一種內(nèi)燃機活塞環(huán)及安裝有該活塞環(huán)的內(nèi)燃機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于內(nèi)燃機研究領(lǐng)域的一種內(nèi)燃機活塞環(huán)安裝有該活塞環(huán)的內(nèi)燃機，活塞環(huán)包括活塞環(huán)外表面、活塞環(huán)上端面和活塞環(huán)下端面；所述活塞環(huán)外表面上開設(shè)若干不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的深度由活塞環(huán)上端面到活塞環(huán)下端面呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。本發(fā)明活塞環(huán)外表面上的微凹坑結(jié)構(gòu)的深度呈現(xiàn)出現(xiàn)減小后增大的變化趨勢，有利于形成活塞環(huán)的微桶面環(huán)效應(yīng)，有利于形成動壓潤滑效應(yīng)，防止邊界潤滑，進而改善上止點區(qū)域的潤滑條件，降低磨損量；還可以降低在行程中部區(qū)域的摩擦功耗。本發(fā)明能夠同時改善在上止點前后貧油區(qū)域和活塞行程中部區(qū)域的潤滑性能，降低內(nèi)燃機的摩擦功耗和燃油消耗，延長活塞環(huán)的使用壽命。
【專利說明】
一種內(nèi)燃機活塞環(huán)及安裝有該活塞環(huán)的內(nèi)燃機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于內(nèi)燃機研究領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)燃機活塞環(huán)及安裝有該活塞環(huán)的內(nèi)燃機。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來內(nèi)燃機發(fā)展主要圍繞有害物排放控制與低碳節(jié)能技術(shù)展開的，發(fā)動機的缸套活塞環(huán)系統(tǒng)需要滿足節(jié)能與減排的嚴格要求；同時各種先進燃燒與排放控制技術(shù)將逐漸在發(fā)動機上出現(xiàn)與不斷應(yīng)用，發(fā)動機日益呈現(xiàn)小型高強化、高功率密度及輕量化的趨勢，這些先進技術(shù)運用，使得內(nèi)燃機的缸套活塞環(huán)關(guān)鍵潤滑摩擦副面臨著日漸嚴酷的服役工況環(huán)境的挑戰(zhàn)。
[0003]缸套-活塞環(huán)副作為內(nèi)燃機上最關(guān)鍵的摩擦副之一，面臨著摩擦磨損嚴重問題，其摩擦損失占整機能量損失的50 %至60 %，目前主要通過使用耐磨基體材料、涂層等技術(shù)來提高表面加工質(zhì)量，進而改善摩擦副表面的潤滑性能。
[0004]摩擦副表面凹坑結(jié)構(gòu)具有改善潤滑與減摩抗磨的良好特質(zhì)，表面帶有凹坑結(jié)構(gòu)的缸套活塞環(huán)的相關(guān)研究是近年來的摩擦學的熱點，方興未艾?，F(xiàn)有的研究考察了微凹坑參數(shù)對有效摩擦損失壓力的影響，并試驗證實了表面帶凹坑后，有效摩擦力損失壓力下降了30%左右。另外還研究了部分織構(gòu)活塞環(huán)對柴油機燃油耗的影響，其結(jié)果表明:相對于原機，裝配部分織構(gòu)活塞環(huán)的發(fā)動機，燃油耗可以降低4%左右，排放性能及煙度也略有改善。
[0005]然而在內(nèi)燃機中，活塞組件從低速到高速、輕載到重載不斷轉(zhuǎn)換，使得缸套-活塞環(huán)副在極端服役工況條件下的摩擦磨損問題尤為突出。主要摩擦磨損問題集中在上止點前后及行程中部區(qū)域，雖然采用傳統(tǒng)均一深度的凹坑結(jié)構(gòu)能在一定程度上緩解摩擦磨損問題，然而在內(nèi)燃機交變負荷的過程中，并不能同時兼顧到上止點區(qū)域及行程中部區(qū)域的摩擦磨損問題，也不能在整個運行工況下獲得活塞環(huán)-缸套副的最佳摩擦性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種內(nèi)燃機活塞環(huán)及安裝有該活塞環(huán)的內(nèi)燃機，在活塞環(huán)外表面區(qū)域上進行不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)的表面微處理，能同時改善缸套與活塞環(huán)在上止點前后區(qū)域及行程中部區(qū)域的潤滑條件獲得在整個運行工況下缸套-活塞環(huán)的最佳摩擦性能，在改善缸套上止點區(qū)域和行程中部區(qū)域潤滑條件的同時，并能夠明顯降低缸套-活塞環(huán)之間的摩擦功耗和整機的燃油消耗。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種內(nèi)燃機活塞環(huán)，包括活塞環(huán)外表面、活塞環(huán)上端面和活塞環(huán)下端面;活塞環(huán)外表面分別與活塞環(huán)上端面和活塞環(huán)下端面相互垂直；
[0008]所述活塞環(huán)外表面上開設(shè)若干不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的深度由活塞環(huán)上端面到活塞環(huán)下端面呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。
[0009]上述方案中，所述微凹坑結(jié)構(gòu)與活塞環(huán)外表面交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面上的周向理論表面積的5 %至55 %。
[0010]進一步的，所述微凹坑結(jié)構(gòu)與活塞環(huán)外表面交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面上的周向理論表面積的50 %。
[00?1 ] 上述方案中，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的半徑R為60μηι至120μηι。
[0012]進一步的，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的半徑R為105μηι。
[0013]上述方案中，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的最大深度Hi為4μηι至ΙΟμπι。
[0014]進一步的，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的最大深度mSsym。
[0015]上述方案中，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的最小深度H2為Iym至4μηι。
[0016]進一步的，所述微凹坑結(jié)構(gòu)的最小深度Η2*3μπι。
[0017]—種安裝有所述活塞環(huán)的內(nèi)燃機，所述內(nèi)燃機安裝有所述活塞環(huán)。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在活塞環(huán)外表面開設(shè)不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)，且微凹坑結(jié)構(gòu)的深度由活塞環(huán)上端面到活塞環(huán)下端面呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。實現(xiàn)了同時改善缸套上止點貧油區(qū)域的潤滑條件、降低磨損量的目標，同時也降低了缸套其余部分的摩擦功耗與整機燃油消耗。本發(fā)明能夠同時改善內(nèi)燃機活塞環(huán)在止點區(qū)域和行程中部區(qū)域的潤滑條件，進而極大降低活塞環(huán)在上止點貧油區(qū)域的磨損量和行程中部的摩擦功耗，延長活塞環(huán)的使用壽命。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明一實施方式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明一實施方式活塞環(huán)外表面局部示意圖；
[0021]圖3是圖2所示m局部放大的示意圖；
[0022]圖4是圖2所示A-A剖視示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明和對比的無量綱摩擦損失功率隨內(nèi)燃機曲軸轉(zhuǎn)角變化關(guān)系圖。
[0024]圖中:1、活塞環(huán)、2、活塞環(huán)外表面;3、微凹坑結(jié)構(gòu);4、活塞環(huán)上端面;5、活塞環(huán)下端面。
【具體實施方式】
[0025]為了對發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】，在各圖中相同的標號表示相同或相似的部分。附圖僅用于說明本發(fā)明，不代表本發(fā)明的實際結(jié)構(gòu)和真實比例。
[0026]圖1所示為本發(fā)明所述內(nèi)燃機活塞環(huán)的一種示意圖，所述活塞環(huán)I包括活塞環(huán)外表面2、活塞環(huán)上端面4和活塞環(huán)下端面5;活塞環(huán)外表面2分別與活塞環(huán)上端面4和活塞環(huán)下端面5相互垂直;所述活塞環(huán)外表面2上通過激光加工或其他微加工技術(shù)方法加工若干不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)3，所述微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。添加目的效果:由于微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，儲油體積相應(yīng)減小，形成楔形效應(yīng)，潤滑油流入活塞環(huán)外表面2的深度較淺的微凹坑結(jié)構(gòu)3后溢出受到擠壓而形成一定油壓，油膜厚度增加，運動副兩表面間的粗糙峰接觸減少，摩擦和磨損也相應(yīng)降低了。這種效果類似于桶面活塞環(huán)的桶面效應(yīng)。能有效的改善缸套-活塞環(huán)的潤滑條件。
[0027]圖2所示為內(nèi)燃機活塞環(huán)外表面2上不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)3的分布圖，所述活塞環(huán)外表面2上的微凹坑結(jié)構(gòu)3與活塞環(huán)外表面2交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面2上的周向理論表面積的5%至55%。所述活塞環(huán)外表面2的周向理論表面積是指如果活塞環(huán)的外表面2上沒有微凹坑結(jié)構(gòu)3，完全由平滑表面構(gòu)成時的周向表面積。
[0028]只有當活塞環(huán)外表面2上的微凹坑結(jié)構(gòu)3與活塞環(huán)外表面2交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面2上的周向理論表面積的5%至55%，都在上述范圍內(nèi)才能產(chǎn)生最佳厚度和承載能力的動壓潤滑油膜，能最大程度的同時改善內(nèi)燃機活塞環(huán)在止點區(qū)域和行程中部區(qū)域的潤滑條件，進而極大降低活塞環(huán)在上止點貧油區(qū)域的磨損量和行程中部的摩擦功耗。
[0029]圖3所示微凹坑結(jié)構(gòu)3的放大圖，圖4所示為微凹坑結(jié)構(gòu)3的剖視圖，所述活塞環(huán)外表面2上開設(shè)的不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)3的參數(shù)范圍為:微凹坑結(jié)構(gòu)3的半徑R為60μπι至120μm，微凹坑結(jié)構(gòu)的最大深度Hi為4μηι至ΙΟμπι，最小深度Η2為Iym至4μηι。
[0030]在活塞環(huán)外表面2上開設(shè)不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)3，且微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，因而能在上止點貧油區(qū)域儲存較多的潤滑油產(chǎn)生動壓潤滑油膜，有效防止邊界潤滑，減少上止點區(qū)域的磨損量，進而能夠明顯改善潤滑提高缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦學性能；與此同時，由于微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，由于單個微凹坑結(jié)構(gòu)3的儲油體積由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5也同樣呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，形成楔形效應(yīng)，潤滑油流入活塞環(huán)外表面的深度較淺的微凹坑結(jié)構(gòu)后溢出受到擠壓而形成一定油壓，油膜厚度增加，運動副兩表面間的粗糙峰接觸減少，摩擦和磨損也相應(yīng)降低了。這種效果類似于桶面活塞環(huán)的桶面效應(yīng)。進而能夠同時改善到上止點前后區(qū)域及行程中部區(qū)域的摩擦功耗，降低缸套-活塞環(huán)在整個工作循環(huán)的摩擦功耗及整機的燃油消耗。
[0031]如果在活塞環(huán)外表面的微凹坑結(jié)構(gòu)的深度變化趨勢不是呈先減小后增大的規(guī)律，就形成不了楔形效應(yīng)，即潤滑油的流動形式就不是由深到淺再到深的變化趨勢，同樣也形成不了微桶面環(huán)的效應(yīng)，進而滿足不了同時改善上止點和行程中部區(qū)域的潤滑條件。
[0032]微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，且減小和增大的趨勢是沒有比例大小要求的。
[0033]本發(fā)明還包括一種安裝有所述活塞環(huán)I的內(nèi)燃機，所述內(nèi)燃機安裝有所述活塞環(huán)
I。能同時改善缸套與活塞環(huán)在上止點前后區(qū)域及行程中部區(qū)域的潤滑條件獲得在整個運行工況下缸套-活塞環(huán)的最佳摩擦性能，在改善缸套上止點區(qū)域和行程中部區(qū)域潤滑條件的同時，進而能夠明顯降低缸套-活塞環(huán)之間的摩擦功耗和內(nèi)燃機的燃油消耗。
[0034]在一種示意性實施方式中，內(nèi)燃機活塞環(huán)I的外徑為95mm，在活塞環(huán)外表面2上開設(shè)不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)3，且微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，微凹坑結(jié)構(gòu)3的半徑R為105μπι，微凹坑結(jié)構(gòu)3的最大深度出為5μπι，微凹坑結(jié)構(gòu)3的最小深度Η2*3μπι，活塞環(huán)外表面2上的微凹坑結(jié)構(gòu)3與活塞環(huán)外表面2交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面2上的周向理論表面積的50 %。利用Matlab軟件可以分析出此時凹坑布置結(jié)構(gòu)條件下的無量綱摩擦損失功率與內(nèi)燃機曲軸轉(zhuǎn)角之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖5中圓形標記線所示為本發(fā)明實驗條件下無量綱摩擦損失功率與內(nèi)燃機曲軸轉(zhuǎn)角之間的對應(yīng)關(guān)系，圖5中方形標志線所示為在活塞環(huán)外表面加工出的凹坑深度均為5μπι，凹坑直徑為105μπι，活塞環(huán)外表面上的微凹坑結(jié)構(gòu)與活塞環(huán)外表面交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面上的周向理論表面積的50%條件下無量綱摩擦損失功率與內(nèi)燃機曲軸轉(zhuǎn)角之間的對應(yīng)關(guān)系，采用本發(fā)明所獲得的無量綱摩擦損失功率在曲軸轉(zhuǎn)角0°左右，即上止點附近，和在行程中部區(qū)域都要比對比活塞環(huán)的要小，以曲軸轉(zhuǎn)角10°為例，本發(fā)明所獲得的無量綱摩擦損失功率為28.7，而對比的無量綱摩擦損失功率為33。由此可以看出本發(fā)明能夠同時改善到上止點前后區(qū)域及行程中部區(qū)域的摩擦學性能。從圖5可見，在無量綱摩擦損失功率上，本發(fā)明的摩擦副在整個循環(huán)內(nèi)體現(xiàn)出較好的性能。采用本發(fā)明在活塞環(huán)外表面上開設(shè)不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)，且微凹坑結(jié)構(gòu)的深度由活塞環(huán)上端面到活塞環(huán)下端面呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，對于改善活塞環(huán)-缸套運動副摩擦損失方面具有更好的效果，特別是同時兼顧到在上止點附近和行程中部區(qū)域。主要由于微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，因而能在上止點貧油區(qū)域儲存較多的潤滑油產(chǎn)生動壓潤滑油膜，有效防止邊界潤滑，減少上止點區(qū)域的磨損量，進而能夠明顯改善潤滑提高缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦學性能；與此同時，由于微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，儲油體積相應(yīng)減小，形成楔形效應(yīng)，潤滑油流入活塞環(huán)外表面的深度較淺的微凹坑結(jié)構(gòu)后溢出受到擠壓而形成一定油壓，油膜厚度增加，運動副兩表面間的粗糙峰接觸減少，摩擦和磨損也相應(yīng)降低了。這種效果類似于活塞環(huán)的桶面效應(yīng)。進而能夠同時改善到上止點前后區(qū)域及行程中部區(qū)域的摩擦功耗，降低缸套-活塞環(huán)在整個工作循環(huán)的摩擦功耗及整機的燃油消耗。
[0035]為了能夠同時改善到上止點前后區(qū)域及行程中部區(qū)域的摩擦功耗，降低缸套-活塞環(huán)在整個工作循環(huán)的摩擦功耗及整機的燃油消耗。微凹坑結(jié)構(gòu)3必須同時滿足微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢；在活塞環(huán)外表面2上的微凹坑結(jié)構(gòu)3與活塞環(huán)外表面2交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面2上的周向理論表面積的5 %至55 % ;微凹坑結(jié)構(gòu)3的半徑R為60μηι至120μηι，微凹坑結(jié)構(gòu)的最大深度Hi為4μηι至ΙΟμπι，最小深度Η2為Ιμπι至4μηι。缺一不可，若缺少某一個條件，不能同時達到改善上止點前后區(qū)域及行程中部區(qū)域的摩擦功耗，降低缸套-活塞環(huán)在整個工作循環(huán)的摩擦功耗及整機的燃油消耗。如果活塞環(huán)外表面2微凹坑結(jié)構(gòu)3的分布不是由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，在活塞環(huán)運動過程中就不能形成楔形效應(yīng)及微桶效應(yīng)，進而也不能同時改善缸套上止點貧油區(qū)域的潤滑條件、降低磨損量的目標，也降低了行程中部的摩擦功耗，也降低整機燃油消耗。
[0036]綜上所述本發(fā)明一種內(nèi)燃機活塞環(huán)，在活塞環(huán)外表面2上開設(shè)不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)3，且微凹坑結(jié)構(gòu)3的深度由活塞環(huán)上端面4到活塞環(huán)下端面5呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。實現(xiàn)了同時改善缸套上止點貧油區(qū)域的潤滑條件、降低磨損量的目標，也降低了行程中部的摩擦功耗，也降低整機燃油消耗。本發(fā)明能夠同時改善在上止點前后貧油區(qū)域和活塞行程中部區(qū)域的潤滑性能，降低上止點前后區(qū)域的摩擦與磨損的同時也降低了摩擦功耗和燃油消耗，延長活塞環(huán)的使用壽命。
[0037]應(yīng)當理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但并非每個實施例僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
[0038]上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，包括活塞環(huán)外表面⑵、活塞環(huán)上端面⑷和活塞環(huán)下端面(5);活塞環(huán)外表面(2)分別與活塞環(huán)上端面(4)和活塞環(huán)下端面(5)相互垂直； 所述活塞環(huán)外表面(2)上加工若干不同深度的微凹坑結(jié)構(gòu)(3)，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)的深度由活塞環(huán)上端面(4)到活塞環(huán)下端面(5)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)與活塞環(huán)外表面(2)交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面(2)上的周向理論表面積的5%至55%。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)與活塞環(huán)外表面(2)交界處的面積之和為活塞環(huán)外表面(2)上的周向理論表面積的50%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)的半徑R為60μπι 至 120μηιο5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)的半徑R為105ymo6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)的最大深度H1為 4μηι 至 ΙΟμπι。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)的最大深度H1為 5μηι08.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)的最小深度H2為 Iym 至 4μηι09.根據(jù)權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃機活塞環(huán)，其特征在于，所述微凹坑結(jié)構(gòu)(3)的最小深度H2為 3μηι010.—種安裝有權(quán)利要求1所述活塞環(huán)的內(nèi)燃機，其特征在于，所述內(nèi)燃機安裝有所述活塞環(huán)。
【文檔編號】F02F5/00GK105863871SQ201610293569
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】尹必峰, 俞升浩, 賈和坤, 符永宏, 華希俊, 董非
【申請人】江蘇大學