内燃机活塞环气密性检测研究浅析

肖敏 孙杰

摘要：机车油机的燃烧室是一个密闭的空间，随着机车的运用，有时由于活塞环槽内存有积炭颗粒或者活塞环发生偏磨、断裂、扭曲等故障情况会造成燃烧室密封不良，燃气下窜，机油上窜的现象，轻者造成发动机冒蓝烟，气缸内积炭增加，曲轴箱压力升高，造成机车经济性和动力性下降，排放污染上升；重者会造成油机拉缸、停机等设备故障，甚至火灾事故。因此，油机的气密性优劣不但可以衡量发动机工作性能的好坏，而且对保障运输生产的安全有序有着重要的作用。本文通过笔者工作经验和参考相关文献资料，对内燃机活塞气密性进行了进一步简要分析。

关键词：内燃机；活塞；气密性；检测

1内燃机活塞环简述

活塞环是嵌套在活塞的环槽中与缸体内壁相接触，具有开口的环。虽然活塞环外型简单，但在内燃机以及压缩机等做往复运动的零件中，它却是对机器性能有着重要影响的零件之一。活塞环的主要作用可以概括成以下几点：保持气体封密、控制机油、传热，支撑和润滑作用。发动机气缸的气体泄漏包含活塞环-气缸套部位气体泄漏、气缸垫泄漏、进排气门处泄漏、火花塞（喷油嘴）处泄漏。而在所有的气缸泄漏中，活塞环-气缸套部位气体泄漏占了很大的比例，约占据整个气缸泄漏的80%（1）缸的气密性好坏将会直接影响到整个发动机的动力性，经济性，排放性指标。

活塞环从功能的角度，可以分为两大类，一类为气环，氣环具有两个重要的功用，其一是与活塞共同作用密封发动机的燃烧室，防止泄漏：其二是导出活塞头部热量。另一类为油环，油环的主要作用是使均匀分布气缸壁面的润滑油，达到活塞润滑的目的，同时限制布油的量，防止润滑油布油过多在气缸内燃烧，避免产生过多的燃烧室积碳以及润滑油消耗过快等问题。气环与油环的配合使用，保证了气缸内的气密性和润滑性，因此现阶段的内燃机活塞环组采用多个气环和一个油环的组合。

2影响活塞环气密性因素

活塞环气环影响漏气量的因素主要有：活塞环漏光、弹力、工作闭口间隙、弹力消失率、挠曲度、开口间隙大小、气环外圆面与气缸套合情况、气环两端面与活塞环槽上下端面配合情况、气环数、润滑油运动压力等有关。

综上所述活塞环气密性检测是活塞环检测的最重要的指标。

3活塞环气密性检测方法

活塞环气体泄漏检测方法，共分为三种，其一是静态泄漏检测方法，其二是动态泄漏检测方法，其三是运动平衡态泄漏检测方法。这些为主要针对专门研究开发活塞环的精确检测方法。

3.1静态泄漏检测方法

静态泄漏检测方法是使发动机活塞停滞在气缸上止点，利用压缩机或者高压气瓶给燃烧室充入一定压力的气体，充入压力气体后，关闭进气阀门的同时开始计时、测压，通过压力随时间的变化情况来判断活塞环气密性的好坏。

优点：方法简单，易于操作，成本较低，能比较准确的比较活塞环之间的优劣。缺点：和工作机实际是运转状态泄漏脱离，没有运动状态的实际干扰（温度变化、润滑油阻塞等影响），所以所得结果与实际泄漏误差较大。

3.2动态泄漏检测方法

是让气缸内气体保持一个标准大气压，关闭充气阀门，让曲轴以一定转速旋转，活塞完成一个行程（压缩行程或膨胀行程）到达另一个止点，检测压力变化和温度变化，分析其泄漏量，判断活塞环气密性的好坏。

优点：方法简单，成本较低：和工作机实际运转状态泄漏接近，存在有运动状态的实际干扰，所以结果与实际泄漏误差较小。缺点：和工作机实际运转状态泄漏接近，存在有运动状态的实际干扰，但是测量只有一个活塞行程，时间短，测试随机误差大，驱动设备反映灵敏度也无法满足要求，所以所得结果与实际泄漏误差较大。

3.3运动平衡态泄漏检测方法

是让气缸内气体保持一个大气压，关闭充气阀门，让曲轴以一定转速连续旋转，活塞连续完成多个压缩行程和膨胀行程，到达一个最高压力和最低压力趋于稳定的平衡点，检测压力和温度随时间（或转数）变化，分析其泄漏情况，判断活塞环气密性的好坏。

优点：方法简单，易于操作，成本较低：和工作机实际运转状态泄漏更接近，所有运动状态的实际干扰都考虑到，所以所得结果与实际泄漏误差最小。能较好的检测和分辨出新型活塞环优劣，也能检测出使用过一段时间的活塞环的泄漏程度，同时亦能检测一批次出产的活塞环的品质好坏。缺点：效率相对于吉利公司的活塞环分拣机比较低，适合作为单个活塞环的比较检测，而难于利用大批量的检测，所以只做精密检测的研究、开发试验。

这三种漏气检测方法通过压力传感器等都能计算机控制得自动化检测，如何提高检测的准确度和检测效率是以后研究的重点。而要实现自动化检测，提高检测的精度的关键是数学建模。目前建模一般从以下五个方程出发，建立联合方程组进行建模：

一般首选就是理想气体方程，这样的优点就是建模相对比较容易，缺点是理想气体与实际气体有比较大的差别，因此从范德华气体方程或维利爱方程或马丁.候方程出发联合其它四个方程进行建模，工作量会增大许多，但准确度同时也会提高，更接近于实际。

其次是漏光检测：用漏光检测来代替漏气检测，以提高检测的精度。对活塞环的检测要求非常严格。以气缸基本内径的环规作为标准具，将活塞环压入其中，并保证活塞环的端面与环规的端面平行，则闭口间隙即其开口处缝隙的宽度；此时活塞环的外轮廓和标准环规内轮廓相结合，如果这个结合圆周上有缝隙能使特定强度的光线通过，那么对这些缝隙的统计就是漏光度。漏光度实际上代表的是活塞环在工作时，与气缸壁结合的气密性，将其作为替代的检测参数，是因为察看光束比漏气要方便得多。目前我国规定对活塞环的检测主要从以下两个方面进行检测：（1）闭口间隙；（2）活塞环在活塞里面的漏光度。国家专门制定了检测活塞环光密封度的标准（1）弧长测量精度<2度中心角对应的弧长；（2）连续漏光弧长对应的中心角<25度不连续漏光累计弧长所对应中心角<45度；点状漏光不做漏光计；（3）闭口间隙处左右不漏光弧长对应中心角≥15度。以上标准是针对直径为200mm以及一下的内燃机活塞环的。目前我国的活塞环闭口间隙检测大部分依靠人工用塞尺测量，劳动强度高，检测人员易疲劳。活塞环的漏光度检测一般暗室里进行，首先把被测活塞环压入标准环规，用光源照射环规，在暗室里观察和估算漏光程度。对于工作人员来说，劳动强度更大，并且伤害眼睛。

4 总结

综上所述，通过对内燃机活塞气密性进行分析，可得出影响内燃机活塞环漏气量。在以后内燃机活塞环生产过程中，可适当优化活塞环性能设计，如缩小漏气通道面积、改善活塞环运动模式等。结合内燃机活塞环组环面加工精度的控制，可有效控制内燃机活塞环漏气量。

参考文献：

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（作者单位：嘉兴市计量检定测试院）