内燃机缸套失圆对缸内机油消耗的影响.pdf

第 4 7 卷第 2期 2 0 1 1 年1 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 47 N O 2 J a n 2011 DoI l O 39 01 JM E 20 1 1 O 2 1 2 3 内燃机缸套失圆对缸内机油消耗 的影响木 王 虎 孙 军 赵小勇 桂长林 合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥2 3 0 0 0 9 摘要 以某 4缸 4冲程内燃机缸套一活塞环摩擦副为研究对象 考虑实际工况下缸套内壁的非圆周向轮廓 研究缸套失圆对 缸内机油耗的影响 计算活塞环与失圆缸套之间油膜厚度沿截面圆周方向的分布 然后分析缸内机油消耗的主要途径 建立 润滑油缸内消耗的数学模型 计算失圆缸套的缸内机油耗 并通过与理想圆形缸套机油耗的比较 讨论分析失圆缸套对机油 耗的影响 结果表 明 失圆缸 套与活塞 环之间润滑油膜厚度的周 向分布呈现 明显 的非均匀性 总体而言 失 圆缸套 的不 同截 面油膜周向均值较对应的理想圆形缸套的油膜厚度大一些 失圆缸套通过活塞环与缸套之间刮油作用 惯性甩油和开口间隙 上窜而带来的润滑油消耗量大于理想圆形缸套的机油消耗量 考虑缸套失圆计算的机油耗更接近与实际机油耗 缸套失圆是 内燃机机油耗计算中不可忽略的一个重要因素 关键词 缸套失圆缸内机油消耗油膜非均匀周向分布 中图分类号 T H1 1 Ef f e c t o f No n c ir c u l a r Cy l in de r Bo r e o n Oil Co n s u m p t io n in Cy l in d e r o f t he Eng ine WANG Hu SUN J un ZHAO Xia o yo ng GUI Ch a ng l in S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Au t o mo b il e E n g i n e e r i n g He f e i Un iv e r s i t y o f T e c h n o l o g y H e f e i 2 3 0 0 0 9 Ab s t r a c t T h e p is t o n r in g a n d c y l in d e r o f a f o u r s t r o k e f o ur c y l in d e r e n g i n e is t a k e n a s t h e r e s e a r c h o b j e c t A s t u d y o n e ff e c t o f n o n c i r c u l a r c y l i n d e r b o r e o n o i l c o n s u mp ti o n i n c y l i n d e r is c a r r ie d o u t t a k i n g in t o a c c o u n t t h e n o n c i r c u l a r i t y o f t h e c y l i n d e r b o r e u n d e r r e a l wo r k in g c o n d i t i o n Th e o i l fil m t h ic k n e s s b e t we e n p is t o n ri n g a n d n o n c ir c u l a r c y l i nd e r is fir s t l y c a l c u l a t e d T h e n ma j o r o i l c o n s um p t i o n p a t t e r n s are i d e n t ifi e d a n d c h a r a c t e r iz e d A n um e r ic a l mo d e l t o c a l c u l a t e o il c o n s u mp t io n in c y l i n d e r i s p r o p o s e d an d d e mo n s t r a t e d Co mp are d with t h e o il c o n s ump t io n i n t h e id e a l r o un d c y l in d e r b o r e the e ffe c t o f n o n c ir c u l a r c y l in d e r b o r e o n o il c o n s u mp t io n is d is c u s s e d Re s u l t s in d ic a t e tha t n o n un if o r m di s t ri b u t io n o f the fi l m t h ic k n e s s b e tw e e n p is t o n r in g an d c y l in d e r a l o n g t h e c ir c u mf e r e n t ia l d ir e c t io n is q u it e r e m a r k a b l e Ov e r a l l c o mp a r e d with tha t be tw e e n p is t o n ri n g a n d id e a l r o un d c y l in d e r me a n v a l u e o f o i l fi l m t h ic kn e s s a l o n g c i r c u mf e r e n t ia l d i re c t io n b e tw e e n p is t o n r in g a n d n o n c i r c u l ar c y l i nd e r b o r e i s b ig g e r Th e a mo u n t O f o i l s c r a p p e d b y t o p r i n g t h r o wn b y i n e r t ia l f o r c e o r p u s h e d b y r e v e r s e d g a s p r e s s ure i n n o n c i r c u l ar c y l i nd e r is b i g g e r tha n t h e c o r r e s p o n d i n g o n e i n i d e a l r o u n d c y l i nd e r Th e o il c o n s u mp ti o n c a l c u l a t io n c o n s i d e ri n g n o n c i r c u l ar c y l in d e r b o r e is mu c h c l o s e r t o the r e a l o n e No n c i r c u l a r ity o f t h e c y l i nd e r b o r e p l a y s a v e r y i mp o r t a n t r o l e i n o i l c o n s um p t i o n c a l c u l a t io n a n d s h o u l d n o t b e n e gl e c t e d Ke y wo r d s No n c i rc u l ar c y l in d e r b o r e Oil c o n s u mp t io n in c y l i nd e r No n u n if o r m d is t r i b u t io n o f o i l fi l m t h ic kn e s s a l o n g c i r c u mf e r e n t i a l d i r e c t io n 0 前言 发动机润滑油 的消耗 分为正常消耗 与非正常 消耗 正常消耗主要集中在气缸 内 气阀导管和涡 国家 自然 科学 基金 资助项 目 5 0 9 7 5 0 7 3 2 0 1 0 0 6 2 3 收到 初稿 2 0 1 0 1 1 1 8收到修改稿 轮轴密封及 曲轴箱通风等处 非正常消耗主要因加 工 零部件装配等原因造成 据统计资料显示 发 动机缸 内润滑油消耗量 占总润滑油消耗量的绝大部 分 高达 9 0 以上 而通过活塞环组 的润滑油上窜 是缸内机油消耗的主要来源l 卜 引 影 响 内燃机缸 内 机油 消耗 的因素主要有缸 套变形 活塞环 厚度 活塞开 口大小及位置 内燃机运 行工况 以及机 油 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 2 4 机械工程学报 第 4 7 卷第 2期 压 力和机 油 品质等 虽然 缸 套 的失 圆变 形对 机 油 耗 的影 响很 大 但 在 以往 的研 究文献 中 大 多假设缸套仍保持理想圆形或定性分析 试验测 量缸套变形失圆的机油耗 4 6 也有些文献考虑 了 非 圆缸套 但缸套假设 为规律性简单轮廓 考 虑 实际工 况缸套 变形 失 圆对机 油耗 影 响的文献 很少 9 o 本研究考虑 实际工况 下缸套 内径 的周 向非 圆 轮廓 在计算活塞环与失圆缸套之间油膜厚度周向 分布的基础上 建立了失圆缸套下缸 内机油耗主要 消耗途径的计算模型 并通过与理想圆形缸套下的 机油耗的对 比和实测验证 探讨了缸套失圆对缸内 机油耗的定量影响 1 失圆缸套油膜厚度 的周 向分布 1 1 失圆缸套的油膜厚度描述 考虑缸套 失圆的活塞环一 缸套润滑油膜形成 描述示意如图 1 所示 缸套轮 廓曲线 未调整位 置前的活 塞环圆心 图 I 失 圆缸套的活塞环位置变化及油膜厚度 周向分布 失圆缸套轮廓为 C 活塞环 的原始位 置为 足 1 两者的圆心同为 O 此时半径可分别表示 为 和 R 同时R 也是缸套 的设计半径 缸套径 向变形的数据 A R R R o 1 在本身弹性张紧力的作用下 活塞环在失圆缸 套轮廓内重新调整到新的初始平衡位置 活塞环圆 心位置由原来的位置 0移动到新的位置 D 此时的 活塞环位置与缸套轮廓的位置确定了缸套与活塞环 之间油膜厚度周 向分布的初始计算值 A S O C r 2 随后在活塞环本身张紧力 气体压力和油膜压 力产生的支反力共同作用下 活塞环发生变形 最 终达到平衡位置 一 此时活塞环的变形表述为 A r O 一 3 变形后两者之间的间隙即为活塞环与失 圆缸 套之间的油膜厚度周向分布 8 0 c o 一 4 1 2 失圆缸套下的活塞环变形平衡条件 活塞环在本身弹性张紧力 气体压力 油膜支 反力等共 同作用下的变形与油膜厚度周向分布直接 相关 失圆缸套下的活塞环变形力学平衡条件描述 如下 图 2中 F为作用在活塞环梁的均布载荷 包括活塞环弹性张紧力 产生的径 向弹力 和燃气压 力 F 为由油膜而产生的油膜支反力 图 2 活塞环梁 的力 学平衡示意图 计算中将 活塞 环从开 口间隙端沿 圆周方 向展 开为活塞环直梁 失圆缸套作同样处理展开为支撑 轮廓 计算初始阶段 活塞环梁两端与支撑轮廓之 间的间隙为按理想 圆形缸套计算的最小油膜厚度 活塞环梁分成若干小单元 单元总数为 m n 个 变形后的活塞环梁如图 l 所示 依据其变形大 小将活塞环分为 5个区域 分别表示为 E 如上 所述 在 C E区域 内 设此区域内单元总数为 m 由于油膜厚度小于最小油膜厚度 则总体的合 力表现为向上的活塞环粱的支反力 支反力的合力 l F 一 5 百 区域 D 的活塞环梁油膜厚度大于最小油膜 厚度 此区域单元总数为 n 合力表现为向下作用 在活塞环上力 F D 6 i l i 1 由此可以推出活塞环梁的力学平衡条件 F e 7 1 3 计算思路和计算流程 活塞环梁在载荷的作用下 一方面为获得足够 多的支反力 活塞环梁会发生整体的移动 进而减 小整体润滑油膜的厚度 此种移动即为 同时各 支撑点之间的活塞环梁会在局部不平衡力的作用下 发生局部变形 这两种变形后的活塞环最终达到 力平衡 而油膜厚度的表达式为 f 8 0 f 一 4 i 一 8 2 f 8 式中 f 表示离散后的每个单元 为缸套与活塞环 之间的初始油膜厚度 此为调整位置后的活塞环与 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 1 年 1月 王虎等 内燃机缸套失圆对缸内机油消耗的影响 缸套 内壁之间的初始间隙加上最小油膜厚度 1 所示 如 图 M E L g 计算 中不考虑活塞 环在环槽 内的扭 曲等三维 变形及轴向的浮动 认为活塞环的变形只在圆周中 心线形成的横截面内发生 活塞环与缸套之间保持 良好的润滑状态 两者之 间充满润滑油 将活塞环 的变形过程分解为局部变形和整体移动两步分别进 行 活塞环与缸套之 间润滑油膜膜厚与压力的关系 采 用 P a t ir C h e n g 的平均流量模 型和 Gr e e n wo o d T r i p p微凸体接触模型来求解 多支点的活塞环梁变 形求解采用连续梁三弯矩方程 数值求解思路如下所述 将活塞环梁通过变形 达到力学平衡 的计算分两步来进行 首先 以最小油 膜厚度为支撑点的厚度界限 最开始为活塞环梁的 两端作为支撑 两端的油膜厚度为最小油膜厚度 通过加载足够小的载荷步求得支点间活塞环梁的变 形 进而求得新的油膜厚度 获得新的油膜压力 在此基础上获得新的剩余载荷 即初始外载荷减去 油膜压力产生的支反力 判 断新的支撑点后重复前 面的计算过程 直至已加外载荷 的总量刚刚超过剩 余载荷 然后进入活塞环梁整体移动的迭代计算过 程 通过足够多的迭代步计算 直至外载荷的剩余 值总量足够小并趋近于零为止 2 失圆缸套机油耗计算数学模型 缸 内机 油消耗的主要途径 有活塞环 的刮油作 用 泵油作用 惯性甩 油作用 以及缸壁 的机油蒸发 作用 活塞环开 口间隙的机油上窜作用而带来的机 油消耗 其中缸套失圆对活塞环的泵油作用和缸壁 的机油蒸发作用而带来机油消耗影响很小 本文不 作讨论 考虑缸套失 圆后的活塞环与缸套 之间的最小 油膜厚度分布可表示为 9 式中 为某 曲轴转角下 活塞环 缸套截面圆周 方向角度 取值范围为 0 3 6 0 0为曲轴转角 取值范围为 0 7 2 0 o 2 1 活塞环上行刮油计算模型 活塞环 的上行刮油量在 一个工作循环 内分 为 吸气与压缩冲程 的刮油量和膨胀和排气冲程的刮油 量两部分 分别称为压缩行程刮油量 Mc和排气冲 程刮油量 ME 表达如式 1 0 1 1 所示 Mc 7 v D R 一 g f o a o 2 O d o d a 10 e O d d O 0 d q d O 式中 DR 分别为活塞直径和活塞环开口间隙 2 2 活塞环惯性甩油计算模型 活塞环与缸套 内壁面之间的润滑油流量 g可表 示为 q ZS g g 1 2 2 2 4 t g 式中 活塞环与缸套壁面之间的油膜厚度 ao to l c o s s i n 2 0 I 发动机 曲轴的角速度 P 润滑油密度 v 活塞速度 V r s inO 1 s i n2 2 J g 重力加速度 润滑油粘度 g 一 润滑油粘性力带来 的流量 9 惯性力带来的润滑油流量 g 是润滑油 由于粘性力带来的润滑油流量 来 源于油膜厚度在上下行过程中的差异产生的润滑油 的刮油量 如第 2 1节所述 g 则是由于惯性力的 作用使得润滑油在顶环上死点处被甩进燃烧室的部 分 首先根据活塞的加速度 口 p r c o s O 2 c o s 2 0 0 求 得加速 度 为 0 时 的 瞌轴转 角 临界边界值 O o 5 0 6 2 然 后将 其代 入式 1 3 求 得惯性 甩 油量 M a tq ad P 3 d i p rco c o s 0 2 13 2 3 开 口间隙机油上窜计算模型 气体在特定 曲轴转角下 的逆向流动会带动 润滑油 的油气混合物进入 燃烧 室 带来润滑 油通 过 开 口间 隙 的上 窜损 失 气体 通 过开 I 2 1 间隙流 动 一般看 作等熵小孔 流动 当 p D P o时 气体 的质量 流量估算过程如 下 m 当 P u 时 气 体 的 质 量 流 量 i 14 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 2 8 机械工程学报 第 4 7卷第 2期 入活塞环上端面的现象 若以小时为单位计量 第二缸理想圆形缸套和 失圆缸套 的机油耗分别为 4 7 0 8 g 缸 h 8 4 2 9 缸 h 两者相差近 1 倍 可见缸套的失圆对顶 环的刮油量影响显著 3 2 2 惯性甩油带来的机油耗分析 图 7为理想圆形缸套和变形失圆缸套顶环往复 惯性力带来的耗油量比较 图 左右两 图分别为每个 工作循环和每个小时第二缸顶环惯性力的甩油耗油 量 具体数据如表 3所示 厂 皇 豳 厂 表 3 两种缸套第二缸顶环甩油耗油量数值表m 缸1 从图 7和表 3可以看 出 活塞顶环往复惯性力 会在排气冲程与进气冲程的上死点附近产生相应的 润滑油甩油量 带来一定的机油耗 但 由于润滑油 膜厚度的差异 变形失圆缸套的甩油量要远远大于 理想圆形缸套的甩油量 从数值的大小上比较 一 个工作循环下 理想圆形缸套由于往复惯性力带来 的甩油量仅为 4 1 2 6 5 1 0 mL 而变形失圆缸套 的相应数值却高达 3 6 2 7 1 1 0 mL 相差近 9 倍 若以每小时的润滑油消耗量来计算的话 两者相应 的数值分别达到 0 0 0 7 9 2 2 8 m L和 0 0 6 9 6 4 m L 这 相当于每小时润滑油消耗质量为 7 mg和 6 2 mg 3 2 3 活塞环开口间隙上窜机油量分析 图 8 为理想圆形缸套和变形失圆缸套顶环开 口 间隙的变化 曲线比较 图 图 9为失圆缸套和理想圆 皇 g 鬣 星 失圆缸套活塞环开口间隙变化曲线 一 一 一 一一一 一 理想圆形缸套活塞环开口间隙变化曲线 9 0 1 8 O 2 7 0 3 6 0 4 5 0 5 4 0 6 3 0 7 2 0 曲轴转角 图 8 两种缸套项环开口间隙变化曲线比较图 形缸套通过开 口间隙的润滑油上窜油量比较 图 具 体数值如表 4所示 婚 2 5 2 0 g 1 5 1 0 0 5 栅0 要 圆形缸套 失圆缸套 图 9 两种缸套通过顶环开 口间隙的耗油量比较 图 表 4 两种缸套下通过开口间隙的机油量数值表m 缸 从图 8可 以看出 理想圆形缸套活塞环开口间 隙是固定不变的 此机型的数值为 0 4 mil l 而变形 失圆缸套的活塞环开 口间隙却随着 曲轴转角的变化 而变化 总体来说 由于在活塞环行程范围内的缸 套总体向外膨胀变形 所以失圆缸套的开口间隙比 理想圆形缸套的开口间隙大 在一个工作循环中 失圆缸套的开口间隙最大值为 0 8 4 5 l l l n l 最小值为 0 6 3 8 rain 开 口间隙的差异必然带来通过开 口间隙 上窜油量的差异 从图 9和表 4可以看出 由于开口间隙的差异 带来了通过开口间隙的上窜油量的较大差异 首先 从一个工作循环的上窜油量的差异看 变形失圆缸 套通过开 口间隙的上窜油量达到 2 1 0 1 1 l O 6 mL 而理想圆形缸套的数值仅为 6 2 4 4 6 X 1 0 7 mL 两 者相差 1 4 7 6 6 4 1 0 m L 变形失圆缸套导致了通 过开 口间隙的上窜油量带来机油耗的显著增加 从 每 个 小 时 的数 值 来 看 理 想 圆 形 缸 套 的数 值 0 0 5 9 9 4 8 mL 而失圆缸套的数值为 0 2 0 1 7 1 m L 相当于失圆缸套和理想圆形缸套的每小时第二缸通 过开口间隙的机油耗质量分别为 1 8 0 5 mg 和 5 0 mg 4 试验测试数据验证 对此机型内燃机进行 6 h机油耗测试 测试采 用称重法 试验前放入机油 2 5 5 5 6 g 试验后放出 机油 2 5 2 9 I g 6 h的机油消耗总量为 2 6 5 g 假设 每缸机油消耗量相 同 按机油耗 9 0 为缸内机油耗 计算 则每缸每小时的机油耗总量为 9 9 3 7 5 g 通过第 3节计算分析 失圆缸套和理想圆形缸 套的机油耗总量为每缸每小时 8 6 7 1 5 g和 4 7 6 5 g 综合考虑未计入其 中的缸壁油膜蒸发和活塞环的泵 4 3 2 0 一 一 c E2 一 一 捌磊 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 1 年 1月 王虎等 内燃机缸套失圆对缸内机油消耗的影响 1 2 9 油消耗可以看出 计及缸套失圆的机油耗更接近实 际机油消耗量 缸套失圆是机油消耗计算中不可忽 略的一个重要影响因素 5 结论 1 失圆缸套最小油膜厚度截面均值 比相应的 理想 圆形缸套的最小油膜厚度数值大 失圆缸套的 最小油膜厚度的最大值和变化范 围明显比理想 圆形 缸套的相应值高 必然影响活塞环一缸套这对摩擦 副产生的机油耗 2 活塞环在压缩行程 中出现刮油现象 而在 排气冲程中未出现刮油现象 第二缸理想 圆形缸套 和失圆缸套的机油耗分别为 4 7 0 8 g 缸 h 8 4 2 9 缸 h 相差近 1 倍 3 由于润滑油膜厚度的差异 失圆缸套下的 甩油量要远远大于理想圆形缸套下的甩油量 每小 时通过惯性甩油消耗 的第 二缸机油质 量分别为 6 2 mg和 7 mg 4 失圆缸套的活塞环 开 口间隙比理想圆形缸 套要大 每小时通过第二缸顶环开 口间隙的上窜油 量分别为 1 8 0 5 mg和 5 0mg 5 计及缸套失圆的机油耗计算更接近实际的 内燃机机油消耗 缸套失圆是内燃机机油耗计算中 不可忽略的一个重要 因素 参考文献 1 R A BU T E R T I A N C h a l l e n g e s i n v o l v e d i n p i s t o n t o p rin g d e s i g n s f o r mo d e m S I e n g in e s J J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g f o r Ga s T u r b i n e s a n d P o we r 2 0 0 1 1 2 3 2 4 4 8 4 5 9 2 T I A N D y n a mic b e h a v io r s o f p is t o n rin g s a n d t h e ir p r a ct ica l imp a ct p a r t h Rin g fl u t t e r a n d r in g co l l a p s e a n d t h e i r e ff e ct s o n g a s fl o w a n d o i l t r a n s p o r t J J o u r n a l o f E n g in e e rin g T r i b o l o g y 2 0 0 2 2 1 6 4 2 0 9 2 2 7 3 T I A N T i a n Dy n a mi c b e h a v io r s o f p is t o n tin g s and t h e i r p r a ct ica l i mp a ct p a r t I h Oi l t r a n s p o r t f r i ct i o n and we a l o f ri n g l i n e r i n t e r f a ce and the e ffe ct s o f p i s t o n a n d r i n g d y n a mics J J o u rna l o f E n g in e e r in g T r ib o l o g y 2 0 0 2 2 1 6 4 2 2 9 2 4 7 4 T HI R O UA R D B C h a r a ct e ri z a tio n a n d mo d e l i n g o f the f u n d a me n t a l a s p e ct s o f o i l t r a n s p o r t in t h e p i s t o n ri n g p a ck o f i n t e r n a l co mb u s t i o n e n g i n e s D C a mb r i d g e Ma s s a ch u s e t t s I n s t i t u t e o f T e ch n o l o g y 2 0 01 5 L I J I MA N S AK U RA I T AK I GU C HI M e t a 1 A n e x p e ri me n tal s tud y o n r e l a t io n s h i p b e t we e n l u b ri c a t i ng o il co n s u mp t io n a n d cy l in d e r b o r e d e f o r ma t io n in co n v e n t io n a l g a s o l in e e n g in e J S AE I n t e rna t io n a l J o u r n a l o f E n g in e 2 0 0 9 2 1 1 0 6 1 1 3 6 E R T A N Y S o u r ce s and ch a r a ct e r i s t ics o f o i l co n s u mp t i o n in a s p a r k i g n i t i o n e n g in e D C am b ri d g e Ma s s a ch u s e tt s I n s t i tut e o f T e chn o l o gy 2 0 0 3 7 HI D E S HI H K A T S U YU KI N MAS A HAR U K e t a 1 S tud y o n me ch an i s m o f l u b r i ca t i n g o i l co n s u mp t io n ca u s e d b y cy l i n d e r b o r e d e f o r ma t io n J S A E T r a n s a ct