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l lI8 似 内燃机活塞环组环面压力与漏气的分析 Analysis of inter-ring gas pressure and the blow-by in piston ring pack of internal com bustion engine 侯 健’，余志壮’，仲怀清 HOU Jian 。YU Zhi．zhuang 。ZHONG Huai-qing (1．同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海2Ol804；2．南车戚墅堰机车有限公司技术中心，常州 203011) 摘 要：活塞环组良好的密封性是内燃机保持高效、稳定运行的重要条件，本文通过建立环组密封系统 理论模型，自编Matlab程序对其进行数值计算，分析活塞环在不同气室体积、开口面积、转 速下，环面压力及漏气的变化情况，从而为提高环组气密性、减少漏气量，并最终为提高内燃 机性能提供有力依据。 关键词：活塞环组；密封性；环面压力；漏气 中图分类号：U26 文献标识码：A 文章编号：1 009—01 34(201 3)o2(上)一0074—04 Ooi：1 0．3969／J．issn．1 009-01 34．201 3．02(t-)．20 0 引言 活塞环是燃油发动机的内部的核心部件，起 着密封、调节机油 (控油)、导热 (传热)、导向 (支承)四大作用，其性能好坏直接影响发动机的 动力性和经济性。密封是气环的主要任务，即密封 燃气，不让燃室压力进入曲轴箱，使气体的泄漏量 尽可能的小。如果活塞环组的气密性不好，那么燃 气的泄漏量会大大增加，而漏气量增加的最直接结 果就是发动机功率下降；同时，漏气量的增加还会 使润滑油变质，间接地使系统磨损加剧，磨损越大 漏气量也就越大，最终导致发动机寿命急剧下降。 因此，研究活塞环组环面压力与漏气，不仅可以为 活塞环的设计提供指导，也是研究缸套一活塞环系 统的润滑和摩擦的必要前提u’ 。 1 基本理论 1．1气体流动基本假设p】 燃气气体在活塞环组内的泄漏是极其复杂 的，为了得到气体泄漏基本模型，我们做以下 假设： 1)环的开口间隙是气体泄漏的唯一通道，系 统的泄漏通路 可以用简单的小孔来代替，如图1 所示； 环 1 环2 环3 4 烧 l I l 轴 图1活塞环组的漏气通路 2)气体经过小孔的流动是绝热的，小孔的流 量可以用通过小孔的一维流动公式来计算； 3)活塞环始终是圆形的，忽略温度、气体压 力等对活塞环变形的影响； 4)活塞环间的每个气室的体积一定，在工作 循环中，不随活塞环的上下窜动而发生改变； 5)气室中的气体满足理想气体理论，并且在 变化过程中是等温的； 6) 曲轴箱 的 气体 压 力 等于 标 准大 气 压 (0．1MPa) 。 1．2计算模型 根据理想气体状态方程有： =toR T, 收稿日期：2012-07-04 基金项目：铁道部科技研究开发计划重点项目：大功率机车技术研究一机车柴油机活塞组低摩擦技术深化研究 作者简介：侯健 (1987一)，男，硕士研究生，研究方向为汽车发动机先进制造技术。 【74】 第35卷 第2期 2013—02(上) 学兔兔 参l 匐 似 两边求导可得： dt 等c 专鲁( ：鲁) 其中，P ， ， 分别为第i个气室的压力、体 积和温度，m是气体质量，R 为气体常数，对于空 气为287J／(kg·K)，Qi为第i个活塞环的瞬时气体 泄漏量 。 在实际计算中，由于温度变化对气室压力变 化影响很小，所以一般不考虑温度的影响，故 dPi=百Rg73(Qf一1一 Qf) (1) 1．3气体瞬时泄漏量的计算 一 个 由三道活塞环组成的密封系统如图1所 示，它的气体流动方式共有 2 ：8种，跟相邻的 两个气室的气体压力有关。我们假设 +。，根 据气体小孔流量方程可得气体瞬时泄漏量Qj 。 Q= 4届导 ，}o—szs 4 _1) P (s )等 szs (2) 上式中，K 是流量系数，一般取值为0．86 们； Ai为第i个小孔的开口面积，也就是泄漏面积；k是 气缸内气体的绝热指数，约等于1．4。 上式 中，如果 +。，那么气体将反向流 动，流经dqL的气体瞬时泄漏量Ql ， = 4—2k 陌 ， o-szs — 4 _1)2k铒。p ( s )，鲁 szs (3) 综合方程组 (1)、 (2)、 (3)，可得 I = c I- gT ( 环面压力P2、P3及气体泄漏量就可以用龙哥 库塔法 求解微分方程组 (4)得到。首先分别 给P2、P3一个初始值，在经过内燃机的一个循 环后，如果循环结束时的值与初始值不能满足要 求，那么将结束值赋给初始值，重新开始计算， 直到初始值与结束值之 间满足某个精度要求为 止。计算流程框图如图2所示。