活塞环对发动机漏气量的影响及改进对策

陈 勇，张国勇

（四川化工职业技术学院，四川泸州 646099）

0 引言

活塞环是内燃机关键零件之一，与活塞、气缸套相互联系在一起，组成发动机动力源组件。活塞环的主要功能是密封：活塞环和缸套内壁以及活塞环槽侧面的良好接触，使发动机的燃烧气体最大限度地做功，同时防止滑动面润滑劣化、润滑油劣化等，避免异常磨损、拉缸等现象。衡量活塞环密封功能的指标是活塞漏气量，影响因素有活塞环设计、加工质量、缸套的变形、发动机运行工况等。其中，最主要的影响因素是活塞环设计。为了解决活塞漏气问题，对影响活塞漏气量的因素进行了分析，并提出应对对策。

1 活塞环对漏气量的影响

1.1 活塞环漏气通道

直开口活塞环漏气通道如图1所示。从图中可以看出，由活塞环开口、缸孔表面、活塞外圆面所形成的面积即为漏气通道面积，其数值大小将直接决定活塞漏气量的多少。所以，活塞环对活塞漏气量影响最大的因素就是第一道活塞环闭合间隙S1。在相同工况下，第一道活塞环的闭合间隙越小（前提是工作时在热膨胀的作用下，S1≥0即可），通过该通道流向第二道环岸部的气体的量就越少。

图1 直开口活塞环漏气通道

1.2 活塞环悬浮

活塞环的悬浮如图2所示。其中，P1为燃烧室压力，P2为第二环岸压力，P上侧为由P1作用在环上侧面的压力，P内圆由P1作用在环内圆面的压力，ft为环的切向弹力，f惯性为活塞环运动时的惯性力，f为环和缸套之间的摩擦力，f下侧由P2作用在环下侧面的压力。

考察活塞的做功行程。从第一道环的受力分析可以看出，当P惯性+P下侧+f≥P上侧时，活塞环将和环槽下侧面脱离而处于悬浮状态，就会产生漏气通道，从而导致活塞漏气量急剧上升。

所以，在设计活塞环时，一般将第二道环的闭合间隙设定为S12ND≥S1top，使从第一道活塞环闭合间隙处下行的气体能及时从第二道环的闭合间隙处排出，从而避免P2上升过大导致TOP产生悬浮。将这种考虑称为2ND活塞环的卸压作用。

图2 活塞环的悬浮

1.3 活塞环和缸套表面的接触状况

活塞环和缸套之间接触状况如图3所示。活塞环为弹性体，在自身弹力作用下，能适应一定的缸套变形，被称为活塞环的追随性。在图3中，a）表示缸套无变形或变形为椭圆状，环和缸套表面接触状况良好，基本不存在漏气通道；b）表示缸套变形为三棱形，活塞环已不能适应缸套的变形，它们的间隙成为漏气通道；c）表示缸套的变形为四边形，此时活塞环对该变形将更加难以适应，其间隙成为漏气通道。当缸套的变形为多边形时，随着边数的增加，其形状将接近正圆，活塞环也能起到密封作用。

所以，尽管气缸套的机械变形和热变形不可避免，但对其进行控制是非常必要。另外，对活塞环而言，需要提高其追随性以降低缸套变形所带来的不利影响。提高活塞环追随性的措施有降低活塞环的环高和径向厚度、提高环的切向弹力、使用弹性模量较低的基体材料等。但这些手段还需要结合耐磨性、可靠性等方面综合考虑，其效能受到很多的制约。

1.4 活塞环和活塞环槽下侧面的接触状况

图3 活塞环和缸套接触状况

环和环槽下侧面之间接触状况如图4所示：a）为接触正常的状态，环和环槽间不存在漏气通道；b）表示当环槽或环的下侧面因加工等原因存在微观不平或波浪形轮廓时，接触面的部分区域存在间隙，这些间隙将成为漏气的通道。其对策主要是提高环和环槽的加工精度，并尽可能避免在加工及运输过程中产生变形。

图4 环和环槽下侧面接触状况

2 降低活塞漏气量的对策及总结

通过对活塞漏气量的影响因素分析，将降低活塞漏气量的对策总结如下。

降低活塞漏气量的对策主要有两个：一是漏气通道面积缩小，二是活塞环的运动改进。它们分别又包含不同的措施，如图5所示。

图5 降低活塞漏气量的措施