浅谈活塞环优化设计

胡传凤，林欣欣

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

浅谈活塞环优化设计

胡传凤，林欣欣

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

文章主要介绍活塞环的不同结构对活塞漏气量的影响。通过4种设计方案的试验验证，减小第一道气环闭口间隙、开口倒角、增加正扭结构，增大第二道气环闭口间隙均可以降低活塞漏气量。优化方案经过可靠性验证，活塞漏气量满足设计要求。

活塞环；漏气量；闭口间隙

活塞漏气量过大，会导致缸内压力降低、发动机功率不足、油耗上升，影响排放指标；破坏油膜，加速机油的老化、变质；甚至会造成拉缸拉瓦等事故。因此，有效控制活塞漏气量一直是主机厂关注和为之攻关的问题。

本文主要以某柴油机活塞环开发过程为例，结合发动机的实际情况，对活塞环进行优化，在保证整机性能及机油耗的前提下，达到降低活塞漏气量的目的。

1 绪言

某发动机400h全速全负荷试验，实测磨合后和每100h的漏气量，具体如图1所示，可见发动机在高转速下的漏气量远超过设计值60L/min。

图1 优化前发动机漏气量

表1 缸孔变形量各阶次测量值

从试验数据来看，漏气量大是从发动机运行初期到试验结束，特别是转速较高时，一直比较大；同时拆机后查看活塞、活塞环、气缸套未发现有异常磨损，贴合正常。对气缸孔变形量进行检测，数据也在正常范围内如表1所示，排除了缸孔变形引起的活塞环对口而产生的漏气量偏大。因此将着重点放在活塞环自身的优化设计上。

2 活塞环优化方案

据资料介绍，第一道气环将密封 80%-90%的气体。应该重点针对第一道气环，同时考虑第二道环与之平衡，进行优化。故减小活塞漏气量主要从以下两个方面考虑：

第一道气环优化：直接减小漏气通道，以减小漏气量：减小活塞第一道气环的闭口间隙和开口处倒角。

同时将第一道气环增加正扭结构，这样使环与气缸壁的面接触变成了环外圆下棱边与气缸壁的线接触，增强密封性；具体如图2所示。

图2 正扭曲环在工作时的接触状态

第二道气环优化：增大第二道气环闭口间隙，主要是考虑到环的颤振问题，即第一道气环和第二道气环间的压力因素，可以增大压差ΔP，避免活塞环上下运动出现的抬起悬浮现象，提高密封性能，第一道气环的闭口间隙尽量的小，第二道气环闭口间隙尽可能的大。轻型柴油机而言，第二道气环闭口间隙一般为第一道气环的2倍。第一道气环、第二道气环压力示意图见图3所示。

图3 活塞第一道气环、第二道气环压力示意图

具体优化措施如下：

图4 第一活塞环闭口间隙和开口倒角

（1）优化第一道气环的闭口间隙S1，由0.25mm-0.4mm，减小到 0.2mm-0.35mm；减小其开口端面的开口角 C1，由C0.25max，减小到 C0.15max，以增强闭口端密封能力。如图4所示。

（2）第一道气环增加正扭结构，由双梯桶面环优化为正扭双梯桶面环。如图5所示。

（3）增大第二道气环闭口间隙，由0.4mm-0.6mm增大到0.5mm-0.7mm。以增大压差，提高密封性。

图5 第一道气环优化前后结构对比

3 验证试验

为了验证上述优化方案的可行性，分别进行4组对比试验，试验方案如表2，试验结果如图6所示（四种方案在运行100h测量漏气量）。

表2 试验方案

由图6可知，通过试验对比可知：方案D（优化方案）最优，方案C次之，方案B次之，A（原方案）最差。对比方案A、B可知：减小第一道气环闭口间隙及减小开口倒角有助于减低漏气量；对比方案B、C可知：适当增大第二道气环闭口间隙，增大第一道气环和第二道气环间压差，可提高密封性能，降低漏气量；对比方案C、D可知：第一道气环增加正扭结构，降低窜气量。

图6 四种方案100h漏气量对比

由于第一道气环闭口间隙的减小，需验证活塞环在发动机运行中是否会顶口，特挑选最小闭口间隙为0.2mm活塞环进行试验验证，同时也为了验证试验后期活塞环漏气量有无恶化，进行800h交变负荷试验验证，试验结果如图7所示。试验结果显示活塞漏气量稳定在低于 60L/min，活塞环也没有发生卡死、顶口现象。

其他性能指标均在设计要求范围内，通过试验验证。

图7 800h交变负荷试验窜气量

4 结论

随着活塞环材料的提升和加工精度的提升，活塞环厂家可以把活塞环的闭口间隙及开口倒角进一步做小，这将有利于密封，降低漏气量。

通过适当减小第一道气环闭口间隙，增大第二道气环闭口间隙，增加第一、二道气环压差，阻止活塞环的颤振，提高侧隙密封效果。当然，这也可以通过在活塞环槽处增加泄气槽以达到该目的。

活塞环增加正扭结构，可使环与气缸壁的面接触变成了环外圆下棱边与气缸壁的线接触，增强密封性，降低漏气量。

[1] 胡九见等.浅析发动机漏气量影响因素[J].内燃机与配件,2014.10.

[2] 祝先标等.轻型柴油机活塞环技术发展趋势浅析[J].汽车使用技术,2017.11.

[3] 吴志红.改进活塞环设计降低漏气量[J].内燃机配件,2005.1.

[4] 蒋景峰.浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影响[J].内燃机与配件,2010.12.

[5] 曹存军.一例发动机降低漏气量的活塞环优化设计[J].内燃机与配件,2014.8.

Optimization design of piston ring for reducing piston blow-by

Hu Chuanfeng, Lin Xinxin
( The Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly introduces the influence of different structure of piston air leakage of piston. Design four kinds of contrast test, according to the test results, reduce the first ring end gap, reducing the opening angle, torsion structure increase, increase the second ring end gap and so on, can reduce the air leakage. The reliability test shows that the piston air leakage meet design requirement.

Piston ring; Air leakage; End gap

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-22-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.009

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-22-03

胡传凤（1987-），女，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。主要从事发动机质量改进工作。