活塞环的作用

1.保持气密性
  为了保持内燃机中所规定的压缩比，并将燃烧气体的全部有效功传给活塞，必须使气缸与活塞之间有良好的密封性能。而活塞环的作用，就像打气筒里的胶碗一样，紧紧贴在气缸壁上，与活塞一起密封气缸的工作腔，使气缸里的气体能形成很高的压力，而不致于泄漏到曲轴箱里去。当然，产生漏气的地方不一定限于活塞环（譬如：气门和气门座、气缸垫、火花塞等连接处）。但它在气体泄漏中占绝大部分，引起了人们的高度重视。
  由于活塞环是在高温高压条件下，随活塞一起作往复运动且作三个方向运动，即轴向运动、径向运动和旋转运动（二冲程发动机用活塞环除外）的零件，同时也是使用条件最为苛刻的零件。因此，对活塞环的材质和加工工艺提出了很高的要求，其主要性能要求有：1.耐磨性；2.贮油性；3.硬度；4.耐蚀性；5.强韧性；6.弹性；7.耐热性；8.切削性等等。其中，耐磨性和弹性是作为活塞环材料最重要的性能。
  摩托车发动机用活塞环的材质通常有合金铸铁（主要用于第一道气环），球墨铸铁（主要用于第二道气环），而钢质环主要用于油环。发动机燃烧室在爆炸作功的瞬间，其温度、压力、负荷都是最大的，尤其是第一道气环承受的温度也是最高的（其工作温度约有300℃左右），润滑条件也是最差的。为了保证它具有和其它几道环相同或更高的耐用性，常常将第一道气环的工作表面进行多孔镀铬处理。多孔镀铬层硬度高，可贮存少量的润滑油，以改善润滑条件，使环的寿命提高了2～3倍。近年来摩托车发动机大多采用长度短于缸径的活塞，这种活塞的头部在上行程转到下行程时会产生摆动现象，使活塞环外圆的上下边缘紧紧地与缸壁接触，导致活塞环的棱缘加载而形成刮伤。为避免这种异常现象，一般都将第一道气环外圆制成圆弧状，以使其上、下端面的边缘角不触及缸壁，并且易于发动机的初期磨合，这种气环称为桶面环（其桶面度约0.003～0.015mm）。它的主要优点是：不管发动机负荷怎么变化，桶面环在环槽内如何摆动，其桶面总能于气缸壁形成很狭的密封带。而且整根环的弹力都作用在这个狭带上，从而大大提高了接触压力且有利于形成润滑油膜，为目前高功率高转速摩托车发动机所采用。
  尽管当今制造技术非常精细，零部件的公差亦控制在最小范围，但因其材料、热处理及装配后的机械变形，气缸内的气密性总有极个别泄漏点存在，这就需要发动机在使用初期进行良好的磨合及起动后适当的预热来逐渐消除磨擦副的凹凸不平点。倘若由于多种因素引起气缸内的密封不良时，则会造成压缩压力下降和燃烧气体的窜漏，高压高温气体将穿过缸壁与活塞环之间的微小间隙，由此而引起的故障是破坏了活塞环与缸壁之间的润滑所必需的油膜，以致形成了金属之间直接接触的干磨擦状态，从而导致了因干磨擦而烧伤和拉伤活塞、活塞环和气缸，产生了异常磨损。泄漏的高温气体窜入曲轴箱使机油变质和产生硬质油泥，使活塞环发生粘着等故障。由此看来，确保活塞环在气缸内的气密性至关重要，来不得任何的泄漏。
2.控制机油       
  活塞环是在高温高压的工况下沿缸壁来回滑动的。为了更好地发挥其功能，既要有少量的机油润滑气缸和活塞，又必须适当地刮掉附着在缸壁上多余的机油，防止其上窜以保持机油消耗量适中。
  四冲程发动机在进气行程中，燃烧室内的压力低于曲轴箱内的压力，由于这种压差起着一种泵油作用，所以机油通过活塞环、活塞和气缸之间微小间隙而被吸入燃烧室，导致因窜机油而使机油消耗量大增。尤其在发动机怠速工况下，节气门基本处于关闭状态（气缸内负压相对较大），这种现象更趋严重。为了控制机油上窜，一般都将活塞上第二道气环外圆制成锥面。其锥角约1°15'±15'，只有环的下平面有0.2—0.6mm宽一段是圆柱面。所以，锥面环和气缸的接触也是很狭的一条密封带。锥面环既能在活塞上行时的滑动面上布下油膜，又能在活塞下行时有效地刮去缸壁下端的多余机油。为便于识别安装方向，锥面环的上平面用激光刻有记号或字母，避免装入活塞时方向颠倒而适得其反。有一点必须指出，气环和缸壁贴合的力，主要是气缸的气压力传到环的背面，将环紧压在缸壁上才能形成密封带。而气缸又不可能做到非常完善的正圆。这是因为加工过程中存在着误差和工作热变形等，多少有几处微小的失圆。这就要求环必须有很好的“顺应性”。
  人们在研究中发现，组合油环可以担当这个“角色”。 摩托车发动机 的组合油环由衬环、片环构成，其油环的切向弹力约为13—30N，而同一发动机的气环切向弹力只有5—10N。因此，组合油环的特点不仅在于其接触压力高，而且由于上下刮片能够分别动作，即使对于正圆度较差的气缸来说，也具有良好的适应性。更重要的是每个刮片不仅与气缸之间的滑动面处保持密封，而且也在环槽的上下两端面之间，保持对机油的气密作用，因此封油效果极佳。
  二冲程发动机一般采用油雾润滑。机油与汽油及空气混合后的油雾，一部分润滑曲轴连杆及轴承和气缸活塞下部；另一部分在扫气过程中进入燃烧室内参与燃烧，爆炸后再排至大气。机油在燃烧室的高温高压下总会有一部分碳分子残留地活塞顶部和第一道气环的环槽内。为此，单面楔形环(其楔形角为7°30')应运而生。它的效能在于楔形环作径向运动时，其侧隙时而增大，时而减小。也就是当活塞环向外运动时，间隙变大，反之，在向内运动时，间隙变小。因此残留在环槽中的焦渣油泥被磨碎，并随机油和废气一起排出，这样就起到了自动清除积碳的作用。楔形环一般作第一道气环，也有少部分强化型塞车发动机采用双面楔形环（其楔形角为15°30'），以增强清除积碳的功能。
3.传热作用
  内燃机活塞是在每次爆发的高温高压燃气体的作用下工作的。因此，如果不及时地将活塞顶部的热量散发出去而冷却之，那么活塞上部就会严重过热。其结果是，由于活塞的异常膨胀而被刮伤；由于硬度降低而使活塞早期磨损；由于机油变质而引起粘环；由于活塞顶和活塞销孔座处强度降低而损坏等等。这些都对发动机的正常工作带来致命的危险。由此可见，活塞环除起密封作用外还包含将燃烧气体造成的活塞高温传给缸体，即对活塞起到冷却作用。据有关资料介绍，活塞顶部所受热量中有70～80%是通过活塞环传给缸壁而散掉的。
4.支承作用
  活塞因受气体压力而作往复运动，这种往复运动通过曲轴变为旋转运动，所以活塞承受着侧推分力。因此，活塞环填补了活塞与气缸之间的间隙，并经常与缸壁接触面作滑动运动。它不仅防止了窜气，控制了机油，而且还防止活塞与缸壁的强烈接触。亦即，气体压力在活塞与气缸之间的间隙中发生作用，高压气体达到环的背隙中，其压力把活塞环外圆压向气缸内壁，使活塞保持浮动状态。可以认为，这时活塞环起着相当于空气轴承的作用。从这个意义上说，活塞环与环槽必须留有合适的背隙（其标准为0.40-0.70mm）。一般情况下背隙的作用有二个：第一在于防止因活塞环和活塞的膨胀而使环粘着在环槽中；第二在于提高活塞环滑动面的接触压力，起到了防止活塞与缸壁强烈接触的作用。