關(guān)于利用高負(fù)荷噴油系統(tǒng)組件減摩的應(yīng)用

提高噴油壓力需要有效且有針對(duì)性地設(shè)計(jì)噴油系統(tǒng)組件。APL公司開發(fā)了將仿真和試驗(yàn)結(jié)合在一起的工具，以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在流體動(dòng)壓接觸方面的摩擦損失和耐磨損性能。

1提高噴油壓力

當(dāng)前和未來動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)重點(diǎn)是努力實(shí)現(xiàn)最大效率，并最大限度地減少排放。因此，不管是針對(duì)柴油機(jī)還是直噴式汽油機(jī)，提升噴油壓力是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率并降低污染物排放(尤其是顆粒物(PM)排放)的有效方式。幾年前，乘用車用柴油機(jī)和直噴式汽油機(jī)的最大噴油壓力分別低于200 MPa和15 MPa，而如今量產(chǎn)的柴油機(jī)和直噴式汽油機(jī)的最大噴油壓力已分別達(dá)到250 MPa和35 MPa。隨著采用更貼近現(xiàn)實(shí)的全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)和實(shí)際行駛排放法規(guī)(RDE)循環(huán)工況等，以及滿足更嚴(yán)格的排放限值要求，柴油機(jī)和汽油機(jī)的噴油壓力將不斷提高。預(yù)計(jì)在不久的將來，柴油機(jī)和直噴式汽油機(jī)的噴油壓力將分別達(dá)到300 MPa和50 MPa。

圖1 噴油壓力對(duì)油滴大小分布和

噴霧噴射的影響

通過提高噴油壓力，可以更早達(dá)到規(guī)定的噴入燃燒室噴霧的貫穿深度和燃油質(zhì)量，如圖1(a)所示。這意味著即使在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，噴油方式更為多樣化。這樣可有效控制燃燒過程，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和排放。噴油壓力的提高，除了影響噴霧噴射的形狀和速度之外，還能顯著改善混合物形成和油滴大小分布(圖1(b))。當(dāng)快速蒸發(fā)的表面積-體積比的小油滴增多，同時(shí)減少較大的油滴，能有效抑制碳煙生成。此外，采用索特平均直徑D32來量化噴霧質(zhì)量。在提高噴油壓力時(shí)必須避免不必要的組件接觸，以及與油膜的相互影響。

2柴油機(jī)高壓泵計(jì)算

提高噴油壓力還意味著產(chǎn)生壓力的零部件所承載的負(fù)荷增大。高壓噴油泵要承受來自燃油的較高壓力。在行程和柱塞直徑不變的情況下，柱塞端面上的最大正向力隨著所需的最大噴油壓力而線性增加。這也增大了泵內(nèi)其他部件的壓力，從而增加了摩擦接觸中的摩擦力。對(duì)此，下文將針對(duì)介質(zhì)潤(rùn)滑的柴油機(jī)高壓泵(通過集成式凸輪軸和作為傳動(dòng)元件的滾輪組件實(shí)現(xiàn)柱塞運(yùn)動(dòng))，以噴油壓力從200 MPa提高到300 MPa為例進(jìn)行分析。

彈性動(dòng)力軸承的表面參數(shù)取決于制造質(zhì)量，對(duì)該軸承的彈性多體系統(tǒng)進(jìn)行初始計(jì)算，得出軸彎曲(由柱塞力和正時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷曲線引起)所造成的凸輪軸軸承邊緣處的混合摩擦集中區(qū)域。在實(shí)際運(yùn)行中，這些邊緣在運(yùn)行開始的前幾個(gè)小時(shí)就被消除，形成1個(gè)更具流體動(dòng)力效果的表面。通過進(jìn)一步開發(fā)參考文獻(xiàn)提出的基于能量的磨損預(yù)測(cè)工具，就可以根據(jù)表面參數(shù)和材料對(duì)徑向滑動(dòng)軸承磨損進(jìn)行基于時(shí)間和表面情況的分析。

柴油機(jī)高壓泵軸承磨損的關(guān)鍵運(yùn)行區(qū)域處于轉(zhuǎn)速最低時(shí)，這時(shí)的燃油管道承受著最高壓力?；谶@一假設(shè)，計(jì)算出當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的軸承運(yùn)行等高線。當(dāng)磨損率接近定值時(shí)，磨合完成。圖2為計(jì)算運(yùn)行磨損后得到的凸輪軸軸承磨損程度等高線圖。基于最大壓力200 MPa時(shí)的實(shí)際噴油壓力的點(diǎn)火控制曲線(MAP)圖，進(jìn)一步計(jì)算生成摩擦MAP圖的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷點(diǎn)工況(圖3)。

圖2 軸承A和B區(qū)域在轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)的

運(yùn)行等高線圖

圖3 最大噴油壓力為200 MPa時(shí)的

摩擦MAP圖

圖4示出轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)各個(gè)摩擦接觸點(diǎn)的總摩擦功分布。由壓縮產(chǎn)生的活塞壓力垂直作用于滾子軸承和凸輪軸軸承?；钊麑?dǎo)向裝置和挺柱導(dǎo)套承受著較小的橫向力。與滾輪相比，凸輪軸以較低的速度且相對(duì)較大的軸承間隙旋轉(zhuǎn)，因此流體動(dòng)力負(fù)荷能力較低。由此使得凸輪軸軸承的接觸摩擦增大。如果軸承采用聚醚醚酮等具有良好滑動(dòng)和抗摩擦特性的塑料，仍可實(shí)現(xiàn)低磨損運(yùn)行。所有軸承的摩擦功增大，尤其是在進(jìn)一步增大凸輪軸軸承的接觸摩擦面的情況下。

圖4 提高高壓噴油泵噴油壓力后的

摩擦功分布以及減摩措施

3減摩措施

采取各種措施，從而進(jìn)一步確保柴油機(jī)高壓泵的穩(wěn)定性。減小軸承間隙是提高凸輪軸軸承流體動(dòng)力負(fù)荷能力的措施之一(圖4)。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化間隙可以減少20%的接觸摩擦。然而應(yīng)當(dāng)注意的是，常采用塑料涂層的軸承對(duì)高溫反應(yīng)非常敏感，因此軸承的潤(rùn)滑劑流量應(yīng)相對(duì)較多，以確保充分冷卻。為此，優(yōu)化軸承間隙時(shí)必須對(duì)這兩方面進(jìn)行衡量。

仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，將高壓泵從柴油潤(rùn)滑轉(zhuǎn)換為機(jī)油潤(rùn)滑，有可能降低摩擦接觸時(shí)的摩擦和磨損(圖4)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的黏度比燃油的黏度高，因而可減少摩擦和磨損(尤其是混合摩擦區(qū)域)。此外，還可以采用減磨添加劑來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油，以滿足特定要求。如果采用燃油潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承沒有發(fā)生混合摩擦(如在轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)滾輪和滾輪副之間的接觸)，那么采用機(jī)油潤(rùn)滑時(shí)，摩擦功會(huì)隨剪切力增大而增加。

目前在乘用車領(lǐng)域，柴油機(jī)主要采用介質(zhì)潤(rùn)滑的高壓泵來實(shí)現(xiàn)機(jī)油和燃油分離。所用的密封必須有效防止機(jī)油溢入燃油中，因?yàn)闄C(jī)油中的Ca、Zn等元素不利于混合物生成。因此，設(shè)計(jì)密封元件時(shí)必須保證之前取得的軸承摩擦優(yōu)勢(shì)不會(huì)因密封中的摩擦而抵消甚至?xí)兊酶睢?/p>

如噴油嘴處出現(xiàn)積炭，進(jìn)而增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失和排放量。燃油中Ca和Zn含量與噴油器沉積物形成的關(guān)系可通過試驗(yàn)證明。在此基礎(chǔ)上可定義機(jī)油滲入燃油的限值。開發(fā)密封概念時(shí)可采用示蹤法，并根據(jù)運(yùn)行點(diǎn)來在線評(píng)估進(jìn)入燃油系統(tǒng)的機(jī)油量。

4汽油機(jī)高壓噴射

汽油機(jī)高壓泵的介質(zhì)分離處于先進(jìn)水平，這是因?yàn)槠蜋C(jī)的噴油壓力相對(duì)較低(最高35 MPa)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸由采用機(jī)油潤(rùn)滑的接觸來驅(qū)動(dòng)。然而，隨著噴油壓力的提高，作用于凸輪軸的力和力矩也隨之增大。在汽油機(jī)高壓噴射(60 MPa)潛力評(píng)估項(xiàng)目中，開發(fā)了1種與常規(guī)柴油機(jī)高壓泵類似的帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)軸的汽油機(jī)高壓泵。基于優(yōu)化摩擦損失和延長(zhǎng)使用壽命，APL公司進(jìn)行1項(xiàng)重大挑戰(zhàn)——研究軸承替代材料、表面輪廓和燃油潤(rùn)滑的影響。

汽油機(jī)高壓泵的壓力負(fù)荷比柴油機(jī)至少小70%，且汽油黏度僅為柴油黏度的25%左右。此外，汽油(RON95)的蒸發(fā)溫度明顯更低，這使得考慮局部峰值溫度更為重要。由于汽油機(jī)轉(zhuǎn)速通常比柴油機(jī)更高，因而燃油潤(rùn)滑比機(jī)油潤(rùn)滑更具潛力，尤其是可以通過減小流體運(yùn)動(dòng)剪切力來降低摩擦功。將所引起的接觸摩擦及相應(yīng)的磨損降至最低。圖5比較了機(jī)油(黏度等級(jí)為5W-30)潤(rùn)滑與汽油潤(rùn)滑的摩擦功分布。

圖5 潤(rùn)滑介質(zhì)為機(jī)油(5W-30)與

汽油(RON95)的摩擦功分布

為了在轉(zhuǎn)速較低時(shí)仍能在有利的流體動(dòng)力范圍內(nèi)使泵的凸輪軸軸承運(yùn)行，首先應(yīng)考慮增大軸承直徑。這樣一方面可以增加軸承的潤(rùn)滑劑流量，另一方面可以降低混合摩擦比例(圖6(a))。在較高轉(zhuǎn)速和較大直徑區(qū)域的條件下，摩擦功隨著流體動(dòng)力剪切力的增大而增加。通過調(diào)節(jié)軸承直徑進(jìn)行的優(yōu)化受到限制。對(duì)于采用機(jī)油潤(rùn)滑的軸承，增大直徑不利于降低摩擦功(圖6(b))。由于低轉(zhuǎn)速時(shí)軸承在流體動(dòng)力范圍內(nèi)運(yùn)行，因此，相對(duì)較高轉(zhuǎn)速的情況而言會(huì)導(dǎo)致剪切力較大。APL公司將進(jìn)一步研究減摩替代方法，例如改變軸承寬度和通過曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳遞來改變轉(zhuǎn)速。

圖6 取決于軸承直徑的摩擦功

5結(jié)論與展望

提高汽油機(jī)和柴油機(jī)的噴油壓力仍是未來的發(fā)展趨勢(shì)。因此，必須進(jìn)一步優(yōu)化噴油系統(tǒng)組件及其摩擦接觸，以滿足提升噴油壓力的需求。為此，APL公司采用了多種方法和設(shè)計(jì)。為了有效且有針對(duì)性地開發(fā)噴油組件，APL公司在試驗(yàn)和仿真的基礎(chǔ)上開發(fā)了大量集成式工具鏈。并將相關(guān)的負(fù)荷譜以及不同的介質(zhì)質(zhì)量集成到現(xiàn)有的工具鏈中，APL公司致力于預(yù)測(cè)摩擦接觸的最佳表面設(shè)計(jì)，從而有助于開發(fā)出更有效的、能夠降低排放的動(dòng)力系統(tǒng)。