淺談發(fā)動機活塞環(huán)-氣缸表面潤滑狀態(tài)的影響因素＊

孫長勇

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

1 活塞環(huán)—氣缸表面潤滑油膜在運行中的影響

活塞環(huán)是汽車發(fā)動機的核心部件之一， 其工作的好壞直接影響發(fā)動機的運行性能，并且活塞環(huán)又是易損壞的部件。一般活塞環(huán)和氣缸之間的磨損有以下主要特點：活塞環(huán)在氣缸內(nèi)從“0m/s”到“30m/s”左右做往復(fù)上下運動時，速度幅度反復(fù)變化較大；活塞環(huán)在氣缸內(nèi)運行的過程中，工作循環(huán)中的四個行程使氣缸的壓力變化幅度也很大；在工作循環(huán)中的作功行程中，燃油混合氣燃燒作功，發(fā)動機活塞環(huán)是在高溫高壓下進行往復(fù)運動的，氣缸壁上的油膜很難建立，使發(fā)動機活塞環(huán)與氣缸常常處于臨界潤滑狀態(tài)，所以其潤滑程度相對較弱。

2 活塞環(huán)—氣缸潤滑狀態(tài)的研究現(xiàn)狀

2.1 工況參數(shù)對活塞環(huán)—氣缸潤滑狀態(tài)的研究

Harigaya Y 等通過雷諾方程和二維非穩(wěn)態(tài)能量方程，研究了潤滑油溫度和潤滑油粘度對活塞環(huán)—氣缸之間油膜厚度的影響：計算潤滑油膜厚度可以利用潤滑油溫度估算潤滑油的粘度來得到；低溫條件下，潤滑油粘度降低而剪切速度加快，相反的條件下，剪切速度對潤滑油粘度影響不大。AvanEY等對超聲技術(shù)檢測活塞環(huán)—氣缸之間潤滑油膜厚度的研究表明，空穴效應(yīng)較大影響了超聲技術(shù)檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果。朱黃龍等對不同發(fā)動機運行狀況下的潤滑狀態(tài)的研究表明了發(fā)動機在運行中上下止點的油膜厚度最小，但隨著發(fā)動機運行速度的加快而油膜厚度變大。孫軍與熊春華等也分別對潤滑油粘度、潤滑油入口溫度以及摩擦面相對運動速度等參數(shù)進行了潤滑狀態(tài)影響的研究。

2.2 表面形貌對活塞環(huán)—氣缸潤滑狀態(tài)的研究

Ji-Young K 等通過研究活塞環(huán)—氣缸的潤滑狀態(tài)及相對摩擦系數(shù)性能，證明了潤滑狀態(tài)下的摩擦消耗率與發(fā)動機活塞環(huán)的彈力和表面平滑度有很大影響，且發(fā)動機活塞環(huán)的彈力為主要因素。FatjoG A 等利用微型傳感器準確、反復(fù)檢測活塞環(huán)—氣缸之間潤滑油膜的厚度。AiMK A 等通過建立仿真模型對塞環(huán)—氣缸的潤滑狀態(tài)的研究，證明了塞環(huán)—氣缸之間的摩擦力與潤滑狀態(tài)與發(fā)動機潤滑油的粘度、轉(zhuǎn)速有很大關(guān)系。Morris N 等研究表明了發(fā)動機活塞環(huán)結(jié)構(gòu)形式的改變對塞環(huán)—氣缸的潤滑狀態(tài)有很大影響。段京華等研究了塞環(huán)—氣缸表面平滑度與潤滑油的粘性對潤滑狀態(tài)的作用，最后證明油膜的厚度與粘度有很大關(guān)系，但表面平滑度對其作用不大。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對潤滑狀態(tài)的研究

Usman A 等研究發(fā)動機氣缸套結(jié)構(gòu)對活塞環(huán)—氣缸潤滑狀態(tài)的影響，結(jié)果表明發(fā)動機冷態(tài)狀態(tài)下，塞環(huán)—氣缸之間潤滑油膜厚雖然很厚，但是摩擦損耗也很大，同時潤滑油的粘性剪切也起到很大影響。Kirner c 等對缸套活塞環(huán)之間的竄氣和潤滑油流動情況也進行了深入研究。Organisciak n 等研究了活塞環(huán)—缸套之間相互運動之間部件結(jié)構(gòu)形式對發(fā)動機潤滑油膜和壓力分布的影響。周龍等通過活塞環(huán)桶面高度和軸向高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對活塞環(huán)—缸套潤滑狀態(tài)的研究，表明較小的桶面高度可以提高活塞環(huán)—缸套的潤滑狀況。

3 活塞環(huán)—氣缸潤滑狀態(tài)影響因素的分析

3.1 活塞環(huán)在氣缸內(nèi)運動時，與摩擦有關(guān)主要因素所造成的影響

影響活塞環(huán)在氣缸內(nèi)運動摩擦有關(guān)的主要因素是發(fā)動機負荷、潤滑油的粘度以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速。在特定條件下轉(zhuǎn)速、負荷和潤滑油粘度3 個參數(shù)中，固定兩個參數(shù)的值不變，而讓另一個參數(shù)的值變化：當發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加時，油膜變厚，摩擦力亦隨之增大；隨著負荷的增加，油膜變薄，摩擦力增大；在粘度很高時，即使油膜變厚，摩擦力也還是要增大的。

3.2 實際工作情況下的動態(tài)油膜厚度的影響

在實際運行工作中，活塞環(huán)所受的負荷和潤滑油粘度都是隨活塞環(huán)在氣缸中位置而變化的。一般在排氣行程和進氣行程中，活塞環(huán)的背壓力相對較小，活塞環(huán)作用在氣缸壁上的壓力也相對較小，因而發(fā)動機活塞在氣缸壁上運行后形成的油膜厚度較壓縮行程和作功行程時的油膜厚度大。而作功行程和壓縮行程相比，由于作功行程中燃油混合氣燃燒產(chǎn)生較大壓力的高溫高壓氣體作用在活塞和氣缸壁上，導(dǎo)致活塞環(huán)的背壓力較大，同時加上高壓氣體對氣缸壁上油膜的沖刷，使氣缸壁上的油膜厚度小于壓縮行程中的膜厚。通過分析可以得出，油膜厚度達到極小值是在活塞剛過上止點之后，燃氣壓力的最大值發(fā)生在上止點稍后，所以油膜的最薄處也在該處（在2μm 以下），因此活塞環(huán)在上止點位置對應(yīng)的氣缸壁處磨損最大。

3.3 適當提高發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速對發(fā)動機磨損產(chǎn)生的影響

隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，油膜厚度及摩擦力都會相應(yīng)的增大，但其增長率明顯低于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增長率。如果發(fā)動機的轉(zhuǎn)速過高，會使活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦力增大，導(dǎo)致發(fā)動機溫度升高，從而潤滑油的粘性變差，最后造成油膜厚度受到高溫影響而減小，反而增加發(fā)動機的磨損。

4 結(jié)論

從上述國內(nèi)外專家研究的研究現(xiàn)狀來說，活塞環(huán)—氣缸的潤滑狀態(tài)是一個重點，提高潤滑程度降低摩擦力是汽車發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，這樣就可以使內(nèi)燃機在理想的狀態(tài)下工作。通過對發(fā)動機活塞環(huán)-氣缸表面潤滑狀態(tài)的影響因素研究，可以更好的掌握目前的研究方向和領(lǐng)域，為以后的發(fā)動機活塞環(huán)-氣缸表面潤滑狀態(tài)的研究打好堅實的基礎(chǔ)。