浅析发动机活塞环间隙

浅析发动机活塞环间隙
安徽安庆 徐高宏
[摘要]本文主要讨论发动机活塞环的间隙，具体包括闭口间隙、侧面间隙及背面间隙的设计、检测方法和失效模式。

[关键词]活塞环 闭口间隙 侧面间隙 背面间隙 漏气量
Key words ：Piston ring Closed gap Side face gap Radial gap Blowby
引言
发动机是汽车的心脏，发动机性能的好坏直接决定着整车性能的好坏，活塞环是发动机的关键零部件之一，密封作用是活塞环的功能之一，密封不好产生燃气泄漏，引起压缩不足，功率下降，导致热功率下降，严重情况下漏气破坏了缸套与活塞之间的油膜，使之干摩擦易引起发动机拉缸故障，而活塞环间隙是影响活塞环密封程度好坏的关键因素之一，因此控制合理的活塞环的间隙是非常重要的。

活塞环的间隙分为闭口间隙、侧面间隙和背面间隙，下面分别讨论。

1. 活塞环的闭口间隙：
所谓活塞环的闭口间隙是将活塞环放入直径为气缸基本直径的环规内，开口两端的最窄距离（如图1）。

因内燃机运转时会产生热量，活塞环也会随之膨胀，闭口间隙的存在，能有效防止活塞环因热膨胀而产生抵口导致拉缸的事故的发生。

1.1闭口间隙的设计：
闭口间隙一般按GB/T1149选取，或按产品图纸要求而定，但最小间隙(S 1)必须大于下式计算值 。

S 1 = πd 1αΔt ( mm)
式中：d 1—缸径，mm ；
α—热膨胀系数，此系数因温度、材质有所变动,一般合金铸铁按α= 1.2×10—5/℃；
Δt —温差，气环为100℃，油环为80℃。

对于闭口间隙极限值Smax ，一般取Smax=0.015 d 1。

设计时一般将第二道环的闭口间隙设置比第一道气环的大，尤其是在爆发压力较大的柴油机中，因为这样可以利用较大的闭口间隙将第二道环岸的压力泄去，增大第一道环上下面的压力差，使高压气体能轻易的将位于第一道环上部汽缸壁的机油吹下,减小机油消耗量；另外，在排气冲程中，如果第二道环岸的压力大于燃烧室压力，容易引起第一道环悬浮在环槽中，导致下窜气量过大，所以加大第二道环闭口间隙，泄去第二道环岸压力对减小漏气量是很有益处的。

按照这种设计的典型的例子是某公司设计的大柴道依茨发动机活塞环，第一道环闭口间隙按照0.30～0.55；第二道环闭口按照1.5～2.0。

1.2 闭口间隙的测量：
闭口间隙的测量方法通常用楔形规或者厚薄规在内径等于基本直径的环规中测量，测量
力约
1N,同时环规应满足d1+0.001d。

在批量检测时目前国内较为先进的方法是自动间隙测量机，该间隙测量机是利用光电技术对活塞环开口工作间隙实现非接触式光电转换，用单片机对开口电信号运算，处理和控制，实现自动送料、检测、分选等工步，该检测设备能够按活塞环闭口间隙大小将工件自动分成负超差、合格和正超差三种分别存放，该方法检测效率较高，而且可靠性较好。

1.3闭口间隙的失效模式：
1.3.1闭口间隙过小：较小的闭口间隙有利于密封气体和降低机油消耗，但是闭口间隙过小(亦即超过最小闭口间隙值时)会导致活塞环卡死而失去功效，甚至折断而使活塞环丧失功能，导致拉缸的事故，因此在实际应用时一定要考虑活塞环的最小间隙。

1.3.2闭口间隙过大：闭口间隙过大会使工作时活塞环的开口处仍有较大的间隙，这个较大的间隙会增大气体泄漏量通道并且使机油在此处上窜至燃烧室，从而导致窜气和烧机油事故。

有试验表明一道环闭口间隙与漏气量存在图3的关系，二道环的闭口间隙与机油耗存在图4的关系。

上图3表明如果改变
一道环闭口间隙来实际测定窜气量，当间隙变大时，窜气量也会按间隙比例增加，上图4表明适当增大二道环闭口间隙，机油耗会下降。

2. 活塞环的侧面间隙：
活塞环的侧面间隙（以下简称侧隙）（如图2）是指活塞环轴向两端面与活塞环槽上、下侧面之间的间隙。

2.1侧隙的设计：
活塞环的侧隙是随活塞环和活塞环槽的加工尺寸和加工精度而变化的，而且运转时实际的侧隙比常温时的侧隙更重要，因此活塞环的侧隙尺寸不能凭活塞环本身尺寸来决定。

根据[德国]C.恩格利许推荐的侧隙值如下表1：
表1：活塞环侧面间隙设计标准值
上表1中的标准值在设计时参考，但是不能以此表来决定侧面间隙，在实际时还要考虑其它因素。

2.2侧隙的测量：
测量时，将活塞环放入环槽内，用厚薄规测量。

2.3侧隙的失效模式：
2.3.1侧隙过小，则活塞环槽因活塞环产生的热膨胀或积炭容易使活塞环卡死在活塞环槽中。

2.3.2侧隙过大，则活塞环的漏气通道增加，气密性下降；在环槽内的上下运动幅度加大，叩击作用加剧，导致活塞环两端面或活塞槽侧面的磨损均将增大；过大的侧隙会导致活塞环泵油作用加剧，机油进入燃烧室，导致烧机油。

3. 活塞环的背面间隙：
活塞环的背面间隙（以下简称背隙）（如图2）是指将活塞环装在活塞槽内，再将活塞装入气缸后活塞环的内圆面与活塞环槽底之间的间隙，一般用活塞槽深与环厚之差来表示，推荐参考值在0-0.75mm 范围。

一般经验作法是将活塞环装入环槽内，如低于环岸，能转动自如又无涩滞感觉为适宜。

3.1背隙的设计：
SAE 标准中对铝活塞和铸铁活塞的背隙计算，规定使用下面公式：
对于气环：Dn=[D-(2T+XD)+0.5]+0 mm Dn=[D-(2T+XD)+1.5]+0 mm 式中：Dn —活塞环的环槽底径,单位为mm ；D —公称直径，单位为mm
T —活塞环径向厚度，单位为mm ；X 铸铁活塞为0.004，铝活塞环为0.006。

经过总结国内不同厂家的活塞和活塞环的参数总结出活塞背隙的设计基本符合以下标准： Dn =[D-2(T+N)]±0.1
其中上式中N 的取值为：
一道环为0.6～0.9；二道环为0.7～1.0；钢带组合油环为0.45～0.60；
螺旋撑簧组合油环为0.5～0.7
3.2背隙的测量：
活塞环背隙目前尚无较好的检测工具进行检测，一般是用活塞槽深度减去活塞环径向厚度之值近似表示。

3.3背隙的失效模式：
3.3.1背隙过小，则活塞环容易和活塞槽底部接触，在工作中容易导致活塞环折断，活塞环折断后导致拉缸事故的发生。

3.3.2活塞环背隙过大，则建立背面压力困难，造成活塞环密封效果不好，导致漏气量增加或者烧机油事故的发生。

4. 束语：
随着现代汽车不断朝着高性能，低排放，低噪音，低油耗和高寿命，高可靠性方面发展，发动机活塞组件的结构设计随之有新的特点和发展，活塞环间隙的设计也不例外，因此在产品设计和工艺设计时要充分考虑设计的合理性，做到成品活塞环的间隙合理，满足现代发动机性能的需求。

参考文献：
[1]杨连生，内燃机设计，中国农业机械出版社，1981年；
[2]日本汽车活塞环编集委员会，自動車用ピストンリンゲ 1996年10月；
[3]Federal-Mogule 公司，GOETZE 活塞环手册2008年8月。

[4]国家标准GB/T1149.5-2008，内燃机活塞环第5部分：检验方法 2009年1月。

作者简介：徐高宏，安徽安庆人，机电工程师、注册质量工程师，主要从事发动机零部件工艺规划及质量管理工作。

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