汽車發動機活塞環-缸套減阻技術要點

摘要：針對汽車發動機活塞環與缸套間摩擦損耗大、影響發動機性能的問題，本研究依據摩擦學原理及發動機工作原理，采用理論分析、案例研究與實驗驗證相結合的方法，深入研究了活塞環- 缸套摩擦機理及其對發動機性能的影響，并給出活塞環- 缸套減阻技術的核心要點。通過結構優化、表面處理技術、材料優化及潤滑技術等手段，有效降低摩擦阻力，提升了發動機效率與燃油經濟性。實驗數據顯示，采用減阻技術后，燃油消耗率降低8.7%，輸出功率提高5.3%，排放水平得到顯著改善。

關鍵詞：汽車發動機；活塞環；缸套

引言

隨著汽車工業的快速發展，提高發動機效率、降低能耗和減少排放已成為行業關注的焦點。活塞環與缸套作為發動機的關鍵部件，其摩擦性能直接影響發動機的性能和經濟性。然而，傳統設計下的活塞環與缸套間存在較大的摩擦阻力，導致能量損失、燃油消耗增加以及零部件的快速老化。因此，研發活塞環-缸套減阻技術，優化摩擦性能，成為提升發動機整體性能的關鍵。本文旨在深入分析活塞環與缸套的摩擦機理，探討減阻技術的核心要點，為發動機設計提供理論支持和實踐指導。

一、活塞環- 缸套摩擦機理

（一）摩擦產生的原因

活塞環與缸套間的摩擦是發動機內部摩擦損失的主要構成，主要由相對運動、接觸壓力及表面粗糙度引發。活塞在缸套內的往復運動導致活塞環與缸套產生相對滑動摩擦。同時，燃燒室內高壓氣體及活塞、連桿的慣性力使活塞環緊壓缸套壁，加劇了摩擦現象。此外，活塞環與缸套表面存在的微觀不平整度，即表面粗糙度，進一步增加了摩擦系數。因此，優化活塞環- 缸套設計，減少這些因素對摩擦的影響，是提升發動機效率、降低能耗的關鍵技術要點[1]。

（二）摩擦對發動機性能的影響

活塞環與缸套間的摩擦顯著影響發動機性能。具體而言，摩擦導致能量損失，使得發動機有效功率降低，部分能量轉化為熱能散失，增加了燃油消耗，降低能源利用效率。這種能量損失不僅影響發動機的經濟性，還限制其動力性能的提升。長期摩擦磨損會降低活塞環與缸套的配合精度，進而影響發動機的密封性能。密封性能的下降會導致壓縮效率降低，燃燒質量惡化，從而影響發動機的整體性能和可靠性。此外，摩擦產生的熱量會使發動機溫度升高，加速活塞環、缸套等關鍵零部件的老化和損壞，進一步縮短發動機的使用壽命[2]。

二、活塞環- 缸套減阻技術要點

基于對活塞環與缸套摩擦機理的剖析，已明確摩擦主要由相對運動、接觸壓力及表面粗糙度引起，它不僅降低發動機有效功率，增加燃油消耗，還加速零部件老化，嚴重影響發動機性能和壽命。因此，研發活塞環- 缸套減阻技術成為提升發動機效率、降耗的關鍵。該技術應著重優化活塞環與缸套設計，減少摩擦因素，以提升密封性能，降低熱量，從而延長使用壽命，實現性能與經濟性的雙重提升。

（一）結構優化

活塞環- 缸套減阻技術的核心在于結構優化，這直接關系到汽車發動機性能的提升。活塞環設計優化方面，重點在于形狀與尺寸的精細調整。桶面環以其獨特的桶狀外圓面設計，顯著減少與缸套的接觸面積，實驗數據顯示，其摩擦系數可降低約8%。扭曲環則通過斷面形狀的扭曲設計，更好地適應缸套的細微變形，減少間隙，降低摩擦，并在上下運動過程中產生旋轉效應，避免長時間在同一位置摩擦，進一步降低阻力。組合式活塞環如三環或四環組合，通過多重密封防線有效減少氣體泄漏，提升發動機工作效率，削減額外能量損失，從而降低摩擦阻力。缸套結構優化同樣重要。珩磨技術通過形成交叉網紋、螺旋槽等微觀結構，優化潤滑油的儲存與分布，使潤滑油能及時填充活塞環與缸套間的間隙，形成良好潤滑膜，相關研究指出，該技術可降低摩擦系數約12%[3]。

（二）表面處理技術

表面處理技術對汽車發動機活塞環- 缸套系統的減阻性能具有關鍵作用。具體而言，鍍硬鉻技術通過增強活塞環的硬度和耐磨性，實現了摩擦系數10%—15% 的降低，同時提高了其在高溫高壓環境下的穩定性，有效防止了變形和脫落。類金剛石涂層（DLC）憑借其卓越的高硬度、低摩擦系數及優異的耐磨性，為活塞環減阻提供了新的途徑，其摩擦系數可低至0.05—0.1，進而提升了發動機動力輸出5%—8%，降低了油耗8%—10%。此外，物理氣相沉積（PVD）技術在活塞環表面沉積的氮化鈦、碳化鈦等特殊性能薄膜，不僅硬度高、耐磨性好，還具備出色的潤滑性能，實現了8%—12% 的減阻效果，同時能有效抵抗高溫高壓環境下的氧化和腐蝕，為活塞環提供了全面的保護。

（三）材料優化

針對活塞環材料，聚四氟乙烯（PTFE）復合材料以其極低的摩擦系數（0.05 至0.1）展現出良好的自潤滑性能，有效降低摩擦阻力，提升發動機燃油經濟性和可靠性，但耐高溫性能和機械強度需通過復合其他材料來增強。另一選擇是陶瓷材料，其高硬度、耐高溫及耐腐蝕特性顯著降低摩擦和磨損，提高發動機可靠性和使用壽命，然而脆性大、加工難、成本高限制了其應用。

缸套材料方面，高強度鑄鐵憑借高硬度和強度，以及良好的熱傳導性能，顯著提升缸套的耐磨性和可靠性，有效降低發動機熱負荷。而鋁合金以其輕質和良好的導熱性能，有助于減輕發動機重量并降低熱負荷，從而提升燃油經濟性和可靠性，如表1 所示。

（四）潤滑技術

在汽車發動機活塞環- 缸套減阻技術中，潤滑技術扮演著至關重要的角色。其中，低黏度潤滑油因其能有效降低活塞環與缸套間的摩擦阻力而備受關注。此類潤滑油在高溫條件下展現出良好的流動性，能更充分地填充兩者之間的微小間隙，從而減少摩擦，實驗數據顯示，其可提升發動機燃油經濟性約3%至5%。然而，低黏度潤滑油在高溫、高壓環境下的潤滑性能可能會受限，因此，需通過添加特定添加劑來優化其性能。添加抗磨劑、減摩劑等特殊添加劑，能夠顯著提升潤滑油的潤滑效果，進一步降低摩擦阻力。特別是納米級的抗磨劑，能在活塞環與缸套接觸表面形成一層堅韌且持久的保護膜，這層保護膜不僅能夠有效減少摩擦和磨損，還能在高溫、高壓環境下保持穩定的潤滑性能。

三、柴油發動機活塞環- 缸套減阻技術應用案例分析

（一）減阻技術實施方案

針對某型柴油發動機在長期運行中出現的燃油消耗率偏高、輸出功率下降及排放不達標等問題，經深入分析，確認活塞環與缸套間過大的摩擦阻力為關鍵原因。為此，應實施綜合性的減阻技術改進方案。

在技術實施上，首先選用高硬度鍍鉻環作為首道氣環，以增強其耐磨性；同時，采用桶面環設計優化活塞環廓形，以促進潤滑油膜的形成，進而降低摩擦阻力。此外，活塞環表面還涂覆了一層耐磨且低摩擦系數的涂層，以進一步減少摩擦。缸套表面處理技術同樣重要，包括激光紋理化處理，形成微觀凹坑結構以維持潤滑油膜，從而減少摩擦。離子注入技術，用于提升缸套表面的硬度和潤滑性能，增強其耐磨和抗腐蝕能力。在潤滑油優化方面，通過調整配方，提高潤滑油的黏度指數、抗磨性和抗氧化性。同時，引入可變排量油泵，根據發動機實時工況精確控制噴油量和噴油時機，以確保潤滑效果達到最佳。

（二）應用效果分析

為評估減阻技術的實施效果，對發動機進行性能測試。測試數據如下表2 所示。

通過采用活塞環優化設計、缸套表面處理技術以及潤滑油優化等減阻技術，某型柴油發動機的性能得到顯著提升。燃油消耗率降低了8.7%，輸出功率提高5.3%，排放水平也得到了顯著改善。這表明活塞環- 缸套減阻技術是提高柴油發動機性能、降低油耗和減少排放的有效手段。

結論

本文通過對汽車發動機活塞環與缸套摩擦機理的剖析，明確減阻技術的重要性。通過結構優化、表面處理技術、材料優化和潤滑技術等多方面的技術改進，實現活塞環- 缸套摩擦阻力的顯著降低。應用案例分析表明，減阻技術不僅能夠有效降低燃油消耗、提升輸出功率，還能顯著減少排放，提升發動機的整體性能和可靠性。

參考文獻：

[1] 盧忠宇. 往復式壓縮機一級缸活塞環和支撐環磨損分析[J].石化技術， 2024，31（9）：40-42.

[2] 宋振， 劉曉日， 宋旭， 等. 考慮溫度分布和初彈力影響的活塞環- 缸套試驗臺研究[J]. 潤滑與密封，2024，49（8）：82-87.

[3] 唐金， 王娟. 汽車發動機活塞環和缸套表面紋理優化設計研究[J]. 汽車測試報告，2024（7）：28-30.