翟振東， 張甲英， 王憲成， 和　穆， 姜　力

(1. 裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072;3. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

柴油機(jī)氣缸等效漏氣面積監(jiān)測(cè)模型

翟振東1， 張甲英2， 王憲成3， 和穆3， 姜力3

(1. 裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072;3. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

摘要：針對(duì)缸套-活塞環(huán)組漏氣導(dǎo)致柴油機(jī)工作壽命縮短的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)壓縮行程中活塞環(huán)間氣體壓力與流量進(jìn)行分析，將活塞組三環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單環(huán)漏氣模型，建立了等效漏氣面積的監(jiān)測(cè)模型，并通過(guò)臺(tái)架和實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)模型的穩(wěn)定性和單值性，為柴油機(jī)壽命預(yù)測(cè)提供了一定的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：氣缸； 活塞環(huán)； 等效漏氣面積； 監(jiān)測(cè)模型

柴油機(jī)在變工況條件下工作時(shí)，會(huì)加劇氣缸內(nèi)缸套-活塞環(huán)組的磨損、燒蝕、結(jié)焦，導(dǎo)致活塞環(huán)外周面與氣缸壁之間的間隙增大，造成氣缸嚴(yán)重漏氣。氣缸漏氣會(huì)使柴油機(jī)功率下降、潤(rùn)滑油變質(zhì)、發(fā)生熱負(fù)荷故障和磨損加劇[1]，是造成柴油機(jī)性能下降的主要原因。研究活塞環(huán)間的工作壓力、漏氣通路以及漏氣流量，對(duì)如何有效地防止活塞環(huán)漏氣，進(jìn)而延長(zhǎng)柴油機(jī)壽命，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，大多數(shù)研究者將漏氣面積作為柴油機(jī)工作過(guò)程中的一個(gè)定值進(jìn)行漏氣量計(jì)算[2-3]，然而單純的幾何漏氣面積無(wú)法表明實(shí)際的漏氣狀況[4-5]。筆者綜合考慮氣缸內(nèi)工作環(huán)境，引入氣缸等效漏氣面積的概念[6]，通過(guò)對(duì)活塞環(huán)間壓力和流量的分析，利用氣體流量方程和理想氣體狀態(tài)方程以及質(zhì)量守恒定律，建立了氣缸等效漏氣面積監(jiān)測(cè)模型，并對(duì)模型的穩(wěn)定性和單值性進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1氣缸等效漏氣面積的定義

通過(guò)對(duì)燃燒室技術(shù)狀況分析可知，氣缸漏氣主要包括：活塞環(huán)開(kāi)口處漏氣、活塞環(huán)槽間隙漏氣、活塞環(huán)側(cè)隙漏氣和氣門(mén)漏氣[7]。由于活塞環(huán)開(kāi)口間隙處的漏氣量占總漏氣量的95%以上[8]，因此可對(duì)活塞環(huán)組漏氣模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而提出氣缸等效漏氣面積的概念。氣缸等效漏氣面積是指柴油機(jī)缸內(nèi)所有通道漏氣面積對(duì)應(yīng)的壓縮沖程缸內(nèi)氣體壓力變化量，相當(dāng)于活塞環(huán)開(kāi)口處漏氣面積對(duì)應(yīng)的壓力變化量。將等效漏氣面積作為本體的一個(gè)技術(shù)狀況實(shí)體特征參數(shù)，代表本體氣密性，同時(shí)也代表活塞環(huán)組的磨損。當(dāng)?shù)刃饷娣e增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)氣體壓力下降，缸內(nèi)氣體溫度升高，柴油機(jī)功率下降，起動(dòng)困難。由于柴油機(jī)曲軸箱與外界相通，曲軸箱壓力變化不顯著，曲軸箱壓力可近似看作大氣壓力。因此，缸內(nèi)漏氣的技術(shù)狀況主要監(jiān)測(cè)參數(shù)為缸內(nèi)壓縮壓力。本體等效漏氣面積可表述為

A0=f(p1,φ,T,p0)，

(1)

式中：A0為當(dāng)量漏氣面積,m2；p1為缸內(nèi)氣體壓力,kPa；φ為曲軸轉(zhuǎn)角,°CA；T為缸內(nèi)氣體溫度,K；p0為大氣壓力,kPa。

由式(1)可知：等效漏氣面積的監(jiān)測(cè)參數(shù)除氣缸壓縮壓力外，還包括曲軸轉(zhuǎn)角、缸內(nèi)氣體溫度和燃油消耗量，其中大氣壓力為環(huán)境參數(shù)。

2氣缸等效漏氣面積監(jiān)測(cè)模型建立

2.1活塞環(huán)間氣體流動(dòng)過(guò)程假設(shè)

活塞環(huán)組漏氣途徑主要包括環(huán)與缸套貼合面、環(huán)開(kāi)口間隙處和環(huán)與環(huán)槽側(cè)面，但在正常情況下通過(guò)環(huán)與缸套貼合面的泄漏量很小，因此在計(jì)算中可忽略不計(jì)。圖1為某重型車(chē)輛柴油機(jī)活塞環(huán)組簡(jiǎn)化示意圖。

圖1　某重型車(chē)輛柴油機(jī)活塞環(huán)組簡(jiǎn)化示意圖

圖1中：dmi(i=1,2,3,4)為通過(guò)第i道環(huán)開(kāi)口漏氣質(zhì)量,kg；Vi為第i道環(huán)漏氣面積,m2；p1為缸內(nèi)氣體壓力,Pa；p2為第1道與第2道環(huán)的環(huán)間壓力,Pa；p3為第2道與第3道環(huán)的環(huán)間壓力,Pa；p4為曲軸箱壓力,Pa；Ti為第i道與第i+1道環(huán)的環(huán)間氣體溫度,K。由圖1可以看出：通過(guò)每道活塞環(huán)的氣體都有向上和向下2種流動(dòng)方式，則該活塞環(huán)組共有8種氣體流動(dòng)方式，但由于在壓縮沖程和膨脹沖程中，缸內(nèi)壓力始終大于曲軸箱內(nèi)壓力，因此僅需考慮經(jīng)過(guò)3道活塞環(huán)的氣體均向下流動(dòng)的情況。其假設(shè)為[9-10]：1)燃燒室氣體泄漏為非定常絕熱流動(dòng)，滿足理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量連續(xù)方程；2)忽略氣體泄漏對(duì)燃燒室氣體壓力的影響，并假設(shè)曲軸箱氣體壓力恒為1個(gè)大氣壓；3)活塞環(huán)端面壓力等于活塞環(huán)間壓力，且端面壓處處相等。

2.2活塞環(huán)間氣體壓力與流量分析

根據(jù)氣缸壓力與活塞環(huán)間氣體壓力之間的關(guān)系，建立氣體流量方程[11-12]為

(2)

(3)

(4)

式中：k為燃燒室氣體比熱比；μ為氣體流量系數(shù)；Rg為理想氣體常數(shù),J/(kg·K)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒定理建立2個(gè)活塞環(huán)間組成氣室基本方程，即

(5)

利用龍格-庫(kù)塔法聯(lián)立求解式(2)-(5)，通過(guò)迭代計(jì)算可求得活塞環(huán)間氣體壓力和流量。試驗(yàn)測(cè)取該重型柴油機(jī)標(biāo)定工況下的氣缸壓力，并利用活塞環(huán)組漏氣數(shù)學(xué)模型計(jì)算活塞環(huán)間的壓力和流量，結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可以看出：1)在膨脹沖程的止點(diǎn)附近，第1、2道活塞環(huán)間壓力受缸內(nèi)氣體壓力的影響急劇上升，同時(shí)由于活塞環(huán)開(kāi)口間隙對(duì)氣體的節(jié)流作用，導(dǎo)致壓力上升相對(duì)滯后；2)第2、3道活塞環(huán)間壓力受缸內(nèi)氣體壓力影響較小，壓力變化較平穩(wěn)。由圖2(b)可以看出：1)在壓縮沖程和膨脹沖程中，第1道活塞環(huán)上、下端面的壓力差較大，這導(dǎo)致第1道活塞環(huán)開(kāi)口處流量遠(yuǎn)大于第2、3道活塞環(huán)開(kāi)口處流量；2)在進(jìn)氣沖程和排氣沖程中，各活塞環(huán)上、下端面的壓力差較小，因而其流量很小。

圖2　活塞環(huán)間壓力和流量

分析結(jié)果表明：1)在壓縮行程中(φ=-130～-30 °CA)，進(jìn)、排氣門(mén)關(guān)閉，噴油器未開(kāi)始噴油(供油提前角φ=-29 °CA)，空氣僅從活塞環(huán)開(kāi)口處漏氣；2)第1-3道活塞環(huán)環(huán)間壓力非常接近于大氣壓力，壓縮沖程缸內(nèi)氣體壓力變化主要是受第1道活塞環(huán)(梯形環(huán))開(kāi)口處漏氣面積的影響，因此可將3道活塞環(huán)的漏氣簡(jiǎn)化為梯形環(huán)漏氣，缸內(nèi)氣體通過(guò)第1道活塞環(huán)直接流向大氣。

2.3氣缸等效漏氣面積計(jì)算

依據(jù)活塞環(huán)間壓力與流量分析，可將氣缸經(jīng)活塞環(huán)漏氣方式進(jìn)行簡(jiǎn)化，其示意圖如圖3所示。對(duì)于增壓柴油機(jī)，在壓縮沖程中氣缸壓力始終大于大氣壓力，因此只考慮氣體從氣缸流向大氣一種流動(dòng)方式。

圖3　活塞環(huán)漏氣方式簡(jiǎn)化示意圖

為判斷臨界條件，實(shí)車(chē)測(cè)試了某型柴油機(jī)原位空轉(zhuǎn)600 r/min時(shí)的示功圖，并取壓縮行程始點(diǎn)(φ=-130 °CA時(shí))的氣缸壓力。不同大氣壓力環(huán)境下壓縮行程始點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1不同大氣壓力環(huán)境下壓縮行程始點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

p0/kPap/kPap0/p99.32240.44684.62030.41763.81480.43157.41370.419

由表1可知：p0/p均小于0.528。而0.528正是判斷氣體流動(dòng)狀態(tài)的臨界值[13]。由于壓縮行程的氣缸壓力隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高，且壓縮行程缸壓均大于壓縮始點(diǎn)缸壓，即該型柴油機(jī)在壓縮行程中p0/p始終小于臨界值0.528，因此可認(rèn)為活塞環(huán)處氣體均為超臨界流動(dòng)。由超臨界氣體流量方程可得

(6)

在曲軸轉(zhuǎn)角dφ內(nèi)，對(duì)氣缸氣體應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程可得

(7)

聯(lián)立式(6)-(7)可得等效漏氣面積公式為

(8)

式中：φ=-130～-30 °CA。用差商代替微商，由式(8)可得氣缸等效漏氣面積的數(shù)值計(jì)算式為

(9)

該型柴油機(jī)的新品第1道活塞環(huán)在缸套內(nèi)的開(kāi)口面積為0.32～0.43 mm2[14]，而柴油機(jī)大修時(shí)其值不大于0.79 mm2。因此，確定氣缸等效漏氣面積的取值范圍為0.32～0.79 mm2。

2.4模型監(jiān)測(cè)參數(shù)確定

由式(9)可知:等效漏氣面積與缸內(nèi)氣體的壓力和溫度有關(guān)。缸內(nèi)氣體壓力可通過(guò)缸壓傳感器進(jìn)行測(cè)量，而缸內(nèi)氣體溫度無(wú)法通過(guò)傳感器直接測(cè)量，需要對(duì)缸內(nèi)氣體溫度的確定方法進(jìn)行探討。

以φ=-130 °CA時(shí)氣缸工質(zhì)狀態(tài)為邊界條件，假設(shè)氣缸壓力不隨等效漏氣面積的變化而變化，通過(guò)改變等效漏氣面積來(lái)計(jì)算氣缸工質(zhì)溫度。柴油機(jī)原位空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、φ=-30 ℃A時(shí)，氣缸工質(zhì)溫度隨等效漏氣面積的變化曲線如圖4所示。可以看出：當(dāng)?shù)刃饷娣e從0 mm2變化到2 mm2時(shí)，氣缸工質(zhì)溫度相差3.72 K，增加了0.52%，即等效漏氣面積對(duì)氣缸工質(zhì)溫度影響較小。因此，可認(rèn)為在相同工況下，φ=-130～-30 °CA時(shí)氣缸工質(zhì)溫度不隨等效漏氣面積的變化而變化。

因此，采用柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值仿真模型，計(jì)算柴油機(jī)實(shí)車(chē)原位空轉(zhuǎn)條件下的氣缸工質(zhì)溫度，輸入?yún)?shù)為大氣壓力、環(huán)境溫度和轉(zhuǎn)速。模擬原位空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，φ=-31， -30 °CA時(shí)氣缸工質(zhì)溫度的仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4　φ=-30 °CA氣缸工質(zhì)溫度隨等效漏氣面積變化曲線

圖5　原位空轉(zhuǎn)2 000 r/min時(shí)氣缸工質(zhì)溫度

3試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的穩(wěn)定性，筆者引入變異系數(shù)的概念。變異系數(shù)是指標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，與方差、標(biāo)準(zhǔn)差均是衡量數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計(jì)量。由于變異系數(shù)消除了單位、平均值的不同對(duì)在不同樣本之間進(jìn)行離散程度比較的影響，因此它更適用于描述數(shù)據(jù)的離散程度。對(duì)于同一臺(tái)柴油機(jī)、同一使用時(shí)間、不同工況下的監(jiān)測(cè)結(jié)果，其變異系數(shù)越小，則表明監(jiān)測(cè)模型穩(wěn)定性越好。

3.1臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

分別對(duì)使用10 、97摩托小時(shí)的臺(tái)架柴油機(jī)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)條件為：原地空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 400、1 800、2 000 r/min，環(huán)境溫度為19 ℃，大氣壓力為60.7 kPa。臺(tái)架柴油機(jī)缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

由表2可知：當(dāng)柴油機(jī)使用10摩托小時(shí)時(shí)，等效漏氣面積平均值為0.395 5 mm2，變異系數(shù)為1.01%；當(dāng)柴油機(jī)使用97摩托小時(shí)時(shí)，等效漏氣面積平均值為0.425 9 mm2，變異系數(shù)為1.51%。變異系數(shù)較小，表明缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)模型具有穩(wěn)定性；等效漏氣面積的平均值隨著摩托小時(shí)的增加而增大，則表明模型具有單值性。

表2　臺(tái)架柴油機(jī)缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2不同海拔地區(qū)的實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1北京某地區(qū)

在北京某地區(qū)，分別對(duì)使用64、107摩托小時(shí)的實(shí)車(chē)柴油機(jī)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)條件為：原地空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 600、1 800、2 000 r/min，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度分別為18、28 ℃， 大氣壓力分別為86.6、88.9 kPa。北京某地區(qū)實(shí)車(chē)柴油機(jī)缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3　北京某地區(qū)實(shí)車(chē)柴油機(jī)缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表3可知：當(dāng)柴油機(jī)使用64摩托小時(shí)時(shí)，等效漏氣面積平均值為0.365 3 mm2，變異系數(shù)為1.87%；當(dāng)柴油機(jī)使用107摩托小時(shí)時(shí)，等效漏氣面積平均值為0.420 5 mm2，變異系數(shù)為0.97%。

3.2.2西藏某地區(qū)

在西藏某地區(qū)，分別對(duì)使用41、102、167摩托小時(shí)的實(shí)車(chē)柴油機(jī)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)條件為：原地空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 200、1 600、2 000 r/min，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為22.3 ℃，大氣壓力為63.4 kPa。西藏某地區(qū)實(shí)車(chē)柴油機(jī)缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4　西藏某地區(qū)實(shí)車(chē)柴油機(jī)缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表4可知：當(dāng)柴油機(jī)使用41摩托小時(shí)時(shí)，等效漏氣面積平均值為0.349 0 mm2，變異系數(shù)為0.94%；當(dāng)柴油機(jī)使用102摩托小時(shí)時(shí)，等效漏氣面積平均值為0.409 3 mm2，變異系數(shù)為1.80%；當(dāng)柴油機(jī)使用167摩托小時(shí)時(shí)，等效漏氣面積平均值為0.516 7 mm2，變異系數(shù)為1.23%。

以上2地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明：缸內(nèi)漏氣監(jiān)測(cè)模型具有穩(wěn)定性；且隨著時(shí)間的增加，等效漏氣面積平均值增大，說(shuō)明模型具有單值性。

4結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析活塞環(huán)環(huán)間氣體壓力和流量，將活塞環(huán)組簡(jiǎn)化為單環(huán)漏氣模型，應(yīng)用氣體流量方程和理想氣體狀態(tài)方程建立了氣缸等效漏氣面積監(jiān)測(cè)模型。通過(guò)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)和不同海拔地區(qū)的實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果分析可知：等效漏氣面積的變異系數(shù)均控制在較小范圍內(nèi)，表明模型具有穩(wěn)定性；且隨著使用時(shí)間的增加，等效漏氣面積的平均值增大，表明模型具有單值性。同時(shí)，實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果還表明：該模型既適用于平原，也適用于高原。模型的運(yùn)用對(duì)及時(shí)了解缸內(nèi)漏氣狀況、合理安排缸套-活塞環(huán)維修周期具有一定的參考意義，能夠有效預(yù)防因缸內(nèi)漏氣而導(dǎo)致的柴油機(jī)性能下降現(xiàn)象的發(fā)生。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Equivalent Leakage Area Monitoring Model of Diesel Engine Cylinder

ZHAI Zhen-dong1, ZHANG Jia-ying2, WANG Xian-cheng3, HE Mu3, JIANG Li3

(1. Department of Equipment Maintenance Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;3. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：For the problem that the diesel engine’s working life is shorted by the leakage of cylinder liner-piston ring, this paper analyses the gas-pressure and gas-flow rate of the compression stroke of the piston ring, and establishes the equivalent leakage area monitoring model by simplifying the three-ring system of piston group into a single flat model. The single value and stability of the model are verified by the gantry and real vehicle tests, providing a certain technical support for the life prediction of diesel engine.

Key words:cylinder; piston ring; equivalent leakage area; monitoring model

文章編號(hào)：1672-1497(2016)01-0039-05

收稿日期：2015-11-30

基金項(xiàng)目：軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：翟振東(1991-)，男，碩士研究生。

中圖分類號(hào)：TK428

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.008