錢德猛　李　波　昂金鳳（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心　安徽　合肥　230022）

某汽油發(fā)動機機油消耗和活塞竄氣量的模擬分析及試驗研究

錢德猛李波昂金鳳（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心安徽合肥230022）

摘要：基于動力學(xué)分析方法建立某汽油發(fā)動機缸體-活塞-活塞環(huán)的詳細分析模型，獲得額定工況下的機油消耗量及竄氣量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系?；钊麆恿W(xué)分析、可靠性試驗及活塞竄氣量試驗結(jié)果表明：計算得到的機油消耗量略高于試驗值，竄氣量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系與試驗結(jié)果趨勢一致，缸體-活塞-活塞環(huán)動力學(xué)分析模型能夠有效實現(xiàn)對發(fā)動機機油消耗量及竄氣量的預(yù)測。

關(guān)鍵詞：機油消耗量活塞竄氣量可靠性試驗活塞竄氣量試驗

引言

隨著排放法規(guī)要求的日益嚴格，發(fā)動機排放指標與運行經(jīng)濟性已經(jīng)成為提升產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵指標。

發(fā)動機缸內(nèi)機油消耗量占總機油消耗量的90%以上，因此降低缸內(nèi)機油消耗量是降低發(fā)動機機油消耗量的重要手段[1]。竄氣量直接影響發(fā)動機的功率輸出，且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，竄氣量對發(fā)動機功率的影響更加明顯。

無論是機油消耗量分析還是竄氣量分析，二者均與活塞、活塞環(huán)在缸套內(nèi)的運動情況、活塞、缸套的熱態(tài)型線密切相關(guān)。在一款汽油發(fā)動機開發(fā)過程中，基于原有設(shè)計的基礎(chǔ)上對活塞頂部結(jié)構(gòu)及壓縮比進行調(diào)整，活塞環(huán)槽也有所變化。為了充分考慮活塞、活塞環(huán)在氣缸內(nèi)的運動情況，建立活塞、活塞環(huán)、缸套、連桿、曲柄銷等模型，完成機油消耗量分析、竄氣量分析。

1　機油消耗及活塞竄氣基本原理

1.1機油消耗形式及基本原理

研究表明，活塞環(huán)組機油消耗主要有三種途徑，主要包括缸套表面蒸發(fā)；環(huán)頂部累積機油在慣性力作用下進入燃燒室；通過環(huán)端開口間隙進入燃燒室。

1）缸套表面蒸發(fā)

發(fā)動機工作過程中，缸套表面分布有一層油膜，由于缸內(nèi)氣體紊亂流動和缸內(nèi)高溫燃氣，導(dǎo)致油膜從缸套表面蒸發(fā)，或參與燃燒或被廢氣帶走。通過質(zhì)量擴散過程可以對缸套表面蒸發(fā)的機油進行描述，機油蒸發(fā)速率與溫度、壓力、燃氣溫度密切相關(guān)，蒸發(fā)速率公式如下所示[2]。

其中：m.為蒸發(fā)速率；β為擴散系數(shù)；Rfilm、Tfilm為蒸發(fā)層氣體常數(shù)、蒸發(fā)層溫度；Pfilm為蒸發(fā)層壓力；P為環(huán)境壓力。

2）環(huán)頂部累積機油在慣性力作用下進入燃燒室

活塞運動過程中，火力岸附著大量機油，在壓縮沖程換向時，部分機油被甩進燃燒室。活塞加速度的變化和累積在活塞頭部的機油體積是影響環(huán)頂部機油進入燃燒室的主導(dǎo)因素。

火力岸上的機油主要分為兩個部分：活塞環(huán)刮油后剩余機油；通過環(huán)組泵油進入第一環(huán)岸的機油。

3）通過環(huán)端開口間隙進入燃燒室

當燃燒室壓力小于頂環(huán)環(huán)槽壓力時，機油通過頂環(huán)開口間隙進入燃燒室。一環(huán)上下容積腔的壓力差和開口間隙變化是引起頂環(huán)竄油的主要因素，具體計算公式如下。

其中：m.為環(huán)端開口機油竄出速率；f為比例常數(shù)；a為環(huán)后實際面積；ρ為機油密度；η為機油動力學(xué)粘度；b為環(huán)工作面寬度；P1/2為環(huán)內(nèi)腔氣體壓力；Pc為燃燒室氣體壓力。

圖1 氣體流動模型示意圖

1.2活塞竄氣基本原理

活塞竄氣量計算是將整個環(huán)組、活塞、缸套視為由節(jié)流閥連接的容積系統(tǒng)（見圖1），氣體被間隔為等容積腔，缸套與活塞環(huán)之間狹窄的節(jié)流通道連接各個容積腔，各容積腔之間進行氣體質(zhì)量交換，流動過程近似絕熱過程，氣體質(zhì)量流量的計算如下。

其中：m.為氣體質(zhì)量流量變化率；A、ψ為節(jié)流閥的流通面積、氣體流動系數(shù)；R、k為氣體常數(shù)、絕熱指數(shù)；Tc、pc為腔內(nèi)氣體溫度、壓力；p0為燃燒室內(nèi)壓力。

2　機油消耗量及活塞竄氣量計算與分析

2.1分析模型建立

活塞動力學(xué)分析模型包括：活塞、缸套、兩個氣環(huán)、一個油環(huán)、活塞銷，具體模型如圖2所示。

圖2　活塞動力學(xué)分析模型

2.2活塞邊界條件確定

活塞型線是活塞動力學(xué)計算的關(guān)鍵輸入，活塞型線分為兩個部分：熱態(tài)型線及冷態(tài)型線。熱態(tài)型線是指活塞各個位置溫度不同造成的活塞變形，冷態(tài)型線是活塞加工型線。其中熱態(tài)型線的數(shù)值遠大于冷態(tài)型線，因此獲得較為準確的活塞熱態(tài)型線對于活塞動力學(xué)計算至關(guān)重要。

一般情況下，活塞熱態(tài)型線通過活塞溫度場計算獲得，為了確保溫度場計算的準確性，需要用活塞溫度場試驗來修正溫度場計算結(jié)果，以獲得活塞各個位置下較為準確的溫度分布[3]。

活塞溫度場計算結(jié)果如表1所示。

表1　活塞溫度場計算結(jié)果

活塞表面溫度的測量為仿真計算提供了一個可靠的邊界條件，通過發(fā)動機活塞的溫度測量和計算相結(jié)合，將使計算結(jié)果變得更加合理。

本文在活塞表面溫度測量的基礎(chǔ)上，進行了活塞溫度場的有限元分析[4]，并對分析結(jié)果進行了修正，保證了分析結(jié)果的準確性，活塞溫度場測量結(jié)果如圖3所示。

圖3活塞溫度場測量結(jié)果

2.3缸套輸入邊界條件

缸體溫度場分析與螺栓預(yù)緊力分析的目的是為了獲得缸套熱態(tài)及冷態(tài)型線，缸體溫度場計算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，四個缸缸孔在主推力側(cè)與副推力側(cè)的溫度分布沒有明顯對稱性，而分析軟件針對0~180°的缸孔范圍進行計算，另外一般通過對稱獲得，因此缸套的熱態(tài)型線只取主推力側(cè)-后端-副推力側(cè)。

缸體各個角度下的冷態(tài)型線如圖5所示，缸體的冷態(tài)型線必須與熱態(tài)型線取對應(yīng)的接觸面。

圖4　缸體溫度場計算結(jié)果

3　分析與試驗對比

3.1機油消耗量計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果對比

機油蒸發(fā)、機油在慣性力作用下進入燃燒室、環(huán)端竄油為主要的三種機油消耗方式，機油消耗計算后，可以獲得三種機油消耗方式隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的曲線，取三條曲線的數(shù)學(xué)平均值，將其相加，獲得發(fā)動機機油消耗量的計算結(jié)果。在1000 r/min~4850 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，機油消耗計算結(jié)果見表2，4850 r/min下的機油消耗量為52.99 g/h。表2中的機油消耗量為新開發(fā)機型的預(yù)測值，后期將根據(jù)開發(fā)試驗的測量值進行標定。

機油消耗量測量試驗在可靠性臺架上進行，試驗過程中每40 h需要更換機油，確保機油的運動粘度、燃油稀釋百分比、閉口閃點等關(guān)鍵性能指標滿足國標限值的要求[5]。熱沖擊試驗的機油消耗量相比其他試驗測試值大，用熱沖擊試驗值標定模型，能夠充分考慮到發(fā)動機機油消耗最大工況。經(jīng)過350 h熱沖擊試驗后，4850 r/min下的機油消耗量為48.9 g/h。

機油消耗量計算得到在全速全負荷工況下的機油消耗量大于試驗測量結(jié)果，通過原因分析發(fā)現(xiàn)，計算中使用的接觸表面粗糙度值來源設(shè)計圖紙，而試驗過程中磨合運行后的表面粗糙度遠遠小于設(shè)計值，因此造成計算機油消耗量大于測量結(jié)果。

圖5　缸體各個角度下的冷熱態(tài)型線

表2　各個轉(zhuǎn)速下機油消耗量計算結(jié)果

3.2竄氣量計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果對比

竄氣量計算與活塞熱態(tài)型線[6]、缸套熱態(tài)型線、活塞環(huán)在活塞內(nèi)的運動情況、活塞環(huán)與缸套之間間隙等情況相關(guān)。計算獲得各個轉(zhuǎn)速下的竄氣量，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機竄氣量不斷增加，在2000 r/min附近達到最大值42.42 L/min，然后不斷降低，在4000 r/min附近達到另一個峰值，其值為40.3L/min。

200 h竄氣量測量結(jié)果顯示，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2000 r/min達到38.1 L/min的峰值，然后不斷降低，在4000 r/min附近達到39.5 L/min的另一個峰值。

竄氣量的測量與試驗結(jié)果如圖6所示，從計算與測量結(jié)果可以看出，竄氣量的計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比趨勢一致，在全速全負荷工況下，計算得到的竄氣量為37 L/min，測量值為38.5 L/min，誤差在可接受范圍內(nèi)。

圖6　竄氣量計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果

4　結(jié)論

1）在計算轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，活塞-活塞環(huán)-連桿系統(tǒng)的機油消耗量計算結(jié)果略大于350 h的熱沖擊試驗結(jié)果。

2）在計算轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，活塞-活塞環(huán)-連桿系統(tǒng)的竄氣量計算結(jié)果與200 h試驗結(jié)果趨勢一致，全速全負荷工況下的誤差在可接受范圍內(nèi)。

3）計算與試驗結(jié)果的對比表明，機油消耗量和竄氣量分析能夠有效實現(xiàn)對發(fā)動機機油消耗量及竄氣量的預(yù)測。

參考文獻

1張文利，王世利，王云霞，等.基于降低機油耗的活塞仿真優(yōu)化與實驗驗證[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011（1）：34-36

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6趙偉，蘇鐵雄.活塞裙部型線研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（6）：21-23

中圖分類號：TK418.9

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0067-04

收稿日期：（2015-06-01）

作者簡介：錢德猛（1976-），男，博士，高級工程師，主要研究方向為整車及發(fā)動機CAE。

The Simulation and Test Validation of Lube Oil Consumption and Blow-by of Gasoline Engine

Qian Dem eng,Li Bo,Ang Jin feng
The Centerof Technology,Anhui JianghuaiAutomobile Co.,Ltd.(Hefei,Anhui,230022,China)

Abstract：In order to establish the ability to predict the value ofoil consumption and blow-by,the blockpiston-piston ringsmodelwas set up based on the dynamic analysismethods.The relationship with lube consumption，blow by and speed were attained.The results of the dynamic analysis,the reliability test, blow-by testshowed that the calculation of lube consumptionwasslighthigher than the testvalue,the same variation trends of blow-by were similar between the computation and test.The analysismodel of blockpiston-piston ringswould complete the prediction of lube consumption and blow-by.

Keywords：Lubeoilconsumption,Piston blow-by,Reliability test,Blow-by testofpiston