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利用微凹状网纹处理降低气孔-活塞环间的摩擦

文章出处:NLP199 人气:发表时间:2018-06-20 19:41

0前言

  活塞环是安装在活塞周边的小型零件(图1),一般汽车用户并不会意识到活塞环的存在,但若没有活塞环,发动机就无法正常运转。

  活塞环与气缸孔(气缸套)的工作环境特别苛刻,一方面暴露在高温、高压的燃烧气体中,另一方面要求其工作寿命中要耐受几亿次行程的滑动运动。润滑油在确保这种耐久性方面起到巨大作用,但若过量地供给润滑油,则会导致机油流入燃烧室,未燃的机油流入排气管,造成催化器损坏,产生颗粒物排放增加及废气排放性能降低。为了防止这类问题发生,应保证活塞环紧贴在气缸孔内圆面上,以可靠地刮落多余的机油;但若活塞环张力过大,则活塞环与气缸孔之间的滑动摩擦力加大,燃油经济性降低。在活塞环-气缸孔的设计上要求满足这种互相矛盾的需求。

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  活塞环与气缸孔间的摩擦力在发动机的总摩擦力中占25%~50%,其占比很大。利用摩擦降低技术以可明显改善燃油经济性。在此背景下,众多学者对降低摩擦损失提出了许多建议,取得了一些成果,但近年来研究面临瓶颈。

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  研究小组提出了气缸孔用的降低摩擦处理的新方法(以下称为“微凹处理”,将进行了这种处理的气缸孔称为“微凹气缸套”)。这种处理表面上接近普通微型花式(网纹)处理的工艺,但结构上原理不同。由于在气缸孔内圆表面处理上使微凹的形状(类似于人脸上的笑窝)和处理范围等最佳化,获得了显著的效果。限于篇幅,本文仅介绍本微凹处理概况,归纳该处理的基本原理和具体方法。

 

  1活塞环(组)-气缸孔润滑的特征与降低摩擦方法

  1.1活塞环-气缸孔的滑动面设计与润滑状态

  通常,润滑状态与摩擦力的关系,可以归纳为图2的斯氏(斯特劳伊贝克)曲线。图2中横轴为斯氏指数,是与油膜厚度密切关联的数值,反映了润滑状态的指标。通常流体润滑区域的摩擦力最小,针对活塞环、气缸孔滑动表面形状及材料进行设计,以保证发动机可以良好运转。面向流体润滑的过渡,是油膜形成状态自身条件。在活塞环-气缸孔情况下,油膜厚度通常为微米数量级,受滑动表面的粗糙度及形状影响,可能导致润滑油并不向流体润滑区域过渡(图2中虚线),可能造成无法降低摩擦的情况。对于这种滑动面形状,表面粗糙度因素在斯氏指数中并没有反映出来,而斯氏曲线的形状随着滑动表面形状、表面粗糙度而出现较大的变化,所以必须给予重视。

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  由滑动表面形状可知,活塞环是非常合适的,经初期磨合试运转后,自然地形成图3所示的适合流体润滑的圆柱状。形成这种形状的原因尚不明确,但古浜先生的动态流体润滑理论中对滑动表面形状、油膜厚度、摩擦力等有详细说明,可供参考。

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  1.2活塞环的润滑状态

  另一项研究内容是由于活塞环润滑而产生的有特征的现象,即速度。活塞环随着活塞往复运动,在上止点和下止点速度为零,而在上、下止点之间的行程中部,即使发动机怠速运转,活塞环仍具有一定的滑动速度。另外,燃烧压力对润滑状态影响巨大,但仅限于压缩行程的后期与膨胀行程的前期。活塞环一方面具有滑动速度,一方面承受压力,所以在速度为零的上、下止点斯氏指数并非极端地变小。各活塞环不同于活塞位置时的斯氏指数见图4。图4(a)的曲线是通过单件试验装置得到的油环斯氏线图。从图4可知,各活塞环除上、下止点外都形成充分的流体润滑。由此可知摩擦力非常大的油环因为未受到燃烧压力的影响,所以基本在稳定的大的斯氏指数范围运转。

  活塞环能够在广泛的运转范围利用流体润滑。流体润滑中滑动零件悬浮在润滑油膜上,所以摩擦力小,磨损也小,不需要昂贵的表面处理。要实现流体润滑,首先应有相关的对策。

 

  2微凹处理降低摩擦的原理

  2.1流体润滑部的降低摩擦方法

  通过活塞环-气缸孔的流体润滑实现降低摩擦后,若需进一步降低摩擦,可从降低流体润滑部的摩擦入手。

  流体润滑的摩擦力是润滑油的剪切阻力(黏性摩擦)。该剪切阻力等于黏度、速度与面积的乘积除以油膜厚度。其中,能够靠活塞环、气缸的设计改变的参数只有面积。也就是说,变更形状,缩小滑动面积,能有效的降低摩擦。而降低活塞环的摩擦也采用这种方法。一般情况下,缩小滑动面积常用的做法是缩小活塞环的轴向宽度,但在上、下止点的斯氏指数减少区域(即油膜厚度变薄的区域),由于润滑条件严峻程度增加,减小活塞环的轴向宽度也有限度。综合考虑,只能在行程中部高速的情况下,在确保充分的油膜厚度的区域中改进,即削减气缸孔中央部的面积,本文中将介绍实现这种措施的微凹处理缸套。

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  2.2适应于气缸孔面积的削减

  为降低气缸孔的摩擦,多采用改变网纹角度(如珩磨的网纹角)的方法。通常情况下,气缸的内圆面(工作表面)通过珩磨加工留下“斜向网纹”的切削加工痕迹,通过改变网纹角度,以确保储油量,形成油压,使储油性等最佳化,从而改善摩擦(图5)。

  若扩大网纹角度(如设定为180°),形成接近槽及花键轴的形状,能够实现滑动面积的缩小,但同时槽的形状造成压缩气体泄漏,不能保障发动机运转。基于此,提出沿上、下方向间断开,呈交错式布置的微凹状加工形状。

  3微凹处理气缸套的具体方法

  图6归纳了微凹处理的概况。需要进行工艺上的调整,以便在获得可靠的降低摩擦的效果同时,不会对活塞环窜气、机油消耗、磨损等气缸孔的基本性能产生不利影响。

  3.1微凹的直径和形状

  考虑到对于窜气的影响,使微凹直径比第1道环h1尺寸小,使得第1道环在任何位置均能够在微凹上形成遮盖的同时保持运动,由此避免了活塞环窜气,不会妨碍燃烧压力的密封功能。

  微凹的最理想的形状为面积率稳定的六角形,但从适合批量生产性考虑,设定为圆形。

  3.2布置和面积率

  为确保减小摩擦的效果,使滑动面积减为一半,设定微凹(即储油凹坑)的专有面积为50%。加大专有面积(即减小与活塞环的接触面积),其降低摩擦效果越大;若极端地减小滑动面积,则会导致表面压力过大,不能确保油膜厚度,反而使摩擦力加大。

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  3.3微凹深度和处理范围

  微凹是深度为几个微米的凹坑,微凹以外的部分(图6)与活塞环接触并相对滑动。若微凹过深,则因为气缸孔内圆周面储存的润滑油量增加,造成机油消耗量增加;若凹坑过浅,则失去降低摩擦的效果。

  摩擦距离的处理范围越长,对改善燃油经济性越有利。通过微凹处理后,表面压力变成2倍,所以有必要维持流体润滑。研究中结合图4确定处理范围。另外,第1道环在上止点附近受燃烧压力的影响,磨损多,所以应该避开该部位,为此处理范围定为靠近下止点侧(见图6(b))。若从摩擦力最大的油环滑动范围看,掌控行程中部(作为处理范围),能够发挥较好的效果。

 

  4 微凹处理气缸套的降低燃油耗效果

  4.1单件评价

  图7为利用单件摩擦试验装置测定摩擦力的结果。试验所用油环为卡车用大型柴油机的油环(表1)。通常情况下,活塞上安装多个活塞环(组),其中油环的表面压力最高,不利于形成油膜,但从图7观察可知,平均有效摩擦压力(FMEP)降低了17%。其他活塞环表面压力较低,认为可以较为可靠地形成油膜,能够期待获得与油环同样的效果。因为汽油机用的活塞环(组)表面压力低,所以应该也可以获得减摩效果。

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  4.2原理的确认

  近年来,研究中盛行的微型网纹处理(花式处理)效应[4]具有如下特征:由于滑动表面的微细三维形状及滑动的动态效应而产生油膜压力,扩展2个摩擦表面的相对距离。

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  本文介绍的微凹处理削减滑动面积,所以如图8的单件试验结果所示,油膜变薄,降低摩擦效果的原理非常简单,就是削减剪切油膜的面积。可认为微凹部分以失去压力为宜,微凹以外的滑动部的油膜压力仍会增加。

  4.3微凹处理气缸套改善燃油耗效果

  表1为按照重型车燃油耗基准[5]评价燃油耗的结果。重型车燃油耗基准,是根据实体发动机的试验台的性能试验结果作出发动机转速、负荷和燃油消耗量的曲线图,以此为基础推断运行工况燃油耗的方法。即便在车辆质量、变速器技术规格等不同的情况下,应用本基准也能比较和评价发动机的燃油耗性能,亦能够对标准规格的车辆燃油耗进行比较。表1中的重型车TT1表示将排量13L的大型发动机配装在卡车上时的燃油耗,轻型车T2意味着配装4L发动机的载重质量1.5~2.0t的卡车的结果。根据评价结果可知,燃油耗整体改善效果明显。

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  另外,如表1所示,载重质量小的车辆装搭载小型、高转速型发动机时,对应的燃油耗改善效果也很明显。这是因为通过降低摩擦,改善了燃油耗的特征。平均负荷率小且黏性摩擦影响较大的高转速工况下能够期待获得良好的效果。因此,在乘用车及双轮车用的汽油机方面,可以期待获得更好的效果。

 

  5 对于发动机基本性能的影响

  如前文所述,应兼顾活塞环、气缸孔的各项功能,即便细微的改动(指对活塞环、气缸内圆周面的变更),也很有可能对发动机性能、耐久性等产生重大影响。本研究中微凹处理也对此给予了最大限度的关注。

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  从活塞环窜气看,夹住第1道环的燃烧室与第2道环顶岸的压力差特别重要,该压力差决定窜气量。如图9所示,微凹处理避开其压力差大的区域,并结合图6的微凹处理和h1尺寸的关系,可知本处理工艺对窜气无影响。

  从磨损看,活塞环滑动表面、气缸孔都没有问题,这是因为微凹处理避开了斯氏指数小的区域(图4)。

  机油消耗量与微凹深度有大的关系,从微凹的某一深度开始,机油用量急剧增加。为了避免这一问题,有必要对全部的数以万计的微凹坑进行均匀加工。

  活塞裙部与微凹接触,但只有微凹部加工了微米级的深凹坑,除此之外,其他部分与未处理的气缸套相同,所以活塞动态并没有改变。活塞的侧向力,经过微凹处理后表面压力变成2倍,但并未观测到活塞裙部磨损增加的实例,也没有发现燃油耗增加的实例。

 

  6结论

  本文中介绍了用微凹状花式处理工艺有效地降低活塞环-气缸孔间摩擦力的方法,改善了发动机的燃油经济性。研究获得以下结论:

  (1)通过活塞环-气缸孔合理设计可具有能够利用流体润滑的要素。利用流体润滑能够以较低成本降低摩擦。

  (2)活塞环-气缸孔的滑动属于流体润滑,且活塞具有往复运动的特性,在气缸孔内圆周面中部进行微凹处理,能够有效地降低摩擦。

  (3)进行微凹处理的气缸孔改善燃油经济性的效果显著,可降低柴油机0.7%~3.2%的燃油耗。

  (4)活塞环窜气、润滑油消耗、活塞环磨损等问题,可以采取适当选择微凹处理范围等措施解决。

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