CN105863871A - 一种内燃机活塞环及安装有该活塞环的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机研究领域的一种内燃机活塞环安装有该活塞环的内燃机，活塞环包括活塞环外表面、活塞环上端面和活塞环下端面；所述活塞环外表面上开设若干不同深度的微凹坑结构，所述微凹坑结构的深度由活塞环上端面到活塞环下端面呈现出先减小后增大的变化趋势。本发明活塞环外表面上的微凹坑结构的深度呈现出现减小后增大的变化趋势，有利于形成活塞环的微桶面环效应，有利于形成动压润滑效应，防止边界润滑，进而改善上止点区域的润滑条件，降低磨损量；还可以降低在行程中部区域的摩擦功耗。本发明能够同时改善在上止点前后贫油区域和活塞行程中部区域的润滑性能，降低内燃机的摩擦功耗和燃油消耗，延长活塞环的使用寿命。

Description

一种内燃机活塞环及安装有该活塞环的内燃机

技术领域

本发明属于内燃机研究领域，具体涉及一种内燃机活塞环及安装有该活塞环的内燃机。

背景技术

近几十年来内燃机发展主要围绕有害物排放控制与低碳节能技术展开的，发动机的缸套活塞环系统需要满足节能与减排的严格要求；同时各种先进燃烧与排放控制技术将逐渐在发动机上出现与不断应用，发动机日益呈现小型高强化、高功率密度及轻量化的趋势，这些先进技术运用，使得内燃机的缸套活塞环关键润滑摩擦副面临着日渐严酷的服役工况环境的挑战。

缸套-活塞环副作为内燃机上最关键的摩擦副之一，面临着摩擦磨损严重问题，其摩擦损失占整机能量损失的50％至60％，目前主要通过使用耐磨基体材料、涂层等技术来提高表面加工质量，进而改善摩擦副表面的润滑性能。

摩擦副表面凹坑结构具有改善润滑与减摩抗磨的良好特质，表面带有凹坑结构的缸套活塞环的相关研究是近年来的摩擦学的热点，方兴未艾。现有的研究考察了微凹坑参数对有效摩擦损失压力的影响，并试验证实了表面带凹坑后，有效摩擦力损失压力下降了30％左右。另外还研究了部分织构活塞环对柴油机燃油耗的影响，其结果表明：相对于原机，装配部分织构活塞环的发动机，燃油耗可以降低4％左右，排放性能及烟度也略有改善。

然而在内燃机中，活塞组件从低速到高速、轻载到重载不断转换，使得缸套-活塞环副在极端服役工况条件下的摩擦磨损问题尤为突出。主要摩擦磨损问题集中在上止点前后及行程中部区域，虽然采用传统均一深度的凹坑结构能在一定程度上缓解摩擦磨损问题，然而在内燃机交变负荷的过程中，并不能同时兼顾到上止点区域及行程中部区域的摩擦磨损问题，也不能在整个运行工况下获得活塞环-缸套副的最佳摩擦性能。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种内燃机活塞环及安装有该活塞环的内燃机，在活塞环外表面区域上进行不同深度的微凹坑结构的表面微处理，能同时改善缸套与活塞环在上止点前后区域及行程中部区域的润滑条件获得在整个运行工况下缸套-活塞环的最佳摩擦性能，在改善缸套上止点区域和行程中部区域润滑条件的同时，并能够明显降低缸套-活塞环之间的摩擦功耗和整机的燃油消耗。

本发明的技术方案是：一种内燃机活塞环，包括活塞环外表面、活塞环上端面和活塞环下端面；活塞环外表面分别与活塞环上端面和活塞环下端面相互垂直；

所述活塞环外表面上开设若干不同深度的微凹坑结构，所述微凹坑结构的深度由活塞环上端面到活塞环下端面呈现出先减小后增大的变化趋势。

上述方案中，所述微凹坑结构与活塞环外表面交界处的面积之和为活塞环外表面上的周向理论表面积的5％至55％。

进一步的，所述微凹坑结构与活塞环外表面交界处的面积之和为活塞环外表面上的周向理论表面积的50％。

上述方案中，所述微凹坑结构的半径R为60μm至120μm。

进一步的，所述微凹坑结构的半径R为105μm。

上述方案中，所述微凹坑结构的最大深度H₁为4μm至10μm。

进一步的，所述微凹坑结构的最大深度H₁为5μm。

上述方案中，所述微凹坑结构的最小深度H₂为1μm至4μm。

进一步的，所述微凹坑结构的最小深度H₂为3μm。

一种安装有所述活塞环的内燃机，所述内燃机安装有所述活塞环。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过在活塞环外表面开设不同深度的微凹坑结构，且微凹坑结构的深度由活塞环上端面到活塞环下端面呈现出先减小后增大的变化趋势。实现了同时改善缸套上止点贫油区域的润滑条件、降低磨损量的目标，同时也降低了缸套其余部分的摩擦功耗与整机燃油消耗。本发明能够同时改善内燃机活塞环在止点区域和行程中部区域的润滑条件，进而极大降低活塞环在上止点贫油区域的磨损量和行程中部的摩擦功耗，延长活塞环的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施方式活塞环的结构示意图；

图2为本发明一实施方式活塞环外表面局部示意图；

图3是图2所示Ⅲ局部放大的示意图；

图4是图2所示A-A剖视示意图；

图5是本发明和对比的无量纲摩擦损失功率随内燃机曲轴转角变化关系图。

图中：1、活塞环、2、活塞环外表面；3、微凹坑结构；4、活塞环上端面；5、活塞环下端面。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同或相似的部分。附图仅用于说明本发明，不代表本发明的实际结构和真实比例。

图1所示为本发明所述内燃机活塞环的一种示意图，所述活塞环1包括活塞环外表面2、活塞环上端面4和活塞环下端面5；活塞环外表面2分别与活塞环上端面4和活塞环下端面5相互垂直；所述活塞环外表面2上通过激光加工或其他微加工技术方法加工若干不同深度的微凹坑结构3，所述微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势。添加目的效果：由于微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，储油体积相应减小，形成楔形效应，润滑油流入活塞环外表面2的深度较浅的微凹坑结构3后溢出受到挤压而形成一定油压，油膜厚度增加，运动副两表面间的粗糙峰接触减少，摩擦和磨损也相应降低了。这种效果类似于桶面活塞环的桶面效应。能有效的改善缸套-活塞环的润滑条件。

图2所示为内燃机活塞环外表面2上不同深度的微凹坑结构3的分布图，所述活塞环外表面2上的微凹坑结构3与活塞环外表面2交界处的面积之和为活塞环外表面2上的周向理论表面积的5％至55％。所述活塞环外表面2的周向理论表面积是指如果活塞环的外表面2上没有微凹坑结构3，完全由平滑表面构成时的周向表面积。

只有当活塞环外表面2上的微凹坑结构3与活塞环外表面2交界处的面积之和为活塞环外表面2上的周向理论表面积的5％至55％，都在上述范围内才能产生最佳厚度和承载能力的动压润滑油膜，能最大程度的同时改善内燃机活塞环在止点区域和行程中部区域的润滑条件，进而极大降低活塞环在上止点贫油区域的磨损量和行程中部的摩擦功耗。

图3所示微凹坑结构3的放大图，图4所示为微凹坑结构3的剖视图，所述活塞环外表面2上开设的不同深度的微凹坑结构3的参数范围为：微凹坑结构3的半径R为60μm至120μm，微凹坑结构的最大深度H₁为4μm至10μm，最小深度H₂为1μm至4μm。

在活塞环外表面2上开设不同深度的微凹坑结构3，且微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，因而能在上止点贫油区域储存较多的润滑油产生动压润滑油膜，有效防止边界润滑，减少上止点区域的磨损量，进而能够明显改善润滑提高缸套-活塞环摩擦副的摩擦学性能；与此同时，由于微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，由于单个微凹坑结构3的储油体积由活塞环上端面4到活塞环下端面5也同样呈现出先减小后增大的变化趋势，形成楔形效应，润滑油流入活塞环外表面的深度较浅的微凹坑结构后溢出受到挤压而形成一定油压，油膜厚度增加，运动副两表面间的粗糙峰接触减少，摩擦和磨损也相应降低了。这种效果类似于桶面活塞环的桶面效应。进而能够同时改善到上止点前后区域及行程中部区域的摩擦功耗，降低缸套-活塞环在整个工作循环的摩擦功耗及整机的燃油消耗。

如果在活塞环外表面的微凹坑结构的深度变化趋势不是呈先减小后增大的规律，就形成不了楔形效应，即润滑油的流动形式就不是由深到浅再到深的变化趋势，同样也形成不了微桶面环的效应，进而满足不了同时改善上止点和行程中部区域的润滑条件。

微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，且减小和增大的趋势是没有比例大小要求的。

本发明还包括一种安装有所述活塞环1的内燃机，所述内燃机安装有所述活塞环1。能同时改善缸套与活塞环在上止点前后区域及行程中部区域的润滑条件获得在整个运行工况下缸套-活塞环的最佳摩擦性能，在改善缸套上止点区域和行程中部区域润滑条件的同时，进而能够明显降低缸套-活塞环之间的摩擦功耗和内燃机的燃油消耗。

在一种示意性实施方式中，内燃机活塞环1的外径为95mm，在活塞环外表面2上开设不同深度的微凹坑结构3，且微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，微凹坑结构3的半径R为105μm，微凹坑结构3的最大深度H₁为5μm，微凹坑结构3的最小深度H₂为3μm，活塞环外表面2上的微凹坑结构3与活塞环外表面2交界处的面积之和为活塞环外表面2上的周向理论表面积的50％。利用Matlab软件可以分析出此时凹坑布置结构条件下的无量纲摩擦损失功率与内燃机曲轴转角之间的对应关系，如图5中圆形标记线所示为本发明实验条件下无量纲摩擦损失功率与内燃机曲轴转角之间的对应关系，图5中方形标志线所示为在活塞环外表面加工出的凹坑深度均为5μm，凹坑直径为105μm，活塞环外表面上的微凹坑结构与活塞环外表面交界处的面积之和为活塞环外表面上的周向理论表面积的50％条件下无量纲摩擦损失功率与内燃机曲轴转角之间的对应关系，采用本发明所获得的无量纲摩擦损失功率在曲轴转角0°左右，即上止点附近，和在行程中部区域都要比对比活塞环的要小，以曲轴转角10°为例，本发明所获得的无量纲摩擦损失功率为28.7，而对比的无量纲摩擦损失功率为33。由此可以看出本发明能够同时改善到上止点前后区域及行程中部区域的摩擦学性能。从图5可见，在无量纲摩擦损失功率上，本发明的摩擦副在整个循环内体现出较好的性能。采用本发明在活塞环外表面上开设不同深度的微凹坑结构，且微凹坑结构的深度由活塞环上端面到活塞环下端面呈现出先减小后增大的变化趋势，对于改善活塞环-缸套运动副摩擦损失方面具有更好的效果，特别是同时兼顾到在上止点附近和行程中部区域。主要由于微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，因而能在上止点贫油区域储存较多的润滑油产生动压润滑油膜，有效防止边界润滑，减少上止点区域的磨损量，进而能够明显改善润滑提高缸套-活塞环摩擦副的摩擦学性能；与此同时，由于微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，储油体积相应减小，形成楔形效应，润滑油流入活塞环外表面的深度较浅的微凹坑结构后溢出受到挤压而形成一定油压，油膜厚度增加，运动副两表面间的粗糙峰接触减少，摩擦和磨损也相应降低了。这种效果类似于活塞环的桶面效应。进而能够同时改善到上止点前后区域及行程中部区域的摩擦功耗，降低缸套-活塞环在整个工作循环的摩擦功耗及整机的燃油消耗。

为了能够同时改善到上止点前后区域及行程中部区域的摩擦功耗，降低缸套-活塞环在整个工作循环的摩擦功耗及整机的燃油消耗。微凹坑结构3必须同时满足微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势；在活塞环外表面2上的微凹坑结构3与活塞环外表面2交界处的面积之和为活塞环外表面2上的周向理论表面积的5％至55％；微凹坑结构3的半径R为60μm至120μm，微凹坑结构的最大深度H₁为4μm至10μm，最小深度H₂为1μm至4μm。缺一不可，若缺少某一个条件，不能同时达到改善上止点前后区域及行程中部区域的摩擦功耗，降低缸套-活塞环在整个工作循环的摩擦功耗及整机的燃油消耗。如果活塞环外表面2微凹坑结构3的分布不是由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势，在活塞环运动过程中就不能形成楔形效应及微桶效应，进而也不能同时改善缸套上止点贫油区域的润滑条件、降低磨损量的目标，也降低了行程中部的摩擦功耗，也降低整机燃油消耗。

综上所述本发明一种内燃机活塞环，在活塞环外表面2上开设不同深度的微凹坑结构3，且微凹坑结构3的深度由活塞环上端面4到活塞环下端面5呈现出先减小后增大的变化趋势。实现了同时改善缸套上止点贫油区域的润滑条件、降低磨损量的目标，也降低了行程中部的摩擦功耗，也降低整机燃油消耗。本发明能够同时改善在上止点前后贫油区域和活塞行程中部区域的润滑性能，降低上止点前后区域的摩擦与磨损的同时也降低了摩擦功耗和燃油消耗，延长活塞环的使用寿命。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内燃机活塞环，其特征在于，包括活塞环外表面(2)、活塞环上端面(4)和活塞环下端面(5)；活塞环外表面(2)分别与活塞环上端面(4)和活塞环下端面(5)相互垂直；

所述活塞环外表面(2)上加工若干不同深度的微凹坑结构(3)，所述微凹坑结构(3)的深度由活塞环上端面(4)到活塞环下端面(5)呈现出先减小后增大的变化趋势。

2.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)与活塞环外表面(2)交界处的面积之和为活塞环外表面(2)上的周向理论表面积的5％至55％。

3.根据权利要求2所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)与活塞环外表面(2)交界处的面积之和为活塞环外表面(2)上的周向理论表面积的50％。

4.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)的半径R为60μm至120μm。

5.根据权利要求4所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)的半径R为105μm。

6.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)的最大深度H₁为4μm至10μm。

7.根据权利要求6所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)的最大深度H₁为5μm。

8.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)的最小深度H₂为1μm至4μm。

9.根据权利要求8所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(3)的最小深度H₂为3μm。

10.一种安装有权利要求1所述活塞环的内燃机，其特征在于，所述内燃机安装有所述活塞环。