王建波1，尹小燕2

（1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430056；2.武漢梟龍汽車(chē)技術(shù)有限公司研發(fā)中心，湖北武漢 430056）

活塞組件應(yīng)用減摩技術(shù)后的油耗收益分析

王建波1，尹小燕2

（1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430056；2.武漢梟龍汽車(chē)技術(shù)有限公司研發(fā)中心，湖北武漢 430056）

對(duì)活塞組件應(yīng)用新的涂層、調(diào)整配缸間隙等減摩技術(shù)，以減少其摩擦功消耗，并通過(guò)倒拖法試驗(yàn)和理論計(jì)算，得到應(yīng)用減摩技術(shù)后的新活塞組件在機(jī)械摩擦扭矩上的收益；利用AVL的BOOST軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行仿真模擬校核后，將新、舊活塞組件不同的機(jī)械摩擦扭矩?cái)?shù)據(jù)代入BOOST模型中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果，評(píng)估該減摩技術(shù)帶來(lái)的油耗收益。

汽車(chē)；活塞組件；摩擦損失；BOOST；油耗

競(jìng)爭(zhēng)加劇和油耗法規(guī)的嚴(yán)苛無(wú)可避免，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)必須不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)以降低車(chē)輛燃料消耗。某款1.6L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞組件上應(yīng)用新的減摩技術(shù)，通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦消耗來(lái)提高燃油經(jīng)濟(jì)性。該文以一自然吸氣四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，評(píng)估摩擦力減少轉(zhuǎn)化為油耗收益的途徑，為油耗測(cè)算提供參考依據(jù)。

1　活塞減摩技術(shù)方案

選取一款四沖程、水冷、直列四缸、雙頂置凸輪軸自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，排量為1.587L，最大凈功率84kW，最大扭矩為150N·m，壓縮比ε為11。該發(fā)動(dòng)機(jī)所用活塞的氣缸直徑為78.5mm，活塞行程為78.5mm，連桿中心矩為133.5mm，最大爆發(fā)壓力為8.8MPa。

為了減少摩擦功消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，在現(xiàn)有活塞組件上應(yīng)用以下減摩技術(shù)：活塞裙部涂層粗糙度由RS12更改為RS8；活塞裙部采用新的石墨涂層EvoGlide-20（馬勒公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）；半浮式活塞銷(xiāo)增加DLC涂層；活塞配缸間隙由50μm調(diào)整到70μm。新涂層和摩擦系數(shù)降低可直接減少摩擦副摩擦力，從而降低摩擦功消耗。配缸間隙加大可使活塞裙部的摩擦功耗減少，但會(huì)使活塞上端的二階位移量增加，導(dǎo)致活塞碰壁，不利于活塞平穩(wěn)工作。因此，間隙的增加必須在合理范圍內(nèi)。根據(jù)該活塞高度、裙部長(zhǎng)度和裙部形狀等結(jié)構(gòu)特征核算，70μm配缸間隙適用于該活塞。

2　機(jī)械摩擦損失收益計(jì)算

對(duì)自然吸氣四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，活塞與活塞環(huán)的摩擦損失占整個(gè)機(jī)械摩擦損失功的45%～65%。倒拖法是測(cè)量功率不高、自然吸氣汽油機(jī)摩擦損失的常用方法，從倒拖法獲得的扭矩試驗(yàn)值包括機(jī)械摩擦損失Pm和泵氣損失Pb，其值是兩部分損失之和。通過(guò)計(jì)算機(jī)械摩擦損失，結(jié)合倒拖試驗(yàn)值，得到泵氣損失，進(jìn)而得到機(jī)械摩擦和泵氣損失在倒拖測(cè)試中的配比關(guān)系。需說(shuō)明的是，在倒拖測(cè)試中泵氣損失不同于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火狀態(tài)下熱工質(zhì)的泵氣損失，熱工質(zhì)的高溫高壓氣體的泵氣損失大于不點(diǎn)火狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。

2.1新舊活塞組件倒拖法臺(tái)架測(cè)試

倒拖法試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)與電力測(cè)功設(shè)備相連。通過(guò)電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖，得到各工況下的機(jī)械損失扭矩。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用減摩技術(shù)降低摩擦系數(shù)和調(diào)整配缸間隙，并未對(duì)泵氣損失產(chǎn)生影響，故新（采用減摩技術(shù)）、舊不同活塞在同一臺(tái)樣機(jī)上進(jìn)行倒拖扭矩測(cè)試，扭矩測(cè)量結(jié)果差異可視為新、舊活塞組的摩擦扭矩差異。

考慮到活塞在拆裝過(guò)程中形成的裝配差異，采用A—B—A的方式即裝新活塞組件—裝舊活塞組件—裝新活塞組件的發(fā)動(dòng)機(jī)輪換進(jìn)行，以減少裝配過(guò)程差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

倒拖法測(cè)試的主要測(cè)試條件：1）發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)附件面輪系需要安裝，但壓縮機(jī)不工作，發(fā)電機(jī)不輸出電壓。2）機(jī)油的加注量。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油最大加注量（機(jī)油標(biāo)尺上限時(shí)），瀝油后再測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)最小加油量（機(jī)油標(biāo)尺下限時(shí)），將油瀝完后，在試驗(yàn)開(kāi)始前加注機(jī)油量為最大量和最小量的平均值。加注中國(guó)石油化工集團(tuán)公司的0W30牌號(hào)機(jī)油。3）熱機(jī)磨合。采用同一特定的點(diǎn)火熱機(jī)磨合程序，使水溫和油溫到達(dá)預(yù)定溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)潤(rùn)滑充分。4）節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為100%。

考慮到環(huán)境參數(shù)（如機(jī)油的溫度）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較大，以機(jī)油溫度80和110℃為例，新活塞組件相比原活塞組的扭矩測(cè)試收益見(jiàn)表1。

表1　新活塞組的扭矩收益

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，應(yīng)用了減摩技術(shù)的活塞組件的扭矩收益率在中低速時(shí)明顯，隨著轉(zhuǎn)速的升高，超過(guò)5000r/min時(shí)，扭矩收益急劇減少，轉(zhuǎn)速達(dá)到6000r/min時(shí)已非常微小。這是因?yàn)楹罄m(xù)轉(zhuǎn)速的提高，整個(gè)機(jī)械摩擦損失和泵氣損失提升扭矩速度較快，使這小部分的扭矩收益變得非常微小，甚至出現(xiàn)負(fù)值。

2.2機(jī)械摩擦損失

倒拖臺(tái)架測(cè)量包含泵氣損失，需借助計(jì)算來(lái)確認(rèn)摩擦損失、泵氣損失在倒拖扭矩中的配比關(guān)系，滿(mǎn)足后續(xù)BOOST仿真計(jì)算的需要。

摩擦損失可通過(guò)計(jì)算得到，倒拖臺(tái)架試驗(yàn)得到的扭矩值減去機(jī)械摩擦扭矩即為泵氣損失。摩擦損失的計(jì)算模型有Chen-Flynn和ModifiedHonda模型等，其中ModifiedHonda模型的計(jì)算公式為：

F=（2.5×10-8×n2+1×10-4×n+1.1）×

式中：F為摩擦損失；n為轉(zhuǎn)速；S為行程；Dc為當(dāng)量曲軸直徑；B為缸徑；Dm為主軸承直徑；Nm為主軸承數(shù)量；Dr為連桿大頭軸承直徑；Nr為連桿大頭軸承個(gè)數(shù)。

摩擦損失對(duì)應(yīng)的摩擦扭矩T為：

T=318.3×Pmm×VS×i/τ（3）式中：Pmm為機(jī)械摩擦損失平均缸壓；VS為單缸工作容積；i為缸數(shù)；τ為沖程數(shù)。

葉年業(yè)博士的研究模型中結(jié)合5W30機(jī)油95℃參數(shù)條件計(jì)算泵氣損失，而這里選用的發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是0W30牌號(hào)機(jī)油，機(jī)油粘度特征會(huì)有差異。根據(jù)油品供應(yīng)商提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)，比較兩種牌號(hào)機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度，選擇機(jī)油溫度為80℃的倒拖測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入。收集該機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，代入公式中，得到整個(gè)轉(zhuǎn)速下摩擦損失計(jì)算值，根據(jù)摩擦損失計(jì)算值得到泵氣損失（見(jiàn)表2）。

表2　倒拖法中摩擦損失和泵氣損失占比關(guān)系及摩擦損失收益

從表2可以看出：低轉(zhuǎn)速下理論計(jì)算和倒拖法測(cè)試結(jié)果非常吻合，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于4200r/min時(shí)，其誤差保持在5%以?xún)?nèi)。低轉(zhuǎn)速下，機(jī)械損失測(cè)量值略低于計(jì)算值，因?yàn)槲袋c(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖摩擦損失比點(diǎn)火高壓的熱工質(zhì)作用在活塞連桿機(jī)構(gòu)上的摩擦損失小。高轉(zhuǎn)速下，泵氣損失加劇，上升趨勢(shì)明顯，這部分損失包含在倒拖法的實(shí)際測(cè)量值里，導(dǎo)致機(jī)械損失測(cè)量值比模型計(jì)算值上升得快，這與文獻(xiàn)［2］、［3］的理論解釋一致。

3　BOOST模型計(jì)算

3.1建立模型

BOOST是一款建立發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷能浖筛鶕?jù)熱力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)等理論將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)描述。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所運(yùn)行的邊界條件，選取合理的初始值，收集發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)參數(shù)和各元件信息，其中重要零部件和標(biāo)定數(shù)據(jù)（如氣門(mén)升程、點(diǎn)火提前角、正時(shí)可變相位VVT）需要精確數(shù)值，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型才有代表性。在AVLBOOST中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型見(jiàn)圖1。

圖1　在BOOST軟件中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型

模型反應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征一致。模型共由70個(gè)元素構(gòu)成，分別為：2個(gè)系統(tǒng)邊界（SB1、SB2）；4個(gè)氣缸（C1～C4）；1個(gè)空氣凈化器（CL1）；1個(gè)催化轉(zhuǎn)化器（CAT1）；4個(gè)噴油嘴（I1～I(xiàn)4）；5個(gè)限流閥（R1～R5）；2個(gè)容積腔（PL1、PL2）；4個(gè)測(cè)量點(diǎn)（MP1～MP4）；38個(gè)連接管道（1～38）；9個(gè)連接點(diǎn)（J1～J9）。

仿真模型參數(shù)選取對(duì)計(jì)算結(jié)果有影響，需運(yùn)用該發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校核，并調(diào)整參數(shù)。仿真用發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)（如缸壓、功率、扭矩、燃油消耗等）與該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)際測(cè)量值吻合后，該模型即可用于后續(xù)仿真計(jì)算。

3.2BOOST模型仿真計(jì)算

在BOOST發(fā)動(dòng)機(jī)模型中，平均有效制動(dòng)壓力（BMEP）等于平均有效壓力（IMEP）減去機(jī)械摩擦損失平均壓力（FMEP），BMEP反映了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有效功所消耗的平均缸壓，IMEP則反映了燃燒室平均指示缸壓，F(xiàn)MEP是機(jī)械摩擦損失消耗的平均缸壓即Pmm。將新、舊活塞組件的FMEP數(shù)值分別代入BOOST發(fā)動(dòng)機(jī)模型中，以25%和全負(fù)荷工況為例，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出：全負(fù)荷時(shí)，750～6000r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，新活塞組件的油耗收益為0～2.08%，在5000r/min工況附近時(shí)油耗收益達(dá)峰值2.08%；發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低時(shí)，新活塞組件的油耗收益更高，在25%負(fù)荷下，整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間油耗收益為0～8.9%。

圖2　全負(fù)荷和25%負(fù)荷工況下新、舊活塞燃料消耗曲線(xiàn)

同時(shí)，校核發(fā)動(dòng)機(jī)的其他性能數(shù)據(jù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩變化等），變化均比較微小，由于篇幅有限，在此不全部列舉。

4　結(jié)語(yǔ)

將應(yīng)用上述減摩技術(shù)的活塞組件應(yīng)用于某款轎車(chē)（該車(chē)空載質(zhì)量1289kg，搭載五速手動(dòng)變速箱），按照乘用車(chē)燃料消耗測(cè)量法規(guī)要求，在NEDC油耗試驗(yàn)中節(jié)約0.26L/（100km）燃油，與BOOST模型的模擬計(jì)算結(jié)果相吻合。

為更全面地評(píng)估實(shí)施減摩技術(shù)的活塞組件在相應(yīng)工況下的油耗收益，可考慮更多常用工況參數(shù)，如進(jìn)氣溫度、水溫、機(jī)油溫度、各種負(fù)荷等。

［1］ 王慶生，劉焜.內(nèi)燃機(jī)活塞二階運(yùn)動(dòng)建模與參數(shù)設(shè)計(jì)仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23（5）.

［2］ 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009. ［3］ 倪計(jì)民.汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)原理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

［4］ 葉年業(yè)，穆建華，黃忠文，等.自然吸氣汽油機(jī)摩擦功對(duì)比試驗(yàn)研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013（2）.

［5］ 武彬，寧李譜，孟祥慧，等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部-缸套系統(tǒng)摩擦學(xué)仿真分析和減摩設(shè)計(jì)［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（6）.

［6］ 張子慶，吳超勝，李霖.評(píng)估關(guān)鍵零件摩擦損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗影響的方法研究［J］.上海汽車(chē)，2014（4）.

［7］ 杜家益，袁銀南，孫平，等.車(chē)用柴油機(jī)機(jī)械損失功率分配［J］.汽車(chē)工程，2002，24（6）.

［8］ 張鳳.簡(jiǎn)析曲軸偏置式462Q發(fā)動(dòng)機(jī)活塞組減摩措施［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2014（18）.

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1671-2668（2016）04-0015-03

2016-03-11