CN110131414A - 双金属组合式活塞环、活塞总成、内燃机及降低阻力方法 - Google Patents
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Abstract
一种双金属组合式活塞环、活塞总成、内燃机及降低阻力方法，该双金属组合式活塞环包括配合设置的第一活塞环和第二活塞环；第一活塞环的纵截面为阶梯形，其阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧；第二活塞环的纵截面为与第一活塞环的纵截面相配合的阶梯形，其阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧；第一活塞环与第二活塞环的轴向接触面为斜接触面。本发明的活塞环加强了上下两环之间的连接，大幅提升了密封性：通过两环间的锥面磨砂接触面实现紧密轴向连接，减轻了两环面接合处的漏气；同时两环间定位简单，加工方便。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机零部件设计与制造领域，具体涉及一种双金属组合式活塞环、活塞总成、内燃机及降低阻力方法。
背景技术
活塞环是内燃机燃烧室中的重要部件，一种装配于活塞环槽内部的弹性金属环，通过其自身的弹力和缸内气体的压力，在汽缸壁外圆与活塞环槽表面之间形成密封，是内燃机燃烧室的核心部件。目前的活塞环主要有单体式和组合式两种。通常需要在一个活塞上安装3-4道活塞环。
活塞环的主要作用主要包括密封作用、控油作用、传热作用和支撑四大作用，直接影响发动机的性能、工作可靠性、机油消耗率和使用寿命。其中活塞工作时活塞环直接承受高温高压气流的冲击，据可靠数据认为，发动机活塞组吸入的热量的60％-75％由环带部散发。在三道活塞环中，第一道环密封气体的比例约85％，同时还要完成10-20％的控油工作。
组合式活塞环的基本原理是利用发动机缸内产生的压缩力与爆发力，使组合环随动，与活塞瞬间压紧、松开。达到组合环内主、副环之间的截流、减压、缓泄，最终起到了瞬间密封作用，同时保障瞬间爆发行程结束。转速越高，爆发行程瞬间越短，泄漏量越少。
现有活塞环设计存在如下的缺陷：
(1)活塞运行到缸套上部时润滑困难，不仅增加了阻力，还增加了活塞和缸套的磨损率，降低了活塞环的使用寿命；因此如何研究一种低阻的活塞环成了当前迫切需要解决的课题；
(2)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直通型切口，因此不可避免的存在着搭口漏气的问题和窜油问题；
(3)现有的组合式活塞环专利大多没有认真考虑两环接触面处的密封问题，导致气流会通过两环接触面处的缝隙泄露，大大降低了密封效果；
(4)现有的活塞环多为单体活塞环，上下面间受热不同，容易导致环变形和密封失效。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种双金属组合式活塞环、活塞总成、内燃机及降低阻力方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种双金属组合式活塞环，包括配合设置的第一活塞环和第二活塞环；
第一活塞环的纵截面为阶梯形，其阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧；
第二活塞环的纵截面为与第一活塞环的纵截面相配合的阶梯形，其阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧；
第一活塞环与第二活塞环的轴向接触面为斜接触面。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种活塞总成，所述活塞总成中包含有所述的双金属组合式活塞环。
作为本发明的再一个方面，还提供了一种内燃机，所述内燃机内包括所述的双金属组合式活塞环。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种内燃机降低阻力的方法，采用所述的活塞环来降低阻力。
基于上述技术方案可知，本发明的一种双金属组合式活塞环、活塞总成、内燃机及降低阻力方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、解决了活塞环上下部受热不均导致的变形问题，提高了活塞环的寿命和密封效果；
2、上活塞环采用的低合金热处理的球磨铸铁材料具有高抗弯强度和高弹性模量，同时球磨铸铁中含量较高的石墨成分有利于运动部件间的润滑，降低了摩擦损失；
3、下活塞环采用经热处理的灰铸铁，除了具有较高的抗弯强度和弹性模量外，其硬度也相对较高，满足在不做表面处理的情况下达到所需的耐磨性，简化了处理工序；
4、相比现有的组合式活塞环设计，本活塞环加强了上下两环之间的连接，大幅提升了密封性：通过两环间的锥面磨砂接触面实现紧密轴向连接，减轻了两环面接合处的漏气；同时两环间定位简单，加工方便；
5、没有直通的搭口，增强了密封性，可彻底的阻断燃烧气体，使得其无法进入曲轴箱，提高动力，减少油耗；
6、可间接降低曲轴箱的温度，从而增加机油的润滑粘稠度，提高润滑效果；
7、可避免燃烧产物中的微小颗粒物进入曲轴箱，减缓了积碳问题，增加了机油的使用寿命；
8、本发明相比于单体式活塞环，有三个气体密封面，同时密封面间还存在“迷宫效应”，可以用一道活塞环起到多道环的密封效果；
9、本发明由上环为偏心桶面结构，提升了环的布油能力，降低了运行于气缸套上部时的摩擦阻力；
10、本专利在上下环与汽缸壁间有空腔，可以控制窜油，降低润滑油消耗；
11、可以减少设置活塞环的数目，在活塞上仅设置2-3道活塞环，降低发动机燃烧室内的摩擦损失和生产成本；或者在不增加活塞环道数的前提下，大幅提升活塞环的密封性能；
12、提高了发动机的冷启动性能和怠速性能。
附图说明
图1是本发明实施例中双金属组合式活塞环总成与燃烧室总成的截面示意图；
图2是本发明实施例中上活塞环与下活塞环装配剖面结构示意图；
图3是本发明实施例中上活塞环与下活塞环装配立体结构示意图；
图4是本发明实施例中上活塞环立体结构示意图；
图5是本发明实施例中上活塞环剖面结构示意图；
图6是本发明实施例中下活塞环立体结构示意图；
图7是本发明实施例中下活塞环剖面结构示意图；
图8是本发明实施例中上活塞环搭口与下活塞环定位块的结构示意图；
图9是本发明实施例中下活塞环搭口与上活塞环定位块的结构示意图。
附图标记说明：
1-上活塞环；2-下活塞环；3-活塞；4-气缸套；5-锥面配合面；6-空腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
由于本发明产品摆放的位置可以随意发生变化，本发明中所述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词，只表示相对的位置关系，而不用于限定绝对的位置关系。
本发明在保证活塞环正常工作的前提下尽可能的降低环的运行阻力，在考虑环面结构的前提下充分利用了球墨铸铁本身固有的润滑性。主要解决了上下活塞环面受热不均导致的变形问题；内燃机活塞环搭口存在的固有的漏气问题；同时改善机油上窜和缸套上部的润滑不良的问题。相比现有的组合式活塞环设计，加强了两道环的连接和“迷宫”效应，减轻了两环面接合处的漏气，进一步提升了气密性。同时两环间定位简单，加工方便。
应用此活塞环可以提高内燃机的热效率和动力性，降低排放指标和润滑油消耗率，增强散热效果，同时降低活塞环的磨损率，延长了环的使用寿命。特别是提高了发动机的冷启动性能和怠速性能。可以减少设置活塞环的道数，或者在不增加活塞环道数的前提下，大幅提升活塞环的密封性能。
具体地，本发明公开了一种双金属组合式活塞环，包括配合设置的第一活塞环和第二活塞环；
第一活塞环的纵截面为阶梯形，其阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧；
第二活塞环的纵截面为与第一活塞环的纵截面相配合的阶梯形，其阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧；
第一活塞环与第二活塞环的轴向接触面为斜接触面。
其中，所述第一活塞环采用球磨铸铁材料；第二活塞环采用灰铸铁材料：
所述第一活塞环例如采用经过热处理的球磨铸铁材料，优选GOE-52-KV1型；
所述第二活塞环例如采用经过热处理的灰铸铁材料，优选GOE-32-F14型。
其中，所述第一活塞环的内圆周下环面为内倾锥面，第一活塞环的外圆周上环面为桶面；
所述第二活塞环的外圆周上环面为外倾锥面、外圆周下环面为桶面；
所述内倾锥面、外倾锥面的锥度均为15-75度、优选为45度，所述内倾锥面、外倾锥面的锥度互为余角；
其中，所述锥面表面经过磨砂处理。
其中，所述第一活塞环和第二活塞环外圆在装配时与气缸套在圆周方向设有空腔。
其中，所述第一活塞环位于第二活塞环上方。
其中，所述第一活塞环上设有第一搭口，第二活塞环上与第一搭口对应设有第二限位块；
所述第二活塞环上设有第二搭口，第一活塞环上与第二搭口对应设有第一限位块；
其中，所述第一搭口与第二搭口之间的夹角为180度。
其中，所述的第一活塞环为正扭曲倒置阶梯形；
所述的第二活塞环为负扭曲倒置阶梯形。
其中，所述第一活塞环阶梯面与下活塞环阶梯面的径向宽度和轴向高度均相等。
其中，所述第一活塞环的桶面轴线在中轴线以下。
其中，所述第一活塞环的接触面下端面的径向宽度为第一活塞环的上端面的径向宽度的二分之一。
其中，所述第二活塞环的接触面上端面的径向宽度为第二活塞环的下端面的径向宽度的二分之一。
其中，所述第一活塞环的阶梯状接触面的下段轴向高度为上段的二分之一。
其中，所述第二活塞环的阶梯状接触面的下段轴向高度为上段的二分之一。
本发明还公开了一种活塞总成，所述活塞总成中包含所述的双金属组合式活塞环。
本发明还公开了一种内燃机，所述内燃机内包括所述的双金属组合式活塞环总成。
本发明还公开了一种内燃机降低阻力的方法，采用所述的活塞环来降低阻力。
在本发明的一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：本发明公开了一种适用于内燃机的质量轻且耐磨损的双金属组合式活塞环总成设计。具体而言，包括活塞、上活塞环(第一活塞环)和下活塞环(第二活塞环)。上活塞环和下活塞环根据不同的工作环境，上活塞环采用热处理的球磨铸铁；下活塞环采用经热处理的灰铸铁。所述上活塞环为偏心桶面环，截面为倒阶梯型的；所述下活塞环为桶面环，截面为正阶梯型；活塞环装配体轴向没有直通的搭扣。
在本发明的另一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种适用于内燃机的双金属组合式活塞环总成，包括有活塞、上活塞环和下活塞环，上活塞环和下活塞环根据不同的工作环境采用不同材质，活塞环材料选取格茨(GOETZE)公司的规格和标准。上活塞环优选热处理的GOE-52-KV1球磨铸铁；下活塞环优选经热处理的GOE-32-F14灰铸铁。
所述的上活塞环与下活塞环的轴向固定依靠两环弹力和止动结构配合活动连接；所述的上活塞环设有上限位块，所述的下活塞环也设有下限位块，且两环的限位块都与对侧环的搭口配合形成周向固定。
所述的上活塞环为正扭曲倒置阶梯型，外圆面为偏心桶面结构。
所述的下活塞环为阶梯型，外圆面为桶面结构。
所述的上活塞环与下活塞环搭扣部位保持相互错开并成180度。
所述的上活塞环与下活塞环接触面的锥度成互余关系，锥度为15-75度，优选为45度磨砂锥形配合面。
在本发明的又一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
本发明的目的在于提供一种具有高密封性、低运行阻力、高寿命、同时兼具优良自身润滑能力的新型活塞环，可以实现气缸内燃烧室的高度封闭，以解决发动机动力下降、机油消耗高、气缸套上部润滑困难的问题，提高活塞环的使用寿命，同时降低缸内气体对机油的污染以及内部零件的磨损率，延长机油和零件的使用寿命，提高内燃机的总体可靠性和工作寿命。
为了实现上述技术效果，本发明公开了一种双片组合式活塞环总成，设计为上下活塞环配合的两片式结构，活塞环上下两部分视不同的工作环境情况选择不同的材料。
上下活塞环的材料选择：根据环的工作环境，上活塞环热负荷和机械负荷较高，因此上活塞环优选高强度，高弹性模量，且具有较好自身润滑性的经热处理的GOE-52-KV1球磨铸铁；下活塞环热负荷和机械负荷较轻，优选经热处理的GOE-32-F14灰铸铁，满足在不做表面涂层的情况下达到所需的耐磨性。
上下活塞环的组合结构：两环的接触面为相互配合的斜接触面，所述上环的主体截面为倒置阶梯形，外圆面为偏心桶面，内圆面下段为锥度为15-75度，优选45度内倾锥面；所述下环的主体截面为正置阶梯型，外圆面阶梯状上段为与内圆面下段互余配合的外倾锥面，阶梯状下段为桶面。两活塞环外圆与缸套在圆周方向形成一个空腔，可以存储活塞下行过程中从缸套上部的刮油效果，同样利于活塞上行过程布油，以起到润滑和密封的作用。两活塞环采用环上的限位块与对侧的环搭口配合。
其中，所述上下活塞环通过环的弹力和锥形配合面紧密贴合，没有直通的搭扣，同时通过阶梯状接触面的多层密封形成“迷宫”效应，增强密封效果；
其中，所述上下活塞环的接触面采用表面磨砂处理，以保证两环在工作过程中的紧密轴向连接。
其中，上活塞环外圆面为偏心桶面结构，桶面轴线在中轴线以下。
其中，所述上下活塞环的阶梯状接触面的径向宽度相等。
其中，所述上下活塞环的阶梯状接触面的轴向高度相等。
其中，所述主活塞环的搭扣与所述副活塞环的搭扣之间呈错开180°设置。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1-9所示，本发明可按照如下方式实施，一种组合式活塞环总成，包括活塞3以及安装于活塞3上的上活塞环1(即第一活塞环)和下活塞环2(即第二活塞环)，所述活塞3的外部为气缸套4；所述上活塞环1和下活塞环2均设有搭扣，且搭扣之间呈错位装配；所述上活塞环1的截面为倒置阶梯型，阶梯面位于上活塞环1的内圆周侧；所述下活塞环2的截面为正置阶梯形，阶梯面位于下活塞环2的外圆周侧；上活塞环1阶梯面配合于下活塞环2的阶梯面，装配组合成完整的组合式活塞环。
所述上活塞环1的倒置阶梯状接触面周向包括上端面和下端面，所述下活塞环2的阶梯状接触面包括上端面和下端面。
所述上活塞环1的阶梯状接触面上端面到上活塞环1阶梯状接触面下端面之间的距离等于上活塞环1阶梯状接触面上端面到上活塞环1的环顶的距离；所述上活塞环1的接触面下端面的径向宽度为上活塞环1的上端面的径向宽度的二分之一。镜像地，所述下活塞环2的阶梯状接触面上端面到上活塞环1阶梯状接触面下端面之间的距离等于下活塞环2阶梯状接触面下端面到下活塞环2环底的距离；所述下活塞环2的接触面上端面的径向宽度为下活塞环2的下端面的径向宽度的二分之一。
其中，所述上活塞环1装配于下活塞环2的阶梯面上，下活塞环2的阶梯状接触面上端面与所述上活塞环1的阶梯上端面相重合。
其中，上活塞环优选低合金热处理的GOE-52-KV1球磨铸铁材料；下活塞环优选GOE-32-F14灰铸铁。
其中，两活塞环外圆与气缸套4在圆周方向形成一个空腔6，可以存储活塞下行过程中从缸套上部的刮油效果，同样利于活塞上行过程布油，以起到润滑和密封的作用。
其中，所述锥面配合面5的锥度为15-75度，优选为45度的锥面，并且锥面表面做磨砂处理；上下活塞环通过磨砂锥面配合面5和两环的弹力实现上活塞环1与下活塞环2的轴向紧密连接。
其中，所述上活塞环1阶梯状接触面沿径向方向在其搭口对侧设有限位块，所述下活塞环2同样在阶梯状外圆面搭口对侧的阶梯上设有与所述上活塞环1的搭口相匹配的限位块。分别将所述限位块装配至对侧环的搭口内，用于限制上活塞环1和下活塞环2之间的相对转动，以保持上活塞环1的搭扣与下活塞环2的搭扣之间呈错位180°的状态装配于所述的活塞3中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双金属组合式活塞环，包括配合设置的第一活塞环和第二活塞环；
第一活塞环的纵截面为阶梯形，其阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧；
第二活塞环的纵截面为与第一活塞环的纵截面相配合的阶梯形，其阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧；
第一活塞环与第二活塞环的轴向接触面为斜接触面。
2.根据权利要求1所述的双金属组合式活塞环，其特征在于：
所述第一活塞环采用球磨铸铁材料；第二活塞环采用灰铸铁材料；
作为优选，所述第一活塞环采用经过热处理的球磨铸铁材料，优选GOE-52-KV1型球磨铸铁；
作为优选，所述第二活塞环采用经过热处理的灰铸铁材料，优选GOE-32-F14型灰铸铁。
3.根据权利要求1所述的双金属组合式活塞环，其特征在于：
所述第一活塞环的内圆周下环面为内倾锥面，第一活塞环的外圆周上环面为桶面；
所述第二活塞环的外圆周上环面为外倾锥面、外圆周下环面为桶面；
作为优选，所述内倾锥面、外倾锥面的锥度均为15-75度、优选45度，所述内倾锥面、外倾锥面的锥度互为余角；
作为优选，所述锥面表面经过磨砂处理。
4.根据权利要求1所述的双金属组合式活塞环，其特征在于：
所述第一活塞环和第二活塞环外圆在装配时与气缸套在圆周方向设有空腔。
5.根据权利要求1所述的双金属组合式活塞环，其特征在于：
所述第一活塞环位于第二活塞环上方。
6.根据权利要求1所述的双金属组合式活塞环，其特征在于：
所述第一活塞环上设有第一搭口，第二活塞环上与第一搭口对应设有第二限位块；
所述第二活塞环上设有第二搭口，第一活塞环上与第二搭口对应设有第一限位块；
作为优选，所述第一搭口与第二搭口之间的夹角为180度；
作为优选，所述的第一活塞环为正扭曲倒置阶梯形；
作为优选，所述的第二活塞环为负扭曲倒置阶梯形。
7.根据权利要求1所述的双金属组合式活塞环，其特征在于：
所述第一活塞环阶梯面与下活塞环阶梯面的径向宽度和轴向高度均相等；
作为优选，所述第一活塞环的桶面轴线在中轴线以下；
作为优选，所述第一活塞环的接触面下端面的径向宽度为第一活塞环的上端面的径向宽度的二分之一；
作为优选，所述第二活塞环的接触面上端面的径向宽度为第二活塞环的下端面的径向宽度的二分之一；
作为优选，所述第一活塞环的阶梯状接触面的下段轴向高度为上段的二分之一；
作为优选，所述第二活塞环的阶梯状接触面的下段轴向高度为上段的二分之一。
8.一种活塞总成，其特征在于，所述活塞总成中包含有如权利要求1～7任一项所述的双金属组合式活塞环。
9.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机内采用如权利要求1～7任一项所述的双金属组合式活塞环。
10.一种内燃机降低阻力的方法，其特征在于，所述内燃机内采用如权利要求1～7任一项所述的活塞环来降低阻力。
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