缸套分区差异织构的润滑摩擦和机油消耗协同控制研究

发布时间：2020-05-18 16:49

【摘要】：缸套-活塞环系统的润滑减摩与机油消耗是内燃机节能减排的关键,一方面减小摩擦可以提高发动机的机械效率,另一方面需同时降低机油消耗以减少颗粒物的排放。因此,对缸套-活塞环摩擦副进行低摩擦、低机油耗设计显得尤为重要。随着表界面科学的不断发展,在机械表面利用微纳加工手段加工出规则微观形貌的表面织构技术应运而生,其在内燃机缸套-活塞环摩擦系统中具有巨大的应用潜力。由于缸套-活塞环运行工况的变动,一个工作循环中存在多种润滑状态,因此需考虑不同润滑状态下的润滑减摩需求,本文探讨了在缸套表面不同行程区域差异织构的理论和实验研究。本文基于某四缸汽油机,首先建立了织构化缸套-活塞环润滑摩擦模型和机油消耗模型,研究凹坑织构阵列模式、几何尺度和空间分布对该摩擦副润滑性能和机油消耗性能的影响。理论计算结果表明,与其他凹坑排列方式相比,方形排列的油膜压力峰值较大,且压力分布区域更大且更均匀,具有最佳的润滑摩擦性能,这一结论也得到了发动机倒拖试验的验证;基于此种排列方式,根据协同优化缸套-活塞环的摩擦和机油消耗的设计要求,确定最佳凹坑尺寸为半径25μm、深度8μm、面积占有率5-10%。其次,根据活塞环行程不同位置的不同减摩润滑需求,进行缸套分区织构的理论研究,确定了分区差异织构的设计思路,即在低速高载荷的着火上止点附近,以提高油膜厚度减小微凸体摩擦为设计目标,而在高速低载荷的行程中部区域,则以降低摩擦功耗为设计目标。经研究发现在缸套上止点附近区域内加工面积占有率为10%的微凹坑,而在行程中部区域加工面积占有率为5%的微凹坑,可以获得较好的润滑和减摩效果。再次,利用激光微织构手段加工了不同织构缸套试样,并进行了缸套-活塞环基础摩擦学性能测试,通过快速采样获得循环摩擦力的瞬态变化,试验结果验证了表面织构能够在不同润滑状态之下降低缸套-活塞环副的摩擦力。与机械珩磨缸套相比,全程一致织构缸套流体润滑状态下的平均摩擦系数在不同载荷下分别降低了约18.6-37.6%,而边界和混合润滑状态下的平均摩擦系数在不同载荷下分别降低了约1.8-6.1%。对于分区差异织构缸套,在止点附近加工面积占有率10%的凹坑润滑效果优于面积占有率5%的凹坑方案,验证了模拟计算结果;与珩磨缸套相比,流体润滑状态下的平均摩擦系数在不同载荷下分别降低了约23.5-40.1%,而边界和混合润滑状态下的平均摩擦系数在不同载荷下分别降低了约1.9-5.8%,证明了分区差异织构的可行性和适用性。最后,面向减摩和控油协同优化需求,对缸套表面进行功能化分区,激光加工不同缸套分区织构方案,开展系列发动机台架性能试验验证研究。倒拖试验结果证明在缸套上止点区域加工面积占有率10%凹坑织构,并同时在活塞行程中部加工面积占有率5%凹坑织构的缸套织构方案,能够降低整机摩擦损失,减摩作用与模拟计算结果一致。在此基础上设计的分区差异织构方案(上止点区域加工面积占有率10%的微凹坑,活塞裙部扫过区域加工面积占有率5%的微凹坑),其倒拖扭矩在高低转速范围内均有下降;并且,在发动机大部分试验工况下该织构方案的燃油消耗率也较低,同时整机机油消耗率也得到了有效降低,实现了整机润滑摩擦和机油消耗的协同控制和优化。
【图文】：

样机,实物,汽油机

所建模型基于如图 2.1 所示的某四缸汽油机，其主要性能参数计算在发动机标定工况下进行，利用 MATLAB 软件进行编程和表 2.1 样机结构及性能参数Tab.2.1 Structure and main specifications of prototype engine参数名称/单位参数值汽油机型式直列四缸、4 冲程、水冷进气方式自然吸气压缩比 11:1排量 / L 1.243缸径×行程 / mm 73×74.25连杆长度 / mm 137.65标定功率 / kW 65.5标定转速 / r/min 5000润滑型式飞溅润滑

示意图,缸套,织构,活塞环

微凹坑深度 hp/μm微凹坑面积占有率 Sp5-115-20%珩磨缸套表面均方根粗糙度 /μm 0.6缸套织构前原始表面均方根粗糙度 /μm 0.2气环有效接触长度 /mm气环桶面高度 /μm气环表面均方根粗糙度 /μm气环切向弹力 /N气环面压 /MPa1.030.23.50.1润滑油 100℃下运动粘度/Pa·s 0.01如图 2.2(a)所示，，沿周向将缸套展开成的平面，其中 X、Y 分别表示沿缸套方向和圆周方向；图 2.2(b)为缸套-活塞环配副示意图，其中，h(x,y,t)为摩擦副瞬时油膜厚度，c(t)为最小油膜厚度，U 为缸套和活塞环的相对滑动速度。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK403

【参考文献】