探討幾何形狀對摩擦功率的影響

在道路交通運輸中降低CO2排放的途徑，除了部分與動力傳動系統(tǒng)的效率有關(guān)之外，還有一個關(guān)鍵因素是通過降低摩擦損失以提高內(nèi)燃機效率。馬勒（Mahle）公司的試驗研究表明，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)計上。

關(guān)鍵詞：汽油機 運轉(zhuǎn) 活塞裙部幾何形狀 摩擦功率

1汽油機摩擦功率的試驗研究

通過在一臺轎車汽油機上進行摩擦功率的系統(tǒng)測量來研究活塞組的各種結(jié)構(gòu)特點，及其與發(fā)動機實際運行中產(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轎車柴油機上所獲得的相應(yīng)測量結(jié)果進行比較。本文介紹迄今為止針對活塞裙部的試驗研究成果。

活塞必須承受由曲柄連桿機構(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，同時在中間行程范圍內(nèi)使活塞達到較高的速度，其對潤滑油產(chǎn)生了剪切力，從而引起了流體動力學(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)化活塞形狀來研究活塞組結(jié)構(gòu)設(shè)計與摩擦特性之間的相互影響。為了進行測量，應(yīng)用了一臺額定功率為147 kW和飛濺冷卻鋁活塞的4缸汽油機。

2測量和評價方法

為了有針對性地優(yōu)化活塞組，必須了解發(fā)動機在著火運行時其整個特性曲線場內(nèi)的摩擦特性信息，因此在發(fā)動機上采用示功圖的方法進行測量，此時發(fā)動機在任何運行工況點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。除了精確的扭矩測量之外，還要特別注意氣缸壓力信號對上止點進行精確定位的高品質(zhì)示功圖。為了確?？捎糜谒袦y量條件，因此確保發(fā)動機在不帶輔助設(shè)備的狀態(tài)下運行，而發(fā)動機機油、冷卻液、燃油和環(huán)境空氣等狀態(tài)則要進行精確控制。每種方案都要按規(guī)定程序進行裝配和測量，根據(jù)規(guī)定要求首先將所有部件進行充分磨合，接著再按照統(tǒng)計學(xué)試驗開展多次重復(fù)特性曲線場測量。按照該類方式為每種發(fā)動機結(jié)構(gòu)測量出具有其自身特征的平均摩擦壓力特性曲線場。通過比較不同方案的平均摩擦壓力特性曲線場，就能得出其所采取的措施對摩擦特性的影響。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，即可確定不同行駛循環(huán)下的燃油耗及其CO2排放。通過這些試驗結(jié)果的比較就能預(yù)測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)力并進行假設(shè),通過剪切應(yīng)力對活塞裙部有效面積的積分來描述摩擦力的數(shù)值，同時用潤滑油的動力粘度、運動狀態(tài)以及油膜厚度來描繪剪切應(yīng)力的特性。通過減小活塞裙部的面積期望產(chǎn)生相應(yīng)較小的流體動力學(xué)摩擦損失，但不可過度減小潤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）而且在壓力對側(cè)（GDS）可相互獨立地在“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)上僅通過裙部側(cè)邊的收縮來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，以此可確保測量結(jié)果僅表明活塞裙部承壓面積變化的效果。選擇以測算DS和GDS裙部承壓面積的方式作為基本方案。減小兩側(cè)承壓面積會得到如圖2（左）所示的平均摩擦壓力差值特性曲線場。在低負荷區(qū)域平均摩擦壓力降低的優(yōu)勢最多可達到0.006MPa，隨著負荷增大該類優(yōu)勢逐漸減小，直到高負荷區(qū)域活塞裙部承壓面積減小即會對摩擦帶來不利的影響，此外較難看出轉(zhuǎn)速對摩擦所產(chǎn)生的實際影響。

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與

裙部承壓面積寬的基本方案的比較

（發(fā)動機溫度100℃，摩擦優(yōu)勢用綠色表示）

與此相反，僅DS單側(cè)減小裙部承壓面積幾乎在整個特性曲線場范圍內(nèi)顯示出降低摩擦的優(yōu)勢（圖2中圖），最多降低平均摩擦壓力差值約0.005 Mpa，同時該差值也是在低負荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的，不過在低轉(zhuǎn)速高負荷區(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行區(qū)域也顯示出降低摩擦的優(yōu)勢，其中高負荷時摩擦變化不大的區(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荷運行狀況所證實。當(dāng)然，DS和GDS較窄的方案活塞裙部承壓面積明顯減小，因高負荷運行時混合摩擦狀態(tài)可能使表面接觸壓力增大，就會顯示出在摩擦方面的劣勢。尤其是在低負荷運行區(qū)域摩擦損失較小，對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，因而對提高機械負荷的重視程度也在日益提升。滿足此類要求往往需要提高結(jié)構(gòu)剛度，因此對于活塞結(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)會有較高的關(guān)注度。該試驗選擇窄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)相對較低的剛度，而對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)剛度對摩擦特性的影響。剛性結(jié)構(gòu)型式在整個特性曲線場的摩擦損失有所增大，在中等轉(zhuǎn)速和負荷時顯示出高達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，在低負荷工況運行情況下，在活塞壁面封閉連接范圍內(nèi)出現(xiàn)了局部的過高壓力，因此推測混合摩擦份額增加是摩擦增大的重要原因。從這個角度來看，有必要單獨開展優(yōu)化活塞幾何形狀的試驗研究。

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

（溫度100℃，綠色表示降低摩擦的優(yōu)勢）

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)合起來進行試驗研究。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優(yōu)化的方案。首先應(yīng)用的活塞形狀優(yōu)化計算方法是以降低在活塞裙部的高負荷表面壓力為基礎(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中這種方案被稱為“第一級優(yōu)化”。

圖5 活塞形狀變化圖示

被稱為“第二級優(yōu)化”的方案是一種建立在第一級基礎(chǔ)上的方法。在活塞裙部的兩個工作表面上，活塞形狀是在整個寬度上通過三維疊加而上升的，因此對活塞行程期間的機油輸送會產(chǎn)生獨特的影響，并支持其在活塞裙部建立起流體動力學(xué)潤滑油膜。圖5右圖示出了裙部母線，該曲線是通過對垂直于形狀疊加上升方向的測量而得到的。

與原始狀態(tài)相比，采用“第一級表面優(yōu)化”可使平均摩擦壓力的降低值達到0.011 MPa,相應(yīng)的平均摩擦壓力差值示于圖6（左），其在發(fā)動機低負荷時就具備值得重視的低摩擦效果。在該效果的基礎(chǔ)上，再對以疊加形式附加的形狀元素進行第二級優(yōu)化即可顯示出其進一步降低摩擦的優(yōu)勢，如圖6（右）所示，在低負荷運行時降低摩擦的效果為0.004 MPa，隨著負荷的增大降低摩擦的效果最多可達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

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)動機摩擦之間的定性關(guān)系，其中發(fā)動機運行特性曲線場被劃分成4個區(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結(jié)果。為了使其顯示得更為清晰，圖例中無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

活塞組摩擦損失影響的圖解

DS和GDS裙部承壓面積與發(fā)動機摩擦之間的累計關(guān)系（假設(shè)活塞形狀和剛度相同）可用一條虛線勾勒出來。在發(fā)動機低負荷范圍內(nèi)，適當(dāng)減小活塞裙部承壓面積就能實現(xiàn)降低摩擦的效果，而面積減少本身與是在DS還是在GDS上無關(guān)。在發(fā)動機以低負荷工況進行運行時，進一步減小活塞裙部承壓面積對改善摩擦的效果已然微不足道。當(dāng)然，在發(fā)動機高負荷情況下采用減小裙部兩側(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荷下對降低摩擦也會較為有利。如果出于運行穩(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)象首先會導(dǎo)致整個特性曲線場中摩擦特性方面的缺陷，但是對活塞形狀的適當(dāng)優(yōu)化卻能在整個特性曲線場中充分補償因較高的結(jié)構(gòu)剛度導(dǎo)致的摩擦過高的缺陷，同時能顯著降低局部過高的表面壓力，并能有針對性地改善活塞裙部的潤滑狀況。

7降低排放潛力及與其他措施的比

在各種不同試驗循環(huán)中摩擦降低CO2排放的潛力的計算結(jié)果如表1所示。在所有試驗方案中，減小活塞裙部承壓面積在低負荷或零負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現(xiàn)將近2g/km相對較大的降低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排放進一步降低，達1.5 g/km。

下一步應(yīng)對試驗中所采用的方案措施降低平均摩擦壓力的最大潛力進行比較，為此考察了發(fā)動機整個運行特性曲線場中的最大差值。圖8中的柱狀圖示出了在各種不同運行工況點所達到的最大差值的相應(yīng)排列順序，顯然對活塞形狀的優(yōu)化過程中需加大活塞裝配間隙或活塞銷座一樣顯示出較高的降低平均摩擦壓力的潛力，同時其中活塞裙部承壓面積大小僅顯示出相對較小的影響。而這些在NEDC試驗循環(huán)中對降低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，活塞裙部上的試驗措施具有更為顯著的影響（圖9）。與此相對，需要根據(jù)要求對開展優(yōu)化而要采取的措施進行區(qū)分。

圖8 在試驗汽油機上各種措施降低

平均摩擦壓力的潛力

（整個特性曲線場中的最大值，

發(fā)動機溫度50～100℃）

圖9 在試驗汽油機上各種措施NEDC

試驗循環(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)研究框架下能夠測試活塞裙部結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對活塞組摩擦狀況的影響，同時減小活塞裙部承壓面積特別是在部分負荷運行時能顯著降低摩擦損失。根據(jù)模擬計算考察，該現(xiàn)象歸因于較小的流體動力學(xué)摩擦，當(dāng)然也存在其相應(yīng)缺點，選擇較小的裙部承壓面積在高負荷時會增大混合摩擦的份額而使摩擦損失增加。出于強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在整個特性曲線場中導(dǎo)致發(fā)動機摩擦增大。當(dāng)然，適當(dāng)優(yōu)化活塞形狀就能夠充分地補償這些缺點。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)計中的一個重要的因素。