汽車發動機活塞氣環結構改良的技術研究

孫長勇，徐長釗，王學軍

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汽車發動機活塞氣環結構改良的技術研究

孫長勇，徐長釗，王學軍

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

通過活塞環-氣缸的摩擦損失對汽車動力性、經濟性和可靠性的影響因素分析，提出一種新型汽車活塞環表面結構，增加了活塞環與氣缸的自潤性，減少了干摩擦出現的幾率。

活塞環；結構；摩擦損失

1 汽車發動機活塞氣環結構改良的必要性

隨著國家對汽車排放污染的日益嚴控，在未來，節能減排是汽車主要發展方向，而有效減小發動機的機械摩擦損失是降低整車燃油消耗率和尾氣排放污染標準的方法之一。據統計，發動機機械摩擦損耗率占燃油燃燒產生總能量的7.5%左右。活塞環－氣缸是發動機內部關鍵機件，也是發動機最主要的機械摩擦副之一，其機械摩擦損失占到發動機總能量損耗的50%左右，其摩擦性能的關鍵在于之間的機油油膜厚度。

隨著汽車行業技術的飛躍式發展，發動機高速是發展的必要趨勢，所以對活塞環的工作狀態要求越來越苛刻。在發動機維修過程中，無論哪種型號的發動機，作為易損件的活塞環，其工作的好壞將影響發動機的運行性能，因此更換活塞環的時間將作為發動機第一次大修的期限。增加活塞環的耐磨損度，有效提高汽車的動力性、經濟性和可靠性，決定了發動機性能的好壞。

2 汽車發動機活塞氣環結構改良面對的問題

根據發動機相互運動部件之間的機械磨損機理，彼此之間的磨損是互相影響的，不會單獨一種情況出現而是同時并存的。正常磨損、 研料磨損、熔著磨損與腐蝕磨損都屬于發動機活塞環的機械磨損。在發動機運行過程中，燃燒室是一個高溫高壓、雜質、有酸性物質和水等復雜的環境，使活塞-氣缸之間很難形成油膜，易于形成熔著磨損和研料磨損，且在活塞運行的上止點位置磨損是最大的，造成氣缸出現缸肩，這就是活塞環的滑動磨損，即包括熔著磨損又包括研料磨損。在發動機活塞在上下往返運動中造成的慣性撞擊從而引起的磨損；潤滑油、燃油和進氣中的雜質在活塞運動作為研料，形成的研料磨損；這都屬于上下端面磨損，一般來說，撞擊磨損比磨料研磨更大。所以滑動面磨損與上下端面磨損對于活塞環磨損的位置不同。

在汽車發動機運行過程中，為了使活塞-氣缸形成較好的潤滑狀態，在其之間形成的油膜厚度必須符合技術要求和標準。第一道活塞氣環的磨損是最大的，其運行受燃燒行程的影響，很難形成潤滑油膜,處于臨界潤滑的狀態，實現完全潤滑比較困難。第二道約為第一道的一半左右，油環的磨損量最小。但是由于進氣、燃油和機油中的雜質附著在氣缸壁上，形成研磨磨損；活塞受熱異常導致活塞環槽發生變化，使活塞環卡滯，造成拉缸形成熔著磨損；所以有時汽車發動機活塞油環磨損大于其他幾道環。因此良好的潤滑效果對發動機活塞在復雜的運行中起到重要的作用，也很大程度的減少活塞環的機械磨損。相互運動的機械部件之間的潤滑是否符合技術要求，均勻的油膜厚度是關鍵，但在實際中這中現象是不存在的。

3 擬解決方案

針對汽車發動機活塞環復雜得工作環境和技術要求，相應減少各種機械磨損的影響，保證良好的潤滑效果和較強的耐磨性，可以對活塞結構進行改良。這一難題的解決可以改變活塞環-氣缸的潤滑狀態，對減少機械磨損起到決定性作用。

因此為了更好的改變活塞環-氣缸的工作狀態，可以改變氣環表面結構，在其表面上加工網紋，使氣環具有儲存機油的功能，增加潤滑，減少機械磨損。通過相關技術資料了解到存油量不同的網紋，使發動機機油消耗率不同且較大影響機械磨損。一般來說較淺的網紋，造成機械干摩擦是由于儲油少不易于產生潤滑油膜造成的，且形成熔著磨損。較深的網紋，雖然儲油多，但在活塞反復運動的過程中，機油消耗率相對較大。

由于活塞環所處位置的特殊性，因此要求活塞環表面加工網紋槽的深度、數量、角度以及精度等都必須符合技術標準；而加工后的成品活塞環能夠達到支承率高、耐磨損，載荷承受能力較大等特性；最重要的是加工成型的活塞環表面網紋儲油量符合研究的目標，能使活塞在氣缸往復運動的時候在氣缸壁上形成和保持相應厚度的油膜。為了達到以上技術標準，查找了大量相關的技術資料，“平臺珩磨網紋”加工技術比較適合［1］，其技術參數：儲油參數12-16μm；珩磨角40°-60°；加工區域占50 %-70 %。并且加工平臺與珩磨網紋的槽是有一定間隔的，可以根據技術需求做相應的加工調整。

利用“平臺珩磨網紋”技術，改變發動機活塞環的表面結構，形成均勻的網紋。在發動機運行實驗中，通過以活塞－氣缸為研究對象，利用激光誘導熒光測量法或是超聲測量法測量氣缸壁上潤滑油膜的厚度［2］。針對不同油膜厚度，采用AVL－EXCITE系統軟件，對活塞環－缸套建模，進行摩擦損失的仿真計算［3］。

活塞環－缸套潤滑系統建模模型：

（1）基于平滑塊流體動力學雷諾方程，必須對流體動力潤滑過程中的各種復雜因素進行考慮分析，例如：潤滑油膜的厚度、潤滑油的黏稠度、相互運動機械部件之間的速度以及潤滑油流動的壓力等，可以通過雷諾方程來進行研究與分析其之間的聯系。

式中：是流體的壓力；是平均的速度；是油膜的厚度；潤滑油的黏度。

在計算過程中，確定潤滑油是不可壓縮的物質，所以計算公式為：

式中：是活塞的瞬時速度。

（2）油膜厚度

名義潤滑油膜的厚度計算公式為：

式中：0是油膜的最小厚度；是活塞環軸向輪廓在方向上的變化量，所以計算公式為：

式中：0是桶面的高度；是活塞環的軸向寬度。

由于相互運動部件之間的表面平滑度不同而產生的影響，實際油膜厚度的計算公式為：

式中：是缸套表面隨機的粗糙度高度；是活塞環表面隨機的粗糙度高度；和對應標準差分別為和。

總粗糙度標準差的公計算式為：

（3）膜厚比

名義潤滑油膜厚度/總粗糙度用來表達活塞環-氣缸之間的潤滑狀態，所以計算公式為：

當＜1為邊界潤滑時，接觸表面與微凸峰接觸，無法形成油膜，在潤滑油膜和微凸峰的影響下，摩擦最大因數為1≤＜3。而在潤滑油分子間內耗的作用下，潤滑油膜完全分離，摩擦因數此時最小，所以，≥3時是完全流體潤滑，摩擦系數比邊界摩擦減小。

在潤滑油的黏度表示為，粘度是運動速度的單位載荷，所以用Streebeck曲線表示摩擦系數/特征參數的關系。發動機摩擦副的潤滑狀態（如圖1所示），摩擦系數是常數且較高時為邊界潤滑條件； 摩擦系數隨特征參數的增加而減小時為混合潤滑條件；摩擦系數隨特征參數的增加而增大時為流體潤滑條件。據圖分析，配氣機構主要處于邊界潤滑和混合潤滑的狀態，活塞處主要于混合潤滑和流體潤滑的狀態，而處于流體潤滑狀態多為發動機軸承。

圖1 發動機摩擦副Stribeck曲線

（4）活塞環－缸套的摩擦力

微凸體的接觸摩擦F與微凸體的流體摩擦F2相加用來表達活塞環-缸套的總摩擦力，所以計算公式為：

式中：0是剪貼應力的常數；A是實際的接觸面積；是微凸體剪切的強度系數；W是微峰凸起的承載力。

根據Greenwood-Trip模型，流體摩擦F的計算公式為：

式中：潤滑油的黏稠度、潤滑油膜的壓力以及相互運動機械部件之間的速度都與剪切因子1和2有關系；而潤滑油膜的起始點1和終止點2是由雷諾方程邊界條件解得。

則相互運動的機械部件之間產生的摩擦消耗功是：

根據不同油膜厚度的對比仿真實驗計算出的數據，選擇摩擦損失功耗比原標準值相對較低的活塞環的結構形式，以便達到項目研究的結果。

4 總結

活塞環磨損的影響因素還很多，本研究只是通過設計新的活塞環網紋表面結構，利用潤滑模型仿真計算結果，比較選擇能有效降低活塞環與氣缸間摩擦損失的結構尺寸，從而降低發動機磨損，提高了燃油的經濟性和動力性。

[1] 王乃明.柴油機氣缸套平臺網紋加工技術的探討[J].內燃機與配件. 2014(4):17-18.

[2] 史敏.發動機活塞-氣缸套間潤滑油膜狀態測量技術研究[J].公路與汽運2014(3):13-3.

[3] 湯春球.潤滑油對發動機活塞環油膜厚度及整車油耗的影響[J].潤滑與密封2017(10):108-6.

Study on the improvement of piston air ring structure of automobile engine

Sun Changyong, Xu Changzhao, Wang Xuejun

（Shandong Huayu University Of Technology, Shandong Dezhou 253034）

Based on the analysis of the factors affecting the dynamic, economic and reliability of piston ring and cylinder, a new type of automobile piston ring surface structure is proposed, which increases the self-running property of piston ring and cylinder and reduces the probability of dry friction.

piston ring; structure;friction loss

A

1671-7988(2018)18-204-03

U462.1

A

1671-7988(2018)18-204-03

CLC NO.: U462.1

孫長勇，工程師，專業教師，主要研究方向是理論與實踐的教學、汽車改裝技術研究等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.068