基于S-195柴油機活塞環(huán)氣密性測試方法的研究

喬智星，趙丹平，馮強

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

基于S-195柴油機活塞環(huán)氣密性測試方法的研究

喬智星，趙丹平，馮強

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

通過使用靜態(tài)測試法和運動平衡態(tài)測試法對傳統(tǒng)活塞環(huán)和新型組合式活塞環(huán)的實驗研究，探討其對S-195型柴油機的密封性的影響。結果表明，運動平衡態(tài)測試方法優(yōu)于靜態(tài)測試方法。

S-195柴油機；活塞環(huán)；運動平衡態(tài)測試法；靜態(tài)測試法

眾所周知，活塞環(huán)的氣密性影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性以及排放性能。其密封性好，發(fā)動機動力性強；密封不良，氣缸壓縮壓力低，燃氣泄漏到曲軸箱，造成燃油浪費，影響大氣環(huán)境[1]。因此，活塞環(huán)氣密性測試方法的研究很有意義，本文主要針對靜態(tài)測試和運動平衡態(tài)測試方法進行研究。

1 靜態(tài)測試方法

靜態(tài)測試就是在給氣缸充入一定壓力的氣體，讓缸內(nèi)氣體只通過活塞環(huán)一處泄漏，并且采集氣缸內(nèi)實時壓力，利用理想氣體狀態(tài)方程計算漏氣量。靜態(tài)測試可以看成帶有一個通孔的封閉容器[2]，向外界泄漏的過程如圖1所示。

圖1 氣體靜態(tài)泄漏模型

根據(jù)以上的測試原理搭建了試驗臺架，試驗臺架主要由S195柴油機、空氣壓縮機、儲氣罐、高壓氣管、閥門、壓力表、壓力傳感器以及數(shù)據(jù)采集模塊組成[3]好各個設備后，在保持相同的初始壓力的情況下，分別測量安裝有組合式活塞環(huán)[4]和傳統(tǒng)活塞環(huán)時的氣缸壓力保持時間。按照如下試驗步驟進行：

（1）安裝組合式活塞環(huán)；

（2）轉動曲軸使活塞到達上止點，接通空壓機電源，打開閥門，向儲氣罐和氣缸內(nèi)充氣；

（3）待氣壓表指向0.5 MPa左右時關閉空壓機；

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集開始氣缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)并儲存；

（5）安裝傳統(tǒng)活塞環(huán)，重復上述（1）～（4）實驗步驟；

（6）實驗完成后將實驗裝置拆卸放置。

為了得到精確的實驗數(shù)據(jù)，應該重復試驗三次，結果取平均值。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以得出某一段時間內(nèi)活塞環(huán)氣體泄漏質量△m[5]

式中，P1、P2分別為泄漏前后的氣缸壓力；V為燃燒室容積；Rg為氣體常數(shù)；T為溫度。

對上式方程兩邊同時求導，得到氣體泄漏量：

下圖2是通過MATLAB處理數(shù)據(jù)得到的活塞環(huán)漏氣量的擬合圖。

圖2 活塞環(huán)漏氣量擬合

將各數(shù)據(jù)帶入上式，可以得出靜態(tài)測試兩種活塞環(huán)的泄漏量。兩種活塞環(huán)漏氣量差值如圖3所示。

圖3 靜態(tài)測試活塞環(huán)漏氣量差值

從以上數(shù)據(jù)可以得出，靜態(tài)測試方法最大漏氣量絕對差值達到5.3 kg/s，相對差值為39.8%.

2 運動平衡態(tài)測試方法

運動平衡態(tài)測試方法的原理是：不依靠柴油機本身的動力，利用調速器和電機倒拖柴油機，使曲軸連續(xù)運轉，活塞完成多個運動行程，利用壓力傳感器和溫度傳感器檢測缸內(nèi)壓力、溫度狀態(tài)，運用數(shù)據(jù)采集和分析模塊，把壓力信號和溫度信號轉變成數(shù)字信號，再利用這些數(shù)據(jù)計算其泄漏量，判斷活塞環(huán)氣密性的好壞。試驗設備圖如圖4所示。

圖4 實驗設備

準備工作完成后，按照以下步驟進行：

（1）將活塞從氣缸內(nèi)取出，裝上傳統(tǒng)活塞環(huán)后裝入單缸機；

（2）為了降低電機的拖動阻力，啟動時將柴油機減壓閥打開，打開電機拖動柴油機運轉，待轉速穩(wěn)定后關閉單缸機減壓閥；當單缸機運轉10 min后，結束熱車，接通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行壓力、溫度數(shù)據(jù)的采集；

（3）在一定的轉速范圍內(nèi)，記錄轉速穩(wěn)定后的氣缸最高壓縮壓力值；

（4）同時記錄每個最高壓縮壓力值對應的溫度值；

（5）更換組合式活塞環(huán)，并重復以上步驟。

在壓縮行程，活塞由下止點運動到上止點，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以得出在某一轉速下壓縮行程活塞環(huán)泄漏量△m：

上式中，初始壓力P0=0.1 MPa，T0=293 K，S195柴油機參數(shù)V，以及采集到的氣缸最高壓縮壓力、溫度數(shù)據(jù)帶入式中，可以得到兩種活塞環(huán)的壓縮行程漏氣量。壓縮行程漏氣量隨轉速變化的擬合圖如圖5所示。

圖5 壓縮行程漏氣量隨轉速變化規(guī)律

同理可以得到兩種活塞環(huán)漏氣量差值，如圖6所示。

圖6 運動平衡態(tài)漏氣量差值

通過觀察上圖，得出運動平衡態(tài)漏氣量絕對差值最大為1.16×10-4kg，相對差值為20.5%.

3 測試方法對比分析

比較圖3和圖6可以發(fā)現(xiàn)，兩種測試方法得到的漏氣量隨壓力變化規(guī)律不一致，靜態(tài)測試泄漏量隨著壓力的增大而增大[6]，運動平衡態(tài)泄漏量隨著壓力的增大而減小，原因是靜態(tài)測試是一個密封容器泄漏模型，活塞環(huán)是靜止的，采用保壓測量方法，缺少機油密封作用，是造成氣體壓力越大泄漏量也越大原因。而運動平衡態(tài)測試是接近于發(fā)動機實際運轉情況，當氣缸壓縮壓力增大時，氣體對活塞環(huán)的徑向力增加，活塞環(huán)與氣缸壁貼合更加緊，同時，氣體壓力增加，減少了活塞環(huán)浮動的幾率。兩種方法都可以用來檢測活塞環(huán)氣密性。對比上述數(shù)據(jù)，可以看出，靜態(tài)測試漏氣量最大相對差值為39.8%，而運動平衡態(tài)測試最大相對差值為20.5%，運動平衡態(tài)測試漏氣量相對差值更小，這是因為靜態(tài)測試只是一個簡單的密閉容器通過小孔的泄漏過程，這時活塞環(huán)緊貼在環(huán)槽上，忽略了由于活塞環(huán)浮動產(chǎn)生的泄漏。而運動平衡態(tài)更加接近于真實的活塞環(huán)泄漏過程，所以測試方法更加精確。靜態(tài)測試方法設計簡單，國內(nèi)外大量學者研究活塞環(huán)泄漏時采用這種方法，試驗手段較為成熟，已經(jīng)研發(fā)出了相應的試驗樣機，適用于簡單的氣密性試驗。運動平衡態(tài)測試更加接近發(fā)動機實際運行過程。

4 結束語

為了比較兩種測試方法，分別在各自方法的基礎上對新舊活塞環(huán)的氣密性進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)測試中，兩種活塞環(huán)的漏氣量相對差值是39.8%，而在運動平衡態(tài)測試中，兩種活塞環(huán)漏氣量相對差值為20.5%，可以說明，采用運動平衡態(tài)測試更加精確、合理，運動平衡態(tài)測試方法優(yōu)于靜態(tài)測試方法。

[1]陳有方，曹建國，牟小云，等.汽車原理及構造[M].重慶：重慶大學出版社，2003.

[2]沈遠勝，劉宗明.壓力容器泄漏孔大小的壓力變化率預估方法[J].熱能動力工程，2010（11）：25-26.

[3]王吉華.內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的研究[J].內(nèi)燃機學報，1999，17（4）：391-396.

[4]杜建鼎，趙丹平.發(fā)動機新型復合式單氣環(huán)的研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2012，8（1）：1-8.

[5]李岳林.工程熱力學與傳熱學[M].北京：人民交通出版社，2013.

[6]周紅軍.氣缸密封性的恒壓檢測方法機床與液壓[J].機床與液壓，2007（5）：192-193.

Study on Blow-by of Piston Ring based on S-195 Diesel Engine

QIAO Zhi-xing，ZHAO Dan-ping，F(xiàn)ENG Qiang
（Inner Mongolia University of Technology，Hohehot Inner Mongolia 010051，China）

By using static test method and the motion equilibrium test method to the traditional piston ring and experimental study of new composite piston ring，discusses its impact on S-195 type diesel engine sealing.It’s turn out to be that the movement equilibrium method is better than the static test method.

S-195 type diesel engine；piston ring；the static test method；the movement of equilibrium test

TK422

A

1672-545X（2017）03-0033-03

2016-12-01

喬智星（1992-），男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，在讀碩士研究生，研究方向為發(fā)動機節(jié)能技術。