辉门活塞环——提高效率、降低排放的新型技术

由于重型柴油机的缸孔周围散布着大量机油，因此需应用具有独特表面轮廓的活塞环，以此可有效增强发动机的效率及稳定性。本文将对辉门活塞环进行详解。

【作者】ETi

【翻译】王少辉

【编辑】伍赛特

随着重型柴油机承受的机械负荷和热负荷的持续提升，活塞环组件面临着更高的技术要求。尤其是商用汽车发动机的第二道气环，由于其工作面的主要设计方案为采用锥形轮廓，随着运转时的缸孔变形等现象，第二道气环需确保能产生均质油膜。在当前的活塞环系统中，尚无内在结构来确保环绕缸孔圆周的机油统一分布状态。

锥形环的外形提供了一个相对较大的工作面区，当环的内径和外径间的压力不平衡时，会导致环的径向尺寸出现不稳定现象。当发动机制造商采用更大峰值的燃烧压力来提高发动机效率，同时设法减小机油消耗量和排放值，以及增加可靠性和耐久性时，对于此类不平衡的限制变得较为重要。

1 eLine活塞环

因此，辉门动力总成针对重型发动机研制出一种新型活塞环技术。用于第二道环槽中的eLine活塞环的工作面上有一个独特的轮廓设计：在轴向上采用桶形替代了锥形。接触带部分通常靠近环的上侧，而圆周槽部分则靠近环的下侧。这些特征的结合能使活塞环沿缸孔周围均匀地分布机油，并保留环下方的富余机油，从而调整润滑工作面区来减小气压。

辉门动力总成技术总监Steffen Hoppe博士为此进行解释，作为商用车首次使用的活塞环技术，eLine能在活塞环圆周使机油层的分配状况近乎一致，此设计弥补了局部富余机油的流失，并保护了局部油膜不发生破损，同时支持了采用低粘度机油的方案，亦改善了对高温燃气的密封效果，随之减小了磨损。专门设计的轮廓可用于阻止活塞环的径向不稳定性，随着燃烧压力峰值的不断提升，其应用范围可谓日益广泛。

缸孔周围机油供应的局部变化源自活塞下行过程时于刮油环间隙中出现的机油流动现象，在气流通过活塞槽时，机油沿着环槽发生粘连，使其失去润滑效应。在发动机的不同工作行程下，环槽中单独环的作用力可将局部机油挤到缸孔表面。eLine环通过将周向储油槽合并到环体上，在活塞进行往复运动时，在缸孔周围会产生可控的机油流动，改善了油膜的均匀性。对表面轮廓的流体力学性能进行改善，在环的上部区域可产生一个气压减小的区域，以此辅助实现活塞环的动力性能。

2 PRiME 3D仿真

开发新型活塞环形状的一个重要工具是PRiME 3D，作为辉门动力总成自主研发的动态仿真软件，其可对开发过程中的活塞环运动、密封性、摩擦性、机油流动以及可能出现的排放物进行快速优化。基于物理原理的仿真，运行时无需专门对其他因素进行适应即可预测仿真效果，且结果较为精准。

气流及缸压的测算均为预测活塞环运动的基础部分。为了了解力的作用及局部气压的产生时刻，气体速度需与气压值、临界温度以及间隙横断面相匹配。所有的活塞环装配到环槽时都处于径向弯曲状态。特别是非矩形横断面的活塞环通过轴向扭曲和采用拱形结构试图去抵抗径向弯曲，会导致严重倾斜现象的出现。

对于高负荷发动机而言，上文提到的边界条件中的不稳定状况意味着需在非传统方式下对雷诺方程进行求解，以避免对机油流动连续性的违背。当活塞环表面与气缸壁的距离出现变化时，有必要在圆周方向增强机油流动。对于较为稳定的活塞环状态而言，高压作用力对于环与环槽之间的扩散间隙较为重要，否则在气缸壁上实现稳定的活塞环状态较为困难。而不稳定的工况则会导致活塞环局部的轴向或径向运动，其对活塞漏气量和机油流动有显著影响。

PRiME 3D在每个曲轴转角下都能精确测量活塞环在特定工况下的外形表现。利用现有的产品可在预测过程和测量过程之间建立相互联系，对全新的和未经试验的活塞环组进行精确预测。以此不但能测定环的稳定性，而且能产生一个可显示出具有最大优化潜力区域的曲线图。不同柴油机上eLine环的台架测试表明活塞漏气量的减少可以达到20%，从而直接增大平均有效压力（MEP），并减小燃油消耗。在特定机型上，当与锥形活塞环相比时，一些客户的试验表明其已有显著改善。通过均质油膜来改善密封，活塞漏气量的减少可增加环的稳定性。

eLine可使围绕活塞环圆周的周边区域磨损情况基本一致，局部峰值的减小改善了其抗磨损的能力，并可适应未来机油粘度的减小。此外，最新的发动机台架试验结果表明eLine技术对颗粒物的排放有显著改善作用。不少客户认为当前采用eLine活塞环更为有效，辉门动力总成在德国汉诺威IAA商务车展上首次为公众呈现了该项新技术。

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