二道
3
0.65 0.71 0.06 2.990 2.990 0
气环 4 0.67 0.73 0.06 2.991 2.991 0
5 0.66 0.70 0.04 2.990 2.990 0
6 0.66 0.72 0.06 2.990 2.990 0
3 实际运用
近年来我公司先后为东风南充、上柴、玉柴、一 汽锡柴、 一汽大柴等主机厂完成了天然气发动机活 塞环的优化改进工作， 很好的解决了原发动机存在 的机油耗大、怠速窜油等问题。 以某公司13L发动机 为例，原机采用的是柴油机活塞环，市场反馈机油耗 大，怠速窜油明显。 经过对活塞环组进行改进，1000 小时台架考核表明， 改进后的活塞环组成功的解决 了原机存在的机油耗大、怠速窜机油的问题，活塞环 的外圆及平面磨损非常理想（见附表一、图5、图6）
火线圈及火花塞等零件组成的点火系统。 1.3 控制系统
天然气发动机采用电控，与原机械式柴油机相 比，各工况点的空燃比、点火提前角、增压压力都实 现了更精确的控制。 1.4 压缩比
压缩比的选取与燃料的抗爆震性能密切相关， 抗爆震性能是用燃料的辛烷值来衡量，辛烷值越高 抗爆震性能越好，常用的几种燃料按辛烷值高低排 序依次为：柴油、CNG（甲烷）、丙烷、丁烷和汽油。 所 以天然气发动机的压缩比比柴油机的小，活塞燃烧 室形式与柴油机不同。 在柴油机的基础上改进设计 的天然气发动机，为了降低压缩比就需要加大燃烧 室容积。
第三道油环：采用钢带组合油环。
钢带组合油环如图2所示， 它由两个刮片和一 个衬簧构成， 这种环的特点不仅在于接触压力高， 而且由于上下刮片能够分别动作，所以对正圆度较 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 且也在环槽的上下端面之间保持对机油的气密作 用。 通常，在发动机中发生窜油的通路有两条：即除 了通过滑动面窜油之外，还通过活塞环槽和环端面 之间的间隙。 当在汽车上用发动机制动时，进气真 空度较大，机油在真空度的作用下，通过后一条通 路被吸到上方，产生明显的“窜油”。 为了防止这种 现象，在提高滑动面密封性的同时，也要提高环槽 侧面与环端面之间的密封性。 钢带组合油环可以很 好的满足这种需求。
附表一：改进环组1000小时可靠性试验后 活塞环磨损数据
环别
闭口间隙
环高
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
缸号
试验前 试验后 增大量 试验前 试验后 磨损量
1 0.40 0.42 0.02 3.491 3.491 0
2 0.41 0.44 0.03 3.490 3.490 0
一道
3
0.43 0.45 0.02 3.491 3.491 0
气环
4 0.40 0.42 0.02 3.491 3.491 0
5 0.40 0.43 0.03 3.491 3.491 0
6 0.41 0.44 0.03 3.491 3.491 0
1 0.68 0.74 0.06 2.990 2.990 0
2 0.67 0.73 0.06 2.990 2.990 0
国 外 研 究 发 展 天 然 气 发 动 机 已 经 有 100 年 的 历 史，但我国在使用天然气方面起步较晚，天然气发 动机的应用还处于初级阶段，基本上是在原型发动 机的基础上进行改进，所以在实际使用过程中存在 一些问题。 作为活塞环的专业生产厂家，我们必须 针对天然气发动机的特点及目前存在的问题，对活 塞环进行专门设计。
图3 普通铬层与FTC层的金相及网纹对比
快速摩擦试 验结 果 显 示 ，FTC层 有 比 普 通 硬 铬 更好的与缸套的匹配能力及更小的活塞环磨损（见 图4）。
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内燃机与配件
2013 年第 6 期
图4 不同表面处理环与缸套的磨损量对比，数据来源于马勒资料
第二道环采用高强度耐磨合金铸铁。 高强度耐 磨合金铸铁F14与普通合金铸铁K1相比， 其基体硬 度 高 达 109～116HRB， 抗 弯 强 度 ≥650MPa， 弹 性 模 量 130～160GPa；而普通合金铸铁K1，其基体硬度为96～ 108HRB，抗弯强度≥410MPa，弹性模量85～115GPa。 这些更高的机械性能，保证了其较高的耐磨性及材 料强度，更好的满足了现代高负荷发动机的需求。
1000小时可靠性试验后第一道气环， 外圆磨损 量很小，偏桶形状仍然明显（见图5）。
图5 1000小时后第一道环外圆轮廓
1000小时可靠性试验后第二道气环， 磨损量很 小，锥度仍然很明显（见图6）。
图6 1000小时后第二道环外圆轮廓
4 总结
(1)天 然 气 发 动 机 存 在 润 滑 困 难 、易 产 生 磨 损 、 燃烧清洁、怠速易机油倒窜等显著特点，活塞环的设 计必须与柴油机的区分开；
〔关键词〕天然气 活塞环 Key words: Natural gas Piston rings
随着世界经济的不断发展，石油、煤炭两大能 源面临枯竭，同时世界各国对生态环境保护要求的 不断提高，促使寻求一种新的更加清洁的能源替代 传统的石油燃料。 天然气燃料是各种替代燃料中最 早 广 泛 使 用 的 一 种 ， 它 分 为 压 缩 天 然 气 （CNG） 和 液 化天然气（LNG）两种。 天然气同其他清洁能源相比， 具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经 济实用等优点，已成为世界车用清洁燃料的发展方 向，而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多 的新能源汽车。
2 活塞环的设计
针对天然气发动机活塞环在工作时面临的高 温、润滑困难等特点，活塞环必须从结构、材料、表 面处理、参数等方面进行专门设计，才能更好的满 足其需求。
刘志华 曹存军 吴立来：天然气发动机活塞环的设计与开发
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2.1 结构 第一道气环： 通常直接采用原柴油机环结构
（双梯、单梯、矩形），镶嵌偏桶结构。 优化的偏桶面， 既可以保证漏气量又可以保证机油耗；同时由于采 用镶嵌结构，则避免了活塞环外圆的下倒角，明显 减少了漏气通道，同时也使活塞环的最终控油得到 了加强，机油耗明显降低（见图1）。
(2) 优 化 改 进 的 活 塞 环 组 ， 从 材 料 、 结 构 、 表 面 处 理、 参数选择等方面都很好的满足了天然气发动机 的使用要求，并解决了原来存在的突出问题。
参考文献 [1]《活 塞 环 》上 海 内 燃 机 配 件 厂 译 [2]《GOETZE PISTON RING HANDBOOK 2008》 [3] 周冬，《柴油机改装天然气发动机的意义及技术措施》
油环采用不锈钢材料，表面氮化处理，提高了表 面硬度，同时氮化工艺更环保，符合发展趋势。 2.3 活塞环参数选择
根据天然气发动机的特点，主要优化了闭口间 隙、侧隙、背隙、面压及柔性的设计，减少了泄漏通 道。 因为天然气燃烧很清洁， 不会像柴油机那样会 产生很多的积碳，所以各环的侧隙及第一道环的闭 口间隙可以进一步减小，以减少泄漏通道。
除此之外，天然气发动机还有一个更显著的特 点，就是存在燃烧室高温、尾气中氮氧化物含量高 和润滑难，即所谓的“两高一难”的润滑特点，这样 会使普通机油氧化过快，导致机油品质下降或失效 过快，不利于对发动机的润滑和保护；同时，高温下 普通机油的高灰分添加剂极易在发动机部件表面 生成坚硬沉积物。 所以天然气发动机中活塞环的润 滑条件较差，存在易磨损的倾向。
Relative Blow-by
1.0 0.8
0.6 0.4 0.2
0 0.28×45°
0.20×45°
0.10×45° Radius:0.14（mm）
Relative Loc
（a）外角（下）对漏气量的影响
1.0 0.8
0.6 0.4 0.2
0 0.28×45°
0.20×45°
0.10×45° Radius:0.14（mm）
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内燃机与配件
2013 年第 6 期
天然气发动机活塞环的设计与开发
Design and Development of Natural Gas Engine Piston Rings
刘志华 曹存军 吴立来
（南京飞燕活塞环股份有限公司）
〔摘要〕针对天然气发动机的特点及目前存在的问题，提出了天然气发动机活塞环在材料、结 构、表面处理、参数选择等方面的设计理念，并成功应用到生产实际中。
但是如果对漏气量、机油耗有更高要求（如减 小怠速窜油），则可采取矩形结构。 矩形环端面与环 槽接触面积大， 可以有效的密封及控制向上泵油， 同时也利于高温的传递。 台架试验表明，天然气发 动机燃烧非常干净， 没有像柴油机那样的明显积 碳，在冷却良好的情况下，活塞环不会出现积碳卡 死，所以可以不采用梯面环。
图2 钢带组合油环
2.2 材料及表面处理
第一道环采用高强度球铁KV4， 加FTC铬基陶
瓷复合镀表面处理，提高了环的端面耐磨性与环外
圆的耐磨性。 高强度球铁KV4和普通球铁KV1相比，
基 体 硬 度 有 明 显 提 高 ，KV1 基 体 硬 度 通 常 在 25 ～
42HRC，而KV4基体硬度通常在40～46HRC。 FTC铬
(b)外 角 （ 下 ） 对 机 油 耗 的 影 响 图1 第一道气环下外角对漏气量及机油耗的影响(数据来源于马勒资料)
第二道气环：采用外鼻形锥度刮油环，加强刮 油性能。 通常在一个环组中，越在下面的活塞环，所 供给的机油越多，所以第二道环在下降行程中刮下 来的油难以及时溢走，致使挤入活塞环下面小间隙 中的油压升高，因而使机油向上倒窜，降低刮油效 果。 而外鼻形锥度环，由于其外圆下部凹切，则环下 部的间隙增大，因而使油压升高减小，从而减少了 机油的倒窜。 当然这种环的缺点是容易导致发动机 漏气量增加，但目前我们所开发的天然气发动机都 是增压机，爆发压力较大，本身第二道环在设计时 就要考虑泄压，所以这种缺点此时并不会导致发动 机漏气量增大，反而有利于漏气量的控制。
基陶瓷复合镀相比普通硬铬，其铬层硬度显微硬度