2.3.2 活塞环

活塞环主要可以分为气环和油环两种。

1.气环的作用

气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中气体大量漏入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却液或空气带走。

2.油环的作用

油环的作用是刮去气缸壁上多余的机油，并在气缸壁面涂上一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的摩擦阻力和磨损。此外，油环也起到密封的辅助作用。

3.活塞环的工作条件

活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用，温度较高（尤其是第一环，温度可达600K）。活塞环在气缸内作高速运动，加上高温下部分机油出现变质，使环的润滑条件变坏，难以保证液体润滑，因此磨损严重。

图2-47 活塞环的间隙

1—活塞环处于工作状态时形状 2—活塞环处于自由状态时形状 3—工作面 4—内表面 5—活塞 6—活塞环 7—气缸 Δ₁—开口间隙 Δ₂—侧隙 Δ₃—背隙 d—活塞环内径 B—活塞环宽度

4.活塞环的间隙

如图2-47所示，活塞环会在发动机运转过程中与高温气体接触将发生热膨胀现象，而周期性的往复运动又使其出现径向张缩变形。因此，为了保证正常的工作，活塞环在气缸内应该具有以下间隙：

1）端隙又称开口间隙，是指活塞环在冷态下装入气缸后，该环在上止点时，环的两端头之间的间隙。一般为0.25～0.50mm。

2）侧隙又称边隙，是指活塞环装入或赛后，其侧面与活塞环槽之间的间隙。第一道环因为工作温度高，间隙较大，一般为0.04～0.10mm；其他环一般为0.03～0.07mm。油环侧隙比气环小。

3）背隙是指活塞环装入气缸后，活塞环内圆柱面与活塞环槽底部间的间隙，一般为0.50～1.00mm。油环背隙较气环大，有利于增大存油间隙，便于减压泄油。

5.活塞环的泵油作用

由于侧隙和背隙的存在，当发动机工作时，活塞环便产生了泵油作用。其原因是：活塞下行时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下来的润滑油充入环槽下方，如图2-48a所示；当活塞上行时，环又靠在环槽的下方，同时将机油挤压到环槽上方如图2-48b所示。如此反复运动，就将缸壁上的机油泵入燃烧室。

由于活塞环的泵油作用，使机油窜入燃烧室，会使燃烧室内形成积炭和增加机油消耗，并且还可能在环槽（尤其是第一道气环槽）中形成积炭，使环卡死，失去密封作用，甚至折断活塞环。

6.气环

（1）气环的密封机理 活塞环有一个切口，且在自由状态下不是圆环形，其外形尺寸比气缸的内径大些，因此，它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴在气缸壁上。活塞环在燃气压力作用下，压紧在环槽的下端面上（图2-49），于是燃气便绕流到环的背面，并发生膨胀，其压力下降。同时，燃气压力对环背的作用力使环更紧地贴在气缸壁上。压力已有所降低的燃气，从第一道气环的切口漏到第二道气环的上平面时，又把这道气环压贴在第二环槽的下端面上，于是，燃气又绕流到这个环的背面，再发生膨胀，其压力又进一步降低。如此继续进行下去，从最后一道气环漏出来的燃气，其压力和流速已经大大减小，因而泄漏的燃气量也就很少了。因此，为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”封气装置，就足以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。

图2-48 活塞环的泵油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

图2-49 活塞环密封原理

1—第一密封面 2—第二密封面 3—背压力F₂ 4—活塞环自身弹力F₁

（2）气环的切口 气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口，因此，切口的形状和装入气缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响，切口间隙过大，则漏气严重，使发动机功率减小；间隙过小，活塞环受热膨胀后就有可能卡死或折断。切口间隙值一般为0.25～0.8mm。第一道气环的温度最高，因而其切口间隙值最大。气环的切口形状如图2-50所示。直角形切口工艺性好（图2-50a）；阶梯形切口的密封性好，但工艺性较差（图2-50b）；图2-50c所示为斜切口，斜角一般为30°或45°，其密封作用和工艺性均介于前两种之间，但其锐角部位在套装入活塞时容易折损；图2-50d所示为二冲程发动机活塞环的带防转销钉槽的切口。压配在活塞环槽中的销钉，是用来防止活塞环在工作中绕活塞中心线转动的。

图2-50 气环的切口形状

a）直角形 b）阶梯形 c）斜口形 d）带防转销钉槽形

（3）气环断面形状

1）矩形环（图2-51a）的优点是结构简单、制造方便、散热性好，废品率低。缺点主要是有泵油作用，容易造成机油消耗量过大并有可能形成燃烧室积炭；另外，矩形环的刮油性、磨合性及密封性较差。现代汽车基本不采用。

2）锥面环（图2-51b）的优点是与气缸壁的接触为线接触，密封和磨合性能较好，刮油作用明显，容易形成油膜以改善润滑；缺点是传热性能较差。锥面环主要应用在除第一道环外的其他环。

3）扭曲环（图2-51c、d）是现代汽车发动机广泛应用的一种活塞环，主要是因为扭曲环除具有锥面环的优点之外，还能减小泵油作用。减轻磨损、提高散热性能。安装扭曲环时应特别注意：内圆切槽向上，外圆切槽向下，不能装反。

4）梯形环（图2-51e）主要优点是能把沉积在环槽中的结焦挤出，从而避免了活塞环被粘结而出现折断，同时其密封性能优越，使用寿命长；缺点主要是上下两端面的精磨工艺较复杂。梯形环在热负荷较大的柴油发动机上使用较多。

5）桶面环（图2-51f）优点是活塞的上下行程都可以形成楔形油膜改善润滑，对活塞在气缸内摆动的适应性好，接触面积小，有利于密封；缺点是凸圆弧面加工困难，多用于强化柴油发动机的第一道环。

图2-51 气环的断面形状

a）矩形环 b）锥面环 c）正扭曲内切环 d）反扭曲锥面环 e）梯形环 f）桶面环

7.油环及其刮油作用

油环可以分为普通油环和组合油环两种。

1）普通油环（图2-52a）又称整体式油环。环的外圆柱面中间加工有凹槽，槽中钻有小孔或开切槽，当活塞向下运动时，将缸壁上多余的机油刮下，通过小孔或切槽流回曲轴箱；当活塞上行时，刮下的机油仍通过回油孔流回曲轴箱。有些普通环还在其外侧上边制有倒角，使环随活塞上行时形成油膜，可起均分布润滑油的作用，下行刮油能力强，减少了润滑油的上窜。这种类型的油环的优点结构简单、造价低，早期发动机上使用较多；但其强度低，易磨损，磨损后刮油效果不理想、寿命较短。现代汽车发动机基本上不采用。

2）组合油环（图2-52b）一般由上刮片、衬环、下刮片三层组成。优点是质量小、刮油能力强、对缸套变形适应性好、回油通路大等。正因为如此，尽管组合油环造价相对较高，在现代汽车上仍旧得到了广泛的应用。

3）无论活塞上行或下行，油环都能将气缸壁上多余的机油挂下来经活塞上的回油孔流回油底壳。油环的刮油作用如图2-53所示。

图2-52 油环

a）普通油环 b）组合式油环

图2-53 油环的刮油作用

a）活塞下行 b）活塞上行