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作为发动机中技术含量最高的零部件,你对活塞环知多少?

2019-08-09 04:00:00 老侯解车
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活塞环是汽车发动机曲柄连杆机构活塞连杆组中的一个零部件,它分气环和油环两种,一般每个气缸中有两道气环、一道油环,个别发动机有三道气环、一道油环。

作为发动机中技术含量最高的零部件,你对活塞环知多少?

气环与油环的功用

气环的主要功用是密封和传热:密封是指保证活塞与气缸壁之间的良好密封,防止气缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱,保证进入发动机中的可燃混合气受到足够的压缩,并在做功冲程中压力泄漏损失较小。

传热主要是指将活塞顶部接受的热传给气缸壁,避免活塞过热,一般来说活塞顶部的热量有70%-80%是通过气环传导给气缸壁的。

油环的主要功用是在下行时刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油,防止多余的机油窜入燃烧室参与燃烧;在上行时在气缸壁上涂布一层均匀的油膜,以减少活塞、活塞环和气缸的磨损。

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活塞环的工作条件

活塞环的工作条件是极其恶劣的,并且受力也很复杂。它在工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用,并在润滑极其困难的条件下在气缸内高速滑动。

尤其是第一道气环,它直接受到燃烧室高温高压气体的冲击,并且润滑极其困难,温度可以高达600K,所以磨损较为严重。

并且活塞环在气缸中上下运动时,由于气缸壁的锥度和椭圆度的影响,活塞环会沿径向产生一张一缩运动,使环受到交变弯曲应力;另外由于侧隙的存在,活塞在上下止点换向时,活塞环还会受到环槽的冲击。

这样的作用力很容易导致活塞环的折断。因此,活塞环一直是发动机上使用寿命最短的零件,很多发动机大修,就是由于活塞环过度磨损造成的。

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根据活塞环的功用及工作条件,制造活塞环的材料应具有良好的耐磨性、导热性、耐热性、冲击韧性、弹性和足够的机械强度。目前广泛应用的活塞环材料有优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和钢带等。

第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理。多孔性铬层硬度高,并能储存少量机油,可以改善润滑减轻磨损。钼的熔点高,也具有多孔性,因此喷钼同样可以提高活塞环的耐磨性。

可以说,活塞环是发动机中对材料和加工工艺要求最严格的零部件,它的使用寿命就是发动机的使用寿命,一些日系发动机使用寿命长,不烧机油,主要的因素就是活塞环的质量好。

本田公司很早以前就是一家专门制造活塞环的厂家,它制造的发动机质量好,与活塞环质量好是分不开的。

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那么活塞环又是如何实现密封功能的呢?

下面我们来看看活塞环的密封原理:当活塞环装入气缸后,在活塞、活塞环与气缸壁之间形成了三个间隙:端隙、侧隙和背隙。

这三个间隙使活塞环形成了两个密封面和一个迷宫式的漏气通道。其中第一道气环大约密封80~90%的气体,第二道气环大约密封10~20%的气体,油环大约密封5%的气体。

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第一密封面的建立:活塞环在自由状态下不是正圆形,其外廓尺寸比气缸直径略大,当活塞环装入气缸后,在其自身的弹力作用下环的外圆面与气缸壁贴紧形成第一密封面;

第二密封面的建立:燃烧室中的高压气体通过活塞顶岸与气缸壁之间的间隙进入活塞环的侧隙和径向间隙中,这个压力使环的下侧面与环槽的下侧面贴紧形成第二密封面;

活塞环的二次密封:窜入到活塞环侧隙和背隙中的高压气体,产生背压力和侧压力,使活塞环对气缸壁和活塞环槽的压力进一步增大,显著加强了第一和第二密封面的密封程度,这个现象称为活塞环的第二次密封。

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迷宫式的漏气通道:由于有了第一密封面与第二密封面,活塞环漏气的惟一通道就是活塞环的开口端隙。

但是由于侧隙、径向间隙和端隙都很小,并且各活塞环的开口在安装时相互错开,这样就形成了迷宫式漏气通道,气体在通道内的流动阻力很大。

最后漏入曲轴箱内的气体一般仅为进气量的0.2%~1.0%,这样的密封率应该说是成功的,这也是往复活塞式发动机至今仍有巨大生命力的原因之一。

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不过,由于活塞环三隙的存在,它的运动中不可避免的会产生“活塞环泵油作用”:当活塞在气缸中向下运动时,气缸壁上的机油就通过活塞环的侧隙下方进入背隙。

当活塞在气缸中向上运动时,机油就从活塞环的背隙进入侧隙上方,然后被送入燃烧室参与燃烧。这个过程在发动机运行过程中反复不断的进行,机油就被逐渐的消耗掉了。

这也是往复活塞式发动机固有的特性之一,任何品牌和型号的发动机都会消耗机油,只是程度不同而已。

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活塞环泵油作用一方面对润滑活塞顶部是有利的,但另一方面也会增加润滑油的消耗、污染火花塞、增加燃烧室积炭、或者在环槽内形成积炭,挤压活塞环使其失去密封性等危害。

因此,为了加强密封、加速磨合、减少泵油作用以及改善润滑,工程师研发制造了各种不同断面形状的活塞环,以满足发动机的使用需求。

下面来说说这些不同形状的活塞环的特点

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1、矩形环:矩形环断面为矩形。它的形状简单,加工方便,与气缸壁接触面积大,有利于活塞散热。但磨合性差,而且泵油作用较强,使机油消耗量增加,活塞顶及燃烧室积炭较严重。现在这种活塞环已经很少使用了。

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2、锥面环:锥面环的外圆面为锥角很小的锥面(锥角一般为30′~60′)。锥面环与气缸壁为线接触,磨合性好,增大了接触压力和对气缸壁形状的适应能力;不过随着磨合程度的增加,接触面逐渐变大,最后变成普通的矩形环。另外,锥面环在活塞下行时能起到向下刮油的作用,在活塞上行时有布油作用,可以形成楔形油膜改善润滑。不过锥面环传热性差,所以不用作第一道气环。由于锥角很小,一般不易识别,为避免装错,在环的上侧面标有向上的记号(TOP)。

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3、扭曲环:扭曲环是在矩形环的内圆或外圆边缘切去一部分,使断面呈不对称形状,这样的活塞环称为扭曲环。如果在环的内圆部分切槽或倒角的称内切环,在环的外圆部分切槽或倒角的称外切环。若将内圆面的上边缘或外圆面的下边缘切掉一部分,整个气环将扭曲成碟子形,则称这种环为正扭曲环;若将内圆面的下边缘切掉一部分,气环将扭曲成盖子形,则称其为反扭曲环。

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扭曲环装入气缸后,由于断面不对称,产生不平衡力的作用,使活塞环发生扭曲变形。它具有锥形环的特点,在活塞上行时有布油作用,可以形成楔形油膜改善润滑;活塞下行时,则有刮油效果,避免机油烧掉。

同时,由于扭曲环在环槽中上、下跳动的行程缩短,可以减轻"泵油"的副作用,并减小了冲击力,使磨损减轻;在作功行程环不再扭曲,两个密封面达到完全接触,利于散热。

由于扭曲环优点较多,目前被广泛应用,在安装时必须注意断面形状和方向:内上切扭曲环装入第一道环槽,内切口朝上;外下切扭曲环装入第二、三道环槽,外切口朝下。千万不能不能装反了,否则发动机机油消耗量会急剧增加。

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4、梯形环:梯形环的断面为梯形,它主要优点是抗粘结性好。对于某些负荷较大的柴油机,第一道环容易因结胶而粘结在环槽内失去作用,而采用梯形环后,在工作时梯形环在压缩行程和作功行程随着活塞受侧压力的方向不同而不断地改变位置。

这样会把沉积在环槽中的积炭挤出去,避免了环被粘在环槽中而折断,可以延长环的使用寿命,也更有利于冷车启动。此外还有半梯形环,它具有内上扭曲环的特点。梯形环的主要缺点是加工困难,精度要求高,一般用作柴油机的第一道气环。

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5、桶面环:桶面环的外圆面为外凸圆弧形,环面与缸壁圆弧接触,有效的避免了棱角负荷,对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性均较好,密封性和磨合性都比较好。它在气缸内不论上行或下行均能形成楔形油膜,将环浮起,从而减轻环与气缸壁的磨损。它的主要缺点是凸圆弧表面加工较困难。

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6、油环:油环的作用是上行布油、下行刮油。它有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式3种类型,目前普遍使用后两种。相对而言钢带组合油环优点更多,刮油和布油作用更强,对气缸失圆和活塞变形的适应能力也更强,因此应用的越来越广泛。但是它一般需用优质钢制造,成本高。

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最后再来说说活塞环的选配与安装。活塞环与活塞一样,分标准尺寸和加大尺寸的,在选用时环的尺寸级别应与活塞的尺寸级别一致。

在选用活塞环后,还需要进行如下检查:

1、活塞环弹力的检查:活塞环弹力是保证气缸密封性的重要条件之一,弹力过大或过小都不好,必须符合技术要求。一般使用活塞环弹力检测仪来检测,在实践中我们一般用手握的方式来粗略的判断,只要不是太松都可以使用。

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2、活塞环三隙的检查:把活塞环放入到气缸中,用活塞推平,然后用厚薄规检查端隙的大小,一般应该在0.2~0.5mm之间(不同车型标准不同,一道环与二道环也不同,详见维修手册)。

把活塞环安装在活塞上,用厚薄规检查侧隙,一般应该在0.05~0.10mm之间;背隙一般是用活塞环槽深度减去活塞环的断面宽度,一般在0.5~1.0mm之间。

这三个间隙如果过大会影响密封作用,如果过小会由于热膨胀而使活塞环卡死在气缸中,严重时甚至会拉坏气缸。

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3、活塞环与缸壁的漏光检查:为了保证活塞环的密封作用,要求活塞环的外表面处处与气缸壁相贴合。如果漏光度过大,活塞环局部接触面积小,容易造成窜气过大以及机油消耗过多的故障。

有专用的设备检测活塞环的漏光度,一般要求是:在活塞环开口端左右30°范围内不允许有漏光点。

在同一活塞环上漏光不允许多于两处,每处漏光弧长所对应的圆心角不得超过25°,同一活塞环上漏光弧长所对应的圆心角总和不得超过45°,漏光处的缝隙不得大于0.03mm。如果达不到上述要求,需要重新选配活塞环或修磨气缸。

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活塞环安装要正确、可靠,注意环的开口位置和方向。一般在安装活塞环时要使用专用工具,不建议手工安装。

保证各道环的开口位置互相错开(一般互相错开180°)、均匀分布,同时要保证开口不对准活塞销孔位置。一般在活塞环的侧面都有向上的箭头或TOP标识,这个面一定要向上安装,如果装反会导致严重的烧机油故障。

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结语

以上就是汽车发动机活塞环的一些相关知识,活塞环可以说是发动机中技术含量最高的零部件,它的材料、结构、物理与化学性质、安装及使用都对发动机性能有很大的影响。

作为发动机中技术含量最高的零部件,你对活塞环知多少?

如果发动机使用时间过长,或者发动机润滑不良,或者长期超负荷工作,导致气缸和活塞环的磨损过大,各部位间隙增大,活塞环的弹力减弱,密封性能下降,气缸压力降低。(文/卡家号:老侯解车)

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