陸榮榮，趙文仲

（江淮汽車集團股份有限公司發(fā)動機公司動力研究院，安徽 合肥 230601）

研究發(fā)現(xiàn)，柴油機的不可溶解干碳煙SOOT 排放物與潤滑油直接相關(guān)：潤滑油的基礎(chǔ)油在高溫下產(chǎn)生熱解、脫氫反應(yīng)形成不可溶顆粒，此過程機油消耗所產(chǎn)生的總顆粒物有可能達(dá)到0.003～0.005g/（kW·h），對全部顆粒物排放的占比可以達(dá)到20%～30%。潤滑油中的添加劑燃燒后的灰分（ASH)，其排放量可達(dá)到0.0015～0.0030g/（kW·h），相當(dāng)于全部顆粒排放的8%～15%[1-2]。由此可見，機油消耗對顆粒排放的影響是相當(dāng)大的。減少機油的消耗量是降低柴油機顆粒排放非常關(guān)鍵的舉措。

目前，行業(yè)對基于發(fā)動機的運行工況來進行機油耗的仿真分析研究較少。本文通過對發(fā)動機運行工況下的機油耗進行仿真分析，并與試驗值進行對比，研究機油耗仿真分析的過程方法和可信度。

1 機油的損耗途徑

對增壓柴油機來講，正常的機油消耗路徑主要分為三部分：一是消耗在增壓器中間體處；一是隨曲軸箱竄氣被攜帶走；三通過氣門導(dǎo)管進入缸內(nèi)燃燒；四是通過活塞運動副進入缸內(nèi)燃燒。

研究表明，約70%左右的機油耗是通過活塞運動副進入缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的[3-4]。

2 活塞運動副對機油耗的影響

活塞運動副涉及的缸孔、活塞、活塞環(huán)對機油耗均有影響。

2.1 缸孔

網(wǎng)紋參數(shù)對機油耗的影響至關(guān)重要，而網(wǎng)紋參數(shù)是通過珩磨技術(shù)獲得，不同的珩磨技術(shù)可以得到不同水平的網(wǎng)紋參數(shù)（如表1），從而對機油耗的影響也不同（如圖1）。除了普通珩磨和平臺珩磨外，最新發(fā)展的滑動珩磨和螺傘滑動珩磨技術(shù)對機油耗的控制更好[5-7]。

表1 常見的珩磨種類

圖1 不同珩磨工藝的機油消耗對比

2.2 活塞

與活塞相關(guān)的機油消耗路徑主要是機油上竄進入燃燒室燃燒及在缸壁上蒸發(fā)，如圖2 所示[8]。

圖2 與活塞相關(guān)的機油消耗路徑

活塞在缸孔內(nèi)進行頻繁的往復(fù)運動，缸壁表面必須保證潤滑良好，但是由于活塞運動過程中會產(chǎn)生大量的熱量，缸壁上的機油在高溫下蒸發(fā)損耗[9]。

潤滑油在缸壁上的蒸發(fā)量計算如下：

式中：

β—材料導(dǎo)熱系數(shù)

Cfilm—缸壁潤滑油濃度

C∞—燃燒室潤滑油濃度

Dc—傳導(dǎo)系數(shù)

為了降低活塞頂部的溫度，可以采取的措施包括：在燃燒室下部增加內(nèi)冷油道，降低活塞頭部溫度；使用散熱較好的材料，也可以有效的降低活塞頂部的溫度，從而可減少活塞運動過程中機油的蒸發(fā)量。

而活塞的型線、活塞的局部結(jié)構(gòu)（如在環(huán)岸處設(shè)置泄荷槽以及回油窗、回油孔的設(shè)計等）對降低機油耗被甩如缸內(nèi)都具有重要作用。

2.2 活塞環(huán)

活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)主要起到密封的作用，防止氣缸內(nèi)的高壓氣體下竄到曲軸箱。由于下竄的氣體是油氣混合物，控制減小竄氣量可以有效的控制機油的消耗。油環(huán)的作用是把飛濺到氣缸壁上的多余潤滑油刮下來，回到油底殼，以減少發(fā)動機的機油消耗量。

活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)、活塞環(huán)的閉口間隙、活塞環(huán)與環(huán)槽的間隙、活塞環(huán)高、活塞環(huán)徑向厚度、活塞環(huán)張力等都對機油耗有重要影響。

3 仿真分析

仿真方法能夠有效、直接和快捷地分析不同活塞環(huán)、活塞和缸孔結(jié)構(gòu)對機油耗的影響，從眾多方案中甄選出更為合理的設(shè)計方案，對降低機油耗方案設(shè)計有重要的指導(dǎo)作用，可以減少試驗次數(shù)，降低開發(fā)成本，同時縮短項目開發(fā)周期[10-11]。

本文分析中，活塞剛度矩陣計算采用HyperMesh 和Abaqus 軟件，動力學(xué)和機油耗分析采用Excite Piston&rings 軟件。

3.1 計算參數(shù)

研究用柴油機主要參數(shù)如表2 所示。

表2 柴油機主要參數(shù)

分析計算的主要輸入的邊界參數(shù)如表3 所示。

表3 分析計算的主要參數(shù)

柴油機不同轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)壓力如圖3 所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力曲線

3.2 模型建立

活塞動力學(xué)分析模型應(yīng)用Excite Piston&rings軟件建立，模型包括：缸體、活塞、活塞銷、連桿、活塞環(huán)組，如圖4 所示。

圖4 活塞動力學(xué)分析模型

圖5～圖7 分別為為活塞、缸體、環(huán)和環(huán)槽的冷態(tài)型線。

圖5 活塞冷態(tài)型線

圖6 缸孔冷態(tài)型線

圖7 環(huán)組冷態(tài)型線

缸孔與活塞的熱態(tài)型線根據(jù)其溫度場分布和熱膨脹系數(shù)等分析獲得，如圖8、圖9 所示。

圖8 缸孔熱變形量

圖9 活塞熱變形量

分析中使用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如下：

（1）機油動力黏度—溫度特性

圖10 機油動力黏度-溫度特性

（2）燃?xì)鉁囟群蛡鳠嵯禂?shù)

圖11 燃?xì)鉁囟群蛡鳠嵯禂?shù)

3.3 分析結(jié)果

全速全負(fù)荷工況下，缸內(nèi)機油消耗量的仿真結(jié)果如圖12 所示，可見最大機油消耗量為6.4g/h。需要注意的是，仿真結(jié)果僅包括缸內(nèi)消耗，而柴油機總機油耗還包括呼吸系統(tǒng)竄油量以及增壓機型中增壓器竄油等，因此柴油機實際機油消耗量大于仿真結(jié)果。

圖12 機油耗分析結(jié)果

6.3 仿真可信度分析

對上述仿真分析的發(fā)動機進行發(fā)動機臺架試驗，測試結(jié)果如下：

表4 臺架試驗結(jié)果

可以看出，全速全負(fù)荷工況下發(fā)動機的機油耗為9.8g/h，如前所述，按照70%的比例估算，通過活塞運動副產(chǎn)生的機油消耗約為6.86g/h，仿真的機油耗結(jié)果6.4072g/h，可信度約為93.4%，可信度較高。

4 結(jié) 論

本文介紹了發(fā)動機運行工況下CAE 仿真分析的過程和方法。機油耗仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果相比較為接近，可信度93.4%，可信度較高。

面對降機油耗目標(biāo)，可以充分利用CAE 仿真分析的手段進行活塞運動副選型，大大降低發(fā)動機開發(fā)的周期和成本。