王憲成， 楊紹卿， 和 穆， 朱 睿， 丁 宇

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072； 2. 北汽福田汽車股份有限公司， 北京 102206)

重型車輛柴油機(jī)在使用時(shí)，由于載荷較大、工況變化復(fù)雜且外界環(huán)境惡劣，導(dǎo)致技術(shù)狀況逐漸惡化，主要表現(xiàn)為功率下降、振動(dòng)加劇以及機(jī)油消耗量增大。重型柴油機(jī)在高原環(huán)境下使用時(shí)，一方面由于低氣壓和低氣溫的影響，缸內(nèi)燃燒惡化、冷卻系統(tǒng)散熱能力變差[1]，另一方面由于柴油機(jī)活塞環(huán)的技術(shù)狀況下降，使得柴油機(jī)缸內(nèi)機(jī)油消耗嚴(yán)重[2]，潤(rùn)滑能力下降，最終加劇缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損。

重型車輛柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)，對(duì)缸內(nèi)的機(jī)油消耗量有較為嚴(yán)格的要求。受制于工況和環(huán)境的影響，柴油機(jī)在高原使用時(shí)缸內(nèi)機(jī)油消耗變化很大，而通過(guò)直接測(cè)量機(jī)油箱內(nèi)的油耗很難對(duì)缸內(nèi)的潤(rùn)滑狀況進(jìn)行直接判斷[3]。目前，分析缸內(nèi)機(jī)油消耗的多種方法均假設(shè)缸套-活塞環(huán)技術(shù)狀況為理想狀態(tài)，而實(shí)車使用中則會(huì)出現(xiàn)隨著缸套-活塞環(huán)技術(shù)狀況劣化而產(chǎn)生機(jī)油消耗增加的現(xiàn)象[4]。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者通過(guò)建立高原環(huán)境條件下重型車輛柴油機(jī)缸內(nèi)機(jī)油消耗的數(shù)值仿真模型，分析工況、海拔以及活塞環(huán)技術(shù)狀況對(duì)缸內(nèi)機(jī)油消耗的影響，以期為進(jìn)一步分析重型柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)的潤(rùn)滑和抗磨性能提供可靠的理論依據(jù)。

1 缸內(nèi)機(jī)油消耗數(shù)值仿真模型

1.1 缸內(nèi)機(jī)油消耗途徑與基本假設(shè)

對(duì)于重型大功率渦輪增壓柴油機(jī)而言，其缸內(nèi)機(jī)油的消耗途徑主要有[5]：1)燃燒室壁面機(jī)油油膜蒸發(fā)導(dǎo)致的消耗；2) 在活塞行程內(nèi),梯形環(huán)在環(huán)槽內(nèi)上下移動(dòng)產(chǎn)生泵油效應(yīng)，使得機(jī)油進(jìn)入燃燒室燃燒或蒸發(fā)導(dǎo)致的消耗；3)梯形環(huán)開(kāi)口間隙處竄氣使機(jī)油進(jìn)入燃燒室導(dǎo)致的消耗；4)梯形環(huán)擠壓缸套表面油膜產(chǎn)生的刮油消耗。缸內(nèi)機(jī)油消耗的4種主要途徑示意圖如圖1所示。

由于各途徑機(jī)油消耗量所占比例不同、消耗速率也不同，因此需要針對(duì)4種主要消耗途徑分別計(jì)算其機(jī)油消耗量。機(jī)油消耗數(shù)值仿真模型的基本假設(shè)為：1)機(jī)油在缸套與梯形環(huán)間接觸面周向上黏度和密度各向同性，且壓力梯度為0；2)梯形環(huán)與油膜表面徑向接觸壓力各向同性；3)缸套為剛體，梯形環(huán)無(wú)扭曲變形和周向滑動(dòng)，僅在環(huán)槽內(nèi)上下移動(dòng)；4)忽略梯形環(huán)開(kāi)口間隙處機(jī)油的慣性力作用；5)梯形環(huán)開(kāi)口間隙處機(jī)油動(dòng)壓分布沿油環(huán)運(yùn)動(dòng)方向呈線性變化；6)缸套表面油膜蒸發(fā)為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。

1.2 缸內(nèi)機(jī)油消耗仿真建模

通過(guò)對(duì)4種途徑消耗的機(jī)油量進(jìn)行累計(jì)，可得缸內(nèi)機(jī)油消耗率

Gl=Gle+Glp+Glb+Gls,

(1)

式中：Gle為燃燒室壁面機(jī)油油膜蒸發(fā)消耗率；Glp為梯形環(huán)泵油消耗率；Glb為梯形環(huán)開(kāi)口間隙竄氣帶油消耗率；Gls為梯形環(huán)刮油消耗率。單位均為g/h。

1.2.1 燃燒室壁面機(jī)油油膜蒸發(fā)消耗率Gle

油膜的熱量交換主要包括缸內(nèi)工質(zhì)與油膜的對(duì)流換熱和輻射換熱、油膜的蒸發(fā)換熱以及油膜與壁面的換熱。影響燃燒室壁面油膜蒸發(fā)速率的主要因素為油膜表面蒸發(fā)層的溫度[2]。

換熱方程為

Qf=Glehf+ag(Tgw-Tl)-Qr,

(2)

式中：Qf為工質(zhì)傳入油膜的熱量；Qr為工質(zhì)與油膜輻射傳熱的熱量；ag為工質(zhì)與油膜的傳熱系數(shù)；Tgw為缸套壁面溫度；T1為油膜蒸發(fā)層溫度；hf為機(jī)油比焓。由式(2)可得到蒸發(fā)導(dǎo)致的機(jī)油消耗率Gle。

1.2.2 梯形環(huán)泵油消耗率Glp

梯形環(huán)在槽內(nèi)上下移動(dòng)，梯形環(huán)端面泵油率[6]

(3)

式中：hs1為梯形環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的相對(duì)位置；D為環(huán)槽內(nèi)徑；ρl為機(jī)油密度。

1.2.3 梯形環(huán)開(kāi)口間隙竄氣帶油消耗率Glb

考慮活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)換向時(shí)機(jī)油因慣性力滑動(dòng)和氣體上竄導(dǎo)致機(jī)油進(jìn)入燃燒室，梯形環(huán)開(kāi)口間隙機(jī)油上竄的消耗率[6]

(4)

式中：Lg1為梯形環(huán)開(kāi)口間隙寬度；δ1為活塞本體由于梯形環(huán)支撐與缸套壁面間產(chǎn)生的間隙寬度；Lh1為梯形環(huán)外沿厚度；p0為缸內(nèi)工質(zhì)壓力；p1為活塞環(huán)間壓力；μl為機(jī)油黏度；

(5)

為活塞速度[7]，其中ω為柴油機(jī)曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，rp為曲軸半徑，Lp為連桿長(zhǎng)度，φ為曲軸轉(zhuǎn)角。

1.2.4 梯形環(huán)刮油消耗率Gls

在柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，缸套表面油膜的分布隨曲軸轉(zhuǎn)角變化。通常來(lái)說(shuō)，壓縮和排氣行程的油膜平均厚度略大于做功和進(jìn)氣行程。由于油膜厚度分布不均勻，使得梯形環(huán)在活塞上行時(shí)將機(jī)油刮入燃燒室,導(dǎo)致蒸發(fā)或燃燒消耗。梯形環(huán)刮油消耗率[8]

(6)

式中：Lb1為梯形環(huán)寬度；φ0為活塞慣性力為0時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角位置；hT為缸套表面油膜厚度；R為曲柄半徑。

1.2.5 缸內(nèi)機(jī)油消耗占比分析

增壓柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)油消耗的主要途徑包括缸內(nèi)機(jī)油消耗、呼吸器機(jī)油消耗、進(jìn)排氣門導(dǎo)桿機(jī)油消耗和增壓器機(jī)油消耗[9]。缸內(nèi)機(jī)油消耗率Gl與機(jī)油箱內(nèi)機(jī)油總消耗率G的關(guān)系為[10]

(7)

式中：Δ1為呼吸器機(jī)油消耗占比；Δ2為進(jìn)排氣門導(dǎo)桿機(jī)油消耗占比；Δ3為渦輪增壓器機(jī)油消耗占比；Δ4為機(jī)油液位測(cè)量精度。

為計(jì)算機(jī)油消耗提供邊界條件，分別建立該型柴油機(jī)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)仿真模型。在AVl-glide仿真軟件中建立缸套-活塞環(huán)動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖2所示；在GT-suit仿真軟件中建立該型柴油機(jī)熱力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

1.3 柴油機(jī)缸內(nèi)機(jī)油消耗模型的驗(yàn)證

1.3.1 臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)控制進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度和散熱效率的方式，模擬高原環(huán)境條件下的低壓和低溫對(duì)柴油機(jī)的影響。臺(tái)架試驗(yàn)裝置如圖4所示。

當(dāng)模擬海拔3 500 m以上時(shí)，進(jìn)氣溫度控制范圍為-30～0 ℃，進(jìn)氣量控制在8 000 m3/h以下[11]。外部壓力控制裝置與排氣管道及曲軸箱相連，控制渦后背壓及曲軸箱壓力≤70 kPa。由于柴油機(jī)臺(tái)架工況和環(huán)境非常穩(wěn)定，因此可以通過(guò)測(cè)量臺(tái)架試驗(yàn)不同工況條件下機(jī)油箱液位的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)機(jī)油消耗的測(cè)量。

試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)油溫度控制在(80±2) ℃，水溫控制在85 ℃以下，可利用FPS傳感器檢測(cè)機(jī)油密度。機(jī)油密度引起的機(jī)油箱液位測(cè)量誤差的修正計(jì)算公式為[12]

(8)

式中：hl0為25 ℃時(shí)機(jī)油標(biāo)定液位高度；ρl1為25 ℃時(shí)機(jī)油標(biāo)定密度；hl1為實(shí)測(cè)機(jī)油液位高度；ρl0為實(shí)測(cè)機(jī)油密度。

1.3.2 機(jī)油消耗仿真模型試驗(yàn)驗(yàn)證

模擬海拔3 500 m條件下柴油機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，試驗(yàn)和計(jì)算的輸入?yún)?shù)為：大氣壓力70 kPa，進(jìn)氣溫度0 ℃，其他工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)和計(jì)算工況

不同工況條件下邊界條件仿真模型和臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)油消耗率的對(duì)比結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯涸? 600 r/min，2 850 N·m工況下，機(jī)油消耗率的臺(tái)架試驗(yàn)與仿真模型的最大誤差為3.75%，這說(shuō)明該仿真計(jì)算模型能夠可靠計(jì)算高海拔條件下的柴油機(jī)缸內(nèi)機(jī)油消耗時(shí)的可靠。

2 高原環(huán)境缸內(nèi)機(jī)油消耗計(jì)算

2.1 缸內(nèi)機(jī)油消耗率計(jì)算

2.1.1 燃燒室壁面機(jī)油蒸發(fā)消耗率

在標(biāo)定工況下，燃燒室壁面蒸發(fā)層溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯河湍ふ舭l(fā)層最高溫度出現(xiàn)在上止點(diǎn)后約20 ℃A位置。這是因?yàn)椋喝紵龉π谐讨?，高溫工質(zhì)膨脹做功產(chǎn)生的高溫通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射傳導(dǎo)至油膜，使得蒸發(fā)層溫度上升，同時(shí)由于工質(zhì)與油膜間的熱傳導(dǎo)存在延遲，使得最高溫度出現(xiàn)在上止點(diǎn)后的位置。

圖7為測(cè)試工況下蒸發(fā)層最高溫度隨轉(zhuǎn)速的變化曲線?？梢钥闯觯河湍ふ舭l(fā)層最高溫度隨轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)小幅度的下降。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速升高會(huì)使缸內(nèi)工質(zhì)平均溫度有所降低。

圖8為測(cè)試工況下油膜蒸發(fā)率隨曲軸轉(zhuǎn)角和海拔的變化曲線。

由圖8(a)可以看出：

1) 在上止點(diǎn)附近，油膜蒸發(fā)率最小，而隨活塞行程的延長(zhǎng)逐漸增大。這是因?yàn)椋涸谏现裹c(diǎn)附近，燃燒室內(nèi)壁面與工質(zhì)接觸面積幾乎為0，而隨活塞行程的延長(zhǎng)接觸面積有所增大。

2) 油膜蒸發(fā)率隨轉(zhuǎn)速的升高而逐漸增大。這是因?yàn)椋恨D(zhuǎn)速升高，使得油膜與工質(zhì)的換熱效率增大。

由圖8(b)可以看出：

1) 不同海拔下，油膜蒸發(fā)率隨轉(zhuǎn)速的升高呈下降的趨勢(shì)，與圖7油膜蒸發(fā)層最高溫度隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律一致。與

2)海拔100m時(shí)相比，海拔3700、4500m時(shí)的油膜蒸發(fā)率明顯較大，其中海拔4 500 m時(shí)的油膜蒸發(fā)率較海拔100 m增加了142.15%，這主要是因?yàn)楦吆０螚l件下柴油機(jī)冷卻散熱能力下降，導(dǎo)致蒸發(fā)油膜溫度升高。

2.1.2 梯形環(huán)泵油消耗率

圖9為海拔3 700 m條件下梯形環(huán)泵油消耗率隨曲軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律仿真結(jié)果?？梢钥闯觯?/p>

1) 單次循環(huán)內(nèi)梯形環(huán)泵油消耗率峰值較高，但總量很小。這是因?yàn)椋寒?dāng)梯形環(huán)在環(huán)槽間上移時(shí)，泵油消耗僅發(fā)生在環(huán)間壓力大于缸內(nèi)壓力的排氣行程中，但由于梯形環(huán)移動(dòng)行程很短，則泵油消耗率在缸內(nèi)機(jī)油消耗率中占比很小，在標(biāo)定工況下僅占缸內(nèi)機(jī)油消耗率的1.77%[8]。

2) 單位時(shí)間內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的升高梯形環(huán)在環(huán)槽內(nèi)移動(dòng)次數(shù)增加，進(jìn)而使得泵油消耗率隨轉(zhuǎn)速上升而增大。

2.1.3 梯形環(huán)開(kāi)口間隙竄氣帶油消耗率

圖10為標(biāo)定工況下海拔3 700 m梯形環(huán)開(kāi)口間隙竄油消耗率隨曲軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的變化曲線。

由圖10(a)可以看出：梯形環(huán)開(kāi)口間隙竄油消耗率的峰值和總量遠(yuǎn)小于其他3種機(jī)油消耗途徑；竄油消耗率的2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在進(jìn)氣行程和做功行程的末尾，即活塞下行接近下止點(diǎn)位置處。

由圖10(b)可以看出：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，竄油次數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，但消耗率總體仍非常小，可忽略。

2.1.4 梯形環(huán)刮油消耗率

圖11為標(biāo)定工況下梯形環(huán)刮油消耗率隨曲軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的變化曲線。

由圖11(a)可以看出：梯形環(huán)刮油消耗率的峰值出現(xiàn)在活塞上行接近上止點(diǎn)及下行接近下止點(diǎn)等缸套壁面油膜厚度較大的區(qū)域；在上、下止點(diǎn)處，梯形環(huán)刮油消耗率非常低(處于極小值)。這是因?yàn)椋夯钊谏稀⑾轮裹c(diǎn)處轉(zhuǎn)換方向后，在油膜厚度較薄的一段區(qū)域運(yùn)動(dòng)，使得梯形環(huán)刮油消耗率維持在較低的水平，直到梯形環(huán)運(yùn)動(dòng)至下一油膜較厚的區(qū)域。

由圖11(b)可以看出：梯形環(huán)刮油消耗率隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。這是因?yàn)椋涸趩挝粫r(shí)間內(nèi)，梯形環(huán)刮油次數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。

2.2 缸內(nèi)機(jī)油影響因素分析

2.2.1 海拔

由2.1.3節(jié)可知：梯形環(huán)開(kāi)口間隙竄油消耗率占總體消耗率的比例非常小，故忽略竄油消耗率。綜合計(jì)算燃燒率壁面機(jī)油蒸發(fā)消耗率、梯形環(huán)泵油消耗率和梯形環(huán)刮油消耗率構(gòu)成的缸內(nèi)機(jī)油消耗率，其在不同轉(zhuǎn)速下隨海拔的變化曲線如圖12所示?？梢钥闯觯?/p>

1) 當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，缸內(nèi)機(jī)油消耗率隨海拔的升高并不呈線性增長(zhǎng)的規(guī)律。這是因?yàn)椋弘S著海拔的升高，壁面機(jī)油蒸發(fā)消耗率增大，而梯形環(huán)刮油消耗率減小，由于柴油機(jī)散熱能力下降、熱負(fù)荷增大，泵油消耗率沒(méi)有顯著變化。

2) 在標(biāo)定工況下，與海拔100 m時(shí)相比，海拔3 700 m時(shí)缸內(nèi)機(jī)油消耗率增加了31.51%，海拔4 500 m 時(shí)則增加了41.67%。

2.2.2 油環(huán)技術(shù)狀況

油環(huán)的技術(shù)狀況決定了機(jī)油在缸內(nèi)和曲軸箱之間的流動(dòng)的狀態(tài)。柴油機(jī)在使用過(guò)程中，缸套在缸體-缸墊、螺栓預(yù)緊力、熱變形和活塞運(yùn)動(dòng)擠壓的影響下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生彈性變形，從而導(dǎo)致油環(huán)不能完全緊貼缸套壁面而產(chǎn)生間隙，進(jìn)而使缸內(nèi)和曲軸箱間機(jī)油流通量增大，以及燃燒室壁面機(jī)油蒸發(fā)消耗率和梯形環(huán)刮油消耗率顯著提升。因此，油環(huán)的追隨性越高，缸內(nèi)機(jī)油消耗率越小。油環(huán)的追隨系數(shù)可表示為[13]

(9)

式中：Fm為油環(huán)徑向彈力；D為環(huán)槽內(nèi)徑；Lb3為油環(huán)寬度；E為油環(huán)彈性模量；I為油環(huán)周向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

隨著柴油機(jī)使用時(shí)長(zhǎng)的增加，缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損會(huì)導(dǎo)致環(huán)槽內(nèi)徑和油環(huán)彈力的減小，進(jìn)而導(dǎo)致油環(huán)追隨性下降，缸內(nèi)機(jī)油消耗增加。圖13為標(biāo)定工況下不同海拔時(shí)缸內(nèi)機(jī)油消耗隨油環(huán)彈力的變化曲線?？梢钥闯觯河铜h(huán)彈力大小與缸內(nèi)機(jī)油消耗率成反比；燃燒室機(jī)油消耗率隨海拔的升高而增大，其中海拔4 500 m時(shí)，油環(huán)彈力由14.7 N下降至8.7 N，此時(shí)機(jī)油消耗率上升了7.64%。

3 結(jié)論

針對(duì)某150 mm缸徑重型柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦副，分別分析計(jì)算了燃燒室壁面機(jī)油蒸發(fā)消耗率、梯形環(huán)泵油消耗率、梯形環(huán)刮油消耗率和梯形環(huán)開(kāi)口間隙竄油消耗率在不同工況下隨海拔的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1) 隨著海拔的升高，燃燒室壁面機(jī)油蒸發(fā)消耗率增大，刮油消耗率減小，梯形環(huán)泵油消耗率和竄油消耗率無(wú)顯著變化；

2) 在標(biāo)定工況下，與海拔100 m時(shí)相比，海拔3 700 m缸內(nèi)機(jī)油消耗率增加31.51%，海拔4 500 m時(shí)增加41.67%；

3) 油環(huán)彈力與燃燒室壁面機(jī)油消耗率成反比，在海拔4 500m標(biāo)定工況條件下，油環(huán)彈力了下降6 N，而機(jī)油消耗率上升7.64%。

下一步,將以上述研究為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探索柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)的摩擦磨損特性。