CN107709743A - 活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种往复活塞式内燃机的活塞环，所述活塞环包括环形主体，该环形主体具有开口接合部、径向外工作面、径向内周向面、两个轴向相对的侧面；位于所述工作面上的至少部分涂层(B)；以及位于所述工作面的下部区域中的周向凹部(A)，所述凹部在接合区域(C)的外侧终止。工作面具有冠状轮廓，所述冠状轮廓具有布置在活塞环的轴向高度h的55％至80％的高度h2处的枢转点。
Description
技术领域
本发明涉及一种改进的往复式内燃机的活塞环，特别是具有优化设计的顶环。
背景技术
由于引擎在顶环上产生的压力负载，并考虑到在点火压力下的活塞偏转，在活塞槽上和活塞环侧面上出现了轴向磨损。磨损图案的特征在于外径的磨损增加。这里活塞环和气缸表面之间的接触点进一步移动到工作面的上部区域。由于流体动力影响，在向下的移动中，顶环的刮擦动作减小(刮擦边缘提升离开气缸壁)，润滑油留在气缸壁上，并且油耗增加。
现有技术在活塞环的工作面上是不对称的冠状或微小的形状。这些活塞环的顶点(也称为枢转点)的位置在ISO6623：2004中被定义，并且这些活塞环的顶点的位置位于活塞环重心的下方：顶点距顶部侧面的距离大于活塞环的高度的一半，或者换句话说顶点位于活塞环的竖直中心的下方。
发明内容
根据本发明，往复式内燃机的活塞环具有权利要求1的特征；优选的实施方式在从属权利要求中限定。
根据本发明的第一方面，提供了一种往复式内燃机的活塞环，所述活塞环包括：
-环形主体，所述环形主体具有开口接合部、径向外工作面，径向内周向面以及两个轴向相对的侧面；
-位于所述工作面上的至少部分涂层；以及
-位于所述工作面的下部区域中的周向凹部，所述周向凹部在接合区域的外侧终止；
其中，所述工作面具有冠状轮廓，所述冠状轮廓具有布置在所述活塞环的轴向高度的55％至80％处的枢转点。
因此，枢转点位于活塞环的中心(沿轴向方向)上方。通过顶点位置或枢转点位置在上环形侧面(顶侧面)方向上的这种特定位移，与已知的具有位于中心下方的枢转点的活塞环相比，可以实现外径上的活塞环的下侧面上的负载的减小。由于在引擎运转期间作用在活塞环上的力，引起了顺时针的旋转，而常规的具有位于中心下方的枢转点的活塞环具有沿逆时针方向旋转的趋势。因此，本发明的活塞环实现了改进的剥油作用和减少的磨损。
为了避免在顶点下面累积将剥油边缘从气缸壁抬起的流体动压力，提供了周向凹部形式的特定形状。为了保持尽可能低的漏气损失，凹部在接合部前方一定距离处终止，使得在接合区域处没有凹部。
根据一个实施方式，在每种情况下，所述接合区域从所述接合部向外延伸到所述活塞环的周向长度的0.003％至0.2％的范围。或者换句话说，凹部从接合部对应于活塞环的周向长度的0.003％至0.2％的距离处开始。
根据一个实施方式，冠状的工作面轮廓的所述枢转点布置在所述活塞环的所述轴向高度h的60％至70％处。该实施方式特别适用于具有小的轴向高度(略小于3mm)的活塞环。
根据一个实施方式，径向内部的所述周向面相对于轴向中心具有基本对称的轮廓。在一个简单的实施方式中，内周向面的截面图基本上是平坦的。
根据一个实施方式，环的轴向高度至少为3mm。
根据一个实施方式，凹部的径向深度朝向接合区域截止。
根据一个实施方式，工作面上的涂层(B)覆盖或显示枢转点。因此，活塞环在施加到顶点的涂层上与顶点接触，或者可替选地与在那里暴露出气缸工作面的主体接触。可以物理或电镀施加涂层。
附图说明
图1以截面图示出了常规的活塞环；
图2以截面图示意性地示出了根据本发明的活塞环的第一实施方式；
图3以截面图示出了根据本发明的活塞环的第一区域；
图4以截面图示出了根据本发明的活塞环的第二区域；
图5以截面图示出了根据本发明的活塞环的另一实施方式的第一区域；
图6以截面图示出了图5的活塞环的第二区域；以及
图7示出了根据本发明的活塞环的接合区域的平面图。
具体实施方式
图1以截面图视图示出了根据已知的现有技术的常规活塞环。示出的情况是在涉及的引擎的动力冲程中活塞向下运动的期间。力F1由主要位于活塞环的外径处的燃烧气体的作用产生。这在逆时针方向上产生了力矩M1。
由燃料燃烧产生的气体力F2施加在活塞环后面，即径向内部的周向面上。从物理角度来看，表面力在具有平坦的内表面的轴向环的高度的质心上用作单一的力(参见F2)，即大致在轴向环的高度的中心。也是由燃烧气体引起的另一个力F3施加在活塞环的内径上并产生逆时针方向上的力矩M3。
在现有技术中，由于枢转点的位置位于下部区域中，反作用力(参见F4)施加在质心X5的下方；这导致逆时针方向上的力矩M5，并且另外将反作用力Fk施加到与下活塞槽接触的点处的活塞环。这导致活塞槽和活塞环的外径上的侧面磨损增加。
由于逆时针方向上的力矩M5，一方面在燃烧室方向上产生有效顶点的由引擎引起的位移，另一方面刮擦器边缘从气缸壁抬起。因此，活塞环的剥油(oil stripping)作用减小，剩余的未剥离的油膜变厚。残留在燃烧室中的油在燃烧循环期间燃烧，这导致油耗增加、废气参数恶化的结果。
因此，总之，常规活塞环的缺点在于活塞环上的较高的负载、增加的磨损和增加的油耗。
图2以截面图示出了根据本发明的活塞环的第一实施方式。通过本发明的顶点位置或枢转点位置在上环形侧面(顶侧面)方向上的特定位移，实现了外径上的活塞环的下侧面上的负载的减小。这里的枢转点位于工作面的中心的上方。
如图1的常规活塞环中，力F1主要地持续作用于活塞环的外径，并且在逆时针方向上产生力矩M1。同样地，与气体力F3被施加在下环内径处的方式相同，气体力F2在此被施加在环内表面的中心处。
然而，与图1中的情况相反，由于枢转点移位到活塞环的上半部分，因此这里反作用力F4被施加在工作面的中心上方。这导致在顺时针方向上的关于质心X5的力矩M5U。因此，由于反作用力Fk的减小，下活塞环侧面上的磨损和相邻的下活塞环槽上的磨损得到了减小。
此外，由此防止了活塞环的剥离边缘从气缸内表面抬起并减少剥油作用。因此，与具有逆时针方向的旋转的常规活塞环相反，在运行时间内的油耗得到了减少。
然而，由于活塞环的剥油边缘不会从气缸内表面抬起，所以，由于在剥离边缘上积聚油O，会累积流体动压力(参见图1的情况)，这反过来会产生逆时针方向的力矩。因此，根据本发明，提供了特定的形状以避免这种效应。在根据本发明的活塞环的情况下，如图2中可以看到的，在工作面的下部区域中设置有周向凹部。
然而，由于这将越来越导致漏气在接合部通过，所以根据本发明，该凹部在接合部之前已经截止，或者转变成常规的非凹入的形状直到接合部。这在以下的附图中示出。
图3以截面图示出了根据本发明的活塞环的第一区域；这里采用位于接合区域外侧的区域的形式，例如与接合部相对的环形后部区域。在该区域设置有凹部A。在这种情况下，凹部A应该具有工作面上的轴向环高度的20％到40％的尺寸。然而，凹部A具有轴向环高度的10％到60％的值也是可能的。在工作面上是电沉积或物理沉积的涂层B(其在图2中未单独示出)。在该实施方式中，顶点本身不被涂层覆盖，但是在替选实施方式中(例如，参见图5和图6)，涂层也可以在顶点上延伸。
理想地，顶点(施加F4的位置)应该在轴向环高度h的60％至70％的高度h2的范围内(h2＝h的60％至70％)，但是在轴向环高度h的55％至80％的范围内也是可能的，特别是对于大于3mm的环高度。因此，顶点位于质心S的上方。
图4以截面图示出了根据本发明的活塞环的第二区域。这是位于接合区域内的区域。为了使漏气的逸出最小化，凹部A(这里用虚线示出)在接合区域之前已经截止，也就是说，示出的活塞环的截面图已经以常规的非凹入的形状到达了接合区域。
图5和图6示出了图3和图4中示出的实施方式的替选实施方式。与图3和图4中示出的实施方式相偏离，该实施方式中的顶点被涂层覆盖，即，顶点位于涂层中或者通过涂层进行顶点与气缸工作面的接触，而在图3和图4的实施方式中，在顶点处，暴露的主体与气缸工作面接触。
图7以根据本发明的活塞环的接合区域的平面图示出了在一个实施方式中可以如何设计凹部的截止。根据本发明，在接合部本身以及紧邻的区域C中，在下工作面区域中不存在凹部。凹部仅在距离接合部一段距离处开始。在接合区域和完全凹入区域之间的过渡区域中，深度以连续轮廓增加或减小，可以根据需要设计其陡度和/或圆度。
Claims (7)
1.一种往复式内燃机的活塞环，包括：
-环形主体，所述环形主体具有开口接合部、径向外工作面、径向内周向面以及两个轴向相对的侧面；
-位于所述工作面上的至少部分涂层(B)；以及
-位于所述工作面的下部区域中的周向凹部(A)，所述周向凹部(A)在接合区域(C)的外侧终止；其中，
所述工作面具有冠状轮廓，所述冠状轮廓具有布置在所述活塞环的轴向高度h的55％至80％的高度h2处的枢转点，并且其中，
所述工作面上的所述凹部(A)具有所述活塞环的所述轴向高度h的20％至40％的尺寸。
2.根据权利要求1所述的活塞环，其中，
在每种情况下，所述接合区域(C)从所述接合部延伸到所述活塞环的周向长度的0.003％至0.2％的范围。
3.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，
冠状轮廓的所述工作面的所述枢转点布置在所述活塞环的所述轴向高度h的60％至70％处。
4.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，
所述径向内周向面相对于轴向中心具有基本对称的轮廓。
5.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，
所述活塞环的所述轴向高度h至少为3mm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，
所述凹部(A)的径向深度朝向所述接合区域截止。
7.根据前述权利要求中任一项所述的活塞环，其中，
所述工作面上的所述涂层(B)覆盖或显示所述枢转点。
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