1、第3 期（总第2 6 6 期）2023年6 月性能研究活塞环和气缸套表面形貌对润滑性能的影响孔令春，白书战，李国祥（山东大学能源与动力工程学院，山东济南2 50 0 6 1)摘要：综合考虑缸套热变形、缸套温度场、弹性变形以及润滑油变黏度等因素影响，建立活塞环-缸套摩擦副的瞬态流体动压润滑计算模型，分析发动机工况、活塞环-缸套接触面粗糙度方向和粗糙度大小对摩擦功耗和窜气量的影响。研究发现，当转速升高时，摩擦功耗升高，影响发动机效率；活塞环采用横向粗糙度方向和缸套采用纵向粗糙度方向的组合，能够同时使窜气量和摩擦功耗处于较低的水平；综合粗糙度一致时，采用活塞环表面粗糙度低于缸套表面粗糙度的组合，能有
2、效降低摩擦功耗。关键词：柴油机；活塞环；气缸套；摩擦功耗；表面形貌；润滑特性D0I10.3969/j.issn.1001-2222.2023.03.001中图分类号：TK428.9文献标志码：B车用发动机VEHICLEENGINE文章编号：1 0 0 1-2 2 2 2（2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 7No.3(Serial No.266)Jun.2023(1)柴油机含有多种摩擦副，各个摩擦副的运行情况不仅影响着柴油机的燃油经济性和动力性，也影响着发动机的使用寿命。有研究表明 1-3 ,活塞-缸套作为发动机中最为重要的摩擦副，所产生的摩擦损失占发动机摩擦损失的3 0%3 5%-5
3、,所以降低活塞-缸套摩擦副的摩擦损失对节能减排、提升发动机效率有重要的作用。活塞环组的主要作用是密封和均布缸套表面润滑油，活塞环组在缸套内的运动对最小油膜厚度、润滑油消耗量和摩擦损失都有重要的影响 6-7。在加工过程中活塞环和缸套表面不可能是绝对光滑的表面 8 ，活塞环、缸套表面会因为加工方式的不同产生不同的粗糙度方向和大小不一的微凸体，不同粗糙度方向和微凸体的存在会对油膜分布产生影响，进而影响摩擦功耗，同时也会因为微凸体的存在产生窜气的现象 9-1 1，使柴油机的热效率受到影响。因此，必须针对活塞环和缸套表面形貌对柴油机润滑和密封的影响进行研究，减小摩擦功耗和窜气量。缸套、活塞环工作环境十分
4、恶劣，需要考虑的因素十分繁杂，润滑状况频繁变化，许多非线性多模型耦合分析逐渐成为研究活塞环、缸套摩擦润滑特性的主要方式 1 2 。佟德辉 1 3 等在MATLAB语言环境中研究了缸套表面不同织构密度对活塞环-缸套收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 6；修回日期：2 0 2 2-0 9-1 4基金项目：山东省重点研发计划项目（2 0 2 1 CXGC010703）作者简介：孔令春（1 9 9 7 一），男，硕士，主要研究方向为内燃机润滑系统；。通讯作者：白书战（1 9 7 9 一），男，教授，博士生导师，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制技术；。润滑摩擦特性的影响，并通过试验进行了验证；段京华
5、 1 4等通过试验证明表面形貌对柴油机活塞环和缸套摩擦学性能有影响；吴后吉 1 5 等在MATLAB语言中建立了柴油机活塞环动压润滑计算模型，分析了缸套表面形貌对活塞环润滑性能的影响。上述研究主要针对缸套内壁面和活塞环表面结构进行单一的分析，且只针对单一工况。为了更加全面地考虑表面形貌、运行工况对发动机润滑特性的影响，基于某4缸柴油机通过AVLEXCITE对活塞环和缸套不同工况进行数值模拟计算，并在此基础上综合考虑缸套内壁面和活塞环表面加工所产生的粗糙度方向及大小的不同对润滑特性的影响，为降低活塞环、缸套摩擦损失提供理论支持。1基本理论1.1平均 Reynolds 方程采用Patir和Chen
6、gl16提出的平均雷诺方程和动压润滑理论进行计算：(h3aP)aa6Uoma hr+66Uom=+12n式中：h为油膜厚度；P和hT分别为平均油膜压力h3aPayaya hT1t缸套b=1车用发动机2和平均间隙；。为两接触面的综合粗糙度，其值为两表面粗糙度之和；，和s分别为压力流量系数和剪切力系数，均与粗糙度表面方向有关，将在第1.3节进行阐述；n为润滑油的动力黏度；U为活塞环相对于缸套的滑动速度。1.2活塞环受力分析活塞环受力分析如图1 所示，活塞环受到气体力、摩擦力、油膜施加的压力、活塞环自身弹力等多种力的作用，分别存在径向和轴向两个方向的平衡方程。活塞环轴向平衡方程：F contecax
7、=Fma.ax+F ga ax+Ffricax+F bend。(2)式中：Fcontac_ax为活塞环与缸套接触力的轴向分力；Fmax为活塞环质量力；Fg=x为气体力的轴向分力；Ffric_ax为环和缸套的轴向摩擦力；Fbend为环自身的弯力。活塞环径向平衡方程：式中：Fcontacrad为环和缸套接触力的径向分力；Faga-rad为气体力的径向分力；Ftenion为活塞环自身的弹力；Fricrad为活塞环径向摩擦力。活塞gas_rad+1tension2023年第3 期入(6)入，式中：入，和入，分别为沿轴向和径向的粗糙度特征长度。表面粗糙度方向如图2 所示 1 9 ，1 代表粗糙度方向平行
8、于运动方向，取=5进行相关研究。a4式中：P。为接触面的压力；ns为微凸体密度；。为粗糙峰曲率半径；。为综合粗糙度；E为当量弹性模量；H为膜厚比。根据Peklenik8的观点定义粗糙度的方向：c1图2 表面粗糙度方向 1 9 压力流量系数和剪切流量系数需考虑表面粗糙度方向的影响，压力流量系数具体公式如下：9=1.0-CeH,1F(H)。(4)9=1.0+Ce,1。(p(H,)=(H,1/)式中：和分别为和方向上压力流量系数；(5)C,r均为常数；H为膜厚比。剪切流量系数公式如下：Ps,(H,)-式中：r和1 分别为活塞环、缸套表面粗糙度；r(7),(H,1)。(8)2023年6 月孔令春，等：
9、活塞环和气缸套表面形貌对润滑性能的影响3和分别为活塞环、缸套表面粗糙度方向。计算公式如下：A1 He-bH+H2,H 5。=A2 e-bH,H 5式中：A1，A 2，b，c 均为常数。1.4漏气模型活塞环组与缸套漏气通道如图3 所示，缸内气体主要通过活塞环与缸套内壁面、活塞环与活塞之间的缝隙逃逸到曲轴箱内。漏气量、漏气压力的计算使用由张勇等 1 8 提出的一种串联节流简化模型，此模型将气体在活塞环的流动区域划分为环背、环间两个部分，将环顶面缝隙、环底面缝隙和环表面与缸套内壁面之间的缝隙简化成三个节流阀。节流模型示意图如图4所示，相邻两个区域之间的气体的质量流量为i=Amp.RT./=PoPc式
10、中：m为质量流量变化率；为绝热系数；亚为气体流量系数；Apass为气体流动过程中的流通面积；p。，T。分别为区域C的压力和温度；p。为相邻区域的压力。活塞环岸1活塞环后容积活塞环岸2活塞环岸3图3 活塞环组与缸套漏气通道mP,Te,Ve,me图4节流模型示意图2计算模型的建立与验证2.1计算模型的建立(9)以某4缸柴油机第三缸为研究对象，按照计算建模流程（见图5）对活塞环-缸套建立润滑摩擦仿真模型（见图6），具体步骤如下：1）按照实际模型参数在三维建模软件中进行建模，活塞及其相关环、槽部位均按照实际模型进行建造，以保证计算的准确性；2）通过一维仿真软件AVL-BOOST根据发动机实际运行参数计
11、算得到缸内压力、传热系数、燃气温度等参数；3）将步骤2 所得到的参数作为ABAQUS的热边界条件，计算得到活塞-缸套温度分布、缸套热变形和活塞刚度，以上具体计算步骤可参考文献 1 2 ；4）将发动机工作过程中的转速、润滑油牌号、负荷等参数（见表1)和缸套、活塞、活塞环等结构参数输入AVL-PR软件作为全局参数，再将步骤3 得(10)到的缸套径向变形量、缸套温度等作为边界对软件进行设置；5）通过调整转速、活塞环-缸套接触面粗糙度方向以及表面粗糙度大小等定性地分析以上变量对活塞环-缸套润滑特性的影响。活塞一维仿真结果，缸内压力曲线、传热系数、燃气温度等有限元仿真气缸壁活塞刚度计算内环容积发动机工作
12、参数第次微凸体接触模型、漏气模型、黏温黏压特性等最小油膜厚度摩擦功耗图5计算建模流程活塞销孔第一气环第二气环油环缸套Po,T.活塞throttle(A,)连杆图6 活塞-活塞环-缸套计算模型活塞-缸套温度场、缸套热变形量AVL-PR边界条件缸套、活塞环结构参数等窜气量车用发动机表1 柴油机相关参数5参数数值标况转速/(rmin-1)3000缸径/mm80行程/mm92.8最高燃烧压力/MPa14.3连杆长度/mm150活塞高度/mm67.65活塞质量/g518机油类型5W-302.2模型验证受限于现阶段测试技术的不足，通过试验手段验证仿真模型有一定的难度。为了验证计算模型的准确性，取文献 1
13、2 中的发动机各项数据，分别用新旧两个模型进行计算，求出各自热变形边界条件，并与活塞-缸套计算模型耦合计算，得到如图7 所示两个模型仿真结果。由图7 可知，新建立的模型除上止点、下止点处都展现了良好的拟合性，在上下止点出现较大波动的原因可能是在进行有限元计算确定热变形和活塞-缸套温度场时，由于划分网格以及获取的热边界不能保证完全一致，导致温度场和热变形等条件不能完全相同，所以在润滑条件不好的上止点、下止点处出现波动，但误差控制在8%以内，验证了现有模型的可靠性和准确性。0.280.24(1s.8)鲁惠0.200.160.120.080.040-90090180270360450540630曲轴
14、转角（）a窜气量4一旧模型一新模型2090090180270360450540630曲轴转角/（）b最小油膜厚度2023年第3 期一旧模型一新模型43210-90090180270360450540630曲轴转角(）c摩擦功耗图7新旧模型结果对比31仿真计算结果和分析第一道和第二道活塞环主要起到密封的作用，其中以第一道气环为主，第二道气环为辅。第一道活塞环密封效果很大程度上也决定了发动机工作过程中的漏气量，本研究主要就第一道活塞环润滑特性进行分析。3.1不同工况下的润滑特性针对柴油机不同转速进行分析，缸套表面粗糙度1=0.4m，第一道气环的表面粗糙度，=0.4m，活塞环和缸套表面都设置为=1。
15、结果如图8 所示。伴随着转速的增加，第一道气环的摩擦损失显著增加，除TDC上止点)外，最小油膜厚度也有一定的增大。当转速增大时，活塞环摩擦副相400一旧模型350新模型3002502001501005000100200300400500600曲轴转角/）a对摩擦功耗的影响1.81500r/min1.6-2 000r/min-.-3000 r/min1.41.21.00.80.6-90090180270360450540630曲轴转角）b对最小油膜厚度的影响图8 转速对活塞环润滑特性的影响1500r/min2 000r/min.3 000 r/min！2023年6 月孔令春，等：活塞环和气缸套表
16、面形貌对润滑性能的影响5比低速时油膜剪切速度明显变快，从而导致摩擦损失功增加。在接近上止点位置摩擦损失和最小油膜厚度都经历了较大的变化，究其原因，在TDC位置油膜厚度出现最小值，使得固体壁面出现微凸体接触现象，因此产生较大的摩擦力，摩擦功耗也因此剧烈变化。由于3 0 0 0 r/min工况下活塞环组和缸套之间润滑状况较差，因此以下工作都围绕3000r/min工况进行。3.2表面粗糙度方向对润滑特性的影响将发动机转速固定在3 0 0 0 r/min，同时保持活塞环和缸套表面粗糙度大小不变，研究粗糙度方向对润滑性能的影响。由于表面粗糙度方向作用效果和表面粗糙度大小有关，为了单独考量粗糙度方向对润滑特性的影响，为活塞环和缸套选取相同的粗糙度，取值为0.4m。活塞环和缸套表面粗糙度方向的值分别取0.2，1，5，对不同粗糙度方向组合进行润滑特性分析。具体结果如图9 和图1 0 所示。0.18F0.15(-s.3)/唐惠0.120.09F0.06F0.030F-0.03-90090180270360450540630曲轴转角）a活塞环横向粗糙度的影响0.20-.-,=0.2,=5.0-/=1.0,
