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发动机活塞环结构类型及安装位置图 |
摘要：活塞环是一种由橡胶和金属组成的圆环，它通常作为柴油发动机的重要组成部件。它起着保证引擎安全和稳定运行的重要作用，特别是活塞，活塞上下运动期间，活塞环实现密封，从而减少高压燃油的泄漏，降低发动期的损耗。由于不同的柴油机机型活塞环的结构不同，使用和安装要求也不同，所以有很多种。安装不正确会导致活塞环卡涩、拉缸、环口重叠、烧油等。因此，必须充分了解各种活塞环的结构特点，掌握不同类型活塞环的安装技术，才能充分发挥发动机的动力性和经济性，提高可靠性，延长柴油发电机组的使用寿命。
一、活塞环的结构与作用
1．活塞环的功用
活塞环（又称涨圈）是具有弹性的金属开口圆环，按其功能不同可分为气环和油环两种。气环装在活塞头部的气环槽内，防止高压气体从汽缸进入曲轴箱，起密封作用。活塞顶所吸收的热量向外传递，大部分要通过气环传给汽缸壁，再由水套中的冷却水带走，故气环还起传热作用。油环装在气环下边的油环槽内，使机油分布于汽缸壁，以减少活塞和汽缸壁的磨损，同时将汽缸壁上多余的机油刮下流回曲轴箱，避免机油串入燃烧室。
2．活塞环的构造
活塞环通常采用合金铸铁制造，其硬度一般比汽缸壁要大。有些发动机为提高活塞环的耐磨性，将第一道环的工作表面进行多孔性镀铬，活塞环的各部名称如图1（a）所示。活塞环的直径是指在气缸中处于压缩状态时的外径（在自动状态时，环的外径大于汽缸直径）。活塞环上下两平面称为端面，端面间的距离称为环高，环高方向与环槽间留有间隙叫侧隙；环的外表面称为工作面，环的内表面称为背面，内表面方向与环槽所留间隙叫背隙；环缺口叫开口（也叫开口间隙）。在保证环受热后不致胀死的情况下，开口间隙应尽量小。
活塞环的开口形状，分直形、斜形和阶梯形几种，如图1（b）所示。活塞环的开口间隙大小将影响密封的效果，而密封效果和环的开口形状有一定关系。在开口间隙相同的情况下，一般认为斜形和阶梯形密封效果好些。但从试验中发现，无论在空载或全负载时，漏气量与开口形状关系也不大，加之直开口形状环加工容易，所以现在大多数柴油发电机采用直开口活塞环。
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图1 活塞环结构图 |
图2 活塞环外形图 |
3．活塞环的断面形状
随着发动机性能的提高，对活塞环也提出了更高的要求，特别是如何更好地防止窜油和漏气问题，而合理的选用不同断面形状的活塞环，对改善活塞的工作、防止气体的泄漏和减少机油的消耗起着重要的作用。
4．密封与窜气
具有燃烧压力的气体通过活塞侧面及环开口窜到曲轴箱称为窜气，如图3所示。如果发生窜气，就有功率损失。如果窜气过多，移动的活塞通过气环和油环来密封。大多数发动机都使用两道气环和一道油环。不过，对于某些柴油机，也可以使用更多的气环来密闭较高的压力。
5．活塞环端隙
当气环置于汽缸内时，活塞环两端有一间隙，如图4（a）所示，该间隙指的是活塞环端隙。活塞环端隙随着活塞环温度的升高会变小。如果过小就会箍紧汽缸而断裂，导致缸壁严重划伤。如果活塞环端隙过大，就会导致窜气过量。当翻修发动机时，应检查活塞环的端隙，如图4（b）所示。
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图3 活塞环压力气体窜气图 |
图4 活塞环端隙检查图 |
6．气环材料
气环由铸铁制成，该材料很脆，如果弯曲很容易折断，所在位置如图5所示。不过，脆性材料耐磨性很好。某些重载发动机和某些柴油机使用韧性铁作为活塞环的材料。这种材料强度较大，具有抗断裂性能，但用这种材料的成本较高。某些高质量的活塞环外侧都具有镀铬层或镀钼层。镀铬层或镀钼层能够降低活塞环与缸壁的磨损，结构如图6所示。由于镀铬或镀钼具有这种特性，所以这种活塞环的抗断裂时间相应延长了。
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图5 柴油机活塞环之气环位置图 |
图6 镀铬和镀钼层气环 |
二、活塞环的类型
1、气环
压缩环有若干种类型，图7所示为一些比较普通的类型。矩形断面环和矩形环平贴着缸壁，锥面环改善了向下行程的划擦能力。另一些活塞环是将角槽和倒锥面活塞环设计成了扭曲环。这些活塞环或者有导角，或者在环上加工出了沉孔。
图8是扭曲环原理图。活塞扭曲环装入汽缸后，外侧拉伸应力合力F₁与内侧压缩应力合力F₂之间有一力臂e,产生扭转力偶矩M,使环外圆周扭曲成上小下大锥形，使环边缘与环槽上、下端面接触，防止活塞环窜动和泵油。
任何导角和沉孔都会使环产生应力。这些应力使活塞环产生轻微扭曲。这种情况只有活塞环在汽缸内受压缩时发生。扭曲可在缸壁和活塞环凹槽内形成线接触密封。线接触提高了活塞环的划擦特性和密封特性。这种情况也称作静态张紧。当活塞环处于某些位置时，没有向下的压力作用在活塞环上。这种情况发生在发动机的进气冲程、压缩冲程和排气冲程中。只有在做功冲程中，高压才作用在活塞环上。在进气冲程中，扭曲力压迫活塞环的底角，就像刮刀一样刮擦缸壁。这有助于除去缸壁上过多的润滑油。
扭曲有助于在运转过程中活塞环密封缸筒。在压缩冲程中，活塞环仍保持扭曲状态。这样使活塞环滑过仍保留在缸壁上的润滑油而不是将其带到燃烧室内。随着活塞的上升，压缩压力有助于使活塞环变平以利于更好的密封。在做功冲程中，燃烧室中的热气进入活塞环槽中。活塞环被顶出，平靠在缸壁上。这时在做功冲程中具有良好的密封，该过程也称做动态密封。在排气冲程中，静态状况再次出现，活塞环再次扭曲，扭曲使活塞环又滑过缸壁上的润滑油。多槽和圆形或管形面活塞环也可产生线接触，从而达到更好的密封效果。
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图7 各种类型的活塞环横切面图 |
图8 活塞环扭曲环原理图 |
2、油环
发动机正常工作时，有大量的润滑油被甩到缸壁上。连杆也将润滑油飞溅到缸壁上。某些发动机连杆上有油孔，有助于将润滑油直接飞溅到缸壁上。而缸壁上的润滑油又有助于润滑和减少磨损，但一定不要让润滑油进入到燃烧室内。油环用来刮掉缸壁上的润滑油，还可以防止润滑油进入到燃烧室内，并润滑缸壁以防过度磨损。
所有的油环都用来在向下冲程中刮掉缸壁上的润滑油，如图9（a）所示。润滑油从缸壁上被刮下来后，穿过油环中间，然后从活塞上的孔流过，返回到曲轴箱内。这种刮擦过程有助于除去活塞环上的碳颗粒。润滑油油流也有助于冷却和密封活塞。
油环由二、三或四部分组成，通常包括膨胀圈、上轨道、隔圈以及下轨道，有些油环，其中几个部分可能制成一体。膨胀圈用来顶着缸壁推出油环，上下轨道用来刮掉缸壁上的润滑油，有事也将其称为刮环。隔圈用来将两个刮环分开。图9（b）所示为普通形式的油环。对于某些刮环，镀铬部分可以提高油环的耐磨性。图10表示了几种发动机使用的油环以及它们是如何组合在一起的。
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图9 活塞环油环工作原理图 |
图10 活塞环油环的类型图 |
3、活塞环基本尺寸参数要求
（1）直径选取
活塞环的直径应该选择缸内直径的3%-5%之间。一般情况下，缸内径越大，选择的活塞环直径就越小。
（2） 厚度选取
对于铸铁活塞环，径向厚度t的选取应该在0.6mm~2mm之间。厚度t越大，活塞环的强度越高，但对活塞和缸体的磨损也越大。
（3）环宽选取
环宽应根据活塞的燃烧室形状和喷油系统的性能来确定。环宽过窄，热负荷会过高，容易烧蚀；环宽过宽，会造成活塞在缸内的不稳定振荡，影响发动机的噪音和寿命。
4、直径和厚度对活塞环的影响
（1）直径对活塞环的影响
直径大小直接决定环的紧实度和摩擦力大小。如果直径过大，则环在活塞坑内处于松弛状态，容易燃烧室内气体侵入，从而减小了环的密封作用；如果直径过小，则活塞环会因松动而引起噪音和磨损。
（2）厚度对活塞环的影响
厚度越大，活塞环的强度和密封性就越好，但也会增加与活塞和缸体之间的摩擦力，从而增加热负荷。反之，厚度较薄的活塞环在发动机运转时，不仅制造成燃烧室内气体的泄漏和油浸，而且极易发生变形，对柴油机的使用寿命也会产生不可忽视的影响
三、活塞环安装
1、安装步骤
当活塞环安装到活塞上时，要注意已经选配好的活塞环只能与该缸的活塞匹配；第1道活塞环只能安装在第1道活塞环槽内，其余各道活塞环依次类推；活塞环的安装方向，环端有标记的一面应当朝上。可以用活塞环卡钳安装，也可以直接用手工安装。
在安装活塞环时，要将活塞环的端口相互错开，以减少活塞环的漏气量。活塞环的端口不要布置在活塞裙部承受侧压力的方向（活塞的左、右两侧），不要与活塞销轴线重合，第1道活塞环的端口应位于做功冲程侧压力较小的方向。如图11所示，有3道活塞环的发动机，第1、2道活塞环端口之间错开180°，第2、3道活塞环端口之间错开90°。如图12所示，有4道活塞环的发动机，第1、2道活塞环端口之间错开180°，第2、3道活塞环端口错开90°，第3、4道活塞环端口之间错开180°。
在安装锥形环和扭转环时，应注意活塞环的安装部位和朝向：
（1）扭转环的内圆切槽朝上，外圆切槽环的切槽则向下；
（2）锥面环的小端向上；
（3）内圆倒角的环，倒角朝上；
（4）外圆倒角的环，倒角向下；
（5）活塞环在一面标注有“上”或“0”、“△”等记号，在安装作业时，须将有标记的一面朝上安装；
（6）桶面环或镀铬环应装在第一道环槽内；
（7）安装组合式钢带油环时，应首先将衬簧装入槽内，然后安装上、下两道刮片，并将两刮片的开口错开180°。
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图11 活塞环端口错开示意图（三道环） |
图12 活塞环端口错开示意图（四道环） |
2、安装工具
活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环。一般活塞环安装在活塞的环槽里，它和活塞、缸套、缸盖等元件组成腔室做功。通常来说，每个活塞在生产之后均需安装活塞环，但在实际中，为了实现采用机械设备自动将活塞环安装到活塞上，通常需要将活塞先进行限位固定。
（1）活塞承载架
活塞环安装用的活塞承载架（如图13所示），底板上前侧、后侧均对应安装有支撑架，每个支撑架上均设有半圆形的卡槽，两个支撑架之间具有间隙，位于前侧的卡槽前端设有阻挡板，位于后侧的卡槽后端设有以铰接方式安装在后侧的支撑架上的挡门。通过插销与插环的配合实现控制挡门的开合，继而达到将活塞进行安装并限位的功效，并间接起到方便后续的活塞环安装的效果。
（2）活塞环拆装钳
活塞环是许多内燃机和机泵中不可或缺的零件，然而，由于在运行过程中，经常会出现损坏。这就需要对活塞环进行拆卸和装配。拆装时候还存在以下缺点：结构复杂，制作难度大，同时，在拆卸时，在钳壁的作用下，活塞环受到向外的张力，容易出现向外弹出的情况，从而出现弹伤附近工作人员的情况。且活塞环被弹出后，需到处寻找，比较麻烦。图14所设计的活塞环拆装工具，通过在钳壁的外端面上连接橡胶带，当使用拆装钳进行拆装时，橡胶带套在活塞环外，当活塞环弹出时，橡胶带就会起一个挡板和缓冲的作用，使得活塞环不易向外弹出。结构简单、造价低且便于携带，具有较高的市场竞争力。
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图13 活塞环安装用的活塞承载架 |
图14 柴油机活塞环拆装钳 |
总结：
根据活塞环的作用和工作条件，活塞环的设计应有适当的弹力，以利初始密封；且具备易磨合且有足够的耐磨性和抗结胶能力。活塞环设计采用弹性弯曲理论，综合考虑环装入活塞的张开应力和环在气缸中的工作应力。根据这些应力的最佳比例和环材料的强度和弹性模量，实际环的自由状态开口距离为2.5～3.5倍的环径向厚度，环直径/径向厚度之比在22～34之间。康明斯公司经长期设计经验之积累和广泛的发动机运转测试，得出了压缩环、油环和环槽设计参数的推荐范围，具体请参考康明斯柴油发电机技术手册。
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