内燃机的无端隙活塞环

松涛

自从1855年英国的南斯波登发明了自身膨胀的弹性活塞环，使活塞在气缸中工作时密封性大大提高，内燃机的热效率也随之提高，其基本结构一直沿用至今。成为内燃机中起着非常重要作用的零部件，人们试图进一步提高其密封性，设计了多种形式的切口和结构的活塞环
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　　自从1855年英国的南斯波登发明了自身膨胀的弹性活塞环，使活塞在气缸中工作时密封性大大提高，内燃机的热效率也随之提高，其基本结构一直沿用至今。成为内燃机中起着非常重要作用的零部件，人们试图进一步提高其密封性，设计了多种形式的切口和结构的活塞环。最常见的是斜切口、阶梯切口的活塞环，还有许多组合式活塞环等。由于受生产率、材料选择等因素的影响，这些结构的活塞环未得到普及和应用。目前应用最广泛的还是南斯波登发明的直切口活塞环。无端隙活塞环（对角线切口活塞环）不仅同斜切口、阶梯切口活塞环一样能自行补偿因磨损而增大的端隙，还独创了利用三角形密封活塞环槽与气缸之间任何可以产生窜气的间隙。其气缸、活塞、活塞环组合可达到非常好的密封。所以比现有技术提高了燃油利用率，节约润滑油，尤其是无端隙活塞环密封的非常严密，还具有自动补偿因磨损增大端隙的功能，从而大大地减少了排气污染，延长了减少排污的周期。并且是从燃烧过程中解决排气污染，从产生污染源处解决环境保护。
　　下面是详细论述对无端隙活塞环的研究结果。
: {' \8 z9 `5 ]0 C0 F7 f g1 q　　一、无端隙活塞环的结构和定义
% Z6 {" x2 h& Z' i* x　　活塞环的切口为对角线切口，即活塞环径向截面由外径的上边角至内径的下边角的对角线，两端头互补的切口。这种切口长度为活塞环两端头重叠的长度。对角线切口本身查堵住从活塞环上侧隙向活塞环下端窜气，它只是保留了活塞环受热膨胀所需的间隙。其本身自动补偿因气缸与活塞环磨损而增大的端隙。所以称之为无端隙活塞环。
　　二、密封性
$ K A4 O$ M' T0 h5 ]. c# z6 }　　内燃机在压缩、爆燃、排气三个冲程中，燃烧室内的高压气体从活塞环的上侧隙进入环槽内形成了活塞环的背压，没有任何缝隙可使高压、高温气体窜入第一道压缩环与第二道压缩环的中间以及曲轴箱内，其密封性非常好。
+ B6 K$ _% o1 k, T+ d; V　　三、节省燃油
　　由于该活塞环密封较严，阻止了由燃烧室向活塞环下端及曲轴箱内窜气，从而增大了压缩压力，使燃烧速率加快，燃烧更加充分，并且在爆燃冲程中活塞环不窜气，燃烧压力得到充分的利用，使曲轴的转矩增大，还减少了燃烧混合气向第一道活塞和第二道活塞环中间窜气。综合不窜气、压缩压力的增高、燃烧速率加快、燃烧充分、爆燃冲程的压力增大等因素都是节省燃油的原因所在。
* _) C& n' T0 P* k四、节省润滑油
　　由于无端隙活塞环密封严，排气冲程中是第一道压缩环与第二道压缩环中间没有高压气体向燃烧室逆流就不会将润滑油吹入燃浇室。随着气缸与活塞环的磨损，活塞环对角线切口的自动补偿，不会造成因气缸和活塞环磨损使活塞环端隙增大而出现的燃机油的现象，从而节省了润滑油。另外，在压缩、爆燃冲程、没有可燃气稀释润滑油和高温爆燃气使第一压缩环以下的润滑油胶质化和碳化，则延长了更换润滑油的里程。
% y: |$ b; G4 |8 B( q, f3 {# [　　五、提高内燃机的动力
1 `7 y, I: T7 ]: c　　由于无端隙活塞环的密封性非常好，压缩冲程、爆燃冲程无泄漏，爆燃工作压力相应增高，活塞经连杆作用在曲轴上的力增大，使内燃机的扭矩增大，提高了内燃机动力，并且这种动力不会因气缸和活塞环的磨损而降低。
" a. }6 n$ ]/ j/ b, G: ]. e/ G5 D6 n% E　　六、冷启动性好
　　直切口活塞环在冷车时端隙较大，一般在—30～20°C时，端隙大于0.3～0.7mm（指发动机或刚大修的内燃机）。比较旧的内燃机或接近大修的内燃机其端隙会更大，从而造成压缩压力低，燃料雾化不良，启动时较困难。而无端隙活塞环不存在端隙、压缩压力相对要高得多，产生的压缩热也较高，便于冷车启动。
　　七、延长大修里程，改善润滑条件，延长零部件寿命。
. A' K! Q X- K& t+ c& ]　　由于无端隙活塞环密封性能好，在爆燃冲程是没有灼热的气体和炭粒向第一道活塞环以下泄漏，不会造成第二道活塞环、油环积炭及机油因高温炭化和胶质化而将环卡死在槽内的现象，不会因油环卡死造成活塞、活塞环和气缸缺润滑油而磨损。并减小了燃烧室向曲轴箱泄漏高温可燃混合气（在直切口活塞环的内燃机中，这些可燃混合气中含有HC、CO和NO化合物其中NO化合物与冷却水蒸气作用生成硝酸。硝酸与锌二烃基二硫磷酸脂发生化学反映。并与机油中的另一种抗磨添加剂反应而使它们的保护膜减少。硝酸还腐蚀铸铁，生成铁碳化合物颗粒，导致润滑条件变差，加剧对润滑条件较差的配气凸轮、摇臂和挺杆的磨损。曲轴次之），从而改善了曲轴箱内润滑质量，延长了零部件的使用寿命。
G0 h3 a K1 g6 I) E& K* R. W端隙自动补给，延长了大修里程，无端隙活塞环的自行补偿端隙功能能使气缸磨损到直径加大至0.5MM，它是直切口活塞环的第二个大修尺寸（指小型高速内燃机，缸径∮不大于81MM，缸径∮大于81MM为第一个大修尺寸），加上大修时加工缸桶的余量，是四个大修里程。这只是单一的计算，考虑综合因素，三倍的大修里程是完全可以满足的。而且动力不减，排放也不会有污染。
, w& k8 a& @" H! O2 E- }- ~7 h9 k7 `　　八、减少排污
5 j* p$ w6 v% x; z$ W　　无端隙活塞环密封性好，没有压缩冲程、爆燃冲程从燃烧室向第一道压缩环与第二道压环中间泄漏高压混合气。（在直切口活塞环内燃机中压缩冲程压缩在燃烧室的高压混合气，经第一道压缩环的端隙进入第一道环与第二道环的中间。进入爆燃冲程高压灼热的混合气再次泄漏至两环中间。因缝隙小而滞燃的混合气便生成了HC、CO和NOx化合物。在排气冲程时，燃烧室压力降低，两环中间的高压混合气从第一道活塞环端隙逆流，其中决大部分成为排出尾气（废气）中的HC、CO和NOx的成分）。对比现有技术，无端隙活塞环减少了尾气（废气）中排放的HC、CO和NOx化合物。从燃烧的角度治理了排污，达到环保排放要求。并具备排放一致性。

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