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(jī)活塞環(huán)閉口間隙對(duì)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(jī)的幾個(gè)常見(jiàn)的失效模式之一，主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)磨合初期，且拉缸初期不易被察覺(jué)。一旦拉缸程度惡化，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能，嚴(yán)重的還會(huì)造成交通隱患。主要介紹了柴油機(jī)活塞環(huán)閉口間隙，在發(fā)動(dòng)機(jī)磨合初期對(duì)于拉缸的影響，并就此提出預(yù)防措施，以供借鑒。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞環(huán)；拉缸；預(yù)防措施

柴油機(jī)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(jìn)而在缸壁上留下拉傷的一種失效模式。根據(jù)缸壁損傷的程度，可以分成擦傷、劃傷、咬傷和咬死四個(gè)程度，正常情況下，在出現(xiàn)擦傷后，如果不采取維修措施，隨著使用時(shí)間的遞增，缸壁的損傷程度會(huì)逐漸增大，直至出現(xiàn)咬傷或咬死才會(huì)被使用者發(fā)現(xiàn)。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的選擇不恰當(dāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的幾率在磨合初期出現(xiàn)缸壁擦傷或者劃傷，此時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較小，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)流入市場(chǎng)，隨著使用時(shí)間的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)持續(xù)下降，直到發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)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(dāng)造成柴油機(jī)拉缸的失效機(jī)理，為后續(xù)出現(xiàn)類似問(wèn)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(jī)理

在將活塞環(huán)裝配到氣缸內(nèi)時(shí)，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(shí)，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(guò)小，在活塞環(huán)受熱之后，兩個(gè)尾端會(huì)碰到甚至是擠壓，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞環(huán)在閉口處會(huì)受到與活塞運(yùn)動(dòng)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(duì)缸壁施加的力過(guò)大，會(huì)破壞活塞環(huán)與缸壁之間的油膜，二者在潤(rùn)滑不足的情況下相互運(yùn)動(dòng)，造成缸壁拉傷。

圖2 活塞環(huán)閉口端接觸后對(duì)缸壁施加的力

2 如何選擇活塞環(huán)閉口間隙大小來(lái)避免拉缸

分析了活塞環(huán)閉口間隙過(guò)小造成拉缸的原理以后，在進(jìn)行新活塞環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，也不能一味的增大活塞環(huán)閉口間隙來(lái)避免拉缸。如果活塞環(huán)的閉口間隙過(guò)大，根據(jù)不同的環(huán)，會(huì)造成不一樣的其他影響。針對(duì)第一道環(huán)（一般是密封高壓氣體）閉口間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性變差，機(jī)油使用壽命變短；針對(duì)第二道環(huán)，閉口間隙過(guò)大，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗過(guò)大；針對(duì)第三道環(huán)，閉口間隙過(guò)大會(huì)影響整個(gè)缸壁的潤(rùn)滑效果，但是影響程度相對(duì)前面兩道環(huán)來(lái)說(shuō)要小很多。

在選擇合適的活塞環(huán)閉口間隙的時(shí)候，還需要綜合考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力。過(guò)大的一環(huán)活塞環(huán)（氣環(huán)）閉口間隙，會(huì)造成氣缸內(nèi)燃燒的高壓高溫氣體泄漏到曲軸箱的量過(guò)大。如此會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性不好，發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑機(jī)油中煙灰的含量迅速增加，影響機(jī)油性能和使用壽命。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率。過(guò)大的第二活塞環(huán)（刮油環(huán)）閉口間隙，會(huì)造成二環(huán)的刮油能力下降，無(wú)法完全將缸壁上的殘留機(jī)油刮下。如此發(fā)動(dòng)機(jī)的少部分機(jī)油會(huì)進(jìn)入燃燒室參與燃燒，造成活塞積炭和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗高。

在進(jìn)行柴油機(jī)活塞環(huán)閉口間隙設(shè)計(jì)的時(shí)候，其最小間隙必須大于以下計(jì)算值：

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

對(duì)于合金鑄鐵材料的活塞環(huán)，將邊界數(shù)據(jù)帶入式（1），可得到以下經(jīng)驗(yàn)公式

設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到第一道環(huán)的氣密要求，有些設(shè)計(jì)師會(huì)將第二道環(huán)的間隙設(shè)計(jì)得比第一道環(huán)的間隙稍微大一點(diǎn)，但是最大不應(yīng)比第一道環(huán)大超過(guò)1 mm，主要是考慮到機(jī)油消耗的原因，如果第二道環(huán)間隙過(guò)大，勢(shì)必造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率過(guò)大，達(dá)不到主機(jī)廠的機(jī)油消耗要求。同時(shí)，過(guò)多的機(jī)油竄入到燃燒室當(dāng)中，也有可能會(huì)加大活塞環(huán)岸積碳，一旦活塞環(huán)岸積碳達(dá)到一定程度，也會(huì)造成活塞環(huán)拉缸。

以某品牌C平臺(tái)9.3 L直列6缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該發(fā)動(dòng)機(jī)使用的為球墨鑄鐵活塞環(huán)，可以使用公式（1）核算該設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)信息如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率：162 kW/2 200 rpm

發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩：890 N·m/1 350 rpm

發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑：114 mm

將其帶入式（1）可得：

Smin=0.57 mm

在該發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)活塞環(huán)拉缸失效時(shí)，進(jìn)行第一道活塞環(huán)End Butting（活塞環(huán)閉口碰撞試驗(yàn)）時(shí)的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所列。

表19 .3L End Butting試驗(yàn)觀察結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

活塞環(huán)閉口間隙過(guò)小，會(huì)造成活塞環(huán)在受熱后在閉口處接觸擠壓，同時(shí)對(duì)缸壁施加較大的應(yīng)力，導(dǎo)致施加應(yīng)力處的油膜遭到破壞，最終導(dǎo)致拉缸的發(fā)生。在這種失效模式下，可以參照式（1）的計(jì)算方式檢驗(yàn)活塞環(huán)間隙是否合理，并計(jì)算得到合適的活塞環(huán)閉口間隙。

[1]徐高紅.淺析發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)間隙[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2011，47（2）：79-81.

[2]楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)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(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作