2019
09/07
clock:8:08











# Tech Topic:進階引擎工程學 – 活塞環槽背後的祕密

Category:Tips Info / by TAG Engineering

文/翻譯及彙整 TAG Engineering,部份圖片來自 JE、CP、以及其國際廠隊技術部門。未經同意請勿轉載

大部分活塞上都配置了三道活塞環 (部份自然進氣競技用性能活塞為兩道),分別為兩道壓縮氣密環以及一道刮油環。而與簡單的活塞環相比,活塞環槽具有更大的用途。它們影響燃燒時的汽缸密封效果,機油控制性能,活塞摩擦係數控制以及更多引擎相關的性能特性。

我們整合了全球活塞技術領導者的技術文獻並且將其彙整以及翻譯,在這些細節中,賽車和高性能引擎中使用的活塞環類型一直是熱門話題。但活塞中的環形槽也在密封燃燒壓力和控制機油和壓力釋放等方面發揮著重要作用。

我們知道眾多引擎組裝技師著重在挑選周邊零件以及各項搭配的突破之上。但是在追求最佳的氣缸密封效果時,活塞自帶的活塞環槽型式卻經常被忽略。

世界上任何一個活塞即使使用最強勁的材質、擁有最優異的加工程序以及美麗的外觀,但如果沒有正確且優異的環形槽設計下也將變得英雄無用武之地。


許多引擎零件製造商雖然仍竭盡全力提供精密的活塞環端部間隙,但是凹槽中的環型間隙卻經常無法被有效控制,並且很少考慮環槽密封表面的質量。甚至經常使用假設性的間隙來作為環槽加工程序考量。

活塞環面和缸壁之間的介質以及佔空性仍然在眾多賽車團隊和引擎製造商之間被廣泛討論,但環型槽中的燃燒密封同樣如此重要。為了獲得最佳效果,環形槽必須為活塞環提供理想的間隙和運動自由度,並且必須提供堅硬,平坦的密封表面,以便活塞環能承受高氣缸壓力。

以下我們來簡單介紹一下各種活塞環槽部位以及其相關的技術說明,方便下一篇的解釋。

活塞環的軸向間隙:

  • 定義為 – 安裝活塞環後,活塞環槽中留有的垂直間隙。根據標準應用,側面間隙通常為 0.001-0.003 英寸。而現今的薄型活塞環,一些賽車運行側軸向間隙密度為 0.0004-0.0005 英寸,使用通氣口來補充活塞環壓。

徑向迴力間隙:

  • 定義為 – 當活塞環面與活塞平面齊平時,活塞環後端與環槽的空間。 大多數賽車應用和高性能引擎活塞的後部間隙為 0.008 – 0.012英寸。

徑向壁厚:

  • 定義為 – 從前面接觸汽缸壁到活塞環的後端或內側的活塞環尺寸。 “D面” 是用作在汽車上的標準厚度指示 (SAE 標準),它是通過汽缸直徑除以 22 計算而來。如:4.125 英吋的汽缸直徑除以 22 得到 0.187 英吋就是徑向壁厚。

軸向高度

  • 定義為 – 從一個面到另一個面的尺寸或活塞環的厚度,通常用 1/16“ 的分數尺寸表示,或是十進制尺寸如 0.043 英吋、公制尺寸如 1.5mm。當活塞環在 TDC 和 BDC 處形成動態方向反轉時,較小的活塞環厚度意味著較小的質量和較小的慣性。較小的活塞環也產生較小的摩擦,但活塞環尺寸關係著密封效果和控制機油以及潤滑的特性。

測量活塞環槽間隙:

厚薄規是檢查活塞環槽中的活塞環間隙最常使用的方法。典型的間隙範圍為 0.001 至 0.005 英寸,具體取決於用途以及引擎配置。


通常在活塞環和活塞環環槽頂部之間插入厚薄規來檢查軸向間隙。稍微來回移動將確定適當且測量到正確的間隙。從最小的 0.001 英寸開始,然後進行反覆測試。不要在活塞環槽和活塞環槽底部之間進行測量,否則可能會損壞密封面。除此之外有一些引擎建構者用一疊厚薄規測量活塞凹槽本身,然後在用千分尺測量活塞環厚度後進行計算比較。然而第一種方法是比較好的,並且第一種做法可以同時在活塞周邊的幾個對稱位置重新驗證檢查。

活塞環槽後部間隙:

通過將活塞環的邊緣插入凹槽中並將其一直壓到凹槽的底部以確保它不會突出表面來檢查活塞環後部間隙。您可以通過在一組錶盤式卡尺上使用深度刻度測量活塞環槽的深度來驗證後部間隙,然後將其與測量的徑向厚度進行比較。如果活塞環槽太薄而無法用卡尺深度尺進行測量時,另一種方法是使用模型粘土或軟蠟,將其壓入凹槽中然後將其取下並用卡尺測量。

大多數活塞製造商會選擇在油環槽後端進行洩油浮雕鑽孔。而有些壓注開槽孔會在切割活塞槽時被打開,無論哪種形式它們都同樣有效,但有些人覺得它們在環形部位上會造成彎曲或是強度不足等問題。


活塞環槽提供的性能?

活塞環槽必須與氣缸壁完全垂直,而氣缸壓力會對活塞環施加向下且向外的壓力使其緊靠氣缸壁,借此實現最佳密封效能。在汽缸點火爆炸燃燒事件的期間,汽缸壓力將會沿著縫隙以及其路徑行進並進入活塞環上方的環形凹槽中。然後填充活塞環後端間隙,將環壓在氣缸壁上。活塞環槽中的軸向間隙提供了壓縮環後部的壓力填充路徑。因此,活塞環會對氣缸壁和活塞環槽底部加壓。

活塞環槽後部空間尺寸至關重要,因為它控制活塞環的作用響應時間。後端間距太大會使活塞環有效響應時間緩慢,但必須有一些間隙,以便活塞環在所有動態條件下都可以一致移動。而軸向間隙的主要目的是允許活塞環旋轉。氣缸壁中的交叉影線 (膛線) 會對活塞環形成牽引力、使活塞環旋轉。其他如活塞中的垂直和水平氣體導流孔也是將氣缸壓力引導到活塞環背面的方式。

高溫造成的微型熔接?

微型熔接是由於高溫而導致環槽向活塞環質量異常轉移或熔接。一旦造成這個問題,活塞環會被限制旋轉或是失去自由間隙,如果嚴重將造成不可逆的損壞。


伴隨賽車嚴苛的環境和高性能活塞應用的最關鍵問題之一就是 “微型熔接” 問題。當局部摩擦導致材料從環形區域轉移到環形側面時,微型熔接會損壞活塞環或環形槽密封表面,在活塞環底部環側是最常見的位置。

造成這個狀況的主要原因是過度使用以及對於溫度控制不良所造成。最常出現在耐久賽、或是渦輪引擎上,其中也因為活塞環放置位置太高並且太靠近急遽升高的燃燒溫度,或者在耐久賽持續性的高溫加壓等嚴苛條件下。微型熔接會直接破壞活塞環密封的性能,甚至可能將活塞環直接卡死在活塞環槽中。

應該注意的是,高溫環境下的環形凹槽 (尤其是頂部凹槽) 並不會均勻地膨脹。他會依照活塞圓頂輪廓、碟形輪廓和閥門頂刻型式、材料厚度不均勻等因素有所差異。

活塞環槽位置設計理論:

活塞環組的位置是依照特定用途有所改變,取決於活塞的壓縮高度,汽門凹口的尺寸和深度以及環形包裝的尺寸。


許多 OEM 引擎的第一道活塞環距離汽缸平面為 0.300 – 0.400 英寸。用於耐力賽應用會將頂部環由 0.125 降低到 0.150 英寸。在經過重度改裝的高壓縮自然吸氣式比賽引擎中,頂部環位置可從汽缸平面下方的 0.060 到 0.100 英寸變化。

多年來,這種趨勢已經傾向於在自然進氣的引擎中採用更緊密和更高的環形封裝。它通過擴展環和活塞裙部之間的接觸點來提高穩定性,並減少了抵抗爆炸的縫隙體積並促進更穩定的燃燒,使氣缸性能更加活躍。 Super Stock 類中的車隊總是希望將頂圈設置在更高的位置,以確保活塞環組的穩定性並促進更積極和徹底的燃燒條件。除此之外,更高的活塞環組設計可以允許你使用更短更輕巧的活塞本體設計。

如圖,渦輪應用 (右) 整個活塞環組件沿活塞向活塞裙移動,使其遠離活塞頂較高之溫度。活塞環在最大功率,自然進氣活塞 (左) 將被放置得更貼近活塞平面,以最小化縫隙體積,並且可以適應更長的連桿長度,並將活塞梢放置在更具穩定以及堅固的活塞裙座上。這在眾多原廠性能車以及高壓縮比賽引擎上很常見。


受到極端的熱源和壓力衝擊載荷的渦輪配置或是 NOS 燃料通常需要將第一道活塞環從活塞頂部向下移動至約 0.300 英寸。在許多情況下,這也取決於汽門尺寸和位置、活塞頂刻要求,第一道活塞環的徑向寬度和活塞銷位置等等。

有時,環形組件向下移動超過 0.400 英寸以適應這些問題。進氣汽門頂刻通常影響著第一道活塞環的位置,因為進氣汽門總是更大且更靠近活塞頂的邊緣。更薄的活塞環和更小的活塞環槽為更佳的活塞環放置提供了更多的選擇的空間,因為它們只需要較少的空間,但是它們在嚴苛的高壓力使用上卻往往處於危險之中。 例如使用 NOS 助燃的配置,由於 NOS 的空燃比特性總是混亂且不可預測,所以在這種情況下,就算將活塞環組下移至 0.450 英寸以上也並非不合理。

頂部高壓進氣孔以及環形震動:

燃燒事件中產生的壓力有助於將活塞環密封到汽缸壁上。氣缸壓力從縫隙進入環槽,穿過活塞環的頂部並在其後端產生向下推動以及迫使其抵靠氣缸壁的壓力。其餘活塞環上方的壓力將活塞環牢牢密封在活塞環槽的底部。


對於超薄,低張力活塞環需要通過燃燒壓力產生的高壓氣體以實現最佳密封。一般 NASCAR 或是道路賽的活塞設計上會在環形槽頂部增加水平導氣孔來抵抗積碳凝聚,而短衝刺以及非長時間競賽的瞬間爆發引擎則大部分會選用更有效的垂直導氣孔設計。

導氣孔在活塞環後面提供更直接的氣缸壓力,以將環密封施加壓力在環形槽的底部表面上並迫使其向外靠在氣缸壁上。導氣口的直徑和數量很大程度上取決於用途和活塞直徑有所差異。但都必須達到將氣體壓力均勻的施加到活塞環上以達到良好的密封效果、並防止有害的活塞環顫動。

垂直導氣口 (右) 與活塞環槽的背面相交,以對活塞環的後部施加直接壓力。它們通常用於純競技使用,由於頻繁的往復爆炸,往往會造成嚴重積碳。另外一種圍繞環頂部的水平導氣口 (左) 提供了額外的壓力傳輸路徑讓壓力到達活塞環槽的後部,這種通常用於耐久性使用,因為它們不會像垂直導氣口那樣快速產生積碳。


摩擦係數減低槽:

摩擦係數減低槽通過減少第一道活塞環上方的表面材料面積來最大化減少摩擦面積。除此之外這些細槽還可以有效破壞爆炸引起的高壓力峰值傳遞。


這些細緻的凹槽被加工到第一道活塞環上方的活塞頂側區域中,用以直接減少活塞在運作反轉時與汽缸壁直接接觸的阻力。並且它們還可以破壞火焰進入活塞環槽來幫助抵抗可能會造成活塞環直接離開活塞環槽的汽缸爆炸壓力峰值。

壓力續能槽:

壓力續能槽在第一道活塞環下方用以提供額外的空間,也因如此壓力峰值不會進行累積並試圖將活塞環頂開。


壓力續能槽通常加工於頂部壓縮環和第二 (刮油) 環之間的活塞本體之上。其目的是提供額外的釋放空間,用於阻擋且破壞逃離第一道活塞環的爆炸壓力峰值。它通過釋放壓力來支撐第一道活塞環密封性能,有助於減少因壓力變化引起的活塞環振動。壓力續能槽已被證明是最有效的且重要的項目,並且它們是許多高性能和賽車活塞的共同特徵。

活塞環槽的質量和位置與凸輪規格一樣重要。在任何重載應用中,正確的活塞環槽位置和最終的密封性能是提高動力和零件耐用性的關鍵。因此,如果您想要配置自己使用的活塞零組件,請務必使用活塞製造商指定的活塞環規格。

所有活塞都應該包含規格表,並提供活塞環端間隙和活塞環槽間隙的測量值。


文/翻譯及彙整 TAG Engineering,部份圖片來自 JE、CP、以及其國際廠隊技術部門。未經同意請勿轉載

5 1 vote
Article Rating
想說些什麼嗎?現在就加入我們一起討論
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x