新型復(fù)合活塞環(huán)氣密性仿真與靜態(tài)試驗(yàn)的研究

陳 洋，吳雙群，趙丹平

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

隨著內(nèi)燃機(jī)不斷向小型化、低排放、高速化、輕量化的方向發(fā)展，對(duì)燃燒室高溫，高壓的燃燒環(huán)境提出了更高的要求，燃燒內(nèi)零部件也受到了越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；钊h(huán)作為構(gòu)成燃燒室的重要零件具有“密封、刮油布油、導(dǎo)熱和支承”四大功能[1]，其中密封性更是評(píng)價(jià)活塞環(huán)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。其密封性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響。密封不良，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并且浪費(fèi)燃料，而且排放物對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重。因此提出并對(duì)新型復(fù)合活塞環(huán)的試驗(yàn)研究具有重要的意義。

1 復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)及密封分析

1.1 復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)

我們提出了一種新結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合活塞環(huán)，新型復(fù)合活塞環(huán)采用三環(huán)疊加為一環(huán)裝入一個(gè)環(huán)槽的單環(huán)槽結(jié)構(gòu)，并且環(huán)與環(huán)開口相互錯(cuò)開120°。上環(huán)和下環(huán)采用正扭曲環(huán)，中間環(huán)較上環(huán)和下環(huán)要厚一些，同時(shí)中間環(huán)開口間隙要大一些，以補(bǔ)償熱膨脹量，防止活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽中。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 新型復(fù)合活塞環(huán)三維模型和實(shí)物圖

1.2 復(fù)合式活塞環(huán)密封性分析

圖2 為新型復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，其中上浮動(dòng)氣環(huán)，下浮動(dòng)氣環(huán)主要密封氣缸壁和活塞之間的間隙。中間穩(wěn)定氣環(huán)配合上環(huán)和下環(huán)一起密封活塞環(huán)開口間隙。氣體首先從燃燒室流進(jìn)到氣缸壁與活塞之間的間隙中，然后氣體通過活塞環(huán)上端面和活塞環(huán)槽上側(cè)面之間的間隙進(jìn)人到活塞環(huán)背面中。由于此時(shí)活塞環(huán)開口間隙已經(jīng)被封閉了，氣體只能沿活塞環(huán)端面進(jìn)入背隙空間。同時(shí)氣體的曲折流動(dòng)，也可以有效地增加流動(dòng)阻力，減小逸放系數(shù)，從而減少氣體泄漏量。

圖2 新型復(fù)合式活塞環(huán)結(jié)構(gòu)圖

上下兩環(huán)的結(jié)構(gòu)可以增加活塞環(huán)自身的彈力，從而增強(qiáng)其自密封功能；材料的減少和制作工藝的優(yōu)化降低了活塞環(huán)生產(chǎn)成本；中間穩(wěn)定環(huán)的截面積和質(zhì)量與上下浮動(dòng)環(huán)不同，所以共振頻率不同避免了活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中所造成的活塞環(huán)懸浮和顫振；同時(shí)環(huán)與環(huán)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以使新型活塞環(huán)具有一定的自潔能力，避免積碳帶來的影響；由于環(huán)開口間隙漏氣量小，導(dǎo)致氣體壓力在活塞環(huán)所受到的力中起主要作用，這使得活塞環(huán)與環(huán)槽貼緊，有助于密封[2]；因此，新型復(fù)合式活塞環(huán)使發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性將會(huì)有提高。

2 復(fù)合式活塞環(huán)密封性數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)建模

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的時(shí)候，氣體只能在閉口間隙處的通道發(fā)生流動(dòng)。在壓力差的作用下，氣體從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng)，其質(zhì)量流量可用一維具有常逸放系數(shù)的噴管流量公式來計(jì)算[3]，具有n個(gè)活塞環(huán)的泄漏氣體流動(dòng)模型如圖2所示，環(huán)1到環(huán)n+1是按燃燒室到曲軸箱方向順序排列，A為漏氣通道面積，T為氣體溫度，P為壓力，V為穩(wěn)壓氣罐和氣缸總體積，Qn為n側(cè)活塞環(huán)后的氣體質(zhì)量流量。

那么在壓縮行程，第n側(cè)的壓力總高于第n+1側(cè)的壓力這時(shí)有

式中：

Kc為逸放系數(shù)；

An為漏氣通道面積；

Rg為氣體常數(shù)，取287.1J/（kg·K）；

κ為氣體比熱，取1.4。

圖3 氣體泄漏計(jì)算模型

流動(dòng)氣體各參數(shù)應(yīng)滿足氣體狀態(tài)方程

設(shè)時(shí)間t內(nèi)，

有

而側(cè)空間內(nèi)氣體質(zhì)量的變化等于流入的質(zhì)量與流出的質(zhì)量差，

即

將式（2）應(yīng)用于第（n-1）個(gè)活塞環(huán)，并代入式（3）得

整理后得到

式子（6）就是缸內(nèi)壓力變化的理論計(jì)算模型，是關(guān)于環(huán)間壓力Pn與Pn-1的一階非線性微分方程可簡(jiǎn)化。具有n個(gè)活塞環(huán)的活塞環(huán)組，有（n-1）環(huán)間空間，每個(gè)空間使用式（6）得到一個(gè)微分方程，運(yùn)用龍格-庫塔數(shù)值解法就可以得到氣體壓力的分布。進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，為控制迭代運(yùn)算時(shí)間和保證結(jié)果精度，收斂誤差取10-3，即前后迭代壓力值誤差小于等于10-3時(shí)，迭代計(jì)算結(jié)束。

2.2 模擬結(jié)果

理論計(jì)算分析了與靜態(tài)試驗(yàn)相同狀況的密封過程，即總體積內(nèi)充以某一壓力值的氣體，然后缸內(nèi)的氣體通過活塞環(huán)自然泄漏到大氣中，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)循環(huán)時(shí)缸內(nèi)氣體壓力的變化過程。計(jì)算模型參數(shù)：以S195發(fā)動(dòng)機(jī)為模型，穩(wěn)壓罐體積，0.072m3，活塞環(huán)徑向厚度為5.08mm，每個(gè)普通活塞環(huán)高度為2.38mm，復(fù)合式活塞環(huán)總高為2.38mm，活塞環(huán)開口間隙為16mm，閉口間隙為0.9mm，環(huán)槽高度為2.4 mm，第1環(huán)槽至活塞上端面高度為14.7mm，第1環(huán)岸高度為5mm，第2環(huán)岸高度為4mm，環(huán)岸寬度為6.3mm，充氣容積為穩(wěn)壓罐體積，活塞環(huán)處于上止點(diǎn)時(shí)燃燒室體積與頂環(huán)上端面至活塞頂部缸套與活塞間隙容積和，環(huán)腔體積等可據(jù)上述參數(shù)計(jì)算，缸內(nèi)初始?jí)毫?.5MPa，曲軸箱壓力為大氣壓力，溫度取室溫25℃。以MATLAB編寫程序，從圖4結(jié)果中可以看出，缸內(nèi)氣體壓力不斷下降直到大氣壓力，傳統(tǒng)活塞環(huán)的壓力維持時(shí)間1 063.31 s復(fù)合式活塞環(huán)的密封壓力維持時(shí)間1 737.62 s，是傳統(tǒng)活塞環(huán)的1.63倍。

圖4 兩種活塞環(huán)缸內(nèi)壓力變化模擬圖

3 復(fù)合式活塞環(huán)密封性試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案與方法

發(fā)動(dòng)機(jī)工作受許多因素影響，即使以某一工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這一循環(huán)和下一循環(huán)的燃燒過程也不斷變化，并表現(xiàn)在壓力曲線上。為方便研究，減少各不確定因素對(duì)試驗(yàn)的影響，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)試驗(yàn)方案，并搭建了靜態(tài)試驗(yàn)臺(tái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況。

試驗(yàn)采用S195型柴油機(jī)（單缸、4沖程、缸徑為95mm）及其配件，其試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖5所示。進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)活塞環(huán)和復(fù)合式活塞環(huán)的密封性能試驗(yàn)，主要組成部分：

一是，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)部件（發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體組部件、氣門組部件、活塞連桿組部件、復(fù)合式活塞環(huán)等）主要作用是通過更換活塞環(huán)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)活塞環(huán)和復(fù)合式活塞環(huán)的密封性能試驗(yàn)；

二是，氣壓系統(tǒng)（氣泵，穩(wěn)壓氣瓶、壓力表、減壓器、高壓氣管等）主要作用是給試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的氣缸中提供一定的氣壓；

三是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊等）主要作用是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)氣密分析系統(tǒng)示意

試驗(yàn)方法為：

（1）試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)部件裝上傳統(tǒng)的三個(gè)活塞環(huán)，開口保持相互錯(cuò)開120°；

（2）打開高壓氣瓶，當(dāng)氣缸體內(nèi)壓力保持在一定壓力時(shí)，關(guān)閉高壓氣瓶；

（3）通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)壓力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示，直到氣缸體內(nèi)壓力減小到初始?jí)毫r(shí)停止測(cè)量；

（4）根據(jù)測(cè)量的壓力變化數(shù)據(jù)及其時(shí)間做出對(duì)應(yīng)的壓力-時(shí)間曲線；

（5）更換一組復(fù)合式活塞環(huán)，開口保持相互錯(cuò)開120°，重復(fù) 2、3、4項(xiàng)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)氣密分析系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行傳統(tǒng)活塞環(huán)和復(fù)合式活塞環(huán)的密封性能試驗(yàn)，對(duì)缸內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，由圖6的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)活塞環(huán)（三氣環(huán)）氣缸內(nèi)壓力逐漸下降到967.39 s后不再發(fā)生變化，新型復(fù)合式活塞環(huán)（一組三個(gè)氣環(huán)），氣缸內(nèi)壓力逐漸下降到1641.58 s后不再發(fā)生變換，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合式活塞環(huán)在密封性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)活塞環(huán)。為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作的實(shí)際工況，我們?nèi)藶閷⒒钊潭ㄔ跉飧變?nèi)的多個(gè)不同位置，這樣可使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更真實(shí)，誤差更小。圖6為最終由多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的曲線。

圖6 兩種活塞環(huán)缸內(nèi)壓力變化試驗(yàn)圖

3.3 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從對(duì)比結(jié)果可以看出，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算過程中只考慮閉口間隙處泄漏的氣體，沒有考慮側(cè)泄與端泄，因此仿真與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。

圖7 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

4 復(fù)合式活塞環(huán)所受摩擦力的分析

4.1 潤(rùn)滑分析

新型復(fù)合式活塞環(huán)的上浮動(dòng)環(huán)，中間穩(wěn)定環(huán)，下浮動(dòng)環(huán)構(gòu)成了一個(gè)潤(rùn)滑油腔見圖8。這個(gè)潤(rùn)滑油腔可以儲(chǔ)存少量的機(jī)油。新型活塞環(huán)組工作時(shí)，活塞環(huán)組由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，上浮動(dòng)環(huán)與氣缸壁間的潤(rùn)滑油一部分被刮入潤(rùn)滑油腔內(nèi)，新型活塞環(huán)組由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑油腔內(nèi)的潤(rùn)滑油可以均勻的分布在氣缸壁上，這樣在氣缸壁上就形成一層薄的油膜，保證了新型活塞環(huán)組的良好潤(rùn)滑[2]。

圖8 新型活塞環(huán)儲(chǔ)油腔示意圖

對(duì)于影響新型復(fù)合式單氣環(huán)與氣缸套潤(rùn)滑狀態(tài)的因素有以下幾個(gè)：

（1）氣缸內(nèi)壓力。

（2）活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)的速度。

（3）新型復(fù)合式單氣環(huán)和氣缸套的溫度。

（4）表面粗糙度。

（5）潤(rùn)滑油的粘度。

（6）對(duì)于潤(rùn)滑油的密度，考慮到受壓力和溫度變化不大，因此我們把潤(rùn)滑油密度作為一個(gè)常量來考慮。

作用于活塞環(huán)環(huán)表面的剪切力有兩個(gè)部分，一個(gè)是油膜動(dòng)壓剪切應(yīng)力，另一個(gè)是凸峰接觸產(chǎn)生的摩擦力[4]。則作用活塞環(huán)表面的剪切力為

式中：

τ1為油膜產(chǎn)生的流體動(dòng)壓剪切應(yīng)力；

τ2油膜產(chǎn)生的流體動(dòng)壓剪切應(yīng)力；

τA為凸峰接觸產(chǎn)生的摩擦力。

凸峰產(chǎn)生的摩擦力公式為

式中：

τ0是比例系數(shù)；

α0是剪切應(yīng)力常數(shù)，它取決于材料。

凸峰接觸的平均壓力公式為：

式中：

WA為凸峰負(fù)荷；

Ac是單位周長(zhǎng)上凸峰的實(shí)際接觸面積。

凸峰負(fù)荷公式為：

式中：

ρ是粗糙表面的峰元密度；

β是峰元曲率半徑；

L觶是復(fù)合彈性模量。

復(fù)合彈性模量計(jì)算公式為：

式中：

E1是氣缸套的彈性模量；

E2是活塞環(huán)的彈性模量；

v1，v2是氣缸套活塞環(huán)材料的泊松比。

其中油膜產(chǎn)生的流體動(dòng)壓剪切應(yīng)力為：

式中：

φfp是剪切力因子；

φfp是剪切力因子。

式中：

δr是聯(lián)合粗糙度幅值；

f（δr）是概率密度。

f（δr）可由Christensen提出的公式計(jì)算[5]

其中 c=3δ，δ是 δr的方差。

則活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦力公式為：

D是活塞環(huán)外徑。

4.2 計(jì)算結(jié)果

邊界摩擦系數(shù)0.1，復(fù)合式活塞環(huán)總高為2.38 mm，環(huán)表面凸起高度e=10 um，缸套表面粗糙度均方根值等于 0.6 um，其中，ηβσ =0.03-0.05，σ/β=1×10-4-1×10-2，活塞環(huán)表面粗糙度均方根值為0.1 um，活塞環(huán)缸套材料松泊比為0.4。

根據(jù)計(jì)算我們得出活塞環(huán)摩擦力曲線圖，如圖9、10所示。

圖9 新型活塞環(huán)摩擦力曲線圖（1 000 r/m in）

圖10 新型活塞環(huán)摩擦力曲線（2 000 r/m in）

5 結(jié)束語

（1）提出了一種新型復(fù)合式活塞環(huán)，對(duì)其密封原理進(jìn)行了分析。由于中間穩(wěn)定氣環(huán)堵住了高壓氣體直接從上下氣環(huán)閉口間隙處的泄漏，可提高活塞環(huán)的密封性能。

（2）建立了新型復(fù)合式活塞環(huán)氣密性分析的理論模型，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同的工況下，新型復(fù)合式活塞環(huán)的氣密性能比傳統(tǒng)活塞環(huán)（三氣環(huán)）提高約18%。同時(shí)，搭建了復(fù)合式活塞環(huán)氣密性靜態(tài)分析試驗(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合式活塞環(huán)的氣密性能比傳統(tǒng)活塞環(huán)提高約14%，驗(yàn)證了復(fù)合式活塞環(huán)的密封性能優(yōu)越于傳統(tǒng)活塞環(huán)。

（3）提出的復(fù)合式活塞環(huán)的摩擦力分析模型，研究結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速由1 000 r/min到2 000 r/min，復(fù)合式活塞環(huán)所受摩擦力提高約23%，隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦力越大，復(fù)合式活塞環(huán)降低摩擦功耗的潛力越大。

（4）提出的復(fù)合式活塞環(huán)可在保證氣密性的前提下，其所受摩擦力再可接受范圍內(nèi)，為取代傳統(tǒng)活塞環(huán)組，做出了有益嘗試。

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