三件式油环和该三件式油环与活塞的组合

摘要

本发明公开了一种三件式油环和该三件式油环和活塞的组合，即使在该环的低拉力和薄的宽度下它们也能实现提高密封性能并且降低润滑油的消耗同时避免产生粘结。该三件式油环包括间隔扩展器10和两个侧轨。该间隔扩展器具有径向内部端部，该径向内部端部设有基座突出部13。该基座突出部13在轴向方向突出，并且该基座突出部具有用于推动该第一侧轨和第二侧轨的内周表面的径向外部倾斜表面。该间隔扩展器具有径向外部端部，该径向外部端部设有侧轨支撑部14，该侧轨支撑部14在该轴向方向突出，用于分别支撑该第一侧轨和该第二侧轨的轴向端面。该外部倾斜表面相对于轴线的基座突出部角度的范围从10到20度，并且该2X/Y的比的范围从0.04到0.15，其中2X是该侧轨支撑部在该轴向方向的总突出长度，以及Y是在该轴向方向基座突出部的末端面之间的距离。

说明书

技术领域

本发明涉及三件式油环和该三件式油环与活塞的组合。

背景技术

在内燃机中，两个压缩环安装在活塞环槽内，该活塞环槽形成在该燃烧室侧的活塞的外周表面中，并且一个油环安装在该燃烧室的相反侧的活塞环槽中。该油环的例子是包括间隔扩展器和一对侧轨的所谓的三件式油环。该间隔扩展器在该环的径向向外的方向施加偏压力。该侧轨分别设置在该间隔扩展器的轴向端部，并且由该间隔扩展器径向向外或向气缸的内周表面偏压。

在近年，已经增加了用于汽车的内燃机的燃料消耗应该减小的需求。因此机器需要减小对活塞环的摩擦。为了满足该需要，已经设计了该油环中的薄的轴向宽度和低的拉力。包括一对侧轨和间隔扩展器的三件式油环在汽油发动机中越来越多地使用，由于它们可以帮助减少油耗。由于该间隔扩展器推压两个侧轨到该气缸的内周表面上，因此该三件式油环对于该活塞环槽有优异的密封性。然而，当摩擦的减小降低了该拉力(到0.2N/mm至0.25N/mm，即两个压缩环和一个油环的整个拉力除以气缸直径获得的数值)。从而，该三件式油环的密封性质变得不充分，不可避免地增加了油耗。

该三件式油环的该间隔扩展器在其内周表面上具有基座突出部。该基座突出部几乎在该环的轴向方向延伸并且推压每个侧轨的内周表面(例如参考专利文献1：日本专利公开文献No.Sho-35-16503)。由于该基座突出部平行于该环的轴线延伸，该侧轨不能在该活塞环槽的径向延伸壁表面上施加足够的侧压力。不可避免的是，该侧轨在该活塞环槽中变得松驰并且会在该活塞的轴向方向移动。此外，油会容易地流入到该侧轨和该活塞环槽顶部表面之间的间隙。这导致了油耗的增加。

为了解决这个问题，具有所谓预定的基座突出部角度的基座突出部被提出，其中该基座突出部在相对于该环的轴向方向倾斜的方向突出。因此，由于倾斜，该基座突出部径向向外地并且在与径向方向相交的方向推动该侧轨。因此该基座突出部推动该侧轨与该活塞环槽的径向延伸壁压力接触，在该活塞环槽的该径向延伸壁上提供侧压力并且因此抑制了该侧轨的活动性。这能够抑制油耗。该间隔扩展器在该外周表面上具有侧轨支撑部。该侧轨支撑部在该轴向方向突出并且支撑该第一和第二侧轨的轴向端面。当该侧轨装配在活塞环槽中并且如上述倾斜时，该侧轨支撑部在特定的支点部分保持该侧轨。(例如，参考由Sankaido Co.Ltd.的汽车活塞环编辑委员会(Sankaido Co.Ltd.，Editors’Committee of Automobile Piston Rings)1997年10月出版的非专利文献1：“用于汽车中的活塞环，33页，图2.30”(“Piston Rings for Use in Automobile，p.33，FIG.2.3.”))。

活塞形成有排放孔，该排放孔朝该活塞环槽底部敞开，通过该排放孔，已经流入到该活塞环槽的油循环到曲轴箱中。该活塞环槽在该轴向方向的宽度根据该三件式油环的厚度的减少而变小。因此，在该环槽和任一侧轨之间的空间的体积变得极其小。另外，由于通过上述基座突出部角度已经实现的该侧轨的密封性的增强，该侧轨或扩展器与在该活塞环槽中堆积的燃烧残余物的粘结可能发生，导致称作“粘结”的现象。这会使油的再循环恶化。因此，改善该侧轨的密封性能并且减少润滑剂的消耗是彼此矛盾的需求，尤其在具有小轴向宽度的低拉力油环中。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有小宽度和低拉力的、但是能够实现高密封性和降低油耗而且不产生粘结的三件式油环，并且还提供活塞和这样的三件式油环的组合。

为了实现这一目的，本发明提供的三件式油环包括间隔扩展器，置于该间隔扩展器的一个轴向端部的第一侧轨，和置于该间隔扩展器的另一轴向端部的第二侧轨。该间隔扩展器包括环状主体，该环状主体具有设有基座突出部的径向内部端部，该基座突出部在该环状主体的轴向方向从该环状主体的一个轴向端面和从该环形主体的另一个轴向端面突出，并且该基座突出部具有相对该环状主体的轴线倾斜的用于分别推压该第一侧轨和第二侧轨的内周表面的径向外部表面。该环状主体具有径向外部端部，该径向外部端部设有侧轨支撑部，该侧轨支撑部从该环状主体的一个轴向端面和从该环状主体的另一个轴向端面在该轴向方向突出、用于分别支撑该第一侧轨和该第二侧轨的轴向端面。每个基座突出部的倾斜的径向外部表面和该环状主体的该轴线限定了范围为从10到20度的基座突出部角度，并且2X/Y的比例在从0.04到0.15的范围，其中2X是该侧轨支撑部在该轴向方向的整个突出长度，以及Y是在该轴向方向上基座突出部的末端面之间的距离。

采用具有低拉力的该三件式油环的该结构，能够防止粘结的产生并且能够抑制润滑油的消耗。由于整个长度2X与在该轴向方向测量的该基座突出部的末端表面之间的距离Y的比例，即2X/Y为0.04到0.15，即使该油环在该轴向方向薄，油路也能够设置在该活塞环槽内。通过该油路，在该油环槽中积聚的油能够容易地导入排放孔。

在本发明的另一方面中，提供了形成有环状活塞环槽的活塞和装配在该活塞环槽内的三件式油环的组合。该组合包括形成有多个与该油环槽连通的用于朝向曲轴箱循环润滑油的排放孔的活塞。该活塞具有推力侧和非推力侧(anti-thrust side)。三件式油环包括间隔扩展器，设置在该间隔扩展器一个轴向端部的第一侧轨，和设置在该间隔扩展器的另一个轴向端部的第二侧轨。该间隔扩展器包括环状主体，该环状主体具有径向内侧端部，该径向内侧端部设有基座突出部，该基座突出部在该环状主体的轴向方向从该环状主体的一个轴向端面和从该环状主体的另一个轴向端面突出，该基座突出部具有径向外部表面，该径向外部表面相对该环状主体的轴线倾斜、用于分别推压该第一侧轨和该第二侧轨的内周表面。该环状主体具有径向外部端部，该径向外部端部设有侧轨支撑部，该侧轨支撑部在该轴向方向从该环状主体的一个轴向端面和从该环状主体的另一个轴向端面突出、用来分别支撑该第一侧轨和该第二侧轨的轴向端面。每个基座突出部的该倾斜的径向外部表面和该环状主体的该轴线限定基座突出部角度，该基座突出部角度的范围为从10到20度，并且2X/Y的比例为在0.04到0.15的范围内，其中2X是在轴向方向该侧轨支撑部的整个突出长度，和Y是在轴向方向该基座突出部的末端面之间的距离。朝该活塞的推力侧敞开的该排放孔的总数目比朝该活塞的非推力侧敞开的该排放孔的总数目多。

如此配置的包括该三件一体的油环和该活塞的单元具有上述优点。另外，由于朝该活塞的推力部分敞开的该排放孔的数目比朝该活塞的非推力部分敞开的排放孔的数目多，因此该油能够通过活塞敲击从该活塞的推力部分循环到该活塞的内部空间。该活塞敲击是如下现象：燃烧压力和来自连杆的反作用力的合力施加在该活塞上，因此使活塞向该气缸的一个横向侧移动，因此产生振动或产生噪声。

本发明的效果

通过这种设置，即使对于提供低拉力和具有薄的厚度的该三件式油环，密封性也能够提高并且润滑油的消耗也能够被减少以克服产生粘结的问题。

附图说明

在附图中，

图1是用于描述根据本发明第一实施例的三件式油环和活塞的组合中活塞和活塞环之间关系的剖视图；

图2是根据本发明第一实施例的该三件式油环和活塞的组合中该三件式油环的局部立体图；

图3是根据本发明的第一实施例的该三件式油环和活塞的组合中该三件式油环的剖视图；

图4是示出间隔扩展器(或定距涨环)的放大的剖视图，该间隔扩展器是根据本发明的第一实施例的该三件式油环和活塞的组合中的该三件式油环的一个组件；

图5是根据本发明的第一实施例的该三件式油环和活塞的组合中的该活塞的剖视图；

图6是描述根据本发明的第一实施例的该三件式油环和活塞的组合中活塞壁部分的内周表面处的排放孔的开口位置的视图；

图7是描述根据本发明的第二实施例的三件式油环和活塞的组合中活塞壁部分的内周表面处的排放孔的开口位置的视图；

图8是示出根据本发明的修改的实施例的该三件式油环和活塞的组合中径向波状型间隔扩展器的局部立体图；和

图9是示出如图8所示的该修改的实施例的三件式油环的剖视图

标号说明

1:气缸

2:活塞

5:三件式油环

10，110:间隔扩展器

11，111:波状突起

12，112:波状凹部

13，113；基座突出部

14，114:侧轨支撑部分

20，30:侧轨

20a，30a:侧轨的内周表面

20b，30b:侧轨的轴向端面

具体实施方式

下面将参考图1-6描述根据本发明的一个实施例的三件式油环和活塞与该三件式油环的组合。图1是气缸和装配有三件式油环的活塞的示意图。在该气缸1中往复运动的该活塞2具有环状的环槽2a、2b和2c。第一压缩环3、第二压缩环4和三件式油环5分别配合在该环槽2a、2b和2c中，从燃烧室CM依次布置，并且设置成与该气缸1的内周表面滑动接触。该三件式油环5执行两个功能。第一，该环5刮下该气缸1中的润滑油。第二，该环5用作止回阀，该止回阀防止油流向位于该油环5上方的活塞岸2A。该活塞2在该环槽2c处具有排放孔2d，该三件式油环5安装在该环槽2c中。润滑油因此能够通过该排放孔2d循环到曲轴箱(没有示出)。该曲轴箱是设置曲轴的空间并且该曲轴箱由汽缸体的裙部和油盘限定。

如图2-4所示，该三件式油环5包括环状的间隔扩展器10、置于该间隔扩展器10的一个轴向端部的第一侧轨20和置于该间隔扩展器10的另一个轴向端部的第二侧轨30。该间隔扩展器10在轴向方向呈波状，并且包括在轴向方向突出的波状突起11以及在轴向方向凹入的波状凹部12，这些交替地在圆周方向上布置。

该间隔扩展器10具有设有在轴向方向突出的基座突出部13的径向内侧。该基座突出部13具有在其径向外侧的倾斜面13a、13a，以推压该第一侧轨20的内周表面20a和该第二侧轨30的内周表面30a。每个该基座突出部13的该倾斜面13a相对轴线倾斜范围为10°到20°的倾斜角(基座突出部角度)θ。如果该基座突出部的角度θ小于10°，该基座突出部13不能施加最小的侧压力，通过该最小的侧压力该侧轨20和30推靠在该环槽2c的径向延伸的壁上。油可以容易地从该油环槽2c流入到该侧轨20和该环槽2c的径向延伸的壁之间的间隙中，由于泵送增加了提供到该上部活塞岸2A的油量并且最终增加了油的消耗。另一方面，假如该基座突出部的角度θ大于20°，过大的侧压力会施加在该径向延伸的壁上，可能导致产生粘结。值得注意的是，考虑到减少油的消耗和避免粘结，假如该基座突出部的角度θ落入15°到20°的范围内可以获得最佳的结果。

该间隔扩展器10具有径向外部端部，该径向外部端部设有侧轨支持部分14，该侧轨支撑部分14轴向突出、用于支撑该第一和第二侧轨20和30的轴向端面20b和30b。只要该侧轨20和30在该油环槽2c中保持被支撑和倾斜，该侧轨支撑部分14适于固定在该端面20b和30b处的支点位置。总距离2X与距离Y的比例，即(2X/Y)被设置为0.04到0.15，如图4所示，X是在该活塞2的轴向方向延伸的每个侧轨支撑部分14的突出长度，和Y是在该轴向方向测量的该基座突出部13的末端之间的距离(或整个宽度)。假如该比例2X/Y超过0.15，在该轴向方向测量时，该间隔扩展器10将过薄，并且可能在每个基座突出部13的基部端断裂。假如该比例2X/Y小于0.04时，侧壁支撑部分14，该基座突出部13和该侧轨20限定的体积空间将太小以致不能避免粘结。值得注意的是，考虑到防止该基座突出部的断裂和避免粘结，假如该比例2X/Y落入0.09-0.15的范围可以获得最佳的结果。

如图5所示，该活塞2具有限定燃气室的顶部2A和朝向该气缸的内周表面以及形成有上述环槽2a、2b和2c的圆周壁2B。在该圆周壁3B内限定了一个空的空间，在该圆周壁3B内连接杆6可枢转运动地连接于该活塞2。如图5和6A所示，四个排放孔形成在该油环槽2c的底部，并且具有在该活塞2的推力部分T与非推力部分AT对称设置的它们的开口7a到7d。

更准确而言，在该推力部分T的该开口7a和7d相对于在直径方向延伸并且位于该推力中心的直线L1对称，以及在该非推力部分AT的该开口7b和7c相对于该直线L1对称。此外，关于把该活塞2分成该推力部分T和该非推力部分AT的直线L2，在该推力部分T的该开口7a和在该非推力部分AT的该开口7b相对于该直线L2对称，并且在该推力部分T的该开口7d和在该非推力部分AT的该开口7c相对于该直线L2对称。这些开口7a到7d的对称设置可以方便制造该活塞2。顺便提及，图6示出了该开口位置，在该开口位置该排放孔向该活塞2的该圆周壁2B的内周表面敞开。根据本发明第一实施例的上述三件式油环与具有上述如图5和6所示的排放孔的该活塞2相组合将表现出充分的技术效果和功能。

下面将参考附图7描述根据本发明第二实施例的三件式油环和根据第二实施例的该三件式油环与活塞的组合。该三件式油环与第一实施例的油环相同，因此将不被描述。如图7所示，根据第二实施例的该活塞2′在该活塞2′的该推力部分T具有另外的排放孔7e和7f。这些排放孔7e和7f相对于直线L1对称。因此与在该非推力部分AT相比，更多的排放孔形成在该推力部分T。由于在该推力部分T的排放孔的数目比在该非推力部分的排放孔的数目多，因此由于活塞敲击效果能够增强用于在径向向内的方向，即朝向该活塞2′的内部空的空间引导润滑油的油循环功能。

在该单元上进行用于研究产生粘结和耗油的实验测试，该单元包括根据上述实施例的三件式油环和活塞。在该实验中，该单元用在汽车汽油发动机上，该发动机具有直列式四汽缸和1.6升的排量。该发动机被驱动300小时，同时通过6000rpm-WOT(节气门全开)的方式从30到100℃改变冷却水的温度。在300小时冷-热驱动实验后，检查该发动机的油耗和粘结的存在或不存在。该结果如表1和2所示。该测试条件如下：

活塞孔直径:81mm

总拉力比:0.23N/mm

第一压缩环

(在径向方向的)厚度a1:2.7mm

(在轴向方向的)宽度h1:1.2mm

滑动表面的形状:圆筒状表面

第二压缩环

(在径向方向的)厚度a1:2.9mm

(在轴向方向的)宽度h1:1.2mm

滑动表面的形状:圆锥状，带下缺口

油环

(在径向方向的)厚度a1:2.5mm

(在轴向方向的)宽度h1:2.0mm

间隔扩展器的总宽度Y(图4):1.75mm

该术语“总拉力比”是通过用该活塞环(即压缩环和油环)的总拉力除以该活塞孔直径而得到的值。

准备不同的间隔扩展器，如表1和2所示，这些间隔扩展器的基座突出部13的基座突出部角度和长度X(图4)是不同的。表1关于如下活塞，如图6中所示，该活塞在该推力部分具有两个排放孔并且在该非推力部分具有两个排放孔。该排放孔7a-7b的开口相对于该直线L1是对称的并且与该直线L1的角度间隔是30°。表2关于如下活塞，如图7中所示，该活塞在该推力部分具有两个附加的排放孔。该排放孔7a-7d的位置与表1中说明的排放孔的位置相同，并且该排放孔7e和7f相对该直线L1对称以及与该直线L1的角度间隔是15°。

表1

表2

表1和2示出了存在或不存在粘结以及油耗。在这些表中，关于粘结的评价，标记◎表示在所有四个气缸都不存在粘结，标记○表示在四个气缸中没有观察到粘结但是至少一个气缸迟缓(它没有依靠自身重量落下，但是用手指轻微推时移动)，标记△表示至少一个气缸出现粘结，和标记×表示所有气缸出现粘结。在表1和2中，LOC表示油耗，LOC的值1是当该基座突出部角度是20度并且该长度X是0.03mm时的值。标记◎表示LOC小于0.7，标记○表示LOC从0.7到小于0.9，标记Δ表示LOC从0.9到小于1.0，和标记×表示LOC是1或更大。

从表1很明显看出，当该间隔扩展器具有10°到20°的基座突出部角度并且该比例2X/Y(即，总长度2X与该距离Y的比例)落在0.04到0.15的范围内时，该油耗减少并且粘结被防止了。而且从表2清楚地理解，由于在该推力部分的排放孔的数目比在该非推力部分的排放孔的数目多，因此进一步减少了油耗并且更可靠地防止了粘结。

图8和9示出了根据本发明修改的实施例的三件式油环。该三件式油环具有间隔扩展器110，代替所上文所述的在轴向方向成波状的该间隔扩展器10。该间隔扩展器110包括带状部件110A和线110B。该带状部件110A具有径向向外突出的波状突起111和径向向内凹入的波状凹部112，和突起和凹部在圆周方向交替布置。该线110B通过在该带状部件110A内形成的孔延伸。该带状部件110A具有径向内端部，该径向内端部设有在轴向方向并且在相反的方向延伸、分别用于推压该第一和第二侧轨的内周表面20a和30a的基座突出部113。每个基座突出部113具有相对该轴向方向倾斜的径向外部表面113a。该倾斜表面113a和该中心轴线之间限定的该基座突出部角度θ为与第一实施例类似的在10°到20°的范围内。每个带状部件110A具有径向外部端部，该径向外部端部设有在该轴向方向和相反的方向延伸的侧轨支撑部分114。该侧轨支撑部114具有梯形形状，并且适于分别支撑该第一和第二侧轨20和30的轴向端面20b和30b。只要该侧轨20和30在该油环槽2c中并且以倾斜的姿态保持被支撑，该侧轨支撑部114用于固定相对于该轴向端面20b、30b的支点。总长度2X与该距离Y的比例，即2X/Y如在第一实施例中一样设置为0.04到0.15，其中X是在该活塞2的该轴向方向延伸的每个侧轨支撑部分114的突出长度，和Y是在该轴向方向测量的该基座突出部13的末端面之间的距离。

尽管参考这些实施例详细描述了本发明，对于本领域技术人员来说显而易见，在没有脱离本发明的精神的情况下可以进行各种变化和修改。

工业实用性

该三件式油环和该三件式油环与该活塞的组合尤其可用于紧凑型号的内燃机。