活塞環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的影響及改進(jìn)對(duì)策

陳 勇，張國(guó)勇

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州 646099）

0 引言

活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件之一，與活塞、氣缸套相互聯(lián)系在一起，組成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源組件?；钊h(huán)的主要功能是密封：活塞環(huán)和缸套內(nèi)壁以及活塞環(huán)槽側(cè)面的良好接觸，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒氣體最大限度地做功，同時(shí)防止滑動(dòng)面潤(rùn)滑劣化、潤(rùn)滑油劣化等，避免異常磨損、拉缸等現(xiàn)象。衡量活塞環(huán)密封功能的指標(biāo)是活塞漏氣量，影響因素有活塞環(huán)設(shè)計(jì)、加工質(zhì)量、缸套的變形、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況等。其中，最主要的影響因素是活塞環(huán)設(shè)計(jì)。為了解決活塞漏氣問(wèn)題，對(duì)影響活塞漏氣量的因素進(jìn)行了分析，并提出應(yīng)對(duì)對(duì)策。

1 活塞環(huán)對(duì)漏氣量的影響

1.1 活塞環(huán)漏氣通道

直開口活塞環(huán)漏氣通道如圖1所示。從圖中可以看出，由活塞環(huán)開口、缸孔表面、活塞外圓面所形成的面積即為漏氣通道面積，其數(shù)值大小將直接決定活塞漏氣量的多少。所以，活塞環(huán)對(duì)活塞漏氣量影響最大的因素就是第一道活塞環(huán)閉合間隙S1。在相同工況下，第一道活塞環(huán)的閉合間隙越?。ㄇ疤崾枪ぷ鲿r(shí)在熱膨脹的作用下，S1≥0即可），通過(guò)該通道流向第二道環(huán)岸部的氣體的量就越少。

圖1 直開口活塞環(huán)漏氣通道

1.2 活塞環(huán)懸浮

活塞環(huán)的懸浮如圖2所示。其中，P1為燃燒室壓力，P2為第二環(huán)岸壓力，P上側(cè)為由P1作用在環(huán)上側(cè)面的壓力，P內(nèi)圓由P1作用在環(huán)內(nèi)圓面的壓力，ft為環(huán)的切向彈力，f慣性為活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，f為環(huán)和缸套之間的摩擦力，f下側(cè)由P2作用在環(huán)下側(cè)面的壓力。

考察活塞的做功行程。從第一道環(huán)的受力分析可以看出，當(dāng)P慣性+P下側(cè)+f≥P上側(cè)時(shí)，活塞環(huán)將和環(huán)槽下側(cè)面脫離而處于懸浮狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生漏氣通道，從而導(dǎo)致活塞漏氣量急劇上升。

所以，在設(shè)計(jì)活塞環(huán)時(shí)，一般將第二道環(huán)的閉合間隙設(shè)定為S12ND≥S1top，使從第一道活塞環(huán)閉合間隙處下行的氣體能及時(shí)從第二道環(huán)的閉合間隙處排出，從而避免P2上升過(guò)大導(dǎo)致TOP產(chǎn)生懸浮。將這種考慮稱為2ND活塞環(huán)的卸壓作用。

圖2 活塞環(huán)的懸浮

1.3 活塞環(huán)和缸套表面的接觸狀況

活塞環(huán)和缸套之間接觸狀況如圖3所示。活塞環(huán)為彈性體，在自身彈力作用下，能適應(yīng)一定的缸套變形，被稱為活塞環(huán)的追隨性。在圖3中，a）表示缸套無(wú)變形或變形為橢圓狀，環(huán)和缸套表面接觸狀況良好，基本不存在漏氣通道；b）表示缸套變形為三棱形，活塞環(huán)已不能適應(yīng)缸套的變形，它們的間隙成為漏氣通道；c）表示缸套的變形為四邊形，此時(shí)活塞環(huán)對(duì)該變形將更加難以適應(yīng)，其間隙成為漏氣通道。當(dāng)缸套的變形為多邊形時(shí)，隨著邊數(shù)的增加，其形狀將接近正圓，活塞環(huán)也能起到密封作用。

所以，盡管氣缸套的機(jī)械變形和熱變形不可避免，但對(duì)其進(jìn)行控制是非常必要。另外，對(duì)活塞環(huán)而言，需要提高其追隨性以降低缸套變形所帶來(lái)的不利影響。提高活塞環(huán)追隨性的措施有降低活塞環(huán)的環(huán)高和徑向厚度、提高環(huán)的切向彈力、使用彈性模量較低的基體材料等。但這些手段還需要結(jié)合耐磨性、可靠性等方面綜合考慮，其效能受到很多的制約。

1.4 活塞環(huán)和活塞環(huán)槽下側(cè)面的接觸狀況

圖3 活塞環(huán)和缸套接觸狀況

環(huán)和環(huán)槽下側(cè)面之間接觸狀況如圖4所示：a）為接觸正常的狀態(tài)，環(huán)和環(huán)槽間不存在漏氣通道；b）表示當(dāng)環(huán)槽或環(huán)的下側(cè)面因加工等原因存在微觀不平或波浪形輪廓時(shí)，接觸面的部分區(qū)域存在間隙，這些間隙將成為漏氣的通道。其對(duì)策主要是提高環(huán)和環(huán)槽的加工精度，并盡可能避免在加工及運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生變形。

圖4 環(huán)和環(huán)槽下側(cè)面接觸狀況

2 降低活塞漏氣量的對(duì)策及總結(jié)

通過(guò)對(duì)活塞漏氣量的影響因素分析，將降低活塞漏氣量的對(duì)策總結(jié)如下。

降低活塞漏氣量的對(duì)策主要有兩個(gè)：一是漏氣通道面積縮小，二是活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)改進(jìn)。它們分別又包含不同的措施，如圖5所示。

圖5 降低活塞漏氣量的措施