汽車發(fā)動機上三道矮活塞環(huán)組解析

1、當今,全球保護環(huán)境的呼聲越來越強烈,尤其要求降低汽油機油耗。其具體措施就是減小活塞環(huán)的側(cè)面總張力以及采用低摩擦系數(shù)的材料等來減少摩擦損失。減小總張力的方法有兩個：一是通過降低活塞環(huán)的高度確保與氣缸壁接觸表面的壓力,同時通過減小張力降低環(huán)高度;二是把歷來的三道環(huán)組改成兩道環(huán)組來實現(xiàn)兩道環(huán)化。另外,要求低摩擦系數(shù)材料硬度高,表面粗糙度小(采用離子噴鍍等)。通過試驗證實了三道矮環(huán)的機油消耗和密封性能。尤其注重頂環(huán)的工作狀態(tài),證實了活塞第二道環(huán)岸的剛性和性能的穩(wěn)定性。頂環(huán)的工作狀態(tài)及密封性能頂環(huán)高度為1.2mm及0.8mm時,證實了該環(huán)工作狀態(tài)從密封性能。首先,在（圖l）所示單體試驗機上證實了燃氣壓力

2、作用下頂環(huán)內(nèi)、外圓面的工作狀態(tài)。高度為l.2mm的頂環(huán)與高度為0.8mm的頂環(huán)相比較,受到燃氣壓力作用時,環(huán)高1.2mm的環(huán)內(nèi)圓面上浮,環(huán)扭曲。這是由于活塞環(huán)剛性不足,從而使下側(cè)面的密封性惡化及環(huán)槽凹面磨損所引起的。即使環(huán)高為0.8mm時,也要減小壞的厚度(從3.1mm2.6mm),這樣就在一定程度上克服了內(nèi)圓面上浮的缺陷。這是由于提高環(huán)斷面抗撓剛性后,減小了環(huán)的扭曲度。此外,燃氣壓力消失時,頂環(huán)雖上浮,但這是頂環(huán)因第二道環(huán)岸受到燃氣壓力作用而扭曲,待燃氣壓力消失時即可恢復原狀(圖3)。提高第二道鉿岸的剛性后,即使受到燃氣壓力作用,也是整個環(huán)被壓下,于是矮的頂環(huán)內(nèi)圓面未上浮(圖4)。但是單純增

3、加第二道環(huán)岸的高度,由于活塞加長,與輕量化要求相矛盾,難于在實際上運用,故有必要采取帶有溝槽的活塞提高第二道環(huán)岸剛性的其他措施。實機密封性能試驗與單體試驗結(jié)果相同,在高速、高負荷工況下,矮的頂環(huán)會由于剛性不足而扭曲,從而加大漏氣量,因此要減小環(huán)的厚度,才能減少漏氣量。另外,在高速，輕負荷工況下，由于環(huán)的慣性質(zhì)量變輕，與高度為1.2mm的環(huán)相比較，矮環(huán)的漏氣量趨于減?。▓D5）。對頂環(huán)槽的影響由于頂環(huán)矮，在燃氣壓力作用下，環(huán)向下方扭曲的傾向大，因此可以確定在實機上活塞環(huán)槽的磨損情況。圖6示出頂環(huán)高度為1.5mm,1.2mm和0.8mm時的環(huán)槽磨損狀況。其特征為環(huán)槽上面內(nèi)圓面凹處磨損，外圓面喇叭狀磨

4、痕變多。圖7示出缸徑與不同高度的頂環(huán)槽磨損率的關(guān)系。環(huán)槽磨損率=環(huán)槽磨損量/(運行時間）1/2 環(huán)高度為1.5mm時缸徑與環(huán)槽磨損率無關(guān),環(huán)高度為1.2mm及1.0mm的矮環(huán)與缸徑關(guān)系很大。若環(huán)槽磨損量目標值設(shè)定為20µm/100h以下,則頂環(huán)高度在l.2mm以下時可設(shè)定缸徑界限在80mm左右。圖8示出在圖7的基礎(chǔ)上繪制的缸徑/頂環(huán)高度與頂環(huán)槽磨損率的關(guān)系,從圖中看出缸徑/頂環(huán)高度在65左右磨損率界限處。另外,與經(jīng)鋁陽極化處理(提高環(huán)槽耐磨性的措施)的活塞相比較,上述一種活塞環(huán)槽的磨損率可減少一半左右。圖9示出頂環(huán)厚度/高度與頂環(huán)槽磨損率的關(guān)系。厚度/高度值越小,環(huán)槽磨損量越小。這可

5、從考慮到加大斷面的抗撓剛性,從單體試驗評價所見到的環(huán)的工作狀態(tài)加以說明。根據(jù)上述,矮的頂壞,必須考慮活塞頂壞槽磨損情況,從目前情況來看,應考慮采用不同缸徑及環(huán)的厚度及矮環(huán)的尺寸界限。第二道環(huán)對機油耗量的影響 活塞采用矮的第二道環(huán)時,應保持第二道環(huán)刮油下落的功能,而且,為防止環(huán)外圓樓邊刮油上竄,必須防止環(huán)外圓整個錐面接觸。因此,就應考慮在加工工藝及運行中防止環(huán)外圓整個錐面接觸,不能加大環(huán)外圓錐度。而且由于加大環(huán)外圓錐度,活塞在上升行程中第二道環(huán)外圓錐面歷來都帶油膜,起到油楔作用,活塞的第二道環(huán)岸油壓上升,從而使機油從頂環(huán)外圓面和側(cè)面大量進入燃燒室,因此機油的耗量大(圖10)。第二道的圓周錐度,以

6、從歷來30分改為l度30分最佳,一旦超過上述角度,機油耗量就加大。根據(jù)上述,第二道環(huán)的最大高度不應超過1.2mm,并經(jīng)試驗找出最佳錐度。油環(huán)對機油耗量的影響汽油機的油環(huán)目前幾乎都是三件式組合環(huán),以求提高環(huán)與氣缸套的隨動性并通過給活塞環(huán)槽上下面施加側(cè)壓力提高密封性。矮油環(huán)可減小環(huán)外周與氣缸套貼合面上的兩個刮片間距,從而提高活塞傾斜時的隨動性。因此,歷來活塞環(huán)與氣缸套的隨動性系數(shù)K都大于O.25,但因為環(huán)矮,K約為0.20就能滿足機油耗量要求。K=WR2/EI ，式中w-張力 R-缸徑/2 E-楊氏模量 I-斷面二次力矩另外,按上式設(shè)定K值,張力趨于減小。圖1l示出矮環(huán)機油耗量的實例。此外,由于油環(huán)矮,刮片變薄時側(cè)面會彎曲,可能加大機油耗量。解決措施是把刮片加厚,但這樣會使襯環(huán)剛性變大，撓曲量變小。由此可以預想,氣缸變形時及活塞傾斜時油環(huán)與氣缸套壁的隨動性下降。因此,在設(shè)定組合油環(huán)高度為2.0mm時,設(shè)定刮片高度為0.4mm(圖12)。油環(huán)矮,組合油環(huán)的高度目前雖可制作到1.0mm,但還要考慮到側(cè)面彎曲及耐久性在今后予以驗證。耐久性評價 圖l3為三道矮環(huán)組的耐久運轉(zhuǎn)實例,即使在耐久運轉(zhuǎn)后,漏氣量及機油消耗量都沒有加大而保持良好。此外,雖然由于環(huán)變矮頂環(huán)槽有一定程度的磨損,但磨損量甚微,并不影響性能。因此,環(huán)即