07第六章活塞环的发展趋势

第六章 活塞环的发展趋势

6.1 二环组活塞环的开发

1二环组活塞环的效果

据介绍，由活塞系统产生的摩擦力约占发动机总摩擦力的40%，并且活塞系统约70%的摩擦力是由活塞环产生的。图6-1是二环组与三环组活塞环摩擦力的比较。在发动机全部转速范围内，二环组活塞环

所产生的摩擦力较低。使用二环组活塞环 不仅能改善燃油耗，而且使发动机具有更 好的加速性能，这使汽车的运动更加灵活。

问题都是一分为二的，却由此产生了 其他问题：机油耗上升和由于活塞顶部温 度升高而产生的环槽过量磨损。

2 二环组活塞环的机油耗

二环组活塞环由头道气环和油环组成，去掉第二道气环会导致机油耗大幅上升，高速状态时变得更加明显。这是由于当发动机处于燃烧室压力降低的行程中机油通过活塞环闭口间隙处进入燃烧室所致。为此，头道环的开口必须采用一种特殊形式即斜面台阶搭口形式（如图6-2所示），并进一步将其外圆面改为锥面，以提高刮油性能。在高速和典型工况下，这种活塞环的机油耗比通常的三环组活塞环低（图6-3）。

图6-2 二环组规格（斜面台阶搭口形式）

图6-3 二环组与三环组机油耗范例

3头道环规格

头道环采用斜面台阶搭口能显著改善机油耗。这种特殊的开口形式运用到头道环的开口处后能有效减少散布在活塞环槽上沿面的机油进入燃烧室的途径，并且还因为活塞环的开口间隙并不随外圆面磨损的增大而增大。当发动机处于高速状态时头道环与环槽上沿面性能保持较长时间的接触。

图6-1 二环组与三环组摩擦力的比较（倒拖法测量）

4油环的规格

为了通过油环来提高机油耗性能，改进油环对气缸的适应性是相当重要的。通过尽可能多地减小油环的径向厚度可以有效地提高油环对气缸的贴合性，也可以改变胀片凸缘的角度以增加该部件对外表面的弹力，可以获得与三环组几乎相当的机油耗。

6.1.1改善二环结构活塞密封性的研究

1采用两环结构的油环须具有能防止机油向活塞环岸部上窜的密封性能，总的看来，气环以采用桶面内倒角环，在环的下端面内缘保持密封。

2从窜气量方面看，以采用较小的气环闭口间隙为宜。

3为了减少各种运转条件下的窜气量及机油消耗量，须选择气环闭口间隙、第二道环岸处间隙容积的最佳值。

6.1.2活塞顶环设计对机油耗的影响

以往，一般认为顶环只是起密封气体的作用，而油环和第二道活塞环的功能才是控制机油上窜。然而，对机油耗起决定作用的机油最终都是通过顶环后被烧掉的。基于这一理由，应当认为顶环对机油耗具有不可忽视的重要影响。

试验证明，由顶环滑动表面外形引起的机油耗变化可以认为是气缸套与顶环之间机油膜变化对机油耗有相当大的影响。测定了滑动表面外形的桶面拱度“e”和有效滑动宽度“B”，根据e/ B重新整理的数据示于图6-4，图中可见，机油耗随e/B减小而减小，但是，当e/B 小于6/1000时机油耗便陡然增加。这看来是由于顶环上行时机油膜不足而导致刮油过量的缘故。提出了一种通过优化顶环设计控制e/B比来减少机油耗的技术。

另外，将顶环梯形角调整到某一适合的数值，并采用不对称桶面内切环能有效地减少机油耗，即使在排气制动运转时也是如此。

图6-4 e/B与机油耗的关系图6-5 闭口间隙之差对机油耗的影响由图6-5可见，如增加第二道环与第一道环的闭口间隙之差，换言之，如减少第一道环的闭口间隙或增加第二道环的闭口间隙可减少机油消耗。

6.1.3活塞第2环岸容积和形状对机油消耗量的影响

1 第2环岸容积

气缸直径为50～150 mm的汽油机和柴油机，活塞第2环岸容积分为如图6-6所示的两部分，其中，V1为第2环岸与气缸套之间的容积；V2为第2道活塞环上平面及背面与环槽所围成的容积。V1和V2大体上是相似值。

图6-6 第2 环岸容积与气缸直径图6-7 环岸高度与气缸直径图6-7所示为活塞环顶环环岸、第2 环岸和第3环岸高度与气缸直径的关系。根据最近的发展趋势，可看到其中顶环环岸尺寸小的高顶环规格的发动机，而从整个发展趋势看，第2环岸高度约是顶环环岸高度的1/2。

由此可见，考虑到加长汽油机、柴油机第2 环岸高度，也在现有的压缩高度范围之中。为加大第2 环岸高度，甚至把顶环环岸高度缩小到气缸直径的1/10为研制目标，使顶环到油环的高度尺寸减小30%。这样，就使第2环岸高度增加一倍，从而可使第2环岸容积V1增加一倍。另外，采用下述第2环岸V形切口结构，又能增加容积V1，根据发动机，能使原来的第2环岸总容积（V1+ V2）增加一倍以上。

这样，加大第2环岸高度，对提高第2环岸刚性，解决薄形顶环的问题也有效果。

在采用一道压缩环、一道油环的2环活塞结构的汽油机上，进行了第2环岸容积与形状的对比试验。首先，图6-8所示为两种发动机的第2环岸容积（与V1相当），在高速全负荷和标定工况下试验的结果。对2.4L的汽油机，当增加第2 环岸容积，在两种工况下都可以减少润滑油消耗量，而排量为1.0L的汽油机，仅在高速全负荷工况下有影响，标定工况下不太受影响。因此，不同的发动机，第2环岸容积对润滑油消耗量的影响存在差异，当第2环岸容积越大，润滑油消耗量越能降低，但需选择最佳值。

图6-8 第2 环岸容积与润滑油消耗量关系（汽油机2道环规格）

2 第2环岸形状

不同第2环岸形状，润滑油消耗量不同，其试验结果见图6-9。

结果是C ：V 形切口润滑油消耗量最少，而D ：逆形V 形切口，润滑油消耗量约增加7

倍。

图6-10所示为小型增压柴油机在进行第2环岸V 形切口加工情况下，再把第3环岸作V 形切口加工试验的结果。 第2环岸采用V 形切口，可使润滑油消耗量降低约12%，并对第3环岸也采取V 形切口加工后，润滑油消耗量可降低约20%。

图6-11所示为小型柴油机降低润滑油消耗量的研究结果。在4000r/min 全负荷时，润滑油消耗量可降低约20%。

图6-12所示为小型汽油机在标定工况和高速全负荷时采用V 形切口效果的比较。在6500r/min 全负荷时，润滑油消耗量可降低约25%，而在标定工况时，润滑油消耗量可降低到1/2以下。

这样，对目前正在批量生产的活塞进行第2环岸和第3环岸补充加工V 形切口，可使润滑油消耗量有效降低20%～50%，而再将第2环岸高度增加到现有的2倍，把V 形切口的V 形夹角减小15～20o左右，就更有希望达到以上效果。

图6-9 第 2 环岸形状与润滑油消耗量关系（汽油机2道环规格） 图6-10 第2 环岸和第3环岸V 形切口

的效果（小型增压柴油机）

同时，对加工成V 形切口环岸部位润滑油油量的观察和采用激光感荧光法（LIF 法）进行了油膜的测定，同时证实了第2环岸V 形切口对降低润滑油消耗量的效果。

6.2活塞环的表面处理

为了适应排放法法规的规定，汽油机活塞环有高位化的倾向，活塞环的热状态更严酷，为此，活塞环必须进行提高耐胶着性、耐磨损性和耐蚀性的表面处理。其中正在研究的是PVD 法（物理汽相沉积）的离子镀处理。

离子镀处理可迅速形成具有高附着性的薄膜，利用导入反应性气体的办法可得到耐磨损性能优越的陶瓷膜，目前正在研究着的是TiN 和Cr —N 系活塞环表面处理方法。

1 耐胶着性

图6-13示出，到胶着发生时的表面压力大小来评价的结果，由此可以确认PVD （Cr —N 系、TiN ）法的耐胶着性好于Mo 喷镀时的耐胶着性。

图6-13 表面处理与耐胶着性

图6-11 第2 环岸V 形切口的效果

（市场上销售的小型柴油机）

图6-12 第2 环岸切口的效果（市场上

销售的小型汽油机）

2 耐磨损性

图6-14示出，评价耐磨损性的结果，由图可见，PVD法的耐磨损性非常好。

图6-14 表面处理与耐磨损性

6.2.1 PVD多层涂层

一台内燃机的使用寿命很大程度上取决于活塞环—气缸副的使用寿命，在活塞环表面涂覆减摩涂层是减少活塞摩擦副磨损的一种可能方法。

目前一种新的工艺技术，就是采用离子轰击辅助的物理汽相沉积（PVD）。PVD工艺可使不同成分的多层涂层沉积，厚度通常为10μm且具有许多特性；不需要以后进行抛光及采取生态保护措施。

PVD多层涂层试验用小型摩托车上的铸铁活塞环，使用VU-1B装置，采用真空电弧蒸发工艺，沉积多层PVD涂层，一次堆叠100根活塞环，先后经过苯和乙醚超声清洗。然后装入真空室与沉积流动方向垂直的旋转轴上。真空室抽真空至10-3Pa，活塞环在涂覆前加1.5KV，Ti＋离子进行酸洗。然后按表6-1所列条件沉积涂层，涂覆过的活塞环在氮气流中冷却15min 至室温。

涂覆过的活塞环磨损试验是在未经改装的小型摩托车上进行。用光学显微镜（MIM-7型）测量活塞环外径的减小并作为磨损量的测量，同时还用电子扫描显微镜（REM-101Ｕ型）观察研究活塞环的摩擦表面。

表6-1 采用离子轰击辅助电弧蒸发工艺的内燃机活

塞环物理汽相沉积多层涂层生产条件

涂层材料电弧电流

A 真空室压力

Pa

沉积温度

℃

活塞环偏压

V

沉积时间

min

Ti TiN Ti TiN Ti

90

110

90

110

90

10-3

5×10-1

10-3

5×10-1

10-3

120

250

130

260

150

-50

-180

-50

-180

-50

3

15

6

15

12

经涂覆活塞环的磨损试验显示：

五层PVD涂层的活塞环磨损量大致为无涂层活塞环磨损量的1/3。

通过试验研究可以对内燃机活塞环多层PVD 涂层确定下列涂覆方法：

（1） 涂层必须至少包含两层，即内层为耐磨层，外层为降低气缸磨损的磨合层。 （2） 加入粘附层和贴合层，有利于防止发动机运转时涂层损坏。

小型摩托车发动机多层PVD 涂层活塞环的使用寿命为无涂层活塞环的3倍和镀铬活塞环的1.7倍。气缸的磨损降低了30%。

试验研究结果得出的结论是活塞环的镀铬层可以用多层PVD 涂层取代。 由于PVD 和被处理材料的附着性良好，所以可生成较厚的膜，特别是在要求提高耐磨性的小型柴油机里，已部分的采用钢制、氮化再进行PVD 处理的活塞环与部分淬火气缸相配的方式。今后，中、大型柴油机为适应排放法规，配合气缸套和滑动材料表面处理方法的开发，也应该研制钢制、氮化再进行PVD 处理的活塞环。 6.2.2离子氮化活塞环

气体氮化不锈钢活塞环（下称气体氮化环）的开发成功，已取代了许多寿命较短的镀铬环和涂层结合强度较低的热喷涂环。由于该环具有优良的耐磨性，在多种机型上得到应用，产量正在稳步增长，目前，在日本帝国活塞环公司的活塞环总产量中，已占20%以上。在日本，气体氮化环的应用，已显著地促进了活塞环的基体材料从铸铁向钢转变的过程。

气体氮化环的生产工艺是在550～600℃的氨（NH 3）气氛中，氮化含碳化物的高铬马氏体钢基体材料。表6-2列出了现已批量生产的气体氮化环的各类技术要求。

表6-2 气体氮化环类型

1）较小颗粒碳化物，2）较大颗粒碳化物

1 氮化方法的发展 在开发氮化活塞环时，气体氮化法和盐浴氮化法已用于批量生产。从制造和性能角度进行了比较（见表6-3），在生产中选用了气体氮化法。

表6-3 氮化方法的比较

当气体氮化气氛中只有氨（NH 3）时，基体材料表面发生脱碳，这使整个扩散层具有高的耐磨性。然而，在盐浴氮化中，当采用氰化盐时，处理气氛富碳，脱碳较少，扩散层和表面层均富碳，这使基体变脆，降低了耐磨性，如图6-15所示。

图6-15 磨损特性比较：气体氮化和盐浴氮化；

基体材料：0.6%C-13.5%铬钢

因此，当要求硬的扩散层和氮化层深度达到或超过50μm时，就需用气体氮化法。另外，气体氮化较便宜，它还包括工作环境的维护和废液的后处理。

2 氮化工艺参数的优化

对氮化特性有最大影响的氮化工艺参数之一是氮化处理温度，如图6-16所示。提高处理温度会稍微降低耐磨性。这是因为，随着处理温度升高，氮离子浓度下降，从而降低了处理表面的氮-碳化物的数量和硬度。对环的强度影响是：增强表面韧性和提高显微开裂应力。结果，提高了疲劳强度。如果显微开裂的结果并未使应力松弛，则装配时发生静载断裂的可能性增加。因此，需要考虑到基体材料的特性选择正确的处理温度。

图6-16 氮化温度—磨损系数和活塞环强度

3 结论和展望

与镀铬环和热喷涂环比较，气体氮化环有许多优点，如耐磨性好，对缸套内孔的磨损也小，而且表层强度也高。

此外，采用离子氮化法实现局部氮化，被认为是保持薄型环和特殊形状环的强度和防止变形的有效途径。通过选择氮化工艺参数，用离子氮化处理降低油环环槽磨损等改进措施，可显著扩大氮化环的应用范围。这类环是高性能发动机所必需的。因此，离子氮化方法预期会得到更广泛的应用。

另外，利用已氮化表面作为基础，再进行开发新的表面处理，可进一步提高气体氮化层的使用寿命，且同时仍可利用气体氮化环顶面和底面的耐磨性。

6.2.3喷钼新工艺

为了提高活塞环的耐磨性，据报道，国外在发动机上进行了将镀铬改为用气体火焰喷涂钼耐磨层的试验。

其工艺步骤是：

先在活塞环外表面上车出宽1.8～1.9mm，深250～300μm的槽，再将其表面用喷丸法喷净。为使钼环的弹性符合要求（1.9～2.7㎏·f），活塞环在套中受压缩状态下加热，温度不高于350℃，喷涂在试验设备上进行。为保证涂层必要的厚度和孔隙，共喷10～20层。喷涂后，通过机加工去掉50～80μm（包括磨量），保证钼层厚度为200～250μm，硬度为HV380～450，孔隙为20%～35%。

喷涂用1.5mm直径的纯钼丝。它的成分是：0.021%的三阶氧化物，0.001%的镍，0.020%的氧化硅，0.008%的氧化钾和氧化钠，99.95%的钼。

把喷钼气环和镀铬气环一起装在同一台发动机上进行对比试验，经过50h试验后，喷钼环比镀铬环径向磨损量少2/3～4/5，而且钼环的弹性几乎没有变化。第二道环的磨损也大为减少。

6.3钢质气环

强化柴油机的气环传统使用球墨铸铁材料制造。然而，近来市场要求强化柴油机产品具有高水平的单位容积功率，且机油耗、摩擦和排放均较低。利用钢作为基本材料，同时对气环设计进行若干改进，一种新型的钢质气环应运而生。

钢材优良的机械性能使环可以使用较小的截面，这就使燃气压力将环推向气缸而造成的摩擦损失减至最小。同样，也可使用自由开口尺寸明显大于常规值的气环。较大的自由开口尺寸和相应较高的径向弹力，可以明显改进对频繁变形气缸的顺应能力，从而加强了环的刮油性能。

钢线材作为活塞环材料目前已广泛用于汽油机上，然而，尚未用于强化柴油机上。

1 材料的选择

钢制气环具有较好的绕制和加工性能，于球墨铸铁相比，它的成本较低、耐腐蚀性好，而且机械性能优良。两种材料的机械性能和物理性能汇总在表6-4内。

表6-4 SAE 9254钢材和K-28球墨

铸铁的机械性能和物理性能

SAE 9254材料与铝合金或活塞环槽镍基镶圈相匹配时，具有良好的摩擦性能。由于强化柴油机广泛使用SAE 4140材料做强化组合活塞的头部，因而必须验证与这种材料的相容性。试验结果表明，测得的环槽和环侧面的磨损极小，铸铁环和钢环两者对SAE 4140锻造活塞头部的磨损相近。

铸铁气环和钢质气环的基本特征示于表6-5。

表6-5 现用铸铁气环和减小截面钢质气环的基本特征

最近开始采用0.9%C—21% Cr钢作为基体材料，在钢丝生产技术和环性能方面所作的研究取得了成果。

2 环的设计

使用较小截面的钢质气环，减小截面钢环的基本尺寸确定受到3个因素的限制：

（1）环材料强度需要承受装配和使用应力；

（2）环的功能径向厚度要考虑防止气体和机油通过环和环槽侧面之间的间隙；

（3）生产工艺性好。

为了更好地了解减小截面的钢质气环对重载柴油机性能的影响，在缸径125mm的11L 柴油机进行试验。

3 结果表明：

（1）在明显提高第一道环疲劳强度的条件下，减小截面和提高顺应性的钢质气环表现出降低机油耗、窜气量和燃油耗的明显趋势。由于可以加大燃烧室凹坑直径，也有助于改善排放。

（2）由于现用铸铁环材料的热稳定性高于SAE 9254材料。如果钢质第一道环的工作温度有可能比260℃高得多，则钢材料必须含有较高成分的合金元素。

（3）发动机试验所用的钢质气环表明，环的侧面和外圆面、活塞环槽和气缸套的磨损状态均正常，显示出具有良好的密封性，积碳量也正常。据称减小第一道环截面可减少摩擦损失最大为0.45hp。

6.4其它材料活塞环

据介绍日本曾采用四氟化乙烯树脂材料作为活塞环的覆层材料，这种材料具有如下特点：

1磨合性较好，动摩擦系数很小；

2不易被其他物质所粘着；

3耐热性好并具有耐蚀性；

4受热升华—摩擦后的残屑可以升华，随排气逸出。

由于该材料不易被其他物质所粘着，因而适宜于用来作为油环油孔的覆层。从而在某种程度上可以防止杂质附着。

此外，活塞环材料种类还很多，如粉末冶金、陶瓷等也有报导。

6.5高性能活塞环组的动向

6.5.1柴油机高性能活塞环组

1概述

柴油机活塞环组复盖缸径70～620 mm，预计寿命为2000～3000h，而发动机用途的广泛变化意味着相应不同的高性能指标。

车用发动机，其燃油经济性、重量和成本已成为主要因素。而现代发动机，按1994年美国排放法规，其机油消耗为燃油消耗的0.05%（0.1g/KW·h）所以改善活塞环组的机油消耗性能非常关键。

较大型车用发动机，不仅要符合严格的排放要求，且第一次大修寿命要达到10万Km。因此，活塞环组必须在极薄的油膜厚度下达到极小的磨损量。

中速发动机，提高比功率和降低燃油消耗就成为主要的研究因素，耐久性和可靠性又成为重要因素，预计寿命保证至少30000h，所以耐磨性、抗拉缸性和强度是对活塞环组的主要要求。

（1）基体材料

对气环和油环的材料选择是在强度、弹力、耐磨性和顺应性之间折衷优选。气环在柴油机中会遇到高压和高温，要求高强度铸铁，如碳化半可锻铸铁或球墨铸铁，如更高的功率和气缸压力上升率的增加对第一道环的强度和疲劳寿命提出更高要求，则需要采用钢，然而为不使顺应性降低，需要在设计中考虑通过减薄环的径向厚度来平衡。

对于油环，顺应性和耐磨性一般更为重要。因此，使用高强度钢而较大地减小环的截面，可获得好的顺应性。所以说，钢油环具有良好的前景。

（2）表面涂层

对重型柴油机要获得满意的磨损率是重要的，对第一道气环和油环运行表面进行涂层，而对中部气环也是有效的。

电镀铬层仍是这类涂层的主流。进一步开发的如T.C.铬和真空镀铬SP2已证明这种材料能承受住较高功率（3.2～3.5MW/m2）和在非常低的机油消耗下运行。

等离子喷涂涂层在抗拉缸性和耐磨性方面的优点已获证实，但是，采用这类涂层时，必须使气缸内表面粗糙度达到最佳化和第一道气环温度达到最低。

2汽车用柴油机

（1）环数

采用三道环的设计（2道气环）已成熟，并正在获得满意的寿命，进一步减少到2道环，象在汽油机中那样，优点就受到了限制。这是由于柴油机有更高的气缸压力和活塞顶面燃烧室的缘故，活塞上部的压缩高度往往不能减少。

（2）第一道环设计

高置的第一道环，活塞顶部边缘间隙大，则大大增加了第一道环的温度。改善活塞的冷却状况，包括使用顶面冷却油道。

a 表面涂层

尽管标准镀铬环在这些条件下还可保持它的生命力，但会出现高磨损和气缸表面剥落的问题。这是由于拉毛和复原交错的机理，通常可采用处理过的镀铬，如真空镀铬SP2来克服，但对更为严重的情况下需要等离子喷涂。增加涂层厚度以满足更高寿命的需要，而最薄厚度确定为0.2mm。

b 环截面

高置环的结构也使环暴露在燃烧气体中的时间增加，这不仅有助于环的密封作用，而且在环槽中产生浓厚积碳。在使用平行截面环时，必须增加环侧面和环槽之间的间隙约为0.050～0.076 mm，用以防止浓厚积碳将环粘住的现象（环的吸附）。在很多情况下，这还不足以克服这些问题，而需要采用楔形或梯形截面环。推荐的夹角为15o，但在较小型发动机上使用较薄的2 mm环，其夹角可采用6o

为了优化机油消耗性能，环的下侧面斜角可偏置于运转条件的一方，以便得到环的内边缘开始与环槽接触。这种接触保证了良好的气封，并有助于活塞环组的稳定。为防止过度磨损，必须优化这个接触角。同样为保证所希望的接触角，环与环槽侧面夹角的公差应保持最

小。

c 环高

环高要兼顾使用矮环时环、气缸和环槽磨损的加大，以及使用高环时环的不稳定性（或颤振）。在柴油机中，在较高压力较低转速时，则允许这种平衡趋向于较高的环，已达到现在的寿命和机油消耗指标）。

高速、轻型发动机（如缸径85mm、转速4500r/min），其第一道环的高度至少为2.5 mm，而高速、中型发动机（如缸径105mm、转速2400r/min），则为3.5 mm。

提高环的切向弹力和抗扭刚度有助于降低机油消耗。当增加环高，使平行截面变为楔形或梯形截面时，这些优点可能不完全显出。

d 外圆面形状

现在第一道环的外圆面形状几乎均采用桶型（或“皇冠”形）。在保证良好的外圆面气封时，要精心控制桶形高度，以防止机油上窜。

e 棱边条件

为了环的性能良好，环的底边外棱要锐利很重要，采用0.1 mm的最大棱边倒角。在外圆面涂层的环上可用机加工整个环面倒棱或者采用内倒棱结构（图6-17 a、b）。因为要减少棱边破坏的风险，内倒棱结构则被优先选用。内倒棱等离子涂层的剥落问题可以采用特殊几何形状的环槽来克服。

图6-17 锐利底棱环的设计图6-18 第一道环扭曲的影响

f扭曲

第一道环内侧边上加一个内切台肩产生正扭曲可始终改善机油消耗（图6-18），尤其对正常自然吸气发动机。值得注意的是，对桶形外圆面的环来说增加内切台肩很少影响环在环槽的就位，因为外圆面的大部分磨损发生在燃烧冲程，那里的压力足以克服环本身的扭曲。

（3）第二道环的设计

当第一道气环对密封性起关键作用时，第二道气环则在机油控制方面起重要作用。

a 涂层

增加高速车用柴油机的耐久性（轻型32万km，重型100万km）往往需要对第二道环的外圆面进行涂层。

对于轻型发动机，或采用碳氮共渗或用蒸发“镀铬”（到25μm厚）通常是足够的。对中、重型发动机，最薄涂层厚度应为7 0μm，而在恶劣情况下，由于升高环的位置而导致的高温，则涂层的厚度可达120μm。

b 环截面

对轻型发动机，平行截面环提供了最佳的解决方案。与第一道环一起，将活塞环组向上移，会引起2道环槽温度更高，导致第二道环粘住。而且，最初的解决办法是增加环的侧隙

约0.038～0.064mm。进一步改善可采用反扭曲（或反扭矩）环，如图 6-19 b所示。在中、重型发动机的应用中，第二道环的粘着问题是较为常见的，故推荐采用反扭曲环。对于较高功率的发动机，需要15o角的楔形截面环。

c 环高

如同第一道环一样，柴油机的第二道环比同类型汽油机的第二道环要高些。建议高速、轻型发动机的最低环高采用2.0 mm，而对高速、重型发动机，则建议采用2.5 mm。使用楔形截面环时需要增大这些环的高度。

d 外圆面形状

第二道环对收回机油起着重要作用，并几乎均采用锥面形状（图6-19）。在外边缘下部增加一个凹形沟（图6-19 c）可进一步提高环的刮油能力。这样就增加了环的有效渗漏面积，而由此增加了窜气，使环截面产生正扭曲，并提供了回油的储油室。所以采用这种形状，则在环的运动、刮油和储油方面有多层作用。

这些优点在使用方面是敏感的，并且受到诸如活塞上边缘间隙、内环岸容积和侧面角等因素的影响。

e 棱边条件

锐利的下棱边（最大倒角0.1 mm）对保护良好性能仍然是重要的。对电镀环需要专门控制。图6-20示出对全面镀层环采用加工出的不同棱边条件进行测定的试验结果。着重研究下棱边倒角和外下边缘的角度。由此可见，要获得最佳的结果，控制两者的性能是必需的。和第一道环一样，如需涂层的话最好采用内凹设计。

图6-19 第二道环槽部位的环截面图6-20 第二道环（4组环）下棱边条件的发展

f 扭曲

在欧洲，采用环上棱边的内切台肩和小的活塞环岸间隙，以控制窜气量。在外圆面锥角足以阻止向上刮油的条件下，为改善机油消耗最好采用负扭曲状态的环。

这优点来自外底侧面的接触，它密封回油倒流和改善了环的运动。这种环不仅能阻止环的粘住，而且还减少了低负荷时机油消耗的冒蓝烟问题。这种反扭曲锥面环提供了外切台肩的代替方案，并特别适用于煤气机和低负荷运行。

（4）油环

采用辅助撑簧的单片铸铁环

绝大多数的柴油机油环采用这种类型的环，特别在中、重型发动机上的应用。最常见的类型是靠模磨削、镀铬、开槽并带有螺旋撑簧的油环。

对于钢环来说，其径向厚度可大大减小，从而进一步减轻重量。

铸铁环的径向厚度同样可减薄，有助于减轻重量，并改善顺应性。但这受到避免断裂所需要的最小截面厚度的限制。

3中速和非汽车用柴油机

（1）环数

在车用发动机方面环数的减少也存在于较大型的发动机。由于发动机寿命的重要性（如需要30000h使用期）和较高功率，从而减少环数受到限制。现在最常用的4环活塞，3 道气环和1道油环正向3道环方案发展，已在新型发动机上得到认可。

至今，使用的气环是上部采用大的棱边倒角的电镀环和在低的环槽中采用不电镀的锐边环，这在环组中就时常出现不稳定的现象。低环的良好密封性产生高的环间压力顶起上部环。

（2）第一道环设计

由于没有排放要求，第一道环位置保持不变。较高功率也就要求有高强度的活塞顶，可由良好的活塞冷却来达到。采用铸入活塞内部的冷却油道，结果也降低第一道环槽的温度。

a 环截面

大多数第一道环仍采用矩形截面，有较好的低侧面平正度，以改善密封性能。

车用发动机采用高环的趋向，在这里同样适用，平行截面还有一个优点，即获得较高的切向弹力。

b涂层

为克服环或气缸的过度磨损问题，使用强化镀铬（TC铬）。

c 外圆面形状

在使用中锐棱边环是有利的，因为这类环具有良好的密封性能。使用锥面、不对称或偏心桶形环在气缸压力上升快的高功率涡轮增压发动机中不适用。也就是说，最大压力/压缩压力之比大于1.4时不适用。优先选用的主要是中部凸出的桶形环，因为在活塞环槽内环上行更高时可避免向上刮油。环侧面和环槽之间的间隙至少要增加到0.1 mm（典型的200 mm 缸径发动机），以避免因较高的热负荷和机械负荷所引起环槽封闭而产生环的陷入现象。增加的流通面积因防止了燃气压力的降低而改善了环的能量，也有助于克服径向破坏。

（3）中间环

当使用轻油和3道气环时，中间环往往不需电镀。对于镀铬气缸，则经淬硬和回火后的半可锻铸铁环工作良好。

如在铸铁气缸内仅使用2道气环，第二道环必需涂层，以避免过度磨损。另一方面，由于锐利的下棱边优点，内凹镀铬环工作良好。对于中间环，建议采用锥形外圆面。

对于4环组，第三道气环的闭口间隙至少应增大到第二道环的两倍。这就避免了由于第三道环的优先密封而造成上面气环的不稳定。另外，在该环下面的边角上加大间隙将会达到同样的效果。

（4）油环

燃用轻油时，油环一般与高速发动机的相似，但壁压约低10N/mm2。如果需要的话，可采用较高的切向弹力来降低机油消耗，但可能会降低环组寿命。

6.5.2汽油机高性能活塞环组

1概述

正在开发的新一代汽油机主要在两个领域：对中小型客车发动机正朝着经济、轻小型方面发展，包括降低活塞压缩高度，尤其是引起第一道环温度显著上升的非常薄的第一道环岸设计；对豪华轿车、赛车通常都采用高比功率的涡轮增压或多气门发动机，环的运行条件变化极大，所以环的设计是很关键的。

通常三环组合含有二道气环和一道油环，第一、二道气环对刮油也有重要作用。趋势是第二道环往往比第一道环高。

（1）材料

钢除了有利的机械性能外，组织的均匀性使它在加工和热处理期间始终便于控制，因此能稳定而精确地制成合适的形状，在运转条件下始终保持所需求的压力分布。

钢环主要限于制造三片组合油环，仅偶尔用于气环。

已经证明要减少粘着磨损和侧面磨损，球墨铸铁和马氏基体铸铁极为合适。

最常用的是片状石墨铸铁，由于它的弹性模量低所以具有良好的耐磨性和顺应性，仍受到人们的关注。

（2）环高

降低环高并非仅仅是因为降低活塞压缩高度所必须，而且对机油消耗和窜气都有益。其益处与减小质量和惯性活塞摆动的灵敏度和摩擦损失有关，而推荐的环高为：第一道环1.2～1.5 mm；第二道环1.2～1.5 mm；油环2.0～2.5 mm。

在第一道环槽中环高1.2 mm对于85 mm以下直径的活塞是令人满意的，对于更大直径的活塞必须对侧面加镀层（如氮），以便制止在气体压力作用下由于过度扭曲使侧面磨损上升的趋势。

对直径100 mm活塞的第二道环槽中用1.2 mm高度的锥形环和反扭曲形环都获得了良好的结果。在有些情况下2 mm高的镀层环也有用球墨铸铁或钢材料，同样获得了良好的效果，而这对降低压缩高度有重要作用。

（3）表面镀层

对第一道环通常镀铬，尽管有时为了避免由于边界润滑状况引起的拉缸问题而喷钼。在这种情况下，采用镶嵌喷钼工艺代替整体镀层可提高可靠性，实际上可消除接触面上的危险应力，装配期间锐边剥落和碎裂危险，以致产生整个镀层剥落的危险。

现在钼正在简便地由多孔性镀铬取代，可以确保发动机早期使用不拉缸。

对高性能发动机和赛车发动机，第一道环和油环倾向于采用热处理环或球墨铸铁镀铬环，而仅对强化发动机规定喷钼。

6.6国外几家公司的动向

1 Goetze公司对活塞环基本材料和结构设计进行了研究和开发。

根据这项研究，认为第1环槽内应使用高强度材料的梯形环，并应具有下列特点：足够的轴向高度；外圆面为不对称桶面；外圆面下棱边尽可能为锐边；尽可能小的闭口工作间隙；以及如有可能的话，开口端棱边不倒角。

当采用传统缸套材料时，第1环外圆面应镀铬、等离子喷镀钼或火焰喷镀钼。为了满足外圆面下棱边尽可能为锐边的要求，外圆面镀层应按下列进行设计：镀铬层——几乎为锐边的全镀层；等离子喷镀——几乎为锐边的全镀层或者外圆面为锐边的半镶嵌或全镶嵌结构镀层；火焰喷镀钼——几乎为锐边的全镀层。

第2环槽（以矩形槽为例）的活塞环结构最好应是鼻形环和锥面环。如果这种结构因窜气量大而不可能使用，则应采用上侧内切台的锥面环，或最好采用下侧内切台的锥面环（许多欧洲柴油机普遍采用这种结构）。

对于梯形环槽，标准的方案是一种正扭曲锥面梯形环。正如北美柴油机的情况那样，鼻形和锥面梯形环也可获得同样好的效果，但是采用这种活塞环仍经验不足。

如果根据耐磨性，无镀层环可以胜任的话，则基体材料应是耐磨合金灰铸铁。对于无镀层活塞环，其外圆面为锐边是毫无问题的。

在采用外圆面镀层的活塞环时，上述对第1环的那些类似建议也适用于外圆面下棱边。

对于第3环槽，采用镀铬成型磨削螺旋撑簧油环是解决润滑油消耗的最佳方案。这种油环具有下列优点：通过提高切向弹力或减小刮油边高度，使之具有高表面接触压力；轴向和径向尺寸较小，提高柔性（可能是高强度材料）；通过减小刮油边高度公差和径向公差，从而减小表面接触压力公差。

2 Dana公司的发动机产品分公司已开发了一种活塞环表面镀层，将其称为镀层110-268。试验前，曾估计这种新型镀层在工作500h后预测的平均气缸内径磨损的最大值为0.0127

mm[0.0005 in]（95%准确性）。

110-268镀层粉末已应用于活塞环，并经试验，其气缸内径磨损为0.00508 mm[0.0002 in]，比预测结果好得多。活塞环径向磨损为0.00762 mm[0.0003 in]。进行了1000h试验，其结果比预测的好，气缸内径磨损为0.02032 mm[0.0008 in]，活塞环径向磨损为0.01524 mm[0.0006 in]。这些磨损量与较少指定应用中采用镀铬的磨损量相类似。

3 Sealed Power公司已生产出一种与现有气缸材料相似的、SPF-280等离子喷镀铬-碳合金镀层。这种镀层具有SPF-251等离子喷镀钼镀层的抗拉缸性和铬磨损率。它将用于中型汽油机和重型柴油机。在重型柴油机上试验400h之后，SPF-280镀层的表面磨损为0.005588 mm[0.00022 in]；而镀铬层的磨损为0.009652 mm[0.00038 in]。

还有一种新型材料是用作大功率柴油机和汽油机上的第2气环的中等强度铸铁。在该公司进行的试验中，SPR-214D材料具有比灰铸铁更高的强度和更好的耐磨性。该公司预计这种材料必将应用于要求高于灰铸铁，而不需要第2道高强度铸铁镀层环的场合。这种材料的硬度为30～40HRC。抗弯强度为620.5 MPa[90×103 1bf/in2]，弹性系数为124.1GPa[18×106 1bf/in2]，其化学成分为碳3.3%、硅2.20%、钼1.00%等。

4日本TeiKoKu活塞环公司已成功研制了一种柴油机用的顺应性好的钢油环，并应用于缸径为65～165mm的25种新型柴油机。这种称之“I-环”的油环由具有一种I形截面的特殊高碳钢丝制成，生产上可采用环宽为3～6mm。

这种活塞环具有较小的截面，另一个特点是采用了很多穿孔，而不是槽，因此在活塞环的侧面消除了凸起，使油控状况极佳。

据称这种环又扩大应用到许多汽油机。

另外，该公司还完成了采用一种气体软氮化I-环或马氏体不锈钢特殊气体软氮化I-环的生产准备，气体软氮化处理工艺已研制成功，据称，经处理的不锈钢已广泛用于气环以减少磨损率，其磨损率仅是表面镀铬环的1/2～1/3，与镀铬环相比，其使用寿命也要长1～2倍。

碳氮共渗新工艺

碳氮共渗工艺是将活塞环在无毒氰酸盐溶液中加热到810～850K，并在这个温度下保温一定时间，疲劳强度试验的结果表明，钢件的疲劳强度提高50%～80%，其耐磨性优于以往的渗碳、气体渗氰和渗氮的零件。

该工艺能迅速缩短强化处理时间，碳氮共渗层的厚度为0.03～0.1 mm，其显微硬度取决于被强化材料的成分，在HV600到1100～1300范围内变动。

碳氮共渗工艺简单，设备简单，价格便宜，经碳氮共渗后的铸铁环，在环的表面最终形成无孔洞的致密扩散层，其深度取决于处理规范，一般是15～30μm，在扩散层中还保留石墨夹杂。

经试样耐磨性试验表明：碳氮共渗环的磨损量比普通铸铁环小1～1.5倍。

二氧化碳激光环槽淬硬技术

日本洋马公司研究并成功的研制了一种二氧化碳激光环槽淬硬技术，目前已应用于中速和大型发动机的批量生产。

采用该二氧化碳激光淬硬时激光光束能以最小热变形进入窄小环槽，用激光光束仅对淬硬目标区进行快速加热，不许使用冷却水便可达到自行淬硬。这种多模激光束的最大功率为12KW，并能与环槽成一定角度应用。激光光束稍微欠聚焦，以获得在单道上5 mm宽的淬硬区。

洋马公司还计划把这项技术应用扩大到发动机其他零件，包括机体、曲轴和气缸盖的气门座。