2.3.2 活塞環(huán)

活塞環(huán)主要可以分為氣環(huán)和油環(huán)兩種。

1.氣環(huán)的作用

氣環(huán)的作用是保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸中氣體大量漏入曲軸箱，同時還將活塞頂部的大部分熱量傳導到氣缸壁，再由冷卻液或空氣帶走。

2.油環(huán)的作用

油環(huán)的作用是刮去氣缸壁上多余的機油，并在氣缸壁面涂上一層均勻的機油膜，這樣既可以防止機油竄入氣缸燃燒，又可以減小活塞、活塞環(huán)與氣缸的摩擦阻力和磨損。此外，油環(huán)也起到密封的輔助作用。

3.活塞環(huán)的工作條件

活塞環(huán)工作時受到氣缸中高溫、高壓燃氣的作用，溫度較高（尤其是第一環(huán)，溫度可達600K）。活塞環(huán)在氣缸內作高速運動，加上高溫下部分機油出現(xiàn)變質，使環(huán)的潤滑條件變壞，難以保證液體潤滑，因此磨損嚴重。

圖2-47 活塞環(huán)的間隙

1—活塞環(huán)處于工作狀態(tài)時形狀 2—活塞環(huán)處于自由狀態(tài)時形狀 3—工作面 4—內表面 5—活塞 6—活塞環(huán) 7—氣缸 Δ₁—開口間隙 Δ₂—側隙 Δ₃—背隙 d—活塞環(huán)內徑 B—活塞環(huán)寬度

4.活塞環(huán)的間隙

如圖2-47所示，活塞環(huán)會在發(fā)動機運轉過程中與高溫氣體接觸將發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，而周期性的往復運動又使其出現(xiàn)徑向張縮變形。因此，為了保證正常的工作，活塞環(huán)在氣缸內應該具有以下間隙：

1）端隙又稱開口間隙，是指活塞環(huán)在冷態(tài)下裝入氣缸后，該環(huán)在上止點時，環(huán)的兩端頭之間的間隙。一般為0.25～0.50mm。

2）側隙又稱邊隙，是指活塞環(huán)裝入或賽后，其側面與活塞環(huán)槽之間的間隙。第一道環(huán)因為工作溫度高，間隙較大，一般為0.04～0.10mm；其他環(huán)一般為0.03～0.07mm。油環(huán)側隙比氣環(huán)小。

3）背隙是指活塞環(huán)裝入氣缸后，活塞環(huán)內圓柱面與活塞環(huán)槽底部間的間隙，一般為0.50～1.00mm。油環(huán)背隙較氣環(huán)大，有利于增大存油間隙，便于減壓泄油。

5.活塞環(huán)的泵油作用

由于側隙和背隙的存在，當發(fā)動機工作時，活塞環(huán)便產生了泵油作用。其原因是：活塞下行時，環(huán)靠在環(huán)槽的上方，環(huán)從缸壁上刮下來的潤滑油充入環(huán)槽下方，如圖2-48a所示；當活塞上行時，環(huán)又靠在環(huán)槽的下方，同時將機油擠壓到環(huán)槽上方如圖2-48b所示。如此反復運動，就將缸壁上的機油泵入燃燒室。

由于活塞環(huán)的泵油作用，使機油竄入燃燒室，會使燃燒室內形成積炭和增加機油消耗，并且還可能在環(huán)槽（尤其是第一道氣環(huán)槽）中形成積炭，使環(huán)卡死，失去密封作用，甚至折斷活塞環(huán)。

6.氣環(huán)

（1）氣環(huán)的密封機理 活塞環(huán)有一個切口，且在自由狀態(tài)下不是圓環(huán)形，其外形尺寸比氣缸的內徑大些，因此，它隨活塞一起裝入氣缸后，便產生彈力而緊貼在氣缸壁上。活塞環(huán)在燃氣壓力作用下，壓緊在環(huán)槽的下端面上（圖2-49），于是燃氣便繞流到環(huán)的背面，并發(fā)生膨脹，其壓力下降。同時，燃氣壓力對環(huán)背的作用力使環(huán)更緊地貼在氣缸壁上。壓力已有所降低的燃氣，從第一道氣環(huán)的切口漏到第二道氣環(huán)的上平面時，又把這道氣環(huán)壓貼在第二環(huán)槽的下端面上，于是，燃氣又繞流到這個環(huán)的背面，再發(fā)生膨脹，其壓力又進一步降低。如此繼續(xù)進行下去，從最后一道氣環(huán)漏出來的燃氣，其壓力和流速已經(jīng)大大減小，因而泄漏的燃氣量也就很少了。因此，為數(shù)很少的幾道切口相互錯開的氣環(huán)所構成的“迷宮式”封氣裝置，就足以對氣缸中的高壓燃氣進行有效的密封。

圖2-48 活塞環(huán)的泵油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

圖2-49 活塞環(huán)密封原理

1—第一密封面 2—第二密封面 3—背壓力F₂ 4—活塞環(huán)自身彈力F₁

（2）氣環(huán)的切口 氣缸內的燃氣漏入曲軸箱的主要通路是活塞環(huán)的切口，因此，切口的形狀和裝入氣缸后的間隙大小對于漏入曲軸箱的燃氣量有一定的影響，切口間隙過大，則漏氣嚴重，使發(fā)動機功率減小；間隙過小，活塞環(huán)受熱膨脹后就有可能卡死或折斷。切口間隙值一般為0.25～0.8mm。第一道氣環(huán)的溫度最高，因而其切口間隙值最大。氣環(huán)的切口形狀如圖2-50所示。直角形切口工藝性好（圖2-50a）；階梯形切口的密封性好，但工藝性較差（圖2-50b）；圖2-50c所示為斜切口，斜角一般為30°或45°，其密封作用和工藝性均介于前兩種之間，但其銳角部位在套裝入活塞時容易折損；圖2-50d所示為二沖程發(fā)動機活塞環(huán)的帶防轉銷釘槽的切口。壓配在活塞環(huán)槽中的銷釘，是用來防止活塞環(huán)在工作中繞活塞中心線轉動的。

圖2-50 氣環(huán)的切口形狀

a）直角形 b）階梯形 c）斜口形 d）帶防轉銷釘槽形

（3）氣環(huán)斷面形狀

1）矩形環(huán)（圖2-51a）的優(yōu)點是結構簡單、制造方便、散熱性好，廢品率低。缺點主要是有泵油作用，容易造成機油消耗量過大并有可能形成燃燒室積炭；另外，矩形環(huán)的刮油性、磨合性及密封性較差。現(xiàn)代汽車基本不采用。

2）錐面環(huán)（圖2-51b）的優(yōu)點是與氣缸壁的接觸為線接觸，密封和磨合性能較好，刮油作用明顯，容易形成油膜以改善潤滑；缺點是傳熱性能較差。錐面環(huán)主要應用在除第一道環(huán)外的其他環(huán)。

3）扭曲環(huán)（圖2-51c、d）是現(xiàn)代汽車發(fā)動機廣泛應用的一種活塞環(huán)，主要是因為扭曲環(huán)除具有錐面環(huán)的優(yōu)點之外，還能減小泵油作用。減輕磨損、提高散熱性能。安裝扭曲環(huán)時應特別注意：內圓切槽向上，外圓切槽向下，不能裝反。

4）梯形環(huán)（圖2-51e）主要優(yōu)點是能把沉積在環(huán)槽中的結焦擠出，從而避免了活塞環(huán)被粘結而出現(xiàn)折斷，同時其密封性能優(yōu)越，使用壽命長；缺點主要是上下兩端面的精磨工藝較復雜。梯形環(huán)在熱負荷較大的柴油發(fā)動機上使用較多。

5）桶面環(huán)（圖2-51f）優(yōu)點是活塞的上下行程都可以形成楔形油膜改善潤滑，對活塞在氣缸內擺動的適應性好，接觸面積小，有利于密封；缺點是凸圓弧面加工困難，多用于強化柴油發(fā)動機的第一道環(huán)。

圖2-51 氣環(huán)的斷面形狀

a）矩形環(huán) b）錐面環(huán) c）正扭曲內切環(huán) d）反扭曲錐面環(huán) e）梯形環(huán) f）桶面環(huán)

7.油環(huán)及其刮油作用

油環(huán)可以分為普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種。

1）普通油環(huán)（圖2-52a）又稱整體式油環(huán)。環(huán)的外圓柱面中間加工有凹槽，槽中鉆有小孔或開切槽，當活塞向下運動時，將缸壁上多余的機油刮下，通過小孔或切槽流回曲軸箱；當活塞上行時，刮下的機油仍通過回油孔流回曲軸箱。有些普通環(huán)還在其外側上邊制有倒角，使環(huán)隨活塞上行時形成油膜，可起均分布潤滑油的作用，下行刮油能力強，減少了潤滑油的上竄。這種類型的油環(huán)的優(yōu)點結構簡單、造價低，早期發(fā)動機上使用較多；但其強度低，易磨損，磨損后刮油效果不理想、壽命較短。現(xiàn)代汽車發(fā)動機基本上不采用。

2）組合油環(huán)（圖2-52b）一般由上刮片、襯環(huán)、下刮片三層組成。優(yōu)點是質量小、刮油能力強、對缸套變形適應性好、回油通路大等。正因為如此，盡管組合油環(huán)造價相對較高，在現(xiàn)代汽車上仍舊得到了廣泛的應用。

3）無論活塞上行或下行，油環(huán)都能將氣缸壁上多余的機油掛下來經(jīng)活塞上的回油孔流回油底殼。油環(huán)的刮油作用如圖2-53所示。

圖2-52 油環(huán)

a）普通油環(huán) b）組合式油環(huán)

圖2-53 油環(huán)的刮油作用

a）活塞下行 b）活塞上行