前言

随着汽车数量的剧增，交通运输领域的能源消耗已经占据全球能源消耗的28%左右，温室气体排放量占全球总温室气体排放的 27. 6%。

越来越严苛的排放法规限制和不断提高的发动机强化程度，导致缸内机械负荷与热负荷大幅度升高，而缸套在不均匀的机械负荷与热负荷作用下，容易产生失圆变形。

缸套失圆如果超过了活塞环的适应性极限，会使活塞环的弹力分布不均匀，甚至会导致活塞环断裂。

即使不发生断裂，也会造成缸套–活塞环之间间隙过大，影响燃烧室的密封性，从而造成燃气泄漏和发动机功率损失。

缸套失圆过大还会使曲轴箱内机油产生非正常上窜进入燃烧室的现象，这不仅会导致过多的机油消耗，还会加剧颗粒物的排放，而机油在高温下裂解甚至燃烧产生的颗粒物占发动机颗粒排放的40%~70%。

特别是缸套失圆过大会影响活塞环的刮油作用，导致活塞环组和缸套这个摩擦副之间的摩擦磨损加剧。

研究表明：缸套与活塞环组摩擦副损耗占柴油机机械损失的40%以上，该摩擦副的摩擦磨损性能对柴油机的节能降耗具有一定影响。

因此研究缸套失圆特征对活塞–缸套摩擦副性能影响，对改善发动机性能、降低机油消耗和减少颗粒物排放等都具有重要意义。

本文将以某非道路高压共轨柴油机为研究对象，采用仿真和测试相结合的方法，建立了整机耦合装配模型与活塞环组动力学模型，研究了干式缸套的失圆变形，在考虑缸套失圆变形的基础上研究活塞环结构参数对窜气量、机油消耗量和摩擦损失的影响。

模型的建立和验证

研究对象为某非道路高压共轨柴油机，发动机基本参数如表1所示。

使用UG实体建模软件建立了缸套、缸盖螺栓、机体、缸盖和缸垫的三维实体模型，之后对模型进行了装配，并抽取冷却水套的实体模型。

由于装配模型和冷却水套模型的结构复杂，为了节约仿真计算的时间，对模型进行了简化。

如缸套、缸盖水套鼻梁区等结构薄弱的位置，在画网格时进行了适当的细化，然后分别对装配体的实体模型和冷却水套的实体模型进行了网格划分。

装配体的有限元模型如图1（a）所示，水套的有限元模型如图1（b）所示。

各个部件的材料不同，所以其物理参数也不同，详细的材料属性如表2所示。

仿真计算选择标定工况，冷却液入口流量取220L/min，温度取359K，湍动能取1m2/s，出口边界条件采用压力边界条件，压力取0.1MPa。

发动机一个工作循环内燃气的当量平均温度Tgm及当量平均传热系数αgm分别如下式所示。

式中，Tg为燃气的瞬时温度，K；αg为燃气的瞬时传热系数，W/（m2·K）；ϕ为曲轴转角，(°)。

利用BOOST软件仿真计算得到燃气的瞬时温度与瞬时传热系数可以得到不同h对应的平均温度和平均传热系数，如表3所示。

此柴油机的行程为120mm，所以120mm行程以下的缸套部分不与燃气接触，而是主要与油底壳中被甩上来的润滑油及冷却喷嘴喷出的润滑油接触，所以其平均温度取475K，另外，缸套位置下对应的传热系数为215W/（m2·K）。

进行仿真计算时，进气道表面的温度取333K，传热系数取250W/（m2·K），排气道表面的温度取773K，传热系数取350W/（m2·K）。

柴油机外表面的传热系数αae可以采用经验公式得出，如下式所示。

式中，Re为柴油机外表面空气的雷诺数；Pr为空气的普朗特数；λa为空气的传热系数，W/（m2·K）；le为柴油机外表面的特征尺寸。

m；γ为空气运动黏度，m2/s；v为空气流动速度，m/s；α为空气热扩散系数，m2/s，仿真计算时，柴油机外表面的温度取298K，传热系数取50W/（m2·K）。

通过柴油机台架试验测得某缸标定工况下的缸内燃气压力曲线如图2所示。

图2

本研究中的柴油机爆发顺序依次为1缸、3缸、4缸、2缸，根据缸压曲线和爆发顺序可以得到其余3缸的缸内压力随曲轴的变化关系。燃气作用力加载和活塞侧击力的具体值见表4。

表4

通过计算，作用于气缸盖上的气体压力为326852N，该柴油机的缸盖螺栓有6个，因此分别在每个螺栓模型上施加54475N预紧力。

为了更好地模拟实际接触情况，装配体模型总共设置了8对接触对，为了更好地模拟柴油机在实际工作中固定在机架上的状态，在有限元仿真计算分析中对机体底面上的所有节点进行了全约束。

缸套外圆尺寸范围为105.990mm~106.010mm，机体缸孔尺寸范围为105.994mm~106.014mm，缸套失圆变形计算选取机体缸孔与缸套外圆的配合为最大过盈量0.016mm方案。

缸套温度测试试验选择接触式热电偶测温法，由于干式缸套难以布置测点，所以选取同系列湿式缸套柴油机第3缸缸套作为测试对象。

在缸套外表面上的飞轮侧（测点1~测点5）和皮带轮侧（测点6~测点10）轴向位置开槽，测点距离缸套顶面距离分别为11.5mm、24.0mm、38.6mm、69.0mm、115.0mm，如图3（a）所示。

图3

图3

每侧根据测点位置安装热电偶，图3（b）所示为缸套实物加工图。提取缸套对应测点位置下的仿真结果与试验结果进行对比，结果如表5所示。

表5

在距离缸套顶面最近的测点1和测点6由于长时间受到高温燃气的直接作用因而温度较高，随着距离缸套顶面距离的增大，温度有所降低，除测点9的相对误差为11.5%外，其余测点的相对误差均在10%以内，证明了仿真模型的可靠性。

活塞环径向弹力的影响

本次试验研究了活塞环径向弹力对窜气量、机油消耗和摩擦损失的影响，采用顶环径向弹力A、二环径向弹力B、油环径向弹力C作为三因子。

选择正交试验设计建立试验方案进行研究，正交试验的分析方案和结果见表6、表7。

表6

表7

从表6、表7的结果中能看出，方案5的窜气量最小，为13.37L/min；方案9的机油消耗量最小，为3.52g/h；方案1的摩擦损失最小，为0.88kW。

比较各因素的极差可以看出，各因素对窜气量的影响占比从大到小依次为二环径向弹力（41%）、油环径向弹力（39%）、顶环径向弹力（20%）。

各因素对机油耗的影响占比从大到小依次为油环径向弹力（55%）、二环径向弹力（23%）、顶环径向弹力（22%）；各因素对摩擦损失的影响占比从大到小依次为油环径向弹力（62%）、二环径向弹力（25%）、顶环径向弹力（13%）。

图4~图6分别为活塞顶环径向弹力、二环径向弹力、油环径向弹力对发动机性能的影响趋势。

图4

从图4中可以看出窜气量随顶环径向弹力的变化没有明显规律，机油消耗量和摩擦损失随顶环的径向弹力增大而增多。

从图5中可以看出窜气量和机油消耗量随二环径向弹力的变化没有明显规律，但摩擦损失随二环径向弹力增大而加剧。

图5

从图6中可以看出窜气量和机油消耗量随油环径向弹力的变化没有明显规律，摩擦损失随油环径向弹力增大而加剧。

图6

活塞环开口间隙的影响

在考虑缸套失圆变形的基础上，研究分析活塞环顶环开口间隙对窜气量、机油消耗和摩擦损失的影响。

采用顶环顶环开口间隙D、二环顶环开口间隙E和油环顶环开口间隙F作为三因子。采用三因子三水平正交试验进行研究。正交试验的分析方案和结果见表8、表9。

表8

表9

从表8、表9的结果中能看出，方案1的窜气量最小，为12.98L/min；方案2的机油消耗量最小，为3.49g/h；摩擦损失最小为1.03kW。

比较各因素的极差可以看出，各因素对窜气量的影响占比从大到小依次为二环开口间隙（66%）、油环开口间隙（18%）、顶环开口间隙（16%）。

各因素对机油耗的影响占比从大到小依次为二环开口间隙（66%）、油环开口间隙（18%）、顶环开口间隙（16%）；各因素对摩擦损失的影响占比从大到小依次为油环开口间隙（50%）、顶环开口间隙（25%）、二环开口间隙（25%）。

活塞环侧向间隙的影响

在考虑缸套失圆变形的基础上，研究分析活塞环侧向间隙对窜气量、机油消耗和摩擦损失的影响。

采用顶环侧向间隙G、二环侧向间隙H、油环侧向间隙I作为三因子，选择正交试验设计L9（33）建立试验方案进行研究，正交试验的分析方案和结果见表10、表11。

表10

表11

从表10、表11的结果中能看出，方案6的窜气量最小，为14.71L/min；方案2的机油消耗量最小，为5.12g/h；摩擦损失最小为1.03kW。

比较各因素极差可以看出，各因素对窜气量的影响占比从大到小依次为顶环侧向间隙（39%）、油环侧向间隙（34%）、二环侧向间隙（27%）。

各因素对机油耗的影响占比从大到小依次为顶环侧向间隙（78%）、油环侧向间隙（12%）、二环侧向间隙（10%）；各因素对摩擦损失的影响占比从大到小依次为油环侧向间隙（50%）、顶环侧向间隙（25%）、二环侧向间隙（25%）。

图7~图9分别为活塞顶环、二环、油环侧向间隙对发动机性能的影响趋势。

图7

从图7中可以看出窜气量和摩擦损失随顶环侧向间隙的变化没有明显规律，机油消耗量随顶环的侧向间隙增大而增多。

图8

图9

从图22、图23中可以看出窜气量、机油消耗量和摩擦损失随二环、油环侧向间隙的变化皆没有明显规律。

结论

活塞环的径向弹力对窜气量的影响并没有明显的规律可循；机油消耗量随顶环的径向弹力增大而增多；摩擦损失随各个环的径向弹力增大而加剧。

各环径向弹力中对窜气量影响最大的是二环径向弹力，占比41%；顶环径向弹力的影响最小，占比20%。

对机油耗和摩擦损失影响最大的是油环径向弹力，占比分别为55%和62%；顶环径向弹力的影响最小，占比分别为22%和13%。

窜气量随着各环的开口间隙增大而增多，机油消耗量随顶环的开口间隙增大而增多，摩擦损失随各环的开口间隙变化无明显规律。

各环开口间隙中对窜气量和机油消耗量影响最大的是二环开口间隙，占比皆为 66%；顶环开口间隙的影响最小，占比皆为 16%。

对摩擦损失影响最大的是油环开口间隙，占比 50%；顶环开口间隙和二环开口间隙的影响相同，占比均为 25%。