內燃機活塞環氣密性檢測研究淺析

肖敏 孫杰

摘要：機車油機的燃燒室是一個密閉的空間，隨著機車的運用，有時由于活塞環槽內存有積炭顆粒或者活塞環發生偏磨、斷裂、扭曲等故障情況會造成燃燒室密封不良，燃氣下竄，機油上竄的現象，輕者造成發動機冒藍煙，氣缸內積炭增加，曲軸箱壓力升高，造成機車經濟性和動力性下降，排放污染上升；重者會造成油機拉缸、停機等設備故障，甚至火災事故。因此，油機的氣密性優劣不但可以衡量發動機工作性能的好壞，而且對保障運輸生產的安全有序有著重要的作用。本文通過筆者工作經驗和參考相關文獻資料，對內燃機活塞氣密性進行了進一步簡要分析。

關鍵詞：內燃機；活塞；氣密性；檢測

1內燃機活塞環簡述

活塞環是嵌套在活塞的環槽中與缸體內壁相接觸，具有開口的環。雖然活塞環外型簡單，但在內燃機以及壓縮機等做往復運動的零件中，它卻是對機器性能有著重要影響的零件之一?；钊h的主要作用可以概括成以下幾點：保持氣體封密、控制機油、傳熱，支撐和潤滑作用。發動機氣缸的氣體泄漏包含活塞環-氣缸套部位氣體泄漏、氣缸墊泄漏、進排氣門處泄漏、火花塞（噴油嘴）處泄漏。而在所有的氣缸泄漏中，活塞環-氣缸套部位氣體泄漏占了很大的比例，約占據整個氣缸泄漏的80%（1）缸的氣密性好壞將會直接影響到整個發動機的動力性，經濟性，排放性指標。

活塞環從功能的角度，可以分為兩大類，一類為氣環，氣環具有兩個重要的功用，其一是與活塞共同作用密封發動機的燃燒室，防止泄漏：其二是導出活塞頭部熱量。另一類為油環，油環的主要作用是使均勻分布氣缸壁面的潤滑油，達到活塞潤滑的目的，同時限制布油的量，防止潤滑油布油過多在氣缸內燃燒，避免產生過多的燃燒室積碳以及潤滑油消耗過快等問題。氣環與油環的配合使用，保證了氣缸內的氣密性和潤滑性，因此現階段的內燃機活塞環組采用多個氣環和一個油環的組合。

2影響活塞環氣密性因素

活塞環氣環影響漏氣量的因素主要有：活塞環漏光、彈力、工作閉口間隙、彈力消失率、撓曲度、開口間隙大小、氣環外圓面與氣缸套合情況、氣環兩端面與活塞環槽上下端面配合情況、氣環數、潤滑油運動壓力等有關。

綜上所述活塞環氣密性檢測是活塞環檢測的最重要的指標。

3活塞環氣密性檢測方法

活塞環氣體泄漏檢測方法，共分為三種，其一是靜態泄漏檢測方法，其二是動態泄漏檢測方法，其三是運動平衡態泄漏檢測方法。這些為主要針對專門研究開發活塞環的精確檢測方法。

3.1靜態泄漏檢測方法

靜態泄漏檢測方法是使發動機活塞停滯在氣缸上止點，利用壓縮機或者高壓氣瓶給燃燒室充入一定壓力的氣體，充入壓力氣體后，關閉進氣閥門的同時開始計時、測壓，通過壓力隨時間的變化情況來判斷活塞環氣密性的好壞。

優點：方法簡單，易于操作，成本較低，能比較準確的比較活塞環之間的優劣。缺點：和工作機實際是運轉狀態泄漏脫離，沒有運動狀態的實際干擾（溫度變化、潤滑油阻塞等影響），所以所得結果與實際泄漏誤差較大。

3.2動態泄漏檢測方法

是讓氣缸內氣體保持一個標準大氣壓，關閉充氣閥門，讓曲軸以一定轉速旋轉，活塞完成一個行程（壓縮行程或膨脹行程）到達另一個止點，檢測壓力變化和溫度變化，分析其泄漏量，判斷活塞環氣密性的好壞。

優點：方法簡單，成本較低：和工作機實際運轉狀態泄漏接近，存在有運動狀態的實際干擾，所以結果與實際泄漏誤差較小。缺點：和工作機實際運轉狀態泄漏接近，存在有運動狀態的實際干擾，但是測量只有一個活塞行程，時間短，測試隨機誤差大，驅動設備反映靈敏度也無法滿足要求，所以所得結果與實際泄漏誤差較大。

3.3運動平衡態泄漏檢測方法

是讓氣缸內氣體保持一個大氣壓，關閉充氣閥門，讓曲軸以一定轉速連續旋轉，活塞連續完成多個壓縮行程和膨脹行程，到達一個最高壓力和最低壓力趨于穩定的平衡點，檢測壓力和溫度隨時間（或轉數）變化，分析其泄漏情況，判斷活塞環氣密性的好壞。

優點：方法簡單，易于操作，成本較低：和工作機實際運轉狀態泄漏更接近，所有運動狀態的實際干擾都考慮到，所以所得結果與實際泄漏誤差最小。能較好的檢測和分辨出新型活塞環優劣，也能檢測出使用過一段時間的活塞環的泄漏程度，同時亦能檢測一批次出產的活塞環的品質好壞。缺點：效率相對于吉利公司的活塞環分揀機比較低，適合作為單個活塞環的比較檢測，而難于利用大批量的檢測，所以只做精密檢測的研究、開發試驗。

這三種漏氣檢測方法通過壓力傳感器等都能計算機控制得自動化檢測，如何提高檢測的準確度和檢測效率是以后研究的重點。而要實現自動化檢測，提高檢測的精度的關鍵是數學建模。目前建模一般從以下五個方程出發，建立聯合方程組進行建模：

一般首選就是理想氣體方程，這樣的優點就是建模相對比較容易，缺點是理想氣體與實際氣體有比較大的差別，因此從范德華氣體方程或維利愛方程或馬丁.候方程出發聯合其它四個方程進行建模，工作量會增大許多，但準確度同時也會提高，更接近于實際。

其次是漏光檢測：用漏光檢測來代替漏氣檢測，以提高檢測的精度。對活塞環的檢測要求非常嚴格。以氣缸基本內徑的環規作為標準具，將活塞環壓入其中，并保證活塞環的端面與環規的端面平行，則閉口間隙即其開口處縫隙的寬度；此時活塞環的外輪廓和標準環規內輪廓相結合，如果這個結合圓周上有縫隙能使特定強度的光線通過，那么對這些縫隙的統計就是漏光度。漏光度實際上代表的是活塞環在工作時，與氣缸壁結合的氣密性，將其作為替代的檢測參數，是因為察看光束比漏氣要方便得多。目前我國規定對活塞環的檢測主要從以下兩個方面進行檢測：（1）閉口間隙；（2）活塞環在活塞里面的漏光度。國家專門制定了檢測活塞環光密封度的標準（1）弧長測量精度<2度中心角對應的弧長；（2）連續漏光弧長對應的中心角<25度不連續漏光累計弧長所對應中心角<45度；點狀漏光不做漏光計；（3）閉口間隙處左右不漏光弧長對應中心角≥15度。以上標準是針對直徑為200mm以及一下的內燃機活塞環的。目前我國的活塞環閉口間隙檢測大部分依靠人工用塞尺測量，勞動強度高，檢測人員易疲勞。活塞環的漏光度檢測一般暗室里進行，首先把被測活塞環壓入標準環規，用光源照射環規，在暗室里觀察和估算漏光程度。對于工作人員來說，勞動強度更大，并且傷害眼睛。

4 總結

綜上所述，通過對內燃機活塞氣密性進行分析，可得出影響內燃機活塞環漏氣量。在以后內燃機活塞環生產過程中，可適當優化活塞環性能設計，如縮小漏氣通道面積、改善活塞環運動模式等。結合內燃機活塞環組環面加工精度的控制，可有效控制內燃機活塞環漏氣量。

參考文獻：

[1] 彭程，何云信.發動機活塞環氣密性的研究現狀和發展前景[J].裝備制造技術，2012，（1）：118—119.

[2] 張洪山.柴油機氣缸密封性檢測及其儀器的研究[J].農機使用與維修，2010，（4）：29.

[3] 陳洋，趙丹平，等.基于倒拖法檢測活塞環氣密性的試驗方法[J].機械工程 與自動化，2015，（3）：10—12.

[4] 于學軍.內燃機活塞環組密封性能研究[J].工程技術：全文版，2016（9）：86.

[5] 胡旭宜.表面織構對活塞環缸套系統摩擦、漏氣和油耗的影響[J].內燃機與配件，2017（4）：75-78.

（作者單位：嘉興市計量檢定測試院）