精益求精：优化活塞、环组件和气缸，实现内燃机性能的巅峰提升

麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，精益件和机性既方便您进行讨论和分享，求精气缸又能给您带来不一样的优化参与感 ，感谢您的活塞环组支持!文|楠猫编辑|楠猫在现代工业中，内燃机作为一种高效能量转换装置 ，实现在动力机械中扮演着关键的内燃角色 。其中，巅峰活塞作为能量转换的提升核心部件尤为重要
。！精益件和机性活塞在恶劣条件下工作，求精气缸承受着极高的优化温度、压力和机械负荷，活塞环组尤其在重工业领域中。实现它的内燃材料选择取决于发动机类型和所需负荷
 ，小型发动机通常采用轻便的巅峰铝材 ，而大型低速发动机则常采用耐用的铸铁或钢材
。然而  ，值得注意的是活塞与气缸壁的相互作用可能导致活塞的变形 。这就需要综合考虑热膨胀、机械变形等因素，才能保持活塞与气缸壁的适当间隙，并确保活塞的正常工作
。下面我将探究活塞及其相关组件在内燃机中的重要性和作用，通过对这些关键元素进行分析和研究，相信可以帮助大家更好地理解活塞在内燃机中的功能和性能，并为进一步优化发动机设计提供指导！活塞活塞是内燃机中将热能转化为机械能的主要部件之一，它承受着非常恶劣的工作条件！因为燃料空气混合物燃烧产生的高压气体会向下推动活塞，从而传递机械能 。在设计活塞时 ，不同型号的发动机使用不同材料制造活塞。图1对于小型发动机，常用的材料是铝。而大型低速发动机通常采用铸铁活塞。然而，随着发动机负载的不断增加 ，特别是在重型工业应用中，钢活塞日益得到广泛运用
。图1展示了柴油发动机的典型活塞，并在表1中定义了其主要几何形状。通过合理选择活塞的材质和形状设计，可以使其在高温和高压的工作环境下具备更好的耐久性和可靠性 。活塞的设计和选材也是发动机工程领域中至关重要的一部分！活塞的裙部通常具有桶形或抛物线形的轮廓 ，这是由于边缘效应产生的（参见图2）
 。为了最小化活塞摩擦，这个裙部轮廓需要进行优化 。在发动机运行过程中 ，由于高温影响 ，活塞裙部也会在径向上发生轻微膨胀。除了在轴向上具有桶形或抛物线形轮廓之外
，活塞裙部通常在圆周方向上也具有一定的椭圆度 。椭圆度是指推力轴和销轴之间直径的差异 。引入椭圆度的目的是为了减少磨损和擦伤的风险。通过优化活塞裙部的设计，可以减少活塞与气缸之间的摩擦，最大程度地提高能源转换效率
。活塞裙部的轮廓和椭圆度是发动机设计中需要仔细考虑的因素 。这些措施有助于提高活塞的寿命和性能
。环形包装环组件通常由三个环组成，包括两个压缩环和一个控油环
。环包的主要功能有以下几个方面：首先，它们用于密封燃烧室 ，防止高压气体泄漏到曲轴箱中，避免动力的浪费 。其次，环包还负责将活塞与气缸壁之间的热量传递出去，并最终将热量传送到冷却系统中 。由于活塞顶部暴露在燃烧室内 ，因此降低活塞的工作温度非常重要。这样可以确保活塞在恶劣的工作条件下正常运行 。图3展示了现代汽油发动机和柴油发动机所使用的典型环包 。环组件的设计和材料选择对于发动机性能的影响至关重要，它们不仅要具备良好的密封性能
，还需要抗磨损和耐高温的特性。通过合理的环组件设计，可以提高发动机的燃油效率和可靠性。顶部压缩环顶部压缩环是第一个环
，也是密封燃烧室控制发动机窜气的主要部件。顶环也处于恶劣的工作条件下，因为它直接暴露在燃烧气体中，并且通常处于高压和高温下 。汽油发动机的顶部压缩环通常具有矩形横截面
 。然而，对于柴油发动机操作，顶部压缩环通常是梯形环(图4)促进活塞环和活塞槽之间沉积物的分解，从而降低活塞环和活塞槽之间微焊的可能性 。顶部压缩环通常在其正面具有抛物线或桶形轮廓，以增强环面和气缸壁界面之间的流体动力润滑(图4) 。由于穿过顶环的高气压梯度，顶压缩环的密封能力对发动机漏气有显著影响。发动机窜气被认为是高压气体通过环形密封泄漏到曲轴箱中。因此 ，期望顶部压缩环沿着环圆周均匀地符合气缸壁
。由于顶环两侧的高气压梯度，在发动机循环的大部分时间里
，顶环都靠在活塞槽的底侧。第二压缩环刮油环是环组件中的第二个环
 ，它有两个主要功能：80%的作用是刮掉润滑油，20%的作用是密封燃烧室 。由于楔形效应的存在，刮油环在上行冲程即压缩和排气冲程中促进流体动力润滑，而在下行冲程中则发挥刮油的功能 。图5显示了两种类型的第二环，其中一种是刮环 ，另一种是纳皮尔环
。为了实现静态扭曲，通常在第二环的一个后角处切割环材料。如果切除下内角，则环具有负静态扭曲，而如果切除上内角，则环具有正静态扭曲构型。通过这种设计 ，刮油环能够更好地适应内燃机工作的变化环境，提供更好的密封性能和润滑效果
。对于发动机的正常运行和寿命的延长至关重要。尽管第二压缩环上的气体压力梯度比顶环上的气体压力梯度低得多，但是第二压缩环对气流和气体动力学也有显著的影响。由于第二个环上的压力梯度较低 ，环惯性力变得比气体压力更有竞争力
 。惯性力可以在压缩冲程后期提升第二环，使得第二环保持抵靠凹槽的顶部侧面
。当第二个环位于顶部时，根据第二个环上方的压力积聚情况，该过程可能会重复。这种不稳定的轴向槽内运动被认为是环颤动。当环颤动发生时 ，环和凹槽侧之间的另一个气流路径打开
。因此 ，窜气可能会增加
！第二环也可以沿径向向内移动 。这种径向运动被称为环径向塌陷，当环径向塌陷发生时，环上方的气体可以直接在环面和气缸壁之间流过环 ，到达较低的环面。在这种环塌陷的情况下 ，会发生严重的发动机窜气 
。这取决于活塞环和活塞的设计 ，活塞环颤振和活塞环塌陷这两种情况中哪一种会发生 ，也有可能这两种情况同时发生。结果发现 ，静态扭转对第二环颤振和径向塌陷有显著影响 。具有负静态扭曲的第二个环比具有正静态扭曲的第二个环更容易颤振 。然而，如果第二环被提升抵靠凹槽的顶部侧面，正静态扭曲配置将比负扭曲配置更有可能塌陷 。护油圈控油环用于计量润滑油并将其分配到气缸壁上。通常有两种类型的油环 ：两件式油环和三件式油环两件式控油环由一个带两条导轨的环体和一个位于背面的螺旋弹簧组成 ，螺旋弹簧提供环张力
。膨胀器提供径向力以使环与汽缸壁一致，还提供轴向力以将环推靠在凹槽的顶侧和底侧。控油环是一个双向刮油环 ，在向上和向下冲程中刮油
。在向下冲程期间，底部导轨/部分将油直接刮回曲轴箱。顶部导轨/节段通过控油环扩张器将油刮回到凹槽中 。通常 ，油控制环凹槽背面的孔可以沿着圆周找到，方便允许油排放到曲轴箱
 。在一些活塞设计中，作为一种更容易的解决方案
，不是在凹槽的后部使用这些孔 ，而是在凹槽的底部边缘引入铸造槽用于排油
。在向上冲程期间，底部导轨/节段通过扩张器将油刮入凹槽 。在这些向上冲程期间，由顶部导轨/节段刮掉的油的回收取决于顶部导轨/节段上的外力。有时，控油环上的外部轴向力会克服膨胀器力。结果，在控油环和凹槽侧面之间形成油流缝隙
，允许油排入凹槽并最终返回曲轴箱  。圆筒根据发动机缸体所用的金属，气缸可以是有套筒的，也可以是无套筒的 。例如，铸铁发动机缸体通常不需要气缸套
，因为铁足够硬以抵抗活塞环和气缸壁之间的磨损。然而，所有日常驾驶汽车中都能找到的铝合金发动机缸体，需要气缸套，因为铝合金的硬度不足以抵抗活塞环和气缸壁界面之间的磨损 。离心铸造工艺指的是一种铸造技术 ，它有一个沿其中心线以恒定速度连续旋转的永久铸模 
。同时，熔融金属被浇注到模具中，并被抛向模具的内壁熔融金属在冷却后凝固。铸造机的旋转方向可以是水平的，也可以是垂直的，这取决于它所生产的零件。水平旋转优选用于长而薄圆柱体 ，而垂直旋转优选用于短而宽的圆柱体。当然，也可以找到没有套筒的铝制发动机 。铝气缸经过镍硅合金涂层或其他等离子涂层处理
，有助于减少气缸磨损
。研究人员还探索了其他技术来减少发动机摩擦 。一种方法是在气缸壁的中间冲程引入凹痕 ，这有助于减少摩擦 ，因为在冲程中，当活塞速度高时，活塞环通常处于流体动力摩擦下 。通过在气缸壁上引入凹痕，减少了环面和气缸壁之间的有效接触面积 。如所声称的
，这会导致粘性摩擦的减少。气缸套的典型表面粗糙度为0.4–0.5
。粗糙度已显著降低，这有助于减少发动机机油消耗 。较粗糙的气缸壁有助于将润滑油保留在微谷之间的缸套表面上，这与凹坑缸套类似。因此，由于微谷中的润滑油，活塞环/气缸壁和活塞裙/气缸壁界面之间的摩擦可以减小 。然而  ，这种微谷滞留油在发动机下冲程期间不会从缸套中刮掉，并且会一直暴露在高温气体中。结果，更多的油被蒸发，油耗增加 。发动机运转时，气缸套不再是圆形的。这种变形是由用螺栓将气缸体固定到气缸盖上的机械变形  
、当缸套上的热负荷不均匀时的热变形、活塞撞击缸套时的机械负荷 、燃烧事件产生的压力负荷等造成的。研究人员通过实验测量气缸孔变形。出于建模考虑，气缸孔变形通常由傅立叶级数定义:在上图中 ，δR是圆度的偏差，Ai和Bi傅立叶系数和i是系列的顺序，失真的阶次在中识别表2.活塞环-活塞槽-气缸套相互作用当自由状态的环安装到缸套中时，环的前表面受到气缸壁的约束 。需要跟踪环前表面上的每一点，无论它是否与气缸壁接触 。然而
，由于计算时间和资源的原因 ，用现有的计算工具是不可能的。最重要的是接触力/压力如何沿环圆周分布 。被指定约束在沿圆周的13个不同横截面位置，研究人员使用了有限元方法FEM对环一致性进行建模用于梯形压缩环
。显示的绿色网格图7代表自由形状的环 ，而红色网格代表在没有温度补偿的气缸孔约束下的变形环形状 。很明显，环从其自由状态被向内推 。将环推到其变形位置的约束力如所示图8
。蓝色和红色条表示环面上下角某一圆周位置的约束力。绿色和紫色点表示环面和气缸孔之间的分离间隙 。从图8发现在同一横截面上的两个接触力是相同的 ，因为环具有对称的横截面，并且环上没有扭矩。该图还显示了环背处的约束力最高
。在离环背约30°的截面上 ，与气缸壁接触的截面约束力最低。环顶端的约束力消失 ，这样环在其两个顶端的前表面与圆柱壁分离。分离间隙被定义为圆筒壁ID和环顶端OD之间的径向距离。从有限元分析模型中发现，该特定环的分离间隙为34 μm。从图9，给定圆周位置处的横截面的四个节点被视为环-活塞槽侧相互作用，并被编号为节点1、节点2、节点3和节点4 ，如图所示
。这四个节点在轴向上受到凹槽的约束。这意味着节点1和2应保持接触或高于凹槽底侧，而节点3和4应保持接触或低于凹槽顶侧 。环正面上的两个节点分别在正面顶边和底边上受圆柱孔的径向约束。凹槽在其顶侧和底侧具有零度角 。凹槽和环轴向厚度之间的标称间隙为0.1毫米，描述环的主要参数在下图中列出的表3.沿着环的圆周 ，约束位置以大约30°等间距分布，从一个粗端到另一个粗端。研究人员发现，约束位置的数量可以反映环、缸套和活塞槽之间的接触力和压力分布模式，并且还能够节省计算时间。增加约束位置将呈指数级增加计算时间，而减少约束位置可能导致无法很好地表示接触力和压力模式。如图10所示 ，变形后的环被安装到气缸套和活塞槽中。为了清楚地显示环的变形情况，沿z方向（轴向）的位移放大了100倍。在这种情况下，环背部和环粗端与凹槽底侧接触，而环在距离端部间隙约60°处接触凹槽顶侧 。活塞环和活塞槽侧面之间的约束力非常重要，因为它决定了最终会影响活塞环槽侧面磨损的接触模式。最终，环面-缸套孔界面和环侧-活塞槽侧界面之间的相互作用被用于模拟它们之间的磨损，以及对发动机机油消耗有严重影响的环组件动力学。这有助于进一步优化环组件和动力缸的设计
，并提高整个子系统的耐用性 。在内燃机中 ，活塞、环组件和气缸都发挥着关键作用 ，它们将热能转化为机械能 。活塞在恶劣的工作条件下工作，其材料和形状都经过了优化。环组件用于密封燃烧室和提供润滑，需要平衡压力和摩擦 。气缸可以采用套筒结构或无套筒结构，而其材料和表面粗糙度会影响摩擦和机油消耗。这些元件之间的相互作用对于发动机性能和耐用性至关重要，因此需要精心设计和优化。

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