浅谈活塞环的作用和失效模式

赵世来，王相凯，张治国，孙秀毅

（华晨汽车工程研究院动力总成设计处，辽宁 沈阳 110141）

前言

活塞环是发动机内部运动件，发动机在工作时，随着活塞一起往复运动。从外观看，环结构很简单，但是在实际中，却起到惊人的作用，对于气环来说，其密封性直接影响发动机的动力；油环的刮油效果，直接影响到机油的消耗量。这里我们详细介绍一下活塞环的作用和失效模式。

1 活塞环的作用

1.1 密封作用

燃烧室是由汽缸、汽缸盖、活塞、活塞环、气门等组成。

燃烧室必须尽可能的密封气体，这样才能使得可燃气体快速燃烧，推动汽缸中的活塞向下运动，带动曲轴转动，此功能称为“密封气体”。见图1。

其中第一道环能密封 80-90%的气体；第二道环能密封10-20%的气体；油环能密封约5%的气体。

图1

1.2 控油作用

活塞环的控油作用：是指避免机油过多进入燃烧室，将机油消耗保持在所需水平，同时降低有害废气排放。

其中油环控制约70-90%的机油，气环控制约10-20%的机油。见图2。

1.3 传热作用

活塞环的传热作用：指活塞环将热量从高温的活塞传导至冷却的汽缸壁或发动机缸体上。

传热的途径：活塞—活塞环—汽缸—冷却介质（缸体）。

传热效率：70%-80%的热量从活塞环槽经由活塞环传至汽缸壁。见图3。

图2

图3

1.4 支撑作用

活塞环的支撑作用：是指避免活塞与缸套发生撞击现象，减小磨损。见图4。

图4

2 活塞环的失效模式

2.1 活塞环装反

失效现象

活塞环的标记面显示工人在安装时以把环装反，带有打刻的侧面被安装在活塞环槽的下表面，（图 5）正确安法是TOP面朝上（活塞顶面）。

图5

分析原因

当发生这种情况时，活塞环达不到预期效果。

对于第一气环而言，它的主要作用是密封气体。如果安反，容易使燃烧室内的空气向曲轴箱泄漏，在燃烧室内形成不良的可燃气体。润滑油温度和曲轴箱压力增加。

对于第二环而言，起到密封同时，还会起到控油的作用。如果安反，机油耗会增加，因为活塞环不是向下刮油，相反是向上泵油，使机油和可燃气体在燃烧室内参与燃烧，碳颗粒增加，还会加大对润滑油的污染，对发动机的运动产生很大的影响，特别是活塞裙部，轴瓦，衬套等。

2.2 弹簧口与钢带口重合

失效现象

螺旋撑簧油环中的弹簧开口，在装配时，与环体开口重合，严重影响其本身的弹力。（图 6）

图6

分析原因

在装配油环的过程中，一旦装成图示样式，影响油环的径向压力，影响到刮油的效果，径向压力减小，将使油耗增加。这种螺旋撑簧油环，要保证弹簧开口和环体开口成180°。

如果是3片式油环，那么3片的开口分别成90°放置。

2.3 安装时有杂质

失效现象

活塞环在接触面和两个侧面附着杂质。（见图7）

图7

分析原因

在发动机装配过程中活塞环被杂质污染。没有按照发动机制造商或生成商规定使用密封粘合剂，密封活塞环。因此，被污染的活塞环由于粘合剂的介入，压力在外圆不均匀分布，导致密封功能减弱，活塞环寿命缩短，导致机油耗增加，缸体不正常磨损。

2.4 安装工具有问题

失效现象

活塞环扭曲（开口端移位）或变形。（图 8、图9、图10）

图8

图9

图10

分析原因

安装活塞环到环槽时工具使用不当，活塞环受到不良张力而变形，呈螺旋状。因此，已安装活塞环的两端在环槽的侧面形成局部压力，磨损区域，紧接着使侧面的密封性减弱，在这种情况下，活塞环不能在环槽内转动，在运行面和汽缸壁产生不正常磨损现象。

在安装活塞环到活塞上时，用来夹紧活塞环并将其装入汽缸的工具叫活塞环专用卡钳，如果卡钳没有完全把活塞环装入环槽内，他的侧面将与汽缸上壁相碰撞，这可能造成活塞环断裂。（图10）

2.5 磨削杂质

失效现象

以下环显示了运行面（图 11、图12、图 13、图14、图15）和侧面（图 16、图17）划伤和早期磨损。

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

分析原因

空气中含有不同尺寸的固体杂质，这些杂质，如沙子，灰尘，碳或其它。当他们被吸入发动机，引起活塞环的严重磨损，导致活塞环运行面和侧面的表面早期磨损，径向厚度减小，开口间隙增加，压力降低，性能下降。

由以下原因会引起活塞环磨削污染

（1）空气滤清器有缺陷：滤芯或使用不正确，气管有洞或开裂，夹子损坏，进气系统不密封。

（2）加工残留杂质：镗孔后的磨削颗粒、风卷进来的杂质以及发动机原件，比如缸盖释放出来的颗粒没有清楚干净。

（3）燃油滤清系统：燃油滤清器使用不正确或燃油质量不好。

2.6 润滑不足

失效现象

活塞环运行面上有明显的刮伤。（图18—图22）

分析原因

（1）润滑油有一系列的功用，其中两种作用是：冷却发动机零件和减少运动件之间的摩擦。当燃烧在活塞顶部发生时，产生热量由活塞环消散。活塞环把热量传递到汽缸壁和壁上的润滑油。活塞环和汽缸形成的油膜大幅度减少。

（2）喷油系统有缺陷：缸壁油膜变稀，主要原因是喷油嘴没有调整正确。如果是汽油机，这样就会使汽缸壁的润滑油清洗掉。无论是汽油机还是柴油机，汽缸壁缺乏润滑油的现象将使摩擦加剧和环的热量增加，导致碎片和引起缸体擦伤或卡死，或者引起气缸过度磨损。

（3）润滑系统缺陷：磨损的润滑油泵将降低其泵油功能，因此，在油路中压力减小，危害发动机润滑，在这种情况下产生上述提到磨损。

图18

图19

图20

图21

图22

3 结论

发动机的失效模式不是孤立存在在，都是存在连带关系，无论哪个零件失效都会影响到发动机正常运转，例如，气环密封不好，会导致高温气体下窜，烧机油，积碳增多，润滑效果差，导致干磨。

多种失效模式的积累，对我们今后排除疑难问题是有帮助的。

[1] 周龙保等.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,1999.

[2] 吴兆汉.车辆发动机设计[M].国防工业出版社,1982.6.

[3] 陈大荣.船舶柴油机设计[M].国防工业出版社,1985.12.