淺談發動機活塞環-氣缸表面潤滑狀態的影響因素＊

孫長勇

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

1 活塞環—氣缸表面潤滑油膜在運行中的影響

活塞環是汽車發動機的核心部件之一， 其工作的好壞直接影響發動機的運行性能，并且活塞環又是易損壞的部件。一般活塞環和氣缸之間的磨損有以下主要特點：活塞環在氣缸內從“0m/s”到“30m/s”左右做往復上下運動時，速度幅度反復變化較大；活塞環在氣缸內運行的過程中，工作循環中的四個行程使氣缸的壓力變化幅度也很大；在工作循環中的作功行程中，燃油混合氣燃燒作功，發動機活塞環是在高溫高壓下進行往復運動的，氣缸壁上的油膜很難建立，使發動機活塞環與氣缸常常處于臨界潤滑狀態，所以其潤滑程度相對較弱。

2 活塞環—氣缸潤滑狀態的研究現狀

2.1 工況參數對活塞環—氣缸潤滑狀態的研究

Harigaya Y 等通過雷諾方程和二維非穩態能量方程，研究了潤滑油溫度和潤滑油粘度對活塞環—氣缸之間油膜厚度的影響：計算潤滑油膜厚度可以利用潤滑油溫度估算潤滑油的粘度來得到；低溫條件下，潤滑油粘度降低而剪切速度加快，相反的條件下，剪切速度對潤滑油粘度影響不大。AvanEY等對超聲技術檢測活塞環—氣缸之間潤滑油膜厚度的研究表明，空穴效應較大影響了超聲技術檢測的數據結果。朱黃龍等對不同發動機運行狀況下的潤滑狀態的研究表明了發動機在運行中上下止點的油膜厚度最小，但隨著發動機運行速度的加快而油膜厚度變大。孫軍與熊春華等也分別對潤滑油粘度、潤滑油入口溫度以及摩擦面相對運動速度等參數進行了潤滑狀態影響的研究。

2.2 表面形貌對活塞環—氣缸潤滑狀態的研究

Ji-Young K 等通過研究活塞環—氣缸的潤滑狀態及相對摩擦系數性能，證明了潤滑狀態下的摩擦消耗率與發動機活塞環的彈力和表面平滑度有很大影響，且發動機活塞環的彈力為主要因素。FatjoG A 等利用微型傳感器準確、反復檢測活塞環—氣缸之間潤滑油膜的厚度。AiMK A 等通過建立仿真模型對塞環—氣缸的潤滑狀態的研究，證明了塞環—氣缸之間的摩擦力與潤滑狀態與發動機潤滑油的粘度、轉速有很大關系。Morris N 等研究表明了發動機活塞環結構形式的改變對塞環—氣缸的潤滑狀態有很大影響。段京華等研究了塞環—氣缸表面平滑度與潤滑油的粘性對潤滑狀態的作用，最后證明油膜的厚度與粘度有很大關系，但表面平滑度對其作用不大。

2.3 結構參數對潤滑狀態的研究

Usman A 等研究發動機氣缸套結構對活塞環—氣缸潤滑狀態的影響，結果表明發動機冷態狀態下，塞環—氣缸之間潤滑油膜厚雖然很厚，但是摩擦損耗也很大，同時潤滑油的粘性剪切也起到很大影響。Kirner c 等對缸套活塞環之間的竄氣和潤滑油流動情況也進行了深入研究。Organisciak n 等研究了活塞環—缸套之間相互運動之間部件結構形式對發動機潤滑油膜和壓力分布的影響。周龍等通過活塞環桶面高度和軸向高度等結構參數對活塞環—缸套潤滑狀態的研究，表明較小的桶面高度可以提高活塞環—缸套的潤滑狀況。

3 活塞環—氣缸潤滑狀態影響因素的分析

3.1 活塞環在氣缸內運動時，與摩擦有關主要因素所造成的影響

影響活塞環在氣缸內運動摩擦有關的主要因素是發動機負荷、潤滑油的粘度以及發動機轉速。在特定條件下轉速、負荷和潤滑油粘度3 個參數中，固定兩個參數的值不變，而讓另一個參數的值變化：當發動機轉速增加時，油膜變厚，摩擦力亦隨之增大；隨著負荷的增加，油膜變薄，摩擦力增大；在粘度很高時，即使油膜變厚，摩擦力也還是要增大的。

3.2 實際工作情況下的動態油膜厚度的影響

在實際運行工作中，活塞環所受的負荷和潤滑油粘度都是隨活塞環在氣缸中位置而變化的。一般在排氣行程和進氣行程中，活塞環的背壓力相對較小，活塞環作用在氣缸壁上的壓力也相對較小，因而發動機活塞在氣缸壁上運行后形成的油膜厚度較壓縮行程和作功行程時的油膜厚度大。而作功行程和壓縮行程相比，由于作功行程中燃油混合氣燃燒產生較大壓力的高溫高壓氣體作用在活塞和氣缸壁上，導致活塞環的背壓力較大，同時加上高壓氣體對氣缸壁上油膜的沖刷，使氣缸壁上的油膜厚度小于壓縮行程中的膜厚。通過分析可以得出，油膜厚度達到極小值是在活塞剛過上止點之后，燃氣壓力的最大值發生在上止點稍后，所以油膜的最薄處也在該處（在2μm 以下），因此活塞環在上止點位置對應的氣缸壁處磨損最大。

3.3 適當提高發動機平均轉速對發動機磨損產生的影響

隨著發動機轉速的提高，油膜厚度及摩擦力都會相應的增大，但其增長率明顯低于發動機轉速的增長率。如果發動機的轉速過高，會使活塞環與氣缸壁的摩擦力增大，導致發動機溫度升高，從而潤滑油的粘性變差，最后造成油膜厚度受到高溫影響而減小，反而增加發動機的磨損。

4 結論

從上述國內外專家研究的研究現狀來說，活塞環—氣缸的潤滑狀態是一個重點，提高潤滑程度降低摩擦力是汽車發動機技術發展的必然趨勢，這樣就可以使內燃機在理想的狀態下工作。通過對發動機活塞環-氣缸表面潤滑狀態的影響因素研究，可以更好的掌握目前的研究方向和領域，為以后的發動機活塞環-氣缸表面潤滑狀態的研究打好堅實的基礎。