无端隙活塞环
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4 a' w% q e/ U; k0 l5 Q5 v& f& _+ {一、油品
1 ~' I) p6 d8 b) s石油是个通名，普通是指从油田取得的液体以及溶在液体内的气体和固体。石油的成分极不一致，与产地很有关系，普通都含烷属烃（C1到C45），环烷烃，如环已烷、环戊烷的衍生物，以及芳香烃，如苯及甲苯等。除烃外，还含有少量的含氧、氮及硫的化合物等。到目前，从石油中共取得83种烷属烃。
5 `4 b1 ]5 \. t5 |: K: s其中：C1——C4为天然气，甲、乙、丙、丁烷。
6 e @8 l5 s1 Q5 x5 L- IC5——C9为粗汽油。是提炼各种汽油的原料。
' C3 i5 P4 }7 ~C10——C18为火油，是提炼柴油、煤油原料。
- t+ U4 s& p- I* ^" uC16——C20润滑油，是配制各种规格，不同用途的润滑油基础原料。
1 e2 ] I8 ]5 v6 i% p( Z7 p1 OC20——C24石腊，可制各种润滑脂的配料。
7 ]" V" _' @, i石油的各种油品其基本化学元素是相同的，都是碳、氢有机化合物。分子结构的不同，元素的多少也不相同，那么它们在内燃机中有着不同的用途。下面分别叙述汽油、柴油、润滑油在内燃机作用和化学反应。
+ q8 E& H/ O/ X1、润滑油% R3 N/ Y4 m0 _( f8 M* I首先我们提出一个问题，为什么润滑油能在内燃机中起润滑作用，而汽油、煤油、柴油不能作为内燃机的润滑油？由于润滑油的分子碳链很长C16——C20，形象的比喻，像羊毛一样压成毛毡扯也扯不断。在内燃机各摩擦副中微小的毛刺间相互拉扯润滑油的分子碳链而形成扯不开拉不断的油膜。汽油、煤油、柴油的分子碳链很短不能形成像羊毛毡一样的扯不断的油膜。所以它们不能作为内燃机的润滑油。
# j% E$ w# L' [9 o2、天然气& Y- K& `3 U A7 x u天然气的分子很小，而且氢原子的含量较多，与空气很容易溶合。在化学元素中氢原子是最活泼，反应速度最快一种元素。它在内燃机中是一种燃烧非常充分、洁净的燃料。但是，由于天然气的体能比大、携带需要新技术的支持，所以没被广泛采用（仅应用于城市交通车）。
3 u! c2 n4 q ^# B4 P9 S3、汽油9 N$ J6 v* D: u' [. [2 ^/ _7 z$ _汽油是内燃机中的一种主要燃料，广泛应用于点燃式内燃机。由于汽油的分子小燃烧的化学反应速度快，所以点燃式内燃机（也就是汽油机）的转速高。由于汽油混气在压缩压力下的自爆性，制约了它压缩比和升功率的发展。
, O0 V: e {; W# a9 w7 y4、柴油( ?8 G( l! X- Q% R5 a% E柴油是内燃机中狄塞尔发动机的主要燃料，由于柴油的分子相对汽油分子较大，燃烧时化学反应速度慢，所以压燃式内燃机的转速较低。由于压燃式内燃机的压缩比很高，燃油采用高压喷入缸内的方式，另外柴油分子含碳原子多,所以它的升功率很高。
- |, `8 M6 L& g$ ], g: p5、润滑油的氧化失效1 F5 n! N J7 N+ D' ?5 s D5 z润滑油在高温状态500—1500℃时，分子中的氢元素与空气中的氧气结合形成氧化反应，生成HO或H2O。那么，润滑油分子发生脱氢、碳链断裂及碳化等变化。这个化学变化称为热裂，也称之为氧化。尤其是在1500℃的高温时，分子既完全分裂为碳黒。如有铁、镍、钴等金属时热裂温度会降到200—500℃。润滑油的氧化使碳链很长的分子C16——20断裂为两个或三个粗汽油分子C5——9和黑碳。它就失去润滑作用。并且，氧化形成粗汽油分子在高温下挥发为油蒸气，通过曲轴箱的废气管、进气管进入燃烧室燃烧。形成的碳黑和碳化物是很硬的微粒材料，会加速内燃机的磨损。
/ P$ r; v/ b; C8 e二、活塞环
, C" g% x: Q" [% I1、活塞环的密封原理+ b5 ?% F' N9 s( `- D, P; a6 W+ Q$ k内燃机中活塞的往复运动靠安装在活塞上的两道或三道压缩环密封燃烧与曲轴箱。两至三道压缩环的切口在活塞的圆周上相措120—180℃。当活塞环受热膨胀，端隙变的很小时，由环槽側隙、端隙、活塞的环岸与缸壁形成很长、很狭窄的迷宫式通道。使压缩气和爆燃气向曲轴箱泄漏受阻，达到密封的目的。
% A8 _5 o" d* X! D, w2、活塞环的磨损失效( Y# v/ D! Y6 T7 ?7 f) _内燃机中活塞环外圆面与气缸内壁是一对摩擦副，当它们磨损（灰尘、炭化物颗粒的磨损）时活塞环的端隙就会增大。增大的关系是π倍。随着摩擦副的磨损端隙增的越大，通过环槽側隙、环岸与缸壁的间隙的漏气量越大。这就是活塞环的磨损失效。它造成压缩压力降低，压缩热也降低，燃烧的化学反应速度变慢，燃烧不充分，动力降低。造成润滑油上窜进入燃烧室参于燃烧、高温高压气体下窜裂解润滑油等诸多损耗巨增的结果。
% @! X. T: R! e+ a8 {7 S3、活塞环的对口失效, h) J6 D4 z' u4 X" N活塞环是非圆的环，压入气缸中，对缸壁的压力是不均匀的，所以气缸很容易被磨损成椭圆。当活塞环随活塞在气缸内往复运动时，由于连杆通过活塞销作用于活塞与气缸壁上的力是交变的，活塞在气缸内，同时垂直于缸壁和活塞销的方向上有微量的往复摆动，使得活塞环在气缸内旋转。当活塞环旋转的与气缸椭圆相复时，两至三道压缩环的切口相对，破坏了迷宫式的密封形式。随然气缸和活塞环的磨损量不大，但上下窜气量却非常大，造成活塞环密封失效.4 L0 p) N, @4 ]# s2 z三、辛烷值
7 p; |: |8 |) H/ s1、燃油辛烷值
S0 J9 {, o: J( R3 F+ a辛烷值是一种实验数值，它代表的是汽油在内燃机的汽缸内燃烧时发生自爆炸的压力值与辛烷中的异辛烷的自爆炸性最弱、正庚烷的爆炸性最强作为标准的比较值。如某一种汽油的自爆炸性质与异辛烷完全相等时，这种汽油的辛烷值就等于100，若和正庚烷完全相等时，辛烷值就等于零。又如某一种汽油的辛烷值是80，那就是说这种汽油的自爆炸性相当于一种含有80%的异辛烷和20%正庚烷的混和物的自爆炸性，该汽油就是80号汽油。
* M, b+ N s; x- u) f2、机械辛烷值% A! P2 Q7 s0 m9 e5 D* ?什么是机械辛烷值？与燃油（汽油）辛烷值相适应的内燃机的辛烷值。一般工程师在设计内燃机时就设定了该内燃机的机械辛烷值。这就是内燃机重要参数之一的压缩比。可以通过调整点火正时在一个设定的范围内来调整机械辛烷值，使它与燃油辛烷值相匹配。
" v5 F; ?8 ~: |0 [1 o8 C内燃机的机械辛烷值不是一成不变的。当活塞环与汽缸桶磨损时，由活塞环与活塞环槽侧隙及活塞环端隙漏气量增大时，压缩压力降低，则机械辛烷值也随之降低。当内燃机处在不同的海拔高度时，其进气压力降低机械辛烷值也随之降低。对设有分电器汽油机需要经常调整点火正时，使其与燃油辛烷值相适应。当加注与原先不同标号的汽油时也需相应调整点火正时。电控喷射式汽油机，只要设有凸轮轴位置传感器和爆振传感器的，其机械辛烷值是由ECU自动调整，加注的汽油在使用说明书标注的范围内即可。柴油机也同样需要调整喷油提前角。对于共轨电控喷油柴油机是由ECU自动调控。
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& {2 e! J! g& T根据现有技术存在的缺陷设计出无端隙活塞环。下面阐述无端隙活塞环的设计理论。. m: C$ j& e/ c* N2 U X7 G) h% O: n四、无端隙活塞环
: M, D& B2 I, ?- a
2 ^$ T1 n. w* y+ a5 B ~- [摘要：详细论述了无端隙活塞环（对角线切口活塞环）的密封特性。该项新技术产品具有节省燃油、润滑油；提高内燃机的动力；冷启动性好；延长大修里程；排污少等优越性。供政府、环境保护决策官员参考；供内燃机科技工作者选用。
! F [5 \1 r1 G; T! p5 I关键词：活塞环、无端隙、节油、环保。
\& z; F% C) o. E1、前言
/ ^' Q& K/ D6 X) X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，提高了蒸气机的热效率。1866年奥托发明了活塞式内燃机，从那时起自身膨胀的弹性活塞环的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。也就是当今我们大量使用的直切口活塞环。人们视图进一步提高其密封性，设计了许多种形式切口和结构的活塞环。在资料上最长见的是斜切口、阶梯切口的活塞环，还有许多组合式活塞环等。由于这些结构的各种切口活塞环在生产率、材料选择等因素的影响下，而未达到普及应用。目前应用最广泛的还是南斯波登发明的直切口活塞环。直切口活塞环的密封原理是，利用两道压缩环的对口相错120至180度，与活塞环岸和缸壁形成迷宫式的狭窄通道。活塞环受热端隙变小，压缩气体和爆燃气体通过第一道压缩环的上侧隙和端隙及很长狭窄的通道抵达第二道压缩环的上侧隙和端隙，形成非常小迷宫的漏气，来达到密封的作用。当活塞环与缸壁磨损，端隙增大，两道压缩环对口时就破坏了活塞环迷宫式的密封特性。造成向曲轴箱泄漏可燃气和高温高压爆燃气，使的内燃机燃烧不充分和动力不足。无端隙活塞环(对角线切口活塞环)具有斜切口、阶梯切口活塞环能自行补偿因磨损增大的端隙，还独创了利用三角形互补的端头密封了活塞环槽与气缸之间任何可能产生窜气的间隙。其气缸、活塞、活塞环组合达到非常好的密封。所以比现有技术提高了燃油利用率、节省润滑油，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，而大大的减少了排气污染，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，是从产生污染源处解决环境保护。下面本人详细论述对无端隙活塞环研究的结果。
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* r/ {3 }1 k2 u: y6 U+ P2、无端隙活塞环的结构和定义
0 Y& R' t& \* @; M+ l$ n; V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T（如图1所示），对角线切口本身就堵住从活塞环上侧隙向活塞环下端窜气。它只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。
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S1膨胀间隙；T切口长；h1环高；a1环径向宽度；Fd在缸桶内受力；Φ缸径。
# [" l, { R2 V" t5 o) ?( 图 1 )
! V, \' p+ Y+ |: w9 [6 W5 a8 B5 N3密封性
$ \" ]( X; ]9 A1 P* Z. t# f9 P从图1中可以看出内燃机在压缩、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。
m1 s+ ?/ H2 j7 w4、节省燃油( G& X$ S, N7 `9 s由于无端隙活塞环密封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、燃烧更充分、减少压缩过程中点火提前量飞轮所做的无用功。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。还节省了向第一道活塞环和第二道活塞环中间窜燃烧混合气。那么综合不窜气、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特征。
$ V) \2 ^$ @) }1 y. e$ A4 \" i5、节省润滑油- Y8 b, d( X u2 e由于无端隙活塞环密封严，排气冲程中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烧室。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烧机油的现象，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裂解胶质化和碳化、则延长了更换润滑油的里程。
$ N' a! s( O `/ f6、提高内燃机的动力4 `4 ?* R1 l7 D1 \& x$ g$ P由于无端隙活塞环的密封性能非常好，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。提高了内燃机的动力。并且这种动力不会因气缸和活塞环的磨损而降低。
! q/ B, U7 P: W8 X% {7 ?! @7、冷启动性好+ ]: U% n5 G I. Y5 Y& }) a" {直切口活塞环在冷车时端隙较大。一般零下20-30℃时，端隙大于0.3--0.7mm（指新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，便造成压缩压力低，燃料雾化不良，启动时就比较困难。而无端隙活塞环不存在端隙，压缩压力相对要高的多，产生的压缩热也较高。便易于冷车启动。
& C, M+ O& v( a9 @% I/ g9 r% r8、延长大修里程z. }+ g0 K: ]1 [/ d' }8.1改善润滑条件延长零部件寿命
7 a# E4 n& w$ Z7 _& m6 |由于无端隙活塞环密封性好，在爆燃冲程中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、油环处机油因高温而裂解炭化和胶质化,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、NOx化合物。其中NOx化合物与冷却水蒸气作用便生成硝酸。硝酸与锌二烃基二硫磷酸脂发生化学反应，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，加具对润滑条件较差的配气凸轮、摇臂和挺杆的磨损。曲轴次之。）从而无端隙活塞环改善了曲轴箱内润滑质量，延长零部件使用寿命。
" m# Y3 o! ]* L+ @# i8.2端隙自动补偿延长大修里程 , c6 J" C j! P! g3 T现有技术中活塞环与气缸直径磨损0.01mm，活塞环的端隙会增加0.0314mm，是π的倍率。无端隙活塞环具有自行补偿功能，不因环与气缸直径磨损而增大的端隙，也就是说在T－S1的范围内不受任何影响。当T－S1＝0时才开始进入现有技术状态。请参阅图2。无端隙活塞环可使机械辛烷值在其磨损补偿范围内一成不变，这也是无端隙活塞环的一个特性。
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（ 图 二 ）
( c/ M& o" N: ?) s9、减少排污
9 N) h& w! n/ C6 D+ E 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。
# `, C: c* f4 @1 `9 _, \10、电控喷射汽油内燃机2 {# j5 U, O4 a3 ]/ P电控喷射汽油内燃机，在机械各部磨损量非常小的情况下，电控中心ECU根据内燃机节气门位置、进气流量、进气温度、内燃机温度、冷却液温度、内燃机转速、凸轮轴位置、爆震等传器所采集的信息，控制喷油嘴的喷油量及点火正时。并由安装在排气管上的氧传感器检测排气中的氧含量的多少来微调喷油脉冲的宽窄，使空燃比在理论空燃比14.7:1附近，达到最佳燃烧状态。当活塞环与气缸磨损，活塞环端隙逐渐增大，压缩压力降低至使内燃机动力下降，同时伴有向燃烧室窜机油的现象。要提高车辆的动力性能只有提高内燃机的转速，也就是降低变速档位，那么单位里程所耗的燃油增加，所排放的污染物重量增大。无端隙活塞环是真对现有技术中的不足而设计的，它有磨损补偿的功能，使内燃机在无端隙活塞环自动补偿范围内始终保持新车状态的机械性能，达到经济耗油指标，尾气排放指标不变。也就是不改变理想的奥托曲线。并能减少集碳对三原催化传化器的污染，延长其使用寿命，节省稀有金属：钯、铂、铑、铈、钡和镧的用量。
" `2 N% Y! @! e( n4 E11、柴油内燃机- z' D3 [8 C/ a6 O- H/ u) ~柴油内燃机是利用空气被压缩而产生的热和高压，将柴油以高压雾喷入，使之产生自燃、爆燃来作功的一种内燃机，同样当活塞环与气缸磨损，产生很大的漏气时，其功率同样下降、尾气排污增多，其中还有大量的碳粒。使用无端隙活塞环在其自动补偿范围内始终能保持内燃机的气密性，在燃烧过程中，压燃点因气密性好而增多，每个燃点的燃烧半径变小，应而燃烧速度加快,动力增大，并能减少排污节省燃油。
3 H+ e% U9 H8 g" Q: \; L7 {12、结论6 X: Z, g& M% K6 ~# p+ z无端隙活塞环用于电控发动机中，它可减少曲轴箱废气对进气温度传感器、进气压力传感器和节气门的污染，确保ECU正确控制喷油系统，防止氧传感器、三原崔化转化器被污染，而影响燃油混合比和尾气崔化净化作用。
) E5 T X3 A7 ~2 O5 N" M) F9 W用于柴油机中可始终保持原设计压缩压力，使压缩起燃点增多，提高柴油机的动力,启动性好，并减少炭烟和NOx的生成。对燃气内燃机有着同样的效果。
6 S! ~( A6 U; M4 J+ k3 X0 v, W/ v从以上六点优越性可以看出它的应用前景非常好，其社会效益，使用者的经济效益，公共环境保护效益都有大幅度提高，尤其是中国进入WTO时，它是中国内燃机行业在国际市场竞争的一项拳头技术项目，也是环境保护部门治理尾气排放选用的产品。欢迎内燃机行业的工程技术人员，以及企业的决策领导、环境保护部门共同开发此项目的应用研究。
+ \9 l- J# l4 C* M; i' Q |
发表于 2007-5-4 13:56:50
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