內(nèi)燃機活塞環(huán)氣密性檢測研究淺析

肖敏 孫杰

摘要：機車油機的燃燒室是一個密閉的空間，隨著機車的運用，有時由于活塞環(huán)槽內(nèi)存有積炭顆粒或者活塞環(huán)發(fā)生偏磨、斷裂、扭曲等故障情況會造成燃燒室密封不良，燃?xì)庀赂Z，機油上竄的現(xiàn)象，輕者造成發(fā)動機冒藍(lán)煙，氣缸內(nèi)積炭增加，曲軸箱壓力升高，造成機車經(jīng)濟性和動力性下降，排放污染上升；重者會造成油機拉缸、停機等設(shè)備故障，甚至火災(zāi)事故。因此，油機的氣密性優(yōu)劣不但可以衡量發(fā)動機工作性能的好壞，而且對保障運輸生產(chǎn)的安全有序有著重要的作用。本文通過筆者工作經(jīng)驗和參考相關(guān)文獻資料，對內(nèi)燃機活塞氣密性進行了進一步簡要分析。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機；活塞；氣密性；檢測

1內(nèi)燃機活塞環(huán)簡述

活塞環(huán)是嵌套在活塞的環(huán)槽中與缸體內(nèi)壁相接觸，具有開口的環(huán)。雖然活塞環(huán)外型簡單，但在內(nèi)燃機以及壓縮機等做往復(fù)運動的零件中，它卻是對機器性能有著重要影響的零件之一。活塞環(huán)的主要作用可以概括成以下幾點：保持氣體封密、控制機油、傳熱，支撐和潤滑作用。發(fā)動機氣缸的氣體泄漏包含活塞環(huán)-氣缸套部位氣體泄漏、氣缸墊泄漏、進排氣門處泄漏、火花塞（噴油嘴）處泄漏。而在所有的氣缸泄漏中，活塞環(huán)-氣缸套部位氣體泄漏占了很大的比例，約占據(jù)整個氣缸泄漏的80%（1）缸的氣密性好壞將會直接影響到整個發(fā)動機的動力性，經(jīng)濟性，排放性指標(biāo)。

活塞環(huán)從功能的角度，可以分為兩大類，一類為氣環(huán)，氣環(huán)具有兩個重要的功用，其一是與活塞共同作用密封發(fā)動機的燃燒室，防止泄漏：其二是導(dǎo)出活塞頭部熱量。另一類為油環(huán)，油環(huán)的主要作用是使均勻分布?xì)飧妆诿娴臐櫥停_到活塞潤滑的目的，同時限制布油的量，防止?jié)櫥筒加瓦^多在氣缸內(nèi)燃燒，避免產(chǎn)生過多的燃燒室積碳以及潤滑油消耗過快等問題。氣環(huán)與油環(huán)的配合使用，保證了氣缸內(nèi)的氣密性和潤滑性，因此現(xiàn)階段的內(nèi)燃機活塞環(huán)組采用多個氣環(huán)和一個油環(huán)的組合。

2影響活塞環(huán)氣密性因素

活塞環(huán)氣環(huán)影響漏氣量的因素主要有：活塞環(huán)漏光、彈力、工作閉口間隙、彈力消失率、撓曲度、開口間隙大小、氣環(huán)外圓面與氣缸套合情況、氣環(huán)兩端面與活塞環(huán)槽上下端面配合情況、氣環(huán)數(shù)、潤滑油運動壓力等有關(guān)。

綜上所述活塞環(huán)氣密性檢測是活塞環(huán)檢測的最重要的指標(biāo)。

3活塞環(huán)氣密性檢測方法

活塞環(huán)氣體泄漏檢測方法，共分為三種，其一是靜態(tài)泄漏檢測方法，其二是動態(tài)泄漏檢測方法，其三是運動平衡態(tài)泄漏檢測方法。這些為主要針對專門研究開發(fā)活塞環(huán)的精確檢測方法。

3.1靜態(tài)泄漏檢測方法

靜態(tài)泄漏檢測方法是使發(fā)動機活塞停滯在氣缸上止點，利用壓縮機或者高壓氣瓶給燃燒室充入一定壓力的氣體，充入壓力氣體后，關(guān)閉進氣閥門的同時開始計時、測壓，通過壓力隨時間的變化情況來判斷活塞環(huán)氣密性的好壞。

優(yōu)點：方法簡單，易于操作，成本較低，能比較準(zhǔn)確的比較活塞環(huán)之間的優(yōu)劣。缺點：和工作機實際是運轉(zhuǎn)狀態(tài)泄漏脫離，沒有運動狀態(tài)的實際干擾（溫度變化、潤滑油阻塞等影響），所以所得結(jié)果與實際泄漏誤差較大。

3.2動態(tài)泄漏檢測方法

是讓氣缸內(nèi)氣體保持一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，關(guān)閉充氣閥門，讓曲軸以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，活塞完成一個行程（壓縮行程或膨脹行程）到達另一個止點，檢測壓力變化和溫度變化，分析其泄漏量，判斷活塞環(huán)氣密性的好壞。

優(yōu)點：方法簡單，成本較低：和工作機實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)泄漏接近，存在有運動狀態(tài)的實際干擾，所以結(jié)果與實際泄漏誤差較小。缺點：和工作機實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)泄漏接近，存在有運動狀態(tài)的實際干擾，但是測量只有一個活塞行程，時間短，測試隨機誤差大，驅(qū)動設(shè)備反映靈敏度也無法滿足要求，所以所得結(jié)果與實際泄漏誤差較大。

3.3運動平衡態(tài)泄漏檢測方法

是讓氣缸內(nèi)氣體保持一個大氣壓，關(guān)閉充氣閥門，讓曲軸以一定轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞連續(xù)完成多個壓縮行程和膨脹行程，到達一個最高壓力和最低壓力趨于穩(wěn)定的平衡點，檢測壓力和溫度隨時間（或轉(zhuǎn)數(shù)）變化，分析其泄漏情況，判斷活塞環(huán)氣密性的好壞。

優(yōu)點：方法簡單，易于操作，成本較低：和工作機實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)泄漏更接近，所有運動狀態(tài)的實際干擾都考慮到，所以所得結(jié)果與實際泄漏誤差最小。能較好的檢測和分辨出新型活塞環(huán)優(yōu)劣，也能檢測出使用過一段時間的活塞環(huán)的泄漏程度，同時亦能檢測一批次出產(chǎn)的活塞環(huán)的品質(zhì)好壞。缺點：效率相對于吉利公司的活塞環(huán)分揀機比較低，適合作為單個活塞環(huán)的比較檢測，而難于利用大批量的檢測，所以只做精密檢測的研究、開發(fā)試驗。

這三種漏氣檢測方法通過壓力傳感器等都能計算機控制得自動化檢測，如何提高檢測的準(zhǔn)確度和檢測效率是以后研究的重點。而要實現(xiàn)自動化檢測，提高檢測的精度的關(guān)鍵是數(shù)學(xué)建模。目前建模一般從以下五個方程出發(fā)，建立聯(lián)合方程組進行建模：

一般首選就是理想氣體方程，這樣的優(yōu)點就是建模相對比較容易，缺點是理想氣體與實際氣體有比較大的差別，因此從范德華氣體方程或維利愛方程或馬丁.候方程出發(fā)聯(lián)合其它四個方程進行建模，工作量會增大許多，但準(zhǔn)確度同時也會提高，更接近于實際。

其次是漏光檢測：用漏光檢測來代替漏氣檢測，以提高檢測的精度。對活塞環(huán)的檢測要求非常嚴(yán)格。以氣缸基本內(nèi)徑的環(huán)規(guī)作為標(biāo)準(zhǔn)具，將活塞環(huán)壓入其中，并保證活塞環(huán)的端面與環(huán)規(guī)的端面平行，則閉口間隙即其開口處縫隙的寬度；此時活塞環(huán)的外輪廓和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)內(nèi)輪廓相結(jié)合，如果這個結(jié)合圓周上有縫隙能使特定強度的光線通過，那么對這些縫隙的統(tǒng)計就是漏光度。漏光度實際上代表的是活塞環(huán)在工作時，與氣缸壁結(jié)合的氣密性，將其作為替代的檢測參數(shù)，是因為察看光束比漏氣要方便得多。目前我國規(guī)定對活塞環(huán)的檢測主要從以下兩個方面進行檢測：（1）閉口間隙；（2）活塞環(huán)在活塞里面的漏光度。國家專門制定了檢測活塞環(huán)光密封度的標(biāo)準(zhǔn)（1）弧長測量精度<2度中心角對應(yīng)的弧長；（2）連續(xù)漏光弧長對應(yīng)的中心角<25度不連續(xù)漏光累計弧長所對應(yīng)中心角<45度；點狀漏光不做漏光計；（3）閉口間隙處左右不漏光弧長對應(yīng)中心角≥15度。以上標(biāo)準(zhǔn)是針對直徑為200mm以及一下的內(nèi)燃機活塞環(huán)的。目前我國的活塞環(huán)閉口間隙檢測大部分依靠人工用塞尺測量，勞動強度高，檢測人員易疲勞。活塞環(huán)的漏光度檢測一般暗室里進行，首先把被測活塞環(huán)壓入標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)，用光源照射環(huán)規(guī)，在暗室里觀察和估算漏光程度。對于工作人員來說，勞動強度更大，并且傷害眼睛。

4 總結(jié)

綜上所述，通過對內(nèi)燃機活塞氣密性進行分析，可得出影響內(nèi)燃機活塞環(huán)漏氣量。在以后內(nèi)燃機活塞環(huán)生產(chǎn)過程中，可適當(dāng)優(yōu)化活塞環(huán)性能設(shè)計，如縮小漏氣通道面積、改善活塞環(huán)運動模式等。結(jié)合內(nèi)燃機活塞環(huán)組環(huán)面加工精度的控制，可有效控制內(nèi)燃機活塞環(huán)漏氣量。

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（作者單位：嘉興市計量檢定測試院）