淺析發動機活塞環間隙

2024年2月21日發(作者：祝福新人的話)

淺析發動機活塞環間隙

安徽安慶 徐高宏

[摘要]本文主要討論發動機活塞環的間隙，具體包括閉口間隙、側面間隙及背面間隙的設計、檢測方法和失效模式。

[關鍵詞]活塞環 閉口間隙 側面間隙 背面間隙 漏氣量

Key words：Piston ring Clod gap Side face gap Radial gap Blowby

引言

發動機是汽車的心臟，發動機性能的好壞直接決定著整車性能的好壞，活塞環是發動機的關鍵零部件之一，密封作用是活塞環的功能之一，密封不好產生燃氣泄漏，引起壓縮不足，功率下降，導致熱功率下降，嚴重情況下漏氣破壞了缸套與活塞之間的油膜，使之干摩擦易引起發動機拉缸故障，而活塞環間隙是影響活塞環密封程度好壞的關鍵因素之一，因此控制合理的活塞環的間隙是非常重要的。活塞環的間隙分為閉口間隙、側面間隙和背面間隙，下面分別討論。

圖1閉口間隙示意圖 圖2側面間隙和背面間隙示意圖

1. 活塞環的閉口間隙：

所謂活塞環的閉口間隙是將活塞環放入直徑為氣缸基本直徑的環規內，開口兩端的最窄距離（如圖1）。因內燃機運轉時會產生熱量，活塞環也會隨之膨脹，閉口間隙的存在，能有效防止活塞環因熱膨脹而產生抵口導致拉缸的事故的發生。

1.1閉口間隙的設計：

閉口間隙一般按GB/T1149選取，或按產品圖紙要求而定，但最小間隙(S1)必須大于下式計算值 。

S1 = πd1αΔt ( mm)

式中：d1—缸徑，mm；

—5α—熱膨脹系數，此系數因溫度、材質有所變動,一般合金鑄鐵按α= 1.2×10/℃；

Δt—溫差，氣環為100℃，油環為80℃。

對于閉口間隙極限值Smax，一般取Smax=0.015 d1。

設計時一般將第二道環的閉口間隙設置比第一道氣環的大，尤其是在爆發壓力較大的柴油機中，因為這樣可以利用較大的閉口間隙將第二道環岸的壓力泄去，增大第一道環上下面的壓力差，使高壓氣體能輕易的將位于第一道環上部汽缸壁的機油吹下,減小機油消耗量；另外，在排氣沖程中，如果第二道環岸的壓力大于燃燒室壓力，容易引起第一道環懸浮在環槽中，導致下竄氣量過大，所以加大第二道環閉口間隙，泄去第二道環岸壓力對減小漏氣量是很有益處的。按照這種設計的典型的例子是某公司設計的大柴道依茨發動機活塞環，第一道環閉口間隙按照0.30～0.55；第二道環閉口按照1.5～2.0。

1.2 閉口間隙的測量：

閉口間隙的測量方法通常用楔形規或者厚薄規在內徑等于基本直徑的環規中測量，測量力約

0

1N,同時環規應滿足d1。在批量檢測時目前國內較為先進的方法是自動間隙測量機，該間隙測量機是利用光電技術對活塞環開口工作間隙實現非接觸式光電轉換，用單片機對開口電信號運算，處理和控制，實現自動送料、檢測、分選等工步，該檢測設備能夠按活塞環閉口間隙大小將工件自動分成負超差、合格和正超差三種分別存放，該方法檢測效率較高，而且可靠性較好。

1.3閉口間隙的失效模式：

1.3.1閉口間隙過小：較小的閉口間隙有利于密封氣體和降低機油消耗，但是閉口間隙過小(亦即超過最小閉口間隙值時)會導致活塞環卡死而失去功效，甚至折斷而使活塞環喪失功能，導致拉缸的事故，因此在實際應用時一定要考慮活塞環的最小間隙。

1.3.2閉口間隙過大：閉口間隙過大會使工作時活塞環的開口處仍有較大的間隙，這個較大的間隙會增大氣體泄漏量通道并且使機油在此處上竄至燃燒室，從而導致竄氣和燒機油事故。有試驗表明一道環閉口間隙與漏氣量存在圖3的關系，二道環的閉口間隙與機油耗存在圖4的關系。

+0.001d

圖3一道環閉口間隙對漏氣量的影響 圖4二道環閉口間隙對機油耗的影響

上圖3表明如果改變一道環閉口間隙來實際測定竄氣量，當間隙變大時，竄氣量也會按間隙比例增加，上圖4表明適當增大二道環閉口間隙，機油耗會下降。

2. 活塞環的側面間隙：

活塞環的側面間隙（以下簡稱側隙）（如圖2）是指活塞環軸向兩端面與活塞環槽上、下側面之間的間隙。

2.1側隙的設計：

活塞環的側隙是隨活塞環和活塞環槽的加工尺寸和加工精度而變化的，而且運轉時實際的側隙比常溫時的側隙更重要，因此活塞環的側隙尺寸不能憑活塞環本身尺寸來決定。根據[德國]C.恩格利許推薦的側隙值如下表1：

表1：活塞環側面間隙設計標準值

上表1中的標準值在設計時參考，但是不能以此表來決定側面間隙，在實際時還要考慮其它因素。

2.2側隙的測量：

測量時，將活塞環放入環槽內，用厚薄規測量。

2.3側隙的失效模式：

2.3.1側隙過小，則活塞環槽因活塞環產生的熱膨脹或積炭容易使活塞環卡死在活塞環槽中。2.3.2側隙過大，則活塞環的漏氣通道增加，氣密性下降；在環槽內的上下運動幅度加大，叩擊作用加劇，導致活塞環兩端面或活塞槽側面的磨損均將增大；過大的側隙會導致活塞環泵油作用加劇，機油進入燃燒室，導致燒機油。

3. 活塞環的背面間隙：

活塞環的背面間隙（以下簡稱背隙）（如圖2）是指將活塞環裝在活塞槽內，再將活塞裝入氣缸后活塞環的內圓面與活塞環槽底之間的間隙，一般用活塞槽深與環厚之差來表示，推薦參考值在0-0.75mm范圍。一般經驗作法是將活塞環裝入環槽內，如低于環岸，能轉動自如又無澀滯感覺為適宜。

3.1背隙的設計：

SAE標準中對鋁活塞和鑄鐵活塞的背隙計算，規定使用下面公式：

對于氣環：Dn=[D-(2T+XD)+0.5]+0

mm

-0.25

Dn=[D-(2T+XD)+1.5]+0

mm

-1.25

式中：Dn—活塞環的環槽底徑,單位為mm；D—公稱直徑，單位為mm

T—活塞環徑向厚度，單位為mm；X鑄鐵活塞為0.004，鋁活塞環為0.006。

經過總結國內不同廠家的活塞和活塞環的參數總結出活塞背隙的設計基本符合以下標準：

Dn =[D-2(T+N)]±0.1

其中上式中N的取值為：

一道環為0.6～0.9；二道環為0.7～1.0；鋼帶組合油環為0.45～0.60；

螺旋撐簧組合油環為0.5～0.7

3.2背隙的測量：

活塞環背隙目前尚無較好的檢測工具進行檢測，一般是用活塞槽深度減去活塞環徑向厚度之值近似表示。

3.3背隙的失效模式：

3.3.1背隙過小，則活塞環容易和活塞槽底部接觸，在工作中容易導致活塞環折斷，活塞環折斷后導致拉缸事故的發生。

3.3.2活塞環背隙過大，則建立背面壓力困難，造成活塞環密封效果不好，導致漏氣量增加或者燒機油事故的發生。

4. 束語：

隨著現代汽車不斷朝著高性能，低排放，低噪音，低油耗和高壽命，高可靠性方面發展，發動機活塞組件的結構設計隨之有新的特點和發展，活塞環間隙的設計也不例外，因此在產品設計和工藝設計時要充分考慮設計的合理性，做到成品活塞環的間隙合理，滿足現代發動機性能的需求。

參考文獻：

[1]楊連生，內燃機設計，中國農業機械出版社，1981年；

[2]日本汽車活塞環編集委員會，自動車用ピストンリンゲ 1996年10月；

[3]Federal-Mogule公司，GOETZE活塞環手冊2008年8月。

[4]國家標準GB/T1149.5-2008，內燃機活塞環第5部分：檢驗方法 2009年1月。

作者簡介：徐高宏，安徽安慶人，機電工程師、注冊質量工程師，主要從事發動機零部件工藝規劃及質量管理工作。