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使用说明书 |
柴油发电机组活塞环的功能、表面处理和运行条件 |
摘要：活塞环作为柴油机中重要的密封装置，起到了关键的作用。其复杂的结构和多个环的组合，保证了活塞与气缸之间的密封性能和运动稳定性。活塞环的结构设计需要考虑到多个因素，如密封性能、耐磨性、热稳定性等。不同类型的柴油机和工况下，活塞环的结构也会有所不同。通过合理的设计和选择，可以提高活塞环的密封效果，延长其使用寿命，同时还能减少能量损失和排放。通过康明斯公司不断的研究和改进，可以进一步提高活塞环的性能和可靠性，为柴油发电机的工作效率和可持续发展做出努力。
一、活塞环结构和作用
活塞环的结构形状对活塞环缸套系统的磨损有着非常大的影响。增加活塞环的轴向高度，可以降低缸套的粘着磨损，但同时会使缸套的磨粒磨损增加，选择合适的轴向高度，可以获得最优化的活塞环磨损性能。活塞环分为气环和油环两种。
1、气环
（1）气环的主要功用
气环的主要功用是保证活塞与气缸壁密封，防止气缸内的混合气和高温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热量传给气缸壁，避免活塞过热。气环开有缺口并具有弹性。在自由状态时外径大于气缸直径，呈非圆形。装入气缸后，在自身弹力及环背所受气体压力的作用下，使环紧密贴在缸壁上，从而实现气缸密封。同时，安装活塞时，各活塞环的开口应避开活塞销轴线方向，且各道活塞环开口应相互错开，使气体只能沿一曲折通道向下泄漏，以增强密封效果。
（2）气环泵油过程
泵油原理如图1所示。柴油机工作时，一部分在气缸壁上的润机油会窜入燃烧室。气环在环槽中上下留有侧隙，背后也有间隙。这些间隙的存在，导致了气环的泵油作用。当活塞向下运动时，在气环与缸壁间的摩擦力和环的惯性力作用下，气环紧压在环槽的上端面，于是润滑油进入气环下面和气环背后的间隙中。当活塞向上运动时，气环又压向环槽的下端面，把润机油挤压向上。如此反复进行，润机油就被泵入燃烧室而形成积炭。
活塞与缸壁之间不是完全贴合，而是有间隙的。而这个间隙，最终是由活塞环来填充，更确切地说，最终是由机油来填充活塞环与缸壁的间隙。活塞在上行的过程中，活塞环靠环槽下部贴合，这个过程中，先前存储在环槽中的机油则会被泵至缸壁中，这部分机油，将可能会在燃烧高温过程中被消耗掉。
2、油环
（1）油环的主要作用
油环的主要作用是刮掉气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上铺涂一层均匀的机油油膜，这样可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减少活塞及活塞环与气缸壁的磨损。油环是一种活塞环，分为普通油环和组合油环。活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，其间隙作用是在发动机运转过程中与高温气体接触发生热膨胀现象，周期性的往复运动又使其出现径向胀缩变形，为保证发动机正常的工作，活塞环在气缸内具有间隙。
（2）油环刮油过程
原理如图2所示。油环刮除飞溅到缸壁上的多余润机油，并将润机油均布在气缸壁上。既能防止润机油上传到活塞顶部而引起燃烧室积炭和润机油消耗，又能改善润滑条件，减小摩擦和磨损。
当安装刮油环时，刮刃为锥状表面时，要把刮刃的尖端放在下方，以便油环下行时刮油，上行时让机油从它的倾斜面上流过，如果装反，它就会向上刮油，加强了气环的泵油作用，使大量的机油进入燃烧室中燃烧。双刃环开有泄油孔，而油环槽都开有泄油孔，以便刮下的机油流回曲轴箱。
3、主要作用
（1）密封作用
燃烧室必须尽可能的密封气体，这样快速燃烧的油气混合物才能推动汽缸的活塞向下运动带动曲轴转动，此功能称为"密封气体"，原理如图3所示。其中第一道环密封80-90%的气体；第二道环密封10-20%的气体；油环密封约5%的气体。
① 第一密封面的建立：如图4（a）所示，活塞环在自由状态下不是正圆形，其外廓尺寸比气缸直径略大，当活塞环装入气缸后，在其自身的弹力作用下环的外圆面与气缸壁贴紧形成第一密封面。
② 第二密封面的建立：如图4（b）所示，燃烧室中的高压气体通过活塞顶岸与气缸壁之间的间隙进入活塞环的侧隙和径向间隙中，这个压力使环的下侧面与环槽的下侧面贴紧形成第二密封面。
③ 活塞环的二次密封：如图4（c）所示，窜入到活塞环侧隙和背隙中的高压气体，产生背压力和侧压力，使活塞环对气缸壁和活塞环槽的压力进一步增大，显著加强了第一和第二密封面的密封程度，这个现象称为活塞环的第二次密封。
（2）控油作用
控油是指避免机油过多进入燃烧室，将机油消耗保持在所需水平，同时降低有害废气排放。其中油环控制约70-90%的机油，气环控制约10-20%的机油。
（3）传热作用
传热指活塞环将热量从高温的活塞传导至冷却的汽缸壁或发动机缸体上。
○ 传热的途径∶活塞---活塞环---汽缸----冷却介质（缸体）。
○ 传热的效率∶70%~80%的热量从活塞环槽由活塞环传至汽缸壁。
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图1 活塞环气环泵油原理图 |
图2 活塞环油环刮油原理图 |
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图3 活塞环密封原理 |
图4 活塞环二次密封原理 |
二、活塞环的表面处理
活塞环的表面处理在现代活塞环技术中占有很大的比重，回顾活塞环的表面处理技术的发展过程，实际上是一个从易到难，从简单到复杂，从单一性能到综合性能的演变过程。活塞环表面复层的方法很多，可归纳为二大类：其一，以改善环的初期磨合性能，提高耐蚀性为目的的，称磨合型，如四氧化三铁（FO）、磷酸盐、锡等；其二，以延长活塞环寿命为目的的，称耐磨型，主要是铬、钼等。对于高负荷、高速发动机主要是第二类。活塞环表面处理种类很多，常用的有：
1、磷化处理
磷化是指在活塞环表面通过磷酸盐处理，生成多孔性的磷酸锰（或锌）和磷酸铁的柔软薄膜。具有耐腐蚀和提高初期磨合性能。薄膜厚度视需要可为0.004～0.03mm。其优点是具有柔软、存油等性质，能改善磨合和抗拉缸性能，有防蚀、防锈作用。磷化处理所需设备简单、操作方便、成本低、效率高
2、硫化处理
硫化是指用渗硫的方法在活塞表面生成一层硫化铁和氮化铁，具有防止熔敷磨损和提高初期磨合性能，一般用在直径较大的活塞环上。
3、喷钼
由于镀铬环的耐熔着性能不能满足发动机日益强化的需要，一种新的复层——喷钼，发展起来。喷钼是利用喷鎗将纯金属钼丝熔化后喷成极细的钼粒，喷涂在予先开有凹槽的活塞环工作表面上。其特点有：
（1）耐熔着性能
喷钼环始终具有良好的耐熔着性能，例如柴油发电机运行2万小时，喷钼环仍毫无故障，而镀铬环已出现严重的熔着现象。
（2）耐磨料磨损性能
喷钼层特别具有多孔性，能获得良好的润滑条件，喷钼层中的质点硬度较高。但喷钼环和镀铬环的耐磨损性能，孰优孰劣？要看特定的使用和试验条件、工艺条件等。一般有这样一种倾向，即在以磨料磨损为主要磨损的情况下，以采用镀铬环为佳，在可能产生熔着的情况下采用喷钼环为宜。但是，在强化发动机中实际发生的磨损中一般以熔着磨损最大，而熔着磨损产生的碎屑又会引起磨料磨损，就这种磨料磨损而言，喷钼环仍优于镀铬环。
（3）耐腐蚀性能
喷钼环有足够的耐蚀性，比镀铬环略好一些。
（4）磨合性与密封性
由于钼环的多孔结构（可贮油和脆性），它的磨合性能较镀铬环好，使摩擦损失减少；同时，其贮油特性有利于密封。喷钼层的厚度，据资料介绍，喷钼压缩环钼层厚度一般为0.10～0.20 mm，最小可用0.05 mm，对于重载发动机可取0.15～0.30 mm。
4、氧化处理
氧化处理是指在活塞表面不完全氧化，生成四氧化三铁薄膜，具有耐腐蚀、抗咬合和提高初期磨合性能。
5、镀锡处理
镀锡主要是改善初期磨合性能，缩短磨合时间，最近还有对镀铬环表面再镀锡的做法。既可改善初期磨合性，又耐磨提高环的使用寿命。
6、氮化处理
氮化是指在活塞环的表面渗氮，生成氮化铁硬化层。氮化的优点是提高表面硬度，降低摩擦，增强耐磨性；抗腐蚀性能好，导热性能优良；有一定的抗熔着磨损性能。
7、镀铬处理
随着发动机不断强化，对活塞环耐磨性要求提高，镀铬环的使用也随之增多，镀铬技术也不断创新，如刷镀技术、旋转镀铬技术、长筒镀铬技术、高低液槽位镀铬循环和周期换向电镀技术等得以发展。镀铬环对提高活塞环耐磨性是一项很有效的措施，材料结构如图5所示。
（1）镀铬层硬度比铸铁高，达HV850～950，能抵制磨料磨损；
（2）熔点比铸铁高，前者为1770℃，后者为1230℃，因此，与铸铁相比，有利于抵制熔着磨损；
（3）有极好的的耐蚀性；
（4）良好的镀铬表面能储存小量的机油，例如表面造成沟纹或多孔组织。
此外，它与本体材料的附着力较大，导热系数好以致能成功地与铸铁或钢质缸套相配（但不能与镀铬缸套相配），镀铬层厚度，随用途而异。
8、喷涂耐磨材料
喷涂耐磨材料是活塞环表面处理的新技术，其中等离子喷涂更处于发展阶段，喷涂层具有多孔性和比铬更高的熔点，具有更好的抗咬合性能，耐磨镀层结构如图6所示。耐磨材料有钼、陶瓷材料、金属碳化物等。其中尤以喷钼采用较多，还出现镀铬表面再喷钼的方法，显示出喷涂耐磨材料发展的前景广阔。
活塞环表面处理技术的长足进步和广泛应用势将继续下去，如活塞环表面多元素的复合镀，有机高分子材料的复合涂层技术等正在试验发展中。
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图5 活塞环材料成分结构图 |
图6 活塞环耐磨镀层示意图 |
三、活塞环常见截面形状及功用
柴油发电机的活塞环应具备高的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、贮油性、磨合性、导热性、强韧性、弹性和易加工性等，因而活塞环采用优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和钢带制成。通常对第一道气环外圆面的表面进行镀铬或喷钼处理。多孔性镀铬层硬度高，并能储存少量润机油，有利于改善润滑和减轻磨损。钼的熔点很高，也具有多孔性，因此，喷钼同样可以提高活塞环的耐磨性。其他各道活塞环大多采用镀锡或磷化处理，以改善其磨合性。但是，钢带组合油环的上下刮片，其外圆面均进行多孔镀铬处理。
1、矩形平环
最基本的压缩环，特点是结构简单，用于低速、低负荷发动机。如图7所示。
2、桶面环
能适应活塞的摆动，运动中能有效形成动压润滑，由于与气缸接触面积小而能有效缩短初期磨合，密封能力强，用于各种中、高速发动机压缩环。如图8所示。
3、梯形环
梯形环的径向运动可将环槽中的积碳挤出，有效防止环结胶卡死，用于各种高速、高负荷、大功率发动机压缩环。如图9所示。
4、矩形锥面环
锥面与气缸接触面积小，能缩短初期磨合。向上运动能有效布油，向下运动能有效刮油，具有良好的控油性能，用于各种型号的发动机。如图10所示。
5、内倒角（止口）正扭曲环
装入气缸后因内力矩不平衡而产生正扭曲，外圆面下侧与缸壁接触，具有锥面环功效，上端面外侧与上环槽接触，下端面内侧与下环槽接触，对由上而下的气体具有良好的密封作用。如图11所示。
6、内倒角（止口）反扭曲环
装入气缸后因内力矩不平衡而产生反扭曲，下端面外侧与下环槽接触，上端面内侧与上环槽接触，对由下而上的机油控制效果较好。如图12所示。
7、鼻形（止口）锥面环
综合了锥面环与正扭曲环的优点，同时鼻形（止口）在刮油时具有泄压作用，刮油能力强。如图13所示。
8、普通油环
最基本的油环，用于低速、低负荷发动机。
9、螺旋撑簧油环
弹力主要由螺旋弹簧提供，其面压较高、持久性强；同时，环体具有良好的柔性，因而螺旋撑簧油环有较强的控油能力，用于各种中、高速发动机。如图14所示。
10、钢带组合油环
接触压力高、密封能力强、回油通畅、重量轻，具有良好的控油能力，广泛应用于中、高速四冲程汽油机。如图15所示。
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图7 矩形平面活塞环形状 |
图8 桶面活塞环形状 |
图9 梯形活塞环形状 |
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图10 矩形锥面活塞环形状 |
图11 内倒角（止口）正扭曲活塞环形状 |
图12 内倒角（止口）反扭曲活塞环形状 |
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图13 鼻形（止口）锥面活塞环形状 |
图14 螺旋撑簧活塞油环形状 |
图15 钢带组合式活塞油环形状 |
总结：
活塞环表面处理能够有效改善摩擦副磨损性能，防止表面磨损失效。常见的表面处理方法有镀铬、喷钼以及硬质履层。镀铬可使摩擦表面光滑，具备良好的抗磨性能。钼层具备良好的耐磨性和抗拉性。工程实践中一般对缸套进行镀铬，对活塞环进行喷钼。喷钼环的耐热、耐磨和耐腐烛较低，为了弥补这一缺点，一般对活塞环进行硬质履层。其他较为常见的表面处理工艺还有等离子注入法、表面润化处理和表面复合处理等等。
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