趙世來(lái)，宮曉娥，張治國(guó)

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

一種缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的設(shè)計(jì)

趙世來(lái)，宮曉娥，張治國(guó)

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)是現(xiàn)發(fā)展的主流。活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)中一種關(guān)鍵的零件，它直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量和機(jī)油消耗量，這些參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能起著關(guān)鍵性的作用。詳細(xì)地闡述一下現(xiàn)階段活塞環(huán)的設(shè)計(jì)方法和表面處理技術(shù)。

缸內(nèi)直噴；發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞環(huán)

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-80-03

前言

近些年油價(jià)不斷飆升，汽車(chē)油耗問(wèn)題也愈發(fā)突出，在這一方面，很多知名大公司率先做出了表帥，深研自己發(fā)動(dòng)機(jī)的潛能，采用新技術(shù)，在燃油上，最大限度的為車(chē)主節(jié)省支出，節(jié)能減排。這些公司對(duì)自己旗下的一些新車(chē)型所配用的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始采用缸內(nèi)直噴（gasoline direct-Injection，直噴）技術(shù)，現(xiàn)在中國(guó)市場(chǎng)上，只有這些大公司已經(jīng)推出了此項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)大批量生產(chǎn)，自主品牌都在研發(fā)期間，只有幾家已經(jīng)上市，單產(chǎn)量比不是很多，這種技術(shù)在將來(lái)3年內(nèi)得到全面普及。很多缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)都是在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)的。這里介紹一下缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的設(shè)計(jì)方法，具體包括材料選擇，結(jié)構(gòu)型式，彈力，工作間隙，表面處理等。這些信息希望在今后設(shè)計(jì)中對(duì)大家有所幫助。

1 材料的選擇

盡管增壓汽油機(jī)的爆發(fā)壓力和熱負(fù)荷都高于自然吸氣汽油機(jī)的爆發(fā)壓力和熱負(fù)荷，但較柴油機(jī)乃至增壓柴油機(jī)而言，還是低一些，所以能用于柴油機(jī)活塞環(huán)的材料，均可以用于汽油機(jī)活塞環(huán)。而柴油機(jī)第一道氣環(huán)的材料大部分采用球墨鑄鐵（主要考慮便于加工）和鋼質(zhì)材料；第二道氣環(huán)一般采用合金鑄鐵材料，也有采用球墨鑄鐵材料；螺旋撐簧油環(huán)（兩片式），采用合金鑄鐵材料，鋼帶組合油環(huán)采用鋼質(zhì)材料[1]?？梢钥闯?，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)在本材選擇上基本沒(méi)有多大變化，汽油機(jī)第一道環(huán)的環(huán)高較柴油機(jī)的要薄一些，現(xiàn)狀一般在1.2～1.3mm。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)，要求具有適當(dāng)?shù)膹椓?，較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，加工簡(jiǎn)單，成本低廉[2]。正確選擇截面形狀、間隙、彈力

2.1 結(jié)構(gòu)選擇

直噴發(fā)動(dòng)機(jī)第一道氣環(huán)采用桶面矩形環(huán)，第二道氣環(huán)采用外切扭曲矩形環(huán)，第三道環(huán)采用鋼帶組合油環(huán)或螺旋撐簧油環(huán)。開(kāi)口形狀有三種：直切口、斜切口、和搭疊式切口，其中應(yīng)用最廣泛的是直切口[3]。

介紹一下一款量產(chǎn)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的具體結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 環(huán)組的結(jié)構(gòu)型式

2.2 彈力（或稱張力）計(jì)算

直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的設(shè)計(jì)也是遵從活塞環(huán)基本設(shè)計(jì)理論?；钊h(huán)彈力是根據(jù)面壓計(jì)算得到的。

彈力計(jì)算公式：

彈力公差按GB/T 1149標(biāo)準(zhǔn)及JIS B 8032標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：Ft≤10N時(shí)，公差為±30%；Ft≥10N時(shí)，公差為±20%。直噴發(fā)動(dòng)機(jī)面壓水平普遍高于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，一般氣環(huán)面壓水平在150KPa～220KPa，油環(huán)面壓水平在800KPa～1200KPa。

例如：一款φ76.5缸徑的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，各道環(huán)彈力情況計(jì)算如下：

第一道氣環(huán)：面壓取200KPa，環(huán)高1.2mm，通過(guò)公式計(jì)算：彈力中值為9.2N，按30%公差設(shè)定上下限，6.4N～12.0N。

第二道氣環(huán)：面壓取170KPa，環(huán)高1.2mm，通過(guò)公式計(jì)算：彈力中值為7.8N，按30%公差設(shè)定上下限，5.5N～10.2N

油環(huán)：面壓取1000KPa，刮片高0.44，算，彈力中值為34.5N，按20%公差設(shè)定上下限，27.6N～41.4N

2.3 間隙合理選擇

1）工作間隙

活塞環(huán)工作間隙是活塞環(huán)在工作狀態(tài)下的間隙，一般在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)中測(cè)量。工作間隙不僅要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)確定，而且還要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。

最小工作間隙計(jì)算公式：

Smin=熱膨脹系數(shù)×π×缸徑×△T℃

△T—活塞環(huán)溫度變化值；一般都是采用70℃

例如：一款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，各道環(huán)工作間隙：

第一道環(huán)：Smin=10.8×10-6×76.5×70=0.18；最后工作間隙定為0.2～0.35mm

第二道環(huán)：Smin=12×10-6×76.5×70=0.2；通常第二道氣環(huán)間隙下限≥第一道氣環(huán)上限，目的起泄壓作用，這樣一環(huán)上下面產(chǎn)生壓力差，使得一環(huán)很好的帖服在環(huán)槽底面，避免第一道氣環(huán)懸浮，最終減少活塞漏氣量。最后工作間隙定為0.4～0.6mm，此間隙就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果而確定的。

油環(huán)：缸徑100mm以下的鋼帶組合油環(huán)工作間隙都是0.2～0.7mm。

2）側(cè)隙

合理的選用側(cè)隙和背隙，可以避免拉缸的風(fēng)險(xiǎn)。

側(cè)隙一般尺寸范圍：第一氣環(huán)：0.03～0.09mm；第二氣環(huán)：0.02～0.08mm；油環(huán)總成：0.03～0.18mm。

圖2 側(cè)隙與背隙

3）背隙

背隙計(jì)算公式：

Dn =[D-2(T+N)]±0.1

Dn—活塞環(huán)的環(huán)槽底徑，單位為mm

D—公稱直徑，單位為mm

T—活塞環(huán)徑向厚度，單位為mm

背隙的經(jīng)驗(yàn)值，第一氣環(huán)為0.4～1.05mm；第二氣環(huán)為0.4～1.10mm；鋼帶組合油環(huán)為0.45～1.10mm；螺旋撐簧組合油環(huán)為0.5～0.7mm。

3 表面處理

直噴發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃油系統(tǒng)直接噴入燃燒室內(nèi)，必然會(huì)有部分燃油顆粒噴射到汽缸壁上。這樣一來(lái)，噴射到缸壁上的汽油就是溶劑，會(huì)直接對(duì)附著在缸壁上的機(jī)油進(jìn)行稀釋，導(dǎo)致最直接的后果加劇了第一道環(huán)在上止點(diǎn)時(shí)潤(rùn)滑不足，很容易導(dǎo)致活塞環(huán)外圓面和缸壁之間在上止點(diǎn)附近產(chǎn)生干摩擦，不僅會(huì)加速這對(duì)摩擦副之間的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生拉缸。目前，外圓面采用氮化鉻和類晶剛石涂層都能很好解決嚴(yán)重磨耗的問(wèn)題。

活塞環(huán)表面處理涂層主要有滲氮層、磷化層、氮化鉻層，復(fù)合電鍍層、類金剛石鍍層（Diamond-like carbon,DLC）等等。表面處理的主要目的是提高活塞環(huán)的耐磨性，抗粘著性，從而保證整機(jī)的耐久壽命要求。

其中外表面氮化鉻涂層，是利用物理氣相沉積技術(shù)（Physical Vapor Deposition,PVD)處理，通過(guò)電鍍方式來(lái)完成的，具有良好的耐磨性和抗燒結(jié)性。這種涂層目前在市場(chǎng)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用。金相組織，如圖3所示。

圖3 金相組織

外表面采用類金剛石涂層(DLC),DLC涂層的方法分為物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）法。這里氣環(huán)表面就是在PVD方法中，利用陰極電弧離子噴鍍法形成不含氫，但硬度接近金剛石的四面體非晶碳涂層，還得利用濺射法形成含氫的氫化非晶碳涂層，以及非晶碳涂層。

單純從技術(shù)本身來(lái)說(shuō)， DLC技術(shù)還不是很成熟，很多公司都在試驗(yàn)階段，沒(méi)有大規(guī)模的投放到市場(chǎng)，所以暫時(shí)不推薦使用。

以一款市場(chǎng)上某量產(chǎn)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)為例，進(jìn)行介紹：

第一道氣環(huán)：滲氮+氮化鉻（PVD方法），首先對(duì)環(huán)體進(jìn)行滲氮處理，其中外圓面為工作面，然后利用PVD方法對(duì)外端面進(jìn)行氮化鉻處理，側(cè)面滲氮涂層僅能滿足普通增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，無(wú)法滿足直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，采用滲氮和氮化鉻（PVD方法）相結(jié)合的涂層，其抗拉缸性和耐磨損性能比目前使用的滲氮層要好得很多，是未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的主流涂層。

第二道氣環(huán)：磷化處理，第二氣環(huán)工作環(huán)境不像第一氣環(huán)那么惡劣，能滿足直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

油環(huán)：第一代機(jī)型是采用螺旋撐簧油環(huán)，其外端面鍍層即為氮化層，但是第二代機(jī)型，為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)成本，油環(huán)改成鋼帶組合油環(huán)，其中刮片都是采用PVD處理的，PVD處理相對(duì)于氮化來(lái)說(shuō)，耐磨性更好些。

下面是某款款失敗案例，進(jìn)行一下闡述：

因直噴發(fā)動(dòng)機(jī)第一道環(huán)采用不銹鋼材料，進(jìn)行氮化處理，在做發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生拉缸現(xiàn)象，活塞環(huán)外圓面氮化層產(chǎn)生了龜裂和剝離，試驗(yàn)失敗。后來(lái)，外圓面采用PVD方法增加氮化鉻層，徹底解決嚴(yán)重磨耗的問(wèn)題。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

所有項(xiàng)目在批產(chǎn)之前，最少要順利通過(guò)兩輪400冷熱沖擊耐久試驗(yàn)和兩輪800小時(shí)耐久試驗(yàn)。耐久試驗(yàn)通過(guò)后，活塞漏氣量和機(jī)油消耗量滿足標(biāo)準(zhǔn)，才符合批產(chǎn)的條件。

5 結(jié)論

活塞環(huán)主要功能是起到氣體密封、控油、導(dǎo)熱和支撐功能等，活塞環(huán)在設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足上述功能。此外，還需要考慮降低活塞環(huán)和缸孔摩擦副之間的摩擦功損失，這些取決于缸孔、活塞等相關(guān)零件的本身特性?？傮w來(lái)講，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸代替氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)是當(dāng)今發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)于活塞環(huán)而言，主要在表面處理方法做文章，采用PVD技術(shù)，提高可靠性。

[1] 萬(wàn)欣,林大淵.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].天津∶天津大學(xué)出版社,1989.

[2] 蔣德明主編.高等內(nèi)燃機(jī)原理.西安：西安交通大學(xué)出版社,2002∶123-125.

[3] 袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2012.1.

The Engine Ring Design Of Direct Injection Cylinder

Zhao Shilai, Gong Xiaoer, Zhang Zhiguo
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

GDI is the mainstream of development. Piston ring is a kind of key parts of engine, It affects the air leakage and oil consumption of engine, These parameters on the engine performance play a key role. Expounded the design method of the piston ring and the surface treatment technology.

GDI; Engine; Piston ring

U462.1

A

1671-7988 (2017)13-80-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.025

趙世來(lái)，工程師，就職于華晨汽車(chē)工程研究院，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。