ffice" />ffice" />石油是個(gè)通名，普通是指從油田取得的液體以及溶在液體內(nèi)的氣體和固體。石油的成分極不一致，與產(chǎn)地很有關(guān)系，普通都含烷屬烴（C1到C45），環(huán)烷烴，如環(huán)已烷、環(huán)戊烷的衍生物，以及芳香烴，如苯及甲苯等。除烴外，還含有少量的含氧、氮及硫的化合物等。到目前，從石油中共取得83種烷屬烴。
其中：C1 —— C4 為天然氣，甲、乙、丙、丁烷。
C5—— C9 為粗汽油。是提煉各種汽油的原料。
C10—— C18 為火油，是提煉柴油、煤油原料。
C16—— C20 潤(rùn)滑油，是配制各種規(guī)格，不同用途的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)原料。
C20—— C24 石臘，可制各種潤(rùn)滑脂的配料。
石油的各種油品其基本化學(xué)元素是相同的，都是碳、氫有機(jī)化合物。分子結(jié)構(gòu)的不同，元素的多少也不相同，那么它們?cè)趦?nèi)燃機(jī)中有著不同的用途。下面分別敘述汽油、柴油、潤(rùn)滑油在內(nèi)燃機(jī)作用和化學(xué)反應(yīng)。
首先我們提出一個(gè)問題，為什么潤(rùn)滑油能在內(nèi)燃機(jī)中起潤(rùn)滑作用，而汽油、煤油、柴油不能作為內(nèi)燃機(jī)的潤(rùn)滑油？由于潤(rùn)滑油的分子碳鏈很長(zhǎng)C16——C20，形象的比喻，像羊毛一樣壓成毛氈扯也扯不斷。在內(nèi)燃機(jī)各摩擦副中微小的毛刺間相互拉扯潤(rùn)滑油的分子碳鏈而形成扯不開拉不斷的油膜。汽油、煤油、柴油的分子碳鏈很短不能形成像羊毛氈一樣的扯不斷的油膜。所以它們不能作為內(nèi)燃機(jī)的潤(rùn)滑油。
天然氣的分子很小，而且氫原子的含量較多，與空氣很容易溶合。在化學(xué)元素中氫原子是最活潑，反應(yīng)速度最快一種元素。它在內(nèi)燃機(jī)中是一種燃燒非常充分、潔凈的燃料。但是，由于天然氣的體能比大、攜帶需要新技術(shù)的支持，所以沒被廣泛采用（僅應(yīng)用于城市交通車）。
汽油是內(nèi)燃機(jī)中的一種主要燃料，廣泛應(yīng)用于點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)。由于汽油的分子小燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度快，所以點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)（也就是汽油機(jī)）的轉(zhuǎn)速高。由于汽油混氣在壓縮壓力下的自爆性，制約了它壓縮比和升功率的發(fā)展。
柴油是內(nèi)燃機(jī)中狄塞爾發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料，由于柴油的分子相對(duì)汽油分子較大，燃燒時(shí)化學(xué)反應(yīng)速度慢，所以壓燃式內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速較低。由于壓燃式內(nèi)燃機(jī)的壓縮比很高，燃油采用高壓噴入缸內(nèi)的方式，另外柴油分子含碳原子多,所以它的升功率很高。
潤(rùn)滑油在高溫狀態(tài)500—1500℃時(shí)，分子中的氫元素與空氣中的氧氣結(jié)合形成氧化反應(yīng)，生成HO或H2O。那么，潤(rùn)滑油分子發(fā)生脫氫、碳鏈斷裂及碳化等變化。這個(gè)化學(xué)變化稱為熱裂，也稱之為氧化。尤其是在1500℃的高溫時(shí)，分子既完全分裂為碳黒。如有鐵、鎳、鈷等金屬時(shí)熱裂溫度會(huì)降到200—500℃。潤(rùn)滑油的氧化使碳鏈很長(zhǎng)的分子C16——20斷裂為兩個(gè)或三個(gè)粗汽油分子C5——9和黑碳。它就失去潤(rùn)滑作用。并且，氧化形成粗汽油分子在高溫下?lián)]發(fā)為油蒸氣，通過曲軸箱的廢氣管、進(jìn)氣管進(jìn)入燃燒室燃燒。形成的碳黑和碳化物是很硬的微粒材料，會(huì)加速內(nèi)燃機(jī)的磨損。
內(nèi)燃機(jī)中活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)靠安裝在活塞上的兩道或三道壓縮環(huán)密封燃燒與曲軸箱。兩至三道壓縮環(huán)的切口在活塞的圓周上相措120—180℃。當(dāng)活塞環(huán)受熱膨脹，端隙變的很小時(shí)，由環(huán)槽側(cè)隙、端隙、活塞的環(huán)岸與缸壁形成很長(zhǎng)、很狹窄的迷宮式通道。使壓縮氣和爆燃?xì)庀蚯S箱泄漏受阻，達(dá)到密封的目的。
內(nèi)燃機(jī)中活塞環(huán)外圓面與氣缸內(nèi)壁是一對(duì)摩擦副，當(dāng)它們磨損（灰塵、炭化物顆粒的磨損）時(shí)活塞環(huán)的端隙就會(huì)增大。增大的關(guān)系是π倍。隨著摩擦副的磨損端隙增的越大，通過環(huán)槽側(cè)隙、環(huán)岸與缸壁的間隙的漏氣量越大。這就是活塞環(huán)的磨損失效。它造成壓縮壓力降低，壓縮熱也降低，燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度變慢，燃燒不充分，動(dòng)力降低。造成潤(rùn)滑油上竄進(jìn)入燃燒室參于燃燒、高溫高壓氣體下竄裂解潤(rùn)滑油等諸多損耗巨增的結(jié)果。
辛烷值是一種實(shí)驗(yàn)數(shù)值，它代表的是汽油在內(nèi)燃機(jī)的汽缸內(nèi)燃燒時(shí)發(fā)生自爆炸的壓力值與辛烷中的異辛烷的自爆炸性最弱、正庚烷的爆炸性最強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)的比較值。如某一種汽油的自爆炸性質(zhì)與異辛烷完全相等時(shí)，這種汽油的辛烷值就等于100，若和正庚烷完全相等時(shí)，辛烷值就等于零。又如某一種汽油的辛烷值是80，那就是說這種汽油的自爆炸性相當(dāng)于一種含有80%的異辛烷和20%正庚烷的混和物的自爆炸性，該汽油就是80號(hào)汽油。
什么是機(jī)械辛烷值？與燃油（汽油）辛烷值相適應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)的辛烷值。一般工程師在設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)時(shí)就設(shè)定了該內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械辛烷值。這就是內(nèi)燃機(jī)重要參數(shù)之一的壓縮比。可以通過調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)來調(diào)整機(jī)械辛烷值，使它與燃油辛烷值相匹配。
內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械辛烷值不是一成不變的。當(dāng)活塞環(huán)與汽缸桶磨損時(shí)，由活塞環(huán)與活塞環(huán)槽側(cè)隙及活塞環(huán)端隙漏氣量增大時(shí)，壓縮壓力降低，則機(jī)械辛烷值也隨之降低。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)處在不同的海拔高度時(shí)，其進(jìn)氣壓力降低機(jī)械辛烷值也隨之降低。對(duì)設(shè)有分電器汽油機(jī)需要經(jīng)常調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)，使其與燃油辛烷值相適應(yīng)。當(dāng)加注與原先不同標(biāo)號(hào)的汽油時(shí)也需相應(yīng)調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)。電控噴射式汽油機(jī)，只要設(shè)有凸輪軸位置傳感器和爆振傳感器的，其機(jī)械辛烷值是由ECU自動(dòng)調(diào)整，加注的汽油在使用說明書標(biāo)注的范圍內(nèi)即可。柴油機(jī)也同樣需要調(diào)整噴油提前角。對(duì)于共軌電控噴油柴油機(jī)是由ECU自動(dòng)調(diào)控。
摘要：詳細(xì)論述了無端隙活塞環(huán)（對(duì)角線切口活塞環(huán)）的密封特性。該項(xiàng)新技術(shù)產(chǎn)品具有節(jié)省燃油、潤(rùn)滑油；提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力；冷啟動(dòng)性好；延長(zhǎng)大修里程；排污少等優(yōu)越性。供政府、環(huán)境保護(hù)決策官員參考；供內(nèi)燃機(jī)科技工作者選用。?
關(guān)鍵詞：活塞環(huán)、無端隙、節(jié)油、環(huán)保。?
1、前言?
自從1855年英國(guó)的南斯波登發(fā)明了自身膨脹的彈性活塞環(huán)，使活塞在氣缸中工作時(shí)密封性大大提高，提高了蒸氣機(jī)的熱效率。1866年奧托發(fā)明了活塞式內(nèi)燃機(jī)，從那時(shí)起自身膨脹的彈性活塞環(huán)的基本結(jié)構(gòu)一直沿用至今。成為內(nèi)燃機(jī)中起著非常重要作用的零部件。也就是當(dāng)今我們大量使用的直切口活塞環(huán)。人們視圖進(jìn)一步提高其密封性，設(shè)計(jì)了許多種形式切口和結(jié)構(gòu)的活塞環(huán)。在資料上最長(zhǎng)見的是斜切口、階梯切口的活塞環(huán)，還有許多組合式活塞環(huán)等。由于這些結(jié)構(gòu)的各種切口活塞環(huán)在生產(chǎn)率、材料選擇等因素的影響下，而未達(dá)到普及應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣泛的還是南斯波登發(fā)明的直切口活塞環(huán)。直切口活塞環(huán)的密封原理是，利用兩道壓縮環(huán)的對(duì)口相錯(cuò)120至180度，與活塞環(huán)岸和缸壁形成迷宮式的狹窄通道。活塞環(huán)受熱端隙變小，壓縮氣體和爆燃?xì)怏w通過第一道壓縮環(huán)的上側(cè)隙和端隙及很長(zhǎng)狹窄的通道抵達(dá)第二道壓縮環(huán)的上側(cè)隙和端隙，形成非常小迷宮的漏氣，來達(dá)到密封的作用。當(dāng)活塞環(huán)與缸壁磨損，端隙增大，兩道壓縮環(huán)對(duì)口時(shí)就破壞了活塞環(huán)迷宮式的密封特性。造成向曲軸箱泄漏可燃?xì)夂透邷馗邏罕細(xì)猓沟膬?nèi)燃機(jī)燃燒不充分和動(dòng)力不足。無端隙活塞環(huán)(對(duì)角線切口活塞環(huán))具有斜切口、階梯切口活塞環(huán)能自行補(bǔ)償因磨損增大的端隙，還獨(dú)創(chuàng)了利用三角形互補(bǔ)的端頭密封了活塞環(huán)槽與氣缸之間任何可能產(chǎn)生竄氣的間隙。其氣缸、活塞、活塞環(huán)組合達(dá)到非常好的密封。所以比現(xiàn)有技術(shù)提高了燃油利用率、節(jié)省潤(rùn)滑油，尤其是無端隙活塞環(huán)密封的非常嚴(yán)密，還具有自動(dòng)補(bǔ)償因磨損增大端隙的功能，而大大的減少了排氣污染，延長(zhǎng)了減少排污的周期。并且是從燃燒過程中解決排氣污染，是從產(chǎn)生污染源處解決環(huán)境保護(hù)。下面本人詳細(xì)論述對(duì)無端隙活塞環(huán)研究的結(jié)果。?
2、無端隙活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)和定義?
活塞環(huán)的切口為對(duì)角線切口，即活塞環(huán)徑向截面由外徑的上邊角至內(nèi)徑的下邊角的對(duì)角線，兩端頭互補(bǔ)的切口。這種切口長(zhǎng)度為活塞環(huán)兩端頭重疊的長(zhǎng)度T（如圖1所示），對(duì)角線切口本身就堵住從活塞環(huán)上側(cè)隙向活塞環(huán)下端竄氣。它只保留了活塞環(huán)受熱膨脹所需的間隙，其本身自動(dòng)補(bǔ)償因氣缸與活塞環(huán)磨損而增大的端隙。所以稱之為無端隙活塞環(huán)。?
S1膨脹間隙；?T切口長(zhǎng)；?h1環(huán)高；?a1環(huán)徑向?qū)挾龋?Fd在缸桶內(nèi)受力；?Φ缸徑。
( 圖 1 )
3?密封性?
從圖1中可以看出內(nèi)燃機(jī)在壓縮、爆燃、排氣三個(gè)沖程中燃燒室內(nèi)的高壓氣體從活塞環(huán)的上側(cè)隙進(jìn)入環(huán)槽內(nèi)形成了活塞環(huán)的背壓。沒有任何縫隙可使高壓、高溫氣體竄入第一道壓縮環(huán)與第二道壓縮環(huán)的中間以及曲軸箱內(nèi)，其密封性非常好。?
由于無端隙活塞環(huán)密封了由燃燒室向活塞環(huán)下端及曲軸箱內(nèi)竄氣，從而增大了壓縮壓力，使燃燒速率加快、燃燒更充分、減少壓縮過程中點(diǎn)火提前量飛輪所做的無用功。并且在爆燃沖程中活塞環(huán)不竄氣，燃燒壓力得到充分的利用。使曲軸的轉(zhuǎn)矩增大。還節(jié)省了向第一道活塞環(huán)和第二道活塞環(huán)中間竄燃燒混合氣。那么綜合不竄氣、壓縮壓力的增高、燃燒速率加快、燃燒充分、爆燃沖程的壓力增大等因素都是節(jié)省燃油的特征。?
由于無端隙活塞環(huán)密封嚴(yán)，排氣沖程中第一道壓縮環(huán)與第二道壓縮環(huán)中間沒有高壓氣體向燃燒室逆流，就不會(huì)將潤(rùn)滑油吹入燃燒室。隨著氣缸與活塞環(huán)的磨損，活塞環(huán)對(duì)角線切口的自動(dòng)補(bǔ)償，不會(huì)造成因氣缸和活塞環(huán)磨損使活塞環(huán)端隙增大而出現(xiàn)的燒機(jī)油的現(xiàn)象，從而節(jié)省了潤(rùn)滑油。另外，在壓縮、爆燃沖程沒有可燃?xì)庀♂対?rùn)滑油和高溫爆燃?xì)馐沟谝粔嚎s環(huán)以下的潤(rùn)滑油裂解膠質(zhì)化和碳化、則延長(zhǎng)了更換潤(rùn)滑油的里程。?
由于無端隙活塞環(huán)的密封性能非常好，壓縮沖程、爆燃沖程無泄漏，爆燃工作壓力相應(yīng)增高，活塞經(jīng)連桿作用在曲軸上的力增大，使內(nèi)燃機(jī)的扭矩增大。提高了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力。并且這種動(dòng)力不會(huì)因氣缸和活塞環(huán)的磨損而降低。?
直切口活塞環(huán)在冷車時(shí)端隙較大。一般零下20-30℃時(shí)，端隙大于0.3--0.7mm（指新發(fā)動(dòng)機(jī)或剛大修的內(nèi)燃機(jī)）。比較舊的內(nèi)燃機(jī)或接近大修的內(nèi)燃機(jī)，其端隙會(huì)更大，便造成壓縮壓力低，燃料霧化不良，啟動(dòng)時(shí)就比較困難。而無端隙活塞環(huán)不存在端隙，壓縮壓力相對(duì)要高的多，產(chǎn)生的壓縮熱也較高。便易于冷車啟動(dòng)。?
8.1改善潤(rùn)滑條件延長(zhǎng)零部件壽命?
由于無端隙活塞環(huán)密封性好，在爆燃沖程中沒有灼熱的氣體和炭粒向第一道活塞環(huán)以下泄漏，不會(huì)造成第二道活塞環(huán)、油環(huán)處機(jī)油因高溫而裂解炭化和膠質(zhì)化,而將環(huán)卡死在槽內(nèi)的現(xiàn)象。不會(huì)因油環(huán)卡死造成活塞、活塞環(huán)和氣缸缺潤(rùn)滑油而磨損。并減小了燃燒室向曲軸箱泄漏高溫可燃混合氣。（在直切口活塞環(huán)的內(nèi)燃機(jī)中這些可燃混合氣中含有HC、CO和、NOx化合物。其中NOx化合物與冷卻水蒸氣作用便生成硝酸。硝酸與鋅二烴基二硫磷酸脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并與機(jī)油中的另一種抗磨添加劑反應(yīng)而使它們的保護(hù)膜減少。硝酸還腐蝕鑄鐵，生成鐵碳化合物顆粒，導(dǎo)致潤(rùn)滑條件變差，加具對(duì)潤(rùn)滑條件較差的配氣凸輪、搖臂和挺桿的磨損。曲軸次之。）從而無端隙活塞環(huán)改善了曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑質(zhì)量，延長(zhǎng)零部件使用壽命。?
8.2端隙自動(dòng)補(bǔ)償延長(zhǎng)大修里程?
, ]8 F* K0 p" V+ Y( T% Q' X現(xiàn)有技術(shù)中活塞環(huán)與氣缸直徑磨損0.01mm，活塞環(huán)的端隙會(huì)增加0.0314mm，是π的倍率。無端隙活塞環(huán)具有自行補(bǔ)償功能，不因環(huán)與氣缸直徑磨損而增大的端隙，也就是說在T－S1的范圍內(nèi)不受任何影響。當(dāng)T－S1＝0時(shí)才開始進(jìn)入現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)。請(qǐng)參閱圖2。無端隙活塞環(huán)可使機(jī)械辛烷值在其磨損補(bǔ)償范圍內(nèi)一成不變，這也是無端隙活塞環(huán)的一個(gè)特性。
（ 圖 二 ）
9、減少排污?
無端隙活塞環(huán)密封性好，沒有壓縮沖程、爆燃沖程從燃燒室向第一道壓縮環(huán)與第二道壓環(huán)中間泄漏高壓混合氣。（在直切口活塞環(huán)內(nèi)燃機(jī)中壓縮沖程壓縮在燃燒室的高壓混合氣，經(jīng)第一道壓縮環(huán)的端隙進(jìn)入第一道環(huán)與第二道環(huán)的中間。進(jìn)入爆燃沖程高壓灼熱的混合氣再次泄漏至兩環(huán)中間。因縫隙小而滯燃的混合氣便生成了HC、CO和NOx化合物。在排氣沖程時(shí)，燃燒室壓力降低，兩環(huán)中間的高壓混合氣從第一道活塞環(huán)端隙逆流，其中決大部分成為排出尾氣（廢氣）中的HC、CO和NOx的成分）。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，無端隙活塞環(huán)減少了尾氣（廢氣）中排放的HC、CO和NOx化合物。從燃燒的角度治理了排污，達(dá)到環(huán)保排放要求。并具備排放一致性。
電控噴射汽油內(nèi)燃機(jī)，在機(jī)械各部磨損量非常小的情況下，電控中心ECU根據(jù)內(nèi)燃機(jī)節(jié)氣門位置、進(jìn)氣流量、進(jìn)氣溫度、內(nèi)燃機(jī)溫度、冷卻液溫度、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速、凸輪軸位置、爆震等傳器所采集的信息，控制噴油嘴的噴油量及點(diǎn)火正時(shí)。并由安裝在排氣管上的氧傳感器檢測(cè)排氣中的氧含量的多少來微調(diào)噴油脈沖的寬窄，使空燃比在理論空燃比14.7:1附近，達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)。當(dāng)活塞環(huán)與氣缸磨損，活塞環(huán)端隙逐漸增大，壓縮壓力降低至使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力下降，同時(shí)伴有向燃燒室竄機(jī)油的現(xiàn)象。要提高車輛的動(dòng)力性能只有提高內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是降低變速檔位，那么單位里程所耗的燃油增加，所排放的污染物重量增大。無端隙活塞環(huán)是真對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足而設(shè)計(jì)的，它有磨損補(bǔ)償?shù)墓δ埽箖?nèi)燃機(jī)在無端隙活塞環(huán)自動(dòng)補(bǔ)償范圍內(nèi)始終保持新車狀態(tài)的機(jī)械性能，達(dá)到經(jīng)濟(jì)耗油指標(biāo)，尾氣排放指標(biāo)不變。也就是不改變理想的奧托曲線。并能減少集碳對(duì)三原催化傳化器的污染，延長(zhǎng)其使用壽命，節(jié)省稀有金屬：鈀、鉑、銠、鈰、鋇和鑭的用量。
柴油內(nèi)燃機(jī)是利用空氣被壓縮而產(chǎn)生的熱和高壓，將柴油以高壓霧噴入，使之產(chǎn)生自燃、爆燃來作功的一種內(nèi)燃機(jī)，同樣當(dāng)活塞環(huán)與氣缸磨損，產(chǎn)生很大的漏氣時(shí)，其功率同樣下降、尾氣排污增多，其中還有大量的碳粒。使用無端隙活塞環(huán)在其自動(dòng)補(bǔ)償范圍內(nèi)始終能保持內(nèi)燃機(jī)的氣密性，在燃燒過程中，壓燃點(diǎn)因氣密性好而增多，每個(gè)燃點(diǎn)的燃燒半徑變小，應(yīng)而燃燒速度加快,動(dòng)力增大，并能減少排污節(jié)省燃油。
無端隙活塞環(huán)用于電控發(fā)動(dòng)機(jī)中，它可減少曲軸箱廢氣對(duì)進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器和節(jié)氣門的污染，確保ECU正確控制噴油系統(tǒng)，防止氧傳感器、三原崔化轉(zhuǎn)化器被污染，而影響燃油混合比和尾氣崔化凈化作用。
用于柴油機(jī)中可始終保持原設(shè)計(jì)壓縮壓力，使壓縮起燃點(diǎn)增多，提高柴油機(jī)的動(dòng)力,啟動(dòng)性好，并減少炭煙和NOx的生成。對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)有著同樣的效果。
從以上六點(diǎn)優(yōu)越性可以看出它的應(yīng)用前景非常好，其社會(huì)效益，使用者的經(jīng)濟(jì)效益，公共環(huán)境保護(hù)效益都有大幅度提高，尤其是中國(guó)進(jìn)入WTO時(shí)，它是中國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一項(xiàng)拳頭技術(shù)項(xiàng)目，也是環(huán)境保護(hù)部門治理尾氣排放選用的產(chǎn)品。歡迎內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的工程技術(shù)人員，以及企業(yè)的決策領(lǐng)導(dǎo)、環(huán)境保護(hù)部門共同開發(fā)此項(xiàng)目的應(yīng)用研究。?
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