柴油機活塞環(huán)閉口間隙對拉缸的影響

孟憲晴，徐莉

（1.柳州上汽變速器有限公司柳東分公司，廣西柳州545007；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

柴油機活塞環(huán)閉口間隙對拉缸的影響

孟憲晴1，徐莉2

（1.柳州上汽變速器有限公司柳東分公司，廣西柳州545007；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

汽缸拉缸是直噴式渦輪增壓柴油機的幾個常見的失效模式之一，主要發(fā)生在發(fā)動機磨合初期，且拉缸初期不易被察覺。一旦拉缸程度惡化，會嚴重影響發(fā)動機的使用性能，嚴重的還會造成交通隱患。主要介紹了柴油機活塞環(huán)閉口間隙，在發(fā)動機磨合初期對于拉缸的影響，并就此提出預防措施，以供借鑒。

柴油發(fā)動機；活塞環(huán)；拉缸；預防措施

柴油機拉缸，是指活塞或活塞環(huán)與缸壁之間發(fā)生不正常摩擦，進而在缸壁上留下拉傷的一種失效模式。根據缸壁損傷的程度，可以分成擦傷、劃傷、咬傷和咬死四個程度，正常情況下，在出現擦傷后，如果不采取維修措施，隨著使用時間的遞增，缸壁的損傷程度會逐漸增大，直至出現咬傷或咬死才會被使用者發(fā)現。

如果發(fā)動機活塞環(huán)的選擇不恰當，發(fā)動機有很大的幾率在磨合初期出現缸壁擦傷或者劃傷，此時對發(fā)動機的性能影響較小，無法及時發(fā)現。一旦發(fā)動機流入市場，隨著使用時間的增加，發(fā)動機性能會持續(xù)下降，直到發(fā)動機無法繼續(xù)使用。本文主要解析了活塞環(huán)閉口間隙選擇不當造成柴油機拉缸的失效機理，為后續(xù)出現類似問題提供解決方案的參考。

1 活塞環(huán)閉口間隙不合適造成拉缸的失效機理

在將活塞環(huán)裝配到氣缸內時，活塞環(huán)的開口處存在著一定的間隙，此間隙的作用為活塞環(huán)在受熱膨脹時，有一定的余量防止活塞環(huán)的末端互相接觸。如圖1所示。

圖1 活塞環(huán)閉口間隙圖例

如果閉口間隙過小，在活塞環(huán)受熱之后，兩個尾端會碰到甚至是擠壓，這時發(fā)動機在運轉時，活塞環(huán)在閉口處會受到與活塞運動軸線垂直，面向缸壁的力，如圖2所示。這種情況下，閉口部分對缸壁施加的力過大，會破壞活塞環(huán)與缸壁之間的油膜，二者在潤滑不足的情況下相互運動，造成缸壁拉傷。

圖2 活塞環(huán)閉口端接觸后對缸壁施加的力

2 如何選擇活塞環(huán)閉口間隙大小來避免拉缸

分析了活塞環(huán)閉口間隙過小造成拉缸的原理以后，在進行新活塞環(huán)設計時，也不能一味的增大活塞環(huán)閉口間隙來避免拉缸。如果活塞環(huán)的閉口間隙過大，根據不同的環(huán)，會造成不一樣的其他影響。針對第一道環(huán)（一般是密封高壓氣體）閉口間隙過大，會導致發(fā)動機燃油經濟性變差，機油使用壽命變短；針對第二道環(huán)，閉口間隙過大，會造成發(fā)動機機油消耗過大；針對第三道環(huán)，閉口間隙過大會影響整個缸壁的潤滑效果，但是影響程度相對前面兩道環(huán)來說要小很多。

在選擇合適的活塞環(huán)閉口間隙的時候，還需要綜合考慮以下幾個參數：

（1）發(fā)動機曲軸箱壓力。過大的一環(huán)活塞環(huán)（氣環(huán)）閉口間隙，會造成氣缸內燃燒的高壓高溫氣體泄漏到曲軸箱的量過大。如此會造成發(fā)動機燃油經濟性不好，發(fā)動機的潤滑機油中煙灰的含量迅速增加，影響機油性能和使用壽命。

（2）發(fā)動機機油消耗率。過大的第二活塞環(huán)（刮油環(huán)）閉口間隙，會造成二環(huán)的刮油能力下降，無法完全將缸壁上的殘留機油刮下。如此發(fā)動機的少部分機油會進入燃燒室參與燃燒，造成活塞積炭和發(fā)動機機油消耗高。

在進行柴油機活塞環(huán)閉口間隙設計的時候，其最小間隙必須大于以下計算值：

其中：d1為缸徑（mm）；a為熱膨脹系數，隨材質變化，常用的合金鑄鐵的熱膨脹系數a=1.2×10-5mm/℃；△t為溫差，一般氣環(huán)為150℃.

對于合金鑄鐵材料的活塞環(huán)，將邊界數據帶入式（1），可得到以下經驗公式

設計時，考慮到第一道環(huán)的氣密要求，有些設計師會將第二道環(huán)的間隙設計得比第一道環(huán)的間隙稍微大一點，但是最大不應比第一道環(huán)大超過1 mm，主要是考慮到機油消耗的原因，如果第二道環(huán)間隙過大，勢必造成發(fā)動機機油消耗率過大，達不到主機廠的機油消耗要求。同時，過多的機油竄入到燃燒室當中，也有可能會加大活塞環(huán)岸積碳，一旦活塞環(huán)岸積碳達到一定程度，也會造成活塞環(huán)拉缸。

以某品牌C平臺9.3 L直列6缸柴油發(fā)動機為例，該發(fā)動機使用的為球墨鑄鐵活塞環(huán)，可以使用公式（1）核算該設計數據，發(fā)動機相關參數信息如下：

發(fā)動機最大功率：162 kW/2 200 rpm

發(fā)動機最大扭矩：890 N·m/1 350 rpm

發(fā)動機缸徑：114 mm

將其帶入式（1）可得：

Smin=0.57 mm

在該發(fā)動機出現活塞環(huán)拉缸失效時，進行第一道活塞環(huán)End Butting（活塞環(huán)閉口碰撞試驗）時的對比數據如表1所列。

表19 .3L End Butting試驗觀察結果

3 結束語

活塞環(huán)閉口間隙過小，會造成活塞環(huán)在受熱后在閉口處接觸擠壓，同時對缸壁施加較大的應力，導致施加應力處的油膜遭到破壞，最終導致拉缸的發(fā)生。在這種失效模式下，可以參照式（1）的計算方式檢驗活塞環(huán)間隙是否合理，并計算得到合適的活塞環(huán)閉口間隙。

[1]徐高紅.淺析發(fā)動機活塞環(huán)間隙[J].內燃機學報，2011，47（2）：79-81.

[2]楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業(yè)出版社，1981.

Influence of Clearance on the Cylinder of Diesel Engine Piston Ring End

MENG Xian-qing1，XU Li2

（1.Liuzhou transmission Co.，Ltd.，Liu Dong branch，Liuzhou Guangxi 545007，China；2.SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Cylinder scuffing is one of several common failure modes of direct injection turbo charged，mainly occurs in the early of running-in period.Cylinder scuffing is not easy to be detected at preliminary stage.Once the cylinder scuffing is worsening，it will seriously affect the engine performance，even cause the traffic hidden trouble.This paper mainly introduces the closed clearance of diesel engine piston ring and its effect produced on thecylinder scuffing at the beginning of runningin period，and puts forward the prevention measures for reference.

diesel engine；piston ring；scuffing；preventive

TK428

A

1672-545X（2017）03-0192-02

2016-12-29

孟憲晴（1987-），男，廣西資源縣人，助理工程師，本科，主要從事柴油發(fā)動機零部件結構開發(fā)和可靠性管理；徐莉（1986-），女，江蘇沛縣人，助理工程師，本科，主要從事汽油發(fā)動機結構設計工作