汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)*

孫長(zhǎng)勇，徐長(zhǎng)釗，王學(xué)軍

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汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)*

孫長(zhǎng)勇，徐長(zhǎng)釗，王學(xué)軍

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

目前應(yīng)用到交通、農(nóng)業(yè)、電力等行業(yè)較為廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)，在制造、生產(chǎn)使用和維護(hù)中，相對(duì)滑動(dòng)部件摩擦力造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，因此針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)潤(rùn)滑性能和結(jié)構(gòu)改良的研究探索，一直是汽車(chē)研發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)改良；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的意義

隨著我國(guó)生活水平的不斷提高，汽車(chē)的保有量也不斷增加，同時(shí)汽車(chē)燃油消耗占到我國(guó)石油消耗的三分之一以上，那么汽車(chē)排放的有害物質(zhì)也不斷增加。目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)城市的空氣污染是汽車(chē)的排放物，其占到全部污染源的七成以上，所以嚴(yán)格控制汽車(chē)尾氣有害物質(zhì)的排放是治理空氣污染的當(dāng)務(wù)之急。因此，針對(duì)汽車(chē)排放而環(huán)境保護(hù)的新的標(biāo)準(zhǔn)要求，是我們不斷追求的目標(biāo)。近年來(lái)，我國(guó)解決汽車(chē)有害物質(zhì)的排放的方法目前是發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)凈化和外凈化、保證燃油的品質(zhì)等，效果還是比較有效的。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，具有較好動(dòng)力性、適用范圍較大、熱效率較高、便于使用和易維修的內(nèi)燃機(jī)是當(dāng)前最主要的動(dòng)力源，主要應(yīng)用到交通、農(nóng)業(yè)、電力等行業(yè)。所以不斷降低內(nèi)燃機(jī)相互摩擦表面之間的摩擦消耗，能更好的降低燃油耗損，提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，同時(shí)降低了內(nèi)燃機(jī)的有害物質(zhì)的排放。當(dāng)前汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高活塞環(huán)的耐磨和強(qiáng)度的需求，對(duì)本身機(jī)械部件的技術(shù)要求越來(lái)越高，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率就越高，燃油消耗率就越低，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和降低了維修的成本、時(shí)間。

截止2018年的下半年，我國(guó)應(yīng)用最廣泛的交通運(yùn)輸業(yè)內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛達(dá)到了驚人的3.22億多，假如降低內(nèi)燃機(jī)相互運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦力，將對(duì)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)意想不到的效果。在相對(duì)惡劣的環(huán)境下，作為占內(nèi)燃機(jī)摩擦消耗百分之五十左右的活塞環(huán)-缸套，機(jī)械摩擦和熱負(fù)荷較為嚴(yán)重，并且相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的摩擦消耗損失占活塞組-缸套摩擦的百分之六十左右。隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)體積和功率要求不斷提高的時(shí)代，同時(shí)國(guó)家對(duì)節(jié)能降耗提出新的指示，研究氣缸套與活塞環(huán)之間的潤(rùn)滑性是重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的現(xiàn)狀

目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)第一道活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)型式基本采用矩形環(huán)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也是采用同樣的結(jié)構(gòu)形式。在歐洲汽油機(jī)轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)百分之三十左右為降低潤(rùn)滑油的消耗率，相互運(yùn)動(dòng)的表面不但采用單邊鼓形度，而且具有錐形度，而轎車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)百分之三十采用雙梯形環(huán)。且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑加大的要求，降低燃燒側(cè)影響采用雙梯形環(huán)的越來(lái)越多了。

相對(duì)耐磨性來(lái)說(shuō)，GDC相互運(yùn)動(dòng)摩擦面鍍層的磨損是比較小的。由于對(duì)熱負(fù)荷、抗燒力需求較高的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，鉻氮和氮化鋼環(huán)不能很好的保證正常運(yùn)行工作。CKS表面鍍層能大量成批生產(chǎn)，并通過(guò)GDC來(lái)增大CKS使用地方。能保證功能可靠的氮化鋼環(huán)，在歐洲汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上使用非常廣泛。為了保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的耐磨、抗燒損和可靠，CKS鍍層的可以正常滿足，而等離子鍍層雖然有抗燒損的功能，但是卻造成了很明顯的氣缸套楔形的磨損。

在2009年，國(guó)內(nèi)的科學(xué)家符永宏等研究創(chuàng)立了表面微凹分析模型計(jì)算技術(shù)，細(xì)致研究了表面凹坑參數(shù)對(duì)相對(duì)滑動(dòng)的不同粗糙度表面潤(rùn)滑效果的影響。隨后科研研究人員周龍等分析研究了發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在相對(duì)滑動(dòng)表面運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量熱在傳遞的作用，詳細(xì)分析了活塞環(huán)—缸套之間相對(duì)滑動(dòng)表面之間的非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。在2012年時(shí)，研究專(zhuān)家Arumugam等通過(guò)試驗(yàn)針對(duì)不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在活塞環(huán)—缸套相對(duì)滑動(dòng)表面的潤(rùn)滑影響，證實(shí)了原來(lái)潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑影響低于新型生物潤(rùn)滑油。其他的國(guó)內(nèi)科學(xué)家采用桶面環(huán)加錐面環(huán)的形式對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，還設(shè)計(jì)有上下兩環(huán)疊加的組合設(shè)計(jì)，截面采用楔形結(jié)構(gòu)封口疊加的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)都大大的增加了活塞環(huán)的密封性和布油能力。

3 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)大都采用電化學(xué)鍍層處理、熱噴鍍鍍層處理和PVD鍍層處理等。但為了不斷適應(yīng)提出的減小潤(rùn)滑油消耗率和曲軸箱通風(fēng)量，那應(yīng)使用較強(qiáng)較好具有合理形式的發(fā)動(dòng)機(jī)F0活塞環(huán)。

在今后的科研發(fā)展中，內(nèi)燃機(jī)的輸出功率與熱量負(fù)荷還將要不斷提高，不但發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)生產(chǎn)材料的硬度和耐磨也需改善，其結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝還要不斷研究探索。未來(lái)側(cè)面強(qiáng)化是內(nèi)燃機(jī)必須達(dá)到的要求，例如在重型內(nèi)燃機(jī)側(cè)面上鍍鉻，成功的證實(shí)了強(qiáng)化后的可靠性和穩(wěn)定性，所以傳統(tǒng)制造工藝必將拋棄，新的鍍層方法將被使用和推廣。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)以后的研究方向是高效率動(dòng)力輸出、較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和保護(hù)環(huán)境為基礎(chǔ)，所以就要求活塞環(huán)具有較強(qiáng)的工作性能、質(zhì)量更輕與較低摩擦損害。而對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞汽環(huán)而言，用復(fù)合材料能很好地適應(yīng)未來(lái)內(nèi)燃機(jī)的高爆發(fā)壓力、高耐磨性能的高標(biāo)準(zhǔn)要求。未來(lái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)第一道活塞氣環(huán)，不光是目前的應(yīng)用鑄鐵材料之外，特種鋼材料也將得到快速和全面的應(yīng)用和發(fā)展。

4 總結(jié)

從上述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，活塞環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化和新型材料研發(fā)是潤(rùn)滑性能研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，其應(yīng)用將會(huì)使內(nèi)燃機(jī)互相運(yùn)動(dòng)接觸表面之間的潤(rùn)滑性能也隨之提高。所以?xún)?nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑的形態(tài)對(duì)活塞環(huán)的磨損有很大的影響,也就是說(shuō)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的磨損程度與內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑狀態(tài)有很大關(guān)系。因此對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)技術(shù)的改良，在很大程度上說(shuō)是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是國(guó)內(nèi)外科學(xué)專(zhuān)家研究的課題。不斷優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)和基礎(chǔ)材料，能更好的使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到更高、更好、更理想的工作狀態(tài)。

[1] Charles P., El fassi M.,Lubrecht A.A.Double-Newtonisnrheology in a model pistion-ring-wall contact[J].Tribology International,2010,43 (10):1902-1907.

[2] Arumugam S.,Sriram G. Effect of bio-lubricant and biodesel-cont aminated lubricant on tribological behavior of cylinder liner-piston ring combination[J].Tribology Transactions,2012,55(4):438-445.

[3] 符永宏等.微造型活塞環(huán)表面的潤(rùn)滑性能數(shù)值分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2009,27(2):180-185.

[4] 周龍.活塞組-氣缸套傳熱潤(rùn)滑摩擦耦合機(jī)理研究[D].大連:大連理工大學(xué),2011.

Present Situation and Development Trend of Piston Gas Ring StructureImprovement of Automobile Engine*

Sun Changyong, Xu Changzhao, Wang Xuejun

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

At present, the engine is widely used in transportation, agriculture, power and other industries. In the manufacture, production, use and maintenance, the relative friction of sliding parts causes great economic losses and environmental pollution. Therefore, the research and Exploration on lubrication performance and structure improvement of piston ring of automobile engine has always been the focus of automobile research and development.

structural improvement; current situation; development trend

U464.2

A

1671-7988 (2019) 09-230-02

U464.2

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1671-7988(2019)09-230-02

孫長(zhǎng)勇（1982-），男，工程師，就職于山東華宇工學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，從事汽車(chē)?yán)碚撆c實(shí)踐教學(xué)、汽車(chē)改裝技術(shù)等研究工作。

2017年山東華宇工學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞氣環(huán)結(jié)構(gòu)改良的技術(shù)研究》（項(xiàng)目編號(hào)2017KJ04）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.077