專利名稱：柴油內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)和/或活塞以及柴油機(jī)的磨合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柴油機(jī)式內(nèi)燃機(jī)、特別是兩沖程十字頭型發(fā)動機(jī)使用的活塞環(huán)和/或活塞，這種發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷時的最大燃燒壓力超過135巴，其活塞設(shè)有數(shù)個如為三個到五個活塞環(huán)，并在氣缸套內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，沖程至少為750mm，活塞環(huán)裝在環(huán)狀槽內(nèi)時的外直徑至少為250mm，每一環(huán)狀槽在軸向上的高度都比活塞環(huán)的高度高，每一活塞環(huán)都有一個徑向外表面可沿著缸套的內(nèi)表面滑動。
最新的柴油機(jī)式兩沖程十字頭型發(fā)動機(jī)被設(shè)計出來，可在超過135巴的非常高的最大燃燒壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣高的壓力會在活塞環(huán)上產(chǎn)生非常高的載荷，部分因為當(dāng)用三個到五個活塞環(huán)來阻止燃燒室內(nèi)的壓力向活塞下方傳播時，越過這些環(huán)的壓力差必然很高，部分因為由壓縮和燃燒產(chǎn)生的高壓力還被極高的溫度伴隨著，而該高溫對摩擦狀態(tài)具有負(fù)面影響，因此活塞環(huán)和缸套較易咬住，從而會損壞活塞環(huán)和缸套。為了對高壓密封，活塞環(huán)作用在缸套內(nèi)表面上的對接壓力必然需要提高，這會導(dǎo)致活塞環(huán)更容易穿透潤滑油膜，致使在某些區(qū)域活塞環(huán)在缸套的內(nèi)表面上干滑。
困難的潤滑條件會變得更為嚴(yán)重，因為由于環(huán)境的原因，發(fā)動機(jī)需要使用含硫極少或完全不含硫的燃料。而在以前，燃料和潤滑油常含有較大數(shù)量的硫，硫有助于保持良好的摩擦狀態(tài)，因為硫是一種優(yōu)良的潤滑劑。
從小的四沖程發(fā)動機(jī)，人們知道可在內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)上敷設(shè)一個含有固態(tài)潤滑劑的覆蓋層(涂覆層)。例如，DE-A1771640曾告訴我們一個只是將鉬噴涂在活塞環(huán)上的耐磨層會在缸套上造成嚴(yán)重的磨耗，而當(dāng)將包圍有鎳的MoS2微粒引入到耐磨層內(nèi)時，情況便可改善。US5,239,955曾說過一個具有固態(tài)薄膜潤滑劑的活塞裙部，該潤滑劑包括在樹脂如熱固性環(huán)氧樹脂內(nèi)的石墨和MoS2。在發(fā)動機(jī)啟動時，某些固態(tài)薄膜潤滑劑會轉(zhuǎn)移到缸壁的內(nèi)表面上，而在發(fā)動機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，該潤滑劑會停留在活塞和缸壁上。JP A 63-289374曾描述過一個活塞環(huán)，該環(huán)具有一個硬質(zhì)氮化耐磨層和一個極薄的外層，該外層由一個固態(tài)潤滑劑在一鐵或鎳的金屬基層內(nèi)構(gòu)成。該外層的厚度小于0.02mm，因此該層在少數(shù)幾個活塞沖程后便被磨掉。GB 938,120曾提出一種解決活塞環(huán)磨合問題的方法，即在活塞環(huán)的外表面上噴涂一個0.025到0.125mm厚的覆蓋層，其中包括粘結(jié)劑、硬質(zhì)磨料和潤滑劑，如粘結(jié)在樹脂中的氧化鋁和石墨。由EP A20126323已知一種汽缸件，其磨合層具有這樣的硬度和耐磨性，以致至少需運(yùn)行1000小時才能將磨合層磨掉?？傊?，現(xiàn)有技術(shù)提出要將硬質(zhì)耐磨成分包括在磨合層內(nèi)。
與本發(fā)明有關(guān)的具有很高最大壓力的大型發(fā)動機(jī)的情況顯然與上述四沖程發(fā)動機(jī)的情況不同。在四沖程的汽油機(jī)中，最大壓力為40巴左右，而在柴油機(jī)中，使用的最大壓力為80巴左右。另外，四沖程機(jī)的發(fā)動機(jī)氣缸體、活塞和活塞環(huán)是由輕金屬制成的，而大型發(fā)動機(jī)的缸套、活塞和活塞環(huán)通常是由鑄鐵、鑄鋼或鋼制造的，以便能承受巨大的壓力和溫度的影響。所用材料的差異使噴涂在其上的覆蓋層的性能難于互相比較，這是因為鑄鐵和鋼與輕金屬如鋁相比，在摩擦狀態(tài)、粘結(jié)狀態(tài)、對熱影響的反應(yīng)等方面都有相當(dāng)大的差異。
在柴油機(jī)式大型十字頭型發(fā)動機(jī)磨合時，其滿負(fù)荷的最大燃燒壓力可超過135巴，這時在缸套的內(nèi)表面上和在活塞環(huán)的外表面上會發(fā)生咬住的現(xiàn)象，成為棘手的問題。在一些情況下，在磨合尚未完畢前就需更換活塞環(huán)并對缸套進(jìn)行后機(jī)械加工。在某些情況下，在發(fā)動機(jī)能被充分加載前活塞環(huán)甚至需要更換好幾次。除了耗時和耗財外，這樣還影響到發(fā)動機(jī)的初始調(diào)整，因為該調(diào)整必須在磨合時進(jìn)行。
本發(fā)明的目的是要改進(jìn)活塞環(huán)和/或活塞，使它們能夠?qū)ο嚓P(guān)的發(fā)動機(jī)進(jìn)行較快而較少問題的磨合，辦法是至少將活塞環(huán)且最好連活塞也一同保護(hù)起來，使它們至少在發(fā)動機(jī)被滿負(fù)荷加載之前免被咬住。
為了這個目的，按照本發(fā)明的活塞環(huán)和/或其活塞具有以下的特征，即在新制出的狀態(tài)下，活塞環(huán)的徑向外表面和/或活塞的一部分徑向外表面設(shè)有一個包括有固態(tài)潤滑劑和金屬粘結(jié)劑的磨合層，該磨合層在徑向上的厚度至少為0.1mm，其組成以重量百分比計，除了通常遇到的雜質(zhì)外，包括5到60％的固態(tài)潤滑劑，如石墨，和40到95％的金屬粘結(jié)劑，如Ni、Al、Si，還有任選的可達(dá)15％的有機(jī)粘結(jié)劑，磨合層的宏觀硬度小于300HV30。
在活塞環(huán)初始磨合時，活塞環(huán)的徑向外表面被磨掉成為帶小平面的形狀。由于環(huán)狀凹槽比活塞環(huán)高，活塞環(huán)能在所屬環(huán)狀凹槽內(nèi)沿軸向自由運(yùn)動，在越過活塞環(huán)的巨大壓力差的影響下，活塞環(huán)會在凹槽內(nèi)傾側(cè)或略微被扭轉(zhuǎn)，因此在活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動時活塞環(huán)的外表面與缸套的內(nèi)表面將形成一個變動的角度。隨著活塞環(huán)最初的許多次傾側(cè)，其頂邊或底邊將以極小的區(qū)域與缸套的內(nèi)表面對接，連同極其高的表面壓力，造成活塞環(huán)材料快速被磨掉，這大概是因為環(huán)邊暫時穿透缸套內(nèi)表面上的油膜的原故。隨著活塞環(huán)的徑向外表面變成帶小平面的形狀，對接面積被增大，表面壓力就可降低到油膜被穿透的限度之下。
如果在這個磨平過程中，在活塞環(huán)的外表面和缸套的內(nèi)表面的潤滑很差，那么在兩個相互滑動表面之間的摩擦就會產(chǎn)生高溫，初始的咬住(卡住)就會出現(xiàn)在活塞環(huán)與缸套的對接區(qū)域內(nèi)。一旦在局部區(qū)域上出現(xiàn)咬住，那么在活塞環(huán)上形成的極其粗糙的表面將使摩擦增加，因而過高的溫度水平將被保持下來，而咬住現(xiàn)象將被擴(kuò)展到活塞環(huán)上更大的區(qū)域，一直到活塞環(huán)被完全報廢為止。在活塞環(huán)上粗糙的咬住區(qū)域還能使咬住發(fā)生在缸套的內(nèi)表面上，這也會使溫度水平升高。
由于對接壓力隨著發(fā)動機(jī)載荷也就是最大壓力的增加而增加，因此重要的是，磨合層的防止出現(xiàn)咬住一定要堅持到發(fā)動機(jī)能在滿負(fù)荷運(yùn)行一段時間，使活塞環(huán)外表面被磨成小平面的過程得以完成。為了做到這一點，磨合層必須具有至少0.1mm的厚度。能夠使用比較厚的磨合層，例如厚度為0.13、0.15、0.19或0.25mm，甚至1或2mm或更厚，因為在第一輪中，小平面是在磨合層上磨出的，而在磨合的最后一個部分或在磨合結(jié)束后，小平面是在下面的、基本較硬的活塞環(huán)材料上緩慢地磨出的。這樣，當(dāng)活塞環(huán)對缸套的對接面積大到足夠使?jié)櫥湍げ辉俦淮┩笗r，磨合便告完畢，同時磨合層也被去掉。
對本發(fā)明來說重要的是，磨合層是軟的，其宏觀硬度小于300HV30。而在現(xiàn)行的具有很高最大壓力的大型發(fā)動機(jī)中，人們一直肯定地認(rèn)為活塞環(huán)的外表面必須含有一種硬質(zhì)材料，至少在部分磨合期內(nèi)當(dāng)發(fā)動機(jī)載荷被提高到超過50％時應(yīng)該如此。而本發(fā)明則已經(jīng)確認(rèn)，采用軟磨合層的活塞環(huán)能夠很好地承受發(fā)生在發(fā)動機(jī)上部載荷區(qū)域內(nèi)的巨大影響，并且軟材料能較快地磨出帶小平面的形狀，因而磨出小平面(剖面)能有效地在軟材料中進(jìn)行。
在磨合層的含量中，5到60％的固態(tài)潤滑劑可從最初磨出小平面一直到對接面積變得足夠大以致活塞環(huán)不再透過油膜這一段時間內(nèi)，確保維持足夠的潤滑。如果固態(tài)潤滑劑小于5％，那么摩擦狀態(tài)會變得太差，而如果其含量高于60％，那么要將潤滑劑足夠好地連結(jié)到活塞環(huán)的外表面上就相當(dāng)困難。最好采用石墨作為固態(tài)潤滑劑，但也可使用其他公知的潤滑劑，如MoS2、LiF和CaF2，及其混合物。作為金屬粘結(jié)劑(料)，最好用Ni或Al，兩者都是軟金屬，但其他軟金屬如Cu、Ag、Si和/或Zn也可使用。
在一較優(yōu)的實施例中，磨合層用熱噴涂敷設(shè)在由鋼、鑄鋼或鑄鐵鑄造的活塞環(huán)或活塞的坯料上。熱噴涂是一種具有高效普遍為人所知的方法，它能用來敷設(shè)成分多變的覆蓋層。熱噴涂的覆蓋層能相當(dāng)好地粘結(jié)在鋼或鑄鐵的表面上。作為熱噴涂的替代方法，可通過浸沒在所需磨合層的熔化浴液內(nèi)來敷設(shè)覆蓋層，但采用這種方法，可能較難控制對活塞環(huán)或活塞的熱影響。
眾所周知可在鑄造的活塞環(huán)上提供一個硬質(zhì)耐磨層來延長活塞環(huán)的壽命。這里可介紹一下瑞典DAROS AB公司所提供的鑄鐵活塞環(huán)，該環(huán)具有商業(yè)牌號為PM2、PM10或PM14的硬質(zhì)耐磨覆蓋層。這些覆蓋層含有微觀硬度超過1800HV的顆粒，并且是被熱噴涂在外環(huán)面上。為了防止這種極硬顆粒咬住在缸套上，覆蓋層的外表面被拋光。由于缸套和活塞環(huán)的制造公差，新制出的活塞環(huán)并不在整個圓周上與缸套完全接合。這時在活塞環(huán)和缸套之間的密封可這樣改進(jìn)，即在具有硬面并經(jīng)拋光的外環(huán)面上涂敷一個銅或純石墨的極薄覆蓋層。在缸套和活塞環(huán)互相對接的地方經(jīng)過兩、三次活塞的來回沖程，這個薄覆蓋層便可被磨掉，但它也可逗留稍長時間并將環(huán)和缸套之間配合不夠準(zhǔn)確的地方密封。如果需要將按照本發(fā)明的磨合層涂敷在由鋼、鑄鋼或鑄鐵鑄造的活塞環(huán)件上，而該環(huán)件已被敷設(shè)有在某些點上微觀硬度超過1200HV的耐磨層，那么最好將噴涂耐磨層所產(chǎn)生的表面粗糙度保持下來，直到將磨合層涂敷在耐磨層上。自然，這樣做可有效地使制造過程簡化，因為噴涂耐磨層后的拋光工序可被省略，但更重要的是，磨合層為了達(dá)到預(yù)期效果，必須牢固地粘結(jié)在活塞環(huán)的外表面上，而這在拋光的硬面上是很難做到的。磨合層如果粘結(jié)得不夠牢，它會在所希望的磨掉成為小平面之前就已在某些區(qū)域破裂開成為碎片。
眾所周知在磨合時活塞也可能會被咬住。因此最好在活塞的徑向外表面上位在頂活塞環(huán)的環(huán)狀槽和活塞頂面之間的上部，用熱噴涂將由鋼、鑄鋼或鑄鐵鑄造的活塞坯敷設(shè)一個厚度從0.1到5mm的復(fù)合層，其中由磨合層構(gòu)成其最外部。通過將噴涂層堆積到一個基本上大于磨合層本身所需的厚度，在活塞和缸套內(nèi)表面之間的在頂活塞環(huán)以上的區(qū)域中的環(huán)狀空間內(nèi)用自潤滑的材料填充，該材料在與缸套的內(nèi)表面接觸時不會發(fā)生咬住現(xiàn)象。這個環(huán)狀空間的填充可提供另一個優(yōu)點，即頂活塞環(huán)可在燃燒室的極高溫度下得到保護(hù)。高溫對潤滑狀態(tài)具有負(fù)面影響，因為潤滑油膜在高溫下較易破碎。這樣，該實施例就可有效地改善在頂活塞環(huán)周圍的潤滑狀態(tài)，從而可減少發(fā)生咬住的危險，不僅是在磨合時，而且是在隨后的發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行時。
在另一個實施例中，由鋼或鑄鐵鑄造的活塞坯是在活塞徑向外表面的下部即位在底活塞環(huán)的環(huán)狀槽和活塞下端之間的區(qū)域內(nèi)被熱噴涂一個磨合層。對此應(yīng)該知道，該活塞可具有一個活塞裙部，所謂裙部即向活塞的下端延伸而用螺栓固定在該下端上的活塞的下部。在這個通常位在活塞裙部上的下部，活塞可與缸套的內(nèi)表面接觸。在這個部位上敷設(shè)磨合層，那么當(dāng)缸套的內(nèi)表面還比較粗糙正在進(jìn)行磨合時，在活塞上發(fā)生咬住的作用就可被抵制。隨著缸套內(nèi)表面上的最高點被磨掉，活塞發(fā)生咬住的危險也就被減少，因此只要將磨合層敷設(shè)在活塞下部就足夠了。
有可能只將磨合層敷設(shè)在活塞環(huán)上，但最好所有活塞環(huán)都被用磨合層覆蓋，而活塞至少在其位在底活塞環(huán)環(huán)狀槽之下的下部被磨合層覆蓋，這樣便有可能使發(fā)動機(jī)較快地磨合，因為活塞和活塞環(huán)發(fā)生咬住損壞的危險已在相當(dāng)大的程度上被減少。
本發(fā)明還涉及一種用來磨合柴油機(jī)式的兩沖程十字頭型發(fā)動機(jī)的方法，該發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷時的最大燃燒壓力超過100巴，并且在該發(fā)動機(jī)中，就氣缸中的至少一個氣缸而言，有一缸套，一個帶有數(shù)個新制出的活塞環(huán)的活塞可在缸套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，其沖程至少為750mm，每一活塞環(huán)有一至少為250mm的外直徑和一對接在缸套內(nèi)表面上的徑向外表面。
已知的磨合這種發(fā)動機(jī)的方法通常要延續(xù)許多小時，在此期間內(nèi)發(fā)動機(jī)的載荷被逐步提高，中間發(fā)動機(jī)須暫停，以便在載荷被增加前檢查活塞環(huán)是否被咬住。通常發(fā)動機(jī)以大約15％的載荷起動，運(yùn)行半小時，檢查活塞環(huán)。然后發(fā)動機(jī)重新起動，在兩、三個小時內(nèi)分步提高到約40％的載荷，并在重新暫停30分鐘后再起動，在至少三小時以上將載荷分步提高到90％，然后將載荷增加到100％。這樣該發(fā)動機(jī)從第一次起動要經(jīng)過至少六小時的總合運(yùn)行時間才能達(dá)到滿負(fù)荷，其間該發(fā)動機(jī)要被暫停和重新檢查。盡管磨合如此緩慢，但在上面提到的最新的發(fā)動機(jī)內(nèi)仍可觀察到許多與活塞環(huán)咬住有關(guān)的問題。當(dāng)需要更換并安裝新的活塞環(huán)時，磨合程序又得從頭開始，重復(fù)進(jìn)行。
按照本發(fā)明的方法的特征為，發(fā)動機(jī)在起動后至多在三小時的總合運(yùn)行時間內(nèi)便可達(dá)到滿負(fù)荷，在該期間內(nèi)，在發(fā)動機(jī)起動前被設(shè)置在新制出的活塞環(huán)的徑向外表面上和/或在活塞的一部分徑向外表面上的磨合層至少有一部分被轉(zhuǎn)移到缸套的內(nèi)表面上，而該磨合層在發(fā)動機(jī)起動前在徑向上的厚度至少為0.1mm并且由宏觀硬度小于300HV30的材料制成。當(dāng)將新制出的活塞環(huán)裝到新制出的缸套內(nèi)時，可將發(fā)動機(jī)在至多為三小時的總合運(yùn)行時間內(nèi)帶到滿負(fù)荷，其時最大燃燒壓力超過135巴。
軟而厚度適當(dāng)?shù)哪ズ蠈邮刮覀冇锌赡茉谶M(jìn)行磨合程序時，載荷能顯著較快地增加到滿負(fù)荷，同時發(fā)生咬住損傷的危險顯著小于所述這種型式的已知發(fā)動機(jī)。較快和較安全的磨合可大大節(jié)省在制備發(fā)動機(jī)上所花費的時間。同時有可能以較高的程度將磨合集中到發(fā)動機(jī)零部件所必需進(jìn)行的調(diào)節(jié)，如燃料噴射程序和增壓器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)上。
除了軟磨合層能較快地在活塞環(huán)的外表面上磨出小平面外，磨掉的材料被沉積在缸套的內(nèi)表面上，特別是在其頂部上。這是因為燃燒室內(nèi)的壓力最高是在活塞將曲軸從其上死點向下轉(zhuǎn)動第一個20°的那部分發(fā)動機(jī)周期(循環(huán))內(nèi)，而磨耗是在壓力高時發(fā)生的。沉積在缸套內(nèi)表面上的材料有助于提供防止咬住的潤滑狀態(tài)，并且在缸套頂部區(qū)域的沉積對該區(qū)域特別有利，因為溫度很高，該區(qū)域是油基潤滑劑最難立足的地方。本發(fā)明有可能使用這樣一種缸套，其內(nèi)表面是由一個噴涂的耐磨層制成的。也可以將本發(fā)明應(yīng)用到一臺發(fā)動機(jī)上，其缸套的內(nèi)表面設(shè)有一個敷設(shè)在硬質(zhì)耐磨層頂面上的由軟材料構(gòu)成的磨合層。
最好發(fā)動機(jī)在至多為90分鐘的總合運(yùn)行時間內(nèi)達(dá)到滿負(fù)荷，這個運(yùn)行時間大部分對應(yīng)于考慮發(fā)動機(jī)的軸承和調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的構(gòu)件所需的運(yùn)行時間。這樣，這個磨合程序就不再由于考慮氣缸零件的防止咬住而被確定。
柴油機(jī)的活塞環(huán)是逐漸磨損的，其使用壽命比缸套短。當(dāng)在已知發(fā)動機(jī)的氣缸內(nèi)的活塞環(huán)須更換時，必須用許多小時如超過6個小時逐漸增加載荷來進(jìn)行磨合。這種情況典型地會在一條需要遵守預(yù)定航行日程的船上發(fā)生，過期則要船主罰款，典型地為每天25,000-40,000美元，因此在將一組新的活塞環(huán)裝到發(fā)動機(jī)的氣缸內(nèi)后，如果能減少所需的磨合時間，顯然是有利的。
按照本發(fā)明的方法，可將一個設(shè)有數(shù)個新制出活塞環(huán)的活塞裝到以前使用過的缸套內(nèi)，并且在發(fā)動機(jī)起動后至多一個小時的總合運(yùn)行時間內(nèi)便可達(dá)到滿負(fù)荷。由于只需這樣短的磨合時間，所以像平常那樣在港口停泊時便可更換新的活塞環(huán)而不會有什么問題，這是因為這個磨合時間比通常從發(fā)動機(jī)起動到滿負(fù)荷航行命令發(fā)出所需花費的時間來得短。
現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明的實例作較詳細(xì)的說明，在附圖中

圖1為通過缸套上部的縱向剖視圖，其中活塞和活塞環(huán)都在上死點上，圖2為通過活塞環(huán)的剖視圖，該活塞環(huán)是在鑄造的環(huán)材料上直接涂敷一個磨合層，圖3為通過活塞環(huán)的另一個實施例的剖視圖，該環(huán)是在噴涂在鑄造環(huán)材料上的硬質(zhì)耐磨層的外側(cè)涂敷一個磨合層，圖4為按照本發(fā)明的活塞的片段的側(cè)視圖，
圖5為按照本發(fā)明的磨合發(fā)動機(jī)的方法的一個實例的圖解。
圖1示出一臺大型兩沖程十字頭型發(fā)動機(jī)的缸套1的上部，該發(fā)動機(jī)可被用作驅(qū)動發(fā)電機(jī)的固定發(fā)動機(jī)或者作為船舶的推進(jìn)發(fā)動機(jī)。根據(jù)發(fā)動機(jī)的尺寸，缸套可被制成不同的尺寸，氣缸孔典型的尺寸為從250mm到1000mm，相應(yīng)的典型的長度為從1000mm到4500mm。缸套通常由鑄鐵、鋼或鑄鋼制成，在其內(nèi)表面上設(shè)有一個噴涂的耐磨層，缸套可以是整體的或分成至少兩個部分，這兩部分在長度上互相連結(jié)在一起。在分開的缸套內(nèi)也可能用另一種與下部不同的基體材料來制成上部。
缸套以公知的方式裝在發(fā)動機(jī)內(nèi)，圖上只是部分示出，由一環(huán)狀的、面向下的表面3定位在發(fā)動機(jī)框架箱或氣缸體內(nèi)的頂板4上，活塞5被裝在缸套內(nèi)，缸蓋6被安排在缸套頂部的環(huán)狀的面向上的表面上，并用圖上未示出的缸蓋螺栓夾緊到頂板上。
缸套的下部設(shè)有圖上未示出的環(huán)狀排列的掃氣空氣口?；钊裳馗滋椎目v向在上死點(上止點)和下死點(下止點)之間移動，在上死點，活塞的上表面9位在缸蓋6的孔內(nèi)，而在下死點，活塞的上表面9位在掃氣空氣口下端的緊下方。
通過活塞桿10、十字頭和連桿，活塞以公知的方式與發(fā)動機(jī)的曲軸連接。每當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)360°，活塞就從下死點移動到上死點并重新返回。
缸套1在表面3和7之間的上部被制成具有較大的外直徑，而在這個部分的頂部有許多細(xì)長的冷卻孔14從一在外面的凹槽15鉆入到缸套的壁內(nèi)，使得這些直的冷卻孔的縱軸相對于缸套的縱軸而沿傾斜或歪曲的方向延伸。在每一冷卻孔內(nèi)插有小管或擋板，以便導(dǎo)引流入的冷卻劑，使它從凹槽15上升到該孔的上死端，從該處冷卻劑向下流動并流出到一室16內(nèi)，從該處冷卻劑通過管17流動到缸蓋內(nèi)。應(yīng)該注意到，冷卻孔被圖示得似乎它們的縱軸線是在剖切平面內(nèi)延伸，但在實際上它們是相對于剖切平面斜向延伸。凹槽15被一環(huán)狀蓋板18封閉。公知冷卻孔可以有其他的設(shè)計，如在缸套壁內(nèi)埋入弧形的管道并在缸套外表面的頂部開口流出到一室內(nèi)。
在缸套的內(nèi)表面13上可設(shè)有一個或多個熱噴涂在其上的硬質(zhì)耐磨層，該耐磨層可由陶瓷或陶瓷與金屬的混合物，即所謂金屬陶瓷制成，或者是一個有極硬的顆粒埋入在一較軟的金屬基體內(nèi)的耐磨層。該基體例如可包括Cr、Ni和/或Mo，而該硬質(zhì)顆粒例如可包括碳化物、氮化物、硼化物和/或氧化物。耐磨層之一也可以是鉬和氧化鉬的混合物。另外還可以使缸套設(shè)有一個在最里面的軟磨合層，該層可包括固定在粘結(jié)劑Ni、Mo、Al或Ag內(nèi)的石墨。也可以省掉在缸套內(nèi)表面上的軟磨合層，這樣可更快地使活塞環(huán)磨合，因為在那種情況下，它們直接在缸套的硬質(zhì)耐磨層上或鑄造的基體材料上滑動。缸套在其內(nèi)表面可被制成波頂被除去的波狀模樣(花紋)。所說模樣可在缸套的整個內(nèi)表面上制出，也可以只在缸套的上部制出，該上部例如在活塞向下沖程的第一個40％時活塞環(huán)所掃過的部分，也可以采用其他的相對尺寸，如20％、25％、30％或35％或它們之間的中間值。波狀模樣有助于在活塞環(huán)和缸套內(nèi)表面之間保持最佳可能的潤滑條件，因為潤滑油能被收集在波溝的底部，以便用來供給溝間的臺地。當(dāng)新活塞環(huán)在新缸套內(nèi)被磨合時，活塞環(huán)的外表面在近乎平面的臺地上滑動。
在圖1中活塞5是在上死點。該活塞設(shè)有四個活塞環(huán)19，其中頂活塞環(huán)為一標(biāo)準(zhǔn)斜切環(huán)或一個氣密式環(huán)，也就是氣體基本上不能從環(huán)的分離處通過，這一點可以做到，例如使環(huán)的一端有一扁平的突部，然后將它插入到另一端的相應(yīng)凹槽內(nèi)。在頂部以下的第二和第三活塞環(huán)及底活塞環(huán)可用傳統(tǒng)的斜切環(huán)，其分離處形成一個間隙在環(huán)的上、下表面之間沿著傾斜于圓周的方向延伸，或者可用近似氣密式的環(huán)。在本發(fā)明的文本中，活塞環(huán)一詞被用來指活塞壓縮環(huán)。
圖2中的活塞環(huán)19具有一個由鑄鐵鑄造的活塞環(huán)坯30，在其徑向外表面31上用熱噴涂敷設(shè)厚度至少為0.1mm的磨合層32。圖3中的活塞環(huán)19具有一個由鋼或鑄鋼鑄造的活塞環(huán)件34。由于該件不是由鑄鐵制成的，在其鋼的徑向外表面35上必需敷設(shè)一個耐磨層36，該耐磨層的材料須在缸套的內(nèi)表面上有令人滿意的滑動性能，例如由瑞典DAROSAB公司制造的材料PM2、PM10、PM14、PM20、PM28或L1中的一種。然后用熱噴涂將一個厚度至少為0.1mm的磨合層37涂敷到耐磨層的徑向外表面33上。在活塞環(huán)上的磨合層的厚度也可以大于0.1mm，例如從0.13到3.0mm，但最好至多為2.0mm。
圖4示出活塞5的片段，中部已被略去。在活塞的徑向外表面上有一個厚度從0.1到5mm的軟層40涂敷在活塞的上部38，該上部是從頂活塞環(huán)的環(huán)狀槽向上延伸到一個用來安裝活塞提升工具的切口39。該層的最外部的作用為一個磨合層，該層具有與活塞環(huán)所用磨合層相同的成分?；钊南虏烤哂幸粋€用螺栓固緊到活塞上部的活塞裙部41。這兩部分的分界面用虛線示出?；钊共康耐獗砻嬗脽釃娡糠笤O(shè)一個厚度至少為0.1mm的磨合層42。
用熱噴涂將材料層噴涂到圓形物件上是大家都知道的方法。這個熱噴涂例如可以是火焰噴涂、等離子噴涂、HVOF噴涂或電弧噴涂。關(guān)于噴涂的各種方法，例如在EP-B 0 341 672、EP-A 0 203 556、WO95/21994和WO 95/02023中都有說明。在噴涂時可使用填充劑(填料)，該填充劑以重量百分比計，除了通?？捎龅降碾s質(zhì)外，例如可具有下列組成中的一種(a)5到60％的石墨和40到95％的Ni,(b)5到60％的石墨和40到95％的Al,(c)5到60％的石墨和40到95％的Si和/或Al，或(d)5到60％的石墨、20到90％的Si和/或Al、和5到15％的有機(jī)粘結(jié)劑。
較好的組成是填充劑包括20到25％的石墨和75到80％的Ni和/或Al，或填充劑包括15到25％的石墨和75到85％的Ni和/或Al。實例1四個外直徑正好在600mm之下的鑄鐵活塞環(huán)被邊靠邊地固定著，并用METCO生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)等離子噴涂裝置涂敷一個磨合層。噴頭和活塞環(huán)的外表面之間的距離為115mm，所用電流為500A。噴頭和活塞環(huán)之間的相對轉(zhuǎn)速被設(shè)定為27rpm，活塞環(huán)在軸向上的進(jìn)給被設(shè)定為7mm/每轉(zhuǎn)。含有20％石墨和80％鎳的鎳覆蓋石墨球的粉狀原始材料以95g/分的量供入。每當(dāng)內(nèi)表面走過一次，在活塞環(huán)上沉積一個0.02mm厚度的層。所用載帶氣體為氮。沉積的厚度被堆積起來一直到形成一個厚度為0.15mm的層。測得該層的平均硬度為140HV30。活塞環(huán)被分開，不再經(jīng)過后加工就可裝在一臺兩沖程十字頭發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)缸套內(nèi)的活塞上。該發(fā)動機(jī)的正常最大燃燒壓力為145巴。在15％的載荷進(jìn)行30分鐘的初始運(yùn)行后，將載荷在15分鐘內(nèi)增加到100％，繼續(xù)運(yùn)行1.5小時，令發(fā)動機(jī)停止并檢查缸套。未能觀察到有實際咬住的跡象，不管是在活塞環(huán)的外表面上還是在缸套的內(nèi)表面上。磨成的小平面可以在活塞環(huán)的外表面上觀察到，這表明活塞環(huán)可連續(xù)運(yùn)行而不形成咬住現(xiàn)象。還可觀察到部分磨合層已從活塞環(huán)沉積到缸套的內(nèi)表面上的活塞環(huán)所掃過的區(qū)域的頂部四分之一的區(qū)域內(nèi)。實例2氣缸孔徑為350mm的兩沖程十字頭發(fā)動機(jī)用的活塞裙部，用火焰噴涂將其圓柱形外表面涂敷上一層厚度為1mm的上述型式的磨合層。在涂敷后測得涂層的平均硬度為75HV30。將包括有活塞裙部的活塞裝到發(fā)動機(jī)的一個傳統(tǒng)的缸套內(nèi)，以傳統(tǒng)的方式運(yùn)轉(zhuǎn)氣缸，磨合后在活塞裙部上沒有觀察到有咬住現(xiàn)象。
圖5示出一臺十字頭型新柴油機(jī)的磨合方法的一個例子，其中發(fā)動機(jī)的活塞環(huán)涂敷有上述型式的軟磨合層。在發(fā)動機(jī)裝配好以后，開始運(yùn)行，先在15％的載荷下運(yùn)行30分鐘，然后停止發(fā)動機(jī)，檢查活塞環(huán)的狀態(tài)。在停止30分鐘后，增加載荷，按五分鐘的間隔從15％陸續(xù)增加到25％、40％和50％，在50％的載荷下運(yùn)行30分鐘，然后不停車地增加載荷，按五分鐘的間隔陸續(xù)將載荷增加到60％、75％、85％、90％，最后到100％。這樣，全部發(fā)動機(jī)載荷便可在略微超過1.5小時的總的運(yùn)行時間內(nèi)達(dá)到。這種快速磨合到滿負(fù)荷之所以可能就是由于在活塞環(huán)上的軟磨合層。也可以按照其他的載荷漸增的方式來完成磨合。
在一次不尋常的實驗中，所用發(fā)動機(jī)為現(xiàn)行型式，氣缸尺寸為350mm，正常的最大燃燒壓力為145巴。先將該發(fā)動機(jī)在15％的載荷下運(yùn)行30分鐘以便磨合主軸承，然后在15分鐘內(nèi)將載荷逐漸增加到100％。這個全載荷被維持1小時，然后將發(fā)動機(jī)停止并檢查活塞環(huán)的狀態(tài)。令人驚奇的是，雖然非常急劇地進(jìn)行磨合，但在活塞環(huán)的外表面上并未觀察到有咬住現(xiàn)象。
磨合層的宏觀硬度不僅取決于磨合層的組成，而且取決于涂敷的方法。宏觀硬度取決于各組分的微觀硬度。石墨本身并沒有可供測量的微觀硬度，這意味著石墨含量增加時，磨合層的微觀硬度就降低。金屬粘結(jié)劑的微觀硬度取決于涂敷的方法，可以一提的是，例如對于鎳和石墨組成的層，在鎳相中曾經(jīng)測得，當(dāng)該層用火焰噴涂時，微觀硬度為100HV，而當(dāng)該層用等離子噴涂時，微觀硬度可達(dá)600HV。這樣，磨合層的宏觀硬度可根據(jù)需要在40HV和300HV之間變化，這可通過改變石墨的含量和當(dāng)需要一個極軟的磨合層時選用火焰噴涂來實現(xiàn)。如果選用電弧噴涂，該層便可變得硬些，采用等離子噴涂可變得更硬，而當(dāng)采用HVOF噴涂，可達(dá)到最硬。
權(quán)利要求
1．在柴油機(jī)式的內(nèi)燃機(jī)，特別是兩沖程十字頭型發(fā)動機(jī)中使用的活塞環(huán)和/或活塞，這種發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷時的最大燃燒壓力超過135巴，其活塞(5)設(shè)有數(shù)個如為三個到五個活塞環(huán)(19)，并在氣缸套(1)內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，其沖程至少為750mm，活塞環(huán)裝在環(huán)狀槽內(nèi)時的外直徑至少為250mm，每一環(huán)狀槽在軸向上的高度都比活塞環(huán)的高度高，每一活塞環(huán)都有一個可沿著缸套的內(nèi)表面(13)滑動的徑向外表面，其特征為，在新制出的狀態(tài)下，活塞環(huán)的徑向外表面和/或活塞(5)的一部分徑向外表面設(shè)有一個包括固態(tài)潤滑劑和金屬粘結(jié)劑的磨合層，該磨合層(32、37、40、42)在徑向上的厚度至少為0.1mm，其組成以重量百分比計，除了通常遇到的雜質(zhì)外，包括5到60％的固態(tài)潤滑劑，如石墨，和40到95％的金屬粘結(jié)劑，如Ni、Al、Si，還有任選的可達(dá)15％的有機(jī)粘結(jié)劑，該磨合層的宏觀硬度小于300HV30。
2．按照權(quán)利要求1的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，磨合層(32)用熱噴涂敷設(shè)在由鋼或鑄鐵鑄造的活塞環(huán)或活塞坯(30)上。
3．按照權(quán)利要求2的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，由鋼或鑄鐵鑄造的活塞環(huán)件利用熱噴涂覆蓋上一耐磨層(36)，該耐磨層的材料在某些點上的微觀硬度超過1200HV，由噴涂耐磨層產(chǎn)生的表面粗糙度應(yīng)被保持下來，直到將磨合層(37)噴涂在耐磨層上。
4．按照權(quán)利要求2或3的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，在活塞的徑向外表面上位在頂活塞環(huán)(19)的環(huán)狀槽和活塞頂面之間的上部(38)，由鋼或鑄鐵鑄造的活塞坯設(shè)有一個熱噴涂層，其總層厚度從0.1到5mm，其中所述磨合層(40)構(gòu)成其最外部。
5．按照權(quán)利要求2-4中任一項的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，由鋼或鑄鐵鑄造的活塞坯在其徑向外表面上位在底活塞環(huán)(19)的環(huán)狀槽和活塞的下端之間的下部(41)設(shè)有一個熱噴涂磨合層(42)。
6．按照權(quán)利要求2-5中任一項的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，所有活塞環(huán)(19)都覆蓋有磨合層(32、37)，而活塞(5)至少在其位在底活塞環(huán)的環(huán)狀槽之下的下部覆蓋有磨合層(42)。
7．按照以上權(quán)利要求中任一項的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，在活塞環(huán)上的磨合層(32、37)的厚度為0.13到3.0mm，最好至多為2.0mm。
8．按照以上權(quán)利要求中任一項的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，用于熱噴涂磨合層(32、37、40、42)的填充劑的組成以重量百分比計，除了通常遇到的雜質(zhì)外，可以包括下列組成中的一種(a)5到60％的石墨和40到95％的Ni,(b)5到60％的石墨和40到95％的Al,(c)5到60％的石墨和40到95％的Si和/或Al，或(d)5到60％的石墨、20到90％的Si和/或Al和5到15％的有機(jī)粘結(jié)劑。
9．按照權(quán)利要求8的活塞環(huán)和/或活塞，其特征為，填充劑具有15到25％的石墨和75到85％的Ni和/或Al。
10．一種用于磨合柴油機(jī)式的兩沖程十字頭型發(fā)動機(jī)的方法，該發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷時的最大燃燒壓力超過100巴，并且在該發(fā)動機(jī)中，就氣缸中的至少一個氣缸而言，有一缸套(1)，一個帶有數(shù)個新制出的活塞環(huán)(19)的活塞(5)可在缸套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，其沖程至少為750mm，每一活塞環(huán)有一至少為250mm的外直徑和一對接在缸套內(nèi)表面(13)上的徑向外表面，所說方法的特征為，將發(fā)動機(jī)起動并在至多三小時的總合運(yùn)行時間內(nèi)使發(fā)動機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷，在該期間內(nèi)，在發(fā)動機(jī)起動前被設(shè)置在新制出的活塞環(huán)的徑向外表面上和/或在活塞的一部分徑向外表面上的磨合層(32、37、40、42)至少有一部分被轉(zhuǎn)移到缸套的內(nèi)表面(13)上，而該磨合層在發(fā)動機(jī)起動前在徑向上的厚度至少為0.1mm并且由宏觀硬度小于300HV30的材料制成。
11．按照權(quán)利要求10的方法，其特征為，使具有新制出缸套的發(fā)動機(jī)在至多三小時的總合運(yùn)行時間內(nèi)達(dá)到滿負(fù)荷，其時最大燃燒壓力超過135巴。
12．按照權(quán)利要求10或11的方法，其特征為，使發(fā)動機(jī)在至多1.5小時的總合運(yùn)行時間內(nèi)達(dá)到滿負(fù)荷。
13．按照權(quán)利要求10的方法，其特征為，將一個設(shè)有數(shù)個新制出活塞環(huán)的活塞裝到以前使用過的缸套內(nèi)，起動發(fā)動機(jī)并在至多一個小時的總合時間內(nèi)使發(fā)動機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷。
全文摘要
兩沖程十字頭型發(fā)動機(jī)用的活塞環(huán)和/或活塞在其徑向外表面上設(shè)有磨合層(32、37、40、42),其在徑向上的厚度至少為0.1mm,并且是由這樣一種材料制成,該材料具有5到60%的固態(tài)潤滑劑,如石墨,和40到95%的金屬粘結(jié)劑,如Ni、Al、Si,還可能有高達(dá)15%的有機(jī)粘結(jié)劑。磨合層的宏觀硬度小于300HV30。磨合層使發(fā)動機(jī)可以在起動后在至多三小時的總合運(yùn)行時間內(nèi)達(dá)到滿負(fù)荷。
文檔編號F16J9/26GK1225160SQ9719621
公開日1999年8月4日 申請日期1997年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月21日
發(fā)明者萊赫·莫丘爾斯基 申請人:曼B與W狄賽爾公司