一例发动机降低漏气量的活塞环优化设计.pdf

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1、内燃机与配件2014年第8期一例发动机降低漏气量的活塞环优化设计曹存军(南京飞燕活塞环股份有限公司)[摘要]通过一例高速柴油机降低漏气量的活塞环优化设计，归纳总结了小型高速柴油机活塞环的设计思路。[关键词]活塞环漏气正扭曲发动机漏气量大，不仅可能会造成发动机功率下降、机油耗增加，影响排放，而且会破坏油膜，加速机油的变质，造成环的磨损甚至拉缸等事故。所以发动机漏气量大是个不能轻视的问题。而在发动机开发过程中，却经常会遇到漏气量大的问题，虽然影响发动机漏气量的因素有很多，比如活塞的型线，活塞环槽的布置，缸套的网纹，配缸间隙是否合理等，但是很多时候人们还是喜欢首先从活塞环方面去

2、考虑改进。这是因为，活塞环在发动机中起主要密封作用，漏气量及机油耗控制，是活塞环设计的两个重点目标。1活塞环的漏气通道活塞环的漏气通道有三个(图一)：①活塞环外圆面与缸套内壁之间；②活塞环侧背隙；③活塞环开口间隙。图1活塞环的漏气通道其中第一通道的漏气量取决于活塞环与缸套的接触质量；第二通道的漏气量取决于活塞环侧隙的截面积、具有泵气作用的背隙容积及活塞环槽下侧面与活塞环的角度配合，以及换向时引起的活塞环的震动；第三通道的漏气量取决与活塞环闭口间隙的大小。分析发现第二通道是燃气下窜的主要通道，约占总漏气量的90％以上，另外资料介绍，第一道气环密封80—90％的气体；第二道气

3、环密封10～20％的气体。从活塞环的设计方面说，应该重点针对第一道气环，同时考虑第二道环与之的平衡，进行优化设计。所以针对漏气量的控制，通常都是从第一道气环人手，解决第一道气环的密封作用，可以从活塞环的面压、截面形状、环组搭配等方面进行综合考虑。2活塞环引起漏气量大的因素从活塞环方面说，影响发动机漏气量的主要因素有：活塞环的外圆密封性、活塞环平面质量、活塞环闭口间隙等，但这些都是属于实物质量问题。通常在活塞环的开发阶段，更多的是从环组设计方面进行解决。这其中活塞环不规则运动引起的漏气，是活塞环设计中需要重点考虑的问题，主要包括：环的悬浮、轴向振动、径向振动、扭曲振动等，而

4、作为高速机，重点要解决高速下活塞环的悬浮和颤振问题。这是因为高速四冲程发动机，活塞的高速往复运动会给环槽中的活塞环带来巨大的惯性力，发动机达到一定转速时，在排气行程中，环有可能脱离环槽下端面而呈悬浮状态，这时漏气通道大大增加，发动机漏气量会明显增大。曹存军：一例发动机降低漏气量的活塞环优化设计45本文以一例2．0L柴油机活塞环开发过程为例，简要介绍在此过程中，如何针对发动机的实际情况，对活塞环进行优化改进设计，在保证整机性能及机油耗的前提下，达到降低漏气量的目的。3发动机机型情况直列四缸、增压中冷、直喷、电控高压共轨、4型式特点气门、国4／国5排放总排量2．OL升功率47

5、．5KW／L缸径*行程86}86pme1．425MPa额定功率95KW／4000rpmVs11．5m／s压缩比17．5：1漏气量要求≤45L／min4原活塞环方案试验情况原设计方案环磨合后做全速全负荷试验，初期已反映出漏气量大，最高达70L／min，试验无法进行，拆机分析。通常在这种情况下针对漏气量大的分析步骤是：第一：窜气量是一直较大，还是运转一定时间后变大：如果是前者，则更多的考虑优化设计；如果是后者，则更多的是考虑实物质量。本例中，窜气量一开始就较大，且在高速时更为明显，所以初步认为应该从设计方面多找原因。第二：有没有对口、卡死现象：本机拆机后发现，没有出现活塞环对

6、口、卡死现象。第三：有没有外圆窜气痕迹：拆机没有发现外圆窜气现象，说明原设计面压能保证第一密封面的建立。第四：查看第一道气环的端面接触情况：发现第一道气环两端面都有明显磨损，且上端面磨损较正常情况多，认为此环有悬浮、颤振现象。同时发现第一、二环槽间的环崖岸有明显的高温燃气灼热痕迹。以上现象说明，此环组存在第一道气环悬浮、颤振现象，这是造成漏气量大的根本原因。所以活塞环的优化设计应针对避免第一道气环悬浮和颤振进行。从理论上说，高速机在工作时，为了避免活塞环发生颤振，需要采取减轻活塞环的重量，增加环的弹力等措施。原设计方案，活塞环已做了轻量化设计，目的就是为了应对发动机的高转

7、速可能会产生的活塞环颤振。但是试验已证明，原设计方案仍然不理想。分析认为，为了提高活塞环发生颤振时的转速，我们还可以通过倒角、倒台来使活塞环获得一定的正扭曲量，使它在工作时内外侧面分别贴紧环槽的上下侧(图二)，依靠环槽的反作用力使活塞环免于过早发生颤振。所以改进方案中，将第一道气环增加正扭曲设计，同时适当增加环的弹力，以达到避免颤振减少漏气量的目的。图2正扭曲环在工作时的接触状态图三表示的是正扭曲环与矩形环对漏气量的影响对比，可以看出在高速时，正扭曲环对降低漏气量效果非常明显。0l00020003000400050006000