压缩环的制作方法

1.本发明涉及一种压缩环。


背景技术：

2.普通汽车所搭载的内燃机(发动机)采用将组合了包括顶环和第二环的两个压缩环(压力环)、和一个油环的三个活塞环设在装接于气缸的活塞的构成。这三个活塞环从上侧(燃烧室侧)起，按顶环、第二环、油环的顺序装接于形成于活塞的外周面的环槽，并在气缸内壁面上滑动。离燃烧室最远的油环具有：通过将附着在气缸内壁面上的多余的机油(润滑油)向曲柄侧刮落来抑制油向燃烧室侧的流出(油上升)的油封功能、通过调整油量以使润滑油膜适当地保持在气缸内壁面上来防止伴随内燃机的运转的活塞的烧结的功能。压缩环具有：通过保持气密来抑制燃烧气体从燃烧室侧流出到曲柄室侧(窜漏)的气封功能、通过刮落油环未刮落的多余的油来抑制油上升的油封功能。通过这样的活塞环的组合，实现了内燃机中的窜漏的减少和油耗的降低。
3.在假定在高转速区域中使用的四轮轿车用的内燃机中，为了降低顶环的外周面与气缸内壁之间产生的摩擦(friction：摩擦)、降低内燃机的摩擦损失，主要采用了具有上下对称的筒形形状的外周面的顶环。与此相关，专利文献1公开了在具有筒形形状的外周面的顶环中使外周面的上下中央部分的曲率半径比其两侧部分的曲率半径大。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本实开昭64－8553号公报
7.专利文献2：日本实公昭53－22680号公报
8.专利文献3：日本特开2005－273583号公报
9.专利文献4：日本实开平2－98262号公报
10.专利文献5：日本特开2002－39384号公报


技术实现要素：

11.发明所要解决的问题
12.近年，内燃机的混合动力化、增程器用的内燃机的开发正在推进。这些内燃机经常在反复停止/起动的同时间歇地运转。因此，油温难以上升，与以往的内燃机相比，大多在油的粘度高的状态下运转。因此，活塞环的性能要求即使在这样的条件下也降低与气缸内壁之间产生的摩擦(friction：摩擦)、降低内燃机的摩擦损失。
13.在油的粘度变大的低油温的状况下，为了降低气缸内壁与环外周面之间的油膜较厚的流体润滑区域中的摩擦，减小气缸内壁与环外周面的接触面积、减小油膜的剪切阻力是有效的。因此，在具有筒形形状的外周面的顶环的情况下，通过减小外周面的曲率半径，能降低流体润滑区域中的摩擦。然而，这样一来，环外周面相对于气缸内壁的表面压力变高，因此在活塞的上下止点附近的、油膜薄且气缸内壁与外周面发生固体接触的边境润滑
区域中，有可能会过多地刮落油，从而引起油膜破裂。这样一来，恐怕摩擦反而会增大。
14.本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能降低压缩环中的摩擦的技术。
15.用于解决问题的方案
16.为了解决上述问题，本发明采用以下的构成。即，本发明是一种压缩环，其是在装接于内燃机的气缸的活塞形成的环槽处设置的压缩环，其中，所述压缩环的外周面包括筒曲面，所述筒曲面包括在该压缩环的与周长方向正交的截面中成为该压缩环的最大直径的外周顶点且以向该压缩环的径向外侧呈凸状的方式弯曲，并且所述筒曲面在该截面中以所述外周顶点为界在该压缩环的轴向上对称地形成，在将所述压缩环的轴向上的所述外周面的宽度设为l1时，满足0.2mm＜1/2
×
l1的条件，将在所述截面中在所述压缩环的轴向上与所述外周顶点相距0.1mm的所述筒曲面上的两点的每一个与所述外周顶点在所述压缩环的径向上的距离设为d1，将在所述截面中在所述压缩环的轴向上与所述外周顶点相距1/4
×
l1的所述筒曲面上的两点的每一个与所述外周顶点在所述压缩环的径向上的距离设为d2时，满足d1＜d2的条件。
17.在此，“外周面”是指将规定活塞环的宽度(轴向尺寸)的轴向两端面的外周缘彼此连接的面。只要没有特别指定，“周长方向”是指活塞环的周长方向。只要没有特别指定，“径向”是指活塞环的半径方向。只要没有特别指定，“轴向”是指沿该活塞环的中心轴的方向。此外，“筒形形状”是指包括在活塞环中成为最大直径的顶部且以向径向外侧呈凸状的方式弯曲的面形状，“对称筒形形状”是指为筒形形状，且以该顶部为界在轴向上(上下方向)呈对称的面形状。
18.根据本发明，减小位于外周顶点附近的区域内且从外周顶点起上下0.1mm的位置的落差d1，从而确保气缸内壁与外周面的接触面积，由此能抑制边界润滑区域中的摩擦的增加，另一方面，增大位于流体润滑区域中的油膜形成范围内且从外周顶点起上下1/4
×
l1的位置的落差，从而减小油膜的剪切阻力，由此能降低流体润滑区域中的摩擦。也就是说，能抑制边界润滑区域中的摩擦的增加并且降低流体润滑区域中的摩擦。
19.此外，在本发明中，也可以构成为，在所述截面中，所述筒曲面被划分为：包括所述外周顶点且以第一曲率半径弯曲的大径区域、以及在该压缩环的轴向上位于所述大径区域的两侧且以比所述第一曲率半径小的第二曲率半径弯曲的小径区域，在将所述压缩环的轴向上的所述大径区域的宽度设为l2时，满足0.2mm≤l2≤1/2
×
l1的条件。
20.而且，在本发明中，也可以是，d1＜d2，并且0.05μm≤d1≤0.7μm且4.0μm≤d2≤15.0μm。
21.而且，在本发明中，也可以是，在所述截面中，所述压缩环的轴向上的所述外周面的中点与所述外周顶点在所述压缩环的轴向上的距离为0.05mm以下。
22.而且，在本发明中，也可以是，0.8mm≤l1≤2.5mm。
23.而且，在本发明中，也可以是，所述内燃机为汽油发动机。
24.发明效果
25.根据本发明，能降低压缩环中的摩擦。
附图说明
26.图1是设有实施方式的顶环的内燃机的截面放大图。
27.图2是设有实施方式的顶环的内燃机的顶环槽附近的截面放大图。
28.图3是顶环的外周面附近的截面放大图。
29.图4是表示实验例1～3的油压的分布的图。
具体实施方式
30.以下，参照附图对本发明的压缩环的优选实施方式进行说明。在以下说明的实施方式中将本发明的压缩环应用于顶环，但仅是一个例子，本发明不限定于顶环。本发明也能应用于第二环。需要说明的是，只要没有特别记载，以下的实施方式所记载的构成就不旨在将发明的技术范围仅限于此。
31.图1是设有实施方式的顶环的内燃机的截面放大图。如图1所示，实施方式的内燃机1000具有气缸200、装接于气缸200的活塞100。
32.如图1所示，在内燃机1000中，通过在活塞外周面110与气缸内壁210之间预留规定的分离距离，形成活塞间隙pc1。此外，在活塞外周面110，在活塞100的轴向上隔着规定的间隔从燃烧室侧起依次形成有顶环槽101、第二环槽102、油环槽103。活塞外周面110由顶环槽101、第二环槽102、油环槽103划分。如图1所示，在顶环槽101、第二环槽102、油环槽103分别装接有顶环10、第二环20、油环30。如图1所示，将各活塞环装接在装接于气缸200的活塞100的对应的环槽的状态称为“使用状态”。在使用状态下，各活塞环具有使各自的外周面按压气缸内壁210的自身张力。
33.此外，在以下的说明中，只要没有特别指定，“周长方向”是指活塞环的周长方向。只要没有特别指定，“径向”是指活塞环的半径方向。只要没有特别指定，“轴向”是指沿该活塞环的中心轴的方向。此外，对于活塞环，“外周面”是指将规定环(或刮片(segment))的宽度(轴向尺寸)的轴向两端面的外周缘彼此连接的面，“内周面”是指将该轴向两端面的内周缘彼此连接的面。
34.在此，图1中的箭头表示上下的朝向。在本说明书中，对于内燃机1000，将燃烧室侧定义为“上侧”，将曲柄室侧定义为“下侧”。此外，对于活塞100、气缸200、顶环10、第二环20、油环30，将各自的轴向定义为上下方向，将它们处于使用状态时的燃烧室侧定义为各自的“上侧”，将其相反侧(即远离燃烧室的一侧，曲柄室侧)定义为各自的“下侧”。
35.此外，在本说明书中，“筒形形状”是指包括在活塞环中成为最大直径的顶部且以向径向外侧呈凸状的方式弯曲的面形状，“对称筒形形状”是指为筒形形状，且以该顶部为界在轴向上(上下方向)呈对称的面形状。如图1所示，实施方式的内燃机1000采用由外周面具有对称筒形形状的顶环10、外周部的下部具有被切掉的底切形状的第二环20、包括一对刮片(侧轨)30a、30a和对该一对刮片向径向外侧(气缸内壁210)施力的扩张器/间隔器30b的油环30构成的活塞环的组合。不过，本发明不限定于此。
36.以下，对实施方式的顶环10进行详细说明。图2是设有实施方式的顶环10的内燃机1000的顶环槽101附近的截面放大图。如图2所示，顶环槽101由上下对置的一对内壁形成，在一对内壁中，将上侧的内壁称为上壁w1，将下侧的内壁称为下壁w2。如图2所示，顶环10具有：设于上侧的上表面1、设于下侧的下表面2、连接上表面1的外周缘e1与下表面2的外周缘
e2的外周面3以及连接上表面1的内周缘e3与下表面2的内周缘e4的内周面4。在顶环10处于装接于顶环槽101的状态、即使用状态时，上表面1位于上侧且与顶环槽101的上壁w1对置，下表面2位于下侧且与下壁w2对置，外周面3与气缸内壁210滑动接触。
37.图3是顶环10的外周面3附近的截面放大图。图3的附图标记cl1表示穿过顶环10的上下方向(轴向)上的宽度的中央的直线(中心线)。如图3所示，外周面3包括：设于顶环10的外周端部的筒曲面s1、分别连接筒曲面s1与上表面1和下表面2的一对连接面s2、s2。一对连接面s2、s2的一个连接筒曲面s1的上侧(燃烧室侧)的周缘(以下，称为上缘)e11与上表面1的外周缘e1。一对连接面s2、s2的另一个连接筒曲面s1的下侧(曲柄室40侧)的周缘(以下，称为下缘)e12与下表面2的外周缘e2。一对连接面s2、s2以中心线cl1为界上下对称地形成。
38.如图3所示，筒曲面s1形成为筒形形状。即，筒曲面s1在顶环10的与周长方向正交的截面中，包括在顶环10中成为最大直径的外周顶点p1且以向径向外侧呈凸状的方式以规定的曲率半径弯曲。筒曲面s1的外周顶点p1在外周面3上位于顶环10的径向最外侧，筒曲面s1在使用状态下与气缸内壁210滑动接触。在本实施方式中，外周顶点p1位于中心线cl1上，并与上下方向(轴向)上的外周面3的中点c1一致。而且，该筒曲面s1形成为对称筒形形状。即，筒曲面s1在与周长方向正交的截面中以外周顶点p1为界上下对称地形成。在此，将在上下方向上的外周面3的宽度设为l1。此时，顶环10构成为满足0.2mm＜1/2
×
l1的条件。
39.如图3所示，在顶环10的与周长方向正交的截面中，筒曲面s1被划分为曲率半径不同的大径区域s11与一对小径区域s12、s12。大径区域s11包括外周顶点p1且以第一曲率半径r1弯曲。一对小径区域s12、s12在上下方向上以夹着大径区域s11的方式位于大径区域s11的两侧，且以比r1小的第二曲率半径r2弯曲。也就是说，r2＜r1。在此，将在上下方向上的大径区域s11的宽度设为l2。此时，顶环10构成为满足0.2mm≤l2≤1/2
×
l1的条件。
40.在此，图3的附图标记p2、p3表示在上下方向上与外周顶点p1相距0.1mm的筒曲面s1上的两点。点p2是该两点中的上侧(燃烧室侧)的点，点p3是该两点中的下侧(曲柄室侧)的点。点p2、p3位于大径区域s11上。此外，图3的附图标记p4、p5表示在上下方向上与外周顶点p1相距1/4
×
l1的筒曲面s1上的两点。点p4是该两点中的上侧的点，点p5是该两点中的下侧的点。点p4位于上侧的小径区域s12上，点p5位于下侧的小径区域s12上。此外，将点p2、p3的每一个与外周顶点p1在径向上的距离设为落差d1，将点p4、p5的每一个与外周顶点p1在径向上的距离设为落差d2。此时，顶环10构成为满足d1＜d2的条件。
41.在此，通常，在油的粘度变大的低油温的状况下，气缸内壁与环外周面之间的油膜较厚的流体润滑区域中的摩擦变大。为了降低流体润滑区域中的摩擦，减小气缸内壁与环外周面的接触面积、减小油膜的剪切阻力是有效的。另一方面，若减小气缸内壁与环外周面的接触面积则环外周面相对于气缸内壁的表面压力变高。若表面压力过高，则在活塞的上下止点附近的、油膜薄且气缸内壁与外周面发生固体接触的边界润滑区域中，有可能会过多地刮落油，从而引起油膜破裂。因此，在具有筒形形状的外周面的顶环中，在通过同样地减小外周面的曲率半径来减小气缸内壁与环外周面的接触面积、降低流体润滑区域中的摩擦的情况下，恐怕由于边界润滑区域的油膜破裂摩擦反而会增大。
42.对此，本发明人发现：在流体润滑区域，油膜形成范围(油压高的范围)缩小至外周顶点的周边而不是外周面的整个区域，而且在外周顶点的附近上油压成为最大。基于此，本发明者使与外周顶点附近的区域邻接的区域的落差大于外周顶点附近的区域中的落差。具
体而言，在本实施方式中，顶环10构成为：满足0.2mm＜1/2
×
l1的条件，且在上下方向(轴向)上与外周顶点p1相距0.1mm的筒曲面s1上的两点p2、p3的每一个与外周顶点p1在径向上的距离d1、与在上下方向上与外周顶点p1相距1/4
×
l1的筒曲面s1上的两点p4、p5的每一个与外周顶点p1在径向上的距离d2满足d1＜d2的条件。据此，减小位于外周顶点p1附近的区域内且从外周顶点p1起上下0.1mm的位置的落差d1，从而确保气缸内壁210与外周面3的接触面积，由此能抑制边界润滑区域中的摩擦的增加，另一方面，增大位于流体润滑区域中的油膜形成范围内且从外周顶点p1起上下1/4
×
l1的位置的落差，从而减小油膜的剪切阻力，由此能降低流体润滑区域中的摩擦。也就是说，能抑制边界润滑区域中的摩擦的增加并且降低流体润滑区域中的摩擦。
43.而且，在本实施方式中，筒曲面s1被划分为：包括外周顶点p1且以第一曲率半径r1弯曲的大径区域s11、以及在上下方向(轴向)上位于大径区域s11的两侧且以比第一曲率半径r1小的第二曲率半径r2弯曲的小径区域s12，顶环10构成为：在上下方向上的大径区域s11的宽度l2满足0.2mm≤l2≤1/2
×
l1的条件。也就是说，通过将曲率半径大的大径区域s11的上下宽度设为0.2mm以上且1/2
×
l1以下，顶环10构成为：d1的测定位置即与外周顶点p1相距0.1mm的筒曲面s1上的两点p2、p3位于大径区域s11上，d2的测定位置即与外周顶点p1相距1/4
×
l1的筒曲面s1上的两点p4、p5位于小径区域s12上。由此，能使d1＜d2，从而能降低摩擦。不过，本发明不限定于此，r1与r2也可以相同或实质上相同。
44.此外，在满足d1＜d2的条件的基础上，也可以为：0.05μm≤d1≤0.7μm且4.0μm≤d2≤15.0μm，优选为0.05μm≤d1≤0.7μm且6.0μm≤d2≤15.0μm，进一步优选为0.05μm≤d1≤0.7μm且8.0μm≤d2≤15.0μm。这样，能进一步降低摩擦。不过，本发明不限定于此。
45.此外，在本实施方式中，在顶环10的与周长方向正交的截面中，外周面3的中点c1与外周顶点p1一致，但中点c1与外周顶点p1也可以在上下方向上偏移。不过，中点c1与外周顶点p1在上下方向(轴向)上的距离优选为0.05mm以下，进一步优选为0.02mm以下。
46.此外，优选为0.8mm≤l1≤2.5mm，进一步优选为1.0mm≤l1≤1.5mm。不过，本发明不限定于此。
47.此外，对于本发明的压缩环的外周面而言，也可以在所述压缩环的外周面具有包括pvd处理膜、dlc膜以及镀铬处理膜中的至少任意一个层的硬质覆膜。据此，能降低压缩环的外周面上的摩擦力、提高耐磨耗性。需要说明的是，“pvd(physical vapor deposition)处理膜”是指通过pvd法形成的覆膜。pvd法是通过使靶射出的粒子附着于对象材料的表面而形成膜的蒸镀法的一种，也称为物理气相沉积。此外，“dlc(diamond like carbon)膜”是指主要由烃、碳的同素异形体构成的非晶质的硬质碳膜。此外，“镀铬处理膜”是指通过镀铬形成的覆膜。
48.此外，本发明的压缩环优选设于汽油发动机。不过，作为本发明的压缩环的应用对象的内燃机不限于汽油发动机。内燃机也可以是柴油发动机。
49.[油压实验]
[0050]
进行了测定流体润滑区域中的气缸内壁与顶环的外周面之间的油压的实验。本实验中使用的试验机具备：缸径86mm、行程60mm的内燃机构造。在本实验中，针对后述的实验例1～实验例3分别使试验机运转，测定了气缸内壁与顶环的外周面之间的油压的分布。实验条件设为曲柄转速为1200rpm、油温为80℃。
[0051]
[实验例]
[0052]
实验例1～实验例3使用了具有对称筒形形状的外周面的顶环。实验例1～实验例3的外周顶点p1位于外周面3的上下中心。在实验例1～实验例3中，将l1设为1.2mm，使d2的大小不同。d2成为从位于外周面3的上下中心的外周顶点p1起上下0.3mm(1/4
×
l1)的位置上的落差。在实验例1中将d2设为15μm，在实验例2中将d2设为8μm，在实验例3中将d2设为4μm。需要说明的是，本发明不限定于实验例。
[0053]
[实验结果]
[0054]
图4是表示实验例1～实验例3的油压的分布的图。在图4中，示出了下降行程中活塞速度为最大速度的活塞行程的中间点即曲柄角度为77
°
的油压分布。图4的曲线图的纵轴表示距顶环的下表面的高度，横轴表示油压。从图4的实验例1～实验例3可知，确认了流体润滑区域中的油压在0.6mpa以上的油膜形成范围比环的上下宽度窄。此外，通过比较实验例1～实验例3，确认了通过增大d2油膜形成范围变窄。由此，确认了在流体润滑区域中，通过增大与外周顶点p1上下相距1/4
×
l1的位置上的落差能降低油膜的剪切阻力。
[0055]
以上，说明了本发明的优选实施方式，但上述的各种方式可以尽可能地组合。
[0056]
附图标记说明
[0057]
1000：内燃机；
[0058]
100：活塞；
[0059]
200：气缸；
[0060]
10：顶环；
[0061]
3：外周面；
[0062]
p1：外周顶点；
[0063]
s1：筒曲面；
[0064]
s11：大径区域；
[0065]
s12：小径区域。

技术特征：
1.一种压缩环，其是在装接于内燃机的气缸的活塞形成的环槽处设置的压缩环，其中，所述压缩环的外周面(1)包括筒曲面(s1)，所述筒曲面包括在该压缩环的与周长方向正交的截面中成为该压缩环的最大直径的外周顶点(p1)且以向该压缩环的径向外侧呈凸状的方式弯曲，并且所述筒曲面在该截面中以所述外周顶点为界在该压缩环的轴向上对称地形成，在将所述压缩环的轴向上的所述外周面的宽度设为l1时，满足0.2mm＜1/2
×
l1的条件，将在所述截面中在所述压缩环的轴向上与所述外周顶点相距0.1mm的所述筒曲面上的两点的每一个与所述外周顶点在所述压缩环的径向上的距离设为d1，将在所述截面中在所述压缩环的轴向上与所述外周顶点相距1/4
×
l1的所述筒曲面上的两点的每一个与所述外周顶点在所述压缩环的径向上的距离设为d2时，满足d1＜d2的条件。2.根据权利要求1所述的压缩环，其中，在所述截面中，所述筒曲面被划分为：包括所述外周顶点且以第一曲率半径弯曲的大径区域(s11)、以及在该压缩环的轴向上位于所述大径区域的两侧且以比所述第一曲率半径小的第二曲率半径弯曲的小径区域(s12)，在将所述压缩环的轴向上的所述大径区域的宽度设为l2时，满足0.2mm≤l2≤1/2
×
l1的条件。3.根据权利要求1或2所述的压缩环，其中，d1＜d2，并且0.05μm≤d1≤0.7μm且4.0μm≤d2≤15.0μm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩环，其中，在所述截面中，所述压缩环的轴向上的所述外周面的中点与所述外周顶点在所述压缩环的轴向上的距离为0.05mm以下。5.根据权利要求1至4中任一项所述的压缩环，其中，0.8mm≤l1≤2.5mm。6.根据权利要求1至5中任一项所述的压缩环，其中，所述内燃机为汽油发动机。

技术总结
压缩环的外周面包括筒曲面，在将压缩环的轴向上的所述外周面的宽度设为L1时，满足0.2mm＜1/2


技术研发人员：小泽乔 彦根显 大黑隆
受保护的技术使用者：帝伯爱尔株式会社
技术研发日：2022.01.25
技术公布日：2023/10/7