CN111322401A

CN111322401A - 组合式活塞环

Info

Publication number: CN111322401A
Application number: CN202010169421.2A
Authority: CN
Inventors: 梁兴雨; 张松; 舒歌群; 王昆; 王月森
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-06-23

Abstract

本公开提供了一种组合式活塞环，包括第一活塞环、第二活塞环和石墨环；第一活塞环纵截面和第二活塞环为阶梯形，第一活塞环的阶梯面位于其内圆周侧，第二活塞环的阶梯面位于其外圆周侧，第二活塞环的阶梯面与第一活塞环的阶梯面相配合；石墨环设置于第一活塞环和第二活塞环间，且石墨环同时与第一活塞环的底面和第二活塞环的顶面相接触，石墨环的内圆周面与第二活塞环的阶梯面相接触。本公开相比于单体式活塞环，具有多个气体密封面，存在“迷宫效应”，可以用一道活塞环起到多道环的密封效果；同时中间的石墨环可以在缺油情况下，损失自身来进行自润滑，具备了干摩擦能力。

Description

组合式活塞环

技术领域

本公开涉及内燃机零部件制造领域，尤其涉及一种具有干摩擦能力的组合式活塞环。

背景技术

活塞环是内燃机燃烧室中的重要部件，是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。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、控油、传热和支撑四大作用，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。

目前的活塞环主要有单体式和组合式两种。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。

但现有活塞环还存在不少缺陷，其一，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。其二，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和窜油问题。其三，活塞运行过程中会出现缺油问题，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。其四，热负荷较高时，润滑油容易变质形成胶质物质，把环卡住而发生故障。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种组合式活塞环，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种组合式活塞环，包括：

第一活塞环，其纵截面为阶梯形，所述第一活塞环的阶梯面位于其内圆周侧；

第二活塞环，其纵截面为阶梯形，所述第二活塞环的阶梯面位于其外圆周侧，且所述第二活塞环的阶梯面与所述第一活塞环的阶梯面相配合；所述第一活塞环与所述第二活塞环同轴设置；

石墨环，设置于所述第一活塞环和所述第二活塞环间，且所述石墨环同时与所述第一活塞环的底面和所述第二活塞环的顶面相接触，所述石墨环的内圆周面与所述第二活塞环的阶梯面相接触。

在本公开的一些实施例中，所述石墨环的纵截面为梯形，所述石墨环内圆弧面的厚度小于所述石墨环外圆弧面的厚度。

在本公开的一些实施例中，所述石墨环的内圆弧面向外圆弧面呈锥面，且锥面角度为1°31′。

在本公开的一些实施例中，所述第一活塞环的膨胀系数小于所述第二活塞环的膨胀系数。

在本公开的一些实施例中，所述石墨环与所述第一活塞环和所述第二活塞环相接触的表面经过磨砂处理。

在本公开的一些实施例中，所述第一活塞环、所述石墨环和所述第二活塞环的外圆弧面与气缸套间在圆周方向上设有储油腔。

在本公开的一些实施例中，所述第一活塞环内圆周面的顶部设有环槽。

在本公开的一些实施例中，所述第一活塞环的底面设有第一搭口，所述石墨环的顶面设置有第二限位块，所述第一搭口与所述第二限位块相配合；

所述第二活塞环的顶面设有第二搭口，所述石墨环的底面设置有第一限位块，所述第二搭口与所述第一限位块相配合。

在本公开的一些实施例中，所述第一搭口、第二搭口、第一限位块和第二限位块均至少为一个。

在本公开的一些实施例中，所述第一活塞环的阶梯面和所述第二活塞环的阶梯面的径向宽度相同。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开组合式活塞环至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开中第一活塞环和第二活塞环组合式结构，形成三个气体密封面，同时密封面间还存在“迷宫效应”，加强了上下两环间的连接，大幅提升密封性。

(2)本公开中石墨环可在缺油时在损失自身的条件下实现自润滑，减少了活塞及缸壁的磨损。

(3)本公开通过磨砂锥面接触面、上环的正扭曲力矩以及两环间的弹力加强了两环的轴向连接，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。

(4)本公开中的搭口结构，不是采用直通的搭口，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。

(5)本公开的储油腔，可以有效改善活塞环在上止点处的润滑，同时防止上窜油，降低润滑油消耗；并且通过油封减少了漏气量和机油消耗，改善和提高发动机的整体性能。

附图说明

图1为本公开实施例组合式活塞环与燃烧室总成的截面结构示意图。

图2为本公开实施例组合式活塞环的第一活塞环立体结构示意图。

图3为本公开实施例组合式活塞环的第二活塞环立体结构示意图。

图4为本公开实施例组合式活塞环的石墨环立体结构示意图。

图5为本公开实施例组合式活塞环的装配结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-气缸套；

2-活塞；

3-第一活塞环；

31-环槽；

32-第一搭口；

4-第二活塞环；

41-第二搭口；

5-石墨环；

51-第一限位块；

52-第二限位块；

6-储油腔。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种组合式活塞环。图1为本公开实施例组合式活塞环与燃烧室总成的截面结构示意图。图2为本公开实施例组合式活塞环的第一活塞环立体结构示意图。图3为本公开实施例组合式活塞环的第二活塞环立体结构示意图。图4为本公开实施例组合式活塞环的石墨环立体结构示意图。图5为本公开实施例组合式活塞环的装配结构示意图。如图1至图5所示，本公开组合式活塞环包括：第一活塞环3、第二活塞环4和石墨环5；石墨环5设置于第一活塞环3和第二活塞环4间。本公开中第一活塞环3和第二活塞环4组合式结构，形成三个气体密封面，同时密封面间还存在“迷宫效应”，加强了上下两环间的连接，大幅提升密封性。石墨环5可在缺油时在损失自身的条件下实现自润滑，减少了活塞及缸壁的磨损。

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2瞬间压紧、松开。

以下分别对本实施例组合式活塞环的各个组成部分进行详细描述。

第一活塞环3，其纵截面为阶梯形，第一活塞环3的阶梯面位于其内圆周侧。所述第一活塞环3内圆周面的顶部设有环槽31，用于产生正扭曲作用。优选地，所述第一活塞环3阶梯面与第二活塞环4阶梯面的径向宽度相等。所述第一活塞环3的桶面轴线在中轴线以下。所述第一活塞环3的接触面下端面的径向宽度为第一活塞环3的上端面的径向宽度的二分之一。所述第一活塞环3的阶梯状接触面的下段轴向高度为上段的三分之二。

第二活塞环4，其纵截面为阶梯形，第二活塞环4的阶梯面位于其外圆周侧，且第二活塞环4的阶梯面与第一活塞环3的阶梯面相配合；第一活塞环3与第二活塞环4同轴设置。优选地，所述第二活塞环4的接触面上端面的径向宽度为第二活塞环4的下端面的径向宽度的二分之一。所述第二活塞环4的阶梯状接触面的下段轴向高度为上段的二分之一。

石墨环5，设置于第一活塞环3和所述第二活塞环4间，且石墨环5同时与第一活塞环3的底面和第二活塞环4的顶面相接触，石墨环5的内圆周面与第二活塞环4的阶梯面相接触。石墨环5的纵截面为梯形，石墨环5内圆弧面的厚度小于石墨环5外圆弧面的厚度。石墨环5的内圆弧面向外圆弧面呈锥面，且锥面角度为1°31′。本公开通过磨砂锥面接触面、上环的正扭曲力矩以及两环间的弹力加强了两环的轴向连接，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。优选地，所述石墨环5内圆周接触面轴向高度为第一活塞环3的阶梯状接触面的上段轴向高度的三分之一。

进一步的，所述第一活塞环3的膨胀系数小于所述第二活塞环4的膨胀系数。

在一具体实施方式中，所述石墨环5与所述第一活塞环3和所述第二活塞环4相接触的表面经过磨砂处理。

此外，所述第一活塞环3、所述石墨环5和所述第二活塞环4的外圆弧面与气缸套1间在圆周方向上设有储油腔6。本公开的储油腔6，可以有效改善活塞环在上止点处的润滑，同时防止上窜油，降低润滑油消耗；并且通过油封减少了漏气量和机油消耗，改善和提高发动机的整体性能。

在一具体实施方式中，所述第一活塞环3的底面设有第一搭口32，所述石墨环5的顶面设置有第二限位块52，所述第一搭口32与所述第二限位块52相配合；所述第二活塞环4的顶面设有第二搭口41，所述石墨环5的底面设置有第一限位块51，所述第二搭口41与所述第一限位块51相配合。具体的，所述第一搭口32、第二搭口41、第一限位块51和第二限位块52均至少为一个。本公开中的搭口结构，不是采用直通的搭口，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。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开组合式活塞环有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种组合式活塞环，相比于单体式活塞环，具有多个气体密封面，存在“迷宫效应”，可以用一道活塞环起到多道环的密封效果；同时中间的石墨环可以在缺油情况下，损失自身来进行自润滑，具备了干摩擦能力。本公开在内燃机研究领域具有重要使用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种组合式活塞环，包括：

2.根据权利要求1所述的组合式活塞环，其中，所述石墨环的纵截面为梯形，所述石墨环内圆弧面的厚度小于所述石墨环外圆弧面的厚度。

3.根据权利要求2所述的组合式活塞环，其中，所述石墨环的内圆弧面向外圆弧面呈锥面，且锥面角度为1°31′。

4.根据权利要求1所述的组合式活塞环，其中，所述第一活塞环的膨胀系数小于所述第二活塞环的膨胀系数。

5.根据权利要求1所述的组合式活塞环，其中，所述石墨环与所述第一活塞环和所述第二活塞环相接触的表面经过磨砂处理。

6.根据权利要求1所述的组合式活塞环，其中，所述第一活塞环、所述石墨环和所述第二活塞环的外圆弧面与气缸套间在圆周方向上设有储油腔。

7.根据权利要求1所述的组合式活塞环，其中，所述第一活塞环内圆周面的顶部设有环槽。

8.根据权利要求1所述的组合式活塞环，其中，所述第一活塞环的底面设有第一搭口，所述石墨环的顶面设置有第二限位块，所述第一搭口与所述第二限位块相配合；

9.根据权利要求8所述的组合式活塞环，其中，所述第一搭口、第二搭口、第一限位块和第二限位块均至少为一个。

10.根据权利要求1所述的组合式活塞环，其中，所述第一活塞环的阶梯面和所述第二活塞环的阶梯面的径向宽度相同。