郭強

(上汽集團股份有限公司技術中心，上海 201206)

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缸孔表面技術與活塞及環(huán)的匹配性研究

郭強

(上汽集團股份有限公司技術中心，上海 201206)

摘要：以某款鑄造鋁合金鑲嵌鑄鐵缸套的缸體和活塞環(huán)組為研究對象，采用了試驗對比分析方法，通過不同的缸孔表面技術和不同技術狀態(tài)活塞環(huán)組的匹配對比試驗，研究缸孔表面技術和活塞環(huán)組的匹配對發(fā)動機摩擦、油耗等性能的影響。通過對比試驗得出：優(yōu)化缸孔網(wǎng)紋參數(shù)(尤其羅傘珩磨工藝)匹配合適的活塞環(huán)組，可以減小發(fā)動機摩擦，降低發(fā)動機油耗。

關鍵詞：缸孔表面技術；匹配試驗；發(fā)動機油耗

0引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的節(jié)能環(huán)保意識不斷加強，對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性要求也越來越高。為了提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，最有效常用的方式就是降低發(fā)動機的摩擦損失。在發(fā)動機部分負荷條件下，缸孔和活塞環(huán)組的匹配對降低總機械摩擦的貢獻率高達25%，因此，對發(fā)動機缸孔表面處理技術與活塞環(huán)組的匹配性研究提出了新的挑戰(zhàn)[1]。

研究了先進的缸孔等離子噴涂技術和優(yōu)化的缸孔珩磨工藝對發(fā)動機活塞摩擦副的影響，通過試驗對比不同匹配方案對發(fā)動機的摩擦功和燃油消耗的影響，分析兩種先進的缸孔表面技術方案對發(fā)動機燃油消耗的影響[2]。

1研究流程

為了提高試驗效率，保證數(shù)據(jù)的準確性，特制定以下研究流程：

(1)制作樣件(按照第2.2和2.3節(jié)中的參數(shù)制作缸體和活塞環(huán)組樣件)；

(2)制定試驗矩陣；

(3)按照試驗矩陣進行試驗；

(4)獲得試驗數(shù)據(jù)；

(5)分析試驗數(shù)據(jù)；

(6)總結結論。

2試驗對象

2.1發(fā)動機主要參數(shù)

試驗發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動機主要參數(shù)

2.23個試驗缸體樣件主要參數(shù)

評價缸體的主要參數(shù)如下：

Ra表示輪廓的平均算術偏差；

Rz表示不平度平均高度；

Rpk表示簡約峰高；

Rk表示核心粗糙度深度；

Rvk表示簡約谷深；

Mr1/Mr2表示輪廓支撐長度率；

Mr1代表在中心輪廓(ABBott曲線)以上的輪廓支撐長度率;

Mr2代表在中心輪廓(ABBott曲線)以下的輪廓支撐長度率。

制作的3個缸體主要參數(shù)如下：

(1)試驗樣件A1(標準樣件)的珩磨參數(shù)如表2所示。

表2　試驗樣件A1主要參數(shù)表

(2)試驗樣件A2(螺傘滑動珩磨)的珩磨參數(shù)如表3所示。

表3　試驗樣件A2的主要參數(shù)匯總

(3)試驗樣件A3(等離子噴涂)的珩磨參數(shù)[3]如表4所示。

表4　試驗樣件A3的主要參數(shù)匯總

2.3試驗活塞環(huán)組的技術狀態(tài)簡介

活塞環(huán)主要有兩種狀態(tài)，其具體信息如下：

活塞環(huán)組樣件B1狀態(tài)為標準活塞環(huán)組；

活塞環(huán)組樣件B2狀態(tài)為優(yōu)化后的活塞環(huán)組(KS帶減摩涂層的活塞+ATG活塞環(huán))。

3試驗方案、條件和方法

3.1試驗方案

對搭載3種狀態(tài)缸體的發(fā)動機進行摩擦功和有效燃油消耗率試驗。

試驗矩陣見表5。

表5　DOE試驗組合

按照以上試驗矩陣，完成6組試驗，每組試驗分別進行摩擦功試驗和燃油消耗率試驗。

3.2試驗條件

試驗環(huán)境：標準大氣壓，標準試驗溫度25 ℃。

試驗邊界: 無MBS/無MVP/發(fā)電機無負載。

機油類型: Castrol Edge-SAE 05W30。

對試驗矩陣中的試驗按照SAIC 標準進行。

4試驗數(shù)據(jù)

文中主要涉及的專業(yè)術語如表6所示。

表6　文中涉及的主要專業(yè)術語匯總

(1)試驗組1——缸體A+活塞組B1

為了驗證優(yōu)化方案的效果，也需要在統(tǒng)一條件下對標準方案采集BSFC和FMEP的數(shù)據(jù)，供與優(yōu)化方案進行對比。

(2)試驗組2——缸體A1+活塞環(huán)組B2

(3)試驗組3——缸體A2+活塞環(huán)組B1

(4)試驗組4——缸體A2+活塞環(huán)組B2

(5)試驗組5——缸體A3+活塞環(huán)組B1

(6)試驗組6——缸體A3+活塞環(huán)組B2

（5）加強對操作人員的培訓，養(yǎng)成良好的駕駛習慣，了解柴油機在猛踩油門、缺機油、缺冷卻液的情況下運行，對機體的危害性極大。

實驗結果如圖1—6所示。

圖1　試驗組合1的BSFC和FMEP數(shù)值

圖2　試驗組合2的BSFC和FMEP數(shù)值

圖3　試驗組合3的BSFC和FMEP數(shù)值

圖4　試驗組合4的BSFC和FMEP數(shù)值

圖5　試驗組合5的BSFC和FMEP數(shù)值

5試驗數(shù)據(jù)分析

發(fā)動機機械摩擦損失大小最終通過BSFC和FMEP來反映，所以缸孔網(wǎng)紋和活塞環(huán)的優(yōu)化效果也是通過這兩個參數(shù)反映。

5.1優(yōu)化零件對BSFC影響

文中所采用的方法是提取特定工況點，通過BSFC百分比來衡量優(yōu)化措施的效果。其計算公式如下：

(1)

式中：ΔBSFC為優(yōu)化組合后對BSFC改善百分數(shù)；

aTDS2_BSFC為優(yōu)化方案的BSFC試驗結果；

aTDS1_BSFC為標準方案的BSFC試驗結果。 根據(jù)公式(1)，得出試驗組合2相對于標準組合對BSFC影響，如圖7所示。

圖7　試驗組合2相對于標準組合對BSFC的影響

經(jīng)過計算，得到MAP中個點的平均BSFC%Δ為-0.86%；最大BSFC%Δ為0.19%；最小BSFC%Δ為-1.83%，其中負值表示改善。

以此類推，得出了6組試驗對BSFC的影響數(shù)據(jù)，如表7所示。

表7　6組試驗對BSFC的影響效果

5.2優(yōu)化零件對FMEP的影響

文中所采用的方法是提取特定工況點，通過BSFC百分比來衡量優(yōu)化措施的效果。其計算公式如下：

(2)

式中：ΔFMEP為優(yōu)化方案和基本方案之間平均有效壓力的差值；

bTDS1_MF為標準方案的小時功率的燃油消耗率；

bTDS2_MF為優(yōu)化方案的小時功率的燃油消耗率。

根據(jù)公式(2)，得出試驗組合2相對于標準組合對FMEP影響，如圖8所示。

圖8　試驗組合2相對于標準組合對FMEP的影響

曲軸轉(zhuǎn)角在90°時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 250～4 000 r/min范圍內(nèi)，F(xiàn)MEP變化按照計算公式計算為-7.3 kPa，其中負值表示改善。

以此類推，得出了6組試驗對FMEP的影響數(shù)據(jù)，如表8所示。

表8　優(yōu)化零件對FMEP的影響

整理試驗數(shù)據(jù)，只有粗糙度和油膜厚度達到一種平衡狀態(tài)，摩擦因數(shù)才最小。螺傘珩磨缸孔不僅兼有低粗糙度和良好的油膜，最終反映到較低的BSFC和FMEP。

6結論

通過文中研究，只有缸孔的粗糙度和油膜厚度相匹配，才能獲得較低摩擦因數(shù)和良好燃油經(jīng)濟性。通過實踐，發(fā)現(xiàn)羅傘珩磨工藝可以使缸孔達到此要求，實現(xiàn)發(fā)動機缸孔低摩擦要求[2]。

參考文獻:

【1】錢人一.轎車發(fā)動機機體的輕量化技術[J].汽車工藝與材料，2006(6)：1-4.

【2】張然治.道依茨發(fā)動機通過螺旋滑動珩磨降低磨損和機油消耗[J].車用發(fā)動機，2009(2)：5.

【3】BARBEZAT G.Material for the Plasma Spraying of Lightweight Engine Block Cylinder Bores[C]//Surface Modification Technologies XVIII,ASM International,2006：19-22.

Research on the Matching between the Surface of Cylinder Bore and Piston and Ring

GUO Qiang

(Technical Center,SAIC Group Co., Ltd., Shanghai 201206，China)

Abstract:The matching between the surface of cylinder bore and piston and ring was researched, taking a casting aluminum alloy cylinder block inserted iron liner as the research object, through the test and comparison analysis, to study the effect of different cylinder bore surface technologies and different technical conditions of piston and ring matching on the performance of the engine friction and fuel consumption. According to the contrast test, the result is that through optimization of cylinder bore reticulate parameters and matching the right piston and ring can reduce engine friction and fuel consumption of the engine.

Keywords:Cylinder bore surface technology；Matching experiment; Fuel consumption of engine

收稿日期：2015-10-15

作者簡介：郭強(1978—)，男，工程師，主要從事乘用車發(fā)動機機體研發(fā)設計工作。E-mail:guoqiang01@saicmotor.com。

中圖分類號:TN249

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)01-007-05