基于S-195柴油機(jī)活塞環(huán)氣密性測試方法的研究

喬智星，趙丹平，馮強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

基于S-195柴油機(jī)活塞環(huán)氣密性測試方法的研究

喬智星，趙丹平，馮強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

通過使用靜態(tài)測試法和運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試法對(duì)傳統(tǒng)活塞環(huán)和新型組合式活塞環(huán)的實(shí)驗(yàn)研究，探討其對(duì)S-195型柴油機(jī)的密封性的影響。結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試方法優(yōu)于靜態(tài)測試方法。

S-195柴油機(jī)；活塞環(huán)；運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能。其密封性好，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性強(qiáng)；密封不良，氣缸壓縮壓力低，燃?xì)庑孤┑角S箱，造成燃油浪費(fèi)，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(duì)靜態(tài)測試和運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試方法進(jìn)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(shí)時(shí)壓力，利用理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算漏氣量。靜態(tài)測試可以看成帶有一個(gè)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(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)臺(tái)架主要由S195柴油機(jī)、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)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(gè)設(shè)備后，在保持相同的初始?jí)毫Φ那闆r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(shí)的氣缸壓力保持時(shí)間。按照如下試驗(yàn)步驟進(jìn)行：

（1）安裝組合式活塞環(huán)；

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸使活塞到達(dá)上止點(diǎn)，接通空壓機(jī)電源，打開閥門，向儲(chǔ)氣罐和氣缸內(nèi)充氣；

（3）待氣壓表指向0.5 MPa左右時(shí)關(guān)閉空壓機(jī)；

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集開始?xì)飧變?nèi)壓力數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存；

（5）安裝傳統(tǒng)活塞環(huán)，重復(fù)上述（1）～（4）實(shí)驗(yàn)步驟；

（6）實(shí)驗(yàn)完成后將實(shí)驗(yàn)裝置拆卸放置。

為了得到精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)該重復(fù)試驗(yàn)三次，結(jié)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(shí)間內(nèi)活塞環(huán)氣體泄漏質(zhì)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(duì)上式方程兩邊同時(shí)求導(dǎo)，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(duì)差值達(dá)到5.3 kg/s，相對(duì)差值為39.8%.

2 運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試方法

運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試方法的原理是：不依靠柴油機(jī)本身的動(dòng)力，利用調(diào)速器和電機(jī)倒拖柴油機(jī)，使曲軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，活塞完成多個(gè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)用數(shù)據(jù)采集和分析模塊，把壓力信號(hào)和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，再利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算其泄漏量，判斷活塞環(huán)氣密性的好壞。試驗(yàn)設(shè)備圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

準(zhǔn)備工作完成后，按照以下步驟進(jìn)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(jī)；

（2）為了降低電機(jī)的拖動(dòng)阻力，啟動(dòng)時(shí)將柴油機(jī)減壓閥打開，打開電機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后關(guān)閉單缸機(jī)減壓閥；當(dāng)單缸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后，結(jié)束熱車，接通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行壓力、溫度數(shù)據(jù)的采集；

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

（4）同時(shí)記錄每個(gè)最高壓縮壓力值對(duì)應(yīng)的溫度值；

（5）更換組合式活塞環(huán)，并重復(fù)以上步驟。

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

上式中，初始?jí)毫0=0.1 MPa，T0=293 K，S195柴油機(jī)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(zhuǎn)速變化的擬合圖如圖5所示。

圖5 壓縮行程漏氣量隨轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)平衡態(tài)漏氣量差值

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

3 測試方法對(duì)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(jī)油密封作用，是造成氣體壓力越大泄漏量也越大原因。而運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試是接近于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，當(dāng)氣缸壓縮壓力增大時(shí)，氣體對(duì)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(shí)，氣體壓力增加，減少了活塞環(huán)浮動(dòng)的幾率。兩種方法都可以用來檢測活塞環(huán)氣密性。對(duì)比上述數(shù)據(jù)，可以看出，靜態(tài)測試漏氣量最大相對(duì)差值為39.8%，而運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試最大相對(duì)差值為20.5%，運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試漏氣量相對(duì)差值更小，這是因?yàn)殪o態(tài)測試只是一個(gè)簡單的密閉容器通過小孔的泄漏過程，這時(shí)活塞環(huán)緊貼在環(huán)槽上，忽略了由于活塞環(huán)浮動(dòng)產(chǎn)生的泄漏。而運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)更加接近于真實(shí)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(shè)計(jì)簡單，國內(nèi)外大量學(xué)者研究活塞環(huán)泄漏時(shí)采用這種方法，試驗(yàn)手段較為成熟，已經(jīng)研發(fā)出了相應(yīng)的試驗(yàn)樣機(jī)，適用于簡單的氣密性試驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)平衡態(tài)測試更加接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程。

4 結(jié)束語

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

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

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[4]杜建鼎，趙丹平.發(fā)動(dòng)機(jī)新型復(fù)合式單氣環(huán)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2012，8（1）：1-8.

[5]李岳林.工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)[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(jī)床與液壓[J].機(jī)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?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)。