郝志勇，丁加岑，朱君亮，曹向陽

(1.浙江大學 能源工程學系，浙江，杭州 310027； 2.萬向錢潮傳動軸有限公司，浙江，杭州 311215)

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活塞環(huán)開口位置對竄氣特性影響的研究

郝志勇1，丁加岑1，朱君亮1，曹向陽2

(1.浙江大學 能源工程學系，浙江，杭州 310027； 2.萬向錢潮傳動軸有限公司，浙江，杭州 311215)

在不改變活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，為尋求降低活塞環(huán)組竄氣量的優(yōu)化方法，建立某柴油機活塞環(huán)組竄氣特性模型，計算在1 800 r/min全負荷工況下的竄氣量.結(jié)合正交設計，在竄氣特性模型中對活塞環(huán)組開口位置進行優(yōu)化布置，并分別從活塞環(huán)開口、環(huán)槽與工作表面三條竄氣途徑對優(yōu)化結(jié)果進行對比分析.優(yōu)化方案將原方案的竄氣量降低了10.3%，進一步分析表明環(huán)岸壓力導致的油環(huán)震顫是原方案竄氣量較高的主要原因.環(huán)岸壓力對三條竄氣途徑的氣體流量均有較大影響.通過調(diào)整環(huán)組開口位置合理分配環(huán)岸壓力能有效降低竄氣量，通過調(diào)整油環(huán)狀態(tài)對壓力的影響間接影響活塞環(huán)組的竄氣特性.

柴油機；活塞環(huán)組；竄氣量；正交設計；環(huán)岸壓力

活塞環(huán)是發(fā)動機活塞組部件中重要的組成部分，活塞環(huán)是否工作正常對活塞連桿組的工作乃至發(fā)動機整機的運行都會有較大的影響.活塞環(huán)分為兩種：氣環(huán)與油環(huán)，氣環(huán)主要作用是密封燃燒室中的燃氣，防止竄氣的發(fā)生；油環(huán)的任務是刮下多余機油，使缸套形成均勻油膜，防止機油進入燃燒室，油環(huán)同樣也起到一定的密封任務，環(huán)組的良好匹配能夠保證活塞組的工作狀態(tài)最佳.

活塞環(huán)的密封作用與活塞環(huán)組的竄氣特性密切相關.竄氣主要是指燃氣通過活塞組泄露到曲軸箱中，竄氣特性是發(fā)動機性能的一個重要性能指標.竄氣量增大會導致發(fā)動機動力性下降、潤滑油變質(zhì).因此，活塞環(huán)組竄氣特性將會對發(fā)動機的性能及壽命造成重要的影響.

Furuhama S與Tada T對活塞環(huán)竄氣進行了初步研究[1-2].早期研究以計算與試驗為主，近年來通過仿真研究活塞環(huán)組特性成為研究的主流.麻省理工的Tian T[3]和他的研究小組對活塞環(huán)組的動力學，竄氣特性以及環(huán)的扭曲進行了建模.Wannatong K等[4]通過計算機編程建立了活塞環(huán)組動力學的數(shù)值模型，計算得到活塞環(huán)組的運動特性.Kurbet S N與Kumar R K[5]建立了活塞的有限元模型，結(jié)合竄氣理論計算了發(fā)動機第3、4缸的活塞竄氣特性，并進行試驗驗證.Grzegorz Koszalka[6]建立了活塞環(huán)組竄氣仿真模型，分析了不同轉(zhuǎn)速下第一、第二道氣環(huán)的活塞環(huán)-缸套間隙，活塞環(huán)-環(huán)槽側(cè)隙對竄氣量的影響.Malagi R R[7]使用有限元模型分析了4缸柴油機的活塞環(huán)側(cè)隙與活塞環(huán)開口竄氣情況，并且進行了試驗對比.Thomas Hellwig，Martin Knoerr和Georg Wachtmeister[8]對某款奧迪V6直噴發(fā)動機的活塞環(huán)組進行了map圖法的優(yōu)化，主要優(yōu)化參數(shù)為活塞環(huán)徑向厚度、環(huán)高、環(huán)斷面倒角、開口間隙大小，環(huán)槽高度以及環(huán)岸直徑，平衡了竄氣、潤滑與機油消耗的指標.Vikas Kumar Agarwal和Ajay Paul J[9]通過優(yōu)化活塞環(huán)預扭角、二環(huán)環(huán)岸間隙、二環(huán)開口間隙、環(huán)開口間隙與環(huán)開口倒角等因素對活塞環(huán)組的竄氣量進行優(yōu)化.Mahesh Puthiya Veettil和Fanghui Shi[10]使用流體動力學詳細分析了活塞環(huán)在環(huán)槽中的上下位置對竄氣量的影響，并且考慮了環(huán)開口位置對竄氣量的影響，但是只考慮了氣環(huán)與油環(huán)相隔180°和位于一個角度兩種情況.

文中使用AVL公司設計開發(fā)的專用于研究活塞及其環(huán)組動力學的軟件平臺，在活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，優(yōu)化安裝時各環(huán)開口位置也是優(yōu)化竄氣特性的一個重要途徑.

1.1.2 排除標準為具有以下任意一項者:①患有梗阻性疾病;②急性腹瀉患者;③其他短期內(nèi)會改變排便情況的疾病;④精神障礙者;⑤不愿參加本次研究。

1 活塞環(huán)組竄氣特性分析模型

基于AVL Piston&Rings軟件平臺建立某4沖程柴油機活塞環(huán)組動力學模型，并結(jié)合正交設計對如何合理安排氣環(huán)、油環(huán)的開口位置以降低竄氣量進行研究，并分析其竄氣特性.

1.1 發(fā)動機缸壓曲線

邊界潤滑和混合潤滑采用Greenwood和Tripp粗糙接觸模型為

圖6為方案15與優(yōu)化方案的總竄氣量，圖7為兩種方案分別通過3種竄氣途徑的竄氣量.竄氣發(fā)生的主要時間段在曲軸轉(zhuǎn)角0～90°的區(qū)間，即做功行程.

3.5 加大民族地區(qū)文化工作人員培訓力度。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)要在謀劃綜合文化站的選址建設、項目爭取的同時，與文化、人事部門協(xié)調(diào)，通過考核、調(diào)配，確定文化專干人選，進而推薦培訓，使其盡快將文化站的工作拿在手上，建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)文化項目、藝人、村文化室情況數(shù)據(jù)庫。文化館、圖書館、博物館要拿出鄉(xiāng)鎮(zhèn)文化站專干、民間藝人、村文化室管理人員的培訓規(guī)劃，完成鄉(xiāng)鎮(zhèn)文化工作的各項培訓任務。

1.2 環(huán)組受力模型

活塞環(huán)阻受力模型如圖2所示.

在活塞環(huán)的工作表面存在多種潤滑狀態(tài)，建立活塞環(huán)組動力學及竄氣特性模型中需要對其定義.

① 只考慮活塞推力與副推力側(cè)組成的平面受力，活塞環(huán)近似為質(zhì)心.

② 忽略油膜厚度變化產(chǎn)生的力.

動力學計算分活塞環(huán)與環(huán)槽接觸和活塞環(huán)浮于環(huán)槽中兩種情況.

活塞環(huán)徑向受力：活塞環(huán)張力Fresid，氣體力Fgas，rad，環(huán)與環(huán)槽摩擦力Ffric，rad，F(xiàn)hydr，rad.

1.3 氣體流動模型

活塞環(huán)、缸套與活塞環(huán)岸組成的迷宮式系統(tǒng)，如圖3所示.模型等效為圖4的串聯(lián)節(jié)流系統(tǒng).

在圖4左圖中依據(jù)圖3迷宮式系統(tǒng)的空間與流動特點將空間分隔成7個等容積腔，由節(jié)流通道連接并進行氣體交換，氣體交換等效圖如圖4(b)所示.假定V7與曲軸箱壓力相等，氣體流動過程為準靜態(tài)氣體交換過程，服從理想氣體方程.

1.4 潤滑模型

動力學模型基于以下假設

不同潤滑模型將會對活塞環(huán)組的運動及竄氣特性造成影響，目前普遍采用的是完全液體潤滑、邊界潤滑和混合潤滑模型.

完全液體潤滑采取雷諾方程

(1)

對比圖7中兩種方案，開口間隙竄氣量區(qū)別非常大，不同條件為3環(huán)開口位置，優(yōu)化方案開口竄氣量大幅增加，與總竄氣量變化趨勢相反.

在教學手段上，建議以多媒體教學為主，根據(jù)需要對部分公式推導和例題結(jié)合板書進行教學，多媒體教學和板書的比例是6:4。具體來講，利用PPT展示每堂課的主要內(nèi)容和主體框架，利用圖片展示工程案例的復雜結(jié)構(gòu)，利用多媒體中的動畫展示構(gòu)件復雜的運動形式，這樣操作避免過多描述性語言或畫圖等占用寶貴的課堂時間，也使學生更容易理解所講結(jié)構(gòu)或內(nèi)容。對例題或者重要的推導過程，可以采用板書講解，讓學生跟著教師一步一步遞推。這個與教師共同推演的過程，也是學生不斷思考、記憶的過程，將加深學生對所學知識的印象。通過這樣的方式，可以將有限的課堂時間高效率利用。

發(fā)動機為某4缸4沖程柴油機，缸徑93 mm，沖程102 mm，分析工況為1 800 r/min全負荷工況，缸壓曲線如圖1所示.

圖8為兩種方案2、3環(huán)的環(huán)岸壓力，兩種方案2環(huán)的環(huán)岸壓力基本相同，但是3環(huán)的環(huán)岸壓力出現(xiàn)較大區(qū)別.

(2)

(3)

式中：σs為峰值粗糙度標準偏差；β為峰值粗糙度半徑；η為粗糙度密度；hs為兩接觸面之間名義間隙；ν1和ν2分別為活塞環(huán)泊松比和缸套材料的泊松比；E1和E2分別為活塞環(huán)楊氏模量和缸套材料的楊氏模量.

1.5 環(huán)組型線

圖5為活塞環(huán)組的輪廓及工作表面型線，其中1、2環(huán)為氣環(huán)，3環(huán)為油環(huán).1環(huán)為梯形桶面環(huán)，2環(huán)為扭曲錐面環(huán)，3環(huán)為螺旋撐簧環(huán).

2 環(huán)組開口位置的正交優(yōu)化

正交設計是用于多因素設計的一種方法，它是從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些點具有均勻、整齊的特點.正交設計是部分因子設計的主要方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的設計方法.

2.1 原方案

發(fā)動機原活塞環(huán)組1、2、3環(huán)開口間隙位置分別為45°，225°，90°.開口角度均為逆時針旋轉(zhuǎn)后與活塞副推力側(cè)(ATS側(cè))的夾角，計算工況為1 800 r/min全負荷工況，總竄氣量為14.243 3 L/min.

分析工況為1 800 r/min的全負荷工況，由于每道環(huán)均對竄氣量有一定影響，因此采取正交設計的方法組合出16種方案進行分析.

2.2 環(huán)組開口位置的正交設計

對活塞組模型進行正交分析，分析表如表1.

表1 正交設計表

通過極差R可知，在其它影響因素不變的情況下，對竄氣量影響最大的為3環(huán)開口位置，其次是2環(huán)，影響最小的是1環(huán).并且1環(huán)最佳開口位置為270°，2環(huán)最佳開口位置為180°，3環(huán)最佳開口位置為270°.經(jīng)過計算，優(yōu)化方案的竄氣量為12.776 1 L/min.

觀察方案1，當開口位置角度均相同時，竄氣量最大，計算其它開口位置相同方案也有相同情況，這是由于開口位置在一條直線時會形成竄氣通道，對機油消耗也有較大影響[10].

指標含義：10（20）千伏接入的新能源消納率=規(guī)劃期內(nèi)已接入電網(wǎng)或完成接入系統(tǒng)方案評審的用戶數(shù)/規(guī)劃期內(nèi)申請接入的分布式光伏等新能源用戶總數(shù)。新能源消納率要求達到100%。

對比方案15與優(yōu)化方案，方案15的前兩環(huán)開口位置與優(yōu)化方案前兩環(huán)開口位置相同，區(qū)別在于第3環(huán)，在后文對此兩種方案進行深入比較.

3 正交優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 總竄氣量

同志們，龍年伊始，萬象更新。讓我們抓住水利發(fā)展的大好時機，積極進取，奮發(fā)有為，開拓創(chuàng)新，全力做好規(guī)劃計劃工作，為加快推進水利改革發(fā)展作出新的更大的貢獻！

活塞環(huán)組竄氣主要通過3條途徑：活塞環(huán)與缸套接觸的工作面；活塞環(huán)上下端面與環(huán)槽間的側(cè)隙；活塞環(huán)的開口間隙.對比圖7可知方案15主要竄氣途徑為環(huán)槽，優(yōu)化方案中主要竄氣途徑為環(huán)開口間隙.在改變了3環(huán)的開口位置后，主要竄氣途徑發(fā)生了變化，綜合作用下導致優(yōu)化方案總竄氣量降低.

水泥窯在生產(chǎn)運作時會產(chǎn)生較多粒徑較小且分布均勻的的氧化鈣，不僅能夠?qū)σ恍┧嵝晕镔|(zhì)進行吸附，還可以與他們充分反應，在窯內(nèi)形成較好的固相堿性環(huán)境。水泥窯的該項性質(zhì)可以有效抑制“二噁英”物質(zhì)的生成。據(jù)統(tǒng)計，水泥窯協(xié)同處置廢棄物系統(tǒng)的熱容量較大，高溫環(huán)境較為穩(wěn)定，且后續(xù)裝置能夠有效降低廢棄溫度，使得廢氣中二噁英含量遠低于相關標準。

3.2 活塞環(huán)開口竄氣量

2．6 ELBWI預后影響因素分析 按存活組和死亡／放棄組比較，見表2。行二分變量的Logistic回歸分析結(jié)果示：受孕方式（P＝0．013）在兩組中差異有統(tǒng)計學意義。

根據(jù)前文氣體流動模型假設，3環(huán)環(huán)槽下部環(huán)岸壓力與曲軸箱壓力相等，因此優(yōu)化方案比方案15，3環(huán)上下的氣體壓力差較大，導致通過環(huán)開口間隙的竄氣量大幅增加.環(huán)岸氣體壓力的變化導致了環(huán)開口間隙竄氣量的變化.

3.3 環(huán)槽竄氣量

圖7中，方案15的環(huán)槽竄氣量遠大于優(yōu)化方案，而環(huán)槽竄氣量的變化比開口間隙竄氣量變化更大，這是方案15總竄氣量大于優(yōu)化方案的主要原因.由圖8發(fā)現(xiàn)，方案15中3環(huán)的環(huán)岸壓力小于0.2 MPa，與曲軸箱壓力接近，而優(yōu)化方案在主要竄氣段壓力在0.2～0.6 MPa，猜測方案15中3環(huán)上下環(huán)岸壓力差較小導致3環(huán)發(fā)生了增大環(huán)槽竄氣量的運動.

利用ECDSA算法，將認證信息進行數(shù)字簽名，確保了每條認證消息都是由正確的用戶發(fā)表的，防止他人假冒，還可以保證數(shù)據(jù)的完整性。在整個認證請求中，將不會有人對數(shù)據(jù)包進行惡意篡改。

圖9為3環(huán)與環(huán)槽軸向接觸力，正值表示與環(huán)槽上表面接觸，負值表示與環(huán)槽下表面接觸.圖中方案15的3環(huán)在主要竄氣段與上下環(huán)槽表面基本無接觸力，且在0°附近接觸力出現(xiàn)峰值且有多個波動，表明方案15的3環(huán)在環(huán)槽中屬于漂浮狀態(tài)，且發(fā)生上下震顫，導致竄氣通道打開，竄氣量大幅增加.優(yōu)化方案中，3環(huán)在做功行程中一直與環(huán)槽下表面接觸，并且接觸力較大，竄氣通道被封閉，因此優(yōu)化方案環(huán)槽竄氣量較小.圖10中優(yōu)化方案的3環(huán)背隙氣體壓力遠大于方案15也可以說明上述情況的發(fā)生.

“另外，”老賈把參考價格表滑到后面，“‘乾隆通寶’里還有一類比較特別的錢是新疆紅錢，這一類錢是在新疆使用的，因為新疆地域遼闊，所以根據(jù)鑄造地不同，背書也不一樣。而且新疆紅錢大多背書的不是滿文，而是維文，維吾爾族語。要是這一類錢的話，一般來說會值錢很多。剛才給你看的對照圖里，除了滿文，維文的部分也有。比如這幾枚就是紅錢。”老賈說著遞了幾枚給孟導。

3.4 環(huán)工作面竄氣量

圖7中，兩種方案環(huán)表面竄氣量也發(fā)生一定變化，猜測也與氣體壓力變化相關.圖11為工作表面竄氣面積.

圖中優(yōu)化方案在主要竄氣段竄氣面積小于方案15，但是在圖7中，優(yōu)化方案的工作表面竄氣量卻大于方案15，這也是由于圖8所示的環(huán)岸壓力導致，優(yōu)化方案3環(huán)上下環(huán)岸壓力差較大增大了工作表面的竄氣量，同時圖10的背隙壓力也對工作表面竄氣量造成影響，較大的背隙壓力可以使環(huán)張緊，有助于環(huán)面與缸套的密封.

圖12為3環(huán)的扭角，方案15中，3環(huán)的扭角發(fā)生過變向，扭角的變向不利于工作表面與環(huán)槽的密封.

4 結(jié)束語

① 通過建立活塞環(huán)組仿真模型，計算出環(huán)組的竄氣特性的完整信息，為進一步優(yōu)化竄氣特性提供了依據(jù).

2.1.3 內(nèi)疚、自責感 在等待手術時，焦急、擔心喚起了照顧者的補償心態(tài)，產(chǎn)生自責的心理，通常照顧者的表達為“假如......就好了”;而在患者出手術室進入監(jiān)護室時，短暫的見面使照顧者親眼見證了患者的病痛，此時患者均為昏迷狀態(tài)，照顧者的呼喊不濟于事，使其產(chǎn)生強烈的內(nèi)疚感。H說:“我陪著她一起出門就好了，就不會碰上車禍了?！盓說:“被助動車撞的時候他腦子還是清醒的，我以為不要緊的，我怎么那么粗心應該直接到醫(yī)院來看的，醫(yī)師跟我說腦子兩邊都有出血，也許早點來就不會這么嚴重了，都怪我?！盝說:“我爸爸年紀大了我不該讓他再騎車的，早點勸阻就不會發(fā)生這種事了?！?/p>

② 通過正交設計合理安排環(huán)組開口間隙位置，得到環(huán)開口位置的優(yōu)化方案，將活塞環(huán)組總竄氣量較原機方案降低了10.3%.

教師利用自己學生的個人情況、個人教學水平，有趣、新奇的方法進行陶冶教育，創(chuàng)造陶冶教育法在課堂中實現(xiàn)的內(nèi)容，積極調(diào)動學生的積極性、創(chuàng)造性和想象力，開發(fā)學生的智力水平，從而使學生能夠更高效地吸收知識、理解知識。教師有時可以在引領高中生發(fā)展方向中起到?jīng)Q定性作用，所以，教師的主導作用在此過程中得到極大的體現(xiàn)。

③ 在活塞竄氣特性中，氣環(huán)起到?jīng)Q定性的影響，但是通過改變油環(huán)狀態(tài)可以間接影響到氣環(huán)的密封特性.

④ 從3個竄氣途徑具體分析優(yōu)化方案與方案15竄氣特性的區(qū)別.竄氣量與環(huán)岸氣體壓力有重要關系，通過合理安排環(huán)組開口位置調(diào)節(jié)環(huán)岸氣體壓力能有效降低環(huán)組總竄氣量.

⑤ 通過數(shù)值仿真與正交設計相結(jié)合的方法對活塞環(huán)組開口間隙位置進行了優(yōu)化，為工程中合理安排開口間隙位置以減小竄氣量提供了快速且準確的方法.

[1] Furuhama S，Tada T.On the flow of gas through the piston-rings: 2nd report，the character of gas leakage[J].Bulletin of JSME, 1961，4(16)：691-698.

[2] Furuhama S，Tada T.On the flow of gas through the piston-rings: 1st report，the discharge coefficient and temperature of leakage gas[J].Bulletin of JSME, 1961，4(16)：684-690.

[3] Tian T，Noordzij L B，Wong V W，et al.Modeling piston-ring dynamics，blowby，and ring-twist effects[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1998，120(4)：843-854.

[4] Wannatong K，Chanchaona S，Sanitjai S.Simulation algorithm for piston ring dynamics[J].Simulation Modelling Practice and Theory, 2008，16(1)：127-146.

[5] Kurbet S N，Kumar R K.Finite element modelling of piston-ring dynamics and blow-by estimation in a four-cylinder diesel engine[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D: Journal of Automobile Engineering, 2007，221(11)：1405-1414.

[6] Koszalka G.The influence of compression ring clearances on the blowby in a diesel engine，SAE paper 01-3356[R].Detroit，USA: SAE，2006.

[7] Malagi R R.Estimation of blowby in multi-cylinder diesel engine using finite element approach，SAE paper 01-0559[R].Detroit，USA: SAE，2012.

[8] Hellwig T，Knoerr M，Wachtmeister G.Layout and optimization of a piston ring-pack for AUDI V6 SI-engine，SAE paper 01-1623[R].Detroit，USA: SAE，2012.

[9] Agarwal V K，J A P.Optimization of piston and ringpack design to improve the performance and emission characteristics of a gasoline engine，SAE paper 01-2809[R].Detroit，USA: SAE，2013.

[10] Veettil M P，Shi F.CFD Analysis of oil/gas flow in piston ring-pack，SAE paper 01-1406[R].Detroit，USA: SAE，2011.

(責任編輯：孫竹鳳)

Influence of Piston Ring End Gap Position on Blow-by

HAO Zhi-yong1，DING Jia-cen1， ZHU Jun-liang1，CAO Xiang-yang2

(1.Department of Energy Engineering，Zhejiang University，Hangzhou, Zhejiang 310027，China； 2.Wanxiang Qianchao Transmission Shaft Co.Ltd.，Hangzhou, Zhejiang 311215，China)

In order to reduce blow-by through piston ring-pack without changing geometry parameters of piston and rings，a blow-by flow model was established.The blow-by in 1 800 r/min full load conditions was calculated firstly in this study.Then the positions of end gap were optimized based on orthogonal design.The gas flow through end gap，groove，and running face was calculated and analyzed separately.Results show that the optimization scheme can reduce the blow-by by 10.3% compared to original scheme.And the reason that the higher blow-by produces in original scheme was analyzed.It is mainly due to the oil ring flutter caused by piston land pressure.Gas flow was greatly influenced by land pressure in all the three flow channels.Blow-by can be reduced effectively by reasonable adjustment of end gap and rational allocation of land pressure.The state of oil ring can influence the blow-by indirectly by changing the land pressure.

diesel engine； piston ring pack； blow-by； orthogonal design； land pressure

2014-04-09

“十二五”國家科技支撐計劃重點資助項目(2011BAE22B05)

郝志勇(1955—)，男，教授，博士生導師，E-mail:haozy@zju.edu.cn.

丁加岑(1989—)，男，碩士生，E-mail:dingjiacen19891028@163.com.

U464.172； TK 422

A

1001-0645(2016)03-0258-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.03.008