減少發動機活塞漏氣量的試驗研究

程勉宏，龔鵬，李播博

摘 要：文章以解決某發動機活塞漏氣量大問題為例，介紹了發動機活塞漏氣量的計算與評價方法，分析了活塞漏氣量產生的原因及活塞漏氣量大對發動機的影響，探討了解決活塞漏氣量大的措施，并通過試驗證明采取措施的可行性。

關鍵詞：活塞漏氣量;原因分析;試驗驗證

中圖分類號：U464.27 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-145-03

The Experimental Study On Reducing Engine Piston Blow-by

Cheng Mianhong， Gong Peng， Li Bobo

（Shenyang Aerospace University， Liaoning Shenyang 110100 ）

Abstract： Through solving high piston blow-by of an engine problem， this paper introduces calculation and evaluation of the engine piston blow-by， analyzes cause of the piston blow-by and effect piston blow-by on the engine， explores measures for reducing piston blow-by， experiments prove feasibility of the measures.

Keywords： Piston blow-by; Cause analysis; Experimental verification

CLC NO.： U464.27 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-145-03

前言

活塞漏氣量表征發動機活塞、缸筒及環組的密封耐久性，反映了氣環/活塞/缸套組的氣體密封質量，進而表征出發動機的耐久性及老化程度[1]。它是評定發動機的重要指標之一。

實際使用中，活塞、缸筒及環組密封質量差，會導致換環、大修的里程較短，發動機起動困難，冬天起動更加困難;發動機運轉時達不到最高轉速，降低氣缸壓力，使發動機功率明顯降低;燃油消耗增加;機油變質;氣缸蓋、排氣管過熱等，其危害性很大[2]。為提高發動機的可靠性，應對全負荷最大漏氣量加以限制。

1 發動機活塞漏氣量的計算和評價

根據《汽車發動機可靠性試驗方法》（GB/T19055-2003）附錄A《汽車發動機可靠性評定方法》，四沖程發動機在全負荷時最大活塞漏氣量（Bmax）不得超過限值（BL）[3]。

（1）

式中：C為系數（選定為0.6%）;Vt為四沖程發動機在標準狀態下額定轉速時的理論吸氣量，單位為升每分鐘（L/min），即充氣系數ηV=1;VH為發動機排量，單位為升（L）;nr為額定轉速，單位為轉每分鐘（r/min）;rr 為額定轉速、全負荷時增壓機的壓比，即壓氣機出口的絕對壓力po與壓氣機進口絕對壓力pi之比（rr= po/ pi），非增壓機令rr=1;Tm為進氣歧管內進氣溫度，單位為開爾文（K），非增壓機令Tm=298K。

依據上面計算得出該增壓發動機活塞漏氣量限值應為：

BL=CVt=0.6%VH（nr/2）rr（298/Tm）

=0.6%×1.8×（5500/2）×1.8×（298/298+40）=0.6%×1.8×2750×1.8×0.88=47.04 L/min

對發動機的活塞漏氣量值評價標準見表1所示進行評價。

表1 ?活塞漏氣量值評價標準

2 活塞漏氣量偏大的原因

發動機全負荷最大活塞漏氣量（Bmax）不僅與VH、nr、rr及 Tm有關，還與零件設計、結構、生產質量及使用情況有關，如氣環/活塞/缸套組的設計結構、加工質量、耐久性和潤滑條件等。根據所研究的發動機實際情況分析，在發動機研制和試驗中出現活塞漏氣量大，可能是以下幾個方面存在問題：

（1）活塞環安裝后的對口位置及方向錯誤，將使氣缸內的可燃混合氣體通過活塞環的開口位置泄漏，增大活塞漏氣量。

（2）氣缸孔的尺寸不合格或試驗中變形大，會使氣缸內的可燃混合氣體通過活塞與缸孔的縫隙泄漏，增大活塞漏氣量。

（3）活塞環槽尺寸參數不合格，特別是活塞環槽的倒角不合格（這里指偏大），或者環槽底平面傾斜角度不同，將增大活塞漏氣量。

3 發動機活塞存在的問題分析

在某款發動機磨合試驗過程中，連續16臺中發現有6臺發動機活塞漏氣量測量值偏大，見表2。

表2 ?活塞漏氣量測量值

由上面對發動機研制和試驗中出現活塞漏氣量大可能存在的幾個方面問題進行測量分析。

3.1 活塞環對口及氣缸孔變形對活塞漏氣量的影響

經測量，活塞漏氣量大的樣機活塞環對口位置及方向都與裝配時發生了變化，同時測量氣缸孔的尺寸，并與設計要求進行對比，確認缸孔變形量。氣缸孔直徑要求是80-80.01 mm，缸孔圓柱度要求是0.012mm。用三座標測量機（PRI -MAR）測量試驗前后氣缸孔直徑及變化量，見表3。

表3 ?試驗前后氣缸孔直徑及變化量

經過對照分析，氣缸孔變形的方向與活塞環對口及方向之間存在規律性，說明活塞環對口及方向與氣缸孔試驗過程中變形有關。

3.2 缸套貼合率對活塞漏氣量的影響分析

將漏氣量大的發動機缸套進行剖切，發現其缸套貼合情況不好，這可能使缸孔在試驗中發生變形，影響活塞漏氣量。用缸套貼合較好的缸體替換漏氣量大的發動機缸體，其它零部件不變，進行磨合試驗，試驗結果是活塞漏氣量最大值為56.15 L/min，見圖2曲線2;使用替換前的缸體測量的活塞漏氣量為62.7 L/min，見圖2曲線1。活塞漏氣量最大值有所降低，但仍然偏大。因此，缸孔變形和缸套貼合率并不是影響活塞漏氣量的主要原因。

3.3 活塞環槽倒角對活塞漏氣量影響

試驗中的發動機使用了兩種型式活塞，活塞1漏氣量偏大;活塞2漏氣量正常;因此對兩種活塞環槽尺寸進行對比測量，測量位置見圖1，測量尺寸見表4。從表中數據可以看出，活塞1的環槽尺寸與設計要求相差較多，活塞2的環槽尺寸基本符合設計要求。

圖1 ?活塞測量位置

經分析，確認活塞1的加工過程與活塞2不同。活塞1加工環槽和環槽倒角為兩個工序，且定位存在偏差，加工倒角的設備參數設定為0.1（設計要求最大為0.1*45度），這樣會存在超差的可能性。針對上述狀況，活塞2將加工倒角的設備參數調到0.02來補償定位偏差。

在缸體及其它零部件不變的基礎上（用貼合率較好的缸體），只更換一組活塞2，進行對比試驗。試驗結果是，活塞漏氣量明顯下降，最大活塞漏氣量為50.8L/min，見圖2曲線3，在可以接受范圍內，符合要求。證明活塞環槽倒角對活塞漏氣量的影響較大。

表4 ?活塞環槽的尺寸測量

3.4 活塞環槽碟形角度對活塞漏氣量影響分析

上面分析中活塞1和活塞2的一環槽底平面是傘形，下面將一環底平面加工成碟形，其具體參數見表4中活塞3、4。

（1）針對碟形角度超差問題，通過調整生產設備的定位夾具，將環槽的角度調為碟形，保證工作狀態的密封性。工藝控制參數為0.03-0.06/25mm。利用改進的工藝加工一批活塞，現場抽取兩件測量碟形角度皆為0.04/25mm，符合要求。

（2）將測量好的活塞裝配在同一臺發動機上繼續進行對比試驗，試驗結果是活塞漏氣量明顯下降，測量數據中最大漏氣量為46.8 l/min，符合該發動機漏氣量限值要求，見圖2曲線4、5。

由上面的分析可見，活塞環槽的倒角超差，活塞環槽底平面角度是造成活塞漏氣量偏大原因之一。

4 試驗驗證

按照更改后的加工過程參數，加工新的活塞。裝配最新狀態的缸體（缸套貼合好）和改進后的活塞，抽取4臺發動機進行磨合試驗，測量活塞漏氣量值。

試驗驗證結果見圖3。通過驗證試驗可見活塞漏氣量在

發動機整個工作過程中都控制在發動機漏氣量要求限值內。

圖2 ?活塞環槽尺寸參數對漏氣量的影響

圖3 ?改進后發動機漏氣量測量結果

5 總結

活塞環對口位置及方向對活塞漏氣量有影響，氣缸孔變形的方向與活塞環對口及方向之間存在規律性，說明活塞環對口及方向與氣缸孔試驗過程中變形有關。

缸套貼合情況不好，可能使缸套在試驗中發生變形，影響活塞漏氣量。

活塞環槽加工尺寸及活塞環槽碟形角度是影響活塞漏氣量的主要因素，缸體（缸套貼合好）和活塞的改進可以使活塞漏氣量滿足設計要求。

參考文獻

[1] 周保龍.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 陳家瑞.汽車構造 [M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] GB/T 19055-2003，汽車發動機可靠性試驗方法[S].