浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影响

浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影响 浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影 响 12内燃机与配件2010年第l2期 浅析如何减少活塞环对发动机漏气量的影响 蒋景峰 (安庆帝伯格茨活塞环有限公司) [摘要]本文分析了活塞环影响发动机漏汽量的主要因素:漏气通路和活塞环运动 的平衡性, 并分析了如何改善活塞环的这些因素以降低发动机的漏气量. (关键词]漏气量通路面积活塞环顺应性惯性力活塞环震颤 漏气量的大小影响着发动机的输出功率,并 且随着发动机转速的提高和环保尾气排放的 降低,这种影响益发明显.所以如何改善影响漏气 量的主要零部件一活塞环,已日渐成为业界焦点. 作为密封件,由于自燃烧室传达到第l一道油环 的气体压力已非常小,所以活塞环主要是由气环 f尤其是第一道气环)影响发动机漏气量.通过理 论分析,我们认为气环影响发动机漏气量的因素 主要有两方面:活塞环工作间隙处的通路面积和 活塞环运动的平衡性.以下我们就从如何改善通 路面积和改善活塞环运动的平衡性这两点来加以 分析. 1改善气体通路面积 对于与汽缸壁贴合良好的活塞气环来说,高压 气体向曲轴箱方向运动的通道主要集中在活塞环 工作间隙处.图1显示高压气体在气环工作问隙处 的运动方向和途径: 图1 从图1我们可以计算出气体通路面积S: S=GxL? 如果活塞环外棱边倒角并且开口处倒角,则如 图2所示: 那么气体通路面积 S=G×(L—b)+(c×b+一C~2):/Cos0? 我们对某四缸汽油机第一道气环试验测试,结 果如下: 四冲程四缸汽油机: 内径×行程=4,80.5x78.0ram: 最大马力:51.5kW/5OOOrpm 汽缸气体通路面积S(mm)1二作间隙G(mm) o—o0.2450.38 ?,?0.1950.26 ?一?0.1230.08 ?一?0.1090.14(开口处倒角小) 1口D01D日?D0750005q0口O'…t(rDn) 图3 图3试验结果说明气体通路面积S与漏气量的大小成 正比关系,由此我们通过公式?,?可知:活塞环工作 间隙G,气环槽下侧面配缸间隙L,外棱边倒角b, 开口处倒角C以及外棱边倒角角度0皆与漏气量大 g 蒋景峰:浅析如何减少活塞:对发动机漏气量的影响13 小成正比,所以应尽可能减小这些值以减小漏气量. 对于与气缸壁贴合不良的气环,贴合处的缝隙 也是加大漏气通路的较大因素.对于这种缝隙如果 排除活塞环的漏光因素,一般是由汽缸套加工或安 装过程中产生的局部变形所导致的.在这种情况 下,高压气体会沿着活塞环外圆面与汽缸壁间的缝 隙渗漏,并加大活塞环外圆面的侧压,从而使渗漏 进一步扩大.如果汽缸套的变形只是单纯的椭圆形 状,则可以通过提高活塞环的顺应性来改善贴合状 况.活塞环的顺应性可以用公式3达: 8:一[(dl-a1)/212-Ft一? E水l 8___一活塞环顺应性d1一一气缸直径 al___一活塞环径向厚度F,一一活塞环切向弹力 E,一活塞环弹性模量I…一活塞环断面减弱系数 从公式?我们可以看出在汽缸直径d1一定的情况 下,Ft与8成正比,a1,E,I与6成反比.考虑到E,I 的变动会牵涉到其它因素的变动,我们可以通过合 理减小a1,增加n来增加活塞环的顺应性.另外, 在下面我们将公式?代入公式?,得到公式?: Ft=P*dl*h8/2? P…一活塞环接触面压 h8…一活塞环外圆面与汽缸壁接触高度 8:皿? ,):l=F1一 从公式?我们看出h8与6成正比,所以我们可以 通过降低活塞环轴向高度h1来降低h8,以达到增 加活塞环顺应性的目的. 2改善活塞环运动的平衡性 在发动机工作时,活塞的高速往复运动会给环 槽中的活塞环带来巨大的惯性力,从而在发动机达 到一定转速时引起活塞环震颤,迫使活塞环脱离环 槽上下侧面.致使燃烧室高压气体沿此通路下排到 曲轴箱,其原理如图4: 图4 我们应用如下公式?来计算活塞环运动所受的惯 性力F3: F3=—r*— ~r*al*h1* 丽(d1一-a1)2害.so+(c.s.) r…一活塞环材料比重N…一转速 卜___活塞行程0-__一曲轴角 从公式?我们可以看出,r,h1与惯性力大小成正 比,所以现在设计活塞气环时都采用强度高的球墨 铸铁或钢或其他轻质高强度材料,以降低环的轴向 高度a1,从而降低发动机运转时的惯性力,提高活 塞环发生震颤时的转速,得到满意的输出功率,图 5,图6的对比试验结果便能充分说明这个道理: 苇一硅气杈自离J【61桶l岢孽呻 囊气量<l/口in)c鸵盘N=6D0rpm) 图5 蕈一罩}气并析弗】l=.蔓对柚}量囟呐 圜5 为了提高活塞环发生震颤时的转速,我们也可 以通过倒角,倒台来使活塞环获得一定的扭曲量, 使它在工作时内外侧面分别贴紧环槽的上下侧.如 下图所示,依靠环槽的反作用力时活塞环免于过早 发生震颤.这种方法一般与降低环的轴向高度hl 结合使用. 图7 14内燃机与配件2010年第l2期 我们通过以下对比试验,结果表明这种方法减 少漏气的效果比较明显. / __ d=0一.. _.___'/ ,-2oJ卜-?一卜?一卜 J—__ r…..?r…?卜4ll.一5O' 0'日O05000600070098000B]DO特避(rpm) 图8 由图8分析我们可以归纳出,由于发动机转速的日 一 疽曲一圈9 益提高,要求输出功率的日益加大以及环保要求的 日益苛刻.近几十年来第一道活塞气环的发展趋向 以及今后的发展趋势如下: 参考文献 f1]ATG.《活塞环专业知识》.内部编写2005 【2】格茨公司.《活塞环手册》内部编写2006 [3]《活塞环课题及最近技术动向》日本帝国活塞环株式会社 (上接第8页) 磐.,: 一 无殂尼 一 复台夹层 图19采用复合哭层阻尼前后10号场点声压级频谱对比 如图18所示为辐射声功率级结果.与不含阻 尼结构的辐射声功率对比,可以看出.在300Hz, 1500Hz的频率域内除1100Hz左右的频段内声功率 级有所上升外,总的趋势是在整个频率域内,含有 复合夹层阻尼结构的油底壳辐射声功率级比无阻 尼结构都有所降低,在1450Hz左右,辐射声功率级 最多降低了约3dBfA),根据能量叠加原理.在O, 15O0Hz频段上油底壳采用阻尼处理前后总的表面 辐射声功率级降低了约ldB(A). 由图19中所示的10号场点在采用自由阻尼 结构前后的声压级频谱对比,可见,除在1000Hz一 1200Hz频段内声压略有升高外,整个频率域内.尤 其是1500Hz以上的高频段内,该场点处的声压有 大幅度的降低,最大降低量达到将近20dB(A).因 此,可以得到结论,对油底壳采用复合夹层阻尼结 构这种降噪措施能够有效地降低辐射声功率及辐 射声场中的声压,从而达到降低噪声的目的. 4结论 本文通过对油底壳表面辐射噪声及表面阻尼 处理的控制方法进行研究,主要得到了以下结论: (1)在对发动机油底壳进行结构动态响应分析 基础上,应用ATV(声传递向量)&MATV(模态声传 递向量1法,在声振分析软件SYSNOISE中计算得到 了油底壳的辐射声功率级,声场场点声压等声学结 果.表明,采用ATV&MATV方法对油底壳进行声 辐射特性研究是可行的,与文际情况相吻合.对油 底壳声辐射特性的仿真研究能够为其声辐射特性 设计提高理论依据. (2)建立了对油底壳表面进行阻尼处理的计算 模型.分析结果表明,在油底壳表面构造约束阻尼 结构能够衰减油底壳表面的振动,降低油底壳的辐 射声功率级,在所关注频段0,1500Hz内总的辐射 声功率级的降低量约为ldB(A).此外,通过分析所 建立的外声场场点处的声压级结果,可知,约束阻 尼降噪措施降低了场点处的辐射声压,个别频率处 降幅达几十dB. 参考文献 [1】索文超,韩树,张晶.内燃机降噪技术研究综述fJ].2005 『41:13~16. [2】赵志高.结构声辐射的机理与数值方法研究.华中科技大 学博士学位论文[D],2005. 【3】柯兵.用有限元/边界元方法计算结构体振动辐射声场.船 舶与海洋研究专集【C],2001. [4]张亮.油底壳辐射噪声场的计算仿真研究.吉林大学硕士 学位论文『D1,2001.