某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗和活塞竄氣量的模擬分析及試驗(yàn)研究

錢德猛　李　波　昂金鳳（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心　安徽　合肥　230022）

某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗和活塞竄氣量的模擬分析及試驗(yàn)研究

錢德猛李波昂金鳳（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心安徽合肥230022）

摘要：基于動(dòng)力學(xué)分析方法建立某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體-活塞-活塞環(huán)的詳細(xì)分析模型，獲得額定工況下的機(jī)油消耗量及竄氣量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系?；钊麆?dòng)力學(xué)分析、可靠性試驗(yàn)及活塞竄氣量試驗(yàn)結(jié)果表明：計(jì)算得到的機(jī)油消耗量略高于試驗(yàn)值，竄氣量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，缸體-活塞-活塞環(huán)動(dòng)力學(xué)分析模型能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量及竄氣量的預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：機(jī)油消耗量活塞竄氣量可靠性試驗(yàn)活塞竄氣量試驗(yàn)

引言

隨著排放法規(guī)要求的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為提升產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵指標(biāo)。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)機(jī)油消耗量占總機(jī)油消耗量的90%以上，因此降低缸內(nèi)機(jī)油消耗量是降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的重要手段[1]。竄氣量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，竄氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響更加明顯。

無論是機(jī)油消耗量分析還是竄氣量分析，二者均與活塞、活塞環(huán)在缸套內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況、活塞、缸套的熱態(tài)型線密切相關(guān)。在一款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，基于原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)活塞頂部結(jié)構(gòu)及壓縮比進(jìn)行調(diào)整，活塞環(huán)槽也有所變化。為了充分考慮活塞、活塞環(huán)在氣缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，建立活塞、活塞環(huán)、缸套、連桿、曲柄銷等模型，完成機(jī)油消耗量分析、竄氣量分析。

1　機(jī)油消耗及活塞竄氣基本原理

1.1機(jī)油消耗形式及基本原理

研究表明，活塞環(huán)組機(jī)油消耗主要有三種途徑，主要包括缸套表面蒸發(fā)；環(huán)頂部累積機(jī)油在慣性力作用下進(jìn)入燃燒室；通過環(huán)端開口間隙進(jìn)入燃燒室。

1）缸套表面蒸發(fā)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，缸套表面分布有一層油膜，由于缸內(nèi)氣體紊亂流動(dòng)和缸內(nèi)高溫燃?xì)?，?dǎo)致油膜從缸套表面蒸發(fā)，或參與燃燒或被廢氣帶走。通過質(zhì)量擴(kuò)散過程可以對(duì)缸套表面蒸發(fā)的機(jī)油進(jìn)行描述，機(jī)油蒸發(fā)速率與溫度、壓力、燃?xì)鉁囟让芮邢嚓P(guān)，蒸發(fā)速率公式如下所示[2]。

其中：m.為蒸發(fā)速率；β為擴(kuò)散系數(shù)；Rfilm、Tfilm為蒸發(fā)層氣體常數(shù)、蒸發(fā)層溫度；Pfilm為蒸發(fā)層壓力；P為環(huán)境壓力。

2）環(huán)頂部累積機(jī)油在慣性力作用下進(jìn)入燃燒室

活塞運(yùn)動(dòng)過程中，火力岸附著大量機(jī)油，在壓縮沖程換向時(shí)，部分機(jī)油被甩進(jìn)燃燒室。活塞加速度的變化和累積在活塞頭部的機(jī)油體積是影響環(huán)頂部機(jī)油進(jìn)入燃燒室的主導(dǎo)因素。

火力岸上的機(jī)油主要分為兩個(gè)部分：活塞環(huán)刮油后剩余機(jī)油；通過環(huán)組泵油進(jìn)入第一環(huán)岸的機(jī)油。

3）通過環(huán)端開口間隙進(jìn)入燃燒室

當(dāng)燃燒室壓力小于頂環(huán)環(huán)槽壓力時(shí)，機(jī)油通過頂環(huán)開口間隙進(jìn)入燃燒室。一環(huán)上下容積腔的壓力差和開口間隙變化是引起頂環(huán)竄油的主要因素，具體計(jì)算公式如下。

其中：m.為環(huán)端開口機(jī)油竄出速率；f為比例常數(shù)；a為環(huán)后實(shí)際面積；ρ為機(jī)油密度；η為機(jī)油動(dòng)力學(xué)粘度；b為環(huán)工作面寬度；P1/2為環(huán)內(nèi)腔氣體壓力；Pc為燃燒室氣體壓力。

圖1 氣體流動(dòng)模型示意圖

1.2活塞竄氣基本原理

活塞竄氣量計(jì)算是將整個(gè)環(huán)組、活塞、缸套視為由節(jié)流閥連接的容積系統(tǒng)（見圖1），氣體被間隔為等容積腔，缸套與活塞環(huán)之間狹窄的節(jié)流通道連接各個(gè)容積腔，各容積腔之間進(jìn)行氣體質(zhì)量交換，流動(dòng)過程近似絕熱過程，氣體質(zhì)量流量的計(jì)算如下。

其中：m.為氣體質(zhì)量流量變化率；A、ψ為節(jié)流閥的流通面積、氣體流動(dòng)系數(shù)；R、k為氣體常數(shù)、絕熱指數(shù)；Tc、pc為腔內(nèi)氣體溫度、壓力；p0為燃燒室內(nèi)壓力。

2　機(jī)油消耗量及活塞竄氣量計(jì)算與分析

2.1分析模型建立

活塞動(dòng)力學(xué)分析模型包括：活塞、缸套、兩個(gè)氣環(huán)、一個(gè)油環(huán)、活塞銷，具體模型如圖2所示。

圖2　活塞動(dòng)力學(xué)分析模型

2.2活塞邊界條件確定

活塞型線是活塞動(dòng)力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵輸入，活塞型線分為兩個(gè)部分：熱態(tài)型線及冷態(tài)型線。熱態(tài)型線是指活塞各個(gè)位置溫度不同造成的活塞變形，冷態(tài)型線是活塞加工型線。其中熱態(tài)型線的數(shù)值遠(yuǎn)大于冷態(tài)型線，因此獲得較為準(zhǔn)確的活塞熱態(tài)型線對(duì)于活塞動(dòng)力學(xué)計(jì)算至關(guān)重要。

一般情況下，活塞熱態(tài)型線通過活塞溫度場(chǎng)計(jì)算獲得，為了確保溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要用活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)來修正溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，以獲得活塞各個(gè)位置下較為準(zhǔn)確的溫度分布[3]。

活塞溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　活塞溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

活塞表面溫度的測(cè)量為仿真計(jì)算提供了一個(gè)可靠的邊界條件，通過發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的溫度測(cè)量和計(jì)算相結(jié)合，將使計(jì)算結(jié)果變得更加合理。

本文在活塞表面溫度測(cè)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了活塞溫度場(chǎng)的有限元分析[4]，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了修正，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，活塞溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3活塞溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

2.3缸套輸入邊界條件

缸體溫度場(chǎng)分析與螺栓預(yù)緊力分析的目的是為了獲得缸套熱態(tài)及冷態(tài)型線，缸體溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，四個(gè)缸缸孔在主推力側(cè)與副推力側(cè)的溫度分布沒有明顯對(duì)稱性，而分析軟件針對(duì)0~180°的缸孔范圍進(jìn)行計(jì)算，另外一般通過對(duì)稱獲得，因此缸套的熱態(tài)型線只取主推力側(cè)-后端-副推力側(cè)。

缸體各個(gè)角度下的冷態(tài)型線如圖5所示，缸體的冷態(tài)型線必須與熱態(tài)型線取對(duì)應(yīng)的接觸面。

圖4　缸體溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

3　分析與試驗(yàn)對(duì)比

3.1機(jī)油消耗量計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

機(jī)油蒸發(fā)、機(jī)油在慣性力作用下進(jìn)入燃燒室、環(huán)端竄油為主要的三種機(jī)油消耗方式，機(jī)油消耗計(jì)算后，可以獲得三種機(jī)油消耗方式隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線，取三條曲線的數(shù)學(xué)平均值，將其相加，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的計(jì)算結(jié)果。在1000 r/min~4850 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機(jī)油消耗計(jì)算結(jié)果見表2，4850 r/min下的機(jī)油消耗量為52.99 g/h。表2中的機(jī)油消耗量為新開發(fā)機(jī)型的預(yù)測(cè)值，后期將根據(jù)開發(fā)試驗(yàn)的測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)定。

機(jī)油消耗量測(cè)量試驗(yàn)在可靠性臺(tái)架上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中每40 h需要更換機(jī)油，確保機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度、燃油稀釋百分比、閉口閃點(diǎn)等關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足國標(biāo)限值的要求[5]。熱沖擊試驗(yàn)的機(jī)油消耗量相比其他試驗(yàn)測(cè)試值大，用熱沖擊試驗(yàn)值標(biāo)定模型，能夠充分考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗最大工況。經(jīng)過350 h熱沖擊試驗(yàn)后，4850 r/min下的機(jī)油消耗量為48.9 g/h。

機(jī)油消耗量計(jì)算得到在全速全負(fù)荷工況下的機(jī)油消耗量大于試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，通過原因分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)算中使用的接觸表面粗糙度值來源設(shè)計(jì)圖紙，而試驗(yàn)過程中磨合運(yùn)行后的表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，因此造成計(jì)算機(jī)油消耗量大于測(cè)量結(jié)果。

圖5　缸體各個(gè)角度下的冷熱態(tài)型線

表2　各個(gè)轉(zhuǎn)速下機(jī)油消耗量計(jì)算結(jié)果

3.2竄氣量計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

竄氣量計(jì)算與活塞熱態(tài)型線[6]、缸套熱態(tài)型線、活塞環(huán)在活塞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況、活塞環(huán)與缸套之間間隙等情況相關(guān)。計(jì)算獲得各個(gè)轉(zhuǎn)速下的竄氣量，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量不斷增加，在2000 r/min附近達(dá)到最大值42.42 L/min，然后不斷降低，在4000 r/min附近達(dá)到另一個(gè)峰值，其值為40.3L/min。

200 h竄氣量測(cè)量結(jié)果顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000 r/min達(dá)到38.1 L/min的峰值，然后不斷降低，在4000 r/min附近達(dá)到39.5 L/min的另一個(gè)峰值。

竄氣量的測(cè)量與試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，從計(jì)算與測(cè)量結(jié)果可以看出，竄氣量的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比趨勢(shì)一致，在全速全負(fù)荷工況下，計(jì)算得到的竄氣量為37 L/min，測(cè)量值為38.5 L/min，誤差在可接受范圍內(nèi)。

圖6　竄氣量計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

4　結(jié)論

1）在計(jì)算轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，活塞-活塞環(huán)-連桿系統(tǒng)的機(jī)油消耗量計(jì)算結(jié)果略大于350 h的熱沖擊試驗(yàn)結(jié)果。

2）在計(jì)算轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，活塞-活塞環(huán)-連桿系統(tǒng)的竄氣量計(jì)算結(jié)果與200 h試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，全速全負(fù)荷工況下的誤差在可接受范圍內(nèi)。

3）計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，機(jī)油消耗量和竄氣量分析能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量及竄氣量的預(yù)測(cè)。

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中圖分類號(hào)：TK418.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）05-0067-04

收稿日期：（2015-06-01）

作者簡介：錢德猛（1976-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檎嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)CAE。

The Simulation and Test Validation of Lube Oil Consumption and Blow-by of Gasoline Engine

Qian Dem eng,Li Bo,Ang Jin feng
The Centerof Technology,Anhui JianghuaiAutomobile Co.,Ltd.(Hefei,Anhui,230022,China)

Abstract：In order to establish the ability to predict the value ofoil consumption and blow-by,the blockpiston-piston ringsmodelwas set up based on the dynamic analysismethods.The relationship with lube consumption，blow by and speed were attained.The results of the dynamic analysis,the reliability test, blow-by testshowed that the calculation of lube consumptionwasslighthigher than the testvalue,the same variation trends of blow-by were similar between the computation and test.The analysismodel of blockpiston-piston ringswould complete the prediction of lube consumption and blow-by.

Keywords：Lubeoilconsumption,Piston blow-by,Reliability test,Blow-by testofpiston