氣環(huán)密封面粗糙度對(duì)竄氣量影響的仿真分析

郭亮，張翼（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

氣環(huán)密封面粗糙度對(duì)竄氣量影響的仿真分析

郭亮，張翼
（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030051）

發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣指的是高溫燃?xì)庵苯訌臍飧茁┤肭S箱，竄氣量過(guò)大直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，燃料消耗率上升，以及惡化潤(rùn)滑油。采用氣體在粗糙間隙的流動(dòng)理論基礎(chǔ)，并通過(guò)AVL EXCITE P&R軟件對(duì)某V6發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行活塞動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)比竄氣量結(jié)果，指出第一環(huán)下側(cè)面與第一環(huán)槽下側(cè)面的粗糙度均方根是影響竄氣量的關(guān)鍵因素，粗糙度均方根越小，竄氣量越低。

活塞環(huán)活塞環(huán)槽粗糙度竄氣量

1　　前言

發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量是評(píng)價(jià)活塞環(huán)在活塞與氣缸間工作狀況的重要指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常竄氣量應(yīng)該是進(jìn)氣量的0.2%～1%［l～2］。需要對(duì)竄氣量嚴(yán)格加以限制，以達(dá)到日益嚴(yán)格的性能要求與排放標(biāo)準(zhǔn)［3］。如果竄氣量過(guò)大，將導(dǎo)致一系列不良后果，如發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降，起動(dòng)困難，運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，油耗增加，機(jī)油變質(zhì)等［4］。但目前在減少竄氣量的途徑上多從氣環(huán)的結(jié)構(gòu)考慮，認(rèn)為開(kāi)口間隙是主要的竄氣途徑，環(huán)槽內(nèi)側(cè)間隙增大導(dǎo)致環(huán)腔容積增大，可以較為明顯地降低竄氣量；增大環(huán)徑向壓力可在一定程度上減小竄氣量。本文結(jié)合氣體在粗糙間隙的流動(dòng)理論，從活塞環(huán)和活塞環(huán)槽結(jié)合面間的粗糙度配合關(guān)系出發(fā)，采用AVL EXCITE P&R軟件對(duì)某V6發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了氣環(huán)密封面粗糙度對(duì)竄氣量影響的仿真分析。

2　　氣環(huán)的密封原理

如圖1所示，活塞環(huán)裝入氣缸后，在其自身的彈力作用下環(huán)的外圓面與氣缸壁貼緊形成第一密封面，此時(shí)，高壓氣體通過(guò)活塞頂岸與氣缸壁之間的間隙進(jìn)入活塞環(huán)的側(cè)隙和背隙中，其中進(jìn)入側(cè)隙中的高壓氣體使環(huán)的下側(cè)面與環(huán)槽的下側(cè)面貼緊形成第二密封面，而進(jìn)入背隙中的高壓氣體使環(huán)的外圓面與氣缸壁更加貼緊［5］。

基于上述原理，在降低竄氣量的設(shè)計(jì)中多從活塞環(huán)著手，其主要的設(shè)計(jì)因素為：徑向壓力、環(huán)高、開(kāi)口間隙和厚度［6］。

3　　氣體在粗糙間隙的流動(dòng)理論基礎(chǔ)

由于表面粗糙度的存在，表面與表面之間的接觸僅僅是局部峰之間的接觸。對(duì)于粗糙表面，存在一個(gè)基準(zhǔn)表面，兩個(gè)基準(zhǔn)表面間的距離稱為流體膜的名義厚度。兩個(gè)彈性固體的無(wú)摩擦接觸可以用一個(gè)平的剛性表面和一個(gè)固體表面的接觸來(lái)代替［7］，相應(yīng)的兩個(gè)表面具有的粗糙度分別為σ1、σ2，可以近似看作一個(gè)剛性光滑表面與一個(gè)等效粗糙度為的表面接觸。

圖1　氣環(huán)的密封原理

由此可知，單獨(dú)降低兩個(gè)接觸表面中某一個(gè)面的粗糙度，當(dāng)這個(gè)粗糙度降低到一定程度時(shí)繼續(xù)降低，其等效粗糙度降低程度不大，只會(huì)增大加工難度和成本，所以應(yīng)該同時(shí)降低這兩個(gè)粗糙度，才能降低等效粗糙度。

本文的研究重點(diǎn)在于環(huán)的下側(cè)面與環(huán)槽的下側(cè)面貼緊形成的第二密封面。

4　　仿真與評(píng)價(jià)

采用PRO/E建立機(jī)體-缸套-缸蓋-螺栓的三維模型，ANSA前處理軟件對(duì)其進(jìn)行離散化處理劃分網(wǎng)格，BOOST計(jì)算缸內(nèi)工作壓力和溫度等邊界條件，ANSYS分析最大爆發(fā)壓力時(shí)刻的熱機(jī)耦合，得到缸套和活塞的表征輪廓線。最后在AVL EXCITE P&R中建立模型并仿真，模型如圖2所示。由于本文僅研究分析粗糙度對(duì)竄氣量的影響，因此活塞環(huán)開(kāi)口間隙保持與原機(jī)相同。仿真結(jié)果竄氣量為38.28 L/min，實(shí)測(cè)值為40.01 L/min，誤差為4.32%，仿真結(jié)果比較理想。其中，原機(jī)型的活塞環(huán)上下兩側(cè)面粗糙度為Ra0.4，活塞環(huán)槽上下兩側(cè)面粗糙度為Ra1.6。

為驗(yàn)證氣環(huán)密封面粗糙度對(duì)竄氣量的影響規(guī)律，在原機(jī)的基礎(chǔ)上新設(shè)計(jì)了4種方案，其第1道活塞環(huán)和第1道活塞環(huán)槽的上下側(cè)粗糙度，以及上下兩個(gè)接觸面的粗糙度均方根數(shù)據(jù)如表1所示。

分別對(duì)各方案竄氣量進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)原機(jī)和方案1、方案2、方案3、方案4的竄氣量進(jìn)行對(duì)比分析，從中選出最佳改進(jìn)方案。

由圖3可知，方案1竄氣量與原機(jī)竄氣量完全一致，這說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量與第1道活塞環(huán)和活塞環(huán)槽接觸面之間的等效粗糙度有關(guān)，而與具體數(shù)值無(wú)關(guān)。所以，以單獨(dú)提高某一個(gè)面的粗糙度來(lái)降低竄氣量是不合理的，應(yīng)該同時(shí)降低上下兩側(cè)面的粗糙度，保持兩粗糙度一致。

圖2　AVL　EXCITE　P&R中模型

表1　　各方案粗糙度

圖3　　原機(jī)和方案1的竄氣量對(duì)比

方案2將第1道活塞環(huán)槽上下側(cè)的粗糙度調(diào)整為與第1道活塞環(huán)的粗糙度相同。由圖4可知，即Ra0.4，竄氣量由原機(jī)型38.28 L/min降低為30.49 L/min，下降了20.35%，可見(jiàn)在氣環(huán)的密封原理中所說(shuō)的第二密封面并不是完全的密封。而且從仿真結(jié)果看，粗糙度是影響竄氣量的關(guān)鍵因素，且竄氣量隨著粗糙度的降低而減小。

圖4　　原機(jī)和方案2的竄氣量對(duì)比

由圖5可知，方案3僅降低了第1道活塞環(huán)和活塞環(huán)槽下接觸面的粗糙度，方案4則僅降低了第1道活塞環(huán)和活塞環(huán)槽上接觸面的粗糙度，原機(jī)型竄氣量為38.28 L/min，方案3的竄氣量為30.51 L/min，降低了20.30%，與上下兩側(cè)粗糙度都降低的方案2竄氣量相當(dāng)；而方案4的竄氣量為38.09 L/min，與原機(jī)竄氣量相當(dāng)。又由圖6可知，第1道活塞環(huán)僅在曲軸轉(zhuǎn)角340℃A到450℃A之間發(fā)生軸向竄動(dòng)，而其他時(shí)刻，尤其是竄氣量很大的20℃A到110℃A，第1道氣環(huán)都緊貼在下密封面，所以，下密封面在降低竄氣量中起主要作用，而上密封面幾乎不起作用。

圖5　　原機(jī)與方案3、方案4的竄氣量對(duì)比

圖6　　原機(jī)第一道活塞環(huán)軸向位置

5　　結(jié)論

本文通過(guò)AVL EXCITE P&R軟件對(duì)某V6發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行活塞動(dòng)力學(xué)分析，得到了第1道活塞環(huán)和第1道活塞環(huán)槽對(duì)竄氣量的影響規(guī)律，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）第1道活塞環(huán)和活塞環(huán)槽的接觸面粗糙度也是影響竄氣量的關(guān)鍵因素。

（2）第1道活塞環(huán)和活塞環(huán)槽的下密封面在降低竄氣量中起主要作用，而上密封面幾乎不起作用。

（3）影響發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量的是第1道活塞環(huán)和第1道活塞環(huán)槽的下接觸面的等效粗糙度。當(dāng)?shù)刃Т植诙扔?.649降為1.131，竄氣量下降了20.35%。所以，在降低竄氣量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該同時(shí)降低下密封面的上下兩側(cè)面粗糙度且保持相同。

［1］周保龍.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］王望予.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］Veettil M P，Shi F H.CFD Analysis of Oil/Gas Flow in Piston Ring-Pack［J］.SAE 2011-01-1406.

［4］鄧志明，歐陽(yáng)光耀，李育學(xué)等.內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)組密封性能研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2011（3）：60-64.

［5］陳家瑞，馬天飛.汽車構(gòu)造（上冊(cè)）［M］第五版.北京：人民交通出版社，2005：64.

［6］李先文.發(fā)動(dòng)機(jī)竄漏與活塞環(huán)設(shè)計(jì)［D］.重慶大學(xué)，2008.

［7］Johnson A F.接觸力學(xué)［M］.徐秉業(yè)等譯.北京：高等教育出版社，1993：102-114.

Simulation Analysis of the Impact of Gas Ring Sealing Surface Roughness on Blow-by

Guo Liang，Zhang Yi
（School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Engine blow-by mean high temperature gas leaking into the crankcase directly from the cylinder，a direct result of excessive blow-by gas is engine power down，fuel consumption rate rising，and the deterioration of lubricants.In this paper，theory of flowing gas through rough gap，and by AVL EXCITE P&R software on a V6 engine piston dynamics analysis，comparing blow-by results pointed out that RMS roughness of the lower side of the first ring and the lower side of the first ring groove is a key factor affecting blow-by.RMS roughness smaller，blow-by the lower.

piston ring，piston ring groove，roughness，blow-by

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.005

來(lái)稿日期：2015-08-07

郭亮（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。