浅谈发动机活塞环-气缸表面润滑状态的影响因素＊

孙长勇

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

1 活塞环—气缸表面润滑油膜在运行中的影响

活塞环是汽车发动机的核心部件之一， 其工作的好坏直接影响发动机的运行性能，并且活塞环又是易损坏的部件。一般活塞环和气缸之间的磨损有以下主要特点：活塞环在气缸内从“0m/s”到“30m/s”左右做往复上下运动时，速度幅度反复变化较大；活塞环在气缸内运行的过程中，工作循环中的四个行程使气缸的压力变化幅度也很大；在工作循环中的作功行程中，燃油混合气燃烧作功，发动机活塞环是在高温高压下进行往复运动的，气缸壁上的油膜很难建立，使发动机活塞环与气缸常常处于临界润滑状态，所以其润滑程度相对较弱。

2 活塞环—气缸润滑状态的研究现状

2.1 工况参数对活塞环—气缸润滑状态的研究

Harigaya Y 等通过雷诺方程和二维非稳态能量方程，研究了润滑油温度和润滑油粘度对活塞环—气缸之间油膜厚度的影响：计算润滑油膜厚度可以利用润滑油温度估算润滑油的粘度来得到；低温条件下，润滑油粘度降低而剪切速度加快，相反的条件下，剪切速度对润滑油粘度影响不大。AvanEY等对超声技术检测活塞环—气缸之间润滑油膜厚度的研究表明，空穴效应较大影响了超声技术检测的数据结果。朱黄龙等对不同发动机运行状况下的润滑状态的研究表明了发动机在运行中上下止点的油膜厚度最小，但随着发动机运行速度的加快而油膜厚度变大。孙军与熊春华等也分别对润滑油粘度、润滑油入口温度以及摩擦面相对运动速度等参数进行了润滑状态影响的研究。

2.2 表面形貌对活塞环—气缸润滑状态的研究

Ji-Young K 等通过研究活塞环—气缸的润滑状态及相对摩擦系数性能，证明了润滑状态下的摩擦消耗率与发动机活塞环的弹力和表面平滑度有很大影响，且发动机活塞环的弹力为主要因素。FatjoG A 等利用微型传感器准确、反复检测活塞环—气缸之间润滑油膜的厚度。AiMK A 等通过建立仿真模型对塞环—气缸的润滑状态的研究，证明了塞环—气缸之间的摩擦力与润滑状态与发动机润滑油的粘度、转速有很大关系。Morris N 等研究表明了发动机活塞环结构形式的改变对塞环—气缸的润滑状态有很大影响。段京华等研究了塞环—气缸表面平滑度与润滑油的粘性对润滑状态的作用，最后证明油膜的厚度与粘度有很大关系，但表面平滑度对其作用不大。

2.3 结构参数对润滑状态的研究

Usman A 等研究发动机气缸套结构对活塞环—气缸润滑状态的影响，结果表明发动机冷态状态下，塞环—气缸之间润滑油膜厚虽然很厚，但是摩擦损耗也很大，同时润滑油的粘性剪切也起到很大影响。Kirner c 等对缸套活塞环之间的窜气和润滑油流动情况也进行了深入研究。Organisciak n 等研究了活塞环—缸套之间相互运动之间部件结构形式对发动机润滑油膜和压力分布的影响。周龙等通过活塞环桶面高度和轴向高度等结构参数对活塞环—缸套润滑状态的研究，表明较小的桶面高度可以提高活塞环—缸套的润滑状况。

3 活塞环—气缸润滑状态影响因素的分析

3.1 活塞环在气缸内运动时，与摩擦有关主要因素所造成的影响

影响活塞环在气缸内运动摩擦有关的主要因素是发动机负荷、润滑油的粘度以及发动机转速。在特定条件下转速、负荷和润滑油粘度3 个参数中，固定两个参数的值不变，而让另一个参数的值变化：当发动机转速增加时，油膜变厚，摩擦力亦随之增大；随着负荷的增加，油膜变薄，摩擦力增大；在粘度很高时，即使油膜变厚，摩擦力也还是要增大的。

3.2 实际工作情况下的动态油膜厚度的影响

在实际运行工作中，活塞环所受的负荷和润滑油粘度都是随活塞环在气缸中位置而变化的。一般在排气行程和进气行程中，活塞环的背压力相对较小，活塞环作用在气缸壁上的压力也相对较小，因而发动机活塞在气缸壁上运行后形成的油膜厚度较压缩行程和作功行程时的油膜厚度大。而作功行程和压缩行程相比，由于作功行程中燃油混合气燃烧产生较大压力的高温高压气体作用在活塞和气缸壁上，导致活塞环的背压力较大，同时加上高压气体对气缸壁上油膜的冲刷，使气缸壁上的油膜厚度小于压缩行程中的膜厚。通过分析可以得出，油膜厚度达到极小值是在活塞刚过上止点之后，燃气压力的最大值发生在上止点稍后，所以油膜的最薄处也在该处（在2μm 以下），因此活塞环在上止点位置对应的气缸壁处磨损最大。

3.3 适当提高发动机平均转速对发动机磨损产生的影响

随着发动机转速的提高，油膜厚度及摩擦力都会相应的增大，但其增长率明显低于发动机转速的增长率。如果发动机的转速过高，会使活塞环与气缸壁的摩擦力增大，导致发动机温度升高，从而润滑油的粘性变差，最后造成油膜厚度受到高温影响而减小，反而增加发动机的磨损。

4 结论

从上述国内外专家研究的研究现状来说，活塞环—气缸的润滑状态是一个重点，提高润滑程度降低摩擦力是汽车发动机技术发展的必然趋势，这样就可以使内燃机在理想的状态下工作。通过对发动机活塞环-气缸表面润滑状态的影响因素研究，可以更好的掌握目前的研究方向和领域，为以后的发动机活塞环-气缸表面润滑状态的研究打好坚实的基础。