活塞-活塞環(huán)-氣缸系統(tǒng)的摩擦測(cè)量研究

【德】 M.Plettenberg D.Henaux B.Hammermüller

試 驗(yàn) 研 究

活塞-活塞環(huán)-氣缸系統(tǒng)的摩擦測(cè)量研究

【德】 M.Plettenberg D.Henaux B.Hammermüller

FEV公司開(kāi)發(fā)出了1種特殊的測(cè)量技術(shù)，可同步探測(cè)活塞環(huán)的軸向和徑向運(yùn)動(dòng)，以及整個(gè)活塞環(huán)組件的動(dòng)態(tài)壓力特性[1]。與此同時(shí)，還可研究活塞環(huán)的動(dòng)態(tài)變形特性。該測(cè)量研究是在1臺(tái)V6汽油機(jī)的整個(gè)運(yùn)行圖譜上進(jìn)行的，可以用于分析和深入理解活塞環(huán)組件的動(dòng)力學(xué)特性的影響[2]。并展示了已記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)精選。

摩擦測(cè)量 機(jī)械效率 仿真 定位

0 前言

降低燃油耗和相關(guān)排放物是現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)開(kāi)發(fā)所面臨的主要課題之一。對(duì)于所有的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，都可通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦來(lái)減少機(jī)械損耗，從而提高機(jī)械效率，降低燃油耗。圖1所示為典型發(fā)動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)工況下，摩擦平均有效壓力占比整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的典型分布。

圖1 摩擦平均有效壓力占比在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的典型分布[3]

從圖1可以明顯看出，活塞組的摩擦損失占相當(dāng)大的比例，超過(guò)30%，在其他運(yùn)行點(diǎn)上高達(dá)50%[4]。而且，活塞組是機(jī)油的主要消耗源，它在碳?xì)浠衔?HC)的排放中占有不容忽視的份額。這表明，對(duì)活塞-活塞環(huán)-氣缸系統(tǒng)的優(yōu)化可對(duì)效率的提高，以及燃油耗、排放物的降低起到重要的作用。但是，需要確?；钊?活塞環(huán)-氣缸系統(tǒng)的摩擦力減少量不會(huì)對(duì)機(jī)油耗和竄油量的功能值產(chǎn)生負(fù)面影響。由于活塞環(huán)的正切向力有變低的趨勢(shì)，可能引起故障、磨損增加甚至發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。這些情況都顯示出進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)(尤其在摩擦系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi))的重要性[5-7]。

為了使優(yōu)化系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中更省時(shí)、省成本，復(fù)雜的仿真模型越來(lái)越多地被應(yīng)用于代替在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的研究[8-10]。這些工具的仿真質(zhì)量和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不僅依賴于所使用數(shù)學(xué)及物理模型的細(xì)化程度，也取決于對(duì)系統(tǒng)邊界條件的準(zhǔn)確認(rèn)知，后者可通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)架上采用現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)來(lái)確定。只有通過(guò)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合，才能對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行切實(shí)的描述，因而才能在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)以目標(biāo)為導(dǎo)向的問(wèn)題解決。

FEV公司開(kāi)發(fā)出了1種能在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行圖譜區(qū)間，快速測(cè)量活塞環(huán)區(qū)域的動(dòng)力學(xué)特性的測(cè)量技術(shù)。它可測(cè)量第一道和第二道壓縮環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)特性，以及第二道活塞環(huán)相對(duì)于活塞的徑向運(yùn)動(dòng)特性。第二道活塞環(huán)上的徑向運(yùn)動(dòng)測(cè)量允許同時(shí)對(duì)第一道活塞環(huán)直到第二階變形的變形工況進(jìn)行分析，并通過(guò)一種新的評(píng)價(jià)方法對(duì)活塞環(huán)開(kāi)口間隙的定位進(jìn)行分析，并且，還可研究從氣缸壓力到活塞環(huán)之后和活塞環(huán)之間的壓力，再到氣缸曲軸箱壓力的整個(gè)壓力傳遞路徑。此外，在活塞和氣缸套區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了溫度測(cè)量。由于動(dòng)態(tài)摩擦學(xué)系統(tǒng)對(duì)邊界條件的變化反應(yīng)極為敏感，所有標(biāo)明的測(cè)量值都同步確定并記錄下來(lái)，以便清楚地識(shí)別交叉影響。借助于專門為高速汽油機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)械式輕量化連桿系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)活塞中傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)電線進(jìn)行傳遞。

本文所使用的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是1臺(tái)典型的自然吸氣汽油機(jī)。在試驗(yàn)臺(tái)架研究期間，這些發(fā)動(dòng)機(jī)在高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下顯示出特有的竄油特性[8]。這一特性只能歸因于活塞環(huán)組件區(qū)域中的動(dòng)態(tài)過(guò)程。常見(jiàn)的測(cè)量研究無(wú)法清楚地解釋這一現(xiàn)象。

采用特殊測(cè)量技術(shù)進(jìn)行先進(jìn)的測(cè)量研究，覆蓋了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖譜，將提高對(duì)摩擦學(xué)系統(tǒng)中過(guò)程和關(guān)聯(lián)性的基本理解。因此，所進(jìn)行的測(cè)量可識(shí)別出對(duì)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上活塞環(huán)的功能性不利的工況。由此得出的探測(cè)機(jī)理通?？梢赞D(zhuǎn)移到其他的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上。通過(guò)確定中間活塞環(huán)的壓力，可以獲知對(duì)于磨損和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)而言重要的負(fù)荷。通過(guò)對(duì)摩擦系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性和影響進(jìn)行分析，可檢驗(yàn)對(duì)不同邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化和忽略是否可以接受，如活塞環(huán)開(kāi)口間隙位置，從而縮短現(xiàn)有仿真模型的仿真時(shí)間。在測(cè)量研究之后，所確定的結(jié)果可以用于仿真模型的延伸和精修，從而使這些模型更可靠地應(yīng)用于開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

1 所研究的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

在測(cè)量研究期間，試驗(yàn)使用1臺(tái)60°夾角V型6缸自然吸氣式直噴汽油機(jī)。升功率為60 kW。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)具有高性能自然吸氣汽油機(jī)的典型特征。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在有關(guān)摩擦降低的諸多領(lǐng)域?qū)λ芯堪l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。開(kāi)式水套設(shè)計(jì)的壓鑄鋁曲軸箱采用壓模層狀石墨鑄鐵(GJL)粗鑄缸套，并采用特殊的精細(xì)珩磨工藝進(jìn)行加工。鋁活塞壓縮高度設(shè)計(jì)得非常低，以減輕其質(zhì)量。在潤(rùn)滑方面，使用了粘度等級(jí)為SAE 5W30的合成潤(rùn)滑油?；钊h(huán)組件通過(guò)特殊的活塞環(huán)設(shè)計(jì)，并降低正切力，起到了減少摩擦功率的作用。圖2所示為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的圓周和橫截面幾何形狀。

圖2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的幾何形狀

第一道壓縮環(huán)是1個(gè)由氮化鋼制成的凸面矩形環(huán)。第二道壓縮環(huán)是1個(gè)內(nèi)環(huán)外形較為特殊的所謂的“FO環(huán)”(環(huán)高隨圓周而變化)，在安裝之后專門控制活塞環(huán)和氣缸之間實(shí)際的接觸壓力分布。此活塞環(huán)為具有減摩涂層的澆鑄錐面鼻形環(huán)。采用帶推力彈簧的3件式鋼帶環(huán)作為刮油環(huán)?；钊h(huán)高度和寬度是專門用于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的，也在其他汽油機(jī)的范圍內(nèi)。

除了摩擦功率的降低，機(jī)油耗函數(shù)值和竄氣量相較前一代發(fā)動(dòng)機(jī)已有所改善。然而，在一些工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出特有的竄氣特性，應(yīng)該是活塞環(huán)區(qū)域中動(dòng)態(tài)過(guò)程的結(jié)果，在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)期間采用的仿真模型也沒(méi)有準(zhǔn)確地探測(cè)到。為了更詳細(xì)地分析這一工況的成因、提高對(duì)動(dòng)態(tài)活塞環(huán)工況的總體認(rèn)識(shí)，為仿真模型的驗(yàn)證提供詳盡的數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)出下文中所述的測(cè)量方法并應(yīng)用于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的測(cè)量方法

圖3所示為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上采用的傳感器及其位置、殼體設(shè)計(jì)。在進(jìn)行測(cè)量研究時(shí)，采用了電渦流原理工作的感應(yīng)式距離傳感器。用于探測(cè)活塞環(huán)軸向運(yùn)動(dòng)的電渦流傳感器構(gòu)造較特別，測(cè)量線圈軸向?qū)R并集成在金屬殼體中，活塞在機(jī)加工之后，可以從外部徑向插入活塞的鉆孔中。活塞環(huán)槽側(cè)壁上開(kāi)制機(jī)加工活塞環(huán)槽，再由傳感器殼體完全封閉， 由此活塞環(huán)槽的幾何結(jié)構(gòu)并未改變。就活塞環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)，以及密封性對(duì)環(huán)槽側(cè)壁的最小影響而言十分重要。測(cè)量線圈在其安裝位置上時(shí)完全被活塞環(huán)表面覆蓋，即使在活塞和活塞環(huán)之間發(fā)生徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)也是如此。由于上述原因，徑向運(yùn)動(dòng)對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)信號(hào)的影響可以排除在外。第一和第二道壓縮環(huán)的傳感器都位于2個(gè)活塞環(huán)之間的活塞環(huán)岸上。它們都裝在推力和反推力側(cè)與第二平面旋轉(zhuǎn)15°的平面上。采用這種傳感器布置，可以確定第一道和第二道壓縮環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)特性，還可以探測(cè)到推力和反推力側(cè)的局部運(yùn)動(dòng)偏移。

圖3 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上的傳感器

第二道活塞環(huán)上的徑向距離傳感器是裝在陶瓷殼體中的標(biāo)準(zhǔn)電渦流傳感器。這些傳感器從活塞的內(nèi)側(cè)插入孔中，逐漸通向活塞環(huán)的背面。4個(gè)傳感器正好位于活塞的第二和第三平面中。在定位這些傳感器時(shí)，需要確保傳感器的位置離活塞環(huán)的背面足夠近，不超出對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍，同時(shí)又需要有足夠距離，不會(huì)限制活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)特性。通過(guò)這種傳感器的布置，活塞和第二道壓縮環(huán)之間的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)及活塞環(huán)的變形可確定為第二變形順序。

為了測(cè)量活塞環(huán)區(qū)域的壓力動(dòng)力學(xué)特性，采用壓阻微型壓力傳感器，傳感器集成在外徑各不相同的圓柱形金屬殼體中。從活塞的內(nèi)側(cè)插入鉆孔中，盡可能遠(yuǎn)地通向適合的測(cè)量位置。在必要之處，從外部到測(cè)量位置的壓力供給孔集成在活塞中。為了保證信號(hào)質(zhì)量，最好將壓力傳感器水平對(duì)齊。這些傳感器位于從推力和反推力側(cè)與活塞第二平面呈6°、7°和11°的平面中。傳感器可從推力和反推力側(cè)測(cè)量整個(gè)活塞環(huán)區(qū)域中的壓力。

試驗(yàn)使用K型微型熱電偶作為溫度傳感器，位于活塞內(nèi)部幾個(gè)測(cè)量位置的鉆孔中。測(cè)量位置在活塞頂岸上，第一道和第二道壓縮環(huán)之間的活塞環(huán)岸上及第二道活塞環(huán)和機(jī)油控制環(huán)(推力和反推力側(cè))之間的活塞環(huán)岸上，分別在活塞外表面下1 mm處。利用這些溫度測(cè)量位置，可得出活塞環(huán)區(qū)熱工況的大致情況。此外，這些信號(hào)還可用于補(bǔ)償鄰近壓力和距離傳感器的由熱引起的信號(hào)變化。

對(duì)活塞進(jìn)行高精度機(jī)加工，產(chǎn)生不同傳感器的定位孔之后，這些傳感器安裝在對(duì)應(yīng)的測(cè)量位置上。由于進(jìn)行了機(jī)加工，傳感器的質(zhì)量對(duì)活塞環(huán)的質(zhì)量沒(méi)有明顯影響，因而對(duì)活塞環(huán)動(dòng)態(tài)特性的影響也可忽略不計(jì)。質(zhì)量為2 600 g的活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速6 500 r/min時(shí)加速度非常高，傳感器位置區(qū)域中的高溫達(dá)200 ℃，都要求傳感器的固定高度可靠。為此，使用了特殊的環(huán)氧膠，最大剪切強(qiáng)度約為25 N/mm2，在最大指示溫度下具有足夠的強(qiáng)度。傳感器電線也用這種高品質(zhì)膠固定，避免損壞。圖4所示為活塞上加裝的傳感器、電線導(dǎo)槽，以及借助于特殊膠進(jìn)行的固定。

圖4 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上加裝的傳感器

運(yùn)動(dòng)活塞中傳感器的信號(hào)借助于機(jī)械式輕量化連桿系通過(guò)電線進(jìn)行傳輸。選擇在連桿大頭下部，借助于支架，以及氣缸曲軸箱和油底殼之間的組合式轉(zhuǎn)接器構(gòu)成的連桿系連接。這是為了在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，使連桿系接頭的相對(duì)角最小，以及使經(jīng)由連桿作用于活塞上的力的影響最小。上述測(cè)量連桿系的構(gòu)造如圖5所示?？梢钥闯?，連桿系設(shè)計(jì)用于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的第5個(gè)氣缸上進(jìn)行測(cè)量，并可以在第6個(gè)氣缸上采用該測(cè)量技術(shù)。選擇這些氣缸的原因是出于布置的考慮，但總的來(lái)說(shuō)，如果對(duì)連桿系分別設(shè)計(jì)，該測(cè)量技術(shù)也可以用于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)所有其他的氣缸上。關(guān)于活塞環(huán)動(dòng)力學(xué)特性，并未考慮特定氣缸會(huì)發(fā)生特殊現(xiàn)象。借助于這一信號(hào)傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)具有足夠帶寬的大量信號(hào)的傳輸。它可在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行圖譜上進(jìn)行測(cè)量。在點(diǎn)火運(yùn)行條件下進(jìn)行測(cè)量研究之前，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的所有傳感器必須廣泛標(biāo)定。需要在進(jìn)行測(cè)量之前進(jìn)行標(biāo)定，記錄對(duì)傳感器信號(hào)的干擾交叉影響，并在測(cè)量完成后的信號(hào)評(píng)價(jià)期間補(bǔ)償這些交叉影響。這種復(fù)雜的標(biāo)定確保記錄的測(cè)量值具有最高品質(zhì)和精度。

圖5 連桿系在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置

3 試驗(yàn)臺(tái)架研究的示范結(jié)果

本章給出了對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)的示例及部分概述，可以在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)圖譜中成功記錄所有負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)活塞環(huán)的動(dòng)態(tài)特性，由此得出評(píng)價(jià)結(jié)果。采用這種測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞-活塞環(huán)-氣缸摩擦系統(tǒng)的分析。

圖6給出了發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速3 650 r/min和平均有效壓力(BMEP)0.8 MPa的工作點(diǎn)上，第二道活塞環(huán)上的壓力和軸向動(dòng)力學(xué)特性。

圖6 第二道活塞環(huán)的壓力和軸向動(dòng)力學(xué)特性(轉(zhuǎn)速3 650 r/min，BMEP 0.18 MPa)

在所顯示的工作點(diǎn)上，第一道壓縮環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的整個(gè)高壓區(qū)位于環(huán)槽下側(cè)，因而具有良好的密封性能。如圖6所示，第二道壓縮環(huán)在缸內(nèi)壓力較高時(shí)從活塞環(huán)槽中規(guī)定的位置多次抬起，這種軸向波動(dòng)只有在活塞的推力側(cè)靠近第二道活塞環(huán)的開(kāi)口間隙處才能看見(jiàn)。在反推力側(cè)，軸向運(yùn)動(dòng)原理上具有相似的特性，但由于扭曲角較高，則更為溫和一些。

靠近活塞環(huán)開(kāi)口間隙處的軸向波動(dòng)形成了開(kāi)口截面，使得氣體流從活塞環(huán)上岸穿過(guò)第二道活塞環(huán)，流向第二道和第三道活塞環(huán)之間的活塞環(huán)下岸。第二道活塞環(huán)上方、上止點(diǎn)之后15°CA處的壓降中也可以看到這一點(diǎn)，同時(shí)在活塞環(huán)內(nèi)側(cè)和下側(cè)壓力升高。第二道活塞環(huán)在第二方向上的徑向壓扁加劇了這一壓降，徑向壓扁在軸向波動(dòng)開(kāi)始后立即發(fā)生。徑向壓扁的開(kāi)始與第二方向上從反推力側(cè)朝推力側(cè)發(fā)生的快速活塞運(yùn)動(dòng)同步。這表明，活塞在第二方向上的運(yùn)動(dòng)增大了作用于活塞環(huán)外側(cè)的壓力。

圖7中也顯示了第二道活塞環(huán)的壓力和軸向動(dòng)力學(xué)特性，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min、BMEP 0.09 MPa。

圖7 第二道活塞環(huán)的壓力和軸向動(dòng)力學(xué)特性(轉(zhuǎn)速5 000 r/min，BMEP 0.09 MPa)

第二道活塞環(huán)之上再次出現(xiàn)壓降，并同時(shí)在活塞環(huán)內(nèi)側(cè)和下側(cè)壓力升高，這一次正好出現(xiàn)在上止點(diǎn)處。由于產(chǎn)生壓降時(shí)，活塞環(huán)在上側(cè)的位置比較穩(wěn)定，因此第二道活塞環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)沒(méi)有給出提示。

為了檢查壓降的起因，活塞環(huán)的變形特性也被考慮在內(nèi)。有關(guān)這一點(diǎn)，圖8給出了第二道活塞環(huán)在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間的變形情況?？梢郧宄乜吹剑诘诙暗谌较蛏?，第二道活塞環(huán)在上止點(diǎn)之前大約10°CA處出現(xiàn)徑向壓扁。在第二方向上，活塞環(huán)壓扁大約80 μm，在第三方向上大約40 μm。這使氣體可以從活塞環(huán)上岸穿過(guò)活塞環(huán)外側(cè)，流到活塞環(huán)下岸，帶來(lái)壓力的平衡。這種徑向壓扁是由活塞環(huán)上方區(qū)域和內(nèi)側(cè)區(qū)域之間較高的壓差造成的，這種壓差是由于活塞環(huán)和環(huán)槽上岸之間的持續(xù)接觸引起的。隨著徑向壓扁導(dǎo)致的壓差逐漸降低，以及活塞環(huán)內(nèi)側(cè)的絕對(duì)壓力逐漸增大，恢復(fù)到其起始位置，再次形成正常的密封性能。這再次導(dǎo)致壓差增大，出現(xiàn)第二次徑向壓扁，但幅度明顯較小。總而言之，盡管未能辯識(shí)出對(duì)活塞環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)影響，但在這一工作點(diǎn)上活塞環(huán)出現(xiàn)徑向波動(dòng)。

圖8 第二道活塞環(huán)的相對(duì)變形(轉(zhuǎn)速5 000 r/min，BMEP 0.09 MPa)

活塞環(huán)的這一特性會(huì)導(dǎo)致竄氣量增加。此外，穿過(guò)整個(gè)環(huán)外側(cè)的氣流會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)燃燒痕跡。

被研究的發(fā)動(dòng)機(jī)在最高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下表現(xiàn)出特有的竄氣特性。發(fā)動(dòng)機(jī)在6 500 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，竄氣量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的降低而增加，并在BMEP 0.09 MPa時(shí)達(dá)到最大值。在這一工作點(diǎn)上，盡管氣缸充量非常小，但竄氣量甚至高于氣缸充氣量和缸內(nèi)壓力最高的全負(fù)荷運(yùn)行工況?？紤]到圖9中第一道活塞環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)，其原因就非常明顯了。由于慣性力的作用，在上止點(diǎn)之前大約50°CA處，活塞環(huán)已與上活塞環(huán)槽上岸的穩(wěn)定接觸中。由于缸內(nèi)壓力逐步增大，活塞約在335°CA環(huán)開(kāi)始朝著的活塞環(huán)槽上岸運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致第一道活塞環(huán)和第二道活塞環(huán)之間的活塞環(huán)岸上的壓力快速上升。由于壓力信號(hào)故障，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的某些區(qū)域無(wú)法記錄下來(lái)。第一道活塞環(huán)內(nèi)側(cè)壓力劇增表明這種假設(shè)是成立的。穿過(guò)活塞環(huán)的壓差逐步減小，以及由此產(chǎn)生的慣性力和氣體力之間的平衡導(dǎo)致發(fā)生軸向波動(dòng)，正如在第二道活塞環(huán)上看到的。這種軸向波動(dòng)出現(xiàn)在推力側(cè)和反推力側(cè)。推力側(cè)和反推力側(cè)的振蕩大約有2°CA的相位移。這大大增加了活塞環(huán)的應(yīng)變，由于運(yùn)動(dòng)的偏移，活塞環(huán)產(chǎn)生扭曲。通過(guò)軸向波動(dòng)，活塞環(huán)的密封性大大降低。在膨脹行程終了時(shí)，對(duì)于活塞環(huán)的反向竄氣特性非常不利。當(dāng)活塞環(huán)下方區(qū)域中的氣體流回燃燒室時(shí)，第一道活塞環(huán)的負(fù)壓差會(huì)導(dǎo)致HC增加。此外，活塞環(huán)從一個(gè)環(huán)岸運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)環(huán)岸的次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)岸槽的磨損增大。

圖9 第一道活塞環(huán)的壓力和軸向動(dòng)力學(xué)(轉(zhuǎn)速6 500 r/min，BMEP 0.09 MPa)

第一道活塞環(huán)自身的軸向波動(dòng)并不能解釋竄氣量的異常增大，由于密封性較好的第二道活塞環(huán)應(yīng)該避免整個(gè)活塞環(huán)組件出現(xiàn)這種嚴(yán)重的氣體竄漏。但對(duì)作用于第二道活塞環(huán)的壓力進(jìn)行的評(píng)價(jià)再一次表明，第二道活塞環(huán)下側(cè)和內(nèi)側(cè)出現(xiàn)壓力劇增，盡管活塞環(huán)在環(huán)槽上側(cè)的位置較穩(wěn)定。其原因也可在第二道活塞環(huán)的徑向變形中找到(圖10)。

圖10 第二道活塞環(huán)的相對(duì)變形(轉(zhuǎn)速6 500 r/min，BMEP 0.09 MPa)

在上止點(diǎn)之前約10°CA處，第二道活塞環(huán)的直徑在第二和第三方向上壓扁60～70 μm，這導(dǎo)致發(fā)生徑向波動(dòng)，大量氣流流過(guò)活塞環(huán)外側(cè)面。由于膨脹行程開(kāi)始時(shí)控油環(huán)的密封能力相當(dāng)有限，竄過(guò)第一道活塞環(huán)的大量氣體，繼續(xù)流過(guò)活塞環(huán)組件，流向發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱。

4 總結(jié)

在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上采用這種測(cè)量技術(shù)，可以詳盡分析點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間活塞環(huán)的壓力和運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性。采用特殊的壓力傳感器、軸向和徑向距離傳感器及溫度傳感器，加上通過(guò)連桿系進(jìn)行信號(hào)傳輸，可以在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行圖譜中可靠地確定動(dòng)力學(xué)特性。動(dòng)力學(xué)過(guò)程的激勵(lì)機(jī)制以及發(fā)生的功能紊亂及其成因都可以獲得解釋。借助于這一測(cè)量技術(shù)，可驗(yàn)證活塞環(huán)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中的各種關(guān)聯(lián)性。發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速下竄氣量極劇增長(zhǎng)，甚至超過(guò)了全負(fù)荷的竄氣量，迄今無(wú)法通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法加以解釋。目前，這些現(xiàn)象可以清楚地追溯到第一道壓縮環(huán)的軸向波動(dòng)和第二道壓縮環(huán)的徑向波動(dòng)同步發(fā)生。此外，其他詳細(xì)的過(guò)程，如反向竄氣的增大和相應(yīng)的機(jī)油耗增加，都可以通過(guò)這種特殊的測(cè)量方法進(jìn)行解釋。

5 結(jié)論

對(duì)結(jié)果的分析表明，實(shí)際的仿真模型必須考慮下列邊界條件：(1)點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的實(shí)際氣缸變形；(2)活塞環(huán)旋轉(zhuǎn)及由此引起的活塞環(huán)開(kāi)口位置隨時(shí)間的變化情況；(3)根據(jù)活塞環(huán)幾何結(jié)構(gòu)、出現(xiàn)的氣缸變形和活塞環(huán)開(kāi)口位置所確定的活塞環(huán)在氣缸襯套上的實(shí)際接觸壓力；(4)對(duì)于橫截面不對(duì)稱的活塞環(huán)，活塞環(huán)扭曲沿圓周變化的情況；(5)根據(jù)活塞環(huán)扭曲的情況，活塞環(huán)外表面的徑向接觸；(6)根據(jù)不同的作用力，包括活塞環(huán)的扭曲，活塞環(huán)沿圓周的可變軸向運(yùn)動(dòng)；(7)根據(jù)作用力的不同，活塞環(huán)的徑向變形；(8)根據(jù)可使氣流傳播開(kāi)啟氣體橫截面，調(diào)整整個(gè)活塞環(huán)區(qū)域的壓力動(dòng)態(tài)特性；(9)實(shí)際的活塞橫向運(yùn)動(dòng)(第二和第三方向)，以及由此引起的活塞和活塞環(huán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

上述研究表明，簡(jiǎn)化仿真模型不可接受，如考慮對(duì)稱的半活塞環(huán)、忽略活塞的第三方向運(yùn)動(dòng)、活塞環(huán)旋轉(zhuǎn)，以及控油環(huán)的密封功能，僅考慮氣缸靜態(tài)變形，而無(wú)運(yùn)行影響，以及假定活塞環(huán)圓周與氣缸襯套的穩(wěn)定接觸壓力。

所得到的結(jié)果為驗(yàn)證現(xiàn)有的復(fù)雜仿真模型和運(yùn)用這些模型進(jìn)行活塞環(huán)動(dòng)態(tài)特性分析提供了1個(gè)大數(shù)據(jù)庫(kù)。未來(lái)的目標(biāo)是進(jìn)一步改進(jìn)仿真技術(shù)，更準(zhǔn)確地描述實(shí)際過(guò)程并在開(kāi)發(fā)過(guò)程中運(yùn)用這些方法。這將使得優(yōu)化的活塞環(huán)組件開(kāi)發(fā)更為高效，并降低摩擦力。與優(yōu)化的機(jī)油耗和排放物性能相結(jié)合，進(jìn)而可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

就未來(lái)的測(cè)量研究而言，由于所開(kāi)發(fā)的測(cè)量技術(shù)可以靈活地用于幾個(gè)傳感器的不同組合，是進(jìn)一步研究的理想基礎(chǔ)。例如，為了詳細(xì)分析在活塞環(huán)圓周上的軸向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)在每個(gè)活塞環(huán)上布置2個(gè)以上的傳感器可以測(cè)量活塞環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)。這種測(cè)量技術(shù)還可用于通過(guò)4個(gè)以上的徑向距離傳感器來(lái)測(cè)量刮油環(huán)的軸向運(yùn)動(dòng)、第一道活塞環(huán)的徑向變形，以及對(duì)徑向變形進(jìn)行更高變形階的(如第4階)評(píng)價(jià)。

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黃 磊 譯自 SAE Paper 2015-01-1776

張然治 校

虞 展 編輯

2016-09-13)