輕型柴油機(jī)活塞環(huán)技術(shù)發(fā)展趨勢淺析

祝先標(biāo)，林欣欣，孫澤

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

輕型柴油機(jī)活塞環(huán)技術(shù)發(fā)展趨勢淺析

祝先標(biāo)，林欣欣，孫澤

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，燃燒溫度越來越高，對(duì)活塞環(huán)的發(fā)展提出了新要求。文章從高性能材料，高密封性、高控油性和低摩擦功損失三個(gè)方面來研究輕型柴油機(jī)活塞環(huán)在低竄氣量、低機(jī)油耗、低摩擦功損失方面的技術(shù)發(fā)展趨勢。

活塞環(huán)；材料；表面處理；摩擦功

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-72-03

前言

隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，爆發(fā)壓力、燃燒溫度越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用等方面，對(duì)活塞環(huán)的發(fā)展提出了新的要求，活塞環(huán)的發(fā)展更著力于高性能材料，高密封性、高控油性，低摩擦功損失。

本文從活塞環(huán)的高性能材料，高密封性、高控油性和低摩擦功損失三個(gè)方面來研究輕型柴油機(jī)活塞環(huán)的技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 高性能材料

活塞環(huán)的工作特性要求活塞環(huán)材料應(yīng)滿足高耐磨性、抗刮傷性、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、儲(chǔ)油性、密封性、彈性和疲勞強(qiáng)度等要求。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力的提高，活塞環(huán)的材料朝著高疲勞強(qiáng)度、高耐磨性上發(fā)展。從抗彎強(qiáng)度只有 500Mpa左右的合金鑄鐵發(fā)展到具有1000Mpa以上的球墨鑄鐵，再到具有高抗彎強(qiáng)度和高彈性模量的合金鋼，彈性模量也從合金鑄鐵的100GPa提高到合金鋼的200GPa以上，如圖1所示。

圖1 活塞環(huán)材料性能發(fā)展趨勢

2 高密封性、高控油性

隨著越來越大機(jī)械負(fù)荷、爆發(fā)壓力的沖擊，缸孔變形導(dǎo)致的竄氣量和機(jī)油耗也會(huì)越來越大。高密封性和高控油性是活塞環(huán)技術(shù)發(fā)展的一大趨勢。

a、提高環(huán)的順應(yīng)性

適當(dāng)減小環(huán)體徑向厚度a1值，可增加環(huán)順應(yīng)缸套變形的能力U，有利于降低竄氣量和機(jī)油耗。以缸徑D為95.4mm，徑向厚度為3.45mm的一環(huán)為例，說明順應(yīng)缸套變形能力U的增加量。最大增加20%。如表1所示。

表1 環(huán)徑向厚度優(yōu)化前后順應(yīng)缸套變形能力對(duì)比

油環(huán)小油孔設(shè)計(jì)。油孔的加工方式由目前的銑油孔發(fā)展為鉆油孔。鉆比銑加工對(duì)于環(huán)端面及工作面的變形影響要小很多，缸孔順應(yīng)性好。對(duì)早期的油耗產(chǎn)生了積極影響。

b、環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著爆壓的越來越大，法規(guī)的越來越嚴(yán)格，一環(huán)在承擔(dān)密封作用的同時(shí)還承擔(dān)著降低機(jī)油耗的作用。雙梯形偏桶環(huán)將成為一環(huán)的設(shè)計(jì)趨勢，雙梯形環(huán)能有效防止因積碳而導(dǎo)致的環(huán)卡滯，為了保證其密封性能，在雙梯環(huán)上增加正扭結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)密封性能。偏桶面環(huán)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)有較強(qiáng)的刮油能力，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)布油膜的同時(shí)又不會(huì)將機(jī)油刮到燃燒室。即活塞上行時(shí)布油，下行時(shí)刮油，有利于降低機(jī)油耗。具體如圖2所示。

圖2 雙梯正扭偏桶面環(huán)結(jié)構(gòu)

有的一環(huán)外圓采用半鑲嵌鍍鉻處理，保證外圓面下棱邊為尖角，有利于提高刮油性能，降低機(jī)油耗。如圖3所示。

圖3 半鑲嵌鍍鉻活塞環(huán)結(jié)構(gòu)

不僅如此，漏氣通道一環(huán)開口處外棱角和閉口間隙呈越來越小趨勢，目前最大倒角C1由0.25減小0.10；閉口間隙S1從0.4mm減小到0.3mm甚至達(dá)到0.2mm。同時(shí)，閉口間隙的公差帶、環(huán)外圓的粗糙度也呈越來越小趨勢。

二環(huán)的閉口間隙呈增大趨勢。考慮到環(huán)的顫振問題，即一環(huán)和二環(huán)間的壓力因素，可以增大第一道氣環(huán)的壓差ΔP，避免活塞環(huán)上下運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的抬起懸浮現(xiàn)象，提高密封性能，一環(huán)的閉口間隙盡量的小，二環(huán)閉口間隙盡可能的大。輕型柴油機(jī)而言，二環(huán)閉口間隙一般為一環(huán)的2倍。具體見圖4所示。

圖4 活塞一環(huán)、二環(huán)壓力示意圖

3 低摩擦功損失

發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功損耗分布圖，如圖5所示。其中活塞環(huán)的摩擦功損耗占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)總機(jī)械摩擦功的25%，相應(yīng)影響燃油耗高達(dá) 4%。可見活塞環(huán)對(duì)摩擦功損耗過大。低摩擦功損失活塞環(huán)將成為業(yè)界焦點(diǎn)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功損耗分布圖

活塞環(huán)降摩擦功措施，主要有：低環(huán)接觸高度、低彈力設(shè)計(jì)；低摩擦涂層設(shè)計(jì)。

圖6 近年來總摩擦功系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

特別是I型鋼油環(huán)采用，圖7為刮油刃帶有錐度的油環(huán)。油環(huán)的接觸高度h從0.25mm降到0.15mm，在保證面壓不變的前提下，減小接觸高度減小彈力，從而在保證控油的同時(shí)減小摩擦功的損失，降低油耗。

圖7 刮油刃帶有錐度的油環(huán)

b、低摩擦涂層設(shè)計(jì)

涂層作為關(guān)鍵的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)要素，是控制摩擦功的主要焦點(diǎn)。

目前，PVD涂層和DLC涂層表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)。尤其是 DLC涂層，以較低的摩擦系數(shù)得到廣泛應(yīng)用。圖 8為鑄鐵氣缸潤滑條件下，在震蕩式臺(tái)架試驗(yàn)中測量的各活塞環(huán)涂層的摩擦系數(shù)。

圖8

圖9 鑄鐵氣缸潤滑條件下，在震蕩式臺(tái)架試驗(yàn)中測量的各活塞環(huán)涂層摩擦系數(shù)

近年來新開發(fā)的PVD-CrMoN涂層較典型的PVD-CrN、PVD-CrON涂層摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低。

尤其是Federal-Mogul公司開發(fā)DuroGlide新型活塞環(huán)涂層，以更低的摩擦系數(shù)，將開創(chuàng)低摩擦功損失的新時(shí)代。

相信在不久的將來基于PVD、DLC開發(fā)出摩擦系數(shù)更低的涂層。

4 結(jié)論

1）主要從高性能材料，高密封性、高控油性，低摩擦功損失三個(gè)方面來闡述輕型柴油機(jī)活塞環(huán)的發(fā)展趨勢；

2）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓的提高，活塞環(huán)工作負(fù)荷越來越高，活塞環(huán)的材料從合金鑄鐵發(fā)展到球墨鑄鐵、合金鋼；同時(shí)結(jié)合活塞環(huán)的表面處理PVD/CKS/DLC工藝，增加活塞環(huán)的耐磨性、抗刮傷能力，降低摩擦功等；

3）通過提高環(huán)的順應(yīng)性、優(yōu)化環(huán)結(jié)構(gòu)，來降低竄氣量、機(jī)油耗。一般通過降低環(huán)徑向厚度、鉆油孔設(shè)計(jì)提高環(huán)順應(yīng)性；結(jié)構(gòu)方面：偏桶面、半鑲嵌鍍鉻等結(jié)構(gòu)的采用，使一環(huán)兼有密封性的同時(shí)在一定程度上降低機(jī)油耗；通過減小第一活塞環(huán)閉口間隙、間隙公差帶、外圓粗糙度，增大二環(huán)閉口間隙等方式減小漏氣通道，控制竄氣量。

[1] S.Hoppe,T.Kantola. DuroGlide-用于高燃油效率商用車發(fā)動(dòng)機(jī)的新一代活塞環(huán)涂層[J]. 國外內(nèi)燃機(jī),2015.5.

[2] 趙禮飛,胡必謙等.淺談柴油機(jī)活塞環(huán)的技術(shù)發(fā)展趨勢[J].內(nèi)燃機(jī),2016.2.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊）[M].北京:人民交通出版社,2003.

Discussion progress tread for the Piston ring of diesel engine

Zhu Xianbiao, Lin Xinxin, Sun Ze
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, we study piston ring technology development trend in low lube oil consumption、low piston blow-by and low resistance from material、surface treatment and structure of piston ring.Nodular cast iron、stainless steel widely used in piston ring, cylindrical surface of piston ring use CKS、GDC、PVD and thermal spraying to improve the wearability and the service life. Choosing different structure of piston ring and reducing the gap of first ring can effectively reduce the lube oil consumption or piston blow-by.

Piston ring; material; surface treatment; structure; Lube oil consumption; piston blow-by

U463.2

：A

： 1671-7988 (2017)11-72-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.026

祝先標(biāo)，(1983-)，碩士學(xué)位，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理試驗(yàn)開發(fā)工作。