[发明专利]活塞圈

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于使用在内燃机上的活塞圈，更尤其涉及一种设置有金属基底的圈，其中，其端部的外部部分接收随后施加的两个层以提供较大耐磨性。

背景技术

一般而言，每个内燃机无论其在2冲程或者4冲程中以狄塞尔循环还是奥托循环操作，均包括至少一个具有其相应圈的活塞。

活塞圈是执行密封发动机套筒和活塞之间的空间、隔离其他内部发动机部件与燃烧室的功能的零件。该元件径向布置在活塞顶部，防止燃烧气体朝向曲柄箱体逃出燃烧室并且防止发动机油在反向方向上渗透燃烧室。存在多于一个围绕单个活塞的活塞圈，使用平行布置在活塞顶部的三个圈是很常见的。

通常，现有技术的活塞圈10'包括两个端部4'之间的开口，甚至当它们安装在活塞上并且被气缸限制时，正如此文献的图1所示。在其他功能之中，在绕着活塞(图中未示出)安装现有技术的活塞圈10'期间开口是有用的。开口提供了访问至构造为打开圈10'的工具，从而扩大其内径超出活塞的外部径向限制，因而能够使其访问至圈凹槽，即，凹槽在收纳圈的活塞的外面。

总之，活塞圈应该具有良好的密封能力，为了在发动机的整个寿命中保证该特性，活塞圈应该呈现适当的机械稳定性、断裂强度，还应该相对于其摩擦对呈现适当的耐磨性，摩擦对即用于其接触面的气缸和用于其侧接触面的活塞凹槽。侧面以及接触面的过度磨损最终引起燃烧室的密封主要功能的退化，并且导致发动机的功能条件突然退化。

对活塞圈的磨损提供解决方案的许多努力已经导致开发了涂层和表面处置，它们给予更好耐磨性，同时直接影响发动机的耐久性。

而且，还公知的是，活塞圈的设计(也即，其三维几何学形式)能够通过控制活塞圈的磨损并且提供适当的压力分配来贡献于发动机的较长使用寿命，因而提供沿着活塞圈的周表面或者功能表面的较大磨损同质性。

在活塞圈、尤其压缩圈(或者第一凹槽圈)的磨损方面，部件的最受影响零件是接触气缸的圈表面的区域。整个该接触表面(下文称为外径向面)存在承受甚至比该外径向面承受的平均磨损更大的磨损的指定部分：靠近圈端部的区域(称为关键区域11见图4)。尤其是，由于三个主要因素，这增加了磨损，三个主要因素即：制造圈的处理、发动机的机械加载、以及在发动机的操作期间应用至该圈的加热条件。

考虑到目前发动机在环境影响和输出方面承受更高需求，所有发动机部件应该执行它们的功能，但是以要求更高的方式，由于更严格的作业条件或者在操作之后积聚在部件上的更低水平的最终破坏，在本文的内容中活塞圈也不例外。在这方面，需要延长活塞圈的使用寿命，更尤其在端部区域。该磨损特别标记在重型柴油机发动机(HDD)中。

使用在现有技术中以给予这些零件较大表面阻力的一种表面处置操作是物理气相沉积处理，例如，其能够在周表面上沉积大约30微米的氮化铬层，该周表面接触包括圈10'的端部区域4'的气缸。

文献US2004056425提出了一种现有技术，该现有技术提议尝试解决磨损活塞圈端部的问题，该文献描述了低成本的圈制造方法并且提供了用于端部的磨损的对抗措施。在该技术中，膜沉积至外表面或者滑动表面，此处在端部区域处的膜厚度(顶点)大于相邻区域(见图1)的膜厚度。能够通过物理气相沉积(PVD/DFV)或者通过化学气相沉积(CVP/DQV)施加涂层，其中，为了保证在端部的较大涂层厚度，端部区域比圈的剩余区域暴露地更长。

但是，应该注意的是，PVD/CVD处理在涂层的最终厚度方面具有较大限制。虽然存在参考具有较大厚度的涂层的一些情况，但是，通常，厚度不大于30微米。无论如何，因为由于厚度涂层承受增加的张力，所以较厚涂层将具有较差性能，还损失层的材料的属性，当人们获得厚度大于30cm的层时该层会妨碍耐磨性。而且，虽然文献提到采用低成本的处理，但是公知的是，PVD/CVD处理相对昂贵，并且显然的是厚度越大对最终价格的影响越大。

为解决在活塞圈的端部区域过度磨损的问题还进行了其他尝试。这种解决方案能够发现在文献JP2000120866、DE102008035148、US2010090416和US200204107中，这些文献提到几何学关系，所用的观点是减小在作业条件期间在活塞圈的端部中的接触压力面积，考虑的这些解决方案能够在活塞圈的所述端部区域降低磨损。

虽然该理论看起来具有合理的技术基础，但是，公知的是，这种途经不能解决在圈端部高磨损的问题。换句话说，利用PVD/CVD涂层强加于圈的基底材料的解决方案是使用几何学途经的解决方案。

发明内容