞环，在具有有效应对漏气的特殊开口且气封性优异的组合活塞环中，即使接受来自燃烧室侧的燃烧气体在燃烧室侧侧面也不产生局部的变形、熔融。该组合活塞环包括：活塞环主体，由高强度耐热树脂构成，且具有从上下侧面及外周面观察为阶梯形状的开口部；及弹簧，安装于所述活塞环主体的内周部且将所述活塞环主体向半径方向外侧按压，至少在所述活塞环主体的燃烧室侧侧面被覆有耐热性保护膜。

Description

组合活塞环

技术领域

本发明涉及一种内燃机用活塞环，特别涉及一种气封性优异的组合活塞环。

背景技术

在汽车的发动机等内燃机所使用的活塞中，为了得到在缸膛内滑动时的气封性、油封性、对缸膛的导热性，一般在设于活塞外周的环形槽配置大致圆环状的金属制活塞环。通常，在环形槽安装3个活塞环而使用，在活塞环中，为了产生外周张力，另外为了向活塞安装时的扩张而在圆周的局部设有切口（以下称为“开口”。）。为了防止由发动机的低温起动时、高温运行时的开口碰撞造成的对活塞环、气缸的损坏、产生烧伤，开口的间隙需要为一定量以上，因此，不可避地从该开口漏出燃烧气体。燃烧气体的漏出使发动机的压缩率降低，其结果是，作为给予活塞的做功量变得不充分。

作为减少漏出的燃烧气体（以下称为“漏泄气体”。）的方法，在金属制活塞环中使用如下构造：利用通称“双角开口”（日本实开昭59－126158号）这种特殊开口使来自开口的气体漏出面积缩小的结构。但是，双角开口的加工复杂困难，存在加工费用升高、开口部的折损等问题。

另外，日本实开平4－41153号中公开了一种在合成树脂制活塞环形成阶梯状开口的活塞环。该开口形状通过使用薄刃刀的切断而比较容易地形成。另外，在变速器等油封所使用的密封圈中，使用具有通过注塑成形而成形出的三重阶梯形状的开口的密封圈（日本特开2003－1584号）。这样，如果使用树脂材料，则具有复杂形状的开口的活塞环的成形也比较容易地进行，但与金属制活塞环相比耐热性低，在来自燃烧室侧的燃烧气体的影响下，特别是在树脂制活塞环的燃烧室侧侧面可能会产生局部的变形、熔融，因而还未实用化。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种活塞环，在使用可使有效应对漏气的特殊开口的形成工业化的树脂材料的前提下，即使接受来自燃烧室侧的燃烧气体，在燃烧室侧侧面也不会产生局部的变形、熔融。即，其目的在于，特别是提供一种气封性优异的组合活塞环。

本发明的组合活塞环，一种组合活塞环，包括：活塞环主体，由高强度耐热树脂构成，且具有从上下侧面及外周面观察为阶梯形状的开口部（以下称为“三重阶梯开口形状”。）；及弹簧，安装于所述活塞环主体的内周部且将所述活塞环主体向半径方向外侧按压，其特征在于，至少所述活塞环主体的燃烧室侧侧面具有耐热性保护膜。在该情况下，首先，根本而言，构成活塞环主体的树脂由高强度耐热树脂构成至为重要，另外，形成于活塞环主体的燃烧室侧侧面的保护膜也需要具备即使接受燃烧气体也能充分承受的活塞环主体以上的耐热性。从使来自燃烧气体的热能不是释放至活塞环主体而是释放至气缸的观点来看，导热性高的保护膜适合，相反，从不使来自燃烧气体的热能传递至活塞环主体的观点来看，导热性低的保护膜适合。

构成活塞环主体的高强度耐热树脂只要为所谓耐热性优异的超级工程塑料即可使用，但特别优选为包含选自由聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚苯并咪唑（PBI）构成的组中的至少一种的树脂。另外，更优选这些高强度耐热树脂由碳纤维或玻璃纤维强化。

形成于活塞环主体的燃烧室侧侧面的保护膜，首先，从使来自燃烧气体的热能不是释放至活塞环主体而是释放至气缸的观点来看，可以使用一般的金属保护膜，但可便利地使用由也可适用于不具有导电性的树脂的无电解镀覆制成的金属保护膜。特别地，优选为Cu或者Ni的金属镀覆保护膜，由于在Cu或者Ni中复合选自由P、Co、Cr、Mo、Ti、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、B₄C、金刚石、PTFE（聚四氟乙烯）、BN、石墨构成的组中的至少一种而得到的复合镀覆保护膜还赋予耐磨耗性，因而更优选。如果关注导热性，则保护膜也优选为包含类金刚石碳（DiamondLikeCarbon，也称“DLC”。）。

为了使来自燃烧气体的热能释放至气缸，优选为使被覆于燃烧室侧侧面的保护膜直接与气缸壁接触，为此，优选为在活塞环主体的外周面也被覆与燃烧室侧侧面的保护膜一体且同材质的保护膜。当然，还优选为被覆于活塞环整个面。

然后，从不使来自燃烧气体的热能传递至活塞环主体的观点来看，可以使用具有耐热性且导热性低的超级工程塑料的涂覆保护膜，但特别优选为包含聚苯并咪唑（PBI）和/或聚酰亚胺（PI）的树脂保护膜、或包含有机聚硅氧烷（P-Si）的保护膜。

为了使以上的组合活塞环更可靠地起作用，优选为，在活塞环主体的燃烧室侧侧面，在具有保护膜的上述活塞环主体的燃烧室侧侧面进一步配置比活塞环主体的宽度更薄宽度的金属制活塞环。

发明效果

本发明的组合活塞环由于具有从上下侧面及外周面观察为阶梯形状的三重阶梯形状的特殊开口部，因此，能够使来自开口的气体漏出面积显著缩小，另外，由于活塞环主体由可注塑成形的高强度耐热树脂制成，因此，加工费用升高、开口部的折损等问题也被解决。另外，由于在活塞环主体的燃烧室侧侧面具有具备充分的耐热性的保护膜，因此，可以降低由燃烧气体造成的对活塞环主体的热负荷，避免在燃烧室侧侧面产生局部的变形、熔融的问题，能够提供一种气封性非常优异的组合活塞环。

附图说明

图1是从斜上方观察本发明的活塞环主体的开口部的立体图；

图2（a）是表示安装于活塞的环形槽且按压活塞环主体的弹簧由板簧构成的本发明的组合活塞环的图；

图2（b）是表示安装于活塞的环形槽且按压活塞环主体的弹簧由盘簧构成的本发明的组合活塞环的图；

图3是表示安装于活塞的环形槽且在活塞环主体的燃烧室侧侧面和外周面形成有相同材质的保护膜的本发明的组合活塞环的图；

图4（a）是表示安装于活塞的环形槽且在活塞环主体的燃烧室侧侧面进一步配置薄宽度的金属制活塞环，并且按压活塞环主体的弹簧由板簧构成的本发明的组合活塞环的图；

图4（b）是表示安装于活塞的环形槽且在活塞环主体的燃烧室侧侧面进一步配置薄宽度的金属制活塞环，并且按压活塞环主体的弹簧由盘簧构成的本发明的组合活塞环的图。

具体实施方式

首先，本发明的组合活塞环的活塞环主体1具有从上下侧面及外周面观察为阶梯形状的开口部2。该开口形状为图1所示的所谓三重（上下侧面和外周面的三个部位）阶梯形状，从几何学而言为完全隔断的开口形状。因此，能够提供可以极度减少漏泄气体且气封性优异的活塞环。在金属制活塞环形成这种复杂形状的开口部非常困难，因此，在本发明中代替金属而使用高强度耐热树脂。作为高强度耐热树脂，可以使用以聚醚醚酮（PEEK）及聚苯硫醚（PPS）为代表的超级工程塑料，但还可以优选使用耐热性高的聚苯并咪唑（PBI）。这些高强度耐热树脂可以注塑成形，复杂形状的开口部也可容易地形成。当然，也可以从粉末压缩成形为环状且用薄刃刀形成开口部。

上述高强度耐热树脂通过包含碳纤维、玻璃纤维而能够进一步提高耐热性，另外能够实现高强度化。即，可以作为纤维强化了的高强度耐热树脂。这种碳纤维、玻璃纤维的配合比例优选为10～40重量%。

图2（a）及图2（b）表示将本发明的组合活塞环安装在活塞6的环形槽5并插入气缸7的缸膛内的状况。本发明的组合活塞环由活塞环主体1和将活塞环主体1向半径方向外侧按压的弹簧4（4′）构成，在活塞环主体的燃烧室侧侧面具有保护膜3。弹簧4（4′）在图2（a）中表示板簧4、在图2（b）中表示盘簧4′，但只要具有将活塞环主体1向半径方向外侧按压的功能，则不限定于此。另外，与气缸壁7滑动的活塞环主体的外周面1不仅是直线形状，按照用途可以制成桶面、锥面等各种形状。例如，在用于顶环（从燃烧室侧数第一个活塞环）的情况下优选为桶面，在用于第二环（从燃烧室侧数第二个活塞环）的情况下优选为锥面。

如前所述，活塞环主体1的燃烧室侧侧面的保护膜3需要具备即使接受燃烧气体也能够充分承受的活塞环主体1以上的耐热性。此外，从使来自燃烧气体的热能不是释放至活塞环主体1而是释放至缸膛的观点来看，导热性高的保护膜适合，相反，从不使来自燃烧气体的热能传递至活塞环主体1的观点来看，导热性低的保护膜适合。无论是哪个保护膜，保护膜3可以通过涂布、喷雾、浸渍、镀覆、物理蒸镀、化学蒸镀等形成。在被覆导热性高的金属保护膜时，由于活塞环主体为树脂，因此，特别地，可便利地使用无电解镀覆，优选为前述的Cu或者Ni的金属镀覆保护膜、或在Cu或者Ni复合选自由P、Co、Cr、Mo、Ti、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、B₄C、金刚石、PTFE（聚四氟乙烯）、BN、石墨构成的组中的至少一种的复合镀覆保护膜。无电解镀覆保护膜的厚度优选为1～50μm，更优选为5～30μm。另外，DLC可以用物理蒸镀或化学蒸镀进行被覆，与金刚石结构性地相近似的氢含量少的情况下用物理蒸镀形成。若考虑生产性则优选为通过化学蒸镀形成。DLC保护膜的厚度优选为0.1～10μm，更优选为2～7μm。图3为立足于使来自燃烧气体的热能不是释放至活塞环主体1而是释放至气缸壁7的观点的实施方式，在活塞环主体1的外周面也被覆与燃烧室侧侧面的保护膜3一体且同材质的保护膜3′。关于导热性低的保护膜即聚苯并咪唑（PBI）、聚酰亚胺（PI）、有机聚硅氧烷（P-Si）的保护膜通过涂布、喷雾、浸渍等被覆。保护膜3的厚度优选为0.5～50μm，更优选为1～30μm。这些保护膜3的适用部分是至少为燃烧室侧侧面，但当然也可以被覆在除外周面之外的其它面上。只要在考虑生产性等的基础上决定即可。另外，理所当然，在成为严酷的滑动面的外周面可以适当被覆耐磨耗性保护膜。不需要与燃烧室侧侧面的保护膜3同材质。

图4（a）及图4（b）表示在本发明的组合活塞环的燃烧室侧侧面进一步配置比活塞环主体的宽度更薄宽度的金属制活塞环8的状况。通过薄宽度金属活塞环8的配置，可以显著降低对活塞环主体1的热负荷，因此，特别是在严酷的情况下，该组合活塞环优选适用于例如顶环。作为薄宽度金属活塞环8，可以使用作为组合油环的侧轨而公知的几乎没有张力的活塞环。图4（a）为弹簧使用板簧的例子，为具有不仅能将活塞环主体而且能将薄宽度金属活塞环8向半径方向外侧按压的宽度的例子，可以使活塞环的外周密封部分变为双层结构，可以显著减少漏泄气体。另外，图4（b）为不能将薄宽度金属活塞环8向径向外侧按压，而仅具有只将活塞环主体的燃烧室侧侧面热遮蔽的功能的例子。从使来自燃烧气体的热能释放至缸膛的观点来看，优选为也将薄宽度金属活塞环8向半径方向外侧按压并与气缸壁接触的情况。

实施例

实施例1（E1）

在粉末状聚醚醚酮（PEEK）中配合碳纤维，在挤出机中制成规定量的颗粒。然后，在开口为三重阶梯形状、外周直线形的活塞环，在规定的条件下使用上述颗粒进行注塑成形。在此，活塞环侧面的表面粗糙度以算术平均粗糙度（Ra）计为0.4μm。以使每两枚重合且活塞环侧面的一个与镀覆液接触的方式将得到的活塞环总计50枚放置在规定的夹具中，进一步用胶带密封外周面，进行Ni-P的无电解镀覆。Ni-P保护膜的厚度约为20μm。由此，制成一个侧面形成有Ni-P保护膜的碳纤维强化PEEK材料的三重阶梯开口形状的活塞环。

发动机试验（1）

使用水冷四冲程的自然吸气式汽油发动机，将以使Ni-P保护膜配置于燃烧室侧且作用约5N的张力的方式在内周侧设置有板簧的实施例1的活塞环安装在活塞的顶环槽（关于第二环及油环使用设置于上述发动机的构件），进行漏气量的测定。运行条件设为4,000rpm、满负荷（WOT:WideOpenThrottle）条件。可确认到在将后述的比较例1的漏气量设为100时，实施例1的漏气量约为12，降低至约1/8。

发动机试验（2）

发动机试验（1）结束后，在放置了实施例1的活塞环的状态下，以5000rpm、满负荷进行48小时连续运行的耐久试验。结束后，取出活塞环观察，特别是在表面没有发现凹凸等损伤。另外，关于燃烧室侧侧面的表面粗糙度，对试验前和试验后的10点平均粗糙度（Rz）进行测定，结果分别为3.1μm和3.3μm。

比较例1（C1）

使用原来置于上述发动机的顶环（外周带CrN保护膜的桶面、开口直线形、开口间隙0.25mm），进行基于上述发动机试验（1）的漏气量的测定。如前所述将其结果设为100。与实施例1相比观察到约8倍的漏气量。

比较例2（C2）

关于除了在活塞环侧面什么也不被覆以外与实施例1相同的碳纤维强化PEEK材料的三重阶梯开口形状的活塞环，进行上述发动机实验（2）。结束后，取出活塞环观察，结果在表面上观察到挤痕、凹凸。燃烧室侧侧面的试验前和试验后的Rz分别为2.1μm和18.4μm。

实施例2～3（E2～E3）

除了代替Ni-P的无电解镀覆设为Cu的无电解镀覆及使Si₃N₄分散的Ni-P无电解复合镀覆以外与实施例1同样地，制成碳纤维强化PEEK材料的三重阶梯开口形状的活塞环。关于实施例2～3的保护膜种类、保护膜厚度、发动机实验（1）的4,000rpm下的漏气量、根据发动机实验（2）的活塞环燃烧室侧侧面的试验前及试验后的表面粗糙度Rz和外观观察结果，与实施例1及比较例2的结果一起示于表1。另外，各实施例的漏气量是将比较例1的漏气量设为100，分别进行比率换算而得到的值。

实施例4（E4）

除了代替Ni-P的无电解镀覆，以CH₄气体为原料，以H₂气体为载气而形成基于等离子体CVD的类金刚石碳（DLC）保护膜以外，与实施例1同样地，制成碳纤维强化PEEK材料的三重阶梯开口形状的活塞环。作为在活塞环的一个侧面形成DLC保护膜的方法，使用与在实施例1使用的无电解镀覆用的夹具类似的夹具。但是，密封外周的胶带使用耐热胶带。与实施例2～3同样，将基于发动机实验（1）及发动机实验（2）的试验结果示于表1。

实施例5～6（E5～E6）

制成实施例3及实施例4的在侧面形成的Si₃N₄分散Ni-P保护膜及DLC保护膜也被覆于外周面的碳纤维强化PEEK材料的三重阶梯形状的活塞环。无电解镀覆的保护膜厚度在外周面和侧面均为大致相同的厚度，但关于DLC，其外周面为约1.7倍厚。与实施例2～4同样，将基于发动机实验（1）及发动机实验（2）的试验结果示于表1。

实施例7～8（E7～E8）

除了代替Ni-P的无电解镀覆，以聚苯并咪唑（PBI）、聚酰胺（PA）为粘合剂通过金属掩模印刷形成使10质量%二硫化钼分散的树脂保护膜以外，与实施例1同样地，制成碳纤维强化PEEK材料的三重阶梯开口形状的活塞环。与实施例2～6同样，将基于发动机实验（1）及发动机实验（2）的试验结果示于表1。

表1

若将比较例1设为100，则在实施例1～8（E1～E8）的任一项中的漏气量在4,000rpm下均为13以下，与比较例1（C1）的直开口的钢环相比大幅降低。另外，在活塞环的燃烧室侧侧面形成有Ni-P、Cu、Si₃N₄分散Ni-P的无电解镀覆、DLC保护膜、或PBI、PA的树脂保护膜的活塞环即使在比较严酷的条件的发动机试验中，也能够在不会导致表面特别的损伤、表面粗糙度的显著增大的状态下完成试验。在保护膜不仅形成于活塞环的侧面，也形成于外周面的情况下，漏气量进一步降低。

实施例9（E9）

为与实施例1～8（E1～E8）相同的尺寸及形状，为开口三重阶梯形状、外周桶状，但除了设为在内周侧形成有可容纳盘簧的槽的形状以外与实施例1同样地，制成在侧面形成与实施例3相同的Si₃N₄分散Ni-P保护膜的活塞环。保护膜的厚度为15μm。将产生约5N的张力的盘簧放置在活塞环的内周，安装在发动机，与实施例1～8同样地，进行发动机实验（1）及发动机实验（2），结果是，将比较例1的漏气量设为100时，漏气量为15，试验前和试验后的表面粗糙度（Rz）为2.4μm和2.5μm。

实施例10（E10）

由实施例1中使用的碳纤维/PEEK复合材料的颗粒，将实施例1中使用的活塞环的宽度尺寸设为4/5，注塑成形开口三重阶梯形状、外周桶形的活塞环。在该活塞环的一个侧面与实施例3相同地形成Si₃N₄/Ni-P复合镀覆保护膜。另外，准备与组合护油环的侧轨类似的、具有下部的活塞环宽度尺寸的1/4的宽度尺寸的马氏体系不锈钢制薄宽度活塞环，与实施例1～8中使用的板簧组合，安装在实施例1～9使用的发动机上。与实施例1～9同样地，进行发动机实验（1）及发动机实验（2），结果是，若设比较例1为100，则漏气量约为9，试验前和试验后的表面粗糙度（Rz）为2.1μm和2.1μm。

Claims

1.一种组合活塞环，包括：活塞环主体，由高强度耐热树脂构成，且具有从上下侧面及外周面观察为阶梯形状的开口部；及弹簧，安装于所述活塞环主体的内周部且将所述活塞环主体向半径方向外侧按压，所述组合活塞环的特征在于，

至少所述活塞环主体的燃烧室侧侧面具有保护膜，

所述保护膜为Cu或者Ni的金属镀覆保护膜、或在Cu或者Ni中复合选自由P、Co、Cr、Mo、Ti、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、B₄C、金刚石、PTFE、BN、石墨构成的组中的至少一种而得到的复合镀覆保护膜。

2.如权利要求1所述的组合活塞环，其特征在于，构成所述活塞环主体的所述高强度耐热树脂为包含选自由聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯并咪唑构成的组中的至少一种的树脂。

3.如权利要求2所述的组合活塞环，其特征在于，

构成所述活塞环主体的所述高强度耐热树脂由碳纤维或玻璃纤维强化。

4.如权利要求1所述的组合活塞环，其特征在于，

所述保护膜包含类金刚石碳。

5.如权利要求1或4所述的组合活塞环，其特征在于，

在所述活塞环主体的外周面被覆与所述保护膜同材质的保护膜。

6.如权利要求1所述的组合活塞环，其特征在于，

所述保护膜为包含选自由聚苯并咪唑、聚酰亚胺、有机聚硅氧烷构成的组中的至少一种的保护膜。

7.如权利要求1所述的组合活塞环，其特征在于，

在所述活塞环主体的燃烧室侧侧面进而配置有比所述活塞环主体的宽度更薄宽度的金属制活塞环。