汽车发动机活塞气环结构改良的现状和发展趋势*

孙长勇，徐长钊，王学军



汽车发动机活塞气环结构改良的现状和发展趋势*

孙长勇，徐长钊，王学军

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

目前应用到交通、农业、电力等行业较为广泛的发动机，在制造、生产使用和维护中，相对滑动部件摩擦力造成了较大的经济损失和环境污染，因此针对汽车发动机活塞气环润滑性能和结构改良的研究探索，一直是汽车研发的热点和重点。

结构改良；现状；发展趋势

1 汽车发动机活塞气环结构改良的意义

随着我国生活水平的不断提高，汽车的保有量也不断增加，同时汽车燃油消耗占到我国石油消耗的三分之一以上，那么汽车排放的有害物质也不断增加。目前来说，我国城市的空气污染是汽车的排放物，其占到全部污染源的七成以上，所以严格控制汽车尾气有害物质的排放是治理空气污染的当务之急。因此，针对汽车排放而环境保护的新的标准要求，是我们不断追求的目标。近年来，我国解决汽车有害物质的排放的方法目前是发动机的内净化和外净化、保证燃油的品质等，效果还是比较有效的。

据统计，具有较好动力性、适用范围较大、热效率较高、便于使用和易维修的内燃机是当前最主要的动力源，主要应用到交通、农业、电力等行业。所以不断降低内燃机相互摩擦表面之间的摩擦消耗，能更好的降低燃油耗损，提高内燃机的经济性和动力性，同时降低了内燃机的有害物质的排放。当前汽车发动机为了提高活塞环的耐磨和强度的需求，对本身机械部件的技术要求越来越高，这样发动机的运行功率就越高，燃油消耗率就越低，增加了发动机的运行时间和降低了维修的成本、时间。

截止2018年的下半年，我国应用最广泛的交通运输业内燃机的车辆达到了惊人的3.22亿多，假如降低内燃机相互运动部件之间的摩擦力，将对环境保护和经济发展带来意想不到的效果。在相对恶劣的环境下，作为占内燃机摩擦消耗百分之五十左右的活塞环-缸套，机械摩擦和热负荷较为严重，并且相对运动带来的摩擦消耗损失占活塞组-缸套摩擦的百分之六十左右。随着对内燃机体积和功率要求不断提高的时代，同时国家对节能降耗提出新的指示，研究气缸套与活塞环之间的润滑性是重点和热点。

2 汽车发动机活塞气环结构改良的现状

目前汽油发动机第一道活塞气环结构型式基本采用矩形环，柴油发动机也是采用同样的结构形式。在欧洲汽油机轿车发动机百分之三十左右为降低润滑油的消耗率，相互运动的表面不但采用单边鼓形度，而且具有锥形度，而轿车柴油发动机百分之三十采用双梯形环。且随着发动机气缸直径加大的要求，降低燃烧侧影响采用双梯形环的越来越多了。

相对耐磨性来说，GDC相互运动摩擦面镀层的磨损是比较小的。由于对热负荷、抗烧力需求较高的柴油发动机来说，铬氮和氮化钢环不能很好的保证正常运行工作。CKS表面镀层能大量成批生产，并通过GDC来增大CKS使用地方。能保证功能可靠的氮化钢环，在欧洲汽油发动机上使用非常广泛。为了保证柴油发动机的耐磨、抗烧损和可靠，CKS镀层的可以正常满足，而等离子镀层虽然有抗烧损的功能，但是却造成了很明显的气缸套楔形的磨损。

在2009年，国内的科学家符永宏等研究创立了表面微凹分析模型计算技术，细致研究了表面凹坑参数对相对滑动的不同粗糙度表面润滑效果的影响。随后科研研究人员周龙等分析研究了发动机润滑油在相对滑动表面运行过程中产生大量热在传递的作用，详细分析了活塞环—缸套之间相对滑动表面之间的非稳态问题。在2012年时，研究专家Arumugam等通过试验针对不同类型发动机润滑油在活塞环—缸套相对滑动表面的润滑影响，证实了原来润滑油的润滑影响低于新型生物润滑油。其他的国内科学家采用桶面环加锥面环的形式对内燃机进行组合设计，还设计有上下两环叠加的组合设计，截面采用楔形结构封口叠加的设计，这些设计都大大的增加了活塞环的密封性和布油能力。

3 汽车发动机活塞气环结构改良的发展趋势

目前国内外发动机活塞环大都采用电化学镀层处理、热喷镀镀层处理和PVD镀层处理等。但为了不断适应提出的减小润滑油消耗率和曲轴箱通风量，那应使用较强较好具有合理形式的发动机F0活塞环。

在今后的科研发展中，内燃机的输出功率与热量负荷还将要不断提高，不但发动机活塞环生产材料的硬度和耐磨也需改善，其结构和生产工艺还要不断研究探索。未来侧面强化是内燃机必须达到的要求，例如在重型内燃机侧面上镀铬，成功的证实了强化后的可靠性和稳定性，所以传统制造工艺必将抛弃，新的镀层方法将被使用和推广。

汽车发动机以后的研究方向是高效率动力输出、较高的燃油经济性和保护环境为基础，所以就要求活塞环具有较强的工作性能、质量更轻与较低摩擦损害。而对汽油发动机活塞汽环而言，用复合材料能很好地适应未来内燃机的高爆发压力、高耐磨性能的高标准要求。未来柴油发动机第一道活塞气环，不光是目前的应用铸铁材料之外，特种钢材料也将得到快速和全面的应用和发展。

4 总结

从上述国内外研究现状和发展趋势来看，活塞环结构参数变化和新型材料研发是润滑性能研究的重点和热点之一，其应用将会使内燃机互相运动接触表面之间的润滑性能也随之提高。所以内燃机润滑的形态对活塞环的磨损有很大的影响,也就是说内燃机活塞环的磨损程度与内燃机润滑状态有很大关系。因此对汽车发动机活塞气环结构技术的改良，在很大程度上说是汽车行业发展的必然趋势，也是国内外科学专家研究的课题。不断优化内燃机活塞环结构参数和基础材料，能更好的使内燃机达到更高、更好、更理想的工作状态。

[1] Charles P., El fassi M.,Lubrecht A.A.Double-Newtonisnrheology in a model pistion-ring-wall contact[J].Tribology International,2010,43 (10):1902-1907.

[2] Arumugam S.,Sriram G. Effect of bio-lubricant and biodesel-cont aminated lubricant on tribological behavior of cylinder liner-piston ring combination[J].Tribology Transactions,2012,55(4):438-445.

[3] 符永宏等.微造型活塞环表面的润滑性能数值分析[J].内燃机学报,2009,27(2):180-185.

[4] 周龙.活塞组-气缸套传热润滑摩擦耦合机理研究[D].大连:大连理工大学,2011.

Present Situation and Development Trend of Piston Gas Ring StructureImprovement of Automobile Engine*

Sun Changyong, Xu Changzhao, Wang Xuejun

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

At present, the engine is widely used in transportation, agriculture, power and other industries. In the manufacture, production, use and maintenance, the relative friction of sliding parts causes great economic losses and environmental pollution. Therefore, the research and Exploration on lubrication performance and structure improvement of piston ring of automobile engine has always been the focus of automobile research and development.

structural improvement; current situation; development trend

U464.2

A

1671-7988 (2019) 09-230-02

U464.2

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1671-7988(2019)09-230-02

孙长勇（1982-），男，工程师，就职于山东华宇工学院汽车工程学院，从事汽车理论与实践教学、汽车改装技术等研究工作。

2017年山东华宇工学院科技计划项目《汽车发动机活塞气环结构改良的技术研究》（项目编号2017KJ04）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.077