运行组、活塞衬套和发动机组

摘要

本发明涉及用于内燃机的运行组，包括至少一个缸套(4)或有至少一个整体式汽缸(4’)的发动机组和有至少一个活塞环(2)，其中环(2)限定外运行表面(3)并且缸套/整体式汽缸(4，4’)限定内运行表面(5)，环(2)的外运行表面(3)与缸套/整体式汽缸(4，4’)的内运行表面(5)滑动地相互作用，其中至少一部分环(2)的外运行表面(3)有由陶瓷材料制成的涂层，并且至少一部分缸套/整体式汽缸(4,4’)的内运行表面(5)含有比例低于3％的弯曲金属。

权利要求

1.一种运行组，用于内燃机，包括至少一个缸套(4)或有至少一个整体式汽缸(4’)的发动机组和至少一个活塞环(2)，所述活塞环(2)限定外运行表面(3)并且所述缸套/整体式汽缸(4，4’)限定内运行表面(5)，所述活塞环(2)的外运行表面(3)与缸套/整体式汽缸(4，4’)的内运行表面(5)滑动接触；所述运行组的特征在于，至少一部分活塞环(2)的外运行表面(3)有涂层，该涂层由陶瓷材料组成，并且至少一部分缸套/整体式汽缸(4，4’)的内运行表面(5)含有比例低于3％的折叠金属。

2.根据权利要求1所述的运行组，其特征在于，

应用在至少一部分所述活塞环(2)的外运行表面(3)上的所述陶瓷材料组成的所述涂层由氮化铬(CrN)组成，借助于物理气相沉积(PVD)应用。

3.一种缸套，用于内燃机，其特征在于，

缸套限定内运行表面(5)，该内运行表面至少有一部分含有比例低于3％的折叠金属。

4.一种发动机组，包括至少一个整体式汽缸(4’)，其特征在于，所述整体式汽缸(4’)限定内运行表面(5)，该内运行表面至少有一部分含有比例低于

3％的折叠金属。

说明书

运行组、活塞衬套和发动机组

技术领域

[0001] 本发明涉及一种运行组，包括至少一个活塞环和至少一个缸套或作为发动机组组成部分的汽缸(整体式汽缸)，至少一部分运行表面含有比例低于3％的折叠金属，运行表面由缸套或汽缸限定。

背景技术

[0002] 在制造缸套或要整合至内燃机发动机的汽缸的结束阶段，内运行表面进行所谓的磨光或抛光处理，以准确实现合适的粗糙系数的所述特性的目标，并且由此可在许多运行时间里性能优良的正确实施功能而且润滑油燃烧量低。

[0003] 磨光或抛光期间，在处理的表面上获得一定量的折叠金属，这是不利的，因为折叠金属会导致应用在活塞环外运行表面上的涂层破裂，特别是在该涂层为借助于PVD(物理气相沉积)方法应用的陶瓷涂层时。如果涂层的破裂达到一定比例，会导致减少内燃机的使用寿命，因为环开始摩擦其支撑材料，这也将导致损坏燃烧室密封。

[0004] 一个增加发动机组件(固定或可移动的发动机组或缸套)上涂层的耐久性的解决方法在由同一申请人申请的文件PI 1100176-3中明确说明，发动机组件提供有至少一个汽缸并且基本上由铁组成，在文件中，组件提供有涂层，该涂层分成三个不同层应用至金属基质上，其中第一层由纯硅组成，应用在基质上并且有在金属基质和随后含有无定形碳的层之间形成具有令人满意的粘附的界面的功能，一层过渡层，含有硅和无定形碳(a-C:H:Si)，以及最后在工作表面上的第二层，只含有无定形碳(a-C:H)，所述涂层借助于等离子体强化化学气相沉积(PECVD)通过空心阴极效应(HCE)产生。

[0005] 另一种方法为在缸套/汽缸使用热喷射涂层，但是这种类型的涂层要求的实施成本高得多，同样考虑到使用的材料层厚度更厚。另外，这种类型的涂层没有示例也不可能，该示例同样包括活塞环关于最大化耐久性结果的涂层类型。

[0006] 德国专利文件DE 102007008604涉及一种方法，用于评估磨光结构，例如缸套/汽缸的运行表面，该方法使得量化折叠金属的比例成为可能，这样可检测现有比例并且关联至活塞环上涂层的破裂，并且同样可检测其他需要检测以及与之相关联的特性。

[0007] 德国专利文件DE 10302055涉及一种白光干涉仪，在光学或磁场的影响下，白光干涉仪可对物体进行深入扫描，结果是可在缸套/汽缸的内运行表面上确定折叠金属的出现和比例。

[0008] 最后，德国专利文件DE 102005023212涉及一种方法，用于增加测量速度和测量的准确度，该方法使得对物体更准确的测量成为可能。

[0009] 这种类型的测量技术的出现使得申请者可十分准确的检测抛光结构中折叠金属比例的百分比量化；可检测现有比例并且关联至活塞环上涂层的破裂，并且同样申请者需要检测和与之相关联的其他特性，以借助于参数准确的与产品开发联系起来，比如性能，耐久性和成本。

发明内容

[0010] 如在基本条款中所描述，本发明基于所述目的，提供一种活塞环和缸套或汽缸的内运行表面之间的组合，活塞环的外运行表面提供有借助于PVD方法(物理气相沉积)应用的涂层，缸套或汽缸的内运行表面含有低比例的折叠金属。

[0011] 更加准确的说，本发明基于所述目的，提供一种运行组，包括至少一个活塞环和至少一个缸套或作为发动机组组成部分的汽缸(整体式汽缸)，在该运行组中，至少一部分由缸套或汽缸限定的运行表面有陶瓷涂层，并且至少一部分缸套/汽缸的内运行表面含有比例低于3％的折叠金属。

[0012] 此外，本发明基于所述目的，提供一种缸套，在该缸套中，至少一部分由环限定的运行表面有陶瓷涂层，并且至少一部分缸套/汽缸的内运行表面含有比例低于3％的折叠金属。

[0013] 最后，本发明基于所述目的，提供一种有至少一个整体式汽缸的发动机组，在该发动机组中，至少一部分由环限定的运行表面有陶瓷涂层，并且至少一部分缸套/汽缸的内运行表面含有比例低于3％的折叠金属。

[0014] 本发明的目的通过用于内燃机中的运行组实现，该运行组包括至少一个缸套或有至少一个整体式汽缸的发动机组和至少一个活塞环，环限定外运行表面并且缸套/整体式汽缸限定内运行表面，环的外运行表面和缸套/整体式汽缸的内运行表面滑动地相互作用，至少一部分环的外运行表面有由陶瓷材料组成的涂层，并且至少一部分缸套/整体式汽缸的内运行表面含有比例低于3％的折叠金属。

[0015] 此外，本发明的目的通过缸套实现，该缸套特别指定用于内燃机并且限定内运行表面，至少一部分缸套含有比例低于3％的折叠金属。

[0016] 此外，本发明的目的通过有至少一个整体式汽缸的发动机组实现，该整体式汽缸限定内运行表面，至少一部分整体式汽缸含有比例低于3％的折叠金属。

附图说明

[0017] 在下文中，本发明将利用示例性实施方式参照附图更加详细的进行描述，其中：

[0018] 图1示出形成本发明主题的运行组的示意图，

[0019] 图2示出图表，比较形成本发明主题的运行组和当前已知运行组的性能，[0020] 图3示出在缸套/汽缸中运转后第一槽的环的接触区域上部的放大图，该环的内运行表面含有正常比例，标准比例或受控比例的折叠金属，

[0021] 图4示出在缸套/汽缸中运转后第一槽的环的接触区域中部的放大图，该环的内运行表面含有正常比例，标准比例或受控比例的折叠金属，

[0022] 图5示出在缸套/汽缸中运转后第一槽的环的接触区域上部的放大图，该环的内运行表面含有比例低于3％的折叠金属(本发明)，

[0023] 图6示出在缸套/汽缸中运转后第一槽的环的接触区域中部的放大图，该环的内运行表面含有比例低于3％的折叠金属(本发明)，

[0024] 图7示出列表，该列表示出有PVD涂层的活塞环的破裂，以准确(i)在缸套/汽缸中运转时，该活塞环的内运行表面含有高比例的折叠金属，并且(ii)在缸套/汽缸中运转时，该活塞环的内运行表面含有比例低于3％的折叠金属(本发明)。

具体实施方式

[0025] 本发明基本上涉及活塞环和含有少量比例折叠金属的缸套或汽缸的组合，该组合用于内燃机的运行组中，活塞环的外运行表面提供有借助于PVD方法(物理气相沉积)应用的陶瓷涂层。

[0026] 运行组基本上包括缸套4或有至少一个整体式汽缸4’的发动机组和至少一个活塞环2。环2限定外运行表面3，并且缸套/整体式汽缸4，4’限定内运行表面5，并且环2的外运行表面3和缸套/整体式汽缸4，4’的内运行表面5滑动地相互作用。

[0027] 在任何情况下，第一槽的环不形成本发明的主体对象，并且该第一槽的环的形状和组成可随意变换，只要该环的外运行表面3提供有借助于物理气相沉积(PVD)应用的陶瓷涂层。

[0028] 尽管涂层在理论上可随意变换，借助于PVD方法应用的涂层有一系列特性，与其他类型的涂层或表面处理和/或其他应用方法相比为应用提供许多优点。但是，该涂层同样对于破裂最为敏感。

[0029] 更加准确的说，应用至环2的陶瓷涂层是包括氮化铬(CrN)的涂层；所述陶瓷材料的组成可变化，但是，不离开本发明专利权利要求的保护范围。作为另一种方法，可使用包括氮化铬(Cr2N)，氮化铌(NbN)或其他必需或可取的陶瓷涂层。

[0030] 只要考虑到缸套4或整合至发动机组4’的汽缸，运行表面5都可有不同的特性，而不离开专利权利要求的保护范围。如上所述，内运行表面5在部件的生产过程中进行磨光或抛光，结果是保证在许多运行时间里性能优良的高效功能而且润滑油燃烧量低。

[0031] 但是，活跃在该领域的技术人员知道，磨光或抛光期间在处理的表面上会获得一定量的折叠金属，这就导致应用在活塞环外滑动表面上的涂层破裂，特别是在该涂层为借助于PVD方法(物理气相沉积)应用的陶瓷涂层时。

[0032] 如果涂层的破裂达到一定比例，这会导致减少内燃机的使用寿命，因为环开始摩擦其支撑材料，这也将导致损坏燃烧室密封。

[0033] 直到现在，对折叠金属的比例和环上涂层的破裂之间的联系还没有进行过彻底的调查；同样，对是否可以对所述折叠金属进行最大部分的拆除和这样是否会导致环的耐久性的增加也没有过调查。

[0034] 直到现在，发动机组件供应商使用的方法导致借助于PVD方法和其他解决方法应用的陶瓷层的改良，以使发动机的性能能在相对较长的时间里维持在同等水平。

[0035] 通过本次调查和本发明，申请人完全改变了解决这种类型的破裂的模式，示出研究的高度创新和所实现结果的独创性，因为这些在以前从来没有受到科学的调查并且因此不可预见或意料不到。

[0036] 在进行过多种检测和测试后，申请人发现内运行表面5上折叠金属的比例减少导致应用在环的外运行表面3上的涂层破裂的减少，特别是在通常使用并且借助于PVD应用的陶瓷涂层的情况下。

[0037] 图2代表复合图表，示出比较测试。图表的左边部分示出测试有包括CrN的陶瓷涂层的活塞环的结果，通过PVD应用，在缸套/汽缸中，内表面5至少一部分含有比例为4.4％(±1.1％)的折叠金属，所述值可视为正常值，标准值或控制值。在测试后确定涂层的磨损为0.14μm。

[0038] 图表的右边部分示出同样的环在同样条件下测试的结果，只是在这种情况下，缸套/汽缸的内表面5至少一部分含有比例为1.8％(±0.4％)的折叠金属，所述值可视为低。在测试后确定涂层的磨损为0.04μm。

[0039] 因为其他的变化在两种测试中是同样的，可清楚的看出磨损的显著减少(0.04μm与0.14μm相比，少于三分之一)。

[0040] 这次测试是进行的无数次测试中的一次，并且在决定中很大程度上具有代表性，如果折叠金属的比例从大约4％降至2％，环涂层的磨损显著减少。

[0041] 在进行一系列模拟和测试后，申请人由此得出结论，如果至少一部分缸套/整体式汽缸4，4’的内运行表面5含有比例低于3％的折叠金属，可实现最佳特性。

[0042] 图3和5之间的比较十分清楚的示出，在测试环时，其中缸套/整体式汽缸4，4’含有比例为1.8％的折叠金属(图5)和测试同样的环相比较，但是后者的缸套/整体式汽缸4，4’含有比例为4.4％的折叠金属(图3)，破裂(不规则的较深空洞，代表涂层“掉落”的碎片)明显减少。

[0043] 在与此类似的方法中，图4和6的比较分析示出破裂同样减少，但是在环的接触区域中部这里而不是在上部，在那里负载的性质更加关键。

[0044] 最后，图7的列表示出六缸内燃机中测试的环的破裂之间的比较，但是根据所述破裂安排的特点分布在环的格式的360°。

[0045] 测试环时，与之相关联的表面5含有被视为正常或控制值的折叠金属，破裂由六缸中的四个缸的环决定。当以同样的发动机并且在同样的条件下重复测试时，除了折叠金属的比例不同(在这里较低)，破裂仅由两个环决定，并且磨损明显更低。

[0046] 最后，同样要强调的是，本发明同样包括彼此分离的缸套4和发动机组。

[0047] 形成本发明主题的缸套4区别于其他的在于该缸套限定内运行表面5，其中至少一部分内运行表面含有比例低于3％的折叠金属。

[0048] 形成本发明主题并且提供有至少一个整体式汽缸4’的发动机组区别于其他的同样在于，汽缸4’限定内运行表面5，其中至少一部分内运行表面含有比例低于3％的折叠金属。

[0049] 不管对一个优选的示例性实施方式的描述，本发明的范围包括其他可能的变化，这种变化仅受相关专利权利要求的内容限制，包括可能的同等变化。