活塞環對發動機漏氣量的影響及改進對策

陳 勇，張國勇

（四川化工職業技術學院，四川瀘州 646099）

0 引言

活塞環是內燃機關鍵零件之一，與活塞、氣缸套相互聯系在一起，組成發動機動力源組件。活塞環的主要功能是密封：活塞環和缸套內壁以及活塞環槽側面的良好接觸，使發動機的燃燒氣體最大限度地做功，同時防止滑動面潤滑劣化、潤滑油劣化等，避免異常磨損、拉缸等現象。衡量活塞環密封功能的指標是活塞漏氣量，影響因素有活塞環設計、加工質量、缸套的變形、發動機運行工況等。其中，最主要的影響因素是活塞環設計。為了解決活塞漏氣問題，對影響活塞漏氣量的因素進行了分析，并提出應對對策。

1 活塞環對漏氣量的影響

1.1 活塞環漏氣通道

直開口活塞環漏氣通道如圖1所示。從圖中可以看出，由活塞環開口、缸孔表面、活塞外圓面所形成的面積即為漏氣通道面積，其數值大小將直接決定活塞漏氣量的多少。所以，活塞環對活塞漏氣量影響最大的因素就是第一道活塞環閉合間隙S1。在相同工況下，第一道活塞環的閉合間隙越小（前提是工作時在熱膨脹的作用下，S1≥0即可），通過該通道流向第二道環岸部的氣體的量就越少。

圖1 直開口活塞環漏氣通道

1.2 活塞環懸浮

活塞環的懸浮如圖2所示。其中，P1為燃燒室壓力，P2為第二環岸壓力，P上側為由P1作用在環上側面的壓力，P內圓由P1作用在環內圓面的壓力，ft為環的切向彈力，f慣性為活塞環運動時的慣性力，f為環和缸套之間的摩擦力，f下側由P2作用在環下側面的壓力。

考察活塞的做功行程。從第一道環的受力分析可以看出，當P慣性+P下側+f≥P上側時，活塞環將和環槽下側面脫離而處于懸浮狀態，就會產生漏氣通道，從而導致活塞漏氣量急劇上升。

所以，在設計活塞環時，一般將第二道環的閉合間隙設定為S12ND≥S1top，使從第一道活塞環閉合間隙處下行的氣體能及時從第二道環的閉合間隙處排出，從而避免P2上升過大導致TOP產生懸浮。將這種考慮稱為2ND活塞環的卸壓作用。

圖2 活塞環的懸浮

1.3 活塞環和缸套表面的接觸狀況

活塞環和缸套之間接觸狀況如圖3所示。活塞環為彈性體，在自身彈力作用下，能適應一定的缸套變形，被稱為活塞環的追隨性。在圖3中，a）表示缸套無變形或變形為橢圓狀，環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，活塞環已不能適應缸套的變形，它們的間隙成為漏氣通道；c）表示缸套的變形為四邊形，此時活塞環對該變形將更加難以適應，其間隙成為漏氣通道。當缸套的變形為多邊形時，隨著邊數的增加，其形狀將接近正圓，活塞環也能起到密封作用。

所以，盡管氣缸套的機械變形和熱變形不可避免，但對其進行控制是非常必要。另外，對活塞環而言，需要提高其追隨性以降低缸套變形所帶來的不利影響。提高活塞環追隨性的措施有降低活塞環的環高和徑向厚度、提高環的切向彈力、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 活塞環和活塞環槽下側面的接觸狀況

圖3 活塞環和缸套接觸狀況

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

圖4 環和環槽下側面接觸狀況

2 降低活塞漏氣量的對策及總結

通過對活塞漏氣量的影響因素分析，將降低活塞漏氣量的對策總結如下。

降低活塞漏氣量的對策主要有兩個：一是漏氣通道面積縮小，二是活塞環的運動改進。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