活塞環是具有彈性的金屬開口圓環,按其功用不同可分為氣環和油環兩種。安裝在活塞頭部上端的是2~4道氣環,下端的是1~2i道油環。如圖3-25的7、8、9所示。
(1)氣環的功用是保證活塞與氣缸壁之間的密封防止活塞上部的高壓氣體漏人曲軸箱。當密封不良時,壓縮沖程中的氣體漏出較多,使壓縮終了的壓力降低,對于柴獨機會造成啟動困難。高溫燃氣漏如曲軸箱使活塞溫度升高,機油因受熱而氧化變質。除密封作用外,氣環還起傳熱作用?;钊敳克盏牡臒崃?,大部分要通過氣環傳給氣缸壁(因活塞頭部并不接觸氣缸壁),再由外部的冷卻介質帶走。
氣環,特別是第一道氣環,除了隨活塞沿氣缸壁作高速往復直線運動外,還受到高溫和高壓燃氣的壓力以及潤滑條件差等因素的影響,從而使氣環的性能降低,彈性下降,而且會引起潤滑油的炭化,甚至可能造成拉缸和漏氣。因此要求氣環應有足夠的彈力,才能使環的四周緊貼在氣缸壁上,這時高壓燃氣就不可能通過氣環與氣缸壁之間的接觸面漏出。而作用在環上端面的燃氣,使環緊壓在活塞環槽中,使下端面與環槽緊貼。進人環的內側面與環槽之間的燃氣,其壓力向外,使環更加貼緊氣缸壁。因此利用氣環本身的彈力和燃氣的壓力,即可阻止高壓燃氣的泄漏。
活塞環通常采用優質灰鑄鐵或合金鑄鐵制成。為了提高第一道氣環的工作性能,提高其耐磨性,君在第一道氣環的表面鐵上多孔性格層或組層。近年來,第道氣環也有用球零鑄鐵或鋼制成的。在自由狀態下,環的外徑略大于氣缸直徑,裝人氣缸后,活塞環產生彈力壓緊在氣缸壁上,開口處應保留-定的問隙 (稱為端敞或開 口間隙,柴油機活塞環的開口間家通常為0.4~0. 8mm),以防止活塞環受熱膨脹時卡死在氣缸中?;钊h裝人環槽后,在高度方向也應有一- 定的間院(稱為側隙, 柴油機活塞環的側隙通常為0.08 ~0.16mm)。當活塞環安裝在活塞上時,應按規定將各環的開口處互相錯開120~180°,并且活塞環開口應與活塞銷座孔錯開45°以上,以防活塞環裝人氣缸后產生漏氣現象。
為了改善活塞環的工作條件,使活塞環與氣缸更好地走合,有些活塞環采用了不同的斷面,在安裝時要特別注意。
氣環的基本斷面形狀是矩形[圖3-29(a)]。矩形環易于制造,應用廣泛,但其磨合性比較差,不能滿足發動機日益強化的要求。這種普通的壓縮環可隨意安裝在氣環槽內。
有的發動機采用錐面環結構[圖3-29(b)]。這種環的工作表面制成0.5°~1.5°的錐角,使環的工作表面與缸壁的接觸面減小,可以較快地磨合。錐角還兼有刮油的作用。但錐面環的磨損較快,影響使用壽命。安裝時有棱角的一面朝下。
有些柴油發動機采用扭曲環[圖3-29(c)]。 扭曲環的內圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分,形成臺階形斷面。這種斷面內外不對稱,環裝人氣缸受到壓縮后,在不對稱內力的作用下,產生明顯的斷面傾斜,使環的外表面形成上小下大的錐面。這就減小了環與缸壁的接觸面積,使環易于磨合,并具有向下刮油的作用。而且環的上下端面與環槽的上下端面在相應的地方接觸,既增加密封性,又可防止活塞環在槽內上下竄動而造成泵油和磨損。這種環目前使用較廣泛。安裝扭曲環時,必須注意其上下方向,不能裝反,內切口要朝上,外切口要朝下。在一些熱負荷較大的柴油機上,為了提高氣環的抗結焦能力,常采用梯形環[圖3-29(d)]。這種環的端面與環槽的配合間隙隨活塞在側向力作用下作橫向擺動而改變,能將環槽中的積炭擠碎,防止活塞環結焦卡住。這種環同普通氣環一樣可隨意安裝。
還有一種形式的氣環一桶面環 [圖3-29(e)],它的工作表面呈凸圓弧形,其上下方向均與氣缸壁呈楔形,易于磨合,潤滑性能好,密封性強。這種環已普遍用于強化柴油機上。這種環同普通的壓縮環-一樣,可隨意安裝在氣環槽內。
(2)油環的功用是將 氣缸表面 多余的潤滑油刮下,不讓它竄人燃燒室,同時使氣缸壁上潤滑油均勻分布,改善活塞組的潤滑條件。油環位于氣環的下面,其工作溫度和燃氣壓力相對較低,而油環為了有效地刮油,又要求有較高的壓力壓向氣缸壁。因此,油環一方面本身的彈力較大,同時又盡可能地減小環與氣缸壁的接觸面,以增強單位面積的接觸壓力。
油環分為普通油環和組合油環兩種。
普通油環的斷面形狀如圖30所示。其結構形式與矩形斷面氣環相似,所不同的是在環的外圓柱面中間有一道凹槽,在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔。當活塞運動時,氣缸壁上多余的潤滑油就被油環刮下,經油環上的排油孔和活塞上的回油孔流回曲軸箱。-般柴油機的油環多采用如圖3-30(f)所示的結構。這種環可任意安裝。有些柴油機的油環,在工作表面的單向或雙向,同向或反向倒出錐角[如圖3-30(a)、(b)、(c)所示],以提高油環的刮油能力。安裝時圖(a)和圖(c)可以任意安裝,圖(b)要使有錐角的一面朝上。有的柴油機將油環工作表面加工成鼻形[如圖3-30(d)所示],其刮油能力更好。還有一些柴油機將兩片單獨的油環裝在同一環槽內[如圖3-30(e)所示],這種油環的作用不僅能使回油通道增大,而且由于兩個環片彼此獨立運動,較能適應氣缸的不均勻磨損和活塞擺動。安裝時,以上兩種環都要使有錐角的一面朝上。
還有的發動機采用一種鋼片組合油環,它是有幾片薄鋼片狀的片簧(刮片)和波紋形的襯簧共放在一個油環槽中的,如圖3-31所示。它是由三片片簧和兩個襯簧(一個軸向、一個徑向)組成,兩片片簧放在軸向襯簧上面,一片放在軸向襯簧下面,軸向襯簧用以保證環與環槽間的側隙。徑向襯簧放在環槽底部,安裝時幾片片簧的開口應互相錯開。通常,這種環的片簧采用合金鋼制成,與缸壁接觸的外圓表面采用鍍鉻處理。
鋼片組合油環的摩擦件(片簧)與彈力件分開,能避免磨損后彈力減弱而引起刮油能力下降的情況,同時又具有雙片油環的特點。
目前,在高速內燃發動機上廣泛采用在普通油環內裝螺旋彈簧的漲圈油環(如圖3-32所示),這種油環的作用與鋼片組合油環相似,制造安裝也比較方便。