CN111148924A - 活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活塞环，在与低摩擦气缸套组合的活塞环中，即便在怠速状态那样的内燃机的转速为1000rpm以下的低速旋转时，也可以得到低摩擦气缸套的摩擦降低效果。该活塞环是与在气缸套的内壁面形成有规定的凹部的低摩擦气缸套组合的活塞环，活塞环的表面压力为0.8～2.5MPa。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及内燃机用活塞环，尤其是，涉及与在气缸套的内壁面形成有规定的凹部的低摩擦气缸套组合，即便在内燃机的低速旋转时也可以充分发挥低摩擦气缸套的低摩擦的效果的活塞环。

背景技术

以往，如下的活塞环是已知的，该活塞环组装于内燃机的活塞，无论与哪样的气缸套组合，都可以实现低摩擦以及耗油量的降低。

实现这样的低摩擦以及耗油量的降低的活塞环已知有各种形状，例如，如下述专利文献1所记载的那样，具有如下结构的活塞环是已知的，该活塞环至少在外周滑动面具备母材、形成于母材的硬质的第一层、以及层叠于第一层且与第一层相比为软质的第二层，其中，第一层的表面粗糙度(Ra)为0.7μm以下。

如上所述构成的活塞环的第一层的表面粗糙度(Ra)为0.7μm以下，因此，无论与哪样的气缸套组合，都可以降低摩擦并且抑制耗油量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-36823号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在近年来的内燃机中，以燃料消耗性能的提高、耗油量的降低为目的，减少气缸套与活塞环的接触面积而使两者的摩擦极小化。

该接触面积的减少方法已知有各种方法，例如，使用在气缸套的内壁面的规定位置设置有凹部的低摩擦气缸套是已知的。通过将上述活塞环与低摩擦气缸套组合，除由活塞环的第一层的表面粗糙度(Ra)带来的摩擦降低效果之外，还可以通过由低摩擦气缸套带来的摩擦降低效果来实现进一步的低摩擦化。

但是，本发明人等得到了如下见解：在具备内燃机的汽车正常行驶的转速下，上述摩擦降低效果被确认，但是在停车中的怠速状态等低速旋转的区域中，无法充分得到由低摩擦气缸套带来的摩擦力降低效果。

因此，本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于提供一种活塞环，在与低摩擦气缸套组合的活塞环中，即便在怠速状态那样的内燃机的转速为1000rpm以下的低速旋转时，也可以得到低摩擦气缸套的摩擦降低效果。

用于解决课题的方案

本发明的活塞环是与在气缸套的内壁面形成有规定的凹部的低摩擦气缸套组合的活塞环，其特征在于，活塞环的表面压力为0.8～2.5MPa。

另外，在本发明的活塞环中，优选为，所述活塞环的随动性系数为0.1以上。

另外，在本发明的活塞环中，优选为，所述活塞环的外周滑动面的接触宽度为0.05～0.40mm。

另外，在本发明的活塞环中，优选为，所述活塞环是由螺旋膨胀环(coilexpander)和油环主体构成的两构件式油环。

发明的效果

在本发明的活塞环中，活塞环的表面压力设定为0.8～2.5MPa，因此，表面压力被最优化，即便在内燃机的低速旋转时，也可以发挥由低摩擦气缸套带来的摩擦力降低效果。

另外，本发明的活塞环的随动性系数设定为0.1以上，因此，除摩擦力降低效果之外，还可以实现耗油量的降低。

另外，本发明的活塞环将活塞环的外周滑动面的接触宽度设定为0.05～0.40mm，因此，可以使表面压力进一步最优化。

另外，本发明的活塞环作为由螺旋膨胀环和油环主体构成的两构件式油环，能够最适当地用于柴油发动机。

附图说明

图1(a)是表示本发明的实施方式的活塞环的一例的剖视图，(b)是表示另一例的剖视图。

图2是表示与本发明的实施方式的活塞环组合的气缸套内壁面的凹部的形成位置的一例的说明图。

图3是表示行程中央部区域中的凹部的配置的一例的概略展开图。

图4是说明形成于本发明的气缸的凹部的尺寸位置的概略展开图以及概略剖视图。

图5是表示与本实施方式的活塞环的转速相应的摩擦力比的试验结果。

图6是表示与本实施方式的活塞环的表面压力相应的FMEP比的试验结果。

图7是表示与本实施方式的活塞环的表面压力相应的耗油量的试验结果。

图8是表示本实施方式的活塞环的表面压力与随动性系数的关系的图表。

具体实施方式

以下，使用附图对用于实施本发明的优选实施方式进行说明。需要说明的是，以下的实施方式并不限定各技术方案所涉及的发明，另外，在实施方式中说明的特征的全部组合并不一定是发明的解决手段所必需的。

图1(a)是表示本发明的实施方式的活塞环的一例的剖视图，(b)是表示另一例的剖视图，图2是表示与本发明的实施方式的活塞环组合的气缸套内壁面的凹部的形成位置的一例的说明图，图3是表示行程中央部区域中的凹部的配置的一例的概略展开图，图4是说明形成于本发明的气缸的凹部的尺寸位置的概略展开图以及概略剖视图，图5是表示与本实施方式的活塞环的转速相应的摩擦力比的试验结果，图6是表示与本实施方式的活塞环的表面压力相应的FMEP比的试验结果，图7是表示与本实施方式的活塞环的表面压力相应的耗油量的试验结果，图8是表示本实施方式的活塞环的表面压力与随动性系数之间的关系的图表。

如图1(a)所示，本实施方式的活塞环1是组装于在内燃机的活塞的外周面形成的环槽(未图示)，通过与气缸的内壁滑动接触而将附着于气缸的内壁的多余的发动机油刮落而在气缸的内壁形成适当的油膜的部件。

活塞环1构成为两构件的组合油环，由油环主体2和螺旋膨胀环6构成。油环主体2形成为将在前端形成有外周滑动部突起4、4的两个导轨3、3用柱部5连结的截面大致I字形。螺旋膨胀环6配置于在油环主体2的柱部5的内周面形成的内周槽，对油环主体2向其径向外方推压施力。需要说明的是，在本实施方式的活塞环1的柱部5形成有回油孔7。

并且，本实施方式的活塞环1优选为，形成于油环主体2的两个导轨3、3的外周滑动部突起4、4在轴向上的长度(接触宽度)形成为0.05～0.40mm。

这样，通过使接触宽度为0.05～0.40mm，可以减小油环主体2的与气缸内壁面的滑动面积，由此，可以实现摩擦力的降低，同时可以实现耗油量的降低。

需要说明的是，如图1(b)所示，也可以将外周滑动面的形状设为形成有凸部8、8的台阶形状。

油环主体2优选具备母材11和在母材11的该表面形成的表面处理层10。表面处理层10可以应用活塞环中使用的各种表面处理，例如，优选使用硬质碳覆膜(DLC)、物理蒸镀覆膜(PVD)、氮化处理层、硬质镀铬层等。母材11优选为形成有接缝的平板状的圆环部件。需要说明的是，母材11由钢材、铸铁材料或铝合金等构成，只要显示出良好的耐磨损性，就没有特别限定。作为优选的钢材的例子，油环主体2可以使用13Cr钢。该13Cr钢是指：碳0.6～0.7质量％、硅0.25～0.5质量％、锰0.20～0.50质量％、铬13.0～14.0质量％、钼0.2～0.4质量％、磷0.03质量％以下、硫0.03质量％以下、余量铁及不可避免的杂质的组成。

另外，本实施方式的油环的油环主体2可以使用17Cr钢。该17Cr钢是指：碳0.80～0.95质量％、硅0.35～0.5质量％、锰0.25～0.40质量％、铬17.0～18.0质量％、钼1.00～1.25质量％、钒0.08～0.15质量％、磷0.04质量％以下、硫0.04质量％以下、余量铁及不可避免的杂质的组成。作为其他材料，可以使用8Cr钢、SWRH77B相当材料或SKD61相当材料。

螺旋膨胀环6可以使用相当于SWOSC-V材料的原料，是指：碳0.50～0.60质量％、硅1.20～1.60质量％、锰0.50～0.80质量％、铬0.50～0.80质量％、铜0.12质量％以下、磷0.030质量％以下、硫0.030质量％以下、余量铁及不可避免的杂质的组成。

接着，参照图2至图4，对与本实施方式的活塞环适当地组合的低摩擦气缸套20进行说明。

图2是表示固定于缸主体(未图示)的内壁面的气缸套的、气缸套内壁面的凹部的形成位置的一例的说明图。

如图2所例示的那样，在本形态的气缸套20的内壁面21形成有多个凹部22。该凹部22仅形成于气缸套20的内壁面21中的行程中央部区域23，未形成于该行程中央部区域23以外的区域。行程中央部区域23是从活塞的上止点处的最下方的活塞环的环槽的下表面位置到上述活塞的下止点处的最上方的活塞环的环槽的上表面位置之间的区域。

为了提高使用气缸的装置的能量效率，例如为了提高发动机的燃料消耗，降低活塞环与气缸的内壁面(在本形态中为气缸套的内壁面)的摩擦损失是有效的。摩擦损失的降低方法根据滑动条件而不同，尤其是活塞具有在上止点处速度为0等特征，因此，根据滑动的位置而不同。因此，在构成本形态的气缸的气缸套中，仅在其内壁面的行程中央部区域23形成凹部，并且，在气缸周向的全部截面中，以存在上述多个凹部中的至少一个凹部的方式形成，换言之，以在气缸轴向上重叠的方式形成各凹部，从而能够在行程中央部区域23的全部区域中降低摩擦力。

即，在活塞的移动速度较小的上止点附近以及下止点附近，通过减小气缸套的内壁面的表面粗糙度，从而可以实现往复动摩擦的降低。但是，在气缸套的内壁面与活塞环的滑动速度大的区域即行程中央部区域23，润滑油的剪切阻力的影响变大。因此，在本形态中，通过仅在气缸套的内壁面中的上述行程中央部区域23形成凹部，从而可以减小活塞环与气缸套的内壁面的接触面积，可以降低润滑油的剪切阻力的影响。

另外，在此，当在行程中央部区域23不费事地形成多个凹部的情况下，在整个行程中央部区域23中，活塞环与气缸套的内壁面的接触面积变小，但在微观上，滑动的活塞环的宽度(气缸的轴向上的长度)与行程中央部区域23相比非常短，因此，根据位置的不同，也有可能存在未形成凹部的部分，在该部分，活塞环滑动面与气缸套的内壁面100％接触，有可能无法充分发挥上述效果，但在本形态中，如上所述，在气缸周向的全部截面中，以存在所述多个凹部中的至少一个凹部的方式形成，换言之，以在气缸轴向上重叠的方式形成各凹部，因此，滑动的活塞环始终与凹部接触，其结果是，活塞环与气缸套的内壁面的接触面积不会成为100％，可以始终发挥上述效果。

需要说明的是，当在活塞环滑动的全部区域形成有凹部的情况下，即在行程中央部区域以外的区域也形成有凹部的情况下，在上止点以及下止点的附近，上述接触面积变小而使得接触表面压力增加并成为边界润滑，因此，摩擦力增加。另外，若在这样的部分存在凹部，则会成为不需要的储油部，这也有时会导致燃烧而使耗油量增多。

接着，对在构成本形态的气缸的气缸套的内壁面的行程中央部区域23形成的凹部22进行说明。

在本形态中，形成于行程中央部区域23的凹部22的形状并未特别限定，可以根据该凹部的配置等适当调整。可以形成由直线以及/或者曲线构成的形状的凹部。凹部可以是横向长的形状，也可以是纵向长的形状，也可以是纵横比大致相等的形状。

在此，在本形态的气缸中，其特征在于，在行程中央部区域中的气缸周向的全部截面中形成有至少一个所述凹部。由此，可以有效且平均地减少接触面积。

如上所述，在考虑周向的截面的情况下，如果在某个截面中一个凹部也没有形成，则在活塞环通过该截面时，与通过形成有多个凹部的截面时相比，活塞环与气缸套的内壁面的接触面积变大。因此，润滑油的剪切阻力的影响变大，其结果是，往复动摩擦也变大。

与此相对，通过在行程中央部区域中的气缸周向的全部截面中形成至少一个凹部，不论在活塞环通过行程中央部区域的哪个周向截面的情况下，都能够可靠且平均地减少接触面积，因此，也能够可靠地降低往复动摩擦。

作为本形态的特征即“在气缸周向的全部截面中，形成有多个凹部中的至少一个凹部”的状态的例子，可以列举图3(a)、(b)的情况。

图3(a)是表示上述图2的行程中央部区域23中的、凹部22的配置的一例的概略展开图。在图3(a)中，附图的上下方向是气缸的轴向，附图的左右方向是气缸的周向。如图3(a)所例示的那样，相对于在气缸周向上引出的线X，凹部22a的最低点5a相比最接近其下方的凹部22b的最上点6b位于下侧。另外，相对于在气缸周向上引出的线Y，凹部22b的最低点5b相比最接近其下方的凹部22c的最上点6c位于下方。这样，通过将上下接近的凹部彼此配置成在气缸轴向上重叠，从而可以在气缸周向的全部截面中形成多个凹部中的至少一个凹部。根据以上内容，在活塞往复时，在行程中央部区域中，滑动的活塞环不论在气缸轴向的哪个位置都可以减小与气缸内壁面的接触面积，从而起到往复动摩擦的降低效果。

在此，图3(b)也与图3(a)同样地，是表示上述图2的行程中央部区域23中的、凹部22的配置的一例的概略展开图。在图3(b)中也同样地，附图的上下方向是气缸的轴向，附图的左右方向是气缸的周向。在图3(a)中，凹部22在气缸轴向上以均匀的面积形成，但并不限于该形态，如图3(b)所示，也可以构成为，在气缸轴向的行程中央部区域23的端部附近，减小凹部22的面积，在行程中央部区域23的中央部附近，增大凹部的面积，适当调整即可。

在本形态中，上述凹部的尺寸并未特别限定，可以根据气缸、一起使用的活塞环的尺寸等适当调整。凹部也可以形成为在气缸轴向上贯穿行程中央部区域，但从保持气缸的气密性的观点来看，优选上述凹部在气缸轴向上的平均长度为所使用的活塞环中的、最上方的活塞环在气缸轴向上的长度以下。更具体地说，优选为所使用的活塞环中的、最上方的活塞环在气缸轴向上的长度的5～100％左右。

在本形态中，上述凹部的各平均长度是指图4所例示的各部位的平均长度。图4(a)是气缸套的内壁面的、在附图的上下方向表示气缸轴向的概略展开图。另外，图4(b)是气缸套的、周向上的概略剖视图。如图4(a)所例示的那样，上述凹部的轴向平均长度是指气缸轴向上的凹部22的长度的平均。

另外，如图4(a)所例示的那样，上述凹部22的周向平均长度是指气缸周向上的凹部22的长度的平均。如图4(b)所例示的那样，上述凹部22的周向平均长度是指包含内壁面21在内的面上的长度的平均，关于上述凹部的面积也同样。

另外，如图4(b)所例示的那样，上述凹部22的径向长度是指从凹部22的底面到气缸套20的内壁面21为止的长度的平均。另外，如图4(a)以及(b)所例示的那样，上述凹部之间的气缸周向平均长度(间隔)是指相邻的凹部22的间隔的平均。

凹部的气缸周向平均长度优选在0.1mm～15mm的范围内，特别优选在0.3mm～5mm的范围内。在气缸周向平均长度小于该范围的情况下，有时无法充分得到形成有凹部的效果。另一方面，在周向平均长度超过该范围的情况下，有时活塞环的一部分进入凹部内而产生活塞环变形等不良情况。

凹部的气缸径向平均长度优选在0.1μm～1000μm的范围内，更优选在0.1μm～500μm的范围内，特别优选在0.1μm～50μm的范围内。在凹部的气缸径向平均长度小于该范围的情况下，有时无法充分得到形成有凹部的效果。另一方面，在径向平均长度超过该范围的情况下，加工困难，另外，有时会产生需要加长气缸套的径向长度(加厚壁厚)等不良情况。

在本形态中，相邻的凹部之间的气缸周向平均长度(间隔)优选在0.1～15mm的范围内，特别优选在0.3mm～5mm的范围内。在相邻的凹部之间的气缸周向平均长度(间隔)小于该范围的情况下，活塞环滑动的气缸套的内壁面的宽度过小，活塞环与气缸套的内壁面有可能无法稳定地滑动。另一方面，在超过该范围的情况下，有可能无法充分得到形成有凹部的效果。

本实施方式的活塞环1与上述低摩擦气缸套组合。此时，活塞环1的表面压力W优选设定为0.8～2.5MPa。若像这样设定表面压力W，则在低速旋转时也可以充分得到由低摩擦气缸套带来的摩擦降低效果。需要说明的是，表面压力可以根据(2×活塞环张力)/(缸膛直径×接触宽度)求出，本实施方式的活塞环1以成为比以往的表面压力低的表面压力的方式设定活塞环张力Ft以及接触宽度h1。

另外，本实施方式的活塞环1被设定为活塞环的随动性系数Kp为0.1以上。随动性系数Kp是表示对由内燃机的热膨胀等引起的缸膛变形的随动性的系数，用下式表示。

[式1]

d1：缸膛直径(mm)

h1：环宽度尺寸(mm)

Ft：活塞环张力(N)

a1：环厚度尺寸(mm)

E：弹性系数(N/mm²)

k：截面系数比

这样，通过设定活塞环的随动性系数，可以抑制由随动性系数降低导致的耗油量的增加，可以同时实现使用低摩擦气缸套的低摩擦化和耗油量的抑制。

实施例

接着，参照实施例和比较例对本发明更详细地进行说明。

实施例和比较例使用具有以下结构的活塞环及低摩擦气缸套以及通常的气缸套进行了摩擦系数的测定。

实施例、比较例1以及比较例2使用两构件式油环，作为构成油环主体的13Cr钢，使用具备碳0.65质量％、硅0.38质量％、锰0.35质量％、铬13.50质量％、钼0.3质量％、磷0.01质量％、硫0.01质量％、余量铁及不可避免的杂质的组成的、相当于JIS标准的SUS410材料的材料，在油环主体的整周设置氮化层，将外周滑动面的接触宽度设为0.2mm。

另外，在实施例中，将表面压力设定为1.2MPa(实施例1)、1.8MPa(实施例2)、2.5MPa(实施例3)，组合的气缸套使用低摩擦气缸套。在比较例1中，将表面压力设定为与以往相当的2.8MPa，组合的气缸使用低摩擦气缸套。另外，低摩擦气缸套使用将行程中央部区域设为100时的凹部面积率为50％、凹部的气缸轴向长度为0.5mm、周向长度为0.5mm、气缸径向长度为2μm的气缸套。并且，在比较例2中，将表面压力设为1.8MPa，在比较例3中，将表面压力设为2.5MPa，组合的气缸套使用通常的气缸套。需要说明的是，低摩擦气缸套与通常的气缸套的内壁面的粗糙度相同。

在油环、气缸之间的摩擦系数的测定中使用了公知的单体评价装置。本单体评价装置在通过曲柄机构进行上下运动的活塞顶面经由杆还安装有油环，该杆在上侧也被支承，因此，可以无侧向力的影响地测定油环的摩擦系数。气缸套需要与单体评价装置的行程一致，但油环可以直接使用实机发动机的油环。通过温度、滑动速度的调整，使斯特里贝克指数一致，从而模拟了发动机的滑动环境。

图5中示出通过该单体评价装置得到的代表性的摩擦波形。该试验根据使试验机转速变化而得到的摩擦波形，对活塞最快点处的摩擦系数和该点处的斯特里贝克指数进行计算，作为斯特里贝克线图汇总，并用于解析。

如图5所示，在将表面压力设定得较低并与低摩擦气缸套组合的实施例1的情况下，与同相同的低摩擦气缸套组合而将表面压力设定得较高的比较例1相比，可以确认摩擦系数从低速旋转区域到高速旋转区域降低。另外，在将表面压力设定得较低并与通常的气缸套组合的比较例2以及比较例3与实施例2以及实施例3分别进行比较时，可以确认即便与通常的气缸套组合也无法充分发挥摩擦降低效果。

另外，如图6所示，若确认转速为1000rpm这样的低速旋转时的表面压力与FMEP(机械损失)比，则可以确认如下内容：在组合了通常的气缸套的活塞环的情况下，即便使表面压力变化，摩擦系数也不会出现大的变化，但在组合了低摩擦气缸套的活塞环的情况下，在表面压力超过2.5MPa时，与通常的气缸套相比摩擦系数变大，不能有效地发挥摩擦降低效果。另外，在与低摩擦气缸套组合的情况下，通过将表面压力设定为0.8～2.5MPa，可以确认能够有效地发挥摩擦降低效果。

需要说明的是，在图6中，将表面压力的下限设为0.8MPa，如图7所示，在通常的运转状况下确认耗油量，其结果是，若表面压力低于0.8MPa则耗油量急剧恶化这种情况被确认，因此，将表面压力设定为0.8MPa。

另外，如图8所示，可知：若活塞环的外周滑动面的接触宽度为0.08～0.40mm的情况下的表面压力为0.5～2.5MPa，则能够确保随动性系数为0.10以上，若接触宽度为0.05mm的情况下的表面压力为0.8～2.5MPa，则能够确保随动性系数为0.10以上。另外，在接触宽度小于0.02mm的情况下，需要使表面压力为0.5～2.5MPa，但由于低于上述表面压力的下限而无法进行设计，而且，在接触宽度为0.02～0.04mm的情况下，设计范围也变窄，因此，将接触宽度的下限值设定为0.05mm、将上限值设定为0.40mm。需要说明的是，对图8中的凡例中的“接触宽度：0.02mm×2”的记载而言，如图1(a)、(b)所示，油环在上部导轨和下部导轨分别具有接触宽度，在油环整体的接触宽度的设定中，接触宽度为2倍，因此，采用“接触宽度×2”的记载。

需要说明的是，上述本实施方式的活塞环对应用于两构件式油环的情况进行了说明，但也可以应用于三构件式油环、顶环、第二环。另外，上述本实施方式的活塞环对在油环主体形成有一层表面处理层的情况进行了说明，但也可以不设置表面处理层，也可以层叠多层表面处理层而形成。根据权利要求保护的范围的记载可知，进行了这样的变更或改良的形态也包含在本发明的技术范围内。

附图标记说明

1 活塞环

2 油环主体

3 导轨

4 滑动部突起

5 柱部

6 螺旋膨胀环

7 回油孔

8 凸部

10 表面处理层

11 母材

20 低摩擦气缸套

21 内壁面

22 凹部

23 行程中央部区域

Claims (4)

1.一种活塞环，与在气缸套的内壁面形成有规定的凹部的低摩擦气缸套组合，其特征在于，

活塞环的表面压力为0.8～2.5MPa。

2.如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，

所述活塞环的随动性系数为0.1以上。

3.如权利要求1或2所述的活塞环，其特征在于，

所述活塞环的外周滑动面的接触宽度为0.05～0.40mm。

4.如权利要求1～3中任一项所述的活塞环，其特征在于，

所述活塞环是由螺旋膨胀环和油环主体构成的两构件式油环。

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