CN105452736B - 活塞圈和用于制造活塞圈的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种活塞圈,其用于使用在内燃机或者压缩机的活塞中,所述活塞圈具有大致环形形状,所述环形形状限定了面向凹槽的内表面(2)、面向燃烧室以及大致与内表面(2)成直角的上表面(3)以及大致对置于第二表面(3)的下表面(4),绝热涂层(P)至少设置在内表面、上表面或者下表面(2、3、4)的一部分上。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞圈,尤其旨在使用于内燃机或者压缩机中,设置有施加至圈的至少一部分表面面积的热障,从而降低圈的温度并且按照推论在部分的端部(末端)引起较少的磨损。
本发明还涉及一种用于制造该活塞圈的方法。
背景技术
活塞圈充当桥,用于传递活塞和气缸衬套之间的热,从活塞圈,热通过翼片散失或者被传递至存在于冷却通道中的水。
来源于空气燃料混合物的***的热引起活塞圈膨胀。由于圈充当“桥”来传导活塞和块之间的热,在圈的内部部分中热(因而温度)最大,使得其膨胀多于外部部分。该膨胀差越大,热梯度越大。沿着圈的径向线不同的膨胀具有的效应是,由其接触气缸壁的自由端部(末端)施加的径向压力过度增加,不期望地增加在该点处圈的磨损率。
在自由端部处的磨损对圈的性能具有的有害效应是关于密封燃烧室和/或控制油膜以及使得有必要维持此在可接受水平的技术。在该方案中,与本发明相反,到目前为止,大多数可替换方案依赖旧范式,根据旧范式,自由端部处的磨损通过应用更加高度发展的涂层和/或通过调节圈的几何格式以这种方式被处理而使得相当大地降低由圈的自由端部施加的径向压力。
日本专利文献JP2008-057671公开了一种活塞圈,该活塞圈设置有内周部分,内周部分由热膨胀系数低于形成圈的其他部分的材料制成。以该方式由圈的不同部分施加的径向压力被协调而独立于发动机的操作条件。
德国专利文献DE102007029992涉及一种活塞圈,在该活塞圈中自由端部包括热膨胀系数低于圈的剩余部分的材料,确保膨胀,因此径向压力在该区域中较少增加。其结果是,相比于常规圈在自由端部处的磨损较小。
日本专利文献JP2008-069884涉及一种用于控制油膜的组合式活塞圈,这确保在任何操作温度下的良好性能。为此,该圈包括定位于膨胀元件内部的冷却元件C,膨胀元件吸收热并且因此降低得到的圈的径向变形,尤其在自由端部。
专利文献WO2008/016010涉及一种活塞圈,施加至该活塞圈的应力在低温度低负荷条件以及高负荷高温度条件之间变化而使得最小化摩擦损失并且增加发动机性能(较少燃料消耗)。为了实现此,圈由钛钽形状记忆合金制成,该合金包括钽的比例不小于30%摩尔比并且小于40%摩尔比,剩余物为钛和不可避免的杂质。
专利文献WO2008/016009涉及一种活塞圈,在该活塞圈中施加的应力在低温度低负荷条件以及高负荷高温度条件之间变化而使得最小化摩擦损失并且增加发动机效率(较少燃料消耗)。根据该文献这是通过形状记忆合金而实现的,该合金包括34.7至48.5%摩尔比的镍、9至22.5%摩尔比的元素锆或铪以及1至30%摩尔比的铌,剩余物为钛和不可避免的杂质。
专利文献WO2009/069703涉及一种活塞圈和气缸衬套的组合,该组合满足多个硬度以及表面抛光条件,使得圈的线性膨胀匹配气缸的线性膨胀,因而确保整体的耐久性。
专利文献WO2009/069762涉及一种用于制造活塞圈的钢以及用其制造的活塞圈,该钢确保热膨胀系数非常类似于铝气缸衬套的热膨胀系数,使得能够在铝衬套中使用该圈具有涉及密封的良好结果。产品(圈)包括(以质量计)0.01%至1.9%的碳、0.01%至1.9%的硅以及5.0%至24.0%的锰,剩余物为铁和不可避免的杂质。除了这些,除了上述必要元件圈包括18.0%或者更少铬、和/或12.0%或者更少镍。除了此,产品可以包含1%或者更少铝、和/或0.3%或者更少氮,以及高达4.0%百分比的铌、钛、锆、钼以及铜中的一种或多种元素。
德国专利文献DE102007035502涉及一种具有抗磨损涂层的活塞圈,该涂层由传热性为至少180W/(m.K)的材料形成,在该活塞圈中至少5%体积的涂层包括氮化铝。
日本专利文献JP4008327涉及一种在树脂圈的顶部包括外部金属圈的活塞圈。树脂圈的作用为降低/控制圈的热膨胀,维持从发动机的冷却开始直到以高转速操作热膨胀处于可接受的值。
日本专利文献JP2004-340075涉及一种刮油器类型活塞圈,在两个部分中包括两个膨胀圈,每个由特定材料形成,一个形状记忆合金具有的热膨胀系数不同于另一个的热膨胀系数。以该方式控制圈的热膨胀的百分比在不同的电动机操作情形下实现。
日本专利文献JP2003-042294涉及一种碳涂层施加至其的活塞圈,除了起作用为抗磨膜,该活塞圈具有的热膨胀系数大于或者等于[15x10-6/℃]。以该方式关于热膨胀圈的合适的行为实现。
日本专利文献JP2004-156472包括一种油圈,在三个部分中设置有包括焊接于一起的两个构件的间隔件,其中第二构件包括的材料具有的热膨胀系数大于包括第一构件的材料的热膨胀系数。以该方式得到的圈在不同的发动机操作情形下具有良好性能。
最后,美国专利文献US2011/0312860涉及一种涂层,该涂层用于覆盖受到磨损以及高操作温度的部件,诸如气体涡轮和活塞圈的部分。除了抵抗操作磨耗,该涂层还充当热障以最小化高温度操作情形下性能的损失。
以通用方式描述,公开于US2011/0312860的涂层包括硬陶瓷相位、具有粘着剂功能的金属相位以及包括多组分氧化的润滑相位。不过,在该文献的说明书中不存在关于为了降低发生在其已经施加至的机械部件中的热膨胀对涂层属性的讨论。
正如将看见的,在用于内燃机的活塞圈的领域陈述的非常有代表性文献中,上述领域陈述的所有文献是基于较早的范式,在该范式中部分的材料被更改,使得热膨胀值落入期望参数内,并且它们都没有清楚地讨论作为热障起作用为更大或者更小程度的热涂层的使用。
还没有涉及活塞圈以降低圈的径向膨胀,主要在末端区域,从而增加圈的服务寿命以及最小化应用特定涂层的需要,特定涂层在与气缸的接触表面更耐磨损,通过应用额外热涂层(除了存在于该类型部件中的抗磨损涂层)于从气体或者活塞的最热部分至圈(诸如圈和活塞之间的接触面)存在热传递的地方。
发明内容
本发明的目的是一种活塞圈,其特别旨在使用于设置有热障的内燃机或者压缩机,热障应用至靠近圈(末端)中的间隙的横向端部之一的至少内部部分和/或上部部分和/或下表面,引起在该区域中降低圈的温度,按照推论引起较少的磨损。
本发明的另一目的是用于制造上述活塞圈的方法。
本发明的目的是通过用于使用在内燃机或者压缩机的活塞上的活塞圈而实现的,活塞圈具有大致环形形状,该形状限定了面向凹槽的内表面、面向燃烧室并且大致与内表面成直角的上表面以及大致对置于第二表面的下表面,在第二表面中热绝缘涂层设置在内表面、上表面或者下表面的至少一部分上。
因而本发明的目的是通过用于制造描述在前述段落中的活塞圈的方法而实现的,该方法包括:应用热绝缘涂层至圈的内表面、上表面或者下表面的至少一部分表面面积。
附图说明
下文将基于图示于附图的实施例更详细描述本发明。附图示出了:
图1是根据现有技术在一个其自由端部附近活塞圈的透视立体图。
图2是根据本发明在一个其自由端部附近活塞圈的可能实施例的透视立体图。
图3是根据现有技术的圈在测试中的照片,该测试应用热梯度以及在0℃温度下其对改变圈的几何形状的效应。
图4是根据现有技术的圈在测试中的照片,该测试应用热梯度以及在80℃温度下其对改变圈的几何形状的效应。
图5是图示出应用图3和图4的热梯度的测试中获得的值以及其对改变圈的几何形状的效应的图,因此相对于现有技术的圈密封末端处的间隙。
图6是图示出在其周边径向温度梯度对圈接触压力的效应的图。
图7是由于温度梯度,应用至活塞圈的自由端部的弯折转矩的图表。
图8是对于0℃的温度梯度,施加在圈的外表面上的压力的图表。
图9是对于20℃的温度梯度,施加在圈的外表面上的压力的图表。
图10是对于30℃的温度梯度,施加在圈的外表面上的压力的图表。
图11是根据本发明活塞圈的立体图。
具体实施方式
本领域技术人员知道,当装备有活塞圈的内燃机在操作中时活塞圈的热膨胀是不可避免的,活塞圈的热膨胀改变施加在其自由端部的径向压力的值为更大或者更小程度。
如果达到或者超过给定最大值(给定设计参数),该径向压力的值的过度增加会在圈的自由端部过早地磨损涂层,从而降低其关于压缩值和/或维持油膜在气缸壁的那部分的效率。
发生这是因为活塞圈作为桥的操作用于传递活塞和气缸套之间的热,热从活塞圈通过翼片或者通过传递通过存在于通道中的水而被散失,其结果是热(因而温度)在圈的内部部分最大,使得内部部分膨胀多于外部部分。热具有的效应是活塞圈膨胀,并且该膨胀越大,热梯度越大。圈的膨胀引起接触气缸壁的其自由端部(末端)施加的径向压力过度增加,从而不期望地增加在这些位置处圈的磨损率。
在自由端部处的磨损对圈的性能具有的有害效应为关于密封燃烧室和/或控制油膜,有必要设计维持磨损在可接受水平的技术。在该方案中,与本发明相反,大多数可替换方案使用旧的范式,在旧的范式中部分的材料被更改,使得热膨胀值保持在期望参数内。
从根据标准SAE831283测试的性能间接证明了该问题,在该标准中在末端区域不接触(创建了间隙-末端径向间隙)的任何圈承受不同的热梯度。热梯度越大,间隙越小,这能够从图3和图4的比较检查看到。
图5图示出的图示出了当温度梯度增加时在测试中间隙相当大的降低。
图6示出了,对应于对活塞圈沿着其外周的径向接触压力的值,温度梯度的效应的模拟的图。在该图中,其中圈(末端)的自由端部被认为是0°测量,能够清楚地看到的是,当热梯度为0℃时在间隙(0°)区域中接触力的值为零,当梯度增加至20℃、30℃或者当梯度被维持在40℃时接触力的值相当大地增加。
在方案中图8至图10示出了在每个热梯度的圈的主体内图6中的图的值。比较地审查附图,将清楚地看到,随着热梯度的增加,在间隙位置A(0°)处施加至圈的外表面上的压力的增加。
由于该情形是烦人的以及不可避免的,因此申请人已经发现新的设计以及设计范式来解决该问题。不是改变末端区域的涂层或者改变沿着圈的主体的基本材料以降低末端附近的压力,申请人已经设计了下述完全新的、创造性的以及有效的方案。
实质上,根据本发明已经设计的活塞圈1被使用于内燃机或者压缩机的活塞中的凹槽(未图示)并且图示于图2的位置,活塞圈1包括面向凹槽的内表面2、大致面向燃烧室以及大致与内表面2成直角的上表面3以及是大致对置于上表面3的下表面4。
此外,关于其几何学描述,圈1具有大致环形形状并且限定两个自由端部之间的间隙A,每个自由端部限定了相应的横向终端表面S,如图11图示的。
优选地,圈1是压缩圈(或者在第一凹槽中的圈)并且还包括外表面5,外表面5大致对置于内表面2并且面向气缸衬套。在大多数应用中外表面5接收抗磨耗保护涂层,假设接触衬套百万周期后其将磨损。
显而易见地,圈1可以具有其他构造,诸如具有在第二凹槽中的圈、活塞压缩机或者任何其他构造中的圈。
在圈A中间隙的区域中,每个自由端部限定了提到的终端横向表面S,实质上终端横向表面S对应于部分的横向截面的轮廓。
无论其特定构造是什么,以及无论用于制造其的基本材料是什么,根据本发明圈1的实质特性是这样的事实:邻近其自由端部(末端)的区域的至少部分表面设置有热绝缘层P的层。对其进行更详细地描述,热绝缘涂层P的层设置在内表面和/或上表面和/或下表面2、3、4的至少部分表面面积中。
此外,不管其特定构造,以及无论用于制造其的基本材料是什么,根据本发明圈1的可选特性是,热绝缘涂层P的层设置在至少一个终端横向表面S上。
可以存在变型的非限制构造,在该构造中,热绝缘涂层P的层设置在内表面2的至少部分表面上,设置在内表面2的至少部分表面上以及上表面3的至少部分表面上,或者仅设置在至少一个终端横向表面S上,以及这三个可能性的其他可能的组合。
涂层P的主要特性是其是隔热的,以防止源自于因空气燃料混合物的***引起的燃烧气体的热引起圈的高热梯度,从而导致施加在圈的外表面上的压力在间隙的位置增加至引起圈的那部分更加速磨损的程度。
优选但不是限制性的,涂层P包括的材料通常公知为YSZ或者钇稳定的氧化锆。YSZ是基于氧化锆的陶瓷,在该应用中氧化锆提供良好性能,其中通过添加氧化钇(Y2O3,公知为氧化钇)氧化锆的晶体结构(ZrO2,公知为氧化锆)在周围环境温度保持稳定。
可替换地但不以任何限制性方式,必须使用必要的或者期望的其他陶瓷材料,诸如与钙、镁、铈、铪或者铝稳定的氧化锆。可替换地,局部稳定的氧化锆被本领域技术人员公知为PSZ(局部稳定氧化锆),或者可以使用甚至其他类型的材料(可以是或者不是聚合物),所有这些都包括在附随的权利要求保护的范围内。
不管其具体成分,涂层P可以依靠任何方法而被应用,诸如用于应用于任何涂层的方法,呈涂料形式或者任何其他形式。
涂层P可以应用至内表面2的一部分(或者所有)以防止来自燃烧气体的任何热的传递,可以应用至上表面3的一部分以为了相同目的,在活塞中的凹槽具有的温度高于圈的温度的情形下,可以应用至下表面4的一部分。
应用涂层P至内表面2和/或上表面3和/或下表面4和/或终端横向表面S将反射存在于那里的热,从而防止热被圈的主体吸收,在邻近圈的自由端部(末端)的区域中这尤其重要。以该方式热梯度降低,结果,在间隙的位置,不存在施加至圈的外表面上的压力的不期望增加。
当应用时,涂层P被应用至内表面2以降低来自于空气燃料混合物的热气体的热传递至活塞圈。当涂层P被用于上表面3时能够实现相同目的,上表面3面向燃烧室因此至少部分地接触热气体。
最终,在活塞中的凹槽具有的温度高于圈的温度的情形下,涂层P可以应用至下表面4,因此热绝缘对降低圈中的温度梯度是有用的。
通过根据本发明设计的活塞圈1,几乎不存在任何降低剥落的现象,但是由于降低了圈的温度所以降低了磨损,圈温度的降低还起作用于降低活塞凹槽的磨损。除此之外,还降低了气缸壁的磨损以及降低了润滑油的作业温度,从而降低其恶化率。
本发明还是新颖的以及吸引之处在于,用于制造该活塞圈1的方法,该方法包括应用热绝缘涂层P至圈的内表面和/或上表面和/或下表面2、3、4的至少一部分表面的阶段。
优选地或者可能的,方法还包括应用热绝缘涂层P至一个终端横向表面S的至少一部分表面的阶段。
现在已经描述了优选实施例,应该理解的是,本发明的范围覆盖了其他可能的变型,仅限于包括可能等同结构的附随权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种活塞圈,其用于使用在内燃机或者压缩机的活塞中,所述活塞圈具有大致环形形状,所述环形形状限定了面向凹槽的内表面(2)、面向燃烧室以及大致与所述内表面(2)成直角的上表面(3)以及大致对置于上表面(3)的下表面(4),所述活塞圈的特征在于,热绝缘涂层(P)至少设置在所述内表面(2)、所述上表面(3)或者所述下表面(4)的一部分上;
形成间隙(A),从而创建两个自由端部,每个所述自由端部限定相应的终端横向表面(S),所述热绝缘涂层(P)的层至少设置在一个所述终端横向表面(S)的一部分表面上。
2.根据权利要求1所述的活塞圈,其特征在于,所述热绝缘涂层(P)的层是陶瓷涂层。
3.根据权利要求2所述的活塞圈,其特征在于,所述热绝缘涂层(P)的层是包括稳定氧化锆的陶瓷涂层。
4.根据权利要求3所述的活塞圈,其特征在于,所述热绝缘涂层(P)的层是陶瓷YSZ涂层。
5.一种用于制造权利要求1至4中任一项限定的活塞圈的方法,其特征在于,所述方法包括应用热绝缘涂层(P)至所述活塞圈的内表面(2)、上表面(3)或者下表面(4)的至少一部分表面上的阶段。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述方法包括应用热绝缘涂层(P)至所述圈的一个所述终端横向表面(S)的至少一部分表面上的额外阶段。
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