節油、減排的專利技術〈無端隙活塞環〉

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無端隙活塞環fficeffice" />

一、油品

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石油是個通名，普通是指從油田取得的液體以及溶在液體內的氣體和固體。石油的成分極不一致，與產地很有關系，普通都含烷屬烴（C₁到C₄₅），環烷烴，如環已烷、環戊烷的衍生物，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。

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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。

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      C₁₀—— C₁₈  為火油，是提煉柴油、煤油原料。

      C₁₆—— C₂₀  潤滑油，是配制各種規格，不同用途的潤滑油基礎原料。

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      C₂₀—— C₂₄  石臘，可制各種潤滑脂的配料。

石油的各種油品其基本化學元素是相同的，都是碳、氫有機化合物。分子結構的不同，元素的多少也不相同，那么它們在內燃機中有著不同的用途。下面分別敘述汽油、柴油、潤滑油在內燃機作用和化學反應。

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1、        潤滑油

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首先我們提出一個問題，為什么潤滑油能在內燃機中起潤滑作用，而汽油、煤油、柴油不能作為內燃機的潤滑油？由于潤滑油的分子碳鏈很長C₁₆——C₂₀，形象的比喻，像羊毛一樣壓成毛氈扯也扯不斷。在內燃機各摩擦副中微小的毛刺間相互拉扯潤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燃機的潤滑油。

2、        天然氣

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。在化學元素中氫原子是最活潑，反應速度最快一種元素。它在內燃機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、攜帶需要新技術的支持，所以沒被廣泛采用（僅應用于城市交通車）。

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3、        汽油

汽油是內燃機中的一種主要燃料，廣泛應用于點燃式內燃機。由于汽油的分子小燃燒的化學反應速度快，所以點燃式內燃機（也就是汽油機）的轉速高。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展。

4、        柴油

柴油是內燃機中狄塞爾發動機的主要燃料，由于柴油的分子相對汽油分子較大，燃燒時化學反應速度慢，所以壓燃式內燃機的轉速較低。由于壓燃式內燃機的壓縮比很高，燃油采用高壓噴入缸內的方式，另外柴油分子含碳原子多,所以它的升功率很高。

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5、        潤滑油的氧化失效

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 潤滑油在高溫狀態500—1500℃時，分子中的氫元素與空氣中的氧氣結合形成氧化反應，生成HO或H₂O。那么，潤滑油分子發生脫氫、碳鏈斷裂及碳化等變化。這個化學變化稱為熱裂，也稱之為氧化。尤其是在1500℃的高溫時，分子既完全分裂為碳黒。如有鐵、鎳、鈷等金屬時熱裂溫度會降到200—500℃。潤滑油的氧化使碳鏈很長的分子C_16——20斷裂為兩個或三個粗汽油分子C_5——9和黑碳。它就失去潤滑作用。并且，氧化形成粗汽油分子在高溫下揮發為油蒸氣，通過曲軸箱的廢氣管、進氣管進入燃燒室燃燒。形成的碳黑和碳化物是很硬的微粒材料，會加速內燃機的磨損。

二、活塞環

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1、活塞環的密封原理

內燃機中活塞的往復運動靠安裝在活塞上的兩道或三道壓縮環密封燃燒與曲軸箱。兩至三道壓縮環的切口在活塞的圓周上相措120—180℃。當活塞環受熱膨脹，端隙變的很小時，由環槽側隙、端隙、活塞的環岸與缸壁形成很長、很狹窄的迷宮式通道。使壓縮氣和爆燃氣向曲軸箱泄漏受阻，達到密封的目的。

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2、活塞環的磨損失效

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內燃機中活塞環外圓面與氣缸內壁是一對摩擦副，當它們磨損（灰塵、炭化物顆粒的磨損）時活塞環的端隙就會增大。增大的關系是π倍。隨著摩擦副的磨損端隙增的越大，通過環槽側隙、環岸與缸壁的間隙的漏氣量越大。這就是活塞環的磨損失效。它造成壓縮壓力降低，壓縮熱也降低，燃燒的化學反應速度變慢，燃燒不充分，動力降低。造成潤滑油上竄進入燃燒室參于燃燒、高溫高壓氣體下竄裂解潤滑油等諸多損耗巨增的結果。

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3、活塞環的對口失效

活塞環是非圓的環，壓入氣缸中，對缸壁的壓力是不均勻的，所以氣缸很容易被磨損成橢圓。當活塞環隨活塞在氣缸內往復運動時，由于連桿通過活塞銷作用于活塞與氣缸壁上的力是交變的，活塞在氣缸內，同時垂直于缸壁和活塞銷的方向上有微量的往復擺動，使得活塞環在氣缸內旋轉。當活塞環旋轉的與氣缸橢圓相復時，兩至三道壓縮環的切口相對，破壞了迷宮式的密封形式。隨然氣缸和活塞環的磨損量不大，但上下竄氣量卻非常大，造成活塞環密封失效.

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三、辛烷值

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1、燃油辛烷值

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辛烷值是一種實驗數值，它代表的是汽油在內燃機的汽缸內燃燒時發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作為標準的比較值。如某一種汽油的自爆炸性質與異辛烷完全相等時，這種汽油的辛烷值就等于100，若和正庚烷完全相等時，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號汽油。

2、機械辛烷值

什么是機械辛烷值？與燃油（汽油）辛烷值相適應的內燃機的辛烷值。一般工程師在設計內燃機時就設定了該內燃機的機械辛烷值。這就是內燃機重要參數之一的壓縮比。可以通過調整點火正時在一個設定的范圍內來調整機械辛烷值，使它與燃油辛烷值相匹配。

內燃機的機械辛烷值不是一成不變的。當活塞環與汽缸桶磨損時，由活塞環與活塞環槽側隙及活塞環端隙漏氣量增大時，壓縮壓力降低，則機械辛烷值也隨之降低。當內燃機處在不同的海拔高度時，其進氣壓力降低機械辛烷值也隨之降低。對設有分電器汽油機需要經常調整點火正時，使其與燃油辛烷值相適應。當加注與原先不同標號的汽油時也需相應調整點火正時。電控噴射式汽油機，只要設有凸輪軸位置傳感器和爆振傳感器的，其機械辛烷值是由ECU自動調整，加注的汽油在使用說明書標注的范圍內即可。柴油機也同樣需要調整噴油提前角。對于共軌電控噴油柴油機是由ECU自動調控。

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根據現有技術存在的缺陷設計出無端隙活塞環。下面闡述無端隙活塞環的設計理論。

四、無端隙活塞環

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　　摘要：詳細論述了無端隙活塞環（對角線切口活塞環）的密封特性。該項新技術產品具有節省燃油、潤滑油；提高內燃機的動力；冷啟動性好；延長大修里程；排污少等優越性。供政府、環境保護決策官員參考；供內燃機科技工作者選用。?

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　　關鍵詞：活塞環、無端隙、節油、環保。?

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  1、前言?

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    自從1855年英國的南斯波登發明了自身膨脹的彈性活塞環，使活塞在氣缸中工作時密封性大大提高，提高了蒸氣機的熱效率。1866年奧托發明了活塞式內燃機，從那時起自身膨脹的彈性活塞環的基本結構一直沿用至今。成為內燃機中起著非常重要作用的零部件。也就是當今我們大量使用的直切口活塞環。人們視圖進一步提高其密封性，設計了許多種形式切口和結構的活塞環。在資料上最長見的是斜切口、階梯切口的活塞環，還有許多組合式活塞環等。由于這些結構的各種切口活塞環在生產率、材料選擇等因素的影響下，而未達到普及應用。目前應用最廣泛的還是南斯波登發明的直切口活塞環。直切口活塞環的密封原理是，利用兩道壓縮環的對口相錯120至180度，與活塞環岸和缸壁形成迷宮式的狹窄通道。活塞環受熱端隙變小，壓縮氣體和爆燃氣體通過第一道壓縮環的上側隙和端隙及很長狹窄的通道抵達第二道壓縮環的上側隙和端隙，形成非常小迷宮的漏氣，來達到密封的作用。當活塞環與缸壁磨損，端隙增大，兩道壓縮環對口時就破壞了活塞環迷宮式的密封特性。造成向曲軸箱泄漏可燃氣和高溫高壓爆燃氣，使的內燃機燃燒不充分和動力不足。無端隙活塞環(對角線切口活塞環)具有斜切口、階梯切口活塞環能自行補償因磨損增大的端隙，還獨創了利用三角形互補的端頭密封了活塞環槽與氣缸之間任何可能產生竄氣的間隙。其氣缸、活塞、活塞環組合達到非常好的密封。所以比現有技術提高了燃油利用率、節省潤滑油，尤其是無端隙活塞環密封的非常嚴密，還具有自動補償因磨損增大端隙的功能，而大大的減少了排氣污染，延長了減少排污的周期。并且是從燃燒過程中解決排氣污染，是從產生污染源處解決環境保護。下面本人詳細論述對無端隙活塞環研究的結果。?

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2、無端隙活塞環的結構和定義?

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活塞環的切口為對角線切口，即活塞環徑向截面由外徑的上邊角至內徑的下邊角的對角線，兩端頭互補的切口。這種切口長度為活塞環兩端頭重疊的長度T（如圖1所示），對角線切口本身就堵住從活塞環上側隙向活塞環下端竄氣。它只保留了活塞環受熱膨脹所需的間隙，其本身自動補償因氣缸與活塞環磨損而增大的端隙。所以稱之為無端隙活塞環。?

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S1膨脹間隙；?T切口長；?h1環高；?a1環徑向寬度；?Fd在缸桶內受力；?Φ缸徑。

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( 圖 1 )

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3?密封性?

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從圖1中可以看出內燃機在壓縮、爆燃、排氣三個沖程中燃燒室內的高壓氣體從活塞環的上側隙進入環槽內形成了活塞環的背壓。沒有任何縫隙可使高壓、高溫氣體竄入第一道壓縮環與第二道壓縮環的中間以及曲軸箱內，其密封性非常好。?

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4、節省燃油?

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由于無端隙活塞環密封了由燃燒室向活塞環下端及曲軸箱內竄氣，從而增大了壓縮壓力，使燃燒速率加快、燃燒更充分、減少壓縮過程中點火提前量飛輪所做的無用功。并且在爆燃沖程中活塞環不竄氣，燃燒壓力得到充分的利用。使曲軸的轉矩增大。還節省了向第一道活塞環和第二道活塞環中間竄燃燒混合氣。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省燃油的特征。?

5、節省潤滑油?

由于無端隙活塞環密封嚴，排氣沖程中第一道壓縮環與第二道壓縮環中間沒有高壓氣體向燃燒室逆流，就不會將潤滑油吹入燃燒室。隨著氣缸與活塞環的磨損，活塞環對角線切口的自動補償，不會造成因氣缸和活塞環磨損使活塞環端隙增大而出現的燒機油的現象，從而節省了潤滑油。另外，在壓縮、爆燃沖程沒有可燃氣稀釋潤滑油和高溫爆燃氣使第一壓縮環以下的潤滑油裂解膠質化和碳化、則延長了更換潤滑油的里程。?

6、提高內燃機的動力?

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由于無端隙活塞環的密封性能非常好，壓縮沖程、爆燃沖程無泄漏，爆燃工作壓力相應增高，活塞經連桿作用在曲軸上的力增大，使內燃機的扭矩增大。提高了內燃機的動力。并且這種動力不會因氣缸和活塞環的磨損而降低。?

7、冷啟動性好?

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直切口活塞環在冷車時端隙較大。一般零下20-30℃時，端隙大于0.3--0.7mm（指新發動機或剛大修的內燃機）。比較舊的內燃機或接近大修的內燃機，其端隙會更大，便造成壓縮壓力低，燃料霧化不良，啟動時就比較困難。而無端隙活塞環不存在端隙，壓縮壓力相對要高的多，產生的壓縮熱也較高。便易于冷車啟動。?

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8、延長大修里程?

8.1改善潤滑條件延長零部件壽命?

由于無端隙活塞環密封性好，在爆燃沖程中沒有灼熱的氣體和炭粒向第一道活塞環以下泄漏，不會造成第二道活塞環、油環處機油因高溫而裂解炭化和膠質化,而將環卡死在槽內的現象。不會因油環卡死造成活塞、活塞環和氣缸缺潤滑油而磨損。并減小了燃燒室向曲軸箱泄漏高溫可燃混合氣。（在直切口活塞環的內燃機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生化學反應，并與機油中的另一種抗磨添加劑反應而使它們的保護膜減少。硝酸還腐蝕鑄鐵，生成鐵碳化合物顆粒，導致潤滑條件變差，加具對潤滑條件較差的配氣凸輪、搖臂和挺桿的磨損。曲軸次之。）從而無端隙活塞環改善了曲軸箱內潤滑質量，延長零部件使用壽命。?

8.2端隙自動補償延長大修里程?

現有技術中活塞環與氣缸直徑磨損0.01mm，活塞環的端隙會增加0.0314mm，是π的倍率。無端隙活塞環具有自行補償功能，不因環與氣缸直徑磨損而增大的端隙，也就是說在T－S1的范圍內不受任何影響。當T－S1＝0時才開始進入現有技術狀態。請參閱圖2。無端隙活塞環可使機械辛烷值在其磨損補償范圍內一成不變，這也是無端隙活塞環的一個特性。

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（ 圖 二 ）

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9、減少排污?

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　　無端隙活塞環密封性好，沒有壓縮沖程、爆燃沖程從燃燒室向第一道壓縮環與第二道壓環中間泄漏高壓混合氣。（在直切口活塞環內燃機中壓縮沖程壓縮在燃燒室的高壓混合氣，經第一道壓縮環的端隙進入第一道環與第二道環的中間。進入爆燃沖程高壓灼熱的混合氣再次泄漏至兩環中間。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，燃燒室壓力降低，兩環中間的高壓混合氣從第一道活塞環端隙逆流，其中決大部分成為排出尾氣（廢氣）中的HC、CO和NOx的成分）。對比現有技術，無端隙活塞環減少了尾氣（廢氣）中排放的HC、CO和NOx化合物。從燃燒的角度治理了排污，達到環保排放要求。并具備排放一致性。

10、電控噴射汽油內燃機

電控噴射汽油內燃機，在機械各部磨損量非常小的情況下，電控中心ECU根據內燃機節氣門位置、進氣流量、進氣溫度、內燃機溫度、冷卻液溫度、內燃機轉速、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火正時。并由安裝在排氣管上的氧傳感器檢測排氣中的氧含量的多少來微調噴油脈沖的寬窄，使空燃比在理論空燃比14.7:1附近，達到最佳燃燒狀態。當活塞環與氣缸磨損，活塞環端隙逐漸增大，壓縮壓力降低至使內燃機動力下降，同時伴有向燃燒室竄機油的現象。要提高車輛的動力性能只有提高內燃機的轉速，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。無端隙活塞環是真對現有技術中的不足而設計的，它有磨損補償的功能，使內燃機在無端隙活塞環自動補償范圍內始終保持新車狀態的機械性能，達到經濟耗油指標，尾氣排放指標不變。也就是不改變理想的奧托曲線。并能減少集碳對三原催化傳化器的污染，延長其使用壽命，節省稀有金屬：鈀、鉑、銠、鈰、鋇和鑭的用量。

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11、柴油內燃機

柴油內燃機是利用空氣被壓縮而產生的熱和高壓，將柴油以高壓霧噴入，使之產生自燃、爆燃來作功的一種內燃機，同樣當活塞環與氣缸磨損，產生很大的漏氣時，其功率同樣下降、尾氣排污增多，其中還有大量的碳粒。使用無端隙活塞環在其自動補償范圍內始終能保持內燃機的氣密性，在燃燒過程中，壓燃點因氣密性好而增多，每個燃點的燃燒半徑變小，應而燃燒速度加快,動力增大，并能減少排污節省燃油。

12、結論?

無端隙活塞環用于電控發動機中，它可減少曲軸箱廢氣對進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器和節氣門的污染，確保ECU正確控制噴油系統，防止氧傳感器、三原崔化轉化器被污染，而影響燃油混合比和尾氣崔化凈化作用。

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用于柴油機中可始終保持原設計壓縮壓力，使壓縮起燃點增多，提高柴油機的動力,啟動性好，并減少炭煙和NOx的生成。對燃氣內燃機有著同樣的效果。

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從以上六點優越性可以看出它的應用前景非常好，其社會效益，使用者的經濟效益，公共環境保護效益都有大幅度提高，尤其是中國進入WTO時，它是中國內燃機行業在國際市場競爭的一項拳頭技術項目，也是環境保護部門治理尾氣排放選用的產品。歡迎內燃機行業的工程技術人員，以及企業的決策領導、環境保護部門共同開發此項目的應用研究。?

 

老鷹

沒有圖。一般不要轉帖。如果轉帖好的東西，請注意完整。缺少圖也許就說不明白了。謝謝。

sxtylh008

有圖，帖不上。

老鷹

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A209

不知道樓主說的是這種結構？因為本人以前是修車的接觸過幾種活塞環，包括階梯接口和一種組合的活塞環，我個人感覺效果并不太理想，主要表現在活塞環端面的強度不夠，重負荷狀態下容易在端面的薄弱部分斷裂，造成拉傷氣缸，燒機油方面效果也不太顯著。

sxtylh008

五樓的猩猩先生,你好！這種活塞環你在修車時用過嗎？你拿著我的圖來問我。你所述階梯接口和一種組合活塞環你用過，不能用你用過的其它活塞環的結論來論述你沒用過的環。

lixu01

我覺得這里絕對歡迎新技術的討論和引進，再激烈也可以，但是最好不要帶有諷刺的意味

RENWOXING

樓住所說的這種環，我沒有看到圖，但是，我相信任何東西都有好的一面，也有壞的一面。你所說的這種環，如果可以自動補償端面間隙，那它忽視的就是天地間隙。而且你的環的韌性必須好，否則很容易折斷。同時它與缸套壁的貼合緊密性肯定沒那么高。... ...

小白菜

柴油機的油環就是無端面接口端隙的。