天然气发动机活塞环的设计与开发
天然气发动机基本结构及工作原理
• 曲轴的止推由两个半圆型止推轴承来实现，它们分别在主轴承轴鞍的
• 主轴瓦表面由巴氏合金薄层附带一个铜锡合金垫圈组成，如果20%以
飞轮
飞轮是由一块铸铁大圆盘和钢制齿圈 组成，作用是将在作功行程中由曲轴输入 的能量的一部分贮存起来，用以在其他行 程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、 下止点，使曲轴的旋转角速度和输出扭矩 尽可能均匀，提高发动机运转的稳定性， 并使发动机有可能克服短时间的超载荷。 在飞轮上通常刻有第一缸点火正时标记， 以便校准点火时间。
活塞组
活塞组的作用是与缸头和缸套共同组成所需 形状的燃烧室；保证气缸内部空间的密闭性，承 受气缸内气体的压力，并将此压力通过活塞销和 连杆传给曲轴，变活塞往复运动为曲轴旋转运动。 活塞直接与高温、高压燃气接触，而且又作高速 往复运动，因此要求活塞的材料应具有良好的导 热性和较小的膨胀系数，且在具有足够强度的同 时尽可能减轻质量，同时要求活塞还应具有良好 的耐磨性。活塞组是发动机中工作条件最严酷的 组件，发动机的活塞通常是由特殊的合金材料铸 造而成。
曲轴
曲轴由优质合金钢制成。曲轴的前端 用于驱动辅助设备，并安装有一个扭转减 振器；曲轴的后部有一个整体锻造的法兰， 法兰上连接有飞轮。曲轴上装有甩油环和 迷宫密封用来防止润滑油沿轴向泄漏。曲 轴上还装有齿轮，用于驱动正时齿轴
• 曲轴内设有油道，润滑油可通过油道到达主轴瓦轴颈，再通过曲轴油
2、配气机构
配气机构是按照发动机各气缸的工作顺序和 配气相位完成换气过程的控制机构。配气机构应 尽量保证发动机各气缸的换气充分，使发动机具 有良好的动力性能；特别在高速运转时应尽量减 少振动和噪音。配气机构可从不同角度来分类。 按气门的布置分为气门顶置和气门侧置式；按凸 轮轴的布置位置分为下置式、中置式和上置式； 按曲轴和凸轮轴的传动方式分为齿轮传动式、链 条传动式和齿带传动式；按每气缸气门数目分， 有二气门式和四气门式等
活塞设计说明书
汽油机活塞设计说明书：：一、活塞设计要求活塞是曲柄连杆机构的重要零件，主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转对外作功。
此外，活塞又是燃烧室的组成部分。
活塞是内燃机中工作条件最严酷的零件。
作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压内燃机的最高燃烧压力可达14—16MPa。
而且活塞还要承受在连杆倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。
由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。
本次课程设计的目的是设计四冲程汽油机的活塞，根据某些现有发动机的参数，确定活塞直径D=73mm。
二、活塞材料活塞材料常用灰铸铁和铝合金，然而由于铸铁材料密度大，产生的往复惯性力也很大，所以目前只用于大中型、低速柴油机上，故采用铝合金活塞。
为了使活塞拥有较好的热导率、高温强度、可锻性以及较小的热膨胀系数，所以才用铝硅铜合金。
三、活塞的结构设计活塞按部位不同可以分为顶部、头部和裙部。
1.活塞顶部设计活塞顶部形状对于四冲程内燃机取决于燃烧室形状，一般有平顶、凸顶和凹顶，此处选用平顶活塞。
活塞顶的厚度δ是根据强度、刚度及散热条件来确定，在满足强度的条件下δ值尽量取小。
对于铝合金材料的活塞δ值，汽油机为（0.06~0.10）D,柴油机为（0.1~0.2）D。
则：δ=（0.06~0.10）*73=（4.38~7.3）mm取δ=5.00mm2.活塞头部设计2.1设计要求活塞头主要功用是承受气压力，并通过销座把它传给连杆，同时与活塞环一起配合气缸密封工质。
因此，活塞头部的设计要点是：1）保证它具有足够的机械强度与刚度，以免开裂和产生过大变形，因为环槽的变形过大势必影响活塞环的正常工作；2）保证温度不过高，温差小，防止产生过大的热变形和热应力，为活塞环的正常工作创造良好条件，并避免顶部热疲劳开裂；3）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度H1缩短1单位，整个发动机高度就可以缩短2~5.1单位，并显著减轻活塞重量。
活塞式压缩机设计准则080202
活塞式压缩机设计准则1 范围本技术规定是关于本公司所设计制造的在石化和气体工业中用于处理工艺气体或空气的中低速有油、无油往复活塞压缩机的通用设计规定。
还包括了与压缩机有关的润滑系统、冷却系统、压力容器、控制仪表和其它辅助设备的通用设计要求。
2 基本设计2.1 容积流量机组容积流量要求无负偏差时，容积流量应用0.97除需要容积流量来计算，机组容积流量不要求无负偏差时，容积流量按所需要容积流量来计算。
2.2 活塞杆最大许用负荷设计工况下的综合活塞力（也包括气体力）应不大于所选机型名义活塞力的80％。
2.3 电机功率所选用的电机功率应不小于设计工况下轴功率的110％，并大于安全阀开启工况下的轴功率值。
压缩机在正常工况下所需功率不应超出规定功率（额定功率）的3%。
2.4 活塞平均线速度气缸无油润滑的压缩机其活塞平均线速度应不大于3.6m/s；气缸注油润滑的压缩机其活塞平均线速度应不大于4.2m/s。
天然气压缩机、大型撬装式高速活塞机除外。
2.5 最高许用转速（r/min）压缩机的转速按工艺压缩机型谱中规定的活塞行程及活塞平均线速度确定，但最高不大于500r/min。
2.6 最高排气温度无油润滑压缩机的预期最高排气温度应不大于150℃，有油润滑压缩机的预期最高排气温度应不大于165℃，压缩介质为富氢气体（平均分子量不大于12）时预期最高排气温度应不大于135℃，工作介质为烯烃类气体，介质中丙烷、丙烯以上的组分较多时，预期最高排气温度应不大于110℃。
压缩机设计时应复核所有工况点的排气温度。
2.7 压缩比无油润滑压缩机的单级压缩比不宜超过3.3；有油润滑压缩机的单级压缩比不宜超过4。
当单级压缩比超过上述数值时应充分考虑相对余隙、进排气温度、泄漏等因素的影响，采用相应的结构要素。
多级压缩的压缩机，高压级的压缩比不宜大于低压级。
2.8 安全阀所有安全阀均应为钢制安全阀。
安全阀一般宜设在管系或容器的高点位置，且应垂直放置。
潍柴天然气发动机培训资料之三结构及工作原理
燃气发动机的设计与开发
燃气发动机的设计与开发燃气发动机是利用燃气作为动力源的发动机，广泛应用于航空、船舶、火力发电等领域。
燃气发动机具有重量轻、功率大、排放低、响应时间快等优点，因此备受各行业的青睐。
本文将从燃气发动机的设计与开发两个方面进行探讨。
一、燃气发动机设计燃气发动机的设计是一项复杂的工作，需要考虑到多方面的因素，包括燃气的流动、燃烧、涡轮机的工作特性等。
以下是几个重要的设计考虑因素：1. 燃气的流动：燃气的流动对燃气发动机的性能影响很大，因此需要对燃气在进气道、燃烧室、排气道中的流动进行分析，并做出相应的设计。
2. 燃烧室的设计：燃烧室是燃气发动机中最重要的部分之一，直接影响到燃气发动机的燃烧效率和排放水平。
因此，燃烧室的设计需要考虑到燃料的喷射、混合和点火等过程。
3. 涡轮机的设计：涡轮机是燃气发动机中的核心部件之一，对发动机的工作效率影响很大。
涡轮机的设计需要考虑到叶轮的形状、叶片的数量和角度、对流通性能的影响等因素。
4. 制冷系统的设计：在高功率密度燃气发动机中，发热是一个重要的问题。
因此，需要设计一套高效的制冷系统，来控制各个部件的温度，保证燃气发动机的可靠性和寿命。
二、燃气发动机开发燃气发动机的开发是一个长期的过程，包括设计、试验、验证等多个阶段。
以下是燃气发动机开发过程的几个关键步骤：1. 试验室测试：在试验室环境中，需要对燃气发动机的各个组件进行测试，以确保它们的性能符合设计要求。
例如，需要对燃烧室进行燃烧稳定性测试、排气温度测试等。
2. 场地测试：在实际场地中，需要对燃气发动机在不同负荷工况下的性能进行测试和验证，以检验其实用性。
3. 燃气发动机整机测试：经过试验和验证后，需要对整机进行测试和性能评估，包括寿命测试、可靠性评估等。
4. 燃气发动机的适航认证：燃气发动机需要通过民航局的适航认证，以确保其能够依法使用。
综上所述，燃气发动机的设计与开发是一项复杂的工作，需要从多个角度考虑各种因素。
锡柴天然气发动机介绍20140611
研发部
点火线圈
国产点火线圈改为进口点火线圈， 直插式，与火花塞直接连接，提高可靠性 随着BMEP提升和空燃比提高，提高点火线圈供给电压，确保 可靠击穿；
研发部
防喘振阀
金属阀
塑料阀
由2只塑料防喘阀改进为1只金属防喘阀 提高寿命
研发部
压缩空气减压器
金属压缩空气减压器替代塑料表盘式可调减 压器 耐高温、耐震动； 输出压力恒定；
重量kg（不带后处理） 外形尺寸(长X宽X高)mm 使用环境温度 ℃
使用海拔
m
≤2000
研发部
4、CA6SN1平台
CA6SN1平台发动机集中于重型卡车应用，功率覆盖范围从350～390马力。
燃料：LNG
E-Control燃气系统
研发部
产品平台
CA6SN1-E4N
发动机型号
排量 额定功率转速 最大净功率 最大扭矩 最大扭矩转速 技术路线 L r/min kW N· m r/min
研发部
气体发动机介绍
2014年6月
研发部
目 录
气体发动机主要技术参数介绍
气体发动机主要技术特点介绍
研发部
一、气体发动机主要技术参数介绍
研发部
1、CA6SF2平台
CA6SF2平台发动机集中于中型高级客车、公交车、中型卡车应用，功率覆盖 范围从170～230马力。
燃料：LNG
E-Control燃气系统
215
22 0
23 0
◇配合燃料控制阀，达到最佳气耗。
400
24 0
25 0
200
26 0
26 0
0 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 转速(r/min) 1500 1600 1700 1800 1900
发动机活塞加工工艺及夹具设计
发动机活塞加工工艺及夹具设计引言：一、发动机活塞加工工艺1.铸造：根据发动机活塞需求的材料，采用铸造工艺将活塞进行初步成型。
铸造过程中需要注意控制铸造温度、压力和金属液体的流动速度，以确保活塞的形状和尺寸精度。
2.粗加工：铸造后的活塞需要进行粗加工，包括切割、车削和铣削等。
这一步骤主要是为了去除铸造余砂、提高活塞的表面粗糙度和尺寸精度。
3.热处理：经过粗加工后的活塞需要进行热处理，以提高材料的硬度和耐磨性。
常用的热处理方法包括淬火、回火和正火等，需要根据活塞材料的特性选择合适的方法。
4.精加工：热处理后的活塞需要进行精加工，以确保活塞的表面光洁度和几何形状的精度。
精加工包括研磨、车削和铣削等。
5.表面处理：经过精加工后的活塞需要进行表面处理，以提高活塞的耐磨性和耐蚀性。
常用的表面处理方法包括镀铬、电镀和喷涂等。
6.检测和质检：经过表面处理后的活塞需要进行检测和质检，以确保活塞的尺寸精度和质量符合要求。
常用的检测方法包括三坐标测量、显微镜观察和硬度测试等。
二、发动机活塞加工夹具设计1.夹具的选材：夹具需要具有足够的强度和刚度，以确保加工过程中的稳定性和精度。
常用的夹具材料包括铸铁和钢等。
2.夹具的结构设计：夹具的结构设计需要根据活塞的形状和加工过程的特点来确定。
一般来说，夹具需要包括定位装置、夹紧装置和支撑装置等。
3.夹具的定位装置：夹具的定位装置用于确保活塞在加工过程中的位置精度。
常用的定位装置包括圆锥销、导销和定位块等。
4.夹具的夹紧装置：夹具的夹紧装置用于固定活塞，以确保加工过程中的稳定性和精度。
常用的夹紧装置包括螺纹装置、气动装置和液压装置等。
5.夹具的支撑装置：夹具的支撑装置用于支持活塞，以减小加工过程中的振动和变形。
常用的支撑装置包括支撑板、支撑块和支撑铁等。
结论：发动机活塞加工工艺及夹具设计对于提高活塞的加工效率和产品质量起着重要的作用。
合理选择加工工艺和设计夹具是确保活塞加工质量的关键。
发动机活塞设计课程设计
发动机活塞设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解发动机活塞的基本结构及其工作原理，掌握活塞在设计中的关键参数和计算方法。
2. 学生能够运用物理和数学知识，分析活塞在运动中的受力情况，并解释其与发动机性能的关系。
3. 学生能够掌握活塞材料选择的原则，了解不同材料的性能特点及其对发动机性能的影响。
技能目标：1. 学生能够运用CAD软件进行活塞的初步设计，并完成模拟分析。
2. 学生能够通过小组合作，进行活塞设计项目的讨论、展示和评价，提高团队协作和沟通能力。
3. 学生能够运用所学知识解决实际工程问题，具备初步的工程设计和创新思维能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过本课程的学习，培养对机械设计和制造的兴趣，增强对工程学科的认识和热爱。
2. 学生在学习过程中，树立正确的工程观念，认识到工程设计与现实生活的紧密联系，增强社会责任感。
3. 学生通过团队合作，培养尊重他人、倾听意见、乐于分享的良好品质，形成积极向上的学习氛围。
课程性质：本课程为高二年级工程技术类选修课程，旨在通过活塞设计实例，将理论知识与实际应用相结合，提高学生的工程实践能力。
学生特点：高二年级学生已具备一定的物理、数学基础，对工程学科有一定了解，具备初步的自主学习能力和团队合作意识。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，引导学生通过项目式学习，培养解决实际问题的能力。
同时，关注学生情感态度价值观的培养，提高其综合素质。
在教学过程中，将课程目标分解为具体学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下三个方面：1. 发动机活塞结构与工作原理- 引导学生复习发动机基本构造，重点了解活塞在发动机中的位置和作用。
- 讲解活塞的组成、类型及其工作原理，结合教材相关章节，深入分析活塞在发动机循环过程中的运动规律。
2. 活塞设计原理与计算方法- 介绍活塞设计中的关键参数，如活塞直径、行程、压缩比等，并引导学生运用数学和物理知识进行计算和分析。
发动机活塞的设计
发动机活塞的设计
一、设计原则
1.功能性原则：活塞必须具有压缩气体、导向燃油喷射和转化为机械能的功能。
2.声振性原则：活塞的设计应尽量减小声振，并保证活塞和其它零部件之间的协调运动。
3.疲劳寿命原则：活塞在长期使用过程中要能够承受高温和压力引起的应力，保证其使用寿命。
4.制造和装配原则：活塞的设计要考虑到制造和装配的方便性，确保生产成本低且易于维护。
二、结构设计
1.活塞头部：活塞头部有一个凹口，用于接受喷油器喷入的燃油，同时，凹口的设计也有助于形成良好的燃烧室。
2.活塞体：活塞体是活塞的主体部分，其具有良好的刚度和强度，以承受高温和高压力的工作环境。
3.活塞环槽：活塞环槽用于安装活塞环，活塞环的密封性和润滑油控制能力对发动机性能有着重要影响。
4.活塞销孔：活塞销孔用于安装连杆和曲轴，必须具有足够的刚度和强度，以承受来自活塞运动和爆发力的压力。
5.活塞腰部：活塞腰部是活塞顶部和活塞底部之间的连接部分，通常具有圆形横截面，以提供最大的强度和刚度。
三、材料选择
1.铝合金：铝合金是常用的活塞材料，其具有较低的密度和良好的导
热性能，使得活塞能够快速散热，降低温度。
2.铸铁：铸铁活塞具有较高的强度和耐磨性，适用于高功率和高转速
的发动机。
3.钛合金：钛合金活塞具有较低的密度和高的强度，能够减轻活塞质量，提高发动机的响应性和动力性能。
活塞的设计是一项复杂的工作，需要考虑到多个因素，如活塞的功能、结构合理性、疲劳寿命和制造装配便利性等。
通过合理的设计和选择适当
的材料，可以提高发动机的效率和可靠性。
钻井平台用天然气发动机的设计开发
点 远离 了爆振 区和失 火 区 ， 且降低 了发动 机 的排 温及 而 排 放 中的 ＮＯ ｘ的含量 ， 发动 机达到 高 的排 放性 能 。 使
３ ４ 点 火 系 统 ．
座 内上下运 动 ， 经挺杆 及气 缸盖 上 的气 门摇 臂 和摇 臂横
桥， 定时地 控制 着两个 同名气 门 的开 闭 。
期； 钻井 平 台用天 然气 发动机 的研 制将 可 以替 代进 口发 进 技术基 础上 ， 自主 开 发 的一 种 适 用 于低 压 燃 气 、 智 高 动 机 ， 分利 用 钻井 产 生 的 油 田伴 生 气 ， 钻 井 平 台 区 能化 、 耗低 、 充 为 热 可靠 性 好 、 排 放 、 寿 命 的 天然 气 发 动 低 长 域 提供 性能先 进 、 质量 可靠 的发 电设 备 。 机。 ｌ 天 然气发 动机 主要 技术参 数 钻井 平 台用天 然气 发动机 的 主要技 术参数 见表 １ 。
． 效 中冷器 ， 使混合 气 温度 降低 ， 密度增 大 ， 同时抑 制爆 振 ４ ３ 活 塞
倾向， 再送 至机 体 内进 气腔 通过进 气 管道 分别 达 到 各气
缸内。
为适 应 天然 气发 动机 的燃 烧 特点 ， 合 考虑 抗爆 振 综
性 和 经济性 ， 计 了专 用 活 塞 ， 终 通过 试 验 确 定 发 动 设 最
第３ １卷增 刊
２ １ 年 １ 月 ０１ Ｏ
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ ＬＷＡＹ ０Ｃ Ｌ ０Ｍ０ＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ ． １ Ｓ ｐ ｌ １３ ｕ ｐ ０ｃ ． ｔ ２ １ ０１
文 章编 号 ｌＯ ８ ８ ２（０ １ Ｏ Ｏ ８ －０ １ Ｏ —７ ４ ２ １ ）Ｓ － Ｏ １ ２
天然气发动机活塞环的设计与开发
随着 世 界 经 济 的不 断 发 展 ． 石油 、 煤 炭 两 大 能 源 面 临枯竭 ， 同时 世界 各 国对 生态 环境 保 护要 求 的
火线 圈及火 花塞 等零件 组成 的点火 系统 。
室容积 。
国外研 究 发展 天然 气 发 动机 已经有 １ ０ ０ 年 的历
史， 但 我 国 在使 用 天 然 气 方 面起 步较 晚 ， 天然 气 发
动 机 的应 用还 处 于初 级 阶段 ， 基本 上 是在 原 型 发动 机 的基础 上进 行 改进 ， 所 以在 实 际使 用 过程 中存在
比， 各 工况 点 的空燃 比 、 点 火提 前角 、 增 压 压力 都 实 现 了更精 确 的控 制 。
１ ． ４ 压 缩 比 压 缩 比 的选 取 与燃 料 的抗 爆震 性 能 密切 相关 ．
化 天然气 （ Ｌ Ｎ Ｇ） 两种 。 天然气 同其他 清 洁能源相 比 ，
具有资源丰富、 燃 烧 清洁 、 技 术 成熟 、 安全可靠 、 经 济 实 用等 优点 ． 已成 为世 界车 用清 洁燃 料 的 发展 方 向， 而 天然 气 汽 车 则 已成 为发 展 最 快 、 使 用 量 最 多
温、 润 滑 困难 等 特 点 ， 活塞 环 必 须 从 结 构 、 材料 、 表 商处理 、 参 数 等 方 面进 行 专 门设 计 ， 才 能 更 好 的满
足其需 求 。
曹存 军
吴 立来
（ 南京飞燕 活塞环股 份有 限公 司） ［ 摘要］ 针 对 天 然气发 动机 的 特点及 目前存 在 的 问题 ， 提 出 了天然 气发 动机 活塞 环在 材料 、 结
天然气发动机结构及工作原理
天然气发动机结构特点（燃气供给系统）
燃气供给系统的作用:
压力管理: 气罐压力混合器前极低压力
温度控制: 极低温度的燃气将冻结管路和部件，系统件 有效加热并控制燃气温度在合理范围内
传感器: 提供稀燃燃烧需要的燃气温度信息，精确控制 喷嘴喷射量.
安全性: 燃气需要电磁阀控制燃气的开断
混合器
气瓶
性能： 燃气温度超过40℃，30秒钟内关闭 燃气温度低于10℃，30秒钟内开启
注意事项： 节温器的开启与关闭受燃气温度控制，冷却液的 进口与出口不能接反，进口处有“IN”标记，出
口 处有“OUT”标记。
天然气发动机燃气供给系统（混合器）
工作原理及作用：将天然气和中冷后的空气充分混 合，使燃烧更充分、柔和。有效降低NOx排放和排 气温度。 结构：采用喉管和十字叉 结构，天然气从小孔中进 入混合器。
燃气经过热交换器加热后通过节温器进入FMV，由 FMV控制喷射入混合器中与增压后的空气混合。电 子节气门控制混合气进入发动机气缸内燃烧做功。
天然气发动机结构特点(专用气门及座圈)
燃气机专用气门座圈及气门
1、耐高温；2、耐腐蚀；3、自润滑性能好 4、气门阀座和气门寿命与柴油机相同
密封带堆焊
天然气发动机结构特点(专用气门密封套)
天然气发动机空气供给系统（增压压力示意图）
发动机排气能量
增压后空气
增压器废气阀
排气能量损失
天然气发动机空气供给系统（废气庞统控制阀）
作用：与增压器的放气阀连接，控 制增压器废气门驱动气室的气体 压力On/off 电磁阀开启频率为 30 Hz或50Hz
注意事项： 如果通至阀门的空气被污染， 阀
门的隔网可能堵塞 连接管路长度不可更改，否则增
天然气发动机介绍
Pt:Pd:Rh=1:5:1(参考） BMEP(MPa) 升功率(kW/L) 排温(℃) 对发动机要求 点火系统 燃料喷射系统 控制系统 经济性 燃料适应性 发动机成本 其余特点 12～18 18～30（进气量限制） 与柴油机相当或略高 与柴油机相当 点火能量要求高,是当量燃烧的1.5倍以上 多采用单点喷射，混合器浓度控制精度高，各缸浓 度均匀性好。 与欧Ⅴ相当 好 对燃料热值敏感 高 17～19 23～30（热负荷限制） 700～800 缸盖、排气管、气门付的热负荷比柴油机高 点火能量要求低 多用多点喷射，发动机的瞬态响应性能好，燃料 不占用进气容积，有利于提高发动机功率密度 较复杂 比稀薄燃烧的差一些 对燃料的甲烷值敏感，低的甲烷值燃料易引起爆 震。 不需SCR，比稀薄燃烧的低 起动扭矩较大
研发部
我厂气体机产品型谱
310 290 6SL2 260 260 240 6SL1 240 230 210 190 6SF2 170
370 350 330 6SM2 310
420 390 6SN1 370 350
可以满足6米到13.7米各种客车和轻、中、重型所有卡车配套的要求
研发部
1、CA6SF2-E5N平台 CA6SF2平台国-Ⅴ发动机集中于中型高级客车、公交车、中型卡车应 用，功率覆盖范围从170～230马力。 燃料：CNG、LNG
柴油机燃料供给系统 天然气发动机燃料供给系统
研发部
3、点火系统：
柴油机是压燃式发动机，活塞上行压缩过程中，混合气自行着火。
天然气发动机是点燃式发动机，需要火花塞发出高压电弧，点燃混合气。 点火线圈
火花塞
研发部
4、电控系统：
电控系统本质上都是根据发动机工况和外部环境，精确的控制燃料和空气的 供给量和点火时间，以达到最优的性能和排放。
发动机活塞和活塞环的设计和性能分析
发动机活塞和活塞环的设计和性能分析发动机是现代机械设备中最重要的部件之一，它的性能直接影响到整个设备的运行效率和使用寿命在发动机的各个组成部分中，活塞和活塞环是承受高温、高压和摩擦的关键部件，其设计和性能对发动机的性能和寿命有着决定性的影响活塞的设计和性能活塞是发动机中的一个重要部件，它承受着燃烧室内的高温和高压，并将这些力转化为机械能因此，活塞的设计必须考虑到耐高温、耐高压和耐磨的要求活塞的材料选择活塞的材料选择对其性能有着决定性的影响一般来说，活塞的材料需要具备高强度、高耐磨性和良好的热稳定性目前，常用的活塞材料有铝合金、铁合金和钛合金等其中，铝合金因其轻质、高强度的特点而被广泛应用活塞形状设计活塞的形状设计对其性能也有着重要的影响活塞的形状需要考虑到减小摩擦、提高热传导和提高强度等因素一般来说，活塞的形状分为两种：圆柱形和椭圆形圆柱形的活塞具有较好的强度和热传导性能，但摩擦较大；椭圆形活塞则可以减小摩擦，但强度相对较低活塞冷却由于活塞在高温下工作，因此需要进行冷却以防止过热活塞的冷却方式有水冷和油冷两种水冷活塞具有较好的冷却效果，但结构复杂，成本较高；油冷活塞则结构简单，成本较低，但冷却效果相对较差活塞环的设计和性能活塞环是活塞与缸体之间的密封件，它对发动机的性能和寿命有着重要的影响活塞环的设计和性能需要满足密封性好、耐磨性强和弹性好的要求活塞环的材料选择活塞环的材料需要具备高耐磨性、高弹性和良好的热稳定性常用的活塞环材料有铸铁、青铜和钛合金等其中，铸铁因其耐磨性和弹性好而被广泛应用活塞环的形状设计活塞环的形状设计对其性能也有着重要的影响活塞环的形状分为两种：圆环形和O形圆环形的活塞环具有较好的密封性能，但摩擦较大；O形的活塞环则可以减小摩擦，但密封性能相对较差活塞环的弹性和稳定性活塞环的弹性和稳定性对其密封性能和使用寿命有着重要的影响活塞环的材料和形状设计都需要考虑到弹性和稳定性的要求一般来说，活塞环的弹性需要大于50%，稳定性需要小于5%以上就是对发动机活塞和活塞环的设计和性能的分析和讨论由于篇幅限制，这里只进行了大约30%的内容输出在后面的内容中，还将对活塞和活塞环的其他方面进行详细的分析和讨论活塞和活塞环的配合活塞与活塞环的配合是发动机运行中的重要环节它们之间的配合必须保证良好的密封性、减少摩擦和磨损，同时还需要承受高温和高压的环境密封性能活塞环的密封性能是指其在活塞运动过程中，能够有效地阻止燃烧室内的高压气体泄漏到曲轴箱中这需要活塞环的材料具有足够的弹性和耐磨性，以及合适的断面形状和尺寸通常，活塞环的密封性能通过实验来评估，如使用高压测试设备来检测气体泄漏量摩擦和磨损在发动机的工作过程中，活塞和活塞环之间的摩擦和磨损会直接影响发动机的运行效率和寿命为了减少摩擦和磨损，活塞环的材料和设计需要考虑到降低接触面积、减少表面粗糙度以及使用润滑剂活塞环的润滑通常是通过在活塞环和缸体之间形成一层油膜来实现的高温和高压环境发动机在工作时，活塞和活塞环需要承受高温和高压的环境这就要求活塞环的材料必须具备良好的热稳定性和抗压性能通常，高温材料的选择涉及到合金元素的添加和热处理工艺的优化，以提高材料的熔点和耐热性活塞和活塞环的制造工艺活塞和活塞环的制造工艺对其性能和质量有着直接的影响现代发动机活塞和活塞环的制造工艺主要包括铸造、锻造、粉末冶金和机加工等铸造工艺铸造工艺是生产活塞和活塞环的一种传统方法这种工艺通过将金属熔化后倒入模具中，冷却凝固成形铸造工艺的优点是生产成本低，但缺点是尺寸精度和表面质量相对较低锻造工艺锻造工艺是将金属加热至高温状态，然后通过锤击或压力机对其进行塑性变形锻造工艺可以提高活塞和活塞环的强度和韧性，但生产成本相对较高粉末冶金工艺粉末冶金工艺是将金属粉末和添加剂混合后，通过压制和烧结成形这种工艺可以制造出复杂形状的活塞和活塞环，且尺寸精度高，但生产成本相对较高机加工工艺机加工工艺是通过机械设备对活塞和活塞环进行加工，以提高其尺寸精度和表面质量常用的机加工方法有车削、铣削、磨削等以上就是对发动机活塞和活塞环的设计和性能的进一步分析和讨论在后续的内容中，还将对活塞和活塞环的其他方面进行详细的分析和讨论，包括它们在发动机中的作用、影响因素以及优化设计等活塞和活塞环在发动机中的作用在发动机中，活塞和活塞环是关键的运动部件，它们的主要作用包括：活塞的作用1.转换压力能：活塞在燃烧室内承受气体压力，将压力能转换为机械能，推动曲轴旋转2.控制燃烧：活塞的顶端设计有燃烧室，活塞的运动可以控制燃油的燃烧过程3.分隔气缸：活塞在气缸内运动，形成气缸的上部和下部，分隔气缸内的高压气体和曲轴箱内的低压气体活塞环的作用1.密封作用：活塞环是活塞与气缸之间的密封件，可以防止高压气体泄漏到曲轴箱中2.减少摩擦：活塞环的存在可以减少活塞与气缸壁之间的直接接触，降低摩擦和磨损3.控制油气：活塞环还可以控制气缸内的油气混合比例，影响发动机的燃烧效率活塞和活塞环的影响因素活塞和活塞环的设计和性能受到多种因素的影响，包括：材料的影响活塞和活塞环的材料对其性能有着直接的影响不同的材料具有不同的强度、硬度、耐磨性和热稳定性，这些性能直接关系到活塞和活塞环的使用寿命和性能设计的影响活塞和活塞环的设计对其性能也有着重要的影响设计合理的活塞和活塞环可以提高发动机的性能，减少能耗和排放制造工艺的影响活塞和活塞环的制造工艺对其性能和质量有着直接的影响不同的制造工艺具有不同的生产成本、尺寸精度和表面质量活塞和活塞环的优化设计为了提高发动机的性能和寿命，活塞和活塞环的设计和制造需要进行优化设计的优化1.形状优化：通过计算机辅助设计（CAD）和计算流体力学（CFD）模拟，优化活塞和活塞环的形状，以提高其性能2.结构优化：通过调整活塞和活塞环的结构，如增加冷却通道、改变材料分布等，提高其性能制造的优化1.工艺优化：通过优化铸造、锻造、粉末冶金和机加工等工艺，提高活塞和活塞环的性能和质量2.质量控制：通过严格的质量控制体系，确保活塞和活塞环的尺寸精度、表面质量和性能以上就是对发动机活塞和活塞环的设计和性能的分析和讨论通过对活塞和活塞环的设计和性能的深入研究，可以提高发动机的性能和寿命，为现代机械设备的发展做出贡献。
天然气发动机介绍
研发部
2、燃料供给系统：
柴油机的燃料通过油泵、高压油轨、油嘴喷入气缸，通过高压雾化与空 气混合，形成可燃混合气。
天然气发动机的燃料通过减压器（或汽化器）、喷嘴、与空气在进气管 或气道内混合，进入气缸燃烧做功。
柴油机燃料供给系统
天然气发动机燃料供给系统
研发部
3、点火系统： 柴油机是压燃式发动机，活塞上行压缩过程中，混合气自行着火。 天然气发动机是点燃式发动机，需要火花塞发出高压电弧，点燃混合气。
研发部
7、进排气系统（气门副零件）： 由于燃料的不同，排温升高，相对于柴油机，气体机对气门副（气门、气 门座和气门导管）提出了更苛刻的要求。 下图是气体机进排气门座圈的磨损形式及成因：
研发部
天然气发动机的气门副材料有如下特点： • 气体机气门副的材料，需要提高耐磨损性、耐凝着性及耐热性： • 气门座及气门导管：一般采用粉末冶金材料，添加自身润滑性以及扩散 性优秀的金属间化合物粒子；提高材料密度，高合金化，进而提高基地强 度。 • 气门：主要是提高耐磨损性。一般采用锥面堆焊合金材料，杆身氮化 （与气门导管间的滑动改善要求）。 • 阀杆密封圈：一般采用多唇口结构，可以保证密封的同时储存微量润滑 油，改善气门导管与气门的摩擦。
研发部
锡柴天然气发动机介绍
部 门：研发部 负 责 人： 汇报时间：2014-9-12
研发部
一、天然气发动机的开发背景 二、天然气发动机与柴油机的差异 三、天燃气发动机的排放技术路线 四、我厂气体机产品介绍（产品型谱) 五、我厂电控燃气系统介绍
研发部
一、天然气发动机的开发背景
1、相比柴油汽车，天然气汽车的氮氧化物排放仅有柴油车的25%，碳 氢化物、碳氧化物仅为柴油车的30%和12%，颗粒物排放几乎为零，并 且LNG发动机的声功率仅为柴油发动机的36%，无铅、苯等致癌物质， 基本不含硫化物。在节能减排、环境保护上，LNG汽车的优势非常明 显，符合中国政府的环保政策导向。
装配过程中活塞气环开口一致性运动力学分析与研究
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二道
3
0.65 0.71 0.06 2.990 2.990 0
气环 4 0.67 0.73 0.06 2.991 2.991 0
5 0.66 0.70 0.04 2.990 2.990 0
6 0.66 0.72 0.06 2.990 2.990 0
3 实际运用
近年来我公司先后为东风南充、上柴、玉柴、一 汽锡柴、 一汽大柴等主机厂完成了天然气发动机活 塞环的优化改进工作， 很好的解决了原发动机存在 的机油耗大、怠速窜油等问题。 以某公司13L发动机 为例，原机采用的是柴油机活塞环，市场反馈机油耗 大，怠速窜油明显。 经过对活塞环组进行改进，1000 小时台架考核表明， 改进后的活塞环组成功的解决 了原机存在的机油耗大、怠速窜机油的问题，活塞环 的外圆及平面磨损非常理想（见附表一、图5、图6）
火线圈及火花塞等零件组成的点火系统。 1.3 控制系统
天然气发动机采用电控，与原机械式柴油机相 比，各工况点的空燃比、点火提前角、增压压力都实 现了更精确的控制。 1.4 压缩比
压缩比的选取与燃料的抗爆震性能密切相关， 抗爆震性能是用燃料的辛烷值来衡量，辛烷值越高 抗爆震性能越好，常用的几种燃料按辛烷值高低排 序依次为：柴油、CNG（甲烷）、丙烷、丁烷和汽油。 所 以天然气发动机的压缩比比柴油机的小，活塞燃烧 室形式与柴油机不同。 在柴油机的基础上改进设计 的天然气发动机，为了降低压缩比就需要加大燃烧 室容积。
第三道油环：采用钢带组合油环。
钢带组合油环如图2所示， 它由两个刮片和一 个衬簧构成， 这种环的特点不仅在于接触压力高， 而且由于上下刮片能够分别动作，所以对正圆度较 差的气缸来说，也具有良好的适应性。 更重要的是 每个刮片不仅与气缸之间的滑动面处保持密封，而 且也在环槽的上下端面之间保持对机油的气密作 用。 通常，在发动机中发生窜油的通路有两条：即除 了通过滑动面窜油之外，还通过活塞环槽和环端面 之间的间隙。 当在汽车上用发动机制动时，进气真 空度较大，机油在真空度的作用下，通过后一条通 路被吸到上方，产生明显的“窜油”。 为了防止这种 现象，在提高滑动面密封性的同时，也要提高环槽 侧面与环端面之间的密封性。 钢带组合油环可以很 好的满足这种需求。
附表一：改进环组1000小时可靠性试验后 活塞环磨损数据
环别
闭口间隙
环高
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
缸号
试验前 试验后 增大量 试验前 试验后 磨损量
1 0.40 0.42 0.02 3.491 3.491 0
2 0.41 0.44 0.03 3.490 3.490 0
一道
3
0.43 0.45 0.02 3.491 3.491 0
气环
4 0.40 0.42 0.02 3.491 3.491 0
5 0.40 0.43 0.03 3.491 3.491 0
6 0.41 0.44 0.03 3.491 3.491 0
1 0.68 0.74 0.06 2.990 2.990 0
2 0.67 0.73 0.06 2.990 2.990 0
国 外 研 究 发 展 天 然 气 发 动 机 已 经 有 100 年 的 历 史，但我国在使用天然气方面起步较晚，天然气发 动机的应用还处于初级阶段，基本上是在原型发动 机的基础上进行改进，所以在实际使用过程中存在 一些问题。 作为活塞环的专业生产厂家，我们必须 针对天然气发动机的特点及目前存在的问题，对活 塞环进行专门设计。
图3 普通铬层与FTC层的金相及网纹对比
快速摩擦试 验结 果 显 示 ，FTC层 有 比 普 通 硬 铬 更好的与缸套的匹配能力及更小的活塞环磨损（见 图4）。
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内燃机与配件
2013 年第 6 期
图4 不同表面处理环与缸套的磨损量对比，数据来源于马勒资料
第二道环采用高强度耐磨合金铸铁。 高强度耐 磨合金铸铁F14与普通合金铸铁K1相比， 其基体硬 度 高 达 109～116HRB， 抗 弯 强 度 ≥650MPa， 弹 性 模 量 130～160GPa；而普通合金铸铁K1，其基体硬度为96～ 108HRB，抗弯强度≥410MPa，弹性模量85～115GPa。 这些更高的机械性能，保证了其较高的耐磨性及材 料强度，更好的满足了现代高负荷发动机的需求。
1000小时可靠性试验后第一道气环， 外圆磨损 量很小，偏桶形状仍然明显（见图5）。
图5 1000小时后第一道环外圆轮廓
1000小时可靠性试验后第二道气环， 磨损量很 小，锥度仍然很明显（见图6）。
图6 1000小时后第二道环外圆轮廓
4 总结
(1)天 然 气 发 动 机 存 在 润 滑 困 难 、易 产 生 磨 损 、 燃烧清洁、怠速易机油倒窜等显著特点，活塞环的设 计必须与柴油机的区分开；
〔关键词〕天然气 活塞环 Key words: Natural gas Piston rings
随着世界经济的不断发展，石油、煤炭两大能 源面临枯竭，同时世界各国对生态环境保护要求的 不断提高，促使寻求一种新的更加清洁的能源替代 传统的石油燃料。 天然气燃料是各种替代燃料中最 早 广 泛 使 用 的 一 种 ， 它 分 为 压 缩 天 然 气 （CNG） 和 液 化天然气（LNG）两种。 天然气同其他清洁能源相比， 具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经 济实用等优点，已成为世界车用清洁燃料的发展方 向，而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多 的新能源汽车。
2 活塞环的设计
针对天然气发动机活塞环在工作时面临的高 温、润滑困难等特点，活塞环必须从结构、材料、表 面处理、参数等方面进行专门设计，才能更好的满 足其需求。
刘志华 曹存军 吴立来：天然气发动机活塞环的设计与开发
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2.1 结构 第一道气环： 通常直接采用原柴油机环结构
（双梯、单梯、矩形），镶嵌偏桶结构。 优化的偏桶面， 既可以保证漏气量又可以保证机油耗；同时由于采 用镶嵌结构，则避免了活塞环外圆的下倒角，明显 减少了漏气通道，同时也使活塞环的最终控油得到 了加强，机油耗明显降低（见图1）。
(2) 优 化 改 进 的 活 塞 环 组 ， 从 材 料 、 结 构 、 表 面 处 理、 参数选择等方面都很好的满足了天然气发动机 的使用要求，并解决了原来存在的突出问题。
参考文献 [1]《活 塞 环 》上 海 内 燃 机 配 件 厂 译 [2]《GOETZE PISTON RING HANDBOOK 2008》 [3] 周冬，《柴油机改装天然气发动机的意义及技术措施》
油环采用不锈钢材料，表面氮化处理，提高了表 面硬度，同时氮化工艺更环保，符合发展趋势。 2.3 活塞环参数选择
根据天然气发动机的特点，主要优化了闭口间 隙、侧隙、背隙、面压及柔性的设计，减少了泄漏通 道。 因为天然气燃烧很清洁， 不会像柴油机那样会 产生很多的积碳，所以各环的侧隙及第一道环的闭 口间隙可以进一步减小，以减少泄漏通道。
除此之外，天然气发动机还有一个更显著的特 点，就是存在燃烧室高温、尾气中氮氧化物含量高 和润滑难，即所谓的“两高一难”的润滑特点，这样 会使普通机油氧化过快，导致机油品质下降或失效 过快，不利于对发动机的润滑和保护；同时，高温下 普通机油的高灰分添加剂极易在发动机部件表面 生成坚硬沉积物。 所以天然气发动机中活塞环的润 滑条件较差，存在易磨损的倾向。
Relative Blow-by
1.0 0.8
0.6 0.4 0.2
0 0.28×45°
0.20×45°
0.10×45° Radius:0.14（mm）
Relative Loc
（a）外角（下）对漏气量的影响
1.0 0.8
0.6 0.4 0.2
0 0.28×45°
0.20×45°
0.10×45° Radius:0.14（mm）
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内燃机与配件
2013 年第 6 期
天然气发动机活塞环的设计与开发
Design and Development of Natural Gas Engine Piston Rings
刘志华 曹存军 吴立来
（南京飞燕活塞环股份有限公司）
〔摘要〕针对天然气发动机的特点及目前存在的问题，提出了天然气发动机活塞环在材料、结 构、表面处理、参数选择等方面的设计理念，并成功应用到生产实际中。
但是如果对漏气量、机油耗有更高要求（如减 小怠速窜油），则可采取矩形结构。 矩形环端面与环 槽接触面积大， 可以有效的密封及控制向上泵油， 同时也利于高温的传递。 台架试验表明，天然气发 动机燃烧非常干净， 没有像柴油机那样的明显积 碳，在冷却良好的情况下，活塞环不会出现积碳卡 死，所以可以不采用梯面环。
图2 钢带组合油环
2.2 材料及表面处理
第一道环采用高强度球铁KV4， 加FTC铬基陶
瓷复合镀表面处理，提高了环的端面耐磨性与环外
圆的耐磨性。 高强度球铁KV4和普通球铁KV1相比，
基 体 硬 度 有 明 显 提 高 ，KV1 基 体 硬 度 通 常 在 25 ～
42HRC，而KV4基体硬度通常在40～46HRC。 FTC铬
(b)外 角 （ 下 ） 对 机 油 耗 的 影 响 图1 第一道气环下外角对漏气量及机油耗的影响(数据来源于马勒资料)
第二道气环：采用外鼻形锥度刮油环，加强刮 油性能。 通常在一个环组中，越在下面的活塞环，所 供给的机油越多，所以第二道环在下降行程中刮下 来的油难以及时溢走，致使挤入活塞环下面小间隙 中的油压升高，因而使机油向上倒窜，降低刮油效 果。 而外鼻形锥度环，由于其外圆下部凹切，则环下 部的间隙增大，因而使油压升高减小，从而减少了 机油的倒窜。 当然这种环的缺点是容易导致发动机 漏气量增加，但目前我们所开发的天然气发动机都 是增压机，爆发压力较大，本身第二道环在设计时 就要考虑泄压，所以这种缺点此时并不会导致发动 机漏气量增大，反而有利于漏气量的控制。
基陶瓷复合镀相比普通硬铬，其铬层硬度显微硬度