一種缸內直噴發動機活塞環的設計

趙世來，宮曉娥，張治國

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

一種缸內直噴發動機活塞環的設計

趙世來，宮曉娥，張治國

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

缸內直噴發動機已經是現發展的主流。活塞環是發動機中一種關鍵的零件，它直接影響到發動機的漏氣量和機油消耗量，這些參數對發動機的性能起著關鍵性的作用。詳細地闡述一下現階段活塞環的設計方法和表面處理技術。

缸內直噴；發動機；活塞環

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-80-03

前言

近些年油價不斷飆升，汽車油耗問題也愈發突出，在這一方面，很多知名大公司率先做出了表帥，深研自己發動機的潛能，采用新技術，在燃油上，最大限度的為車主節省支出，節能減排。這些公司對自己旗下的一些新車型所配用的發動機開始采用缸內直噴（gasoline direct-Injection，直噴）技術，現在中國市場上，只有這些大公司已經推出了此項先進技術，已經大批量生產，自主品牌都在研發期間，只有幾家已經上市，單產量比不是很多，這種技術在將來3年內得到全面普及。很多缸內直噴發動機都是在增壓發動機基礎上進行升級的。這里介紹一下缸內直噴發動機活塞環的設計方法，具體包括材料選擇，結構型式，彈力，工作間隙，表面處理等。這些信息希望在今后設計中對大家有所幫助。

1 材料的選擇

盡管增壓汽油機的爆發壓力和熱負荷都高于自然吸氣汽油機的爆發壓力和熱負荷，但較柴油機乃至增壓柴油機而言，還是低一些，所以能用于柴油機活塞環的材料，均可以用于汽油機活塞環。而柴油機第一道氣環的材料大部分采用球墨鑄鐵（主要考慮便于加工）和鋼質材料；第二道氣環一般采用合金鑄鐵材料，也有采用球墨鑄鐵材料；螺旋撐簧油環（兩片式），采用合金鑄鐵材料，鋼帶組合油環采用鋼質材料[1]。可以看出，直噴發動機活塞環在本材選擇上基本沒有多大變化，汽油機第一道環的環高較柴油機的要薄一些，現狀一般在1.2～1.3mm。

2 結構設計

設計時，要求具有適當的彈力，較強的機械強度和穩定性，加工簡單，成本低廉[2]。正確選擇截面形狀、間隙、彈力

2.1 結構選擇

直噴發動機第一道氣環采用桶面矩形環，第二道氣環采用外切扭曲矩形環，第三道環采用鋼帶組合油環或螺旋撐簧油環。開口形狀有三種：直切口、斜切口、和搭疊式切口，其中應用最廣泛的是直切口[3]。

介紹一下一款量產直噴發動機活塞環的具體結構形式，如圖1所示。

圖1 環組的結構型式

2.2 彈力（或稱張力）計算

直噴發動機活塞環的設計也是遵從活塞環基本設計理論。活塞環彈力是根據面壓計算得到的。

彈力計算公式：

彈力公差按GB/T 1149標準及JIS B 8032標準規定：Ft≤10N時，公差為±30%；Ft≥10N時，公差為±20%。直噴發動機面壓水平普遍高于自然吸氣發動機，一般氣環面壓水平在150KPa～220KPa，油環面壓水平在800KPa～1200KPa。

例如：一款φ76.5缸徑的直噴發動機，各道環彈力情況計算如下：

第一道氣環：面壓取200KPa，環高1.2mm，通過公式計算：彈力中值為9.2N，按30%公差設定上下限，6.4N～12.0N。

第二道氣環：面壓取170KPa，環高1.2mm，通過公式計算：彈力中值為7.8N，按30%公差設定上下限，5.5N～10.2N

油環：面壓取1000KPa，刮片高0.44，算，彈力中值為34.5N，按20%公差設定上下限，27.6N～41.4N

2.3 間隙合理選擇

1）工作間隙

活塞環工作間隙是活塞環在工作狀態下的間隙，一般在標準環規中測量。工作間隙不僅要根據發動機參數確定，而且還要根據經驗進行選擇。

最小工作間隙計算公式：

Smin=熱膨脹系數×π×缸徑×△T℃

△T—活塞環溫度變化值；一般都是采用70℃

例如：一款直噴發動機，各道環工作間隙：

第一道環：Smin=10.8×10-6×76.5×70=0.18；最后工作間隙定為0.2～0.35mm

第二道環：Smin=12×10-6×76.5×70=0.2；通常第二道氣環間隙下限≥第一道氣環上限，目的起泄壓作用，這樣一環上下面產生壓力差，使得一環很好的帖服在環槽底面，避免第一道氣環懸浮，最終減少活塞漏氣量。最后工作間隙定為0.4～0.6mm，此間隙就是根據經驗和計算結果而確定的。

油環：缸徑100mm以下的鋼帶組合油環工作間隙都是0.2～0.7mm。

2）側隙

合理的選用側隙和背隙，可以避免拉缸的風險。

側隙一般尺寸范圍：第一氣環：0.03～0.09mm；第二氣環：0.02～0.08mm；油環總成：0.03～0.18mm。

圖2 側隙與背隙

3）背隙

背隙計算公式：

Dn =[D-2(T+N)]±0.1

Dn—活塞環的環槽底徑，單位為mm

D—公稱直徑，單位為mm

T—活塞環徑向厚度，單位為mm

背隙的經驗值，第一氣環為0.4～1.05mm；第二氣環為0.4～1.10mm；鋼帶組合油環為0.45～1.10mm；螺旋撐簧組合油環為0.5～0.7mm。

3 表面處理

直噴發動機通過燃油系統直接噴入燃燒室內，必然會有部分燃油顆粒噴射到汽缸壁上。這樣一來，噴射到缸壁上的汽油就是溶劑，會直接對附著在缸壁上的機油進行稀釋，導致最直接的后果加劇了第一道環在上止點時潤滑不足，很容易導致活塞環外圓面和缸壁之間在上止點附近產生干摩擦，不僅會加速這對摩擦副之間的磨損，嚴重時會導致產生拉缸。目前，外圓面采用氮化鉻和類晶剛石涂層都能很好解決嚴重磨耗的問題。

活塞環表面處理涂層主要有滲氮層、磷化層、氮化鉻層，復合電鍍層、類金剛石鍍層（Diamond-like carbon,DLC）等等。表面處理的主要目的是提高活塞環的耐磨性，抗粘著性，從而保證整機的耐久壽命要求。

其中外表面氮化鉻涂層，是利用物理氣相沉積技術（Physical Vapor Deposition,PVD)處理，通過電鍍方式來完成的，具有良好的耐磨性和抗燒結性。這種涂層目前在市場上已經廣泛應用。金相組織，如圖3所示。

圖3 金相組織

外表面采用類金剛石涂層(DLC),DLC涂層的方法分為物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）法。這里氣環表面就是在PVD方法中，利用陰極電弧離子噴鍍法形成不含氫，但硬度接近金剛石的四面體非晶碳涂層，還得利用濺射法形成含氫的氫化非晶碳涂層，以及非晶碳涂層。

單純從技術本身來說， DLC技術還不是很成熟，很多公司都在試驗階段，沒有大規模的投放到市場，所以暫時不推薦使用。

以一款市場上某量產直噴發動機活塞環為例，進行介紹：

第一道氣環：滲氮+氮化鉻（PVD方法），首先對環體進行滲氮處理，其中外圓面為工作面，然后利用PVD方法對外端面進行氮化鉻處理，側面滲氮涂層僅能滿足普通增壓發動機的性能要求，無法滿足直噴發動機的要求，采用滲氮和氮化鉻（PVD方法）相結合的涂層，其抗拉缸性和耐磨損性能比目前使用的滲氮層要好得很多，是未來發動機的主流涂層。

第二道氣環：磷化處理，第二氣環工作環境不像第一氣環那么惡劣，能滿足直噴發動機的要求。

油環：第一代機型是采用螺旋撐簧油環，其外端面鍍層即為氮化層，但是第二代機型，為了降低發動機成本，油環改成鋼帶組合油環，其中刮片都是采用PVD處理的，PVD處理相對于氮化來說，耐磨性更好些。

下面是某款款失敗案例，進行一下闡述：

因直噴發動機第一道環采用不銹鋼材料，進行氮化處理，在做發動機拉缸試驗時產生拉缸現象，活塞環外圓面氮化層產生了龜裂和剝離，試驗失敗。后來，外圓面采用PVD方法增加氮化鉻層，徹底解決嚴重磨耗的問題。

4 試驗驗證

所有項目在批產之前，最少要順利通過兩輪400冷熱沖擊耐久試驗和兩輪800小時耐久試驗。耐久試驗通過后，活塞漏氣量和機油消耗量滿足標準，才符合批產的條件。

5 結論

活塞環主要功能是起到氣體密封、控油、導熱和支撐功能等，活塞環在設計時必須滿足上述功能。此外，還需要考慮降低活塞環和缸孔摩擦副之間的摩擦功損失，這些取決于缸孔、活塞等相關零件的本身特性。總體來講，直噴發動機逐漸代替氣道噴射發動機已經是當今發展的必然趨勢，對于活塞環而言，主要在表面處理方法做文章，采用PVD技術，提高可靠性。

[1] 萬欣,林大淵.內燃機設計[M].天津∶天津大學出版社,1989.

[2] 蔣德明主編.高等內燃機原理.西安：西安交通大學出版社,2002∶123-125.

[3] 袁兆成.內燃機設計.北京∶機械工業出版社,2012.1.

The Engine Ring Design Of Direct Injection Cylinder

Zhao Shilai, Gong Xiaoer, Zhang Zhiguo
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

GDI is the mainstream of development. Piston ring is a kind of key parts of engine, It affects the air leakage and oil consumption of engine, These parameters on the engine performance play a key role. Expounded the design method of the piston ring and the surface treatment technology.

GDI; Engine; Piston ring

U462.1

A

1671-7988 (2017)13-80-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.025

趙世來，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發動機設計工作。