內(nèi)燃機的無端隙活塞環(huán)

松濤

自從1855年英國的南斯波登發(fā)明了自身膨脹的彈性活塞環(huán)，使活塞在氣缸中工作時密封性大大提高，內(nèi)燃機的熱效率也隨之提高，其基本結(jié)構(gòu)一直沿用至今。成為內(nèi)燃機中起著非常重要作用的零部件，人們試圖進一步提高其密封性，設(shè)計了多種形式的切口和結(jié)構(gòu)的活塞環(huán)

　　自從1855年英國的南斯波登發(fā)明了自身膨脹的彈性活塞環(huán)，使活塞在氣缸中工作時密封性大大提高，內(nèi)燃機的熱效率也隨之提高，其基本結(jié)構(gòu)一直沿用至今。成為內(nèi)燃機中起著非常重要作用的零部件，人們試圖進一步提高其密封性，設(shè)計了多種形式的切口和結(jié)構(gòu)的活塞環(huán)。最常見的是斜切口、階梯切口的活塞環(huán)，還有許多組合式活塞環(huán)等。由于受生產(chǎn)率、材料選擇等因素的影響，這些結(jié)構(gòu)的活塞環(huán)未得到普及和應用。目前應用最廣泛的還是南斯波登發(fā)明的直切口活塞環(huán)。無端隙活塞環(huán)（對角線切口活塞環(huán)）不僅同斜切口、階梯切口活塞環(huán)一樣能自行補償因磨損而增大的端隙，還獨創(chuàng)了利用三角形密封活塞環(huán)槽與氣缸之間任何可以產(chǎn)生竄氣的間隙。其氣缸、活塞、活塞環(huán)組合可達到非常好的密封。所以比現(xiàn)有技術(shù)提高了燃油利用率，節(jié)約潤滑油，尤其是無端隙活塞環(huán)密封的非常嚴密，還具有自動補償因磨損增大端隙的功能，從而大大地減少了排氣污染，延長了減少排污的周期。并且是從燃燒過程中解決排氣污染，從產(chǎn)生污染源處解決環(huán)境保護。
　　下面是詳細論述對無端隙活塞環(huán)的研究結(jié)果。
　　一、無端隙活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)和定義
; a5 n+ N$ `9 A　　活塞環(huán)的切口為對角線切口，即活塞環(huán)徑向截面由外徑的上邊角至內(nèi)徑的下邊角的對角線，兩端頭互補的切口。這種切口長度為活塞環(huán)兩端頭重疊的長度。對角線切口本身查堵住從活塞環(huán)上側(cè)隙向活塞環(huán)下端竄氣，它只是保留了活塞環(huán)受熱膨脹所需的間隙。其本身自動補償因氣缸與活塞環(huán)磨損而增大的端隙。所以稱之為無端隙活塞環(huán)。
) f3 U* D. s+ Y5 ?+ L* u　　二、密封性
8 L! V' `8 _: f6 S& `! y" ]8 W　　內(nèi)燃機在壓縮、爆燃、排氣三個沖程中，燃燒室內(nèi)的高壓氣體從活塞環(huán)的上側(cè)隙進入環(huán)槽內(nèi)形成了活塞環(huán)的背壓，沒有任何縫隙可使高壓、高溫氣體竄入第一道壓縮環(huán)與第二道壓縮環(huán)的中間以及曲軸箱內(nèi)，其密封性非常好。
2 x* a2 U4 {1 R3 o0 M6 Q; `: P　　三、節(jié)省燃油
　　由于該活塞環(huán)密封較嚴，阻止了由燃燒室向活塞環(huán)下端及曲軸箱內(nèi)竄氣，從而增大了壓縮壓力，使燃燒速率加快，燃燒更加充分，并且在爆燃沖程中活塞環(huán)不竄氣，燃燒壓力得到充分的利用，使曲軸的轉(zhuǎn)矩增大，還減少了燃燒混合氣向第一道活塞和第二道活塞環(huán)中間竄氣。綜合不竄氣、壓縮壓力的增高、燃燒速率加快、燃燒充分、爆燃沖程的壓力增大等因素都是節(jié)省燃油的原因所在。
; w% Y* k0 S2 _     四、節(jié)省潤滑油
　　由于無端隙活塞環(huán)密封嚴，排氣沖程中是第一道壓縮環(huán)與第二道壓縮環(huán)中間沒有高壓氣體向燃燒室逆流就不會將潤滑油吹入燃澆室。隨著氣缸與活塞環(huán)的磨損，活塞環(huán)對角線切口的自動補償，不會造成因氣缸和活塞環(huán)磨損使活塞環(huán)端隙增大而出現(xiàn)的燃機油的現(xiàn)象，從而節(jié)省了潤滑油。另外，在壓縮、爆燃沖程、沒有可燃氣稀釋潤滑油和高溫爆燃氣使第一壓縮環(huán)以下的潤滑油膠質(zhì)化和碳化，則延長了更換潤滑油的里程。
( ]* x; v0 d$ A: a7 Y( F) j　　五、提高內(nèi)燃機的動力
% l2 d2 |0 ]3 ?6 J　　由于無端隙活塞環(huán)的密封性非常好，壓縮沖程、爆燃沖程無泄漏，爆燃工作壓力相應增高，活塞經(jīng)連桿作用在曲軸上的力增大，使內(nèi)燃機的扭矩增大，提高了內(nèi)燃機動力，并且這種動力不會因氣缸和活塞環(huán)的磨損而降低。
　　六、冷啟動性好
　　直切口活塞環(huán)在冷車時端隙較大，一般在—30～20°C時，端隙大于0.3～0.7mm（指發(fā)動機或剛大修的內(nèi)燃機）。比較舊的內(nèi)燃機或接近大修的內(nèi)燃機其端隙會更大，從而造成壓縮壓力低，燃料霧化不良，啟動時較困難。而無端隙活塞環(huán)不存在端隙、壓縮壓力相對要高得多，產(chǎn)生的壓縮熱也較高，便于冷車啟動。
+ b9 C; R. E; W/ @9 B4 J' F　　七、延長大修里程，改善潤滑條件，延長零部件壽命。
' }/ M6 I4 k- ^2 x  E　　由于無端隙活塞環(huán)密封性能好，在爆燃沖程是沒有灼熱的氣體和炭粒向第一道活塞環(huán)以下泄漏，不會造成第二道活塞環(huán)、油環(huán)積炭及機油因高溫炭化和膠質(zhì)化而將環(huán)卡死在槽內(nèi)的現(xiàn)象，不會因油環(huán)卡死造成活塞、活塞環(huán)和氣缸缺潤滑油而磨損。并減小了燃燒室向曲軸箱泄漏高溫可燃混合氣（在直切口活塞環(huán)的內(nèi)燃機中，這些可燃混合氣中含有HC、CO和NO化合物其中NO化合物與冷卻水蒸氣作用生成硝酸。硝酸與鋅二烴基二硫磷酸脂發(fā)生化學反映。并與機油中的另一種抗磨添加劑反應而使它們的保護膜減少。硝酸還腐蝕鑄鐵，生成鐵碳化合物顆粒，導致潤滑條件變差，加劇對潤滑條件較差的配氣凸輪、搖臂和挺桿的磨損。曲軸次之），從而改善了曲軸箱內(nèi)潤滑質(zhì)量，延長了零部件的使用壽命。
       端隙自動補給，延長了大修里程，無端隙活塞環(huán)的自行補償端隙功能能使氣缸磨損到直徑加大至0.5MM，它是直切口活塞環(huán)的第二個大修尺寸（指小型高速內(nèi)燃機，缸徑∮不大于81MM，缸徑∮大于81MM為第一個大修尺寸），加上大修時加工缸桶的余量，是四個大修里程。這只是單一的計算，考慮綜合因素，三倍的大修里程是完全可以滿足的。而且動力不減，排放也不會有污染。
　　八、減少排污
　　無端隙活塞環(huán)密封性好，沒有壓縮沖程、爆燃沖程從燃燒室向第一道壓縮環(huán)與第二道壓環(huán)中間泄漏高壓混合氣。（在直切口活塞環(huán)內(nèi)燃機中壓縮沖程壓縮在燃燒室的高壓混合氣，經(jīng)第一道壓縮環(huán)的端隙進入第一道環(huán)與第二道環(huán)的中間。進入爆燃沖程高壓灼熱的混合氣再次泄漏至兩環(huán)中間。因縫隙小而滯燃的混合氣便生成了HC、CO和NOx化合物。在排氣沖程時，燃燒室壓力降低，兩環(huán)中間的高壓混合氣從第一道活塞環(huán)端隙逆流，其中決大部分成為排出尾氣（廢氣）中的HC、CO和NOx的成分）。對比現(xiàn)有技術(shù)，無端隙活塞環(huán)減少了尾氣（廢氣）中排放的HC、CO和NOx化合物。從燃燒的角度治理了排污，達到環(huán)保排放要求。并具備排放一致性。

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泊比

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