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發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)動(dòng)力的過程是在氣缸里進(jìn)行的。首先，氣缸通過負(fù)壓吸入混合氣（含有燃油的空氣）或空氣，把氣體壓縮到燃燒室內(nèi)、點(diǎn)燃混合氣使其受熱膨脹、膨脹產(chǎn)生的高壓推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)為汽車提供動(dòng)力。如果氣缸里有個(gè)缺口，在混合氣壓縮和燃燒過程中，部分被壓縮和燃燒膨脹的氣體可以從缺口擠出、使氣缸壓力加速下降，降低了推動(dòng)活塞的力量。

1、汽缸里真的有個(gè)缺口？

氣缸是一個(gè)圓柱體，頂部和周圍的圓柱都是密封的，底部的活塞結(jié)構(gòu)依靠活塞環(huán)“密封”。活塞環(huán)是一個(gè)開口圓環(huán)，為了安裝方便和防止受熱膨脹，活塞環(huán)必須留一個(gè)可以延伸的缺口，作用是在熱膨脹時(shí)活塞環(huán)不會因?yàn)橥鈴皆龃蠖ㄋ溃笨诖蠹s有0.1-0.2毫米。為了減輕活塞環(huán)缺口引起的“漏氣”，設(shè)計(jì)者使用了相應(yīng)的防漏氣設(shè)計(jì)。

（1）盲腔設(shè)計(jì)

既然活塞環(huán)有缺口就一定會漏氣，設(shè)計(jì)者采用了雙環(huán)（柴油機(jī)是三環(huán)）設(shè)計(jì)來減少氣體泄漏。具體做法是在活塞上安裝二個(gè)活塞環(huán)，把兩個(gè)活塞環(huán)的開口錯(cuò)開180°，兩個(gè)活塞環(huán)之間的間隙被稱為盲腔。雖然氣體仍然可以通過上活塞環(huán)缺口——盲腔——下活塞環(huán)缺口的通道泄漏，泄漏量已經(jīng)明顯減低，所以現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)基本都采用這個(gè)設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞環(huán)可以隨著上下運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)活塞環(huán)的開口可以小于180°，如果離的太近，盲腔的作用就受到影響，氣體泄漏會隨之增加。

（2）機(jī)油封閉設(shè)計(jì)

通常認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)加注的機(jī)油只是為了潤滑零件，教科書和廠家都這樣說，即使換機(jī)油的修理工也在推銷高檔機(jī)油時(shí)強(qiáng)調(diào)機(jī)油的潤滑功效。其實(shí)，機(jī)油的作用并不僅僅于此。活塞環(huán)的缺口和與活塞環(huán)槽之間的間隙都可以造成氣體泄漏，設(shè)計(jì)師正是利機(jī)油的粘稠特性來封閉這些缺口和間隙。這里要引入一個(gè)流體力學(xué)概念：非牛頓流體。流體的粘稠度和流體的應(yīng)力（剪切力）呈現(xiàn)相關(guān)性。網(wǎng)上有個(gè)經(jīng)典視頻說明非牛頓流體現(xiàn)象：將一個(gè)水池里加滿玉米淀粉糊，如果一個(gè)人很快的跑過糊面，并不會沉下去；如果這個(gè)人站在糊面上，就會沉入糊里。設(shè)計(jì)者利用機(jī)油的粘稠性封閉活塞的缺口和間隙就是利用了非牛頓流體的原理來阻止氣體泄漏。

曾經(jīng)有一些公司利用非牛頓流體原理設(shè)計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)添加劑（記得多年前有一種美國進(jìn)口的“力馳多”）是將機(jī)油里加入非常細(xì)小的金屬顆粒來增加縫隙的密封性能，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約燃油和提高動(dòng)力的目的。消費(fèi)者也可以利用這個(gè)原理選擇粘度較高的機(jī)油（比如W30），在保證潤滑功能的前提下還可以適度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。

2、缺口影響那些行程？

目前廣泛使用的是四缸（四沖程）發(fā)動(dòng)機(jī)，就以它為例子分析活塞環(huán)缺口如何影響發(fā)動(dòng)機(jī)做功的。

以1-3-4-2點(diǎn)火順序來分析。氣缸的工作順序是“進(jìn)氣-壓縮-做功-排氣”，每個(gè)沖程推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)180°，四個(gè)氣缸每循環(huán)一次（也就是每個(gè)氣缸完成四個(gè)沖程）推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)720°（二圈）。從氣缸內(nèi)壓力的角度看，缺口主要影響壓縮和做功行程：圧縮行程時(shí)，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力大于缺口外壓力時(shí)，可以發(fā)生缸內(nèi)氣體外泄；做工行程時(shí)，氣缸內(nèi)壓力始終高于缺口外壓力，所以在整個(gè)行程中都有氣體外泄。

（1）缺口漏氣的程度和時(shí)間

圧縮行程時(shí)氣缸內(nèi)壓力是逐步上升的，只有在壓力大于氣缸外壓力并克服了機(jī)油的應(yīng)力時(shí)混合氣才會外漏。做功行程時(shí)氣缸內(nèi)壓力始終高于氣缸外壓力，所以整個(gè)行程中都有氣體泄漏。

可以通過三個(gè)層面來分析和漏氣相關(guān)的沖程和時(shí)間之間的關(guān)系。

A、漏氣行程長度

第一行顯示的是每個(gè)氣缸從壓縮開始到結(jié)束的連續(xù)性，也就是說氣體泄漏是從圧縮行程開始一直延續(xù)到做功行程結(jié)束，所以氣缸內(nèi)氣體向外泄漏的時(shí)間是兩個(gè)行程的時(shí)間總和。

B、漏氣沖程的重疊

第二行顯示的是伴隨第一行氣缸行程的其他氣缸行程狀態(tài)，比如，一缸壓縮時(shí)二缸在做功，一缸做功時(shí)三缸在壓縮…，由此可見同一時(shí)間段內(nèi)有兩個(gè)氣缸同時(shí)在通過缺口漏氣。

C、漏氣的連續(xù)性

第一行和第二行的氣缸行程是在持續(xù)循環(huán)過程中的，其間并沒有任何中斷，而是連續(xù)貫穿整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間。只要啟動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)，就有兩個(gè)氣缸從始至終在漏氣。   

通過上述分析可以判斷，活塞環(huán)缺口引起的缸內(nèi)氣體外泄真的很嚴(yán)重。

但是，僅僅依靠上述分析就下結(jié)論為時(shí)過早，必須要通過科學(xué)方法實(shí)際進(jìn)行測試后得到的結(jié)論才會更加靠譜。

（2）測定氣缸漏氣方法

2009年機(jī)械工業(yè)出版社出版的《汽車檢測技術(shù)與設(shè)備》中在第二章第二節(jié)中介紹了氣缸密封性檢測。檢測含有三項(xiàng)內(nèi)容：氣缸壓縮壓力檢測、氣缸漏氣率檢測和曲軸箱竄氣率檢測。

前兩項(xiàng)檢測的基本條件是以氣缸的圧縮行程為條件進(jìn)行，沒有包含做功行程的壓力變化和缸內(nèi)氣體泄漏。在前面的分析中我們已經(jīng)注意到做功行程的整個(gè)時(shí)間段缸內(nèi)氣體壓力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣缸外壓力，也就是說這個(gè)時(shí)段引起的氣體泄漏才是影響發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量和輸出扭矩的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)在多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓縮末期壓力大約在8-12公斤/cm?，按照壓力單位換算，1公斤/cm?=98kpa，10公斤/cm?約合1000kpa（1Mpa左右）；當(dāng)進(jìn)入做功行程時(shí)，被點(diǎn)燃的混合氣急劇膨脹可使氣缸內(nèi)壓力上升到100公斤以上/cm?（約合10Mpa）。書中記錄的檢測參數(shù)是在0.4Mpa的壓力條件下檢測氣缸泄漏率，設(shè)定的壓力參數(shù)比氣缸在壓縮行程的實(shí)際壓力低一半左右，更無法體現(xiàn)做功行程時(shí)的超大壓力。如果缺口面積不變，單位時(shí)間內(nèi)壓力越大泄漏的氣體越多，所以說上述檢測方法不能體現(xiàn)氣缸的實(shí)際泄漏情況。

看來這樣的檢測技術(shù)并不能真實(shí)全面地體現(xiàn)活塞環(huán)缺口泄漏的嚴(yán)重性，還會給設(shè)計(jì)人員造成一種“泄漏很有限”的假象。

3、閉合式活塞環(huán)

這里介紹幾種閉合式活塞環(huán)。

（1）搭接式活塞環(huán)

目前有一種搭接式活塞環(huán)可以阻斷氣體向下泄漏的垂直通道。

這種類型的活塞環(huán)多用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是阻斷了氣體泄漏的垂直通道。然而，活塞環(huán)的水平缺口仍然可以使高壓氣體經(jīng)過活塞環(huán)內(nèi)側(cè)的間隙，再通過下方的水平缺口泄漏。搭接型活塞環(huán)通過延長泄漏通道在一定程度上降低了氣體泄漏率，但是缺口并沒有被完全封閉。

（2）全閉合式活塞環(huán)

中國專利網(wǎng)上有很多關(guān)于全閉合式活塞環(huán)的專利，這里以專利號為200720120873.1（申請人陳郁傳）為例進(jìn)行分析。

專利附圖中顯示發(fā)明人把活塞環(huán)的接口設(shè)計(jì)的更加完善，可以阻止上方的氣體向下方和內(nèi)測泄漏。這種設(shè)計(jì)比搭接式活塞環(huán)更為先進(jìn)，完全封閉了活塞環(huán)接口處的“缺口”。來看一下這種活塞環(huán)末端結(jié)合后的情況。

當(dāng)活塞環(huán)被安裝在工作位置時(shí)，兩末端完全閉合，預(yù)留的膨脹間隙向下和向內(nèi)側(cè)的通道被完全封閉，僅僅留下一條非常小（可以完全貼合）的結(jié)合間隙。使用這樣的全閉合時(shí)活塞環(huán)可以最大限度的阻止發(fā)動(dòng)機(jī)圧縮行程和做功行程的氣缸內(nèi)氣體泄漏，而且基本不會受到活塞上兩個(gè)活塞環(huán)缺口位置變化的影響，非常有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

4、缺口造成的長期影響

活塞環(huán)缺口導(dǎo)致的氣缸內(nèi)氣體大量泄漏只是問題的開始，因?yàn)榍懊嫠鶎懙囊磺卸际且孕掳l(fā)動(dòng)機(jī)為前提。隨著汽車?yán)锍虜?shù)的增加，氣缸壁和活塞環(huán)外側(cè)面會不斷地被磨損，活塞環(huán)缺口也隨之在增大，泄漏的氣體數(shù)量也在不斷地上升。《汽車檢測技術(shù)與設(shè)備》中記載的“氣缸漏氣率參考性診斷參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值”是這樣規(guī)定的:

新車出廠時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸泄漏率基本處于“良好”水平；行駛了一定公里數(shù)后，氣缸泄漏率可能維持在“一般”水平；隨著公里數(shù)繼續(xù)延長（15-20萬公里以上），氣缸漏氣率就會變成“較差”或“差”的水平了。通常修理工會在活塞環(huán)缺口長度達(dá)到0.5mm以上時(shí)為你更換活塞環(huán)。因?yàn)闅飧妆谝彩艿侥p，即使換上新活塞環(huán)，缺口間隙也比較大，很難達(dá)到新車水平。記得有幾位開寶馬車的朋友在汽車行駛到20萬公里左右感到動(dòng)力嚴(yán)重下降，去4S店檢修時(shí)被要求更換發(fā)動(dòng)機(jī)，原因就在這里。汽車行駛過20萬公里后，基本都要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)大修，主要工作就是更換活塞環(huán)。

現(xiàn)在大家對活塞環(huán)缺口對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響認(rèn)識比較全面了吧。其實(shí)，事情可以不是這樣。大家可以滑上去再仔細(xì)看看全閉合型活塞環(huán)的示意圖。

全閉合型活塞環(huán)除了可以基本封閉氣體經(jīng)過活塞環(huán)結(jié)合部的缺口泄漏外，還有一個(gè)更重要的優(yōu)點(diǎn)是在活塞外緣被磨損時(shí)依然保持密封狀態(tài)。上圖中的活塞環(huán)的膨脹間隙A隨著外緣磨損漸漸增大，結(jié)合間隙可以保持不變，所以，活塞環(huán)的密封性保持不變；只有磨損到膨脹間隙A和膨脹間隙C重合以后，才會產(chǎn)生缺口導(dǎo)致氣體向下泄漏。如果結(jié)合部位有足夠的延伸余量，一輛汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)可以在行駛50-100萬公里時(shí)仍然保持新車的動(dòng)力水平和燃油消耗量水平。

很多國外或者合資汽車把發(fā)動(dòng)機(jī)開蓋（大修）里程長作為發(fā)動(dòng)機(jī)性能好的重要標(biāo)志，迎合了中國消費(fèi)者“經(jīng)久耐用”的心理需求。看完這篇說客后，希望中國汽車企業(yè)也能夠設(shè)計(jì)出行駛50萬公里、甚至100萬公里不大修的發(fā)動(dòng)機(jī)，而且還具備耗油量不增加和動(dòng)力不下降的雙重優(yōu)勢。