活塞环

活塞环是连接在内燃机或蒸汽机中活塞外径的金属开口环。活塞环在发动机中的主要作用是：

• 密封燃烧室，使曲轴箱的气体损失最小化。
• 改善从活塞到气缸壁的热传递。
• 在活塞和气缸壁之间保持适量的油量
• 通过将气缸壁上的机油刮回油底壳来调节发动机机油消耗量。

大多数活塞环由铸铁或钢制成。

活塞环设计用于密封活塞和气缸壁之间的间隙。如果这个间隙太小，活塞的热膨胀可能意味着活塞卡在气缸中，从而对发动机造成严重损坏。另一方面，较大的间隙会导致活塞环对气缸壁的密封不充分，导致窜气过多（燃烧气体进入曲轴箱）和气缸上的压力降低，从而降低发动机的功率输出。活塞环在气缸壁内的滑动运动会导致发动机的摩擦损失。活塞环引起的摩擦约占发动机总机械摩擦损失的24%。因此，活塞环的设计是在最小化摩擦同时实现良好密封和可接受的使用寿命之间的折衷。活塞环的润滑是困难的，并且一直是提高机油质量的驱动力。油必须通过高速滑动接触经受住高温和恶劣条件。润滑特别困难，因为环具有摆动运动而不是连续旋转（例如在轴承轴颈中）。在活塞运动的极限处，环停止并反转方向。这破坏了流体动力轴承的正常油楔效应，降低了润滑的有效性。环也被弹起以增加接触力并保持紧密密封。弹簧力由环本身的刚度或密封环后面的单独弹簧提供。重要的是环在活塞内的凹槽中自由浮动，以便它们可以与气缸保持接触。活塞中的环结合，通常是由于燃烧产物的积聚或润滑油的分解，会导致发动机故障，并且是柴油发动机故障的常见原因。

密封通常由多个环实现，每个环都有自己的功能，使用金属对金属的滑动接触。大多数活塞每个气缸至少有两个活塞环。汽车活塞发动机通常每个气缸具有三个环。顶部的两个环（称为压缩环）主要用于密封燃烧室。底环（称为油环）主要用于控制向气缸壁供油，以润滑活塞裙和油环。

汽车发动机中的压缩环通常具有矩形或梯形横截面。上压缩环通常具有用于周边的桶形轮廓，而下压缩环通常具有锥形内皮面。一些发动机的顶环也使用锥面，过去使用简单的平面环。控油环通常由单块铸铁、多块钢或钢/铁制成，并带有螺旋弹簧背衬，以产生紧密密封所需的张力。铸铁油环和带螺旋弹簧背衬的油环有两个不同形状的刮削区域。另一方面，多片钢制油环通常由两个薄钢环（称为导轨）组成，它们之间有一个间隔膨胀弹簧，以使两个导轨保持分开并提供径向压力。在气缸孔内时，活塞环的间隙压缩到千分之几英寸。环缝形状包括方形切割、角切割、斜接、阶梯切割、钩阶梯和斜接阶梯。

早期的蒸汽机使用大麻填料密封燃烧室，这会导致高摩擦阻力并且不能提供非常有效的密封。1825年，格拉斯哥工程师兼工厂老板尼尔·斯诺德格拉斯首次在蒸汽机的气缸中使用活塞环，用于他自己的机器。这使用弹簧来保持密封的蒸汽密封。在磨坊内使用，这是在载有Gareloch的轮船Caledonia上进行的实验。金属开口环的现代设计由JohnRamsbottom在1850年代发明。拉姆斯巴顿在1852年的最初设计是圆形，但这些设计不均匀且不成功。1854年，据称经过修改的设计寿命可达4,000英里（6,437公里）。这是基于这样的发现，即带有开口的完美圆形（安装前）环在安装后不会对气缸壁施加均匀的压力。修改后的活塞环被制造成不圆的形状，这样一旦安装到气缸中，它就会施加均匀的压力。1855年的一项专利记录了这一变化。改用金属活塞环显着降低了摩擦阻力、蒸汽泄漏和活塞质量。

由于活塞环自身的固有载荷和作用在环上的气体载荷，活塞环在气缸孔上下移动时会受到磨损。为了尽量减少这种情况，它们由耐磨材料制成，例如铸铁和钢，并经过涂层或处理以增强耐磨性。现代摩托车中使用的涂层包括通过等离子沉积或物理气相沉积(PVD)制成的铬、氮化物或陶瓷涂层。大多数现代柴油发动机的顶环都涂有改性铬涂层（称为CKS或GDC），铬表面分别含有氧化铝或金刚石颗粒。在二冲程发动机中，端口设计也是活塞环寿命的重要因素。