基于S-195柴油机活塞环气密性测试方法的研究

乔智星，赵丹平，冯强

（内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特010051）

基于S-195柴油机活塞环气密性测试方法的研究

乔智星，赵丹平，冯强

（内蒙古工业大学，内蒙古呼和浩特010051）

通过使用静态测试法和运动平衡态测试法对传统活塞环和新型组合式活塞环的实验研究，探讨其对S-195型柴油机的密封性的影响。结果表明，运动平衡态测试方法优于静态测试方法。

S-195柴油机；活塞环；运动平衡态测试法；静态测试法

众所周知，活塞环的气密性影响发动机的动力性、经济性以及排放性能。其密封性好，发动机动力性强；密封不良，气缸压缩压力低，燃气泄漏到曲轴箱，造成燃油浪费，影响大气环境[1]。因此，活塞环气密性测试方法的研究很有意义，本文主要针对静态测试和运动平衡态测试方法进行研究。

1 静态测试方法

静态测试就是在给气缸充入一定压力的气体，让缸内气体只通过活塞环一处泄漏，并且采集气缸内实时压力，利用理想气体状态方程计算漏气量。静态测试可以看成带有一个通孔的封闭容器[2]，向外界泄漏的过程如图1所示。

图1 气体静态泄漏模型

根据以上的测试原理搭建了试验台架，试验台架主要由S195柴油机、空气压缩机、储气罐、高压气管、阀门、压力表、压力传感器以及数据采集模块组成[3]好各个设备后，在保持相同的初始压力的情况下，分别测量安装有组合式活塞环[4]和传统活塞环时的气缸压力保持时间。按照如下试验步骤进行：

（1）安装组合式活塞环；

（2）转动曲轴使活塞到达上止点，接通空压机电源，打开阀门，向储气罐和气缸内充气；

（3）待气压表指向0.5 MPa左右时关闭空压机；

（4）数据采集系统采集开始气缸内压力数据并储存；

（5）安装传统活塞环，重复上述（1）～（4）实验步骤；

（6）实验完成后将实验装置拆卸放置。

为了得到精确的实验数据，应该重复试验三次，结果取平均值。

根据理想气体状态方程，可以得出某一段时间内活塞环气体泄漏质量△m[5]

式中，P1、P2分别为泄漏前后的气缸压力；V为燃烧室容积；Rg为气体常数；T为温度。

对上式方程两边同时求导，得到气体泄漏量：

下图2是通过MATLAB处理数据得到的活塞环漏气量的拟合图。

图2 活塞环漏气量拟合

将各数据带入上式，可以得出静态测试两种活塞环的泄漏量。两种活塞环漏气量差值如图3所示。

图3 静态测试活塞环漏气量差值

从以上数据可以得出，静态测试方法最大漏气量绝对差值达到5.3 kg/s，相对差值为39.8%.

2 运动平衡态测试方法

运动平衡态测试方法的原理是：不依靠柴油机本身的动力，利用调速器和电机倒拖柴油机，使曲轴连续运转，活塞完成多个运动行程，利用压力传感器和温度传感器检测缸内压力、温度状态，运用数据采集和分析模块，把压力信号和温度信号转变成数字信号，再利用这些数据计算其泄漏量，判断活塞环气密性的好坏。试验设备图如图4所示。

图4 实验设备

准备工作完成后，按照以下步骤进行：

（1）将活塞从气缸内取出，装上传统活塞环后装入单缸机；

（2）为了降低电机的拖动阻力，启动时将柴油机减压阀打开，打开电机拖动柴油机运转，待转速稳定后关闭单缸机减压阀；当单缸机运转10 min后，结束热车，接通数据采集系统进行压力、温度数据的采集；

（3）在一定的转速范围内，记录转速稳定后的气缸最高压缩压力值；

（4）同时记录每个最高压缩压力值对应的温度值；

（5）更换组合式活塞环，并重复以上步骤。

在压缩行程，活塞由下止点运动到上止点，根据理想气体状态方程可以得出在某一转速下压缩行程活塞环泄漏量△m：

上式中，初始压力P0=0.1 MPa，T0=293 K，S195柴油机参数V，以及采集到的气缸最高压缩压力、温度数据带入式中，可以得到两种活塞环的压缩行程漏气量。压缩行程漏气量随转速变化的拟合图如图5所示。

图5 压缩行程漏气量随转速变化规律

同理可以得到两种活塞环漏气量差值，如图6所示。

图6 运动平衡态漏气量差值

通过观察上图，得出运动平衡态漏气量绝对差值最大为1.16×10-4kg，相对差值为20.5%.

3 测试方法对比分析

比较图3和图6可以发现，两种测试方法得到的漏气量随压力变化规律不一致，静态测试泄漏量随着压力的增大而增大[6]，运动平衡态泄漏量随着压力的增大而减小，原因是静态测试是一个密封容器泄漏模型，活塞环是静止的，采用保压测量方法，缺少机油密封作用，是造成气体压力越大泄漏量也越大原因。而运动平衡态测试是接近于发动机实际运转情况，当气缸压缩压力增大时，气体对活塞环的径向力增加，活塞环与气缸壁贴合更加紧，同时，气体压力增加，减少了活塞环浮动的几率。两种方法都可以用来检测活塞环气密性。对比上述数据，可以看出，静态测试漏气量最大相对差值为39.8%，而运动平衡态测试最大相对差值为20.5%，运动平衡态测试漏气量相对差值更小，这是因为静态测试只是一个简单的密闭容器通过小孔的泄漏过程，这时活塞环紧贴在环槽上，忽略了由于活塞环浮动产生的泄漏。而运动平衡态更加接近于真实的活塞环泄漏过程，所以测试方法更加精确。静态测试方法设计简单，国内外大量学者研究活塞环泄漏时采用这种方法，试验手段较为成熟，已经研发出了相应的试验样机，适用于简单的气密性试验。运动平衡态测试更加接近发动机实际运行过程。

4 结束语

为了比较两种测试方法，分别在各自方法的基础上对新旧活塞环的气密性进行研究，结果发现，在静态测试中，两种活塞环的漏气量相对差值是39.8%，而在运动平衡态测试中，两种活塞环漏气量相对差值为20.5%，可以说明，采用运动平衡态测试更加精确、合理，运动平衡态测试方法优于静态测试方法。

[1]陈有方，曹建国，牟小云，等.汽车原理及构造[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

[2]沈远胜，刘宗明.压力容器泄漏孔大小的压力变化率预估方法[J].热能动力工程，2010（11）：25-26.

[3]王吉华.内燃机数据采集和分析系统的研究[J].内燃机学报，1999，17（4）：391-396.

[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，2012，8（1）：1-8.

[5]李岳林.工程热力学与传热学[M].北京：人民交通出版社，2013.

[6]周红军.气缸密封性的恒压检测方法机床与液压[J].机床与液压，2007（5）：192-193.

Study on Blow-by of Piston Ring based on S-195 Diesel Engine

QIAO Zhi-xing，ZHAO Dan-ping，FENG Qiang
（Inner Mongolia University of Technology，Hohehot Inner Mongolia 010051，China）

By using static test method and the motion equilibrium test method to the traditional piston ring and experimental study of new composite piston ring，discusses its impact on S-195 type diesel engine sealing.It’s turn out to be that the movement equilibrium method is better than the static test method.

S-195 type diesel engine；piston ring；the static test method；the movement of equilibrium test

TK422

A

1672-545X（2017）03-0033-03

2016-12-01

乔智星（1992-），男，内蒙古巴彦淖尔人，在读硕士研究生，研究方向为发动机节能技术。