安穎 薛加 高帥

摘要：針對某柴油機型測試表現(xiàn)的竄氣量大的問題，對發(fā)動機進行了拆解分析、查因及魚骨圖思路排查;為深入分析影響漏氣的主要因素，采用虛擬正交試驗分析方法，將環(huán)開口間隙、環(huán)切向彈力及環(huán)槽尺寸等多個影響因素的重要度進行了分析，并詳細(xì)分析了各參數(shù)的對漏氣量的影響機理，通過試驗測試驗證了新型活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)對改善發(fā)動機竄氣量大的問題的有效性。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán);竄氣量;竄氣通道;環(huán)開口間隙

中圖分類號：TK428? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0054-06

0? 引言

發(fā)動機活塞竄氣量（Blow_by）是發(fā)動機運行過程中的關(guān)鍵參數(shù)[1]。竄氣量大不僅可以導(dǎo)致發(fā)動機功率降低、曲軸箱壓力過高、機油消耗增加、加速機油變質(zhì)、破壞油膜，嚴(yán)重時會導(dǎo)致拉缸、抱軸等故障。造成竄氣量大的原因有很多，根據(jù)竄氣通道區(qū)分，主要有以下三類，如：①活塞環(huán)、活塞及缸套之間的封氣通道失效;②增壓器竄氣;③油氣分離器竄氣。根據(jù)某發(fā)動機企業(yè)的故障信息統(tǒng)計情況來看，竄氣量大的故障，大多數(shù)為第一類失效模式，主要涉及的原因見圖1所示。

針對某型號柴油機所出現(xiàn)的竄氣量大問題如圖2所示，在失效模式分析的基礎(chǔ)上，對活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)及參數(shù)對漏氣量的影響開展了深入分析，并進行了相應(yīng)的改進及裝機測試驗證。

1? 故障情況

某小型柴油機，其具體參數(shù)如表1所示。

從漏氣量測試數(shù)據(jù)來看，該發(fā)動機的最大活塞竄氣量最大為4.2L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計要求2.2L/min，在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速2600rpm附近，其漏氣量為2.91L/min，也超過漏氣量目標(biāo)值的32%。（圖2）

2? 原因分析

為查找竄氣量增大的原因，首先查看試驗過程記錄，試驗記錄中缸內(nèi)壓強數(shù)據(jù)始終處于設(shè)計范圍內(nèi)，無異常燃燒情況。對被測發(fā)動機進行拆解后檢查活塞安裝正確、無并口的問題，且無異常磨損痕跡。為進一步排除其它部件問題，進一步進行了零部件匹配互換，缸蓋、缸體、活塞互換等排查，最終故障零件鎖定為活塞環(huán)組件，初步分析是由于主要漏氣通道的尺寸參數(shù)存在問題。根據(jù)以上排查，樣件質(zhì)量、裝配和環(huán)境均無異常，重點懷疑為活塞環(huán)及其配合參數(shù)不合理，導(dǎo)致活塞竄氣量大。

3? 活塞環(huán)組漏氣因素分析

多位學(xué)者曾研究分析了活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)及參數(shù)對竄氣量的影響。其中，郝志勇等采用數(shù)值仿真與正交設(shè)計相結(jié)合的方法，通過調(diào)整活塞環(huán)開口間隙位置、合理分配環(huán)岸壓力有效降低了竄氣量[2];雷基林等建立了活塞環(huán)組的動力學(xué)模型，研究了在活塞環(huán)組運行過程中，經(jīng)由各間隙的竄氣量，結(jié)果表明竄氣量與一環(huán)、二環(huán)的間隙具有顯著的線性關(guān)系[3];S.N.KURBET分析活塞環(huán)及活塞的運動特性，并通過迭代法計算了曲軸旋轉(zhuǎn)720°過程中的機油耗和竄氣量[4]。上述多位學(xué)者的研究表明了活塞環(huán)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計參數(shù)對竄氣量具有顯著影響。

3.1 活塞環(huán)組動力學(xué)模型建立及其驗證

該發(fā)動機的活塞環(huán)組動力學(xué)模型如圖3所示，建立活塞環(huán)組動力學(xué)模型，模型中包括活塞、活塞銷、連桿、氣缸襯套、活塞環(huán)組（包括一環(huán)、二環(huán)以及彈簧內(nèi)撐式油環(huán)）。并對該模型進行如下假設(shè)：①僅考慮在主推力面和次推力面所構(gòu)成的平面內(nèi)的活塞運動;②僅考慮發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速工況，即忽略轉(zhuǎn)速不均勻?qū)钊h(huán)組的影響;③采用有限元縮減模型法建立活塞、襯套的彈性體模型，而連桿、曲軸、活塞銷和軸承均采用剛性體單元環(huán)，并忽略各鉸連接的間隙。

為充分考慮活塞、活塞環(huán)及襯套的熱態(tài)，首先以測量得到的活塞溫度場（如表2所示）作為熱載荷，并根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)，計算襯套及活塞的熱態(tài)輪廓，如圖4所示。

3.2 模型的驗證

為驗證所建立的活塞環(huán)組動力學(xué)模型，采用試驗對比分析法，使用測試用發(fā)動機相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，使用該模型進行漏氣量計算。得到其額定轉(zhuǎn)速2600rpm下漏氣量為2.78L/min。對比圖2中漏氣量測試數(shù)據(jù)，兩者之間相差為4.7%;該偏差表明計算模型可以用于指導(dǎo)開展優(yōu)化設(shè)計。分析測試漏氣量偏大的原因可能是由于機油油霧混入所導(dǎo)致的測試數(shù)據(jù)偏差。

4? 活塞參數(shù)影響試驗設(shè)計分析

4.1 漏氣量影響因素正交試驗分析

活塞環(huán)組漏氣通道主要有三個，如圖5所示。

①活塞環(huán)與環(huán)槽所形成側(cè)隙和背隙;

②活塞環(huán)外圓面與缸套內(nèi)表面之間;

③活塞環(huán)開口間隙。

通過對漏氣通道的分析可以看出，活塞環(huán)安裝后的開口間隙、活塞環(huán)安裝彈力、活塞配缸間隙、活塞環(huán)側(cè)隙及背隙是漏氣和機油消耗的主要通道，因此重點考慮上述因素對漏氣量的影響，分別對上述參數(shù)取三參數(shù)水平，所設(shè)計的正交試驗表見表3所示。其中：？啄1、？啄2分別為一環(huán)、二環(huán)開口間隙; F1、F2分別為一環(huán)、二環(huán)切線彈力;Dp1、Dp2分別為環(huán)槽一、環(huán)槽二的槽深度;Sc1、Sc2分別為一環(huán)、二環(huán)的側(cè)隙。

分別對表中27個虛擬試驗進行計算，根據(jù)漏氣量響應(yīng)計算各因素作用下的漏氣量響應(yīng)極差，得到？啄1，？啄2，Sc1，Sc2，Dp1，F(xiàn)2為對漏氣量影響較大的因素。為進一步分析影響較大的5個關(guān)鍵因素對漏氣量的影響趨勢及影響機理，針對5個關(guān)鍵因素開展進一步虛擬試驗分析。（表4）

對漏氣量響應(yīng)與5個關(guān)鍵參數(shù)與漏氣量響應(yīng)之間的關(guān)系進行二階次多項式擬合，得到其交互二階回歸模型為：

b=9.6×10-6;

K=[85.7 0.4 -1.1 6.2 -55.0 38.4 -0.1 -6.4 12.6 2.0 5.6 0.8 0.0 3.7 -10.3]×10-6

K=[85.70.4-1.16.2-55.038.4-0.1-6.4 12.62.05.60.80.03.7

-10.3]×10-6;

對模型進行顯著性檢驗，利用測定系數(shù)R2和校正測定系數(shù)Ra來評估模型的逼近程度，這兩個系數(shù)分別為0.975和0.934，其棄真概率p=6.897e-6。這說明回歸模型與仿真結(jié)果具有較高的相關(guān)性，即實驗數(shù)據(jù)的變異可以用計算得到的回歸模型來解釋。對各參數(shù)對漏氣量響應(yīng)的線性顯著性進行T檢驗，從T檢驗結(jié)果表中可以看出，與漏氣量響應(yīng)關(guān)系線性顯著的變量為？啄1（p=2.37e-12）、？啄2（p=0.0053）、Dp1（p=0.051）及Sc2（p=0.139），這四個變量對漏氣量的影響較為顯著;而F2（p=0.772）對漏氣量的影響相對較小。尤其是一環(huán)間隙與漏氣量之間表現(xiàn)了較為顯著的線性特征。以上關(guān)鍵變量與漏氣量的曲面響應(yīng)圖如圖6所示。

從曲面響應(yīng)圖中可以看出漏氣量隨著一環(huán)與二環(huán)開口間隙的增大而增大。這是由于一環(huán)和二環(huán)是作為氣體的主要密封環(huán)，其主要作用就是阻止氣體下行，開口間隙增大了氣體下行的流通通道，引起了漏氣量的變化。

4.2 一環(huán)開口間隙對漏氣量影響分析

為進一步分析一環(huán)開口間隙對漏氣量的影響及其機理，在其它參數(shù)不變的條件下，分別對一環(huán)開口間隙取0.175mm、0.25mm、0.35mm、0.45mm、0.525mm，得到不同開口間隙條件下漏氣量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖6所示。隨著開口間隙的增大，漏氣量明顯呈現(xiàn)增大的趨勢，漏氣量均值分別為0.488L/min、0.762L/min、1.24L/min、1.65 L/min和2.27 L/min，漏氣量增大了4倍。

根據(jù)相關(guān)文獻[5]推薦，自然吸氣柴油機漏氣量限值的經(jīng)驗計算公式為：

Q=0.0021·L·n

式中L為發(fā)動機排量;n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

該限值比《汽車發(fā)動機定型試驗規(guī)程》所規(guī)定的“12倍排量”更加嚴(yán)格，這符合發(fā)動機技術(shù)進步及環(huán)保要求提升的趨勢。根據(jù)該推薦公式，本文所研究柴油機設(shè)計目標(biāo)的漏氣量限值為2.2L/min，可見隨著活塞環(huán)開口間隙增大到0.55mm時，漏氣量已超過推薦漏氣量限值。

觀察隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的整個漏氣量曲線，可以看出當(dāng)一環(huán)開口？啄1<0.35mm時，漏氣量曲線呈現(xiàn)單峰值特性;但是當(dāng)一環(huán)開口？啄1=0.45mm時，漏氣量曲線呈現(xiàn)低峰值、多峰特性，這表明不僅做功沖程，即使在壓縮沖程由于活塞環(huán)開口間隙的增加也導(dǎo)致了較為明顯的漏氣，并因此使得做功沖程的漏氣量峰值點降低且時間延后。

觀察第二環(huán)岸的氣體壓力可以明顯看出，漏氣量增大導(dǎo)致第二環(huán)岸的氣體壓力增加，也因此由于一環(huán)上下氣體壓力差值的減小，導(dǎo)致一環(huán)的懸浮，如圖9所示。在做功沖程的活塞環(huán)懸浮，進一步加大了漏氣通道1的漏氣，因此從圖中也以看到漏氣量的大幅度增加。（圖7、圖8）

4.3 二環(huán)開口間隙對漏氣量影響分析

在一環(huán)開口不變的前提下，調(diào)整二環(huán)開口間隙，從漏氣量的變化中可以看出，漏氣量隨著二環(huán)開口間隙的增大，漏氣量也隨之逐步增大，其平均漏氣量也從0.25mm二環(huán)間隙時的1.06L/min增加到0.65mm二環(huán)間隙時的1.25L/min，其漏氣量增大了18%。由此可見，其對漏氣量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一環(huán)開口間隙對漏氣量的影響。另外，二環(huán)岸的氣壓值隨著二環(huán)開口間隙的增大而減小，這主要是因為經(jīng)由一環(huán)下行到第二環(huán)岸的氣體，在較大的二環(huán)開口間隙下，可以有效下行，而當(dāng)二環(huán)開口間隙較小的時候無法形成有效的下行通道，由此導(dǎo)致二環(huán)岸的氣壓值增大。（圖10、圖11）

4.4 一環(huán)環(huán)槽深度對漏氣量的影響

在正交虛擬試驗結(jié)果中，可以看出一環(huán)的環(huán)槽深度可以很大程度上影響漏氣量，這主要是影響漏氣通道1的氣體過流面積。分別取一環(huán)的活塞環(huán)槽深為-5.5mm、-5.0mm、

-4.5mm、-4.0mm和-3.5mm，從中可以看出，一環(huán)活塞環(huán)深度對漏氣量的影響比一環(huán)和二環(huán)開口間隙要小很多，這也符合正交試驗的回歸模型。其對漏氣量的影響主要是在進氣沖程內(nèi)，此時由于活塞環(huán)懸浮，因此活塞環(huán)槽的深度增加相當(dāng)于加大了漏氣通道1的氣體過流面積，在曲軸轉(zhuǎn)角300-450°的漏氣量局部放大圖如圖12所示，而且此過程中的漏氣主要以空氣為主，基本不影響發(fā)動機的環(huán)保性能。

5? 虛擬試驗研究結(jié)論

通過對虛擬試驗結(jié)果的分析表明：

①一環(huán)、二環(huán)開口間隙對漏氣量的影響最為顯著，而其它參與試驗的因素對漏氣量的影響與一環(huán)、二環(huán)開口間隙相比較小;

②第一環(huán)岸間隙對漏氣量的影響最大，其間隙值從0.175mm增大到0.55mm，漏氣量增加高達4倍;而二環(huán)間隙從0.25mm增大到0.55mm，漏氣量增加約17.5%。同時分析顯示，一環(huán)和二環(huán)間隙需要彼此結(jié)合考慮才能發(fā)揮更好的效果，如果經(jīng)由一環(huán)下行的氣體在二環(huán)處被過多節(jié)流，則會導(dǎo)致一環(huán)在一個周期內(nèi)兩次懸浮，不利于活塞環(huán)與環(huán)槽的配合，甚至導(dǎo)致異常的磨損。從分析數(shù)據(jù)來看，活塞環(huán)開口越小則漏氣量越小，但是過小的活塞環(huán)在熱膨脹條件下又容易導(dǎo)致頂口的危險，因此一般采用2-3mm作為其開口間隙值。

③環(huán)槽深度對總漏氣量的影響十分有限，其平均漏氣量隨著環(huán)槽深度的改變僅變化4.0%。從上述分析中可以看出，活塞環(huán)、活塞及襯套之間的配合尺寸應(yīng)重點細(xì)化設(shè)計，盡可能減小竄氣通道。另活塞竄氣量作為整機系統(tǒng)參數(shù)，影響因素很多，發(fā)生問題時，要根據(jù)實際情況，進行全面排查，首先找到故障源頭，確定故障零件，再進行有效改進。

6? 改進參數(shù)測試驗證

為驗證虛擬試驗分析結(jié)論，采用試驗分析得到的最佳參數(shù)組合與原方案進行對比，重新裝配2臺發(fā)動機（發(fā)動機參數(shù)調(diào)整如表5所示）。在完成磨合試驗后，對竄氣量進行測試驗證，得到竄氣量試驗結(jié)果如圖13所示。

從圖13中可以看出發(fā)動機的竄氣量得到了明顯改善。拆機檢測，活塞環(huán)無異常磨損、卡滯等故障。改進后活塞環(huán)已經(jīng)設(shè)計定型。

參考文獻：

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