CN112727631A - 一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构，提升了密封性能，也解决了磨合期间，因为DLC涂层过硬，导致机油耗增大的的情况。本申请包括：活塞、活塞环组件以及缸套；所述活塞环组件包括第一道气环、第二道气环以及活塞油环，所述第一道气环、所述第二道气环以及所述活塞油环的表层先后均喷涂有类金刚石薄膜涂层和二硫化钼树脂涂层；所述第一道气环和所述第二道气环用于密封燃烧室内的混合气体，所述活塞油环用于刮除所述缸套上多余的机油。

Description

一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构

技术领域

本申请实施例涉及发动机控制领域，特别涉及一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构。

背景技术

气体机在怠速运行时，为了节省能耗，节气门开度很小，造成燃烧室内形成了较大的负压，如果怠速时间很长，会造机油倒吸现象，而且长时间属于怠速，因为缸内燃烧不好，会加大PN值的排放。

为了解决上述问题，现有技术中都是从活塞环的密封结构或活塞环的耐磨性去降低窜油情况，然而从活塞环密封结构去考虑降低窜油情况，只能满足缸内压力＞-50kpa的情况下，不窜油，但是负压再进一步拉大，负压持续时间进一步拉长，单纯依靠活塞环的结构优化就很难满足密封和排放要求。

发明内容

本申请提供了一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构，提升了密封性能，也解决了磨合期间，因为DLC涂层过硬，导致机油耗增大的的情况。

本申请实施例提供了一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构，包括：

活塞、活塞环组件以及缸套；

所述活塞环组件包括第一道气环、第二道气环以及活塞油环，所述第一道气环、所述第二道气环以及所述活塞油环的表层先后均喷涂有类金刚石薄膜涂层和二硫化钼树脂涂层；

所述第一道气环和所述第二道气环用于密封燃烧室内的混合气体，所述活塞油环用于刮除所述缸套上多余的机油。

可选的，所述第一道气环在自由状态下非圆环状，所述第一道气环设置有切口，所述切口用于将气缸内的燃气漏入所述第二道气环上。

可选的，所述切口为直角形切口。

可选的，所述活塞设置有用于容置所述活塞环组件的活塞环槽，所述活塞环槽包括第一道气环槽、第二道气环槽以及刮油环槽。

可选的，所述第一道气环槽设置有耐磨镶圈。

可选的，所述第二道气环槽呈上翘5°至25°之间的矩形环槽，所述第二道气环槽的上下内侧壁与所述第二道气环的上下端面平行。

可选的，所述第一道气环为单梯形环，所述第一道气环槽的槽状与所述第一道气环的形状适配。

可选的，所述第二道气环为鼻型环加外锥面环。

可选的，所述活塞油环为三片式组合油环，所述刮油环槽的槽状与所述活塞油环的形状适配。

可选的，所述活塞环组件与所述活塞环槽的装配之间留有间隙和背隙，所述间隙和所述背隙用于减压泄油。

以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，通过设计一种活塞和活塞环组合结构，利用活塞和活塞环之间的结构互补，设置三个不同结构的活塞环来进行减压泄油，提升了密封性能，气缸内的负压能力提升到＜-100kpa，怠速时间也实现超过80分钟不窜机油到燃烧室。同时，通过在三个活塞环外表先后喷涂DLC涂层以及二硫化钼树脂涂层，解决了磨合期间，因为DLC涂层过硬，导致机油耗增大的的情况。

附图说明

图1为本申请实施例中提升密封性能的活塞和活塞环组合结构的一个结构示意图；

图2为本申请实施例中活塞环组件的结构示意图；

图3为本申请实施例中活塞的截面结构示意图；

图4为本申请实施例中第二道气环槽的结构示意图；

图5为本申请实施例中提升密封性能的活塞和活塞环组合结构的另一结构示意图。

具体实施方式

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于说明各部件或组成部分之间的相对位置关系，并不特别限定各部件或组成部分的具体安装方位。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请中所附图式所绘制的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用于限定本申请可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本申请所揭示的技术内容涵盖的范围内。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构，提升了密封性能，也解决了磨合期间，因为DLC涂层过硬，导致机油耗增大的的情况。

以下关于装置的实施例所描述的各个部件的位置关系均是以图1为依据，图1中，第一道气环相对于活塞油环位于上方，活塞油环相对于第一道气环位于下方。

请参阅图1至图5，本申请实施例提供了一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构，包括：

活塞1、活塞环组件2以及缸套3；

活塞环组件2包括第一道气环21、第二道气环22以及活塞油环23，第一道气环21、第二道气环22以及活塞油环23的表层先后均喷涂有类金刚石薄膜涂层和二硫化钼树脂涂层；

第一道气环21和第二道气环22用于密封燃烧室内的混合气体，活塞油环23用于刮除缸套上多余的机油。

需要说明的是，活塞1是发动机汽缸体中作往复运动的机件，其主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。此外，活塞1还与缸盖、缸套3共同组成燃烧室。

活塞1的基本结构可分为活塞顶、活塞头和活塞裙3个部分，其中，活塞顶部是组成燃烧室的主要部分，其形状与所选用的燃烧室形式有关，比如汽油机多采用平顶活塞，其优点是吸热面积小；柴油机活塞顶部常常有各种各样的凹坑，其具体形状、位置和大小都必须与柴油机的混合气形成与燃烧的要求相适应。

活塞头部是活塞销座以上的部分，活塞头部安装有活塞环组件2，以防止高温、高压燃气窜入曲轴箱，同时阻止机油窜入燃烧室；活塞顶部所吸收的热量大部分也要通过活塞头部传给汽缸，进而通过冷却介质传走。

活塞头部以下的所有部分称为活塞裙，其作用是引导活塞1在汽缸中作往复运动并承受侧压力。

本申请实施例中，活塞1为蝶形结构，活塞环组件2设置有三个活塞环，它们按照作用的不同，分为气环(即第一道气环21和第二道气环22)和油环(即活塞油环23)两大类。其中，第一道气环21和第二道气环22装在活塞头部上端的活塞环槽11(即第一道气环槽111和第二套气环槽112)内，用来防止漏气，将活塞头部的热量传递到缸套3，疏散活塞1的热量。而活塞油环23的作用是防止润滑油窜入燃烧室，将缸套3上过量的润滑油刮回到油底壳。

此外，需要说明的是，一般活塞环的外表均喷涂有DLC涂层(类金刚石薄膜涂层)，DLC涂层教硬，硬度达到60HRC，而缸套的硬度只有50HRC，在前期磨合阶段，活塞环很难适应活塞3的变形。本申请实施例中，在活塞环组件2(包括第一道气环21、第二道气环22以及活塞油环23)的表面喷涂DLC涂层后，又在DLC表面加喷涂了较软的二硫化钼树脂涂层，在磨合阶段，可以利用环表面的二硫化钼树脂涂层和缸套3先接触，待该涂层慢慢磨合消失后，DLC再逐渐和缸套3接触，这样可以解决磨合期间，因为DLC涂层过硬，导致机油耗增大的的情况。

本申请中，通过设计一种活塞和活塞环组合结构，利用活塞和活塞环之间的结构互补，设置三个不同结构的活塞环来进行减压泄油，提升了密封性能，气缸内的负压能力提升到＜-100kpa，怠速时间也实现超过80分钟不窜机油到燃烧室。同时，通过在三个活塞环外表先后喷涂DLC涂层以及二硫化钼树脂涂层，解决了磨合期间，因为DLC涂层过硬，导致机油耗增大的的情况。

可选的，第一道气环21在自由状态下非圆环状，第一道气环21设置有切口211，切口211用于将气缸内的燃气漏入第二道气环22上。

本申请实施例中，活塞环设置有切口211，以使得气缸中的燃气从第一道气环的切口211漏到第二道气环22的上平面，再从第二道气环22的切口211漏到活塞油环的上平面，需要说明的是，几个活塞环的切口211互相错开，以构成“迷宫式”封气装置，对气缸中的高压燃气进行有效的密封。

此外，还需要说明的是，活塞环在自由状态下不是圆环形，其外形尺寸比缸套3的内径大些，活塞环随活塞1一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴在缸套3上。

可选的，切口211为直角形切口。

需要说明的是，气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口211，因此，切口211的形状和装入气缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响，切口211间隙过大，则漏气严重，使发动机功率减小；间隙过小，活塞环受热膨胀后就有可能卡死或折断。切口211间隙值一般为0.25～0.8mm。第一道气环的温度最高，因而其切口211间隙值最大。

本申请实施例中，切口211可以为直角形切口，也可以为阶梯形切口，还可以为其他形状的切口，具体不做限制。需要说明的是，直角形切口工艺性好；阶梯形切口的密封性好，但工艺性较差；斜口形切口，斜角一般为30°或45°，其密封作用和工艺性均介于前两种之间，但其锐角部位在套装入活塞时容易折损。

可选的，活塞1设置有用于容置活塞环组件2的活塞环槽11，活塞环槽11包括第一道气环槽111、第二道气环槽112以及刮油环槽113。

需要说明的是，本申请实施例中，在活塞头部加工有数道用于安装活塞环组件2的活塞环槽11，在整个活塞1与缸套3的配合中，真正与缸套3接触的是活塞环组件2，它填补了活塞1与缸套3间的空隙，以封闭燃烧室。

可选的，第一道气环槽111设置有耐磨镶圈1111。

需要说明的是，本申请实施例中，因为第一道气环21承受负荷最高，因此为了保护第一道气环槽111不被过快损耗，还在第一道气环槽111的周围设置有耐磨镶圈1111。

可选的，第二道气环槽112呈上翘5°至25°之间的矩形环槽，第二道气环槽112的上下内侧壁与第二道气环22的上下端面平行。

需要说明的是，由于活塞环为了降低环和缸套3之间的摩擦，活塞环的轴向高低为比以前的活塞环更低，这样导致活塞1的变形会加剧，特别是在点火的做功行程，活塞环截面的一端顶在缸套3上，一端由于没有支撑作用，会往下运行，这会造成活塞环有一个向上翘的变形趋势。本申请实施例中，将第二道气环槽112做成向上翘A的角度，A＝5～25′左右，很好的弥补了和适应活塞环的变形，此外，第二道气环槽112向上翘后，与第二道气环22的上下端面要保持平行。

可选的，第一道气环21为单梯形环，第一道气环槽111的槽状与第一道气环21的形状适配。

需要说明的是，本申请实施例中，第一道气环21为单梯形环，梯形环常作为负荷较高的柴油机的第一道气环21，它能在活塞1左右摆动或环口间隙变化时使环在活塞环槽11中的间隙发生变化，从而将其中的焦状油挤出，可有防止活塞环结胶卡死。

请参阅图4，可选的，第二道气环22为鼻型环加外锥面环。

需要说明的是，鼻型环虽然刮油能力得到提升，但是由于鼻型结构与缸套接触面积比锥面环少，封气能力下降，窜气量会增大，因此本申请实施例中，第二道气环22为鼻型环加外锥面环，在距离开口U＝10～20mm处，采用鼻型+外锥结合的方式，即很好的保留了鼻型环刮油的优势，又继承了锥面环降窜气量的优点。

可选的，活塞油环23为三片式组合油环，刮油环槽113的槽状与活塞油环23的形状适配。

本申请实施例中，活塞油环23是由三个刮油钢片和两个弹性衬环组成的组合式油环，轴向衬环夹装在第二、第三刮油片之间，径向衬环使三个刮油片压紧在缸套3上。由于片环薄，对缸套3的比压(单位面积上的压力)大，因而刮油作用强。

需要说明的是，三个刮油片是各自独立的，故对气缸的适应性好；重量轻；回油通路大。

请参阅图5，可选的，活塞环组件2与活塞环槽11的装配之间留有间隙114和背隙115，间隙114和背隙115用于减压泄油。

需要说明的是，由于活塞环组件2会在发动机运转过程中与高温气体接触发生热膨胀现象，而周期性的往复运动又使其出现径向胀缩变形。因此，为了保证正常的工作，活塞环组件2在气缸内应该具有一定空隙，即间隙114和背隙115。

需要说明的是，间隙114是指活塞环组件2装入活塞1后，其侧面与活塞环槽11之间的空隙。背隙115是指活塞环组件2装入气缸后，活塞环组件2内圆柱面与活塞环槽11底部间的空隙。

本申请实施例中，第一道气环21因为工作温度高，间隙较大，第一道气环21在0.08～0.14mm内，第二道气环22控制在0.06～0.1mm内，第三道气环23在0.04～0.08mm内。而活塞油环23的背隙115较气环大，有利于增大存油间隙，便于减压泄油，控制在0.50～1.00mm内。

本申请实施例中，第一道气环21由于采用了单梯结构，第一环刮碳能力提升，且各活塞环与活塞环槽11的间隙控制在较小的范围内，可以有效降低窜气的风险，弥补了第一道气环21单梯结构，密封能力的不足。同时，第二道气环22采用鼻型+锥面组合方式，既很好的保留了鼻型环刮油的优势，又继承了锥面环降窜气量的优点，此外，第二道气环槽112采用向上翘的角度后，能进一步适应第二道气环22的轴向变形，提升密封能力。与现有技术相比，本申请活塞及活塞环组合结构的耐缸内负压能力提升到＜-100kpa，怠速时间超过80分钟不窜机油到燃烧室。

需要说明的是，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种提升密封性能的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，包括：活塞、活塞环组件以及缸套；

所述活塞环组件包括第一道气环、第二道气环以及活塞油环，所述第一道气环、所述第二道气环以及所述活塞油环的表层先后均喷涂有类金刚石薄膜涂层和二硫化钼树脂涂层；

所述第一道气环和所述第二道气环用于密封燃烧室内的混合气体，所述活塞油环用于刮除所述缸套上多余的机油。

2.根据权利要求1所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述第一道气环在自由状态下非圆环状，所述第一道气环设置有切口，所述切口用于将气缸内的燃气漏入所述第二道气环上。

3.根据权利要求2所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述切口为直角形切口。

4.根据权利要求1所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述活塞设置有用于容置所述活塞环组件的活塞环槽，所述活塞环槽包括第一道气环槽、第二道气环槽以及刮油环槽。

5.根据权利要求4所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述第一道气环槽设置有耐磨镶圈。

6.根据权利要求4所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述第二道气环槽呈上翘5°至25°之间的矩形环槽，所述第二道气环槽的上下内侧壁与所述第二道气环的上下端面平行。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述第一道气环为单梯形环，所述第一道气环槽的槽状与所述第一道气环的形状适配。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述第二道气环为鼻型环加外锥面环。

9.根据权利要求1至6中任意一项所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述活塞油环为三片式组合油环，所述刮油环槽的槽状与所述活塞油环的形状适配。

10.根据权利要求1至6中任意一项所述的活塞和活塞环组合结构，其特征在于，所述活塞环组件与所述活塞环槽的装配之间留有间隙和背隙，所述间隙和所述背隙用于减压泄油。

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