2.3.2 活塞環(huán)

活塞環(huán)主要可以分為氣環(huán)和油環(huán)兩種。

1.氣環(huán)的作用

氣環(huán)的作用是保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸中氣體大量漏入曲軸箱，同時(shí)還將活塞頂部的大部分熱量傳導(dǎo)到氣缸壁，再由冷卻液或空氣帶走。

2.油環(huán)的作用

油環(huán)的作用是刮去氣缸壁上多余的機(jī)油，并在氣缸壁面涂上一層均勻的機(jī)油膜，這樣既可以防止機(jī)油竄入氣缸燃燒，又可以減小活塞、活塞環(huán)與氣缸的摩擦阻力和磨損。此外，油環(huán)也起到密封的輔助作用。

3.活塞環(huán)的工作條件

活塞環(huán)工作時(shí)受到氣缸中高溫、高壓燃?xì)獾淖饔茫瑴囟容^高（尤其是第一環(huán)，溫度可達(dá)600K）。活塞環(huán)在氣缸內(nèi)作高速運(yùn)動(dòng)，加上高溫下部分機(jī)油出現(xiàn)變質(zhì)，使環(huán)的潤(rùn)滑條件變壞，難以保證液體潤(rùn)滑，因此磨損嚴(yán)重。

圖2-47 活塞環(huán)的間隙

1—活塞環(huán)處于工作狀態(tài)時(shí)形狀 2—活塞環(huán)處于自由狀態(tài)時(shí)形狀 3—工作面 4—內(nèi)表面 5—活塞 6—活塞環(huán) 7—?dú)飧?Δ₁—開口間隙 Δ₂—側(cè)隙 Δ₃—背隙 d—活塞環(huán)內(nèi)徑 B—活塞環(huán)寬度

4.活塞環(huán)的間隙

如圖2-47所示，活塞環(huán)會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與高溫氣體接觸將發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，而周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)又使其出現(xiàn)徑向張縮變形。因此，為了保證正常的工作，活塞環(huán)在氣缸內(nèi)應(yīng)該具有以下間隙：

1）端隙又稱開口間隙，是指活塞環(huán)在冷態(tài)下裝入氣缸后，該環(huán)在上止點(diǎn)時(shí)，環(huán)的兩端頭之間的間隙。一般為0.25～0.50mm。

2）側(cè)隙又稱邊隙，是指活塞環(huán)裝入或賽后，其側(cè)面與活塞環(huán)槽之間的間隙。第一道環(huán)因?yàn)楣ぷ鳒囟雀撸g隙較大，一般為0.04～0.10mm；其他環(huán)一般為0.03～0.07mm。油環(huán)側(cè)隙比氣環(huán)小。

3）背隙是指活塞環(huán)裝入氣缸后，活塞環(huán)內(nèi)圓柱面與活塞環(huán)槽底部間的間隙，一般為0.50～1.00mm。油環(huán)背隙較氣環(huán)大，有利于增大存油間隙，便于減壓泄油。

5.活塞環(huán)的泵油作用

由于側(cè)隙和背隙的存在，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞環(huán)便產(chǎn)生了泵油作用。其原因是：活塞下行時(shí)，環(huán)靠在環(huán)槽的上方，環(huán)從缸壁上刮下來(lái)的潤(rùn)滑油充入環(huán)槽下方，如圖2-48a所示；當(dāng)活塞上行時(shí)，環(huán)又靠在環(huán)槽的下方，同時(shí)將機(jī)油擠壓到環(huán)槽上方如圖2-48b所示。如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)，就將缸壁上的機(jī)油泵入燃燒室。

由于活塞環(huán)的泵油作用，使機(jī)油竄入燃燒室，會(huì)使燃燒室內(nèi)形成積炭和增加機(jī)油消耗，并且還可能在環(huán)槽（尤其是第一道氣環(huán)槽）中形成積炭，使環(huán)卡死，失去密封作用，甚至折斷活塞環(huán)。

6.氣環(huán)

（1）氣環(huán)的密封機(jī)理 活塞環(huán)有一個(gè)切口，且在自由狀態(tài)下不是圓環(huán)形，其外形尺寸比氣缸的內(nèi)徑大些，因此，它隨活塞一起裝入氣缸后，便產(chǎn)生彈力而緊貼在氣缸壁上。活塞環(huán)在燃?xì)鈮毫ψ饔孟拢瑝壕o在環(huán)槽的下端面上（圖2-49），于是燃?xì)獗憷@流到環(huán)的背面，并發(fā)生膨脹，其壓力下降。同時(shí)，燃?xì)鈮毫?duì)環(huán)背的作用力使環(huán)更緊地貼在氣缸壁上。壓力已有所降低的燃?xì)猓瑥牡谝坏罋猸h(huán)的切口漏到第二道氣環(huán)的上平面時(shí)，又把這道氣環(huán)壓貼在第二環(huán)槽的下端面上，于是，燃?xì)庥掷@流到這個(gè)環(huán)的背面，再發(fā)生膨脹，其壓力又進(jìn)一步降低。如此繼續(xù)進(jìn)行下去，從最后一道氣環(huán)漏出來(lái)的燃?xì)猓鋲毫土魉僖呀?jīng)大大減小，因而泄漏的燃?xì)饬恳簿秃苌倭恕Ｒ虼耍瑸閿?shù)很少的幾道切口相互錯(cuò)開的氣環(huán)所構(gòu)成的“迷宮式”封氣裝置，就足以對(duì)氣缸中的高壓燃?xì)膺M(jìn)行有效的密封。

圖2-48 活塞環(huán)的泵油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

圖2-49 活塞環(huán)密封原理

1—第一密封面 2—第二密封面 3—背壓力F₂ 4—活塞環(huán)自身彈力F₁

（2）氣環(huán)的切口 氣缸內(nèi)的燃?xì)饴┤肭S箱的主要通路是活塞環(huán)的切口，因此，切口的形狀和裝入氣缸后的間隙大小對(duì)于漏入曲軸箱的燃?xì)饬坑幸欢ǖ挠绊懀锌陂g隙過大，則漏氣嚴(yán)重，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率減小；間隙過小，活塞環(huán)受熱膨脹后就有可能卡死或折斷。切口間隙值一般為0.25～0.8mm。第一道氣環(huán)的溫度最高，因而其切口間隙值最大。氣環(huán)的切口形狀如圖2-50所示。直角形切口工藝性好（圖2-50a）；階梯形切口的密封性好，但工藝性較差（圖2-50b）；圖2-50c所示為斜切口，斜角一般為30°或45°，其密封作用和工藝性均介于前兩種之間，但其銳角部位在套裝入活塞時(shí)容易折損；圖2-50d所示為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的帶防轉(zhuǎn)銷釘槽的切口。壓配在活塞環(huán)槽中的銷釘，是用來(lái)防止活塞環(huán)在工作中繞活塞中心線轉(zhuǎn)動(dòng)的。

圖2-50 氣環(huán)的切口形狀

a）直角形 b）階梯形 c）斜口形 d）帶防轉(zhuǎn)銷釘槽形

（3）氣環(huán)斷面形狀

1）矩形環(huán)（圖2-51a）的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、散熱性好，廢品率低。缺點(diǎn)主要是有泵油作用，容易造成機(jī)油消耗量過大并有可能形成燃燒室積炭；另外，矩形環(huán)的刮油性、磨合性及密封性較差。現(xiàn)代汽車基本不采用。

2）錐面環(huán)（圖2-51b）的優(yōu)點(diǎn)是與氣缸壁的接觸為線接觸，密封和磨合性能較好，刮油作用明顯，容易形成油膜以改善潤(rùn)滑；缺點(diǎn)是傳熱性能較差。錐面環(huán)主要應(yīng)用在除第一道環(huán)外的其他環(huán)。

3）扭曲環(huán)（圖2-51c、d）是現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的一種活塞環(huán)，主要是因?yàn)榕でh(huán)除具有錐面環(huán)的優(yōu)點(diǎn)之外，還能減小泵油作用。減輕磨損、提高散熱性能。安裝扭曲環(huán)時(shí)應(yīng)特別注意：內(nèi)圓切槽向上，外圓切槽向下，不能裝反。

4）梯形環(huán)（圖2-51e）主要優(yōu)點(diǎn)是能把沉積在環(huán)槽中的結(jié)焦擠出，從而避免了活塞環(huán)被粘結(jié)而出現(xiàn)折斷，同時(shí)其密封性能優(yōu)越，使用壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)主要是上下兩端面的精磨工藝較復(fù)雜。梯形環(huán)在熱負(fù)荷較大的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上使用較多。

5）桶面環(huán)（圖2-51f）優(yōu)點(diǎn)是活塞的上下行程都可以形成楔形油膜改善潤(rùn)滑，對(duì)活塞在氣缸內(nèi)擺動(dòng)的適應(yīng)性好，接觸面積小，有利于密封；缺點(diǎn)是凸圓弧面加工困難，多用于強(qiáng)化柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的第一道環(huán)。

圖2-51 氣環(huán)的斷面形狀

a）矩形環(huán) b）錐面環(huán) c）正扭曲內(nèi)切環(huán) d）反扭曲錐面環(huán) e）梯形環(huán) f）桶面環(huán)

7.油環(huán)及其刮油作用

油環(huán)可以分為普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種。

1）普通油環(huán)（圖2-52a）又稱整體式油環(huán)。環(huán)的外圓柱面中間加工有凹槽，槽中鉆有小孔或開切槽，當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，將缸壁上多余的機(jī)油刮下，通過小孔或切槽流回曲軸箱；當(dāng)活塞上行時(shí)，刮下的機(jī)油仍通過回油孔流回曲軸箱。有些普通環(huán)還在其外側(cè)上邊制有倒角，使環(huán)隨活塞上行時(shí)形成油膜，可起均分布潤(rùn)滑油的作用，下行刮油能力強(qiáng)，減少了潤(rùn)滑油的上竄。這種類型的油環(huán)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，早期發(fā)動(dòng)機(jī)上使用較多；但其強(qiáng)度低，易磨損，磨損后刮油效果不理想、壽命較短。現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)基本上不采用。

2）組合油環(huán)（圖2-52b）一般由上刮片、襯環(huán)、下刮片三層組成。優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量小、刮油能力強(qiáng)、對(duì)缸套變形適應(yīng)性好、回油通路大等。正因?yàn)槿绱耍M管組合油環(huán)造價(jià)相對(duì)較高，在現(xiàn)代汽車上仍舊得到了廣泛的應(yīng)用。

3）無(wú)論活塞上行或下行，油環(huán)都能將氣缸壁上多余的機(jī)油掛下來(lái)經(jīng)活塞上的回油孔流回油底殼。油環(huán)的刮油作用如圖2-53所示。

圖2-52 油環(huán)

a）普通油環(huán) b）組合式油環(huán)

圖2-53 油環(huán)的刮油作用

a）活塞下行 b）活塞上行