許歡平
(馬勒技術(shù)投資(中國(guó))有限公司,上海 201401)
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降低摩擦功耗的汽油機(jī)活塞組件優(yōu)化設(shè)計(jì)
許歡平
(馬勒技術(shù)投資(中國(guó))有限公司,上海 201401)
摘 要:本文著重探討在降低摩擦功耗提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面,馬勒公司在汽油機(jī)活塞組件(分別從活塞、活塞環(huán)組和活塞銷(xiāo))上提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,在理論分析和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的共同支撐下,完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)降低摩擦功耗提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面的升級(jí)換代工作,從而保證該款發(fā)動(dòng)機(jī)滿足客戶新一階段燃油耗要求,延長(zhǎng)該發(fā)動(dòng)機(jī)的生命周期。
關(guān)鍵詞:降低摩擦 活塞 活塞環(huán) 活塞銷(xiāo) PVD DLC
降低摩擦一直是動(dòng)力總成設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)。但是,近些年來(lái)隨著全球二氧化碳排放法規(guī)的逐漸升級(jí),這項(xiàng)任務(wù)變得越來(lái)越緊迫。在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中,摩擦損失與轉(zhuǎn)速的平方成正比。這是發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商(OEM)在不斷降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的原因之一[1]。本文作者從工程實(shí)際案例中獲得的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)進(jìn)行探討,以期能給同行帶來(lái)一些改進(jìn)方向和啟示。
在給國(guó)內(nèi)一家知名的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商(OEM)開(kāi)發(fā)一款1.6L VVT自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞組件的過(guò)程中,面臨著從國(guó)IV(百公里7.0L綜合工況油耗)升級(jí)到國(guó)V(百公里6.3L綜合工況油耗)提供最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案以滿足客戶降低燃油耗的要求。針對(duì)活塞組件,客戶要求至少達(dá)到1%燃油耗的降低來(lái)配合整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)獲得10%燃油耗降低的目標(biāo)。下面將針對(duì)活塞組件各個(gè)零件——活塞、活塞環(huán)以及活塞銷(xiāo)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。
發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功耗占據(jù)著約1/3的乘用車(chē)燃油耗及二氧化碳排放[2,3]。預(yù)計(jì)該摩擦功耗損失在今后的5-10年內(nèi)可以減小20%,長(zhǎng)期甚至到60%[3]。尤其在低速低負(fù)荷工況,即城市工況下。例如,NEDC循環(huán)下運(yùn)行時(shí),摩擦功耗對(duì)燃油耗的貢獻(xiàn)尤為顯著[4]。而活塞和活塞環(huán)約占發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功耗的50%[2]。因此,大量的研究和開(kāi)發(fā)工作投入其中,以降低其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦損失。
馬勒公司也對(duì)活塞組件進(jìn)行了大量研究,并識(shí)別出哪些零部件的參數(shù)對(duì)降低摩擦功耗有顯著效果,如圖1所示。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)需求及活塞組件降低摩擦功耗總覽圖
接下來(lái),探究各個(gè)零部件參數(shù)對(duì)摩擦功耗影響的程度。在表2、表3和表4中,字母VH、H、M、L分別代表相應(yīng)參數(shù)對(duì)摩擦功耗結(jié)果的影響:非常高、高、中等、低。這里,只考慮該參數(shù)對(duì)零部件本身的影響程度,而不考慮該零部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功耗影響的高低[5,6]。比如,活塞銷(xiāo)涂層對(duì)銷(xiāo)而言影響程度非常高,即使假定在該應(yīng)用中活塞銷(xiāo)對(duì)摩擦功耗沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。當(dāng)然,不同的運(yùn)行工況也會(huì)有不同的影響程度。
表1 活塞
表2 活塞銷(xiāo)
表3 活塞環(huán)
基于上述研究工作,對(duì)該款1.6L VVT自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞組件進(jìn)行了如下圖2所示的技術(shù)方案優(yōu)化。
圖2 此前批產(chǎn)的基準(zhǔn)活塞組件和馬勒低摩擦活塞組件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
活塞方面,從原來(lái)的箱式結(jié)構(gòu)改為馬勒輕量化Ecoform設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)。在不改變壓縮高的情況下,將重量由原來(lái)的295g降低至275g(-6.8%)。同時(shí),調(diào)整活塞和缸孔之間的配缸間隙,從55μm增大到74μm。由于配缸間隙的增大會(huì)帶來(lái)NVH方面的負(fù)面影響,于是在發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)中增加了NVH試驗(yàn)來(lái)保證設(shè)計(jì)的可靠性。裙部涂層則從原來(lái)的普通石墨印刷改為馬勒低摩擦EvoGlide涂層,同時(shí)增加了抗拉缸性能;裙部粗糙度也從RS12降低至RS7,從而進(jìn)一步降低摩擦損失。
圖3 馬勒輕量化Ecoform結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活塞銷(xiāo)方面,將原來(lái)的無(wú)涂層活塞銷(xiāo)改成低摩擦系數(shù)的DLC涂層的活塞銷(xiāo)(圖4左側(cè)),同時(shí)增加了銷(xiāo)和銷(xiāo)孔之間的抗拉傷性能。
圖4 DLC涂層活塞銷(xiāo)與無(wú)涂層活塞銷(xiāo)
活塞環(huán)方面,將原來(lái)的環(huán)組高度(1.2/1.5/2.5mm)改為(1.0/1.2/2.0mm),從而大大減小了活塞環(huán)橫截面尺寸,達(dá)到降低摩擦面積和降低活塞環(huán)彈力的雙重優(yōu)勢(shì)。整個(gè)環(huán)組彈力從原來(lái)的52.6N降低至優(yōu)化后的28.2N(-46.4%),減小近一半的彈力。究其原因,這得益于馬勒新一代開(kāi)發(fā)的輪廓優(yōu)化的X-Taper兩片式油環(huán)(見(jiàn)圖5)。上壓縮環(huán)涂層由原來(lái)的陶瓷復(fù)合鉻改為PVD涂層,降低摩擦系數(shù)的同時(shí)增加了活塞環(huán)表面的抗磨損性能,提升了活塞環(huán)的耐久性能;控油環(huán)涂層由原來(lái)的普通鍍鉻改為PVD涂層,降低摩擦系數(shù)的同時(shí)增加了控油環(huán)表面的抗磨損性能,為控油環(huán)保持設(shè)計(jì)輪廓的耐久性提供了非常有利的條件。
圖5 馬勒輪廓優(yōu)化的X-Taper PVD兩片式油環(huán)
與此同時(shí),該發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商采納馬勒的建議,改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的絎磨參數(shù),減小了缸孔表面粗糙度,與馬勒低摩擦活塞環(huán)組形成良好的配合。
鑒于上述優(yōu)化方案,以馬勒的專家工具[7,8]在低負(fù)荷下進(jìn)行估算預(yù)計(jì),可以使燃油耗降低4.0%。
對(duì)上述優(yōu)化后的方案,雖然從理論分析上看,很好闡述了該方案的有效性,但最終還需要發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。在該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中,為了驗(yàn)證優(yōu)化后活塞組件設(shè)計(jì)降低摩擦功耗的有效性,項(xiàng)目組專門(mén)制定臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證計(jì)劃,用摩擦功耗試驗(yàn)最終完成對(duì)該方案的驗(yàn)證。
試驗(yàn)條件:發(fā)動(dòng)機(jī)在最小的干擾下用逐步拆解的方式來(lái)評(píng)估各個(gè)零件的摩擦損失;只測(cè)量旋轉(zhuǎn)副零件——曲軸/連桿/活塞氣體壓力和流量控制完全按照整機(jī)中測(cè)量的數(shù)據(jù)油溫控制在20℃/35℃/50℃/80℃/110℃;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在“750≥3000r/m,在20℃和35℃下”“750≥6250r/m,在50℃、80℃和110℃下”。
試驗(yàn)結(jié)果,見(jiàn)圖6所示。
圖6 摩擦功耗試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
馬勒低摩擦汽油機(jī)活塞組件設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,可以帶來(lái)約4%左右的燃油耗降低(取決于基準(zhǔn)設(shè)計(jì))。此收益可以通過(guò)活塞組件摩擦功耗對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,并最終在發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)試驗(yàn)中獲得印證。該發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商最終配合VVT技術(shù)、Start/Stop啟停技術(shù)等同步升級(jí),滿足了國(guó)V目標(biāo)(百公里6.3L綜合工況油耗)。此設(shè)計(jì)方案優(yōu)化可以推廣至其他各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商的降低燃油耗項(xiàng)目中,為我國(guó)汽車(chē)行業(yè)滿足下一代燃油耗法規(guī)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
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Powercell Solutions for Gasoline Engine Fuel Consumption Reduction
XU Huanping
(MAHLE Technologies Holding (China) Co., Ltd.,Shanghai 201401)
Abstract:This paper is mainly focus on MAHLE powercell optimized solutions for gas oline engine fuel cons umption reduction. From piston, piston pin and piston ring pack parameters optimization through the theoretical analysis, the author makes low friction proposal design of the powercell and verified in the engine test, and help OEM to upgrade its engine platform to fulfi ll the next generati on of fuel consumption requirement and extent the engine platform lifetime.
Key words:Reduce friction, Piston, Piston Ring, Piston pin, PVD, DLC