发动机的心脏-活塞、活塞环、缸套系统

1、 茎毒亚剐叫醒列;篡雾i蛰霾霪蓬藿霪鬟主主蓁喜.主耋垂差喜妻誊至茎毫量耋善,;兰三二蠹攀黉|霸羹。?蘸雾鬟蓁霎蓁|蚕墼!_=i i 商;i萋冀冀雾薹l|羹翼雾蓁。淄餐礴羹蕊覆臻篓。;耄墓薹蓁薹羹塞霪霎耋霉羹雹蕊。j拯型碹霹坦鬟剖凋悉矧套鞫恩舔薪群K 奏蓄孑窘;樊薹鹫酞酽髟囊蓁拂蹰俪鞠舔;鞫鄙袖s声薹妻霎嚼噬恸缰锄始莉。酗妻蚓丽潲鳙巍坟掬睡蓁镨,囊擦要萋碟鏊菊窝警地罐籍翳嘿蝽籀2:2:j卿嚆找到÷留诺燮匝到囊。鹧以。簦喜零忑翟蒋,基荔篓洁塞环酌蘑。撩嗣晦鸶众甜薹霪要;i耋萋薹薹露;搴番%。矧裂蹴譬会萋剐函鳓鹭曼鳓;器帮薹雨引墅甏副翻掰i察蓄2鍪霎嫂嚣秘斡"。剿墼鬻厕羹雾鬻冀羹

2、蠹冀雾。曩羹薹。倍懂器星趱蒌涸2墅蕈醒疆|窦鍪ii一囊薹B;冀蠢霪墓囊豸舞蒜鬈璺稀骗鲫;i荆燮塾餮型萋薹i羹酩鬣矧i菱塞j 兰啥孺崤搿淄l攀哩蜷将化薹崩冀!码芏肚入甜蓉萎冀囊li囊鐾li;蠢i i孔弈茫崔霎冀副甄鬻涤礓沼怪!薹喜。I蠹;要li一蠹墓囊j,垂冀。|囊耋一;一;篡雾i蛰霾霪蓬藿霪鬟主主蓁喜.主耋垂差喜妻誊 至 周开方:发动机的心脏一活塞、活塞环、缸套系统9 *优良的材料综合性能*进一步增强铸造材料强度*提高铸铁嵌入件的粘合强度*性能稳定图35表明,在高温下(200压铸材料的极限抗拉强度的水平和稳定性更优于重力铸造材料,在高温下对强度和疲劳强度的实验证明,有同样的结果。在固化过程中加

3、压导致气孔、缩孔减少到最低限度。图36所示增加压力显出的效果。潍7C(升/分?j。r|。jj_塞毒三磐jjj矽匕:.一/;O2040eOeO'120O a锵环扁为1.5nlm的第.道环转jiI!(N n1漏7(升/讣图341.6升汽油机漏气特性极限抗拉I强度(MIk图36增加压力对压铸活塞的影响A一不加力;B一30MPa(4350磅力/英时2c一60MPa(8700磅力/英时2ID一90MPa(13050磅力/英时2E一120MPa(17400磅力/英时2这种压铸工艺,允许铸造时加入如纤维或晶须等加强材料作成的嵌件,由于压力使合金通过嵌入件融为一体。图37为典型的用氧化铝硅或氧化铝预制

4、成的纤维嵌件。重型柴油机活塞燃烧室和轻型柴油机环槽的加强设计,见图38和39。图37用于活塞顶部加强的典型的预制纤维嵌件心癸Nj砘湍坝潍燃烧帘边燃烧审边和J删I打j图38典型的氧化铝纤维强化顶部陶瓷纤维l 蚕藿萋一陶瓷戒伍树纤绅囝35压铸和重力铸造的极限抗拉强度对比图39以陶瓷或金属纤维强化的环槽10内燃机配件2002年第5期图40为收口的燃烧室结构,有以下优缺点:收口燃烧窒优点:在低速时,产生特别少的烟更少的氮氧化物排放低速时要求提前泵油更低的燃油消耗(在相同氮氧化物水平时更低的气缸压力(520巴更低的噪音(最大2.5分贝缺点:更高的碳氢化合物的排放量(5%10%更高的热负荷(25%100%

5、獗彦延岛碥峦图40典型的收口燃烧室很显然收口的燃烧室有如此多的无可比拟的优点,但其最主要的缺点是:与直边燃烧室在温度上相比有更高的热负荷(见图41。恰好带有纤维嵌件的压铸件能解决这个主要问题。图42和43说明,经500小时周期性负载的发动机试验,在重力浇注的活塞燃烧室边缘上产生了裂口,但在压铸的活塞收口结构的燃烧室边缘上却没有这种现象。§饔离锸图41直边和收口燃烧室温度的比较图42压铸纤维强化收口燃烧室活塞传统的1.O lcx活宋fK铸纤维强化顶部活寒500小时试验3x l伊糊坶J性热蔽圉43工作500小时后图44具有纤维强化的燃烧室边缘寿命的提高给N涮、。漤跫X划天、.、l、,收留

6、X烈.、.、l环礴燃烧审组合武图45压铸纤维嵌件强化结构图44在理论上预测了两种收口的加强结构的燃烧室使发动机的寿命提高。图45列出了燃烧室和环槽加强的例子,图45中的第三种为同时对燃烧室和环槽做了加强。害÷g三簪疆鉴圈46在T/C卡车发动机中强化的环槽对活塞环和环槽磨损的影响图47由氧化铝纤维和Ni耐磨环两个镶嵌件组 合成的活塞头和环橹周开方:发动机的心脏一活塞、活塞环、缸套系统金属纤维和陶瓷应用于环槽的加强,对减小活塞重量是很具吸引力的,在已生产了若干年的小型高速发动机上尤其是这样。遗憾的是如图46所示,活塞环的磨损增加了,但更加坚硬的钢环却圆满的解决了这个问题。图47所示为含镍

7、的耐磨镶环和陶瓷纤维嵌件相组合的结构获得了高的顶环设计,并改善了第一道和第二道环的耐磨性。11有冷却通道的活塞活塞中的冷却通道是用盐芯的方法来制造的(见图48,在20多年以前,中速发动机上已经开始运用,通道被喷油嘴射出的油充满,这是冷却活塞的一个有效方法(见图49,提高了顶部和凸台的强度,并减少了积碳。如果通道的形状和位置不正确,采用了冷却通道却产生了应力集中,会产生图50a,所示的应力集中破坏的后果。图50b显示了现代有限元分析可以预示发生不良后果的位置及安全因素分析。有限元分析是对大多数活塞设计,特别是对现在还未被证实的高速发动机的活塞设计的一种现代的通用的方法。图48冷却通道铝活塞12铰

8、链式活塞选用更高强度的材料替代铝合金,在过去几年内得到了增加,特别如图51和图52所示的带有钢和铸铁头部以及铝合金裙部的铰链结构活塞。今天带有铰链结构的活塞设计已普遍应用于高速并有较高气缸压力的发动机上。这种设计的优缺点列下:优点:1、减小热损失;2、减少排污微粒;3、更好的顶部强度;4、更高的活塞环位置;5、减小间隙;6、无环岸接触/缸套研磨;7、降低油耗;8、减小垂直膨胀;9、增加凸台强度;10、减少环槽磨损;H、减小压缩高;12、减小裙部间隙;13、降低机械噪音;14、降低摩擦;15、在阀塌时更坚固(所有含铁的。图49油冷和冷却通道活塞温度对比h冷却通道埘Im的蜜食幽臻图50圉5l轻重量

9、的铰链活塞图52轻重量的铰链活塞顶/带冷却腔的头缺点:1、靠油制冷(油的数量,两个直接喷嘴2、重量大3、十字孔衬套4、十字孔润滑5、更严的公差(活塞销轴6、成本高。13结论本文简要综述,涉及了许多领域。目的是对当今活塞、活塞环和缸套的发展给大家一个总体的描述。图53、54对活塞环和活塞材料给予了总结。活 塞环组合的设计趋势列于图54中。 发动机的心脏-活塞、活塞环、缸套系统 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 周开方， 周聪蔚 周开方(原石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司,总工， 周聪蔚(河北省机械设备进出口 公司 内燃机配件 INTERNAL COMBUSTI

10、ON ENGINE PARTS 2002(5 3次 本文读者也读过(10条 1. 马登良.Ma Dengliang 气缸套活塞环的磨损原因与维护期刊论文-内燃机配件2007(4 2. 周虹伟.谭杰.王德志 机车柴油机气缸内摩擦副的匹配研究期刊论文-中国铁道科学2004,25(3 3. 张花锐 提高“四配套”摩擦磨损性能的措施会议论文-2004 4. 刘焜.刘小君.桂长林.Liu Kun.Liu Xiaojun.Gui Changlin 内燃机活塞环-缸套擦伤的理论分析与试验模拟期 刊论文-内燃机学报1999,17(2 5. 丁业武.谢宗法.DING Ye-wu.IE Zong-fa 柴油机活塞

11、环/缸套摩擦副匹配性能的试验期刊论文-内燃机配件 2006(6 6. 廖钟亮.张德元.周哲.罗文.付青峰.曾卫军 激光相变硬化提高内燃机汽缸与活塞环摩擦副寿命的研究期刊论文 -激光与光电子学进展2001(9 7. 邹稳根.ZOU Wen-gen 内燃机车柴油机缸内摩擦副与节能降耗期刊论文-内燃机配件2007(6 8. 楼狄明.夏建新.何建华.刘永莉 机车柴油机钢顶球铁裙组合活塞静应变及应力试验研究会议论文-2001 9. 马殿军.吴义民.刘瑞.MA Dian-jun.WU Yi-min.LIU Rui 活塞环与气缸套之间刮伤现象的研究期刊论文-内燃 机与动力装置2010(2 10. 匡建新.汪新衡.欧阳远翔.朱航生.KUANG Tanxin.WANG Xinheng.OUYANG Yuanxiang.ZHU