CN110506173B - 内燃机用活塞和活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内燃机用活塞和活塞环。该内燃机用活塞能够在气缸内移动，具有活塞主体和配置于环槽的活塞环，所述活塞环的上侧表面具有：凸状的凸面部，其在所述活塞环的自由状态下形成于内缘的位置与在径向上的厚度为1/2的中央位置之间；和倾斜周面部，其在所述径向的外侧与所述凸面部连续，以随着朝向平面部或者所述径向的内侧而接近所述活塞环的下侧表面的方式倾斜，在所述活塞主体和所述活塞环处于规定状态下，在与所述活塞主体的中心轴线平行且包含所述中心轴线的截面中，所述环槽的上表面与所述平面部或所述倾斜周面部之间的角度为18分以上。

Description

内燃机用活塞和活塞环

技术领域

本发明涉及内燃机用活塞和活塞环。

背景技术

以往，已知有具有活塞和气缸的内燃机，该气缸以通过润滑油能够自由滑动且能够自由往复运动的方式收容该活塞。

作为这种内燃机，专利文献1中记载有如下内燃机：冷态时的活塞主体与气缸之间的间隔由于因运转产生的活塞主体的热膨胀而导致在活塞顶部侧变得更窄，第一环槽的姿势根据冷态时和运转时而发生变化。在专利文献1记载的内燃机中，以运转时处于自由姿势的第一环的两侧面各自的环面与环槽之间的间隙的截面形状成为随着从环内周侧朝向环外周侧扩展的楔形形状的方式形成了第一环槽。

另外，专利文献2中记载有配置一个压力环和一个油环而成的内燃机用活塞的活塞环与环槽的组合构造。另外，专利文献2中公开有如下结构：在插入截面为大致长方形的压力环的环槽的上表面设置了从内侧朝向外侧向上的10分至50分的斜度。

专利文献

专利文献1：日本特开平8-121242号公报；

专利文献2：日本特开2000-257714号公报。

发明内容

发明要解决的课题

然而，在作为内燃机的发动机运转时，活塞在气缸内往复运动，由于压力、温度以及活塞和活塞环的运动的影响，环槽的上表面、下表面与活塞环的上侧表面、下侧表面接触，环槽的上表面和下表面以及活塞环的上侧表面和下侧表面发生不均匀磨损。特别是，为了提高内燃机的可靠性，也期望充分抑制由于活塞环中位于最上部的亦称为顶环的第一环与配置该第一环的第一环槽之间的接触而产生的上述不均匀磨损。

对此，通过设置对环槽实施的阳极处理、冷却通道、耐磨环等，能够减少环槽的上表面和下表面以及活塞环的上侧表面和下侧表面的不均匀磨损，但是成为由于制造工序的增加而造成的产品成本的增加、活塞重量的增加的主要原因，因此希望采用更加简单的方法来抑制不均匀磨损。

本发明的发明人反复专心研究得到如下见解：根据专利文献1、2中记载的结构，虽然能够一定量地抑制环槽的上表面和下表面以及活塞环的上侧表面和下侧表面的不均匀磨损，但是为了更充分地抑制环槽的上表面和活塞环的上侧表面的不均匀磨损，尚有进一步改善的余地。

本发明的目的在于提供一种能够抑制环槽的上表面和活塞环的上侧表面的不均匀磨损的内燃机用活塞和活塞环。

用于解决课题的方案

作为本发明的第一方式的内燃机用活塞，其能够在内燃机的气缸内移动，所述内燃机用活塞具有在外周面形成有环槽的活塞主体、和配置于所述环槽的活塞环，其特征在于，所述活塞环的上侧表面具有：凸状的凸面部，其在所述活塞环的自由状态下形成于内缘的位置与在径向上的厚度为1/2的中央位置之间，以随着朝向所述径向的内侧而接近所述活塞环的下侧表面的方式延伸；和倾斜周面部，其在所述径向的外侧与所述凸面部连续，以随着朝向平面部或所述径向的内侧而接近所述活塞环的所述下侧表面的方式倾斜，在所述活塞主体和所述活塞环收容于所述气缸内并所述内燃机处于冷态时的规定状态下，在与所述活塞主体的中心轴线平行且包含所述中心轴线的截面中，所述环槽的上表面与所述平面部或所述倾斜周面部之间的角度为18分以上。

作为本发明的一实施方式优选为，在所述截面中的所述凸面部的曲率半径为0.5mm以上。

作为本发明的一实施方式优选为，所述活塞环具有位于与搭口部相向的位置处的搭口相反部，所述环槽的上表面与所述平面部或所述倾斜周面部之间的所述角度为在所述搭口相反部的位置处的角度。

作为本发明的一实施方式优选为，在所述规定状态下，所述环槽的上表面相对于与所述中心轴线正交的平面的角度属于30分～180分的范围。

作为本发明的一实施方式优选为，在所述规定状态下，所述平面部或所述倾斜周面部相对于与所述中心轴线正交的平面的角度为0分以上。

作为本发明的一实施方式优选为，在将所述倾斜周面部设为第一倾斜周面部的情况下，所述活塞环的上侧表面具有第二倾斜周面部，所述第二倾斜周面部在所述径向的内侧与所述凸面部连续，与所述平面部和所述第一倾斜周面部相比，以随着朝向所述径向的内侧而接近所述活塞环的所述下侧表面的方式倾斜。

作为本发明的一实施方式优选为，所述活塞环的所述凸面部为弯曲部或多阶凸部，所述多阶凸部在所述活塞环的与周向正交的环截面中由多条直线形成为凸状。

作为本发明的一实施方式优选为，在所述活塞主体的外周面形成有多个所述环槽，所述活塞环配置于所述多个环槽中的在所述活塞主体的中心轴线方向上位于最上方的第一环槽。

作为本发明的第二方式的活塞环，配置于在活塞主体的外周面形成的环槽，其特征在于，上侧表面具有：凸状的凸面部，其在活塞环的自由状态下形成于内缘的位置与在径向上的厚度为1/2的中央位置之间，以随着朝向所述径向的内侧而接近下侧表面的方式延伸；和倾斜周面部，其在所述径向的外侧与所述凸面部连续，以随着朝向平面部或所述径向的内侧而接近所述下侧表面的方式倾斜。

作为本发明的一实施方式优选为，在环截面中的所述凸面部的曲率半径为0.5mm以上。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够抑制环槽的上表面和活塞环的上侧表面的不均匀磨损的内燃机用活塞和活塞环。

附图说明

图1是示出包含作为本发明的一实施方式的内燃机用活塞的内燃机的图。

图2是示出图1所示的活塞的纵截面的一部分的剖视图。

图3是图2所示的第一环的单体的俯视图。

图4中的(a)是图3的虚线的I-I剖视图，图4中(b)是图3的实线的I-I剖视图。

图5是放大地示出图2所示的剖视图中的第一环和第一环槽的部分的放大剖视图。

图6是示出图5所示的第一环的上侧表面的变形例的图。

图7是示出图5所示的第一环的变形例的图。

图8是示出图5所示的第一环的变形例的图。

图9是示意地示出一般的活塞的图。

图10是示意地示出在组装状态下且在内燃机处于热态时施加于第一环的力的图。

图11是示意地示出环槽的上表面和下表面的磨损形态的图。

图12中的(a)是对在推力方向和止推方向上各自的环槽的上表面的靠槽底侧的位置处的磨损量进行评价而得到的图表。图12中的(b)是对推力方向和止推方向上各自的环槽的上表面的靠环槽脊外周面侧的位置处的磨损量进行评价而得到的图表。

图13是示出图5所示的凸面部的曲率半径与环槽的槽底侧的磨损量之间的关系的图表。

具体实施方式

以下，参照图1～图13说明本发明的内燃机用活塞和活塞环的实施方式。此外，对各图中共同的部件、部位标注了共同的标记。

图1是示出作为内燃机1的往复式发动机(往复式内燃机)的图。如图1所示，内燃机1具有：圆筒状的气缸2，其形成于气缸体50；作为本发明的一实施方式的内燃机用活塞3(以下简称为“活塞3”)，其以能够相对于气缸2的内壁2a滑动的方式收容于该气缸2内；连杆5，其上端部经由活塞销4与活塞3结合；以及曲轴7，其经由曲柄销6与连杆5的下端部连结。此外，图1所示的作为内燃机1的往复式发动机是活塞3在气缸2内沿上下方向能够往复移动的汽油发动机，但也可以是柴油发动机等活塞往复移动的其他内燃机。

在气缸体50的下侧结合曲轴箱8，由气缸体50的下部和该曲轴箱8划分出收容曲轴7的曲轴室9。在曲轴箱8的下侧设置有承接从上方落下了的油的油盘(oil pan)。在气缸体50的上侧结合气缸盖60，该气缸盖60设置有分别通过进气阀10和排气阀11进行开闭的进气口12和排气口13，由该气缸盖60的内壁面、活塞3的上表面以及气缸2的内周面划分出燃烧室14。

以下，说明内燃机1的活塞3的详情。

图2是示出与活塞3的中心轴线O平行且包含中心轴线O的纵截面中的一部分的剖视图。如图2所示，活塞3具有：活塞主体16，其在外周面形成有环槽15；和活塞环17，其配置于环槽15。具体而言，在本实施方式的活塞主体16形成有多个环槽15。更具体而言，在本实施方式的活塞主体16的外周面形成有第一环槽15a、第二环槽15b以及第三环槽15c这三个环槽15。

第一环槽15a位于在与活塞3的中心轴线O(与活塞主体16的中心轴线相同)平行的方向(以下记载为“中心轴线方向A”)上比第二环槽15b和第三环槽15c更靠活塞主体16的冠面侧。换言之，第一环槽15a位于多个环槽15中的在中心轴线方向A上的最上方。

第二环槽15b位于在中心轴线方向A上第一环槽15a与第三环槽15c之间。

第三环槽15c位于在中心轴线方向A上比第二环槽15b和第三环槽15c更靠活塞主体16的下端侧。换言之，第三环槽15c位于多个环槽15中的在中心轴线方向A上的最下方。

在这三个环槽15中的第一环槽15a、第二环槽15b分别配置有一个活塞环17。另外，在三个环槽15中的第一环槽15a和第二环槽15b以外的第三环槽15c配置有由三个部件构成的一个活塞环17。具体而言，在第一环槽15a嵌合地配置有第一环17a。在第二环槽15b嵌合有第二环17b。在第三环槽15c嵌合有第三环17c。

第一环17a是所谓的“第一压力环”，抑制压缩气体从燃烧室14侧向曲轴箱8侧泄漏(漏气)。具体而言，第一环17a通过其外周面借助润滑油在规定压力下相对于气缸2的内壁2a滑动来抑制上述漏气的产生。

第三环17c是所谓的“油环”，通过将附着于气缸2的内壁2a的多余的机油刮落并形成适度的油膜，由此防止活塞3的烧熔。具体而言，第三环17c通过其外周面在规定的压力下相对于气缸2的内壁2a滑动，从而在气缸2的内壁2a上形成适度的油膜。此外，第三环17c能够由各种结构实现。

第二环17b是所谓的“第二压力环”，辅助作为第一压力环的第一环17a，抑制上述漏气的产生。而且，第二环17b还具有对作为油环的第三环17c进行辅助的功能。也就是说，第三环17c通过其外周面借助润滑油在规定压力下相对于气缸2的内壁2a滑动，由此在抑制上述漏气的同时，刮落气缸2的内壁2a上的多余的机油。

此外，活塞3的活塞主体16为铝合金制，活塞环17是钢制或铸铁制。

以下，对作为本发明的活塞环的一实施方式的第一环17a和配置有该第一环17a的第一环槽15a的结构的详情进行说明。图3是第一环17a单体的俯视图，图4是图3的I-I剖视图，换言之，是示出与第一环17a单体的周向正交的环截面的图。此外，在图3中，用虚线表示组装于气缸2内之前没有施加外力的自由状态下的第一环17a，用实线表示与活塞主体16一并收容于气缸2内并从气缸2的内壁2a被施加外力而张紧设置的状态、换言之、闭合至气缸2的内径的状态(以下有时简称为“组装状态”)下的第一环17a。而且，图4中的(a)是图3的虚线的I-I剖视图，图4中(b)是图3的实线的I-I剖视图。另外，图5是放大地示出图2所示的剖视图中的第一环17a和第一环槽15a的部分的放大剖视图。换言之，图5是第一环17a处于组装状态时的放大剖视图。

如图4、图5所示，本实施方式的第一环17a具有借助润滑油相对于气缸2的内壁2a滑动的外周面17a1、位于该外周面17a1的相反侧的内周面17a2、活塞主体16的冠面侧的上侧表面17a3以及位于该上侧表面17a3的相反侧的下侧表面17a4。

第一环17a的外周面17a1是如图4、图5所示那样在剖视观察时由曲率半径大致恒定的曲线描绘出的桶面。但是，第一环17a的外周面17a1的形状并不限于本实施方式的桶面，例如能够设为由相对于中心轴线以一致的角度倾斜的斜面构成的锥面、将相对于中心轴线角度不同的多个斜面组合而成的结构等各种形状的外周面。

如图4中的(a)所示，第一环17a的内周面17a2形成在第一环17a处于自由状态时大致一致的周面。

如图4中的(a)所示，第一环17a的上侧表面17a3具有：凸状的凸面部18，其在第一环17a处于自由状态时，形成于内缘的位置与在径向B上的厚度为1/2的中央位置C之间，以随着朝向径向B的内侧而接近第一环17a的下侧表面17a4的方式延伸；平面部19，其在第一环17a的径向B的外侧与该凸面部18连续；以及倾斜周面部20，其在径向B的内侧与凸面部18连续，与平面部19相比，以随着朝向径向B的内侧而接近第一环17a的下侧表面17a4的方式倾斜。虽然凸面部18和倾斜周面部20都以随着朝向径向B的内侧而接近第一环17a的下侧表面17a4的方式延伸，但是在图4、图5所示的截面中，本实施方式的凸面部18为圆弧状，倾斜周面部20为直线状。此外，本实施方式中的“内缘的位置”是指内周面17a2的上端与倾斜周面部20的交点，在假设为不存在倾斜周面部20且内周面17a2的上端与凸面部18直接连续的结构的情况下，“内缘的位置”成为内周面17a2与凸面部18的交点(参见图7、图8)。

这里，本实施方式中的凸面部18由在图4的剖视观察时呈圆弧状的弯曲部构成，但只要是活塞环17的宽度尺寸为如随着在径向B上朝向内侧(内周侧)而逐渐变小那样的凸形状、换言之以随着朝向径向B的内侧而接近活塞环17的下侧表面的方式延伸的凸形状即可，并不限于本实施方式的弯曲形状。因此，也可以例如如图6中的(a)所示那样将凸面部18设为在活塞环17的与周向正交的环截面中由多条直线形成为凸状的多阶凸部26。此外，图6的(a)的多阶凸部26是角度不同的三条直线连续而形成的，但也可以是由两条直线形成的，还可以是由四条以上的直线形成的。在图6的(a)中，为了便于理解三条直线的交点，而对其标注有黑色圆点。

另外，本实施方式的第一环17a的上侧表面17a3为具有凸面部18、平面部19以及倾斜周面部20的结构，但并不限于该结构，也可以设为例如如图6的(b)所示那样具有凸面部18、在径向B的外侧与该凸面部18连续的倾斜周面部25、和在径向B的内侧与凸面部18连续的倾斜周面部20的结构。以下，关于图6中的(b)所示的结构，出于区分两个倾斜周面部的目的，为了便于说明而将“倾斜周面部25”记载为“第一倾斜周面部25”，将“倾斜周面部20”记载为“第二倾斜周面部20”。

图6中的(b)所示的第一倾斜周面部25以随着朝向径向B的内侧而接近第一环17a的下侧表面17a4的方式倾斜。而且，图6中的(b)所示的第二倾斜周面部20与上述第一倾斜周面部25相比，以随着朝向径向B的内侧而接近第一环17a的下侧表面17a4的方式倾斜。也就是说，虽然第一倾斜周面部25和第二倾斜周面部20都以随着朝向径向B的内侧而接近第一环17a的下侧表面17a4的方式倾斜，但第二倾斜周面部20的倾斜角度比第一倾斜周面部25的倾斜角度大。此外，在图6中的(b)的剖视观察时，第一倾斜周面部25和第二倾斜周面部20呈直线状延伸。另外，图6中的(b)所示的凸面部18与本实施方式相同地由弯曲部构成，在图6中的(b)的剖视观察时呈圆弧状延伸。在图6中的(b)中，为了便于理解而将第一倾斜周面部25和第二倾斜周面部20各自与凸面部18的交点标注了黑色圆点。

如上所述，作为活塞环17的第一环17a的上侧表面17a3并不限于图4和图5等的本实施方式中示出的结构，也可以设为如图6中的(a)、图6中的(b)所示的结构。

另外，如图4中的(a)所示，本实施方式的第一环17a的下侧表面17a4由在第一环17a处于自由状态时与上侧表面17a3的平面部19平行地延伸的一致的平面构成。此外，上侧表面17a3的平面部19和下侧表面17a4无论第一环17a处于自由状态(参见图4中的(a))还是处于组装状态(参见图4中(b)和图5)，都大致平行地延伸。

如图3中用实线所示，第一环17a在组装状态下，在环端彼此之间形成间隙。这里设为将组装状态下的环端彼此和间隙合称为“搭口部21”。而且，设为将在组装状态下位于隔着第一环17a的中心轴线(与活塞3的中心轴线O相同)与搭口部21相向的位置上的部分称为“搭口相反部22”。

这里，第一环17a在从图3的虚线所示的自由状态变形为图3的实线所示的组装状态时，如图4所示那样扭转变形。这是因为，如图4和图5所示，本实施方式的第一环17a在上侧表面17a3的内周面侧具有作为内侧缺口部的凸面部18和倾斜周面部20。更具体而言，当使第一环17a从图3的虚线所示的自由状态变形为图3的实线所示的组装状态时，如图4中(b)和图5所示，第一环17a由于上述的内侧缺口部的影响而以向上侧表面17a3侧弯曲的方式扭转变形为盘状。此外，如上所述，由于第一环17a在组装状态下具有搭口部21，因此扭转变形的程度在搭口部21的位置处相对小，在搭口相反部22的位置处相对大。

接下来，参照图5，针对活塞主体16和配置于第一环槽15a的第一环17a被收容于气缸2内的组装状态下的第一环槽15a的上表面15a1与第一环17a的上侧表面17a3之间的关系进行说明。此外，图5示出了如上述那样活塞主体16和第一环17a收容于气缸2内的组装状态且内燃机1处于冷态时的冷态时状态。以下，为了便于说明，将“组装状态且冷态时状态”亦简称为“规定状态”。

在图5所示的规定状态下的剖视观察时，内燃机1构成为第一环槽15a的上表面15a1与平面部19之间的角度θ为18分以上。通过采用这样的结构，能够减轻由于活塞主体16的二阶运动和第一环17a的运动而导致的第一环17a的上侧表面17a3的外周侧的部分与第一环槽15a的上表面15a1接触时的压力。其结果是，能够抑制第一环槽15a的上表面15a1的第一环槽脊外周面16a侧的不均匀磨损、第一环17a的上侧表面17a3的外周侧的不均匀磨损。此外，关于将角度θ设定为18分以上的详情，将在后面阐述(参见图12)。

而且，如上所述，第一环17a的上侧表面17a3具有在内缘的位置与在径向B上的厚度为1/2的中央位置C之间形成的凸面部18，因此增大了第一环17a的上侧表面17a3的内周侧的部分与第一环槽15a的上表面15a1接触的面积，从而能够分散接触的压力。其结果是，能够抑制第一环槽15a的上表面15a1的槽底15a2侧的不均匀磨损、第一环17a的上侧表面17a3的内周侧的不均匀磨损。

这样，通过将在图5所示的规定状态下的剖视观察时第一环槽15a的上表面15a1与平面部19之间的相对角度θ设为18分以上，并且在第一环17a的上侧表面17a3的内周侧设置凸面部18，由此能够抑制第一环槽15a的上表面15a1的槽底15a2侧及第一环槽脊外周面16a侧的不均匀磨损、和第一环17a的上侧表面17a3的内周侧及外周侧的不均匀磨损。

这里，第一环17a的上侧表面17a3的凸面部18在包含中心轴线O的截面(参见图4、图5)中具有0.5mm以上的曲率半径。这里，关于包含中心轴线O的截面(参见图4、图5)中的凸面部18的曲率半径，在凸面部18由弯曲部构成的情况下，是指该弯曲部的曲率半径，在凸面部18为在该截面中由多条直线形成为凸状的多阶凸部的情况下，是指由多阶凸部的两端的2点和位于该2点间的中央或中央附近的一个顶点这3个点规定的圆弧的曲率半径。

这里，在本实施方式中，将相对角度θ设定为18分以上，并且在第一环17a的上侧表面17a3的内周侧设置有凸面部18，但是无论相对角度θ的值为多少，通过在第一环17a的上侧表面17a3的内周侧设置凸面部18，都能抑制配置该第一环17a的环槽的上表面的槽底侧的不均匀磨损和第一环17a的上侧表面17a3的内周侧的不均匀磨损。

此外，在本实施方式中，第一环17a的宽度(上侧表面17a3的平面部19与下侧表面17a4之间的距离)为1.0mm～2.0mm。通过将凸面部18的曲率半径设为0.5mm以上，能够期望获得降低赫兹应力的最大值的效果，并能够较大地分散接触的压力。关于将凸面部18的曲率半径设为0.5mm以上的详情，将在后面阐述(参见图13)。

此外，第一环槽15a由上表面15a1、槽底15a2以及下表面15a3划分出，所述上表面15a1由相对于与中心轴线O正交的平面以锐角倾斜的周面构成，所述下表面15a3与上表面15a1相向，并由相对于与中心轴线O正交的平面以比上表面15a1小的锐角的角度倾斜的周面构成。

如上所述，在图5所示的规定状态下的剖视观察时，第一环槽15a的上表面15a1与平面部19之间的角度θ为18分以上，但该角度θ优选为通过将在图5所示的规定状态下的剖视观察时第一环槽15a的上表面15a1相对于与中心轴线O正交的平面的角度α设定为30分以上且180分以下来实现。这样，通过以第一环槽15a向第一环槽脊外周面16a侧扩展的方式将第一环槽15a的上表面15a1的角度α确保得较大，由此容易确保上述的18分以上的角度θ。进而，角度θ优选为通过将在图5所示的规定状态下的剖视观察时第一环17a的平面部19相对于与中心轴线O正交的平面的角度β设定为0分以上来实现。此外，关于这里所说的角度α和角度β的值，将相对于与中心轴线方向A正交的平面向活塞主体16的冠面侧即上侧倾斜的斜度设为具有正角度的斜度。当将角度α设为小于30分时，具有扭转角度的第一环槽15a的运动范围变窄，在外周侧的磨损容易增加。另外，当将角度α设为大于180分时，内周侧的磨损容易增加，并且侧面的间隙(第一环槽15a的上下表面与第一环17a的上下侧表面之间的间隙)增加，漏气容易增加。因此，优选角度α设为30分以上且180分以下。

另外，上述角度θ优选为在图5所示的规定状态下第一环17a的周向上搭口相反部22的位置处的角度。如上所述，搭口相反部22的位置的扭转变形的程度相对大。即，搭口相反部22的位置是在第一环17a的周向上上述角度β变为最大的位置，成为与第一环槽15a的上表面15a1最容易接触的位置。即使是该搭口相反部22的位置，通过将上述角度θ设为18分以上，也能更可靠地减少第一环槽15a的上表面15a1的不均匀磨损和第一环17a的上侧表面17a3的不均匀磨损。

此外，这里对第一环槽15a和配置于该第一环槽15a的第一环17a进行了说明，但也可以将上述角度θ的关系和凸面部18的结构应用于第二环槽15b和配置于该第二环槽15b的第二环17b。但是，如本实施方式这样，特别优选将上述角度θ的关系和凸面部18的结构应用于在活塞主体16的中心轴线方向(与活塞3的中心轴线方向A相同的方向)上位于最上方的第一环槽15a和配置于该第一环槽15a的第一环17a。第一环槽15a接近燃烧室14，在热态时容易产生微量的热变形。因此，与在第二环槽15b和第二环17b形成上述角度θ的关系相比，如本实施方式这样在第一环槽15a和第一环17a形成上述角度θ的关系，能够更有效地抑制环槽15的上表面与活塞环17的上侧表面的接触。

另外，本实施方式中示出的作为活塞环17的第一环17a具有如图4、图5所示的环截面形状，但只要是在上侧表面中的内缘的位置与在径向B上的厚度为1/2的中央位置C之间的位置，具有以随着朝向于径向的内侧而接近下侧表面的方式延伸的凸面部，且具有在径向B的外侧与该凸面部连续的平面部或第一倾斜周面部(例如参见图6中的(b)的“第一倾斜周面部25”)的结构，则环截面形状并不特别限定。因此，例如，可以设为具有如图7所示的截面形状的活塞环17。此外，图7与图5相同地示出规定状态。

图7所示的作为活塞环17的第一环117a与上述第一环17a的不同点是：在上侧表面117a3的外周侧，具有在中心轴线方向A上朝向活塞主体16的冠面侧突出设置的周壁部123。而且，图7所示的第一环117a与上述第一环17a的不同点还存在不具有倾斜周面部20这一点。换言之，图7所示的第一环117a的上侧表面117a3由凸面部18、平面部19、立起部124以及顶部125构成，凸面部18由弯曲部构成。此外，凸面部18和平面部19的结构与图5所示的第一环17a的结构相同，在此省略说明。

由周壁部123形成的立起部124在图7的剖视观察时，为沿与平面部19大致正交的方向延伸的面。另外，顶部125是周壁部123的顶面。周壁部123位于活塞主体16的比第一环槽脊外周面16a更靠径向外侧，在活塞103在气缸2(参见图1等)内往复移动时成为夹入在第一环槽脊外周面16a与气缸2的内壁2a(参见图1等)之间的状态。因此，在与第一环槽脊外周面16a相向的位置，构成第一环117a的外周面117a1的一部分的周壁部123的外周面借助润滑油相对于气缸2的内壁2a进行滑动。

具有图7所示的截面形状的第一环117a也与图5所示的第一环槽15a及第一环17a相同地，上侧表面117a3的平面部19与第一环槽15a的上表面15a1之间的角度θ为18分以上。另外，凸面部18形成于上侧表面117a3中的内缘的位置与在径向上的厚度为1/2的中央位置C之间。因此，即使是图7所示的结构，也能够抑制第一环槽15a的上表面15a1的不均匀磨损和第一环117a的上侧表面117a3的不均匀磨损。

此外，除了图7所示的包含第一环117a的活塞103以外，例如也可以设为包含具有如图8所示的截面形状的第一环217a的活塞203。图8所示的第一环217a与图7所示的第一环117a的不同点是不具有周壁部123，但其他结构相同。也就是说，图8所示的第一环217a的上侧表面217a3由凸面部18和平面部19构成。

接下来，详细说明上述角度θ。

图9是示意地示出包含形成有环槽515的活塞主体516和配置于环槽515的活塞环517的一般活塞503的图。如图9所示，活塞环517在内燃机处于热态时，有时相对于活塞主体516进行相对转动。而且，也有时在径向上滑动移动。根据Archard的磨损公式，金属间的磨损量W与接触压力和滑动距离之积成比例。利用该公式，根据接触压力、滑动时间以及滑动速度来推断磨损量的指标。

这里，图10示意示出在组装状态下，在内燃机1处于热态时，在位于环槽15的活塞环17施加的力。如图10所示，在活塞环17作用了挤压效应等的、由于环槽15内的气体、油膜产生的力(在图10中标示为“F1”。以下简写为“F1”)、环槽15外的气体压力(在图10中标示为“F2”。以下简写为“F2”)、固体接触时的反作用力(在图10中标示为“F3”。以下简写为“F3”)、外周摩擦力(在图10中标示为“F4”。以下简写为“F4”。)、活塞环17的惯性力(在图10中标示为“F5”。以下简写为“F5”)。在环槽15的上表面和下表面与活塞环17的上侧表面和下侧表面之间的接触部位(参见图10中用虚线围起的位置)产生的表面压力的分布由上述力的平衡而产生的。

因此，通过计算对磨损量产生影响的活塞主体16和活塞环17的运动及活塞环17所拥有的力，能够计算与磨损量相关的指标值。具体而言，实施发动机内的活塞主体16和活塞环17的运动分析计算，根据其结果进行结构分析计算，对在运转中的发动机的环槽15产生的压力进行计算。根据该压力、此时的活塞主体16和活塞环17的运动速度、运动状态来推断在环槽15产生的磨损量。

对能够像这样推断在环槽15的上表面和下表面的磨损量的指标值进行计算。图11是示意地示出使用了一般的矩形活塞环17的活塞主体16中的环槽15的上表面和下表面的磨损量的分布形态的图。计算出的指标值能够推断图11所示的磨损量，并推断与设计尺寸的变更相对应的磨损量的增减。在图11中，利用点区域(参见图11的标记“M”)表示环槽15的上表面和下表面的磨损量。如图11所示可知，在环槽15的上表面，在接近环槽脊外周面的位置处磨损增大。只要活塞环17的上侧表面难以与环槽15的环槽脊外周面附近接触，就能抑制环槽15的上表面中接近环槽脊外周面的位置处的磨损。因此，例如，通过使环槽15的上表面相对于与活塞主体16的中心轴线正交的平面的角度α(参见图5)倾斜得大，由此能够将活塞环17的上侧表面与环槽15的上表面之间的角度θ确保得较大，由此能够减轻环槽15的上表面中接近环槽脊外周面的位置处的磨损。

然而，如图11所示，虽然不是在环槽15的上表面接近环槽脊外周面的位置，但推断为在槽底附近的位置也会产生较大的磨损。因此，当使上述角度θ过大时，有可能接触压力反而集中于环槽15的上表面中的靠槽底侧的位置，导致槽底附近的磨损增大。

根据以上，本申请发明人得出以下观点：将角度θ设定为规定范围，抑制在环槽脊外周面附近的磨损，并且也抑制环槽15的槽底附近的位置处的磨损增大，这对抑制环槽15的上表面的磨损而言是重要的，并通过实验获得了能够实现这两者的结构。

图12中的(a)是针对推力方向(在图12中标示为“Th”)和止推方向(在图12中标示为“Ath”)分别评价了环槽15的上表面的靠槽底侧的位置处的磨损量而得到的图。另外，图12中的(b)是针对推力方向和止推方向分别评价了环槽15的上表面的靠环槽脊外周面侧的位置处的磨损量而得到的图。此外，图12中的(a)、图12中的(b)中的横轴为角度θ。

如图12中的(b)所示，可知在推力方向，通过将角度θ设为0.292度以上，能够减少环槽脊外周面附近的磨损量。另外，如图12中的(b)所示，可知在止推方向，通过将角度θ设为0.042度以上，能够减少环槽脊外周面附近的磨损量。像这样在推力方向和止推方向这两个方向上都确认了磨损量的减少，可以认为这是因为：由于角度θ的增大，抑制活塞环17与环槽15的上表面的接触压力在环槽脊外周面附近的位置处局部增大，并向槽底侧分散。

此外，推力方向和止推方向的朝向根据内燃机的种类而不同，在主视观察时左右哪一方成为推力方向并不固定。因此，作为减少环槽15的上表面的磨损量的角度θ，优选设为0.042度以上，更优选设为无论是推力方向还是止推方向都能减少环槽15的上表面的磨损量的0.292度以上。但是，当规定为小于0.1度的尺寸时，由于难以加工，生产率降低，因此作为减少环槽15的上表面的环槽脊外周面侧的磨损的规格，优选设为0.3度以上(18分以上)来作为角度θ。

另一方面，根据图12中的(a)可知，当角度θ大于0.667度时，在推力方向上，环槽15的上表面的靠槽底侧的位置处的磨损增大。基于该观点，在上述实施方式和变形例中示出的第一环17a、117a、217a中，在与环槽15的上表面的靠槽底侧的部分接触的上侧表面17a3、117a3、217a3的内周侧的位置设置有凸面部18。由于凸面部18的存在，能够将环槽15的上表面的靠槽底侧的位置处的接触压力在较大范围内分散，能够抑制如图12中的(a)所示的磨损的增大。

根据以上的理由，在上述实施方式所示的内燃机1中，采用了将角度θ设为18分以上、并且在作为活塞环17的第一环17a、117a、217a的上侧表面17a3、117a3、217a3的内周侧设置凸面部18的结构，抑制了环槽15的上表面的不均匀磨损、和第一环17a、117a、217a的上侧表面17a3、117a3、217a3的不均匀磨损。

此外，在上述分析所使用的全部模型中，都是以市售的1.5L水冷4缸汽油发动机为对象进行计算的。

接下来，说明对凸面部18的曲率半径实施的验证结果。图13是示出凸面部18的曲率半径R(mm)与环槽15的槽底侧的磨损量之间的关系的图表。此外，图13示出在推力方向上的环槽15的上表面的槽底侧的磨损量。如图13所示，可知若曲率半径R小于0.5mm，则磨损量几乎不变，但是通过将曲率半径R设为0.5mm以上，能够大幅减少磨损量。因此，凸面部18的曲率半径R优选设为0.5mm以上。

此外，图13中描绘出的7个模型除了曲率半径R不同以外，全部设为相同的设定条件。具体而言，环槽15的上下表面与活塞环17的上下侧表面的摩擦系数都设为固定的值。而且，环槽15的下表面与活塞环17的下侧表面之间的相对角度也设为固定的值。角度θ也设为固定的值。

本发明的内燃机用活塞和活塞环并不限于上述实施方式和变形例所示的具体的结构，只要不脱离专利请求的范围的记载，就能够进行各种变更。例如，上述第一环17a、117a、217a都是在组装状态下扭转变形的环，但也可以是不扭转变形的环。即，也可以是组装时的角度β(参见图5)为0分的环。

此外，以上对活塞环的上侧表面和环槽的上表面进行了说明，但即使对活塞环的下侧表面和环槽的下表面应用相同的结构，也能得到相同的效果。但是，如上述实施方式所述，只要在活塞环的上侧表面和环槽的上表面，将相对角度θ和活塞环的上侧表面的形状设定为规定的角度和形状，则与对活塞环的下侧表面和环槽的下表面应用相同的结构的情况相比，能够进一步提高不均匀磨损的抑制效果，因此是优选的。

产业实用性

本发明涉及内燃机用活塞和活塞环。

附图标记说明

1：内燃机

2：气缸

2a：气缸的内壁

3、103、203：内燃机用活塞

4：活塞销

5：连杆

6：曲柄销

7：曲轴

8：曲轴箱

9：曲轴室

10：进气阀

11：排气阀

12：进气口

13：排气口

14：燃烧室

15：环槽

15a：第一环槽

15a1：上表面

15a2：槽底

15a3：下表面

15b：第二环槽

15c：第三环槽

16：活塞主体

16a：第一环槽脊外周面

17：活塞环

17a、117a、217a：第一环

17a1、117a1：外周面

17a2：内周面

17a3、117a3、217a3：上侧表面

17a4：下侧表面

17b：第二环

17c：第三环

18：凸面部

19：平面部

20：倾斜周面部(第二倾斜周面部)

21：搭口部

22：搭口相反部

25：倾斜周面部(第一倾斜周面部)

26：多阶凸部

50：气缸体

60：气缸盖

123：周壁部

124：立起部

125：顶部

503：活塞

515：环槽

516：活塞主体

517：活塞环

A：活塞的中心轴线方向

B：活塞环的径向

C：中央位置

M：磨损区域

O：活塞的中心轴线(活塞主体的中心轴线)

α：在规定状态下的剖视观察时的第一环槽的上表面相对于与活塞的中心轴线正交的平面的角度

β：在规定状态下的剖视观察时的第一环的上侧表面的平面部相对于与活塞的中心轴线正交的平面的角度

θ：在规定状态下的剖视观察时的第一环槽的上表面的角度与第一环的上侧表面的平面部的角度之间的相对角度

Claims (10)

1.一种内燃机用活塞，其能够在内燃机的气缸内移动，所述内燃机用活塞具有在外周面形成有环槽的活塞主体、和配置于所述环槽的活塞环，其特征在于，

所述活塞环的上侧表面具有：凸状的凸面部，其在所述活塞环的自由状态下形成于内缘的位置与在径向上的厚度为1/2的中央位置之间，以随着朝向所述径向的内侧而接近所述活塞环的下侧表面的方式延伸；和

平面部或倾斜周面部，其在所述径向的外侧与所述凸面部连续，所述倾斜周面部以随着朝向所述径向的内侧而接近所述活塞环的所述下侧表面的方式倾斜，

在所述活塞主体和所述活塞环收容于所述气缸内且所述内燃机处于冷态时的规定状态下，在与所述活塞主体的中心轴线平行且包含所述中心轴线的截面中，所述环槽的上表面与所述平面部或所述倾斜周面部之间的角度为18分以上。

2.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，

在所述截面中的所述凸面部的曲率半径为0.5mm以上。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞，其特征在于，

所述活塞环具有位于与搭口部相向的位置处的搭口相反部，

所述环槽的上表面与所述平面部或所述倾斜周面部之间的所述角度为在所述搭口相反部的位置处的角度。

4.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞，其特征在于，

在所述规定状态下，所述环槽的上表面相对于与所述中心轴线正交的平面的角度属于30分～180分的范围。

5.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞，其特征在于，

在所述规定状态下，所述平面部或所述倾斜周面部相对于与所述中心轴线正交的平面的角度为0分以上。

6.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞，其特征在于，

在将所述倾斜周面部设为第一倾斜周面部的情况下，

所述活塞环的上侧表面具有第二倾斜周面部，所述第二倾斜周面部在所述径向的内侧与所述凸面部连续，与所述平面部和所述第一倾斜周面部相比，以随着朝向所述径向的内侧而接近所述活塞环的所述下侧表面的方式倾斜。

7.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞，其特征在于，

所述活塞环的所述凸面部为弯曲部或多阶凸部，所述多阶凸部在所述活塞环的与周向正交的环截面中由多条直线形成为凸状。

8.根据权利要求1或2所述的内燃机用活塞，其特征在于，

在所述活塞主体的外周面形成有多个所述环槽，

所述活塞环配置于所述多个环槽中的在所述活塞主体的中心轴线方向上位于最上方的第一环槽。

9.一种活塞环，其配置于在活塞主体的外周面形成的环槽，其特征在于，

上侧表面具有：凸状的凸面部，其在活塞环的自由状态下形成于内缘的位置与在径向上的厚度为1/2的中央位置之间，以随着朝向所述径向的内侧而接近下侧表面的方式延伸；和

平面部或倾斜周面部，其在所述径向的外侧与所述凸面部连续，所述倾斜周面部以随着朝向所述径向的内侧而接近所述下侧表面的方式倾斜。

10.根据权利要求9所述的活塞环，其特征在于，

在环截面中的所述凸面部的曲率半径为0.5mm以上。

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