赵文娟，赵丹平，吴双群，陈洋

（内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051）

活塞环密封性计算与试验的研究

赵文娟，赵丹平，吴双群，陈洋

（内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051）

本文介绍了新型复合活塞环的动态理论依据，对活塞环建立动态数值模型，模拟计算了新型复合活塞环与传统活塞环开张x值（气缸增加和减小的半径之差）并进行比较，与此同时进行基于倒拖法的动态试验研究。结果表明，动态数值模拟和基于倒拖法的实验都证明了新型复合式活塞环密封性优于传统活塞环，且低速度段最大爆发压力就提高10%以上，随着转速升高，新型复合式活塞环比传统活塞环更能表现其优越的密封性。

活塞环；数值模拟； 倒拖法；密封性

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-74-03

前言

随着内燃机不断向小型化、低排放、高速化、轻量化的方向发展，对燃烧室高温，高压的燃烧环境提出了更高的要求，燃烧内零部件也受到了越来越严峻的挑战。活塞环作为构成燃烧室的重要零件具有“密封、刮油布油、导热和支承”四大功能[1]，其中密封性更是评价活塞环好坏的重要标准之一。其密封性能对发动机的性能有很大的影响。密封不良，直接影响到发动机燃烧效率，降低发动机功率，并且浪费燃料，而且排放物对环境的污染较为严重。因此提出并对新型复合活塞环的试验研究具有重要的意义。

1、复合式活塞环的结构及密封分析[2]

1.1 复合式活塞环的结构

新型复合活塞环采用三环叠加为一环装入一个环槽的单环槽结构，并且环与环开口相互错开120°[3]。上环和下环采用正扭曲环，中间环较上环和下环要厚一些，同时中间环开口间隙要大一些，以补偿热膨胀量，防止活塞环卡死在活塞环槽中。其结构见图1。

1.2 复合式活塞环密封性分析

图2为新型复合式活塞环的结构图，其中上浮动气环，下浮动气环主要密封气缸壁和活塞之间的间隙。中间稳定气环配合上环和下环一起密封活塞环开口间隙。气体首先从燃烧室流进到气缸壁与活塞之间的间隙中，然后气体通过活塞环上端面和活塞环槽上侧面之间的间隙进人到活塞环背面中。由于此时活塞环开口间隙已经被封闭了，气体只能沿活塞环端面进入背隙空间。同时气体的曲折流动，也可以有效地增加流动阻力，减小逸放系数，从而减少气体泄漏量。

上下两环的结构可以增加活塞环自身的弹力，从而增强其自密封功能；材料的减少和制作工艺的优化降低了活塞环生产成本；中间稳定环的截面积和质量与上下浮动环不同，所以共振频率不同避免了活塞往复运动过程中所造成的活塞环悬浮和颤振；同时环与环之间相对运动可以使新型活塞环具有一定的自洁能力，避免积碳带来的影响；由于环开口间隙漏气量小，导致气体压力在活塞环所受到的力中起主要作用，这使得活塞环与环槽贴紧，有助于密封[4]；因此，新型复合式活塞环使发动机的环保性、经济性和动力性将会有提高。

2、活塞环密封性数值模拟

2.1 数学建模

柴油机在工作工程中，气缸表面由于热和机械变形以及不均匀的磨损而形成一种复杂的形状。直径发生着变化，并且尺寸的减小和增大任意的交替变化着。在这种情况下，活塞环为了起到起作用，应该多次以相应的方式改变尺寸和形状，这些补偿状况根据气缸表面变化的特点而不同。

在整个工作周期内，活塞环都发生着张开和收拢运动，活塞环张开时，作用在环上的力有弹力、惯性力、在张开平面上产生的摩擦力以及由发动机形成决定的气体压力。活塞环张开平面的摩擦力由迫使其贴紧环槽上方或下方端面的压力所产生。由于在活塞运动的大部分行程上，惯性力和气体压力作用方向不同，减小了摩擦力的数值，因此活塞环在其张开平面中的摩擦力可以忽略不计。

活塞环从小气缸直径部分到大直径张开过程，整个环要向与切口相反的方向转动。这个过程可以用在沿切线方向施加于其自由度端的力的作用下，两个刚性半径张开的方程来表示。

通过以上分析，活塞环张开过程的运动方程可以表示如下：

JA活塞环对其张开中心线的惯性矩

J0活塞环对其重心的惯性矩

JA活塞环的质量

D气缸的名义直径

h活塞环截面的径向厚度

ϕ活塞环张开到半径增大x值时两半径的转角

t经历的时间

z环的抗弯刚度

S活塞环自由状态的开口间隙值和压缩到气缸直径时的开口间隙之差

∆S 活塞环张开到半径增大x值时的切口间隙增量

x在相距L长度处所增大及减小的气缸半径之差

如果∆S仅用气缸表面变形计算，那么我们可以用下面公式精确求出：

但是经过试验证明，活塞环半径磨损速度是气缸直径磨损速度的一倍，故上式变成：

对未变形气缸中的活塞环和气缸磨损所引起的活塞环直径变化情况，ϕ角的数值可有下式求出：

将公式（4）和（5）代入公式（1）中，得微分方程：

活塞环基本尺寸

2.2 传统活塞环计算

对于传统活塞环计算过程，我们直接带入公式进行计算。最后算得在2000rmp时为46.4微米，2800时为24.8微米，3200时为18.7微米。

从计算结果我们看出随着转速增加X的值越小，计算三个不同转速数值是为了和后面新活塞环的比较。

2.3 新型复合式活塞环

所以新型活塞环计算公式为：

2.4 计算结果

根据活塞环参数代入公式，理论计算了发动机正常工作时在一定时间内活塞环开张x值（气缸增加和减小的半径之差）。计算结果如表2：

通过计算我们可以得知，在相同条件下（时间、转速、材料等）新型复合式活塞环张开值比传统活塞环张开值小，也就意味着新型复合式活塞环气密性比传统活塞环更加优越，气缸内压力也应更高。

3、试验探究

3.1 试验方案与方法

试验采用S195型柴油机（单杠、4冲程、缸径为95mm）及其配件，采用倒拖法对不同转速下安装不同结构活塞环的柴油机进行了气缸内压力测试。试验台架结构图如下：

3.2 实验数据与数据分析

因文章篇幅有限，而且速度越高对传感器影响越大，为了保证数据有效性，在此我选取了中底转速下的数据进行比较。数据如下：

通过三组图像我们可以看出，曲线平稳，图像中偶尔出现的异常数据点在数据处理中完全可以消除。所以试验数据可以用来分析活塞环气密性的好坏。比较之后可以很明显的发现，在相同条件下新型复合式活塞环的压力比传统活塞环的高，230r/min时最大爆发压力新型复合式活塞环的值为2.408MP，而传统活塞环最大爆发压力为2.173MP，提高了10.8%。650r/min时最大爆发压力新型复合式活塞环的值为1.96MP，而传统活塞环最大爆发压力为1.746MP，提高了12.3%。900r/min时最大爆发压力新型复合式活塞环的值为1.92MP，而传统活塞环最大爆发压力为1.5843MP，提高了21.2%。将所采集数据新型活塞环和传统活塞环实验数据拟合到如图10。

通过以上图像和计算分析显示，在所测转速范围内，新型活塞环爆发压力明显比传统活塞环的低，而且随着转速升高，提高的百分率越高。这就证明了新型活塞环的密封性优于传统活塞环，而且转速越高，就越能体现新型活塞环的优势。

4、结论

（1）本文通过对新型活塞环和传统活塞环的动态数值模拟计算和试验数据分析两方面准确对比，证明了新型活塞环气密性比传统活塞环更加优越。

（2）通过对中底转速的数据整理分析，发动机转速越高，新型活塞环最大爆发压力提高的百分比越大，即新型活塞环在中速甚至高速时更能体现其优越性。

[1] 单绍平.高效组合式活塞环的研究[J].郑州铁路职业技术学院学报, 2007, 19( 3) : 6-7.

[2] 陈洋,吴双群,赵丹平.新型复合式活塞环气密性仿真与静态试验的研究[J].装备制造技术. 2014.

[3] 梁刚,赵丹平,陈洋等.基于新型复合式单气环与传统活塞环气密性的静态实验研究[J].装备制造技术.2012:01-8.

[4] 杜建鼎,赵丹平.发动机新型复合式单气环的研究[J].内燃机与动力装置.2012:01-8.

[5] 陆威崙.活塞环密封性的计算 [J].国外汽车, 1977.

[6] Munro Robert. Emissions Impossible-The Piston &Ring Support System [J].SAE Transacti-ons.1990.v 99.n Sect3:1246-1257.

Static simulation and experimental study of composite piston ring seal new

Zhao Wenjuan, Zhao Danping, Wu Shuangqun, Chen Yang
( Inner Mongolia University of Technology, Neimenggu Hohehot 010051 )

In this paper, the dynamic theoretical basis of a novel composite piston ring is described , the opening values (x) are simulated and compared between the novel composite piston ring and the traditional piston ring. At the same time, they are simulated using the dynamic test based on the motoring method. Simulation results show that the novel composite piston ring performs better than the traditional piston ring, the maximum explosion pressure improved more than 10%. And the novel composite piston ring has more advantage in sealing at high rotational speed.

composite piston rings；seals；friction；lubrication

U467.3

A

1671-7988(2015)06-74-03

赵文娟，就读于内蒙古工业大学能源与动力工程学院，学术型硕士，研究方向为汽车节能技术。