淺談活塞環優化設計

胡傳鳳，林欣欣

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

淺談活塞環優化設計

胡傳鳳，林欣欣

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章主要介紹活塞環的不同結構對活塞漏氣量的影響。通過4種設計方案的試驗驗證，減小第一道氣環閉口間隙、開口倒角、增加正扭結構，增大第二道氣環閉口間隙均可以降低活塞漏氣量。優化方案經過可靠性驗證，活塞漏氣量滿足設計要求。

活塞環；漏氣量；閉口間隙

活塞漏氣量過大，會導致缸內壓力降低、發動機功率不足、油耗上升，影響排放指標；破壞油膜，加速機油的老化、變質；甚至會造成拉缸拉瓦等事故。因此，有效控制活塞漏氣量一直是主機廠關注和為之攻關的問題。

本文主要以某柴油機活塞環開發過程為例，結合發動機的實際情況，對活塞環進行優化，在保證整機性能及機油耗的前提下，達到降低活塞漏氣量的目的。

1 緒言

某發動機400h全速全負荷試驗，實測磨合后和每100h的漏氣量，具體如圖1所示，可見發動機在高轉速下的漏氣量遠超過設計值60L/min。

圖1 優化前發動機漏氣量

表1 缸孔變形量各階次測量值

從試驗數據來看，漏氣量大是從發動機運行初期到試驗結束，特別是轉速較高時，一直比較大；同時拆機后查看活塞、活塞環、氣缸套未發現有異常磨損，貼合正常。對氣缸孔變形量進行檢測，數據也在正常范圍內如表1所示，排除了缸孔變形引起的活塞環對口而產生的漏氣量偏大。因此將著重點放在活塞環自身的優化設計上。

2 活塞環優化方案

據資料介紹，第一道氣環將密封 80%-90%的氣體。應該重點針對第一道氣環，同時考慮第二道環與之平衡，進行優化。故減小活塞漏氣量主要從以下兩個方面考慮：

第一道氣環優化：直接減小漏氣通道，以減小漏氣量：減小活塞第一道氣環的閉口間隙和開口處倒角。

同時將第一道氣環增加正扭結構，這樣使環與氣缸壁的面接觸變成了環外圓下棱邊與氣缸壁的線接觸，增強密封性；具體如圖2所示。

圖2 正扭曲環在工作時的接觸狀態

第二道氣環優化：增大第二道氣環閉口間隙，主要是考慮到環的顫振問題，即第一道氣環和第二道氣環間的壓力因素，可以增大壓差ΔP，避免活塞環上下運動出現的抬起懸浮現象，提高密封性能，第一道氣環的閉口間隙盡量的小，第二道氣環閉口間隙盡可能的大。輕型柴油機而言，第二道氣環閉口間隙一般為第一道氣環的2倍。第一道氣環、第二道氣環壓力示意圖見圖3所示。

圖3 活塞第一道氣環、第二道氣環壓力示意圖

具體優化措施如下：

圖4 第一活塞環閉口間隙和開口倒角

（1）優化第一道氣環的閉口間隙S1，由0.25mm-0.4mm，減小到 0.2mm-0.35mm；減小其開口端面的開口角 C1，由C0.25max，減小到 C0.15max，以增強閉口端密封能力。如圖4所示。

（2）第一道氣環增加正扭結構，由雙梯桶面環優化為正扭雙梯桶面環。如圖5所示。

（3）增大第二道氣環閉口間隙，由0.4mm-0.6mm增大到0.5mm-0.7mm。以增大壓差，提高密封性。

圖5 第一道氣環優化前后結構對比

3 驗證試驗

為了驗證上述優化方案的可行性，分別進行4組對比試驗，試驗方案如表2，試驗結果如圖6所示（四種方案在運行100h測量漏氣量）。

表2 試驗方案

由圖6可知，通過試驗對比可知：方案D（優化方案）最優，方案C次之，方案B次之，A（原方案）最差。對比方案A、B可知：減小第一道氣環閉口間隙及減小開口倒角有助于減低漏氣量；對比方案B、C可知：適當增大第二道氣環閉口間隙，增大第一道氣環和第二道氣環間壓差，可提高密封性能，降低漏氣量；對比方案C、D可知：第一道氣環增加正扭結構，降低竄氣量。

圖6 四種方案100h漏氣量對比

由于第一道氣環閉口間隙的減小，需驗證活塞環在發動機運行中是否會頂口，特挑選最小閉口間隙為0.2mm活塞環進行試驗驗證，同時也為了驗證試驗后期活塞環漏氣量有無惡化，進行800h交變負荷試驗驗證，試驗結果如圖7所示。試驗結果顯示活塞漏氣量穩定在低于 60L/min，活塞環也沒有發生卡死、頂口現象。

其他性能指標均在設計要求范圍內，通過試驗驗證。

圖7 800h交變負荷試驗竄氣量

4 結論

隨著活塞環材料的提升和加工精度的提升，活塞環廠家可以把活塞環的閉口間隙及開口倒角進一步做小，這將有利于密封，降低漏氣量。

通過適當減小第一道氣環閉口間隙，增大第二道氣環閉口間隙，增加第一、二道氣環壓差，阻止活塞環的顫振，提高側隙密封效果。當然，這也可以通過在活塞環槽處增加泄氣槽以達到該目的。

活塞環增加正扭結構，可使環與氣缸壁的面接觸變成了環外圓下棱邊與氣缸壁的線接觸，增強密封性，降低漏氣量。

[1] 胡九見等.淺析發動機漏氣量影響因素[J].內燃機與配件,2014.10.

[2] 祝先標等.輕型柴油機活塞環技術發展趨勢淺析[J].汽車使用技術,2017.11.

[3] 吳志紅.改進活塞環設計降低漏氣量[J].內燃機配件,2005.1.

[4] 蔣景峰.淺析如何減少活塞環對發動機漏氣量的影響[J].內燃機與配件,2010.12.

[5] 曹存軍.一例發動機降低漏氣量的活塞環優化設計[J].內燃機與配件,2014.8.

Optimization design of piston ring for reducing piston blow-by

Hu Chuanfeng, Lin Xinxin
( The Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly introduces the influence of different structure of piston air leakage of piston. Design four kinds of contrast test, according to the test results, reduce the first ring end gap, reducing the opening angle, torsion structure increase, increase the second ring end gap and so on, can reduce the air leakage. The reliability test shows that the piston air leakage meet design requirement.

Piston ring; Air leakage; End gap

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-22-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.009

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-22-03

胡傳鳳（1987-），女，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。主要從事發動機質量改進工作。