探討幾何形狀對(duì)摩擦功率的影響

在道路交通運(yùn)輸中降低CO2排放的途徑，除了部分與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的效率有關(guān)之外，還有一個(gè)關(guān)鍵因素是通過(guò)降低摩擦損失以提高內(nèi)燃機(jī)效率。馬勒（Mahle）公司的試驗(yàn)研究表明，在該方面優(yōu)化活塞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)尚有一定潛力，其主要集中在諸如裙部面積、活塞結(jié)構(gòu)剛度和活塞形狀等有關(guān)活塞裙部幾何形狀的設(shè)計(jì)上。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn) 活塞裙部幾何形狀 摩擦功率

1汽油機(jī)摩擦功率的試驗(yàn)研究

通過(guò)在一臺(tái)轎車(chē)汽油機(jī)上進(jìn)行摩擦功率的系統(tǒng)測(cè)量來(lái)研究活塞組的各種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及其與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的摩擦損失之間的相互影響，并且在某些特定情況下與一臺(tái)轎車(chē)柴油機(jī)上所獲得的相應(yīng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。本文介紹迄今為止針對(duì)活塞裙部的試驗(yàn)研究成果。

活塞必須承受由曲柄連桿機(jī)構(gòu)作用于氣缸壁面并在活塞裙部表面所產(chǎn)生的側(cè)壓力，同時(shí)在中間行程范圍內(nèi)使活塞達(dá)到較高的速度，其對(duì)潤(rùn)滑油產(chǎn)生了剪切力，從而引起了流體動(dòng)力學(xué)損失，這樣就在活塞裙部與氣缸工作表面之間產(chǎn)生了不容小視的摩擦損失，因此應(yīng)通過(guò)活塞裙部表面積和結(jié)構(gòu)剛度的變化以及優(yōu)化活塞形狀來(lái)研究活塞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與摩擦特性之間的相互影響。為了進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用了一臺(tái)額定功率為147 kW和飛濺冷卻鋁活塞的4缸汽油機(jī)。

2測(cè)量和評(píng)價(jià)方法

為了有針對(duì)性地優(yōu)化活塞組，必須了解發(fā)動(dòng)機(jī)在著火運(yùn)行時(shí)其整個(gè)特性曲線場(chǎng)內(nèi)的摩擦特性信息，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用示功圖的方法進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在任何運(yùn)行工況點(diǎn)的平均摩擦壓力由平均指示壓力與平均有效壓力之間的差值確定。除了精確的扭矩測(cè)量之外，還要特別注意氣缸壓力信號(hào)對(duì)上止點(diǎn)進(jìn)行精確定位的高品質(zhì)示功圖。為了確?？捎糜谒袦y(cè)量條件，因此確保發(fā)動(dòng)機(jī)在不帶輔助設(shè)備的狀態(tài)下運(yùn)行，而發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、冷卻液、燃油和環(huán)境空氣等狀態(tài)則要進(jìn)行精確控制。每種方案都要按規(guī)定程序進(jìn)行裝配和測(cè)量，根據(jù)規(guī)定要求首先將所有部件進(jìn)行充分磨合，接著再按照統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)開(kāi)展多次重復(fù)特性曲線場(chǎng)測(cè)量。按照該類(lèi)方式為每種發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)測(cè)量出具有其自身特征的平均摩擦壓力特性曲線場(chǎng)。通過(guò)比較不同方案的平均摩擦壓力特性曲線場(chǎng)，就能得出其所采取的措施對(duì)摩擦特性的影響。此外，為了使其更一目了然，采用了統(tǒng)一的色標(biāo)。最后，借助于簡(jiǎn)化的模擬模型和每種方案所獲得的平均摩擦壓力特性曲線場(chǎng)，即可確定不同行駛循環(huán)下的燃油耗及其CO2排放。通過(guò)這些試驗(yàn)結(jié)果的比較就能預(yù)測(cè)由摩擦所決定的可將CO2排放降低的潛在數(shù)值。

3活塞裙部面積的影響

為了描述流體動(dòng)力學(xué)在活塞裙部上產(chǎn)生的摩擦力,可以應(yīng)用牛頓剪切應(yīng)力并進(jìn)行假設(shè),通過(guò)剪切應(yīng)力對(duì)活塞裙部有效面積的積分來(lái)描述摩擦力的數(shù)值，同時(shí)用潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及油膜厚度來(lái)描繪剪切應(yīng)力的特性。通過(guò)減小活塞裙部的面積期望產(chǎn)生相應(yīng)較小的流體動(dòng)力學(xué)摩擦損失，但不可過(guò)度減小潤(rùn)滑油膜的厚度或增大混合摩擦份額。

活塞裙部承壓面積不僅在壓力側(cè)（DS）而且在壓力對(duì)側(cè)（GDS）可相互獨(dú)立地在“寬”和“窄”之間變化，圖1相應(yīng)示出了這些變化的方案。其各自的承壓面積用紅色表示，并且在統(tǒng)一的活塞形狀基礎(chǔ)上僅通過(guò)裙部側(cè)邊的收縮來(lái)改變其承壓面積的大小，在這四種方案中活塞裙部的剛度是相同的，以此可確保測(cè)量結(jié)果僅表明活塞裙部承壓面積變化的效果。選擇以測(cè)算DS和GDS裙部承壓面積的方式作為基本方案。減小兩側(cè)承壓面積會(huì)得到如圖2（左）所示的平均摩擦壓力差值特性曲線場(chǎng)。在低負(fù)荷區(qū)域平均摩擦壓力降低的優(yōu)勢(shì)最多可達(dá)到0.006MPa，隨著負(fù)荷增大該類(lèi)優(yōu)勢(shì)逐漸減小，直到高負(fù)荷區(qū)域活塞裙部承壓面積減小即會(huì)對(duì)摩擦帶來(lái)不利的影響，此外較難看出轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦所產(chǎn)生的實(shí)際影響。

圖1 活塞裙部承壓面積變化圖示

圖2 活塞裙部單側(cè)和雙側(cè)承壓面積減小的

平均摩擦壓力差值特性曲線場(chǎng)與

裙部承壓面積寬的基本方案的比較

（發(fā)動(dòng)機(jī)溫度100℃，摩擦優(yōu)勢(shì)用綠色表示）

與此相反，僅DS單側(cè)減小裙部承壓面積幾乎在整個(gè)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)顯示出降低摩擦的優(yōu)勢(shì)（圖2中圖），最多降低平均摩擦壓力差值約0.005 Mpa，同時(shí)該差值也是在低負(fù)荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的，不過(guò)在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷區(qū)域的摩擦特性與基本方案的差異并不大。

GDS單側(cè)減小裙部承壓面積的摩擦現(xiàn)象呈現(xiàn)出與此非常相似的特性，如圖2（右）所示，在該情況下大部分運(yùn)行區(qū)域也顯示出降低摩擦的優(yōu)勢(shì)，其中高負(fù)荷時(shí)摩擦變化不大的區(qū)域則逐漸移向更高的轉(zhuǎn)速。

首先假定隨著活塞裙部承壓面積的減小，流體動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的活塞組摩擦損失逐漸降低，該現(xiàn)象至少目前能被低負(fù)荷運(yùn)行狀況所證實(shí)。當(dāng)然，DS和GDS較窄的方案活塞裙部承壓面積明顯減小，因高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)混合摩擦狀態(tài)可能使表面接觸壓力增大，就會(huì)顯示出在摩擦方面的劣勢(shì)。尤其是在低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域摩擦損失較小，對(duì)于所有使活塞裙部承壓面積減小的方案，新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的CO2排放都明顯較低。

4活塞裙部剛度的影響

由于如今正向不斷提高氣缸峰值壓力的方向發(fā)展，因而對(duì)提高機(jī)械負(fù)荷的重視程度也在日益提升。滿足此類(lèi)要求往往需要提高結(jié)構(gòu)剛度，因此對(duì)于活塞結(jié)構(gòu)剛度與相應(yīng)的摩擦特性之間可能存在的關(guān)聯(lián)會(huì)有較高的關(guān)注度。該試驗(yàn)選擇窄DS和寬GDS活塞作為基本方案，其由于活塞裙部支承面較寬而呈現(xiàn)相對(duì)較低的剛度，而對(duì)于提高裙部剛度的方案則將改變活塞裙部的支承面積，如圖3所示，其中兩種方案的承壓面和活塞形狀保持不變。從圖4上可看出提高活塞結(jié)構(gòu)剛度對(duì)摩擦特性的影響。剛性結(jié)構(gòu)型式在整個(gè)特性曲線場(chǎng)的摩擦損失有所增大，在中等轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)顯示出高達(dá)0.007 MPa的平均摩擦壓力差值，而在低平均指示壓力和適度活塞側(cè)壓力情況下剛性結(jié)構(gòu)型式活塞就顯得較為不利?；钊共颗c氣缸工作表面之間的模擬表面壓力分布即已表明，在低負(fù)荷工況運(yùn)行情況下，在活塞壁面封閉連接范圍內(nèi)出現(xiàn)了局部的過(guò)高壓力，因此推測(cè)混合摩擦份額增加是摩擦增大的重要原因。從這個(gè)角度來(lái)看，有必要單獨(dú)開(kāi)展優(yōu)化活塞幾何形狀的試驗(yàn)研究。

圖3 活塞裙部剛度變化圖示

圖4 在保持活塞裙部承壓范圍尺寸不變的

情況下提高活塞結(jié)構(gòu)剛度的

平均摩擦壓力差值特性曲線場(chǎng)

（溫度100℃，綠色表示降低摩擦的優(yōu)勢(shì)）

5活塞幾何形狀的影響

在剛性結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上，將兩種優(yōu)化活塞形狀的方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。將至此所介紹的統(tǒng)一使用的活塞形狀作為摩擦尚未得以?xún)?yōu)化的方案。首先應(yīng)用的活塞形狀優(yōu)化計(jì)算方法是以降低在活塞裙部的高負(fù)荷表面壓力為基礎(chǔ)的，為此確定了DS和GDS上的不同橢圓度的結(jié)合方式。在圖5中這種方案被稱(chēng)為“第一級(jí)優(yōu)化”。

圖5 活塞形狀變化圖示

被稱(chēng)為“第二級(jí)優(yōu)化”的方案是一種建立在第一級(jí)基礎(chǔ)上的方法。在活塞裙部的兩個(gè)工作表面上，活塞形狀是在整個(gè)寬度上通過(guò)三維疊加而上升的，因此對(duì)活塞行程期間的機(jī)油輸送會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的影響，并支持其在活塞裙部建立起流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑油膜。圖5右圖示出了裙部母線，該曲線是通過(guò)對(duì)垂直于形狀疊加上升方向的測(cè)量而得到的。

與原始狀態(tài)相比，采用“第一級(jí)表面優(yōu)化”可使平均摩擦壓力的降低值達(dá)到0.011 MPa,相應(yīng)的平均摩擦壓力差值示于圖6（左），其在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)就具備值得重視的低摩擦效果。在該效果的基礎(chǔ)上，再對(duì)以疊加形式附加的形狀元素進(jìn)行第二級(jí)優(yōu)化即可顯示出其進(jìn)一步降低摩擦的優(yōu)勢(shì)，如圖6（右）所示，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)降低摩擦的效果為0.004 MPa，隨著負(fù)荷的增大降低摩擦的效果最多可達(dá)0.01 MPa。

圖6 在保持活塞裙部剛度不變情況下

優(yōu)化活塞形狀的平均摩擦

壓力差值特性曲線場(chǎng)

6所尋找到的相互關(guān)系的圖解

圖7示出了所選擇的各種不同方案與發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦之間的定性關(guān)系，其中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性曲線場(chǎng)被劃分成4個(gè)區(qū)域。方案1～4表示了活塞裙部承壓面積的分布變化，從方案3～5可看出活塞結(jié)構(gòu)剛度的變化，而方案5～7則描述了活塞形狀變化的試驗(yàn)結(jié)果。為了使其顯示得更為清晰，圖例中無(wú)變化的相同屬性則采用直線標(biāo)出。

圖7 裙部面積、裙部剛度和活塞形狀對(duì)

活塞組摩擦損失影響的圖解

DS和GDS裙部承壓面積與發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦之間的累計(jì)關(guān)系（假設(shè)活塞形狀和剛度相同）可用一條虛線勾勒出來(lái)。在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷范圍內(nèi)，適當(dāng)減小活塞裙部承壓面積就能實(shí)現(xiàn)降低摩擦的效果，而面積減少本身與是在DS還是在GDS上無(wú)關(guān)。在發(fā)動(dòng)機(jī)以低負(fù)荷工況進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，進(jìn)一步減小活塞裙部承壓面積對(duì)改善摩擦的效果已然微不足道。當(dāng)然，在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷情況下采用減小裙部?jī)蓚?cè)面積的方案就顯得較為不利，而適當(dāng)減小裙部面積的方案即使在高負(fù)荷下對(duì)降低摩擦也會(huì)較為有利。如果出于運(yùn)行穩(wěn)定性的原因需使活塞結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，那么在保持活塞裙部表面狀況不變的情況下，該現(xiàn)象首先會(huì)導(dǎo)致整個(gè)特性曲線場(chǎng)中摩擦特性方面的缺陷，但是對(duì)活塞形狀的適當(dāng)優(yōu)化卻能在整個(gè)特性曲線場(chǎng)中充分補(bǔ)償因較高的結(jié)構(gòu)剛度導(dǎo)致的摩擦過(guò)高的缺陷，同時(shí)能顯著降低局部過(guò)高的表面壓力，并能有針對(duì)性地改善活塞裙部的潤(rùn)滑狀況。

7降低排放潛力及與其他措施的比

在各種不同試驗(yàn)循環(huán)中摩擦降低CO2排放的潛力的計(jì)算結(jié)果如表1所示。在所有試驗(yàn)方案中，減小活塞裙部承壓面積在低負(fù)荷或零負(fù)荷情況下顯示出有利的降低平均摩擦壓力的潛力，因此采用該方案可實(shí)現(xiàn)將近2g/km相對(duì)較大的降低CO2排放標(biāo)準(zhǔn)。提高活塞結(jié)構(gòu)剛度及其相應(yīng)的摩擦狀況，會(huì)導(dǎo)致CO2排放增加了約1.8 g/km。采用適當(dāng)?shù)幕钊共繖E圓度優(yōu)化活塞形狀可顯示出2.4 g/km的最近CO2排放降低值，此外采用疊加組合的活塞裙部廓線還能使CO2排放進(jìn)一步降低，達(dá)1.5 g/km。

下一步應(yīng)對(duì)試驗(yàn)中所采用的方案措施降低平均摩擦壓力的最大潛力進(jìn)行比較，為此考察了發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行特性曲線場(chǎng)中的最大差值。圖8中的柱狀圖示出了在各種不同運(yùn)行工況點(diǎn)所達(dá)到的最大差值的相應(yīng)排列順序，顯然對(duì)活塞形狀的優(yōu)化過(guò)程中需加大活塞裝配間隙或活塞銷(xiāo)座一樣顯示出較高的降低平均摩擦壓力的潛力，同時(shí)其中活塞裙部承壓面積大小僅顯示出相對(duì)較小的影響。而這些在NEDC試驗(yàn)循環(huán)中對(duì)降低CO2排放潛力產(chǎn)生影響的排列順序則導(dǎo)致了完全不同的參數(shù)權(quán)重，活塞裙部上的試驗(yàn)措施具有更為顯著的影響（圖9）。與此相對(duì)，需要根據(jù)要求對(duì)開(kāi)展優(yōu)化而要采取的措施進(jìn)行區(qū)分。

圖8 在試驗(yàn)汽油機(jī)上各種措施降低

平均摩擦壓力的潛力

（整個(gè)特性曲線場(chǎng)中的最大值，

發(fā)動(dòng)機(jī)溫度50～100℃）

圖9 在試驗(yàn)汽油機(jī)上各種措施NEDC

試驗(yàn)循環(huán)中降低CO2排放的潛力

表1 所研究的措施在不同試驗(yàn)循環(huán)中降低CO2排放的潛力

8結(jié)論和展望

在參數(shù)研究框架下能夠測(cè)試活塞裙部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)活塞組摩擦狀況的影響，同時(shí)減小活塞裙部承壓面積特別是在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能顯著降低摩擦損失。根據(jù)模擬計(jì)算考察，該現(xiàn)象歸因于較小的流體動(dòng)力學(xué)摩擦，當(dāng)然也存在其相應(yīng)缺點(diǎn)，選擇較小的裙部承壓面積在高負(fù)荷時(shí)會(huì)增大混合摩擦的份額而使摩擦損失增加。出于強(qiáng)度原因需要較高的活塞結(jié)構(gòu)剛度，在活塞裙部承壓面積大小和活塞形狀保持不變的情況下首先會(huì)在整個(gè)特性曲線場(chǎng)中導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦增大。當(dāng)然，適當(dāng)優(yōu)化活塞形狀就能夠充分地補(bǔ)償這些缺點(diǎn)。在這些關(guān)系中，優(yōu)化活塞形狀同樣也是活塞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的因素。