一种内燃机活塞环及安装该活塞环的内燃机的制作方法
【专利摘要】本发明属于内燃机研究领域的一种内燃机活塞环及安装该活塞环的内燃机，活塞环包括活塞环外表面、活塞环上端面和活塞环下端面；所述活塞环外表面开设若干带有深度和梯度的微凹腔结构；所述活塞环上端面开设若干微凹坑结构。可以有效改善上止点区域缸套与活塞环的润滑条件，降低磨损量；凹腔结构增大了承载密封面积区域，有效提高了活塞环与缸套之间的密封性能，防止机油往燃烧室内窜，可有效降低发动机的机油消耗与颗粒物排放；微凹坑结构不仅能去除积碳，还能降低活塞环上端面和活塞环槽磨损量。本发明能同时满足润滑与密封性能，去除积碳，降低活塞环上端面及环槽的磨损，提高可靠性，延长活使用寿命。
【专利说明】
一种内燃机活塞环及安装该活塞环的内燃机
技术领域
[0001 ]本发明属于内燃机研究领域，具体涉及一种内燃机活塞环及安装该活塞环的内燃机。
【背景技术】
[0002]活塞环是用于嵌入活塞环槽沟内部的金属环，是燃油发动机内部的核心部件，它和活塞，汽缸壁等一起完成燃油气体的密封。缸套-活塞环是柴油机中最重要的摩擦副之一，这一摩擦副相对运动时接触面的表面形貌，是决定润滑及摩擦性能的关键，同时其亦对整机机油消耗行为有着至关重要的影响。研究显示，经其进入燃烧室，由蒸发与燃烧造成的机油消耗量，会占总机油耗的80%以上。特别是近年来，随着柴油机高效节能与超低排放要求日益严格，在保证可靠润滑的基础上，有效控制机油消耗，进而降低颗粒物的排放，愈来愈受到重视。
[0003]现有研究表明装配部分织构的活塞环的内燃机，燃油耗较原机可以降低4%左右，排放性能及烟度也略有改善。然而在内燃机高负荷运行工况条件下，在内燃机上止点区域摩擦磨损严峻，而现有技术采用的方法仅采用一种结构的织构虽然能在一定程度上改善缸套活塞环的摩擦磨损问题，然而有别于一般通用机械的润滑摩擦问题，表面织构化缸套活塞环系统研究需要从其润滑摩擦性能与机油消耗双重目标入手，均衡二者之间微妙的Trade-off关系是关键。虽然单纯的采用单一结构的织构能在一定程度上改善缸套-活塞环的摩擦学性能，但带来的另一个问题是机油消耗的增加，内燃机颗粒物排放恶化。另外，内燃机缸内由于混合气不均匀，燃烧产生的碳烟会污染燃烧室内空间，其次碳烟附着在缸套的壁面上会对缸套与活塞环的摩擦造成很大的影响，同时活塞环在活塞环槽内的冲击磨损问题也令人堪忧。因此，对于同时降低内燃机油耗、机油耗和去除碳烟，降低磨损量这样一个难题亟需解决。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对上述问题提供一种改善缸套与活塞环之间润滑条件的同时降低机油消耗的内燃机活塞环及安装该活塞环的内燃机，并且能同时去除缸内燃烧产生的碳烟，在改善内燃机上止点区域润滑条件的同时，并能够明显降低缸套-活塞环之间的摩擦功耗、整机的机油消耗及去除缸内碳烟，降低活塞环上端面及活塞环槽的磨损量，提高活塞环的可靠性。
[0005]本发明的技术方案是:一种内燃机活塞环，包括活塞环外表面、活塞环上端面和活塞环下端面;所述活塞环外表面与活塞环上端面和活塞环下端面互相垂直；
[0006]所述活塞环外表面开设若干带有深度和梯度的微凹腔结构，每个带有深度和梯度的微凹腔结构均采用变深度的加工方法制成；
[0007]所述活塞环上端面开设若干微凹坑结构。
[0008]上述方案中，所述微凹腔结构与活塞环外表面交界处的面积之和为活塞环外表面的周向理论表面积的5 %至40 %。
[0009]进一步的，所述微凹腔结构与活塞环外表面交界处的面积之和为活塞环外表面的周向理论表面积的20 %。
[0010]上述方案中，所述微凹坑结构与活塞环外上端面交界处的面积之和为活塞环上端面的周向理论表面积的5%至35%。
[0011]进一步的，所述微凹坑结构与活塞环外上端面交界处的面积之和为活塞环上端面的周向理论表面积的25%。
[0012]上述方案中，所述微凹腔结构的最大深度Hl为Ιμπι至6μπι;所述微凹腔结构的深度梯度角Θ为10°至45°，所述微凹腔的深度变化趋势是沿着所述活塞环上端面到活塞环下端面逐渐变大。
[0013]进一步的，所述微凹腔结构的深度Hl为4μπι;所述微凹腔结构的深度梯度角Θ为30。。
[0014]上述方案中，所述微凹坑结构的深度Η2为2μηι至5μηι，微凹坑结构的半径R为50μηι至150μπιο
[0015]进一步的，所述微凹坑结构的深度Η2为3μπι，微凹坑结构的半径R为ΙΟΟμπι。
[0016]—种安装有所述活塞环的内燃机，所述内燃机安装有所述活塞环。
[0017]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明通过在活塞环的外表面开设出带有深度梯度的微凹腔结构，实现了改善活塞环在上止点贫油区域的润滑条件的同时又提高了密封性能，有效防止机油往燃烧室内窜，进而有利于改善内燃机颗粒物排放物，同时在活塞环上端面开设微凹坑结构可以储存燃烧室内的碳烟，有利于去除碳烟，同时活塞环上端面的微凹坑结构内储存的润滑油产生的阻尼作用可以有效降低活塞环在活塞环槽中的冲击磨损，提高活塞环的可靠性。本发明具有结构新颖、均衡优化活塞环与缸套之间的润滑与密封效果好，去除燃烧室内的碳烟，降低活塞环在活塞环槽内的冲击磨损，提高活塞环的可靠性，有效延长活塞环的使用寿命。
【附图说明】
[0018]图1为本发明一实施方式活塞环的结构示意图；
[0019]图2为本发明一实施方式活塞环外表面局部示意图；
[°02°]图3是图2所示IV局部放大的示意图；
[0021]图4是图2所示IV的局部放大的展开B-B剖视示意图；
[0022I图5是图1所示m局部放大的示意图；
[0023 ]图6是图1所示m的局部放大的展开A-A剖视示意图。
[0024]图中:1、活塞环、2、活塞环外表面;3、活塞环上端面;4、活塞环下端面;5、微凹腔结构;6、微凹坑结构。
【具体实施方式】
[0025]为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发明的【具体实施方式】，在各图中相同的标号表示相同或相似的部分。附图仅用于说明本发明，不代表本发明的实际结构和真实比例。
[0026]图1和图2所示为本发明所述内燃机活塞环的一种实施方式，所述内燃机活塞环包括活塞环外表面2、活塞环上端面3和活塞环下端面4;所述活塞环外表面2与活塞环上端面3和活塞环下端面4互相垂直。
[0027]所述活塞环外表面2开设若干带有深度和梯度的微凹腔结构5，每个带有深度和梯度的微凹腔结构5均采用变深度的加工方法制成;所述活塞环上端面3开设若干微凹坑结构
6ο
[0028]图3所示为所述微凹腔结构5的局部放大图，所述微凹腔结构5与活塞环外表面2交界处的面积之和为活塞环外表面2的周向理论表面积的5%至40%。所述活塞环外表面2的周向理论表面积是指如果活塞环的外表面2上没有带深度梯度的微凹腔结构5，完全由平滑表面构成时的周向表面积。
[0029]只有在深度梯度的微凹腔结构5与活塞环外表面2交界处的面积之和为活塞环外表面2周向理论表面积的5%至40%范围内，才能产生最佳厚度和承载能力的动压润滑油膜，能最大程度的改善内燃机活塞环I在止点区域的润滑条件，进而极大降低活塞环I在上止点贫油区域的磨损量。优选的，所述微凹腔结构5与活塞环外表面2交界处的面积之和为活塞环外表面2的周向理论表面积的20%。在活塞环外表面2上加工出带深度梯度的微凹腔结构5，特别的能在内燃机大负荷条件下带深度梯度的微凹腔结构5内能储存较多的润滑油，在活塞环外表面2与缸套之间产生具有一定厚度和承载能力的动压润滑油膜，使活塞环外表面2与缸套形成非接触式滑动，极大改善内燃机活塞环I在止点区域的润滑条件，进而降低活塞环I在上止点贫油区域的磨损量。
[0030]图4所示为所述微凹腔结构5的剖面图，所述微凹腔结构5的最大深度H1Slym至6μm;所述微凹腔结构5的深度梯度角Θ为10°至45°，所述微凹腔5的深度变化趋势是沿着所述活塞环上端面3到活塞环下端面4逐渐变大。变深度梯度的微凹腔结构5在活塞环I往复运动过程中挤压微凹腔结构5内的燃油，产生的动压润滑油膜及随之增大的油膜承载面积可以同时有效改善活塞环I在上止点贫油区域的润滑条件和提高了密封性能，有效防止机油往燃烧室内窜，进而同时实现改善内燃机颗粒物排放物及润滑条件的目标。
[0031]采用激光加工及其他加工技术方法，在活塞环外表面2上开设出带深度和梯度的微凹腔结构5，可以在活塞环外表面2与缸套之间产生具有一定厚度和承载能力的动压润滑油膜，使活塞环外表面2与缸套形成非接触式滑动，极大改善了润滑条件。因而在活塞环I随活塞运动到上止点的过程中，带深度的微凹腔结构5内的燃油受挤压，形成楔形效应，带深度梯度的凹腔结构5内的燃油受到挤压产生向上的举升力同时在活塞环I与缸套之间产生具有一定厚度和承载能力的动压润滑油膜，可以有效改善润滑条件，降低摩擦功耗与在上止点区域的磨损量;当活塞环I随活塞下行时，挤压带深度梯度微凹腔结构5内的燃油，在带深度梯度的微凹腔结构5的深度大的区域产生高压区域，同时也增大了活塞环I与缸套之间的承载面积，有利于提高活塞环的密封性能，进而有效防止机油往燃烧室内窜，有效降低发动机的机油消耗与颗粒物排放。最终实现了在内燃机高速大负荷条件下改善活塞环I在上止点区域的摩擦学性能与磨损量的同时也降低了内燃机的机油消耗，降低颗粒物的排放。
[0032]图5所示为活塞环上端面开设的微凹坑结构6，所述微凹坑结构6与活塞环外上端面3交界处的面积之和为活塞环上端面3的周向理论表面积的5%至35%。所述活塞环上端面3的周向理论表面积是指如果活塞环外上端面3上没有微凹坑结构6，完全由平滑表面构成时的周向表面积。
[0033]图6为微凹坑结构6的剖面图，所述微凹坑结构6的结构参数范围:微凹坑结构6的深度H2为2μηι至5μηι，半径R为50μηι至150μηι。
[0034]在活塞环上端面3开设微凹坑结构6，微凹坑结构6在活塞环上下刮油与布油的过程中可以储存内燃机燃烧过程中产生的碳烟，进而有利于去除缸内的碳烟，其次，在活塞环的上端面3开设微凹坑结构6，微凹坑结构6内储存的润滑油产生的阻尼作用，在活塞环随着活塞环槽上下高速运动过程中减小活塞环I对活塞环槽的冲击磨损，有效延长了活塞环的使用寿命。
[0035]为了综合在内燃机活塞环外表面2开设带深度梯度的微凹腔结构5的作用，达到更好的降低磨损量、改善润滑条件、降低摩擦功耗、燃油消耗与机油消耗，并且还能去除碳烟及降低活塞环上端面与活塞环环槽的冲击磨损的效果。带深度梯度的微凹腔结构5，必须同时满足带深度梯度的微凹腔结构5与活塞环外表面2交界处的面积之和可以为活塞环外表面2区域的周向理论表面积的5%至40%，带深度梯度的微凹腔结构5的最大深度H1SUxm至6wii，带深度梯度的微凹腔结构5的深度梯度角Θ为10°至45°;活塞环上端面3开设微凹坑结构6，微凹坑结构6与活塞环上端面3交界处的面积之和可以为活塞环上端面3区域的周向理论表面积的5%至35%，微凹坑结构6的深度Η2为2μηι至5μηι，微凹坑结构6的半径R为50μηι至150μπι。缺一不可，若缺少某一个条件，不能同时达到改善活塞环I润滑条件、降低摩擦功耗与磨损量、燃油消耗与机油消耗的效果，同时也不能同时去除碳烟及降低活塞环上端面与活塞环环槽的冲击磨损的效果。如果活塞环外表面2微凹腔结构5不带深度梯度，或者深度梯度角不在所述的范围内，活塞环I在往复运动过程中不能够完全挤压微凹腔结构5内的燃油，形成不了很好的动压润滑油膜，同时也不能增大油膜的承载面积，对密封性能的提高没有任何益处；同样如果微凹腔结构5的深度范围超出了本发明的范围，深度过大会带来微凹腔结构5内的润滑油过多，在运动过程中由于高温蒸发等会增大润滑油的消耗量，其次如果深度小于所述的范围，储存在微凹腔结构5内的燃油量过小，产生不了动压润滑效应，对于改善缸套和活塞环之间的润滑条件是不利的；另外，在活塞环上端面3开设微凹坑结构6，微凹坑结构6的深度如果不在所述范围内就不能起到储存碳烟颗粒及润滑油的效果，也不能产生阻尼作用改善活塞环I在活塞环槽内的冲击磨损。
[0036]本发明还包括一种安装有所述活塞环的内燃机，所述内燃机安装有所述活塞环。当活塞环I随活塞下行时，挤压带深度梯度微凹腔结构5内的燃油，在带深度梯度的微凹腔结构5的深度大的区域产生高压区域，同时增大了活塞环I与缸套之间的承载面积，有利于提高活塞环的密封性能，进而有效防止机油往燃烧室内窜，有效降低内燃机的机油消耗与颗粒物排放。其次，通过改善缸套活塞环之间的润滑条件，从而有利于降低摩擦功耗，最终可以达到降低内燃机整机的燃油消耗的目标。
[0037]在一种示意性实施方式中，内燃机活塞环I的外径为95mm，在活塞环外表面2开设带深度和梯度的微凹腔结构5，带深度和梯度的微凹腔结构5与活塞环外表面2交界处的面积之和优选为活塞环外表面2区域的周向理论表面积的20%，带深度和梯度的微凹腔结构5的形状为圆形，带深度和梯度微凹腔结构5的最大深度带深度梯度的微凹腔结构5的深度梯度角Θ为30°，活塞环上端面3开设的微凹坑结构6与活塞环外上端面3交界处的面积之和可以为活塞环上端面3区域的周向理论表面积的25%，微凹坑结构6的深度Η2*3μπι，微凹坑结构6的半径R为ΙΟΟμπι。采用本发明的装置的通过Matlab软件计算得到的平均无量纲摩擦力为1.16，而现有采用凹腔结构深度不变的对比活塞环的平均无量纲摩擦力为1.33，平均无量纲摩擦力减小了 11.6%。在该实施方式中，能达到取得最优的效果，实现改善缸套与活塞环之间润滑条件的同时降低机油消耗的活塞环，并且能同时去除缸内燃烧产生的碳烟，在改善内燃机上止点区域润滑条件的同时，并能够明显降低缸套-活塞环之间的摩擦功耗、整机的机油消耗及去除缸内碳烟，降低活塞环上端面及活塞环槽的磨损量，提高活塞环的可靠性。
[0038]综上所述本发明一种内燃机活塞环I，分别在活塞环外表面2开设带深度梯度的微凹腔结构5，实现改善活塞环I上止点贫油区域的润滑条件、降低摩擦功耗与磨损量的目标，同时在提高活塞环I与缸套之间密封性能的同时也降低了机油消耗，另外还能去除碳烟和降低活塞环上端面3与活塞环槽的冲击磨损。本发明具有结构新颖、均衡优化活塞环I与缸套之间的润滑与密封效果好，去除燃烧室内的碳烟，降低活塞环I在活塞环槽内的冲击磨损，提高活塞环I的可靠性，有效延长活塞环I的使用寿命。
[0039]应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0040]上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种内燃机活塞环，其特征在于，包括活塞环外表面⑵、活塞环上端面⑶和活塞环下端面(4);所述活塞环外表面(2)与活塞环上端面(3)和活塞环下端面(4)互相垂直； 所述活塞环外表面(2)开设若干带有深度和梯度的微凹腔结构(5); 所述活塞环上端面(3)开设若干微凹坑结构(6)。2.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹腔结构(5)与活塞环外表面(2)交界处的面积之和为活塞环外表面(2)的周向理论表面积的5%至40%。3.根据权利要求2所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹腔结构(5)与活塞环外表面(2)交界处的面积之和为活塞环外表面(2)的周向理论表面积的20%。4.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(6)与活塞环外上端面(3)交界处的面积之和为活塞环上端面(3)的周向理论表面积的5%至35%。5.根据权利要求4所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(6)与活塞环外上端面(3)交界处的面积之和为活塞环上端面(3)的周向理论表面积的25%。6.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹腔结构(5)的最大深度为Ιμπι至6μπι;所述微凹腔结构(5)的深度梯度角为10°至45°，所述微凹腔(5)的深度变化趋势是沿着所述活塞环上端面(3)到活塞环下端面(4)逐渐变大。7.根据权利要求6所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹腔结构(5)的深度为4μm;所述微凹腔结构(5)的深度梯度角为30°。8.根据权利要求1所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(6)的深度为2μπι至5μηι，微凹坑结构(6)的半径为50μηι至150μηι。9.根据权利要求8所述的内燃机活塞环，其特征在于，所述微凹坑结构(6)的深度为3μm，微凹坑结构(6)的半径为ΙΟΟμπι。10.—种安装有权利要求1所述活塞环的内燃机，其特征在于，所述内燃机安装有所述活塞环。
【文档编号】F02F5/00GK105909421SQ201610294683
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】尹必峰, 俞升浩, 贾和坤, 符永宏, 华希俊, 董非
【申请人】江苏大学