汽车发动机上三道矮活塞环组解析

流星雨

汽车发动机上三道矮活塞环组解析
　　当今,全球保护环境的呼声越来越强烈,尤其要求降低汽油机油耗。其具体措施就是减小活塞环的侧面总张力以及采用低摩擦系数的材料等来减少摩擦损失。
　　减小总张力的方法有两个：一是通过降低活塞环的高度确保与气缸壁接触表面的压力,同时通过减小张力降低环高度;二是把历来的三道环组改成两道环组来实现两道环化。另外,要求低摩擦系数材料硬度高,表面粗糙度小(采用离子喷镀等)。
　　通过试验证实了三道矮环的机油消耗和密封性能。尤其注重顶环的工作状态,证实了活塞第二道环岸的刚性和性能的稳定性。
　　
　　顶环的工作状态及密封性能
　　顶环高度为1.2mm及0.8mm时,证实了该环工作状态从密封性能。首先,在（图l）所示单体试验机上证实了燃气压力作用下顶环内、外圆面的工作状态。高度为l.2mm的顶环与高度为0.8mm的顶环相比较,受到燃气压力作用时,环高1.2mm的环内圆面上浮,环扭曲。这是由于活塞环刚性不足,从而使下侧面的密封性恶化及环槽凹面磨损所引起的。

　　即使环高为0.8mm时,也要减小坏的厚度(从3.1mm→2.6mm),这样就在一定程度上克服了内圆面上浮的缺陷。这是由于提高环断面抗挠刚性后,减小了环的扭曲度。
　　此外,燃气压力消失时,顶环虽上浮,但这是顶环因第二道环岸受到燃气压力作用而扭曲,待燃气压力消失时即可恢复原状(图3)。提高第二道铪岸的刚性后,即使受到燃气压力作用,也是整个环被压下,于是矮的顶环内圆面未上浮(图4)。

　　但是单纯增加第二道环岸的高度,由于活塞加长,与轻量化要求相矛盾,难于在实际上运用,故有必要采取带有沟槽的活塞提高第二道环岸刚性的其他措施。
　　实机密封性能试验与单体试验结果相同,在高速、高负荷工况下,矮的顶环会由于刚性不足而扭曲,从而加大漏气量,因此要减小环的厚度,才能减少漏气量。另外,在高速，轻负荷工况下，由于环的惯性质量变轻，与高度为1.2mm的环相比较，矮环的漏气量趋于减小（图5）。

　　对顶环槽的影响
　　由于顶环矮，在燃气压力作用下，环向下方扭曲的倾向大，因此可以确定在实机上活塞环槽的磨损情况。
　　图6示出顶环高度为1.5mm,1.2mm和0.8mm时的环槽磨损状况。其特征为环槽上面内圆面凹处磨损，外圆面喇叭状磨痕变多。
　　图7示出缸径与不同高度的顶环槽磨损率的关系。
　　环槽磨损率=环槽磨损量/(运行时间）1/2 环高度为1.5mm时缸径与环槽磨损率无关,环高度为1.2mm及1.0mm的矮环与缸径关系很大。
　　若环槽磨损量目标值设定为20µm/100h以下,则顶环高度在l.2mm以下时可设定缸径界限在80mm左右。
　　图8示出在图7的基础上绘制的缸径/顶环高度与顶环槽磨损率的关系,从图中看出缸径/顶环高度在65左右磨损率界限处。另外,与经铝阳极化处理(提高环槽耐磨性的措施)的活塞相比较,上述一种活塞环槽的磨损率可减少一半左右。
　　图9示出顶环厚度/高度与顶环槽磨损率的关系。厚度/高度值越小,环槽磨损量越小。这可从考虑到加大断面的抗挠刚性,从单体试验评价所见到的环的工作状态加以说明。
　　根据上述,矮的顶坏,必须考虑活塞顶坏槽磨损情况,从目前情况来看,应考虑采用不同缸径及环的厚度及矮环的尺寸界限。




　　第二道环对机油耗量的影响
　　活塞采用矮的第二道环时,应保持第二道环刮油下落的功能,而且,为防止环外圆楼边刮油上窜,必须防止环外圆整个锥面接触。因此,就应考虑在加工工艺及运行中防止环外圆整个锥面接触,不能加大环外圆锥度。而且由于加大环外圆锥度,活塞在上升行程中第二道环外圆锥面历来都带油膜,起到油楔作用,活塞的第二道环岸油压上升,从而使机油从顶环外圆面和侧面大量进入燃烧室,因此机油的耗量大(图10)。第二道的圆周锥度,以从历来30分改为l度30分最佳,一旦超过上述角度,机油耗量就加大。
　　根据上述,第二道环的最大高度不应超过1.2mm,并经试验找出最佳锥度。

　　油环对机油耗量的影响
　　汽油机的油环目前几乎都是三件式组合环,以求提高环与气缸套的随动性并通过给活塞环槽上下面施加侧压力提高密封性。矮油环可减小环外周与气缸套贴合面上的两个刮片间距,从而提高活塞倾斜时的随动性。
　　因此,历来活塞环与气缸套的随动性系数K都大于O.25,但因为环矮,K约为0.20就能满足机油耗量要求。
　　
　　K=WR2/EI ，式中w--张力 R--缸径/2 E--杨氏模量 I--断面二次力矩
　　另外,按上式设定K值,张力趋于减小。
　　图1l示出矮环机油耗量的实例。
　　此外,由于油环矮,刮片变薄时侧面会弯曲,可能加大机油耗量。
　　解决措施是把刮片加厚,但这样会使衬环刚性变大，挠曲量变小。由此可以预想,气缸变形时及活塞倾斜时油环与气缸套壁的随动性下降。因此,在设定组合油环高度为2.0mm时,设定刮片高度为0.4mm(图12)。油环矮,组合油环的高度目前虽可制作到1.0mm,但还要考虑到侧面弯曲及耐久性在今后予以验证。
　　耐久性评价
　　图l3为三道矮环组的耐久运转实例,即使在耐久运转后,漏气量及机油消耗量都没有加大而保持良好。此外,虽然由于环变矮顶环槽有一定程度的磨损,但磨损量甚微,并不影响性能。因此,环即使矮,耐久性仍很好。
　　考核

　　矮环有：
　　(l)顶环：环抗挠刚性,环槽磨损
　　(2)第二道环:外圆锥角的设定值
　　(3)油环：侧面弯曲；刮片及间隔胀圆的尺寸配合等问题,这些问题没有完全搞清楚。若搞清楚上述问题,则环可亘矮和低张力化。

[ 本帖最后由 流星雨 于 6-8-2007 20:43 编辑 ]