CN1182829A - 一槽双环活塞一槽双环活塞环 - Google Patents

Abstract

一槽双环活塞一槽双环活塞环属发动机技术领域。目的要解决活塞环开口间隙增大及更换活塞环后产生的漏光度,提高活塞环与气缸的密封性能。本发明通过调查研究从实践与理论上,对活塞环磨损环开口间隙增大伴随的背间隙增大、侧间隙增大所致活塞与气缸壁间窜气漏油问题,提供了依据,提出新的见解。并对加强第一道气环的润滑与密封,减缓活塞工作时对缸壁的摆动冲击提出了新的措施,用于各种类型的汽油机、柴油机。

Description

一槽双环活塞一槽双环活塞环

本发明属发动机技术领域

现有背景技术

结构：现时发动机活塞，活塞环槽不论几道，每道槽均放一个活塞环，为一槽一环。

缺陷：新发动机经使用后活塞环开口间隙逐渐增大，当开口间隙大于规定的极限值时，气环漏气气缸压缩压力降低，发动机功率下降，油环及气环刮油能力变差，机油超耗。

活塞环开口间隙达到规定的最大极限值时，需更换活塞环。由于活塞在气缸内呈水平或上斜方向作往返高速运动以及受侧向力影响，气缸内径磨损不均，气缸内径受活塞重力部位磨损增大，使气缸内径形成椭圆。椭圆的长轴与新活塞环形成间隙产生漏光度造成气缸密封性降低；新活塞环需与气缸壁重新磨合至漏光度消失，此时为活塞环与气缸壁的最佳磨合状态。但此同时，活塞环随着外径的磨合开口间隙逐渐增大，活塞环从开口间隙的角度来说，使用寿命减短。下面用数例加以说明：

一般活塞环在气缸内的开口间隙

标准值0.15-0.3MM 极限值05MM

1、新气缸安装新活塞新活塞环时，活塞环开口间隙为0.15MM，新活塞环与新气缸壁磨合至最佳磨合状态时，活塞环在缸内开口间隙为0.2MM。从最佳磨合状态环开口间隙0.2MM至极限值0.5MM，尚有0.3MM，所以第一个活塞环使用寿命最长。

2、新发动机经使用第一次更换活塞环也就是新气缸使用第二个活塞环时，由于缸壁磨损气缸内径已增大，此时安装第二个新活塞环，活塞环的开口间隙已比第一个活塞环开口间隙增大，为0.22MM。由于气缸壁磨损不均，漏光度比第一次增多，从更换第二个环至最佳磨合状态，环开口间隙已达0.3MM，距极限值0.5MM，尚有0.2MM，活塞环使用寿命缩短。

每次更换活塞环，漏光度均比上次增加，磨合期延长，环的使用寿命均比上次缩短。发动机功率从新机开始，逐渐降低，直至气缸更换缸套为止。

3、由于每次更换的活塞环需与气缸壁重新磨合，加速了缸壁的磨损，同时，由于环开口间隙增大及缸内径椭圆长轴与活塞环外径所形成的间隙引起活塞与缸壁间串火，至使活塞环弹性减弱或烧结。

4、活塞环的磨损大于活塞、气缸的磨损。经过十几年的观察总结：气缸、活塞、活塞环正常磨损(无拉缸)更换比例在1∶3∶9，也就是说：一个气缸，可使用更换3个活塞，每个活塞可使用更换3次活塞环。

一槽双环活塞及活塞环是针对现有发动机的以上缺陷而构思、设计的。

一槽双环活塞及活塞环的结构：

1、双环活塞环：按原发动机活塞环的规格、高度(宽度)减少10％，厚度增加15％。使活塞环的高(宽)厚比一般在1∶2至1∶1.3，即活塞环公称直径小的、高(宽)厚比大点，活塞环公称直径大的，高厚比小点。

2、一槽双环活塞：把活塞环槽加宽加深，每个环槽内放两个活塞环，两环端长面侧(小口)相连，两环开口错开。

具体做法是：按原活塞环的规格高度(宽度)减少10％，厚度增加15％，制成新活塞环。

按原活塞规格，活塞顶部至第一道槽的间距(火力岸)、两槽间距(槽肩高)按原活塞不变，每道槽的宽度是两活塞环的高度(宽度)加侧间隙，每槽的深度是新环的厚度加背间隙。活塞体槽部的厚度随槽及环固定销孔的下移而往裙部延伸。有活塞环固定销的，固定销错开分别在槽的两边，位置按原位(避开活塞承压面、活塞销孔及气缸开口)。

活塞环安装时大口在槽的两边，大口卡在环固定销处，两环小口侧相连。无活塞环固定销的，活塞环两环开口错开120°，并避开活塞销孔。

作用及有益效果：

1、由于两环在一槽，工作时两环侧面紧贴，两环开口被环体互相阻挡；随着环外径的磨擦磨损，环开口间隙增大，解决了因活塞环开口间隙增大而漏气漏油问题。

2、活塞环每道槽第二个活塞环由于大口朝向活塞底部，使每道槽两环侧间有一定的润滑油，可加强对缸壁的润滑与密封。

3、由于不要因活塞环开口间隙过大而更换活塞环，可使活塞环与气缸壁始终保持最佳磨合状态，克服了漏光度，增强了气缸的密封性，减少了气缸壁的磨损。

4、由于密封性加强，因活塞环开口间隙增大及更换活塞环时产生的漏光度至活塞与缸壁间串火原因消除，活塞环不会因串火而弹性降低及烧结，在需要更换活塞时，如活塞环弹性在许可值范围，可按原先在活塞中的位置，继续使用，能与气缸壁保持良好的磨合状态。

5、活塞环高(宽)度减薄、厚度增加，在环材料强度保证的前提下(特别是安装应力，不易折断翘曲变形)，能增加环的工作应力，对缸孔的适应能力增强，加强密封，同时减少环对缸壁的磨损，延长环的使用寿命，提高发动机的保修里程。

以上论述，仅解决了活塞环开口间隙增大而产生的窜气漏油问题。但传统理论认为，活塞环的磨损同时存在三个问题：

1、环外径磨损致环开口间隙增大。

2、环高度磨损高度减少致侧间隙增大。

3、环外径磨损厚度减少致背间隙增大。

环端、边(侧)、背间隙增大造成活塞与气缸壁间窜气漏油，发动机功率下降，油耗增加。

从理论上，如果仅解决了环开口间隙增大所致窜气漏油问题，而对环高度减少所致侧间隙增大、环厚度减少所致背间隙增大两问题未解决，侧同样需经常定时更换活塞环；一槽双环结构对解决活塞气缸壁间窜气漏油问题上还不是个完整的技术方案，起码不是个满意的方案，不具备实用性或实用意义不大。

此问题，亦是发明人十几年来一直思考研究的难题。针对此问题，经过十几年的认真观察，由于活塞环的硬度大于几倍活塞的硬度，活塞环侧面(高度)磨损极少，几乎不会因环的高度磨损而影响侧间隙。活塞在正常工作过程中随着活塞环外径的磨损环背间隙增大的同时，活塞槽底部会出现微薄光滑结实的积炭，槽底积炭增长厚度几乎与活塞环外径磨损同步，所以因活塞环外径磨损至环槽背间隙增大而漏气极少。更换标准活塞环时，若没有清除槽底积炭，活塞装上活塞环后，放不进气缸内，就是这个道理。

活塞环随活塞在气缸内作往返运动中，一方面，环在槽内上下运动对槽边侧产生冲击；另一方面，随着活塞速度的变化，将引起环所受惯性力变化，使环在槽中的运动常产生与槽侧边相脱离面悬浮在槽中间(两侧隙为滑油膜)，这样，就减少了环对槽两侧的冲击磨损。同时，环与环槽主要处于静摩擦状态，活塞环槽的磨损速度同活塞受力面与缸壁、活塞环外径与缸壁的磨损速度相比，是微乎其微的。而且，环槽的磨损可以通过增强环槽间的润滑、减少环槽间隙，缩短环在槽中上下冲击距离来克服。

从摩托车、汽车、拖拉机等中小型发动机更换下来的活塞按活塞损坏部位归类统计、调查分析表明，因活塞体受力面磨损、活塞销孔过大等其它原因占更换总数的99％以上，单纯因环槽磨损增大更换下来的活塞极少。

最佳实施例

用于二冲程发动机活塞活塞环

二冲程发动机无论采用混合润滑或分离润滑，润滑油量不论多少，润滑油都经曲箱随混合气均匀分布到气缸工作表面；也就是说，滑润油在气缸内各磨擦面分布是均匀的。

由于第一道气环工况恶劣，为减少第一道气环工作应力(径向弹性)的阻力，预防环与槽胶结，保证气环与缸壁贴合，环的断面形状为：

二冲程活塞环第一环槽上环截面形状为约5°的直角梯形微锥面；第一环槽下环截面形状为矩形微锥面；第二环槽上下两环截面形状均为矩形微锥面。活塞环外径面为1°微锥面，活塞环大口面侧外径比小口面侧外径大0.03至0.08MM。环的高厚比环大公称直径为1∶1.3小公称直径为1∶2；高厚比按环公称直径大小增减。

二冲程活塞有两道气环槽，第一环槽截面形状为直角梯形，第二环槽截面形状为矩形，分别与两环槽所组装的双环截面形状相适应。同一环槽上下两环的固定销径向位置错开，分别在环槽两侧，并避开活塞承压面，活塞销孔两端及气缸开口。

装配时，两环大口面(大径面)分别在环槽两边，小口面(也是小径面)相连。这样做的作用有：

1、微锥面能缩短磨合期，达到早期磨合。

2、两环的大径面在环槽两边，能阻止较大颗粒的磨料进入环与缸壁间隙，减少磨料磨损。

3、两环外径面与缸壁共同形成的凹隙，能储存一定的润滑油，对加强磨合期的润滑，减少缸壁的磨损，提高密封性能，均有一定作用。

用于四冲程发动机

方案一

四冲程发动机由曲轴箱飞溅的润滑油进入缸壁及活塞体内壁，活塞油环槽孔布油润滑，由油环、气环共同完成布油、刮油工作。缸壁没有开口。方案一就是：

1、活塞环气环同二冲程发动机。

2、活塞环槽不要固定销，两环开口错开120°。

3、油环及油环槽按原机不变。

方案二

由于四冲程发动机工作、活塞作往返运动至上止点时，油环以上至活塞顶相对应的缸壁没有布润滑油；活塞下行时，气环与所对应的缸壁上部靠上行程活塞上行时气环从缸壁中部带来的润滑油润滑；活塞再上行时，气环靠缸壁中部下行刮剩的润滑油带来润滑气缸壁上部，从缸壁布油情况来说，越往气缸上部布油越少。

活塞作功行程后，气缸壁上的润滑油在燃烧气体作用下相当部分被烧掉，使未烧掉的润滑油粘度降低，油膜破环。活塞排气行程时，气环与缸壁靠烧剩的润滑油润滑。

高温高压气体使活塞环对缸壁的压力增大，摩擦力也大。以上原因使气环与缸壁上部主要处于边界摩擦和干摩擦状态，尤其是第一道气环，工况最为恶劣，因此，越靠近缸壁上部磨损越重。

为了保证一槽双环的密封性能，延长双环的使用寿命，增强第一道气环的润滑状况，是减少磨损，保证密封的关键。

四行程发动机活塞活塞环方案二就是：

1、在方案一的基础上，把活塞第一道气环槽加深0.1-0.15MM(一个垫片环的厚度)在槽底轴向中线设有数个供油毛细孔洞，孔洞与活塞内壁贯通，孔洞形状为锥形，里小外大(预防油孔堵塞)，槽底供油孔洞的数量(个数)、孔洞孔径大小可根据不同机型、转速、功率大小及所配用的润滑油，采用优选法试验测定，可用机械或激光钻孔。

2。槽底安装圆平垫片环，圆平垫片环宽度比槽底宽度少0.1MM，长度比槽底圆周长度少0.2-0.3MM，厚度为0.1-0.15MM(柴油机可厚些)，圆度与槽底相适应，即环自由状态时，环两端重叠10MM，两端里外调置时，均能叠合，装入槽底时，能靠自身张力均匀贴合槽底，两端开口间隙为0.2-0.3MM，圆平垫片环外面再安装两个活塞环。

3、其它方面同四冲程活塞活塞环方案一。

作用原理

活塞在气缸内作高速往返运动，活塞在上下止点时，速度为0，接近行程中点时，速度达最高。活塞在下止点时，曲轴箱飞溅的滑润油进入活塞内壁，并随活塞往上止点高速运动；到上止点时，润滑油被惯性抛向活塞内壁上端；活塞下行至下止点时，活塞内壁润滑油又被惯性抛向活塞内壁下沿及曲轴箱；与此同时，曲轴箱飞溅的润滑油又进入活塞内壁，往复循环。

安装活塞环时，环槽内先涂放润滑油。当活塞上行作排气或压缩行程及作功行程时，缸内压力增大，活塞槽底圆平垫片环在自身张力及缸内压缩气体作用下紧贴槽底，与润滑油共同封闭供油孔洞，不产生漏气。

活塞进气行程时，气缸内压力降低，有一定的真空度，第一环槽内两环与垫片环间有背间隙，被惯性力抛向活塞内壁上端供油孔孔口处的润滑油，随惯性力及缸内吸力进入槽底槽内。环槽内各间隙(环槽间、两环间、两环外径凹隙)与润滑油之间随着活塞的往返高速运动，会产生吸附作用(如灯蕊钢笔尖)，随着活塞环对缸壁的涂抹润滑，槽内底部润滑油会不断被吸往环外径面，润滑缸壁。

这样，第一道气环槽内能保持并不断补充一定量的新鲜润滑油，只要进油量适当(取决进油孔口径及进油孔数量，高速发动机润滑油适当大些，中速发动机适当小些，主要视缸壁被高温气体烧掉的润滑油消耗量)，可达到如下效果：

1、由于第一道气环槽内能不断补进新鲜润滑油，克服了现有气环槽内润滑油不能循环，受长期高温，促使润滑油老化结胶、碳化变质引起活塞环在环槽中卡死。

2、由于第一道气环槽内能不断补充润滑油，使槽内各间隙、两环外径微锥面与缸壁所形成的凹隙(环与气缸贴合面)均有一定的润滑油，改善了润滑状况，增强了密封性能，减少了环及环槽的腐蚀磨损。

3、现有技术中，由于第一道气环润滑不良、工况又恶劣，为防止环槽粘结，往往采用加大第一环槽侧间隙；采用进油孔结构，可适当减少环槽侧间隙，达到减少环对环槽的冲击，延长活塞环槽的使用寿命。

4、弥补了油环布油不足，由于第一道气环与缸壁润滑状况的改善，也同时改善了第二道气环与缸壁的润滑状况，使第二道气环磨损减少，密封性增强。

由于气环的润滑状况改善，发动机性能进一步得到保证，对于连续工作时间长、转速高、功率输出大的发动机，效果更为有益。

对于活塞裙部与气缸孔径间隙较大的机型，在活塞下裙部另设导向环槽(变性油环)，导向槽槽底有较大孔洞与活塞内壁贯通，槽底安装有一定弹性的垫片环，垫片环外安装内径面为倒角，外径面为圆桶形有一定弹性的导向环，环高为下裙部高的1/2至1/3，这样，可使活塞裙部处于气缸中心位置，并通过弹性垫片环的张力及气环以下活塞与缸壁间的润滑油楔。共同对活塞在缸壁的摆动起缓冲作用，达到预防、减少敲缸的目的。

背景技术文献

1、轻便摩托车200问176-177页

气缸压缩压力不足是什么原因

山东科学技术出版社王从栋主编

2、摩托车使用保养修理1000个怎么办269页

怎样分析气缸磨损后对发动机的影响

怎样检查活塞环的端隙280页

活塞环的漏光度283页

兵器工业出版社林家和主编

3、进口汽车使用维修400问

发动机活塞环更换原则278页

避免不必要的更换活塞环258页

福建科学技术出版社白照华主编

图1二行程活塞活塞环               图2四行程方案(一)活塞活塞环

1.火焰岸2.第一道气环上环3.第      1.火力岸2.第一道气环槽双环3.

一道气环下环4.第一道气环环岸      第二道气环槽双环4.油环5.油环

5.第二道气环上环6.第二道气环下    图4四行程方案(二)第一道

环7.环固定销                      气环槽、环截面形状、位置结构图

图3四行程方案(二)活塞活塞环       1.上环2.供油孔洞3.圆平垫

1.第一道气环槽槽底滑油供油孔洞    片环4.下环

2.第二道气环槽双环3.油环4.活      图5缓冲环截而形状、位置结构图

塞内腔5.缓冲环槽回油孔洞6.一级    1.缓冲环2.回油孔3.弹性垫片环

冲环                              4．活塞下止点5.缸套下缘

Claims (7)

1、一种发动机活塞活塞环，包括气环和油环、气环槽和油环槽，其主要特征是：气环槽为两道，油环槽一至两道，每道气环槽内安放两个活塞环即双环。

2、根据权利要求1所述的气环，其特征是环高比普通气环常规高度小，环厚比普通气环常规厚度大，活塞环的高厚比一般在1∶2至1∶1.3。

3、根据权利要求1所述的气环槽，其特征是二冲程活塞气环槽两侧有环固定销、四冲程活塞气环槽没有环固定销。

4、根据权利要求1所述的气环槽，槽的宽度小于普通活塞槽常规宽度的2倍，槽的深度比普通活塞常规深度大，槽的截面形状与所装配的双环截面形状相适应。

5、根据权利要求1所述的气环槽，槽底有与活塞体内壁贯通的滑油供油孔洞。

6、根据权利要求1所述的油环槽，其特征是活塞下裙部油环槽，高(宽)度增大，安放高度为下裙部高度1/2至1/3、外径面为圆桶形、内径面为倒角、有一定弹性的导向缓冲环，槽底衬有弹性垫片环。

7、安装有权利要求1至6特征的发动机、机、车、船、艇。