活塞圈和用于制造活塞圈的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種活塞圈，尤其旨在使用于內(nèi)燃機或者壓縮機中，設(shè)置有施加至圈的至少一部分表面面積的熱障，從而降低圈的溫度并且按照推論在部分的端部(末端)引起較少的磨損。
[0002]本發(fā)明還涉及一種用于制造該活塞圈的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]活塞圈充當(dāng)橋，用于傳遞活塞和氣缸襯套之間的熱，從活塞圈，熱通過翼片散失或者被傳遞至存在于冷卻通道中的水。
[0004]來源于空氣燃料混合物的爆炸的熱引起活塞圈膨脹。由于圈充當(dāng)“橋”來傳導(dǎo)活塞和塊之間的熱，在圈的內(nèi)部部分中熱(因而溫度)最大，使得其膨脹多于外部部分。該膨脹差越大，熱梯度越大。沿著圈的徑向線不同的膨脹具有的效應(yīng)是，由其接觸氣缸壁的自由端部(末端)施加的徑向壓力過度增加，不期望地增加在該點處圈的磨損率。
[0005]在自由端部處的磨損對圈的性能具有的有害效應(yīng)是關(guān)于密封燃燒室和/或控制油膜以及使得有必要維持此在可接受水平的技術(shù)。在該方案中，與本發(fā)明相反，到目前為止，大多數(shù)可替換方案依賴舊范式，根據(jù)舊范式，自由端部處的磨損通過應(yīng)用更加高度發(fā)展的涂層和/或通過調(diào)節(jié)圈的幾何格式以這種方式被處理而使得相當(dāng)大地降低由圈的自由端部施加的徑向壓力。
[0006]日本專利文獻(xiàn)JP2008-057671公開了一種活塞圈，該活塞圈設(shè)置有內(nèi)周部分，內(nèi)周部分由熱膨脹系數(shù)低于形成圈的其他部分的材料制成。以該方式由圈的不同部分施加的徑向壓力被協(xié)調(diào)而獨立于發(fā)動機的操作條件。
[0007]德國專利文獻(xiàn)DE102007029992涉及一種活塞圈，在該活塞圈中自由端部包括熱膨脹系數(shù)低于圈的剩余部分的材料，確保膨脹，因此徑向壓力在該區(qū)域中較少增加。其結(jié)果是，相比于常規(guī)圈在自由端部處的磨損較小。
[0008]日本專利文獻(xiàn)JP2008-069884涉及一種用于控制油膜的組合式活塞圈，這確保在任何操作溫度下的良好性能。為此，該圈包括定位于膨脹元件內(nèi)部的冷卻元件C，膨脹元件吸收熱并且因此降低得到的圈的徑向變形，尤其在自由端部。
[0009]專利文獻(xiàn)W02008/016010涉及一種活塞圈，施加至該活塞圈的應(yīng)力在低溫度低負(fù)荷條件以及高負(fù)荷高溫度條件之間變化而使得最小化摩擦損失并且增加發(fā)動機性能(較少燃料消耗)。為了實現(xiàn)此，圈由鈦鉭形狀記憶合金制成，該合金包括鉭的比例不小于30%摩爾比并且小于40%摩爾比，剩余物為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
[0010]專利文獻(xiàn)W02008/016009涉及一種活塞圈，在該活塞圈中施加的應(yīng)力在低溫度低負(fù)荷條件以及高負(fù)荷高溫度條件之間變化而使得最小化摩擦損失并且增加發(fā)動機效率(較少燃料消耗)。根據(jù)該文獻(xiàn)這是通過形狀記憶合金而實現(xiàn)的，該合金包括34.7至48.5%摩爾比的鎳、9至22.5%摩爾比的元素鋯或鉿以及1至30%摩爾比的鈮，剩余物為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
[0011]專利文獻(xiàn)W02009/069703涉及一種活塞圈和氣缸襯套的組合，該組合滿足多個硬度以及表面拋光條件，使得圈的線性膨脹匹配氣缸的線性膨脹，因而確保整體的耐久性。
[0012]專利文獻(xiàn)W02009/069762涉及一種用于制造活塞圈的鋼以及用其制造的活塞圈，該鋼確保熱膨脹系數(shù)非常類似于鋁氣缸襯套的熱膨脹系數(shù)，使得能夠在鋁襯套中使用該圈具有涉及密封的良好結(jié)果。產(chǎn)品(圈)包括(以質(zhì)量計)0.01%至1.9%的碳、0.01%至1.9%的硅以及5.0%至24.0%的錳，剩余物為鐵和不可避免的雜質(zhì)。除了這些，除了上述必要元件圈包括18.0%或者更少鉻、和/或12.0%或者更少鎳。除了此，產(chǎn)品可以包含1 %或者更少鋁、和/或0.3%或者更少氮，以及高達(dá)4.0%百分比的鈮、鈦、鋯、鉬以及銅中的一種或多種元素。
[0013]德國專利文獻(xiàn)DE102007035502涉及一種具有抗磨損涂層的活塞圈，該涂層由傳熱性為至少180W/(m.K)的材料形成，在該活塞圈中至少5%體積的涂層包括氮化鋁。
[0014]日本專利文獻(xiàn)JP4008327涉及一種在樹脂圈的頂部包括外部金屬圈的活塞圈。樹脂圈的作用為降低/控制圈的熱膨脹，維持從發(fā)動機的冷卻開始直到以高轉(zhuǎn)速操作熱膨脹處于可接受的值。
[0015]日本專利文獻(xiàn)JP2004-340075涉及一種刮油器類型活塞圈，在兩個部分中包括兩個膨脹圈，每個由特定材料形成，一個形狀記憶合金具有的熱膨脹系數(shù)不同于另一個的熱膨脹系數(shù)。以該方式控制圈的熱膨脹的百分比在不同的電動機操作情形下實現(xiàn)。
[0016]日本專利文獻(xiàn)JP2003-042294涉及一種碳涂層施加至其的活塞圈，除了起作用為抗磨膜，該活塞圈具有的熱膨脹系數(shù)大于或者等于[15x10—6/°C]。以該方式關(guān)于熱膨脹圈的合適的行為實現(xiàn)。
[0017]日本專利文獻(xiàn)JP2004-156472包括一種油圈，在三個部分中設(shè)置有包括焊接于一起的兩個構(gòu)件的間隔件，其中第二構(gòu)件包括的材料具有的熱膨脹系數(shù)大于包括第一構(gòu)件的材料的熱膨脹系數(shù)。以該方式得到的圈在不同的發(fā)動機操作情形下具有良好性能。
[0018]最后，美國專利文獻(xiàn)US2011/0312860涉及一種涂層，該涂層用于覆蓋受到磨損以及高操作溫度的部件，諸如氣體渦輪和活塞圈的部分。除了抵抗操作磨耗，該涂層還充當(dāng)熱障以最小化高溫度操作情形下性能的損失。
[0019]以通用方式描述，公開于US2011/0312860的涂層包括硬陶瓷相位、具有粘著劑功能的金屬相位以及包括多組分氧化的潤滑相位。不過，在該文獻(xiàn)的說明書中不存在關(guān)于為了降低發(fā)生在其已經(jīng)施加至的機械部件中的熱膨脹對涂層屬性的討論。
[0020]正如將看見的，在用于內(nèi)燃機的活塞圈的領(lǐng)域陳述的非常有代表性文獻(xiàn)中，上述領(lǐng)域陳述的所有文獻(xiàn)是基于較早的范式，在該范式中部分的材料被更改，使得熱膨脹值落入期望參數(shù)內(nèi)，并且它們都沒有清楚地討論作為熱障起作用為更大或者更小程度的熱涂層的使用。
[0021]還沒有涉及活塞圈以降低圈的徑向膨脹，主要在末端區(qū)域，從而增加圈的服務(wù)壽命以及最小化應(yīng)用特定涂層的需要，特定涂層在與氣缸的接觸表面更耐磨損，通過應(yīng)用額外熱涂層(除了存在于該類型部件中的抗磨損涂層)于從氣體或者活塞的最熱部分至圈(諸如圈和活塞之間的接觸面)存在熱傳遞的地方。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明的目的是一種活塞圈，其特別旨在使用于設(shè)置有熱障的內(nèi)燃機或者壓縮機，熱障應(yīng)用至靠近圈(末端)中的間隙的橫向端部之一的至少內(nèi)部部分和/或上部部分和/或下表面，引起在該區(qū)域中降低圈的溫度，按照推論引起較少的磨損。
[0023]本發(fā)明的另一目的是用于制造上述活塞圈的方法。
[0024]本發(fā)明的目的是通過用于使用在內(nèi)燃機或者壓縮機的活塞上的活塞圈而實現(xiàn)的，活塞圈具有大致環(huán)形形狀，該形狀限定了面向凹槽的內(nèi)表面、面向燃燒室并且大致與內(nèi)表面成直角的上表面以及大致對置于第二表面的下表面，在第二表面中熱絕緣涂層設(shè)置在內(nèi)表面、上表面或者下表面的至少一部分上。
[0025]因而本發(fā)明的目的是通過用于制造描述在前述段落中的活塞圈的方法而實現(xiàn)的，該方法包括:應(yīng)用熱絕緣涂層至圈的內(nèi)表面、上表面或者下表面的至少一部分表面面積。
【附圖說明】
[0026]下文將基于圖示于附圖的實施例更詳細(xì)描述本發(fā)明。附圖示出了:
[0027]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在一個其自由端部附近活塞圈的透視立體圖。
[0028]圖2是根據(jù)本發(fā)明在一個其自由端部附近活塞圈的可能實施例的透視立體圖。
[0029]圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圈在測試中的照片，該測試應(yīng)用熱梯度以及在0°C溫度下其對改變?nèi)Φ膸缀涡螤畹男?yīng)。
[0030]圖4是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圈在測試中的照片，該測試應(yīng)用熱梯度以及在80°C溫度下其對改變?nèi)Φ膸缀涡螤畹男?yīng)。
[0031]圖5是圖示出應(yīng)用圖3和圖4的熱梯度的測試中獲得的值以及其對改變?nèi)Φ膸缀涡螤畹男?yīng)的圖，因此相對于現(xiàn)有技術(shù)的圈密封末端處的間隙。
[0032]圖6是圖示出在其周邊徑向溫度梯度對圈接觸壓力的效應(yīng)的圖。
[0033]圖7是由于溫度梯度，應(yīng)用至活塞圈的自由端部的彎折轉(zhuǎn)矩的圖表。
[0034]圖8是對于0°C的溫度梯度，施加在圈的外表面上的壓力的圖表。
[0035]圖9是對于20°C的溫度梯度，施加在圈的外表面上的壓力的圖表。
[0036]圖10是對于30°C的溫度梯度，施加在圈的外表面上的壓力的圖表。
[0037]圖11是根據(jù)本發(fā)明活塞圈的立體圖。
【具體實施方式】
[0038]本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，當(dāng)裝備有活塞圈的內(nèi)燃機在操作中時活塞圈的熱膨脹是不可避免的，活塞圈的熱膨脹改變施加在其自由端部的徑向壓力的值為更大或者更小程度。
[0039]如果達(dá)到或者超過給定最大值(給定設(shè)計參數(shù))，該徑向壓力的值的過度增加會在圈的自由端部過早地磨損涂層，從而降低其關(guān)于壓縮值和/或維持