CN1082159C - 内燃机用活塞环 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的活塞环(1)，具有一个对着气缸壁的工作表面(11)，该表面上包括含有固体润滑剂或固体润滑剂沉积在其金属基体中的滑动层(12；13)。该一个或多个滑动层(12；13)将在最初的几个小时内、即所谓的发动机起始阶段中用尽，或者在最初的几百工作小时内、即所谓的发动机安装或磨含阶段中用尽。这些滑动层通常不要求重新加工。这些滑动层(12；31)在通常处于最恶劣使用条件下的最初工作时间内，能特别可靠地防止对活塞环(1)和气缸的损坏。

Description

内燃机用活塞环

本发明涉及一种用于内燃机特别是用于大型柴油机的活塞环。通常在活塞上部的凹槽中设置有几个沿着该活塞的圆周延伸的活塞环。活塞环不闭合，其朝向气缸壁的外表面弹性地靠紧在气缸壁上。这样，燃烧空间就相对于曲轴箱或活塞的下面密封起来。

活塞环可以自由活动地座落于凹槽中而不允许卡紧在凹槽中。在工作时，活塞环沿圆周方向在其凹槽中转动。活塞环的外表面对气缸壁的精确配合就通过活塞环在凹槽中的可动性来保证。

活塞环是经受磨损的标准件，它在工作的过程中被磨薄，因而在一定工作时间以后必须进行更换。在起始阶段，当磨合发动机时，只要活塞环的外表面和气缸内壁，也就是工作表面，互相没有完全适合，通常在气缸壁和活塞上的磨损增加是很显著的。在磨合阶段，活塞环和气缸的制造误差被磨平了。

发动机制造厂商常常建议，在最初工作的若干小时内，也就是说，在磨合期间，发动机应特别小心地运转，以便除了其他目的之外，避免对气缸和活塞环造成损坏。因此，如果可能的话，应尽可能避免最高性能、持续高功率和功率突变。

实际上，发动机的小心的磨合的可能性很有限或者是不可能，特别是在大型柴油发动机情况下。例如船舶在验收运转期间是在最恶劣的条件下运转，验收运转实际上发生在该船舶也就是发动机的最初的工作小时内。因此就需要发动机在过载区的最大功率，也就是处在最恶劣条件下运转。尽管在发动机进行交工试运转和/或磨合时特别注意监测发动机，但对于活塞环和气缸的损坏常常不可避免，这使得对于实际上的新机器就需要进行烦琐的修理。

此外，当发动机尽可能小心地试运转或达到速度时，对于发动机的活塞环和气缸的工作寿命将是有利的，当然对于发动机的其他零件例如轴承等的工作寿命也是有利的。

本发明的目的在于提供一种活塞环，它可以在交工试运转期间、验收试验期间以及磨合运转期间减少损坏活塞环和气缸的危险并且通常它可以改进在该关键时期的运转特性。小心地和谨慎地进行试运转的发动机在整个工作周期中通常都将显示出改进的运转性能。

根据本发明，提供了一种用于内燃机的活塞环和使用这种活塞环的内燃机。

根据本发明的用一种用于内燃机的活塞环，它具有一个向着气缸壁的工作表面，其特征在于，在所述工作表面上有一个第一自润滑滑动层，在所述第一自润滑滑动层上有一个其硬度低于所述第一滑动层的第二滑动层，所述外面的第二滑动层在少于10小时的工作时间内被磨去，所述内面的第一滑动层在少于400小时的工作时间内被磨去，所述第一滑动层和/或所述第二滑动层含有固体润滑剂或在滑动层中沉积有润滑剂。

本发明的重大优点在于提供了一个或多个自润滑的表面层，该表面层能帮助和补充常规的油润滑。

因此，可以例如选择一个外层(所谓的起始层)，使它可在少于1 0个工作小时，最好在6至9个工作小时内被磨去。该外层相当地柔软并且能使工作表面上可能存在的任何不平度在较短的一段工作时间后即被磨平。这些不平度是由制造和/或安装所造成的，它可能引起密封问题。该外层可以具有的厚度范围为10μm～200μm，最好是30μm～100μm之间，例如0.05mm(50μm)。

一种金属和固体润滑剂的复合材料适合作为该起始层。一种具有下列成分(以重量百分比表示)的低合金钢适合于作为该金属基体：

碳0.5％～2％，最好1％，

铬0.5％～3％，最好1％，

锰0.5％～2％，最好1％，

铜0.2％～2％，最好1.5％

硅0.1％～2％，最好0.3％，

铁剩余部分

2％～25％，最好10％(体积百分比)的六方氮化硼[hexagonalbomitride(BN)]适合作为固体润滑剂。该层可用APS方法(大气等离子喷涂)、高速火焰喷射法[HVOF(高速氧燃料High Velocity Oxygen Fuel)]或者用其他火焰喷射方法来涂敷。

其他适合的固体润滑剂为聚酯、聚酰胺、CaF₂、BaF₂或者这些氟化物的共晶体。

一种位于该起始层下面的稍硬和更容易粘附的另一表面层(所谓的安置层或磨合层)设置成可使它在少于400工作小时，最好在200～300工作小时内磨去。该磨合层应具有十分良好的运转特性和良好的抗微振磨损的能力也就是良好的抗擦伤能力。擦伤是人们对由于粘着力造成的显微焊的开始或出现所给出的名称。在活塞环的情况下，这将是气缸壁与活塞环工作表面的局部焊接。

该磨合层可以具有的厚度范围为10μm～200μm，最好为30μm～100μm之间，例如0.05nm(50μm)。该磨合层在最初的工作小时期间，特别是在静止发动机和船舶发动机的验收试验和调整试验期间提供了更大的安全性。在这些试验中，发动机是在最恶劣的使用条件下以最恶劣的工况运转。该恶劣工作条件即指工作参数快速和突然地变化，其中包括把该工作条件设定在对活塞、活塞环和气缸进行非常不利的加载情况下。对于这些零件在磨合期间这种使用条件和工作状态的变化可能恶化的事实是人所共知的。磨合层在此处给出了附加的保护以防止对活塞环和气缸的损坏。

该安置层或磨合层可以由具有下列成分(以重量百分比表示)低合金钢的基体组成。2％～12％，最好4％～10％的固体润滑剂(体积百分比)例如MoS₂被预埋在该基体中。

低合金钢(以重量百分比表示)：

碳1％～2％，最好1.5％，

铬2％～5％，最好4％，

锰1％～3％，最好1.5％，

铜0.2％～2％，最好1.5％，

硅0.1％～1％，最好0.5％，

铁剩余部分

该磨合层可以通过高速火焰喷射方法(HVOF)涂敷。

具有下列成分(以重量百分比表示)的铜铝合金适合用来作为安置层或磨合层的金属基体：

铝6％～14％，最好7％～9％，

锰0.5％～4％，最好2％～3％，

铜剩余部分

具有下列成分(以重量百分比表示)的钴铬合金也适合用来作为磨合层的金属基体：

铬20％～40％，最好30％，

碳1％～3.5％，最好2％，

硼0.2％～1.5％，最好0.8％，

钴剩余部分

有利的是，一个V形的螺旋凹槽可以设置在活塞环的实际层的长期滑动表面上，该表面在气缸壁上滑行并且在其凹槽中装有一种其磁特性与活塞环材料的磁特性不同的材料。该凹槽的深度约为2m.m～6m.m，最好为4m.m～5m.m。这样就能使用一种磁传感器装置来监测活塞环的磨损和转动位置。

V形凹槽，当然也包括装在其中的材料层，将随着活塞环的磨损的增加而沿活塞或活塞环的运动方向变得更窄。所示出的该材料层的信号长度/持续时间即表示活塞环磨损的量度。在活塞环的工作表面上具有螺旋形凹槽的情况下，短暂出现的该信号也表示活塞环转动位置的量度。活塞环的转动位置不断变化即在工作时活塞环可以在活塞的活塞环槽中转动是很重要的。若要进一步了解有关活塞环的监测和凹槽在活塞环中的形成可以参看例如德国专利DE-2517751。

当活塞环还处于起始或安置阶段中时，即此时该表面层还存在于活塞环工作表面上时，也就是还覆盖在该装料的凹槽上时，对活塞环转动位置的检测也可以方便地进行。特别重要的是，活塞环正是在该起始阶段应能无故障地起作用并且不应卡紧在活塞上的活塞环槽中。

例如熔有钴、锰、铁的铜铝合金非常适合用作通常由铸件(例如一种合金灰铸铁)构成的活塞环的凹槽中的填充材料。例如一种具有下列重量百分比的铜铝合金适合用作填充材料：

铝8％～15％，最好12％，

钴0.5％～3％，最好2％，

锰0.5％～5％，最好1.5％，

铁1％～5％，最好3％，

铜剩余部分

该合金耐磨性的增加是由于富钴-铁-金属互化物的颗粒的沉积和该金属的起主要作用的β基体构造所造成的。这些颗粒增加了该层的载荷能力和耐磨性。这些在凹槽中的耐磨剂填充料可以通过例如高速火焰喷射工艺(HVOF)而涂敷在活塞环上。

预埋在一种塑料基体上(例如聚酰胺和/或聚酯上)的5％～30％(体积百分比)最好15％～20％体积的固体润滑剂可以结合在上述的铜铝合金中用来作为活塞环的工作表面上凹槽的填充料。

该凹槽的深度/厚度因而该凹槽的填充料的深度/厚度可以为2m.m～6m.m并且最好为4m.m～5m.m。

应当指出，有关合金成分的所有叙述都没有考虑可能存在的杂质。

唯一的附图以示意剖面图示出本发明的活塞环。

安置层或磨合层12通过例如火焰喷射工艺涂敷在活塞环1的工作表面11上。第二层即所谓的起始层13被涂敷在该安置层或磨合层上。活塞环1的工作表面上的凹槽10中填满了填充料14，该填充料的磁特性与活塞环1的材料的磁特性显著地不同，活塞环1为一种例如灰铸铁这样的铁磁性材料，凹槽10中的填充料14可以是一种顺磁性的或逆磁性的或弱铁磁性的材料。该凹槽10做成螺旋形即形成一个整圈是有利的，以便从活塞环1的圆周看过去时，它离开端面15具有不同的距离。因而可以方便地确定角位置，即活塞环1的转动情况。也可以检测到何时活塞环1被卡紧而不再转动的情况。

磨合层或安置层12和起始层13只有百分之几毫米例如0.05毫米的厚度。起始层13将在几个工作小时以内，即在最初的6～10小时以内磨去。磨合层或安置层12最好能在几百工作小时以内磨损掉，最好为200～300小时。

应当指出，本发明的活塞环上也可以只设有两种涂敷层即磨合层(或安置层)12或起始层13中的一种。此外，本发明的活塞环1上无需一定具有一个其中装满与该活塞环磁性不同的材料的凹槽10。凹槽10也可以具有不同于三角形截面的其他截面。只需要当用上述方法检测活塞环1的磨损时，从径向看去凹槽10的宽度发生变化就行。

一种用于内燃机的、特别是用于大型柴油机的活塞环1，具有一个对着气缸壁的工作表面11，该表面上包括含有固体润滑剂或固体润滑剂沉积在金属基体中的滑动层12，13。该一个滑动层或多个滑动层12，13将在最初的几个小时内即所谓的发动机起始阶段中用尽，或者在最初的几百个工作小时内即所谓的发动机安置或磨合阶段中用尽。这些滑动层12，13通常不需要任何再加工。该滑动层12，13在通常处于最恶劣使用条件下的最初的工作时间内，能特别可靠地防止对活塞环1和气缸的损坏。

Claims (14)

1.一种用于内燃机的活塞环(1)，它具有一个向着气缸壁的工作表面(11)，其特征在于，

在所述工作表面(1 1)上有一个第一自润滑滑动层(12)，在所述第一自润滑滑动层(12)上有一个其硬度低于所述第一滑动层的第二滑动层(13)，

所述外面的第二滑动层(13)在少于10小时的工作时间内被磨去，

所述内面的第一滑动层(12)在少于400小时的工作时间内被磨去，

所述第一滑动层(12)和/或所述第二滑动层(13)含有固体润滑剂或在滑动层中沉积有润滑剂。

2.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于，至少一个所述滑动层(12；13)具有10至200微米的厚度。

3.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于，所述一个滑动层(12；13)或所述第二滑动层(13)其金属基体由以下成分组成：

碳重量百分比为0.2％～2％，

铬重量百分比为0.5％～3％，

锰重量百分比为0.5％～2％，

铜重量百分比为0.2％～2％，

硅重量百分比为0.1％～2％，

铁剩余部分

其中作为固体润滑剂掺入的六方氮化硼、聚酯、聚酰胺、CaF₂、BaF₂或这些氟化物的共晶体所占的体积百分比为2％一25％。

4.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于，所述第一滑动层(12)其金属基体由以下成分组成：

碳重量百分比为1％～2％，

铬重量百分比为2％～5％，

锰重量百分比为1％～3％，

铜重量百分比为0.2％～2％，

硅重量百分比为0.1％～1％，

铁剩余部分；

其中含有体积百分比为2％～12％的固体润滑剂，即是二硫化钼(MoS₂)。

5.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于，所述第一滑动层(12)其金属基体由以下成分组成：

铝重量百分比为6％～14％，

锰重量百分比为0.5％～4％，

铜剩余部分

其中含有体积百分比为2％～12％的固体润滑剂，即是二硫化钼(MoS₂)。

6.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于，所述第一滑动层(12)其金属基体由以下成分组成：

铬重量百分比为20％～40％，

碳重量百分比为1％～3.5％，

硼重量百分比为0.2％～1.5％，

钴剩余部分

其中含有体积百分比为2％～12％的固体润滑剂，即是二硫化钼(MoS₂)。

7.如权利要求1所述的活塞环(1)，其特征在于，所述活塞环在面向气缸壁的工作表面(11)上具有一个或一个以上的凹槽(10)，并在该凹槽(10)中装有一种材料(14)，该材料的磁特性与活塞环(1)的材料的磁特性不同。

8.如权利要求7所述的活塞环(1)，其特征在于，所述活塞环上的所述凹槽(10)在工作表面(11)上以螺旋形方式延伸，并且从圆周看过去，它离开活塞环(1)的端面(15)之一具有不同的距离。

9.如权利要求7所述的活塞环(1)，其特征在于，所述凹槽(10)中的所。填充料(14)是一种熔有钴、锰和铁的铜-铝合金，其成分为：

铝重量百分比为8％～15％，

钴重量百分比为0.5％～3％，

锰重量百分比为0.5％～5％，

铁重量百分比为1％～5％，

铜剩余部分。

10.如权利要求8所述的活塞环(1)，其特征在于，所述凹槽(10)中的所述填充料(14)是一种熔有钴、锰和铁的铜-铝合金，其成分为：

铝重量百分比为8％～15％，

钴重量百分比为0.5％～3％，

锰重量百分比为0.5％～5％，

铁重量百分比为1％～5％，

铜剩余部分。

11.如权利要求9中所述的活塞环(1)，其特征在于，固体润滑剂即聚酰胺和/或聚脂以5％～30％的体积百分比沉积在所述凹槽(10)中的所述铜铝合金中。

12.如权利要求10中所述的活塞环(1)，其特征在于，固体润滑剂即聚酰胺和/或聚脂以5％～30％的体积百分比沉积在所述凹槽(10)中的所述铜铝合金中。

13.具有如权利要求1所述的活塞环(1)的内燃机。

14.具有如权利要求7或8所述的活塞环(1)的内燃机。

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