CN109790925A - 用于内燃机的单件式控油环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的单件式控油环(10)，其由于环(10)的极佳的柔韧性而能够容易地顺应汽缸衬套(20)，包括基本上平行于汽缸衬套的内表面的第一表面，从该第一表面延伸出基本上倾斜的第二表面(5)，并且包括能够接收氮化层(12)的回火马氏体基体，具有高硬度，确保环的极佳的耐磨性以及因此耐用性。

Description

用于内燃机的单件式控油环

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的控油环，尤其是一种单件式环，包括在发动机的运转期间在汽缸上施加较低的切向力值，而且环的耐磨性和耐用性极佳。

背景技术

内燃机,无论是柴油机循环、奥托循环、二冲程还是三冲程，均包括至少一个活塞环。活塞环用于密封汽缸衬套与活塞的本体之间的间隙，使燃烧室与发动机的其他内部部件隔离。活塞环径向设置在活塞的本体的基部上，防止燃烧气体在集油槽的方向上从燃烧室逸出，并且阻止发动机油渗入燃烧室内。

通常，发动机设置有三个环，这三个环平行地位于布置在活塞本体的基部中的凹槽中，为两个压缩环和一个刮油环。压缩环更靠近活塞的头部定位并且密封活塞与衬套之间存在的间隙，可以使得活塞可以压缩用于燃烧的空气-燃料混合物并随后保持汽缸的气密性。另一方面，刮油环具有将在压力下抛出的多余的润滑油刮到衬套壁上并使其返回到集油槽中的功能，从而限制和控制油膜的厚度和发动机的油耗。环的另一重要功能是在燃烧期间消散活塞吸收的热量，将其传递到汽缸的冷却工作面。

为了满足这些要求，即使这些汽缸的原始形状存在轻微偏差，活塞环仍需要沿其整个圆周保持与汽缸壁的连续接触。由于高的初始力和燃烧压力，以及造成磨损的高负荷，活塞环需要满足对其材料以及表面和形状的精加工的高要求。

刮油环可以分为三种类型：单件式、两件式以及三件式。由于其良好的整体性能，大多数应用利用具有两个件或三个件的油环。

两件式油环包括环形本体，该环形本体设置有朝向汽缸衬套定向的两个梯形环形凸起，环形本体通常由铸铁或钢制成，并且具有用于容纳膨胀元件(诸如，例如，弹簧)的内部凹槽，该膨胀元件也是环形的，其负责来自组件的切向力。

作为一般规则，三件式油环包括第一上环形区段和第二下环形区段，它们与中间膨胀元件相关联，该膨胀元件以受控方式在上区段和下区段上施加力，以与汽缸壁相接。计算由膨胀元件(其仅仅是弹性元件)施加的力，使得在汽缸壁上的油膜呈现预定的期望厚度。

另一方面，单件式油环的应用更受到限制，因为它具有很大的灵活性(其设计中固有的)，在操作时赋予环极佳的顺应性，易于模制到汽缸的壁上，然而由于被分段的事实而使其表面精加工变得更加困难，这限制了可能应用的精加工方法。

此外，在单件式油环的情况下，由于环经受磨损，由于接触面积的增加而发生压力损失，在这种类型的环中非常小。为了解决这个问题，将环设计成具有更大的初始力，缺点在于这种大的力可能导致更大的磨损，使得单件式油环的解决方案相对于两件式或三件式的等同物显然是不利的。

文献BR102012028094-9揭示了一种单件式控油环，其包括本体，该本体限定朝向内燃机的汽缸壁定向的下部和上部，分别限定垂直于本体的第一表面以及从那里延伸的第二倾斜表面，第一表面与第二表面一起限定与汽缸壁接触的第一区域，使得在发动机的初始组装中第一区域的至少95％与汽缸壁接触，确保恰当控制油膜，包括在运转过程中。

看到现有技术以有效的方式解决了发动机的燃料消耗的问题，确保了油膜的所需且恰当的厚度。然而，在减少单件油环所经受的磨损的意义上，文件BR102012028094-9没有揭示任何解决方案。

在这方面，直到现在还没有开发出用于内燃机的控油环，尤其是单件式油环，由于环的极佳柔韧性而能够容易地顺应汽缸的衬套，而且施加较低的切向力，包括在发动机的运转期间，同时，环的耐磨性极佳，确保油膜的恰当厚度，减少发动机的燃料消耗，环的耐用性极佳。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种用于内燃机的单件式控油环，其能够由于环的极佳柔韧性而容易地顺应汽缸衬套，并且同时施加较低的切向力，包括在发动机的运转期间，确保油膜的恰当厚度并大大减少发动机的燃料消耗。

并且此外，本发明的目的是提供一种单件式控油环，其包括金属基部，该金属基部设置有基本上柔软的或可延展的芯部，该芯部的接触表面具有高硬度。

并且此外，本发明的目的是提供一种包括氮化层的单件式控油环，该氮化层具有高硬度，确保极佳的耐磨性，并因此确保环的高耐久性。

并且此外，本发明的目的是提供一种单件式控油环，其包括设置有芯部的金属基部，该芯部的硬度在400HV与600HV之间，该芯部的接触表面的硬度在800HV与1200之间。

本发明的目的是通过用于内燃机的单件式控油环实现的，该控油环由多个可操作地相关联的区段形成，该单件式控油环包括金属基部，每个区段限定朝向汽缸的内表面定向的下部和上部，上部和下部分别限定基本上平行于汽缸衬套的内表面的第一表面，从那里延伸出基本上倾斜的第二表面，每个区段包括具有硬度在400HV与600HV之间的回火马氏体基体(temperedmartensitic matrix)的金属基部，并且包括设置在环的每个区段的所有表面上的氮化层。

本发明的目的还通过一种环来实现，该环包括设置在环的每个区段的每个上部和下部的第一和第二表面上的氮化层，每个区段包括由包含5％与25％重量之间的铬(Cr)和至少0.45％重量的碳(C)的钢制成的金属基部，金属基部设置有硬度在400HV与600HV之间的芯部，每个区段包括设置有硬度在800HV与1200HV之间的接触表面的金属基部，氮化层的厚度在20微米与120微米之间。

本发明的目的还通过一种环来实现，该环包括区段，每个区段限定具有基本上“C”形状的横截面轮廓，上部和下部对应于“C”的自由末端，并且限定对应于“C”的基部的中心部分，氮化层的厚度最高达每个区段的中心部分的横截面的50％，优选地，厚度在每个区段的中心部分的横截面的16％与24％之间。

附图说明

基于附图中图示的实施方案的示例，下面将更详细地描述本发明。附图示出：

图1：本发明的控油环在内燃机的汽缸内部的布置的图示；

图2：本发明的客体控油环的立体图；

图3：本发明的控油环的区段的横截面的图示，其上部被放大；

图4：示出了在执行硬化热处理和氮化的每个阶段之后的本发明的控油环的照片；

图5：根据本发明的控油环的奥氏体化时间和冷却方式获得的不同平均硬度值的对比图；

图6：在形成本发明的控油环的区段的表面上设置的氮化层的示意图和照片；

图7：在形成本发明的控油环的区段的表面上设置的氮化层的照片；以及

图8：从本发明的控油环的芯部的方向上的接触表面开始获得的硬度的图表形式的图示。

具体实施方式

根据优选的实施方案，并且如在图1和图2中可以看到的，本发明的客体单件式控油环10包括由多个可操作地相关联的区段1形成的本体，每个区段相对于其余区段具有一定程度的运动自由度，赋予环10极大的柔韧性，以及因此对于汽缸衬套20的形式具有很大的适应或模制能力，确保在各种各样的发动机运转情况下保持适当的油膜。

图3示出了形成环10的本体的区段1之一，其包括具有基本上“C”形形式的横截面，该“C”形形式限定了对应于“C”的自由末端的上部2和下部2’，以及对应于“C”的基部的中心部分3。当环10被安装在活塞的凹槽中时，上部2和下部2’朝向汽缸衬套20的内表面定向。环10的具体几何形状可以根据为其开发的发动机的类型而略微变化。

无论上部2和下部2’的具体几何形状如何，其中每个均限定了基本上平行于汽缸衬套20的内表面的第一表面4，从第一表面延伸出基本上倾斜的第二表面5，使得第二表面5限定从第一表面4的延长部分获得的角度D。

由于上部2和下部2’的这种几何形状，第一表面4限定了相对于汽缸衬套20的内表面的第一接触区域A1，该第一接触区域小于如果第二表面5相对于其成零度所限定的区域。

本发明的环10的结构构造确保在发动机的初始组装时第一区域A1的至少95％与汽缸衬套20的内表面接触。换句话说，包括在发动机运转期间的初始时刻，确保第一区域A1的至少95％与汽缸衬套20的内表面接触，从而确保油膜的恰当控制，包括在运转期间。

因此，本发明的环10不需要被设计成在衬套20的内表面上施加高切向力，这是因为可以在A1与衬套20的内表面之间获得高百分比的接触。

上部2和下部2’中的每一个均包括最高达0.5毫米的厚度，使得第一表面4包括最高达0.15毫米的高度，并且从第一表面4的延长部分获得的由第二表面5形成的角度D包括等于或超过30°的锐角D，优选地在45°与70°之间。

必须注意的是，本发明的环10的本体由多个相互可操作地相关联的区段1形成，每个区段1包括具有基本上“C”形的横截面，其中两个连续相关联的区段1限定用于润滑油通过的至少一个开口。用于润滑油通过的开口具有至少一个直的或倒圆的角部，或者还具有任何其他功能形式。

本发明的环10的几何形状允许将由环10施加的切向力减小50％，确保第一区域A1的至少95％与汽缸衬套20的内表面接触。由环10施加的较低的切向力导致摩擦减小并因此减少燃料的消耗和CO₂的排放。重要的是要看到，仅考虑机械损失，发动机的内部摩擦(包括气体和助剂的交换)的平均30％由环产生，并且在这30％中，大约50％来自于控油环。

由于其极大的柔韧性，本发明的客体环10对于汽缸衬套20的形式具有极大的适应/模制/顺从的能力，确保在各种各样的发动机运转情况下保持适当的油膜。应注意，与衬套20的内表面接触的区域A1非常小，最多为0.15毫米。尽管施加的切向力较低，但区域A1与衬套20的内表面的接触压力仍然非常高，相当大地加重了环10的磨损，主要是在上部2和下部2’的第一表面4和第二表面5上。

在这方面，图6示出了本发明的环10，其包括设置在环10的每个区段1的所有表面上的氮化层12，优选地设置在环10的每个区段1的上部2和下部2’的第一表面4和第二表面5上。氮化层12为环10的表面赋予高硬度，并因此增加其耐磨性。

环10的每个区段1由包含5％至25％重量的铬(Cr)(优选地10％重量的铬(Cr))并包含至少0.45％重量的碳(C)的钢形成。环10的金属基部的组合物中存在的铬允许其表面以适当的方式进行氮化以增加耐磨性，同时存在的碳允许在金属基部上实现硬化热处理。

用作制造这种类型的环的原材料的钢必须处于退火状态，以允许机械成形的所有阶段。在机械成形之后，材料必须硬化以允许随后的加工操作，退火状态下的钢不允许这种加工操作。

实现热硬化处理，以便将金属基体的微观结构转变成马氏体，以这种方式获得具有高硬度的马氏体芯部。然而，应注意，由于具有高铬含量的化学组合物和上部2和下部2’的0.5毫米小厚度，将金属转变成马氏体可能产生表面微裂纹15。氮化可能加深并加剧这些微裂纹15的出现和传播。所有这些因素相结合可能损害环在发动机操作中的断裂强度。因此，控制硬化参数是极其重要的，以防止表面裂纹的发生。

图4显示了三张照片，示出了在实现硬化热处理和氮化之后的控油环。照片的目的是说明本发明的控油环10所遇到和克服的困难。照片显示：

阶段1：成形之后的环的照片；

阶段2：实现硬化热处理之后的环的照片。如可以看到的，硬化热处理导致在环的接触表面附近出现微裂纹15；

阶段3：实现硬化热处理然后氮化之后的环的照片。可以看到，表面微裂纹15已经显著增加，证明氮化已经加深并且增加了微裂纹15在环的金属基部中的出现和传播。

因此，有必要实现小心的热处理，以使得可以在环10的表面上实现氮化，而不会加剧裂纹。

在这方面，本发明的环10的每个区段1经过在硬化热处理之后实现的回火热处理。该回火热处理的目的是减轻通过形成马氏体所产生的应力，降低其硬度并使环的芯部更具延展性，包括在氮化处理之后。

环10的每个区段1的金属基部的芯部13的硬度在硬化和回火热处理中进行操作，以区分奥氏体化时间和冷却材料的方式，利用空气、或油、或200℃的油作为主要冷却方式，目的是获得材料的芯部的更大延展性。

通过利用较短的奥氏体化时间，优选地在10与60分钟之间，温度在850℃与1050℃之间，优选地在850℃与910℃之间，之后是必须在30与120分钟之间的等待时间内实现的冷却过程，防止表面微裂纹15的出现。

图5的曲线图呈现了根据不同的奥氏体化时间和不同的冷却方式获得的平均硬度。

如在曲线图中可以看到的，在实现材料的奥氏体化10分钟的时间内，可以获得以下平均硬度：

-对于在环境温度(约25℃)下在空气中冷却，平均硬度约为500HV；

-对于在50℃的温度下在油中冷却，平均硬度为约520HV；以及

-对于在200℃的温度下在油中冷却，平均硬度为560HV。

通过实现材料的奥氏体化60分钟，可以获得以下平均硬度：

-对于在环境温度(约25℃)下在空气中冷却，平均硬度约为530HV；

-对于在50℃的温度下在油中冷却，平均硬度为约560HV；以及

-对于在200℃的温度下在油中冷却，平均硬度为575HV。

因此，基于这些奥氏体化时间和冷却方式，可以获得芯部13的较低硬度但仍然具有硬化金属。环10包括回火马氏体基体的金属基部，其硬度在400HV与600HV之间，优选地硬度在450HV与580HV之间，更优选地硬度在500HV与550HV之间。

随后，实现氮化过程，目的是获得设置在环10的每个区段1的所有表面14上的氮化层12，优选地设置在环10的每个区段1的上部2和下部2’的第一表面4和第二表面5上。

氮化层12的厚度在20与120微米之间，优选地厚度在40与60微米之间，更优选地具有60微米的厚度。

重要的是要强调氮化层12的厚度相当于“C”形轮廓的横截面的比例，尤其是将“C”形轮廓的中心部分3作为参考。在这方面，氮化层12的厚度小于该横截面的50％，优选地在区段1的中心部分3的横截面的16％与24％之间。在区段1的中心部分3中获得这些值，因为恰好在该部分中易于发生环10的断裂。图7示出了环10的区段1的横截面，其所具有的氮化层相当于该横截面厚度的16％。

本发明的重大新颖之处在于实现硬化和回火处理，允许获得包括由更具延展性的马氏体结构形成的金属基部的环10。该材料的芯部13具有在400HV与600HV之间的较低的硬度，基本上是柔软的或可延展的，但是仍然获得用于实现氮化的回火马氏体基体。

在环10的每个区段1的表面14上设置的氮化层的硬度在800HV与1200HV之间，优选地，硬度超过1000HV。

图8的曲线图呈现了在材料的芯部13的方向上从其接触表面14开始的环10的硬度变化。可以看到，对于10微米的深度(接触表面14)，环10的硬度在900HV与1000HV之间，而对于80微米的深度，环10的硬度显著减小，使得芯部13的材料呈现大约为400HV至500HV的硬度。

因此，本发明的单件式控油环10显示出能够接收氮化层的具有延展性的芯部，而不会发生在现有技术中看到的表面微裂纹15的传播(参见图4)。

此外，可以注意到，环10的金属基部，包括在其芯部13中，包括其中具有沉淀的碳化铬的材料。因此，即使在氮化层消失之后，材料的芯部中仍然存在耐磨的碳化铬。

在这方面，本发明的环10的耐磨性增加约30％，显著增加了环10的耐久性，至少在朝向汽缸衬套20的内表面定向的上部2和下部2’的第一表面4和第二表面5上获得氮化层。

以这种方式，环10(本发明的客体)，除了施加较低的切向力之外，包括在发动机运转期间，确保了油膜的恰当厚度，减少了摩擦并降低了发动机的燃料消耗，其还包括环的极佳的耐磨性和耐用性。

已经描述了优选实施方案的示例，应当理解，本发明的范围包括仅由所附权利要求的内容限定的其他可能的变型，其中包括可能的等同物。

Claims (9)

1.用于内燃机的单件式控油环(10)，其由包括金属基部并且可操作地相关联的多个区段(1)形成，每个区段(1)限定均朝向汽缸衬套(20)的内表面定向的上部(2)和下部(2’)，所述上部和下部(2、2’)分别限定基本上平行于所述汽缸衬套(20)的所述内表面的第一表面(4)，从所述第一表面延伸出基本上倾斜的第二表面(5)，所述环(10)的特征在于，每个所述区段(1)包括回火马氏体基体的金属基部，其硬度在400HV与600HV之间，并且包括设置在所述环(10)的每个所述区段(1)的所有表面上的氮化层。

2.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述氮化层(12)设置在所述环(10)的每个所述区段(1)的每个所述上部和下部(2、2’)的所述第一表面和第二表面(4、5)上。

3.根据权利要求1所述的环，其特征在于，每个所述区段(1)包括由钢形成的所述金属基部，所述钢包含5％至25％重量的铬(Cr)和至少0.45％重量的碳(C)。

4.根据权利要求1所述的环，其特征在于，每个所述区段(1)包括设置有芯部(13)的所述金属基部，所述芯部的硬度在400HV与600HV之间。

5.根据权利要求1所述的环，其特征在于，每个所述区段(1)包括设置有接触表面(14)的所述金属基部，所述接触表面的硬度在800HV与1200HV之间。

6.根据权利要求1所述的环，其特征在于，所述氮化层(12)的厚度在20微米与120微米之间。

7.根据权利要求1所述的环，其特征在于，每个所述区段(1)限定具有基本上“C”形状的横截面轮廓，其中，所述上部和下部(2、2’)对应于所述“C”的自由末端，并限定对应于所述“C”的基部的中心部分(3)。

8.根据权利要求7所述的环，其特征在于，所述氮化层(12)的厚度最多为每个所述区段(1)的所述中心部分(3)的所述横截面的50％。

9.根据权利要求7所述的环，其特征在于，所述氮化层(12)的厚度在每个所述区段(1)的所述中心部分(3)的所述横截面的16％与24％之间。