CN110081172A - 轻量耐磨的双金属组合式活塞环、内燃机及密封方法 - Google Patents

Abstract

一种双金属组合式活塞环、采用其的内燃机及活塞密封方法，具体而言，所述双金属组合式活塞环包括金属的第一活塞环和第二活塞环；其中，所述第一活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧，所述阶梯下段的内圆周面为向阶梯立面内倾15‑75°的锥面；所述第二活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧，所述阶梯上段的外圆周面为与所述第一活塞环的内倾锥面锥角互为余角的外倾锥面。应用此活塞环可以提升活塞与活塞环总成的紧凑性，提高内燃机的动力性，同时降低活塞环的磨损率，延长了环的使用寿命。

Description

轻量耐磨的双金属组合式活塞环、内燃机及密封方法

技术领域

本发明涉及内燃机零部件设计与制造领域，具体涉及一种轻量耐磨的双金属组合式活塞环、内燃机及密封方法。

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；而磨损过大很可能导致密封失效，因此如何提高活塞环的耐磨性是一个需要迫切关注的课题；

(2)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；

(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)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。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种轻量耐磨的双金属组合式活塞环、内燃机及密封方法，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，其中，

所述双金属组合式活塞环包括金属的第一活塞环和第二活塞环；

其中，所述第一活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧，所述阶梯下段的内圆周面为向阶梯立面内倾15-75°的内倾锥面，所述第一活塞环的外圆面为桶面；

所述第二活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧，所述阶梯上段的外圆周面为与上述内倾锥面锥角互为余角的外倾锥面，所述第二活塞环的外圆面为桶面；

第一活塞环和第二活塞环彼此以阶梯面接触配合。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种内燃机，所述内燃机采用如上所述的双金属组合式活塞环。

作为本发明的再一个方面，还提供了一种采用如上所述的活塞环的密封方法，来对运动的活塞进行密封。

基于上述技术方案可知，本发明的轻量耐磨的双金属组合式活塞环、内燃机及密封方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

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、上活塞环采用的经热处理的马氏体钢材料具有高抗弯强度和比球墨铸铁更高的弹性模量，与球磨铸铁相比具有更好的疲劳特性，同时材料耐腐蚀性较好。可以尽可能的降低环的总高度，提升燃烧室结构的紧凑性；

3、下活塞环采用强化铝合金材料，除了具有较高的耐腐蚀性和较低的密度，在满足活塞环总成机械强度的条件下降低质量。

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、本发明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。

附图说明

图1是本发明提供的组合式活塞环的截面示意图；

图2是本发明提供的组合式活塞环上下环装配体剖面示意图；

图3是本发明提供的组合式活塞环的上下环装配体结构图；

图4是本发明提供的组合式活塞环中上环的结构示意图；

图5是本发明提供的组合式活塞环中上环的截面图；

图6是本发明提供的组合式活塞环中下环的结构示意图；

图7是本发明提供的组合式活塞环中下环的截面图；

图8是本发明提供的组合式活塞环中上环搭口与下环定位块的结构示意图；

图9是本发明提供的组合式活塞环中下环搭口与上环定位块的结构示意图。

上图中，附图标记含义如下；

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。

本发明公开了一种轻量耐磨的双金属组合式活塞环、内燃机及密封方法，其在保证活塞环硬度和强度的前提下尽可能的降低环的重量和厚度，满足随着内燃机强化程度的提高而对活塞环提出的更高要求。本发明主要解决了活塞环强度与环高与环重之间的矛盾；上下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。

采用本发明的此活塞环可以提升活塞与活塞环总成的紧凑性，提高内燃机的动力性，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。

具体而言，本发明公开了一种双金属组合式活塞环，该双金属组合式活塞环可以实现轻量耐磨的目的；其中，

所述双金属组合式活塞环包括金属的第一活塞环和第二活塞环；

其中，所述第一活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧，所述阶梯下段的内圆周面为向阶梯立面内倾15-75°的内倾锥面，所述第一活塞环的外圆面为桶面；

所述第二活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧，所述阶梯上段的外圆周面为与上述内倾锥面锥角互为余角的外倾锥面，所述第二活塞环的外圆面为桶面；

第一活塞环和第二活塞环彼此以阶梯面接触配合。

所述第一活塞环采用经热处理的马氏体钢，作为优选，例如采用GOE-61-18％Cr马氏体钢。

所述第二活塞环采用强化铝合金材料。

所述第一活塞环在内圆周下环面开有阶梯状环槽，所述第二活塞环在内圆周上环面开有阶梯状环槽；第一、第二两活塞环分别在运行中产生负扭曲和正扭曲的效果。

所述第一、第二活塞环通过环的弹力和锥形配合面紧密贴合，没有直通的开口；

作为优选，第一活塞环和第二活塞环采用环上的定位凸台与对侧的环搭口配合。

所述第一、第二活塞环的接触面采用表面磨砂处理。

所述第一活塞环外圆面为偏心桶面结构，桶面轴线在中轴线以下。

所述第一、第二活塞环的阶梯状接触面的径向宽度和轴向高度分别相等。

所述第一活塞环与第二活塞环开口部位保持相互错开180°设置。

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，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。

作为本发明的另一个方面，还公开了一种内燃机，所述内燃机采用如上所述的轻量耐磨的双金属组合式活塞环，例如仅设置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。

作为本发明的再一个方面，还公开了一种采用如上所述的轻量耐磨的双金属组合式活塞环的密封方法，来对运动的活塞进行密封。

在一个优选实施方式中，本发明的适用于内燃机的轻量耐磨双金属组合式活塞环设计。具体而言，包括有上环(第一活塞环)和下环(第二活塞环)，其中上环和下环根据不同的工作环境选取不同材质，例如上环采用热处理的高铬马氏体钢，下环采用强化铝合金材料。所述上环为偏心桶面环，截面为倒阶梯型的；所述下环为桶面环，截面为正阶梯型；活塞环装配体轴向没有直通的开口。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述说明。

如图1-9所示，本发明可按照如下方式实施，一种双金属组合式活塞环总成，包括活塞3、安装于活塞3上的上活塞环1(第一活塞环)和下活塞环2(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均设有开口，且开口之间呈错位装配；所述上活塞环1的截面为倒置阶梯形，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，装配组合完整的组合式活塞环总成。

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的阶梯状接触面也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为上活塞环1阶梯状接触面上端面到上活塞环1的环顶的距离二分之一；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。类似地，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。

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。

作为优选的，上活塞环1采用的经热处理的GOE-61-18％Cr马氏体钢材料；下活塞环2采用强化铝合金材料

作为优选的，所述锥面配合面5为锥度15-75°的内倾锥面，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。

作为优选的，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的开口与下活塞环2的开口之间呈错位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，其特征在于：

所述双金属组合式活塞环包括金属的第一活塞环和第二活塞环；

其中，所述第一活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第一活塞环的内圆周侧，所述阶梯下段的内圆周面为向阶梯立面内倾15-75°的锥面，所述第一活塞环的外圆面为桶面；

所述第二活塞环的主体截面为阶梯形，阶梯面位于第二活塞环的外圆周侧，所述阶梯上段的外圆周面为与所述第一活塞环的内倾锥面锥角互为余角的外倾锥面，所述第二活塞环的外圆面为桶面；

第一活塞环和第二活塞环彼此以阶梯面接触配合。

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经热处理的马氏体钢；所述第二活塞环采用强化铝合金材料。

优选地，所述第一活塞环采用GOE-61-18％Cr马氏体钢。

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，所述第一活塞环在内圆周下环面开有阶梯状环槽，所述第二活塞环在内圆周上环面开有阶梯状环槽；第一活塞环和第二活塞环分别在运行中产生负扭曲和正扭曲的效果。

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通过环的弹力和锥形配合面紧密贴合，没有直通的开口；

作为优选，第一活塞环和第二活塞环采用环上的定位凸台与对侧的环搭口配合。

作为优选，所述第一活塞环和第二活塞环的接触面采用表面磨砂处理。

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，所述第一活塞环外圆面为偏心桶面结构，桶面轴线在中轴线以下。

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，所述第一活塞环和第二活塞环的阶梯状接触面的径向宽度和轴向高度分别对应相等。

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，所述第一活塞环与第二活塞环开口部位保持相互错开180°设置。

8.根据权利要求1所述的双金属组合式活塞环，其特征在于，所述第一活塞环的阶梯状接触面的下段轴向高度为上段的二分之一，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。

9.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机内采用如权利要求1～8任一项所述的双金属组合式活塞环。

10.一种内燃机活塞的密封方法，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的双金属组合式活塞环来对运动的活塞进行密封。