活塞系统的密封环设计及润滑方式

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：密封环的数量依赖于气缸内的压力，通常汽油机配置3个活塞环，大型柴油机配置4个活塞环。图9-11 活塞、活塞环的摩擦力图9-12 活塞的供油方式发动机润滑油因在压缩上止点附近进行边界润滑，因此向气缸壁供给充分量润滑油，通过油环调节为最小界限。

活塞相对于气缸套（壁面）进行往复运动，需要在活塞环、活塞裙部、活塞销部分进行润滑。活塞主要部位如图9-9所示。

活塞环分为气环和油环。密封环的数量依赖于气缸内的压力，通常汽油机配置3个活塞环（气环2+油环1），大型柴油机配置4个活塞环（气环3+油环1）。活塞环为了插入活塞上和对应热膨胀处于断开状态，且其直径比气缸直径稍大。插入活塞上后，在自身张力的作用下与气缸壁表面密切配合，并在活塞环槽中旋转，以防活塞环黏附。活塞环的材质使用耐磨性强、强度和弹性等满足要求的特殊钢。

第一道环为了防止燃烧气体的泄漏，其张力大于或等于燃烧压力；第二道环的张力稍小；第三道的油环张力更小。油环设计为刮集润滑油使其进入活塞环半径方向的润滑油通道中。

活塞环的作用如下：

①气环密封活塞与气缸套之间的间隙，以保持气体压力，最小化窜气量。

图9-8 活塞主要部位

②支撑活塞作用在气缸壁的作用力，并对气缸壁表面进行适当的润滑，同时防止润滑油进入燃烧室。

③把活塞的热量传递到气缸壁，以调节活塞的温度。

活塞环区和活塞裙部为支承负荷的表面，其作用是控制活塞在气缸内径中始终处于适当的位置。

1.活塞环的油膜厚度

活塞系统摩擦受活塞环的支配。活塞环的润滑状态如图9-9所示。活塞环的作用力随时间（或曲轴角度）发生变化，尤其是活塞环表面的几何学形状，即使它发生微量的变化，对计算的结果也会有相当大的影响，因此以流体动力学分析气环的作用难度很大。活塞环的几何学形状和作用力如图9-9所示。作用力可以分为半径方向的作用力和轴向力。半径方向的作用力有，作用在活塞环背部的气体压力p₁、活塞环的弹性张力T、油膜的压力p和活塞环槽与活塞环之间的摩擦力F_f。轴向作用力有，作用在活塞环上部的气缸内气体压力∑_p1A、活塞环轴向反作用力R_f、活塞环重量mg、活塞环密封惯性力I、油膜剪应力作用下的黏性摩擦力F_ν和作用在活塞环底部的气体压力p₂。

活塞环槽内的活塞环位置由作用在活塞环上的轴向力平衡来决定的。这是因为半径方向的活塞环张力要足够大，才能克服半径方向的作用力紧密配合在气缸壁表面上。轴向力的平衡式为

R_f=∑_p1A-F_ν-mg-I-p₂ （9.28）

图9-9 气环周围的润滑状态

在上述平衡式中最重要的是气缸内的气体压力p_c。作为发动机负荷和速度的函数，其位置不仅随曲轴角度变化，还随活塞上升、下降方向的改变而发生变化。图9-9b所示为做功过程末期油膜的压力分布发生倒转的现象。这可能会成为活塞环移动到环槽的上部或产生上下振动的颤抖现象的原因。润滑膜内的压力随活塞环的向下移动，A与B之间产生的油压分布如图9-9所示。这表示了B与C之间的压力降低，并发生气穴之后压力上升到p₁。活塞移动方向相反时，C-B为产生压力的区域。

直喷式柴油机第一道气环油膜厚度的测量结果和理论值如图9-10所示。燃烧期间，油膜厚度在上止点处为最薄，为1～2μm。这是因气缸壁表面在高温作用下处于低黏度状态，以及高气体压力和低活塞速度所致。在做功过程期间，活塞环的负荷减小，活塞的速度增加，油膜厚度逐步增加直到活塞速度达到最大，其后开始减小直到下止点（BDC）为止。在中间行程位置油膜厚度较厚的理由是，依赖于活塞速度的流体动力学作用。下止点（BDC）的油膜厚度大于上止点（TDC），这是因为下止点（BDC）处的温度比上止点（TDC）处低，因此润滑油的黏度高，以及作用在活塞环的气体压力低。

图9-10 柴油机第一道气环的油膜厚度

如此，在一个循环期间油膜厚度的大变化，使活塞环的润滑在上止点附近成为边界润滑，在中间附近成为油膜润滑。即油膜厚度减小到1μm左右时，表面凸起部分开始接触气缸壁成为边界润滑。

2.活塞系统的摩擦力

测量活塞、活塞环摩擦力的例子如图9-11所示。摩擦力在气体压力小的条件下，油膜润滑特性在压缩过程中间开始增大。但是，在气体压力（负荷）大的条件下，从压缩过程的上止点附近开始直到经过做功过程的中间摩擦力均较大。这是因为做功过程初期在燃烧气体的高压力作用下，对活塞环的高负荷影响较大。因此在压缩过程上止点附近成为边界润滑。

3.活塞系统的供油

对活塞系统的供油有如下的方法，如图9-12所示。

①通过在连杆大头部位上加工的小孔，间歇向气缸壁喷射润滑油的供油：40～60mL/min。

②通过轴承飞散的润滑油喷溅到气缸壁的供油：约10mL/min。

③通过连杆内部通道向连杆小头的供油。

④通过固定润滑油喷嘴喷射润滑油冷却活塞的供油：1～3L/min。

汽油机主要使用①、②类型，也有某些发动机仅使用②类型。③类型主要使用在赛车用发动机（汽油机或柴油机）的活塞冷却上。