柴油机活塞环闭口间隙对拉缸的影响

孟宪晴，徐莉

（1.柳州上汽变速器有限公司柳东分公司，广西柳州545007；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

柴油机活塞环闭口间隙对拉缸的影响

孟宪晴1，徐莉2

（1.柳州上汽变速器有限公司柳东分公司，广西柳州545007；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

汽缸拉缸是直喷式涡轮增压柴油机的几个常见的失效模式之一，主要发生在发动机磨合初期，且拉缸初期不易被察觉。一旦拉缸程度恶化，会严重影响发动机的使用性能，严重的还会造成交通隐患。主要介绍了柴油机活塞环闭口间隙，在发动机磨合初期对于拉缸的影响，并就此提出预防措施，以供借鉴。

柴油发动机；活塞环；拉缸；预防措施

柴油机拉缸，是指活塞或活塞环与缸壁之间发生不正常摩擦，进而在缸壁上留下拉伤的一种失效模式。根据缸壁损伤的程度，可以分成擦伤、划伤、咬伤和咬死四个程度，正常情况下，在出现擦伤后，如果不采取维修措施，随着使用时间的递增，缸壁的损伤程度会逐渐增大，直至出现咬伤或咬死才会被使用者发现。

如果发动机活塞环的选择不恰当，发动机有很大的几率在磨合初期出现缸壁擦伤或者划伤，此时对发动机的性能影响较小，无法及时发现。一旦发动机流入市场，随着使用时间的增加，发动机性能会持续下降，直到发动机无法继续使用。本文主要解析了活塞环闭口间隙选择不当造成柴油机拉缸的失效机理，为后续出现类似问题提供解决方案的参考。

1 活塞环闭口间隙不合适造成拉缸的失效机理

在将活塞环装配到气缸内时，活塞环的开口处存在着一定的间隙，此间隙的作用为活塞环在受热膨胀时，有一定的余量防止活塞环的末端互相接触。如图1所示。

图1 活塞环闭口间隙图例

如果闭口间隙过小，在活塞环受热之后，两个尾端会碰到甚至是挤压，这时发动机在运转时，活塞环在闭口处会受到与活塞运动轴线垂直，面向缸壁的力，如图2所示。这种情况下，闭口部分对缸壁施加的力过大，会破坏活塞环与缸壁之间的油膜，二者在润滑不足的情况下相互运动，造成缸壁拉伤。

图2 活塞环闭口端接触后对缸壁施加的力

2 如何选择活塞环闭口间隙大小来避免拉缸

分析了活塞环闭口间隙过小造成拉缸的原理以后，在进行新活塞环设计时，也不能一味的增大活塞环闭口间隙来避免拉缸。如果活塞环的闭口间隙过大，根据不同的环，会造成不一样的其他影响。针对第一道环（一般是密封高压气体）闭口间隙过大，会导致发动机燃油经济性变差，机油使用寿命变短；针对第二道环，闭口间隙过大，会造成发动机机油消耗过大；针对第三道环，闭口间隙过大会影响整个缸壁的润滑效果，但是影响程度相对前面两道环来说要小很多。

在选择合适的活塞环闭口间隙的时候，还需要综合考虑以下几个参数：

（1）发动机曲轴箱压力。过大的一环活塞环（气环）闭口间隙，会造成气缸内燃烧的高压高温气体泄漏到曲轴箱的量过大。如此会造成发动机燃油经济性不好，发动机的润滑机油中烟灰的含量迅速增加，影响机油性能和使用寿命。

（2）发动机机油消耗率。过大的第二活塞环（刮油环）闭口间隙，会造成二环的刮油能力下降，无法完全将缸壁上的残留机油刮下。如此发动机的少部分机油会进入燃烧室参与燃烧，造成活塞积炭和发动机机油消耗高。

在进行柴油机活塞环闭口间隙设计的时候，其最小间隙必须大于以下计算值：

其中：d1为缸径（mm）；a为热膨胀系数，随材质变化，常用的合金铸铁的热膨胀系数a=1.2×10-5mm/℃；△t为温差，一般气环为150℃.

对于合金铸铁材料的活塞环，将边界数据带入式（1），可得到以下经验公式

设计时，考虑到第一道环的气密要求，有些设计师会将第二道环的间隙设计得比第一道环的间隙稍微大一点，但是最大不应比第一道环大超过1 mm，主要是考虑到机油消耗的原因，如果第二道环间隙过大，势必造成发动机机油消耗率过大，达不到主机厂的机油消耗要求。同时，过多的机油窜入到燃烧室当中，也有可能会加大活塞环岸积碳，一旦活塞环岸积碳达到一定程度，也会造成活塞环拉缸。

以某品牌C平台9.3 L直列6缸柴油发动机为例，该发动机使用的为球墨铸铁活塞环，可以使用公式（1）核算该设计数据，发动机相关参数信息如下：

发动机最大功率：162 kW/2 200 rpm

发动机最大扭矩：890 N·m/1 350 rpm

发动机缸径：114 mm

将其带入式（1）可得：

Smin=0.57 mm

在该发动机出现活塞环拉缸失效时，进行第一道活塞环End Butting（活塞环闭口碰撞试验）时的对比数据如表1所列。

表19 .3L End Butting试验观察结果

3 结束语

活塞环闭口间隙过小，会造成活塞环在受热后在闭口处接触挤压，同时对缸壁施加较大的应力，导致施加应力处的油膜遭到破坏，最终导致拉缸的发生。在这种失效模式下，可以参照式（1）的计算方式检验活塞环间隙是否合理，并计算得到合适的活塞环闭口间隙。

[1]徐高红.浅析发动机活塞环间隙[J].内燃机学报，2011，47（2）：79-81.

[2]杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业出版社，1981.

Influence of Clearance on the Cylinder of Diesel Engine Piston Ring End

MENG Xian-qing1，XU Li2

（1.Liuzhou transmission Co.，Ltd.，Liu Dong branch，Liuzhou Guangxi 545007，China；2.SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Cylinder scuffing is one of several common failure modes of direct injection turbo charged，mainly occurs in the early of running-in period.Cylinder scuffing is not easy to be detected at preliminary stage.Once the cylinder scuffing is worsening，it will seriously affect the engine performance，even cause the traffic hidden trouble.This paper mainly introduces the closed clearance of diesel engine piston ring and its effect produced on thecylinder scuffing at the beginning of runningin period，and puts forward the prevention measures for reference.

diesel engine；piston ring；scuffing；preventive

TK428

A

1672-545X（2017）03-0192-02

2016-12-29

孟宪晴（1987-），男，广西资源县人，助理工程师，本科，主要从事柴油发动机零部件结构开发和可靠性管理；徐莉（1986-），女，江苏沛县人，助理工程师，本科，主要从事汽油发动机结构设计工作