浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影响_蒋景峰

漏气量的大小影响着发动机的输出功率， 并 且随着发动机转速的提高和环保要求尾气排放的 降低，这种影响益发明显。 所以如何改善影响漏气 量的主要零部件—活塞环，已日渐成为业界焦点。
作为密封件， 由于自燃烧室传达到第三道油环 的气体压力已非常小， 所以活塞环主要是由气环 (尤其是第一道气环) 影响发动机漏气量。 通过理 论分析， 我们认为气环影响发动机漏气量的因素 主要有两方面： 活塞环工作间隙处的通路面积和 活塞环运动的平衡性。 以下我们就从如何改善通 路面积和改善活塞环运动的平衡性这两点来加以 分析。
图5
图6
为了提高活塞环发生震颤时的转速， 我们也可 以通过倒角、 倒台来使活塞环获得一定的扭曲量， 使它在工作时内外侧面分别贴紧环槽的上下侧，如 下图所示，依靠环槽的反作用力时活塞环免于过早 发 生震颤。 这种 方法一般与 降低环的轴 向高度 h1 结合使用。
图4
我们应用如下公式⑥来计算活塞环运动所受的惯
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内燃机与配件
2010 年第 12 期
浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影响
蒋景峰 （安庆帝伯格茨活塞环有限公司）
〔摘要〕本文分析了活塞环影响发动机漏汽量的主要因素：漏气通路和活塞环运动的平衡性， 并分析了如何改善活塞环的这些因素以降低发动机的漏气量。
〔关键词〕漏气量 通路面积 活塞环 顺应性 惯性力 活塞环震颤
S=G×L
①
如果活塞环外棱边倒角并且开口处倒角，则如
图 2 所示：
图3
图 3 试验结果说明气体通路面积 S 与漏气量的大小成 正比关系，由此我们通过公式①、②可知：活塞环工作 间隙 G、 气环槽下侧面配缸间隙 L、 外棱边倒角 b、 开口处倒角 C 以及外棱边倒角角度 θ 皆与漏气量大
蒋景峰：浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影响
图7
性力 F3：
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我们通过以下对比试验，结果表明这种方法减 少漏气的效果比较明显。
图8
由图 8 分析我们可以归纳出，由于发动机转速的日
图9
益提高，要求输出功率的日益加大以及环保要求的 日益苛刻，近几十年来第一道活塞气环的发展趋向 以及今后的发展趋势如下：
参考文献 [1]ATG.《活塞环专业知识》.内部编写 2005 [2]格茨公司.《活塞环手册》内部编写 2006 [3]《活塞环课题及最近技术动向》 日本帝国活塞环株式会社
（上接第 8 页）
图 19 采用复合夹层阻尼前后 10 号场点声压级频谱对比
如图 18 所示为辐射声功率级结果， 与不含阻 尼结构的辐射声功率对比， 可以看出， 在 300Hz~ 1500Hz 的频率域内除 1100Hz 左右的频段内声功率 级有所上升外，总的趋势是在整个频率域内，含有 复合夹层阻尼结构的油底壳辐射声功率级比无阻 尼结构都有所降低，在 1450Hz 左右，辐射声功率级 最多降低了约 3dB (A)， 根据能量叠加原理， 在 0~ 1500Hz 频段上油底壳采用阻 尼处理前后 总的表面 辐射声功率级降低了约 1dB(A)。
4 结论
本文通过对油底壳表面辐射噪声及表面阻尼 处理的控制方法进行研究，主要得到了以下结论：
（1） 在 对 发 动 机 油 底 壳 进 行 结 构 动 态 响 应 分 析 基础上，应用 ATV(声传递向量) & MATV(模态声传 递向量)法，在声振分析软件 SYSNOISE 中计算得到 了油底壳的辐射声功率级、声场场点声压等声学结 果。 表明，采用 ATV &MATV 方法对油底壳进行声 辐射特性研究是可行的，与实际情况相吻合。 对油 底壳声辐射特性的仿真研究能够为其声辐射特性 设计提高理论依据。
到一定转速时引起活塞环震颤，迫使活塞环脱离环
槽上下侧面，致使燃烧室高压气体沿此通路下排到
曲轴箱，其原理如图 4：
F3= r*π*al*h1*（d1-a1） *2* （π*N）2 *ι*[cosθ+（cosθ）/2]
980*1000
3600
r ---- 活塞环材料比重 N ---- 转速
ι---- 活塞行程
1 改善气体通路面积
对于与汽缸壁贴合良好的活塞气环来说， 高压 气体向曲轴箱方向运动的通道主要集中在活塞环 工作间隙处。 图 1 显示高压气体在气环工作间隙处 的运动方向和途径：
图2
那么气体通路面积
S=G×（L-b）+（G×b+ C1+C2 ）2/Cosθ
②
C2
我们对某四缸汽油机第一道气环试验测试，结
h8 ---- 活塞环外圆面与汽缸壁接触高度
δ= [d1-a1）/2]2-P*d1*h8
⑤
2*E*1
从公式⑤我们看出 h8 与 δ 成正比，所以我们可以
通过降低活塞环轴向高度 h1 来降低 h8，以达到增
加活塞环顺应性的目的。
2 改善活塞环运动的平衡性
在发动机工作时， 活塞的高速往复运动会给环
槽中的活塞环带来巨大的惯性力，从而在发动机达
（2） 建 立 了 对 油 底 壳 表 面 进 行 阻 尼 处 理 的 计 算 模型。 分析结果表明，在油底壳表面构造约束阻尼 结构能够衰减油底壳表面的振动，降低油底壳的辐 射声功率级， 在所关注频段 0~1500Hz 内总的辐射 声功率级的降低量约为 1dB(A)。 此外，通过分析所 建立的外声场场点处的声压级结果，可知，约束阻 尼降噪措施降低了场点处的辐射声压，个别频率处 降幅达几十 dB。
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小成正比， 所以应尽可能减小这些值以减小漏气量。
对于与气缸壁贴合不良的气环， 贴合处的缝隙
也是加大漏气通路的较大因素。 对于这种缝隙如果
排除活塞环的漏光因素，一般是由汽缸套加工或安
装过程中产生的局部变形所导致的。 在这种情况
下，高压气体会沿着活塞环外圆面与汽缸壁间的缝
隙渗漏，并加大活塞环外圆面的侧压，从而使渗漏
由 图 19 中 所 示 的 10 号 场 点 在 采 用 自 由 阻 尼 结构前后的声压级频谱对比， 可见， 除在 1000Hz~ 1200Hz 频段内声压略有升高外， 整个频率域内，尤 其是 1500Hz 以上的高频段内， 该场点处的声压有 大 幅 度 的 降 低 ，最 大 降 低 量 达 到 将 近 20dB(A)。 因 此，可以得到结论，对油底壳采用复合夹层阻尼结 构这种降噪措施能够有效地降低辐射声功率及辐 射声场中的声压，从而达到降低噪声的目的。
θ---- 曲轴角
从 公 式 ⑥ 我 们 可 以 看 出 ，r、h1 与 惯 性 力 大 小 成 正
比，所以现在设计活塞气环时都采用强度高的球墨
铸铁或钢或其他轻质高强度材料，以降低环的轴向
高度 a1，从 而降低发动 机运转时的 惯 性 力 ，提 高 活
塞环发生震颤时的转速， 得到满意的输出功率，图
5、图 6 的对比试验结果便能充分说明这个道理：
果如下：
四冲程四缸汽油机：
内径×行程=准80.5×78.0mm；
最大马力=51.5kW/5000rpm
汽缸 气体通路面积 S（mm） 工作间隙 G（mm）
○—○
0.245
0.38
●—●
0.195
0.26
△—△
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0.08
▲ —▲
0.109
0.14（ 开 口 处 倒 角 小 ）
图1
从图 1 我们可以计算出气体通路面积 S：
从公式③我们可以看出在汽缸直径 d1 一定的情况
下，Ft 与 δ 成正比，a1、E、I 与 δ 成反比。 考虑到 E、I
的变动会牵涉到其它因素的变动，我们可以通过合
理减小 a1、增加 Ft 来增加活塞环的顺应性。 另外，
在下面我们将公式④代入公式③，得到公式⑤：
Ft=P*d1*h8/2
④
P ---- 活塞环接触面压
进一步扩大。 如果汽缸套的变形只是单纯的椭圆形
状，则可以通过提高活塞环的顺应性来改善贴合状
况。 活塞环的顺应性可以用公式 3 表达：
δ= [（d1-a1）/2]2-Ft
③
E*I
δ---- 活塞环顺应性
d1---- 气缸直径
a1---- 活塞环径向厚度 Ft---- 活塞环切向弹力
E---- 活塞环弹性模量 I---- 活塞环断面减弱系数
参考文献 [1] 索 文 超 ，韩 树 ，张 晶. 内 燃 机 降 噪 技 术 研 究 综 述 [J]. 2005 (4): 13~16. [2] 赵 志 高．结 构 声 辐 射 的 机 理 与 数 值 方 法 研 究．华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 [D]，2005． [3] 柯 兵．用有限元/边界元方法计算结构体振动辐射声场．船 舶 与 海 洋 工 程 研 究 专 集 [C]，2001． [4] 张 亮．油底壳辐射噪声场的计算仿真研究．吉林大学 硕 士 学 位 论 文 [D]，2001．