新型復(fù)合式活塞環(huán)氣密性的數(shù)值仿真?

趙丹平，陳 洋，吳雙群，馮 強

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

0 引言

活塞環(huán)薄型化即活塞環(huán)高度減小，這使得活塞環(huán)與活塞環(huán)槽的間隙減小，氣密性大大增強，可以降低活塞環(huán)漏氣量，以此提高發(fā)動機功率，降低排放物對大氣的污染。針對活塞環(huán)發(fā)展的趨勢，本文提出了一種新型復(fù)合式活塞環(huán)，并用數(shù)值仿真的方法對其氣密性、密封壓力維持時間、壓縮壓力進行了分析驗證。

1 復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)和密封分析

1.1 復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)

新型復(fù)合式活塞環(huán)采用三環(huán)疊加為一環(huán)裝入一個環(huán)槽的單環(huán)槽結(jié)構(gòu)，并且環(huán)與環(huán)開口相互錯開120°。上環(huán)和下環(huán)都采用正扭曲環(huán)，中間環(huán)較上環(huán)和下環(huán)要厚一些，同時中間環(huán)開口間隙要大一些，以補償熱膨脹量，防止活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽中，其三維實體模型見圖1。

1.2 復(fù)合式活塞環(huán)氣密性分析

圖2為復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，上浮動氣環(huán)、下浮動氣環(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到氣缸壁與活塞之間的間隙中，然后通過活塞環(huán)上端面和活塞環(huán)槽上側(cè)面之間的間隙進入到活塞環(huán)背面中。由于此時活塞環(huán)開口間隙已經(jīng)被封閉了，氣體只能沿活塞環(huán)端面進入背隙空間。同時氣體的曲折流動，也可以有效地增加流動阻力，減小逸放系數(shù)，從而減少氣體泄漏量。

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、下浮動環(huán)不同，所以共振頻率不同，避免了活塞往復(fù)運動過程中所造成的活塞環(huán)懸浮和顫振；同時環(huán)與環(huán)之間相對運動可以使新型活塞環(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［1］。因此，新型復(fù)合式活塞環(huán)使發(fā)動機的環(huán)保性、經(jīng)濟性和動力性均有提高。

圖1 新型復(fù)合式活塞環(huán)三維模型

圖2 新型復(fù)合式活塞環(huán) 結(jié)構(gòu)示意圖

2 復(fù)合式活塞環(huán)氣密性數(shù)值模擬

發(fā)動機正常工作的時候，氣體只能在閉口間隙處的通道發(fā)生流動。在壓力差的作用下，氣體從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動，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算［2］。具有n個活塞環(huán)的泄漏氣體流動模型如圖3所示。其中，環(huán)1到環(huán)n是按燃燒室到曲軸箱方向順序排列，Ai為漏氣通道面積，Ti為氣體溫度，pi為壓力，Vi為穩(wěn)壓氣罐和氣缸總體積，Qi為i側(cè)活塞環(huán)后的氣體質(zhì)量流量，i＝1，2…，n。

圖3 氣體泄漏計算模型

在壓縮行程，第i側(cè)的壓力總高于第i＋1側(cè)的壓力，這時有：

其中：Kc為逸放系數(shù)；Rg為氣體常數(shù)；κ為氣體比熱。

流動氣體各參數(shù)應(yīng)滿足式（2）的氣體狀態(tài)方程：

其中：m為氣體質(zhì)量。設(shè)時間t內(nèi)，對第i個活塞環(huán)有：

而i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（i－1）個活塞環(huán)，并代入式（3）整理后得：

式（5）就是缸內(nèi)壓力變化的理論計算模型，是關(guān)于環(huán)間壓力pi與pi－1的一階非線性微分方程。具有i個活塞環(huán)的活塞環(huán)組，有（i－1）環(huán)間空間，每個空間使用式（5）得到一個微分方程，運用龍格－庫塔數(shù)值解法就可以得到氣體壓力的分布。進行迭代計算時，為控制迭代運算時間和保證結(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，迭代計算結(jié)束。

3 復(fù)合式活塞環(huán)漏氣量數(shù)值模擬

對兩種活塞環(huán)的漏氣通道進行建模，首先要了解活塞環(huán)的基本參數(shù)，表1為單個氣環(huán)的基本參數(shù)；其次，結(jié)合復(fù)合式活塞環(huán)與傳統(tǒng)活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)特性，對兩種活塞環(huán)的漏氣通道進行建模。

建立復(fù)合式活塞環(huán)與傳統(tǒng)活塞環(huán)的漏氣通道，需要做一些簡化和處理：①背隙漏氣和缸壓有密切關(guān)系，確定活塞環(huán)的背隙漏氣通道是比較困難的，建模中可以將背隙漏氣與透光度漏氣一起作為環(huán)間隙考慮，背隙的變化可以在透光度徑向間隙上體現(xiàn)出來；②將活塞環(huán)漏氣簡化成高壓絕熱小孔漏氣模型。根據(jù)熱力學(xué)方程可以得到漏氣量［3］：

其中：p0和T0分別為氣缸進氣初始壓力和溫度。

表1 單個氣環(huán)的基本參數(shù)

由上述基礎(chǔ)，分別建立復(fù)合式活塞環(huán)與傳統(tǒng)活塞環(huán)的漏氣通道模型：

（1）復(fù)合式活塞環(huán)的漏氣通道建立的難點在于確定三環(huán)疊加后的透光度。單環(huán)的透光總弧長為90°，在三環(huán)疊加的情況下，考慮到環(huán)口兩端30°內(nèi)無透光，也就是說，三個環(huán)口總計180°的范圍內(nèi)是沒有透光的，因此復(fù)合式活塞環(huán)的透光總弧長是單個環(huán)的1/2，徑向間隙Δ不變。其透光度弧長l和漏氣面積A的計算方法如下：

漏氣速率為：

漏氣量為：

（2）傳統(tǒng)活塞環(huán)的漏氣比較復(fù)雜，每一道活塞環(huán)處壓力都會有所變化，要考慮傳統(tǒng)活塞環(huán)的漏氣只需要考慮最后一道活塞環(huán)的漏氣就可以了。對于最后一道活塞環(huán)而言，計算漏氣量時，內(nèi)壓力是缸壓的0.076倍［4］；透光總弧長就是單環(huán)的透光總弧長，徑向間隙不變；端隙漏氣相當(dāng)于漏氣孔漏氣。其透光度弧長l、漏氣面積A1和端隙漏氣面積A2的計算方法如下：

漏氣速率為：

漏氣量為：

4 氣密性和漏氣量模擬結(jié)果

4.1 氣密性模擬結(jié)果

理論計算分析的密封過程為：穩(wěn)壓罐和氣缸內(nèi)充以某一壓力值的氣體，然后氣體通過活塞環(huán)自然泄漏到大氣中，而不是發(fā)動機整個循環(huán)時缸內(nèi)氣體壓力的變化過程。計算時以S195發(fā)動機為模型，穩(wěn)壓罐體積為0.072m3，活塞環(huán)徑向厚度為5.08mm，傳統(tǒng)活塞環(huán)單個氣環(huán)高2.38mm，復(fù)合式活塞環(huán)總高為2.38mm，活塞環(huán)開口間隙16mm，閉口間隙為0.9mm，環(huán)槽高度為2.4mm，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)壓罐體積與氣缸總?cè)莘e之和，缸內(nèi)初始壓力為0.5MPa，曲軸箱壓力為大氣壓力，溫度取室溫25℃。在MATLAB中編寫程序得到如圖4所示的兩種活塞環(huán)缸內(nèi)壓力變化曲線。

從圖4中可以看出，缸內(nèi)氣體壓力不斷下降直到初始壓力，傳統(tǒng)活塞環(huán)的壓力維持時間為1 063.31s，復(fù)合式活塞環(huán)的密封壓力維持時間為1 737.62s，復(fù)合式活塞環(huán)是傳統(tǒng)活塞環(huán)的1.63倍。

4.2 漏氣量模擬結(jié)果

通過氣缸壓力變化計算出兩種活塞環(huán)的漏氣量，并擬合成曲線，見圖5。漏氣量差值隨著缸壓的增大而呈線性增大，在缸壓為0.5MPa時最大，為0.284g/s，在缸壓為0.04MPa時最小，為0.053g/s。由此可見，復(fù)合式活塞環(huán)的氣密性整體上要優(yōu)于傳統(tǒng)活塞環(huán)，而且在高壓條件下，其氣密性比傳統(tǒng)活塞環(huán)更加優(yōu)越。

圖4 兩種活塞環(huán)缸內(nèi)壓力變化曲線圖

圖5 活塞環(huán)模擬 漏氣量

5 動態(tài)壓縮壓力模擬

5.1 參數(shù)選取

選用的單缸機模型為單缸四沖程，活塞行程為115mm，氣缸直徑為Φ95mm，額定轉(zhuǎn)速為2 200r/min，額定功率為8.8kW，活塞排量為0.815L，壓縮比為20。利用以上提出的新型復(fù)合式活塞環(huán)的壓力計算模型，模擬計算安裝了新型復(fù)合式活塞環(huán)單缸機轉(zhuǎn)速分別為1 000r/min和2 000r/min時的壓縮壓力，得到了氣缸壓力分布，如圖6、圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)速為1 000r/min時的氣缸壓力分布

圖7 轉(zhuǎn)速為2 000r/min時的氣缸壓力分布圖

5.2 計算結(jié)果

計算結(jié)果表明安裝了新型復(fù)合式活塞環(huán)的單缸機在轉(zhuǎn)速為1 000r/min和2 000r/min時，壓縮止壓力最高值分別為4.83MPa和6.48MPa。這完全可以達到這種單缸機的使用標(biāo)準(zhǔn)，進一步驗證了新型復(fù)合式活塞環(huán)結(jié)構(gòu)的合理性。

6 結(jié)論

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)）有顯著提高；通過計算分析發(fā)現(xiàn)，越是高壓情況下，新型復(fù)合式活塞環(huán)密封性能越是優(yōu)于傳統(tǒng)活塞環(huán)。

［1］杜建鼎，趙丹平.發(fā)動機新型復(fù)合式單氣環(huán)的研究［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2012（1）：1-8.

［2］張勇，丘雪棠，莫森泉，等.新型組合式活塞環(huán)氣密性能研究［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2010（3）：81-87.

［3］童鈞耕，吳孟余，王陽平.高等工程熱力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］沈遠(yuǎn)勝，劉宗明.壓力容器泄漏孔大小的壓力變化率預(yù)估方法［J］.熱能動力工程，2010（11）：25-26.