0.004 mm——小距离带来大不同

在现代发动机,尤其是高连续输出发动机中,我们的活塞环能确保可靠性与精确性。 作为活塞领域的领先制造商,我们始终致力于优化活塞环的性能与运行质量。 同时,我们也为该领域最先进的生产设施设定了质量标准。凭借着几十年的开发与生产经验,我们能确保活塞与活塞环之间的最佳配合,满足对产品的最高要求。

现代发动机的活塞环有三大重要功能:

  • 密封燃烧室,使之与曲轴箱隔开。
  • 限制并调整油耗。
  • 将活塞在燃烧过程中吸收的热量传递缸套冷却。

为满足以上要求,活塞环必须紧贴周围的汽缸壁安装,即使汽缸形状与其理想外形存在轻微的偏差。 由于惯性力和燃烧压力都很大,而且高磨损也会增加负载,所以活塞环必须在选材(强度/温度稳定性)以及表面光洁度和外形方面满足高要求。

我们提供各种不同型号的主机配套活塞环,其中也包括适用于老款发动机的产品,目的在于降低压缩冲程损失,并使油耗正常化。 我们提供的活塞环基本上适用于轿车与商用车的各种汽油或柴油发动机,直径为60到160之间不等。

马勒“N”型活塞环组所提供的活塞环同样也可用作主机配套。马勒“V”型活塞环组专为已运行一定时间的发动机设计。

注意查看顶部标识很重要。对于顶部带有标识的活塞环,必须按照向上朝着活塞顶方向的标识进行安装。

我们只用高级材料生产活塞环。对于普通或重型负载,通常使用的是铸铁材料,而对于最高要求,通常则使用球墨铸铁或钢材。

活塞环表面可采用特殊涂层,目的是提高活塞环的耐久性和避免出现擦伤。 通常,我们使用镀铬涂层,或者金属或陶瓷材料的等离子喷涂涂层以达到上述目的

摩擦损失越低,则发动机的效率和经济效益越高。 由于大部分发动机摩擦来自活塞环,因此马勒工程师立足于这一点,开发出一种新的涂层。

在大多数情况下,活塞环以三个为一组进行工作。 这种相互关系的巧妙性在于既能使发动机机油向上到达活塞裙部,又能防止机油进入燃烧室。 实际上,这意味着上部两个活塞环要负责密封汽缸孔与活塞之间的燃烧室。 而底部活塞环则起到机油控制环的作用,使绝大部分机油留在内燃机内部。 因此,该活塞环组在降低油耗和污染物减排方面发挥了重要作用。

上述活塞环的另一项任务是对活塞进行冷却:由于活塞环与汽缸工作表面相接触, 因此可能将燃烧产生的热量从活塞顶部传导至汽缸冷却。

不过,优质活塞环还可发挥更多作用:减少发动机内的摩擦损失,进而提高发动机功率,降低油耗并延长发动机的使用寿命。

摩擦导致成本产生——摩擦越小,成本越少

内燃机中的摩擦对油耗具有重大影响。 作为全球最大的活塞制造商之一,以及发动机与汽车制造商的最大开发合作伙伴之一,马勒早就认识到了这一点——并且数年来一直致力于开发创新型解决方案,全面实现活塞环的摩擦损失最小化。

在数值模拟和综合性发动机试验的帮助下,马勒工程师对低摩擦活塞环——尤其是适用于现代汽油发动机的活塞环——进行了系统性开发研究。

关于切向负载与表面压力

机油控制环施加到汽缸工作表面的触点压力必须相对较高。 只有这样才能防止机油流到活塞顶部并引起燃烧。 工程师将此称为切向负载。

切向负载施加在与汽缸工作表面相对的活塞环工作表面上。 单位面积压力产生比表面积压力,是优良性能的重要保证。 而难题就在这里:巨大的切向负载意味着高摩擦——而这恰恰是设计师不希望看到的。 为能在降低切向压力的同时,维持充足的比表面积压力,可通过降低活塞环高度来减少活塞环的工作表面。 然而,这样又使其很容易磨损。 解决方案:使用耐磨性极好的涂层

PVD涂层:马勒再次处于领先地位

到目前为止,铬、钼或气体氮化一直都是提高活塞环耐磨性的标准材料与方法。 马勒工程师如今开发出一种更有效的创新型活塞环涂层方法:PVD法(物理气相沉积法)。 这种方法从赛车中演变而来,菱形涂碳层在高度真空条件下气相沉积而成。 于是活塞环上就有了一层高耐磨性涂层,显著降低摩擦损失。 与此同时,PVD涂层不但硬度更高,而且也更有弹性。 采用该方法处理的活塞环具有更高的耐磨性,抗咬合性得以改善,即使在工作环境恶劣以及机油润滑效果降低的条件下,也是如此。 简言之:活塞环的耐磨性与使用寿命均显著提高。

此外,适用于该涂层并且重量更轻的活塞环还具有另一项积极特性:那就是更加出色的韧性。 因此,此类活塞环可以更好地与汽缸表面外形相互契合。 这也相应地降低了比表面压力,使切向负载在性能不变的前提下能够进一步降低。

包含PVD涂层压缩环的活塞环组、钩形环与三合一机油控制环。

降低摩擦损失:

油耗更低,污染物排放更少,给我们一个更美好的明天

安装在测试发动机上的汽缸套,可沿轴向自由移动。 发动机运行时,力传感器提供有关活塞环摩擦力的数据。

结果显示,取决于具体的实际负载与发动机速度,活塞环组件的摩擦损失降低了20%到30%。 在低速度与低负载条件下——即典型的城市驾驶条件下——摩擦降低幅度最大。

活塞环减少的摩擦量相当于发动机的总摩擦损失减少1%以上,因此就意味着油耗也减少1%。 这是节能减排进程中的重要一步,完全符合未来严格的废气排放标准。因此,此举在确保未来内燃机安全性方面做出了重要贡献。

摩擦损失比较:尺寸分别为1.2/1.2/2.0 mm(蓝色)和1.0/1.0/1.5 mm(红色)的活塞环组的摩擦力与摩擦平均有效压力(FMEP)

活塞环将机油刮掉,并将燃烧室与曲轴箱密封隔开。 这种功能使其成为发动机舱的一个重要组成部分。

活塞环通常以整套装置的形式出现,一般为三环一缸付。 活塞上部的两个活塞环只用作压缩环,负责密封活塞与汽缸之间的燃烧室。 这可是一项艰巨任务。 一方面,这是因为燃烧室内产生的压力非常大,在柴油发动机中尤为如此,点火压力高达200 bar在今天并不少见。 另一方面,燃烧气体的温度极高,以至于排气系统部件都会因此而发红。 当活塞在汽缸孔中上下运动时,活塞环则在汽缸工作表面上来回滑动,一方面是为了密封燃烧室,另一方面是将机油刮掉,然后不断重复整个过程。

第三个活塞环,也叫做刮油环,其作用是确保绝大部分机油留在发动机内部。 为达到上述目的,唯一需要的是在活塞裙部与汽缸工作表面之间放置一层稳定的油膜。 刮油环未能拦住的极少量机油,会在活塞环中部被拦截下来。 这一小部分少量的机油先是停留在中间活塞环上方的汽缸壁上,然后会留在顶部活塞环上。 该活塞环的任务最艰巨,那就是承受最高的压力峰值和最高的温度。 虽然少量的机油对顶部活塞环有一定润滑作用,但随后就会蒸发掉,最终在燃烧室中燃烧掉。 因此,机油出现少量损耗是一件好事:表明机油可以供应到顶部活塞环。

不断降低的体积与重量

活塞环必须具有极高的强度。 只有如此才能产生必要的力(切向力与径向力)。 因此,可选用的材料不是延性铸铁,就是球墨铸铁。 此外,目前使用的还有轧钢活塞环。 要求的小型尺寸为设计和制造提出了另一项挑战:几年前的刮油环还高约4或5 mm,而如今在现代发动机中,其高度只剩下了先前的一半。 只有能生产尺寸极小的活塞环,才能设计体积更小(重量也更轻)的活塞,从而在满足经济型发动机基本要求的同时,展现出高性能。

主动保护措施:涂层

活塞环表面始终在汽缸壁上滑动。 而与其在汽缸表面上滑动的距离相比,活塞环的高度非常小。 因此,需要对活塞环表面提供保护措施,特别是其顶部表面(即必须保持最少量机油的活塞环) 实现这种保护的方法包括通过电镀为其涂覆一层铬,这是一种硬度极高、非常耐磨的金属。 铬层的厚度通常约为100–200 µm。

另一种硬度极高、非常耐磨的材料是钼。 例如,重型柴油发动机压缩环的环表面使用的就是钼涂层。 具体办法是在等离子流中将钼粉熔化。 然后该等离子使金属液滴流到活塞环表面。 等金属液滴固化后,就形成耐磨、硬度高而且多孔的表面。 该多孔涂层会吸附一些机油,起到备用润滑剂的效果:在重负载与临界润滑条件下,被吸附的机油可为活塞环表面提供润滑作用。 也就是说,即使在极端负载下,也能保证可靠的性能。 此外,使用特殊镀铬层(多层,铬陶瓷)也可在铬层上形成细小的缺口和凹槽,为吸附机油提供空间。

活塞、活塞环、汽缸壁——完美组合

在发动机设计过程中,需要确定哪种涂层对于活塞环而言更具合理性和必要性。 马勒是发动机供应商行业的开发合作伙伴。 马勒工程师与专家与遍布全球的连续生产线客户共同合作,开发出相关应用的活塞环最佳选择,并对其进行试验。 活塞、活塞环及汽缸壁三者必须完美结合。 因为这是发动机发挥最佳性能和确保较长使用寿命的前提。 在活塞环整个表面涂覆其它涂层(如磷酸盐或锡),同样能改善活塞环的性能。

涂层的颜色

有时候,还可以对现有活塞型号的活塞环进行改造。 若现有活塞的活塞环发生更改,马勒可第一时间提供最新版标准。 例如,可能更改的是压缩环,原先的环表面只有镀铬层,而现在增加了磷酸盐涂层,于是原先呈亮银色的活塞环就变成了黑色。 另一方面,使用不含磷多层涂层的活塞环可能被更换为镀铬活塞环,而后者采用的是磷酸盐涂层,因此其颜色会从黑色转变为亮银色。

马勒活塞环——材料与工艺的品质保证

马勒活塞环凭借其高品质材料和高精度制造工艺,符合原装设备标准的各种严格要求。 我们品质保证的依据相当有说服力:马勒制造的活塞环被所有主要汽车制造商用作汽车原装设备,其中包括阿尔法、奥迪、宝马、奔驰和沃尔沃。 在汽车零部件市场方面,马勒提供种类齐全的原装设备品质级活塞环组。 本目录“活塞环组”中还包含更多相关信息。 该信息可在印刷版目录,或者包含在整套发动机元件范围内的CD光盘中找到。