502_双对置柴油机活塞摩擦磨损性能研究_北方发动机研究所_葛玉霞等

图 14
活塞总摩擦损失
表 5 活塞最大总摩擦损失 内活塞 曲轴转角（°CA） 最大摩擦损失功率（kW） 平均总损失功率（kW） 50 1.73 0.89 外活塞 244 1.97 1.03 总和 -77 3.2 1.92
4.3 磨损结果 活塞各环与缸套接触硬度为 1078MPa，磨损系数 1×10-7。
1 概述
现代动力装备发展要求发动机功率高、体积小，采用二冲程原理、提高转速等措施是实 现功率密度提升的重要手段之一。 双对置柴油机每个动力单元有两个气缸套， 每只气缸套中 布置内外两个活塞，为避免窜气和烧机油现象发生，外活塞布置有 5 道活塞环，内活塞三道 环。 这种多道活塞环在水平气缸套往复相对滑动的情况下， 摩擦功率损失和机械效率成了设 计者关注的焦点问题。对活塞组件的工作过程数值模拟已成为一种必不可少的研究手段。 EXCITE PR 软件是发动机活塞组件设计的专用多体动力学软件，活塞动态模型模拟了 发动机活塞的运动规律，能够对活塞、环、缸套组件进行分析。活塞、活塞环等作为弹性体 单元，连杆和曲轴作为刚性体。活塞、活塞环、缸套间为油膜润滑。通过分析影响摩擦功耗 的诸多因素及其影响规律，探索可减少摩擦功耗，降低磨损，提高机械效率和可靠性的方法 和途径。 本文针对双对置柴油机活塞、活塞环进行仿真分析，利用 Excite PR 模拟分析软件，研 究多活塞环结构摩擦磨损性能，研究了活塞组件的运动性、活塞环摩擦、磨损、润滑等。在 设计开发之前对性能进行预测，为改善现有发动机性能、优化设计提供重要依据。
3 建立模型
采用了二维仿真模型，只研究主承力（TS）和副承力（ATS）方向构成的平面内的活塞 运动； 假设曲轴恒定转速； 缸套、 连杆、 曲轴模型都简化成刚性的， 只考虑活塞的径向变形； 各零件绞接处无间隙。 在 Excite PR 中，需要输入参数包括以下内容： 发动机数据：缸径、冲程、压缩高、曲柄半径、连杆长度、缸套长度等； 运行工况：转速、燃烧压力曲线等； 所有部件质量、惯量、几何、材料等数据； 活塞、活塞环和缸套轮廓——安装或热负荷下的径向变形； 刚度矩阵通过有限元计算获得； 润滑油参数：粘度、粘温特性、粘压特性； 仿真控制参数：起始时刻、结束时刻、结果步长。 3.1 活塞组件模型 在 Excite PR 软件环境条件下，建立气缸-活塞-活塞环组件仿真模型，如图 2 所示。仅 考虑考虑平面动力学方程，曲轴恒速旋转，即只计算稳定工况结果，缸套、连杆、曲轴均简 化为刚性的，连接间隙为 0。活塞环相对于活塞的位置在参数中设定，模型摆放时不需要精 确定位。
图 6 内外活塞 FEM 模型
3.5 活塞环设置 EXCITE PR 中可以精确定义磨合后的活塞环接触表面的型线，磨合量呈微米级特性。 活塞环和运动侧的位置， 不含倒角， 定义点多于两点时由样条插值实现。综合考虑活塞环型面、开口间隙、上下侧面倒角、平均 温度、材料属性、表面粗糙度、环槽温度、缸套轮廓等。
图 3 双对置柴油机燃气压力曲线和燃烧室气体温度
发动机制动平均有效压力（BMEP）用于计算发动机功率， BMEP=IMEP-FMEP，其中 IMEP 为发动机平均指示压力，FMEP 为摩擦平均有效压力。双对置发动机制动平均有效压 力为 1.4MPa。 3.3 活塞型线 活塞和缸套表面轮廓由多项式拟合， 根据设计尺寸确定活塞型线、 缸套型线在冷态安装 下的离散点，热态型线由温度和热膨胀系数计算获得。遵从网格形状均匀、疏密合理的原则 划分网格。内活塞纵向分为三段，外活塞分为四段。活塞型线及网格划分如图 4、5 所示。
2 双对置柴油机特性
双对置二冲程柴油机单个动力模块由两个气缸构成，每个气缸套内布置内外两个活塞， 通过 6 根内外连杆连接一个曲轴， 形成具有自平衡特性的曲柄连杆机构。 柴油机相关技术参 数见表 1。结构如图 1 所示。
表 1 双对置柴油机技术参数 名称 缸径（mm） 标定功率（kW） 标定转速（r/min） 峰值燃烧压力（MPa） 冲程数 缸套倾角（°） 活塞行程（mm） 连杆长度（mm） 缸套长度（mm） 90 175 186 双对置发动机参数 内活塞 外活塞 100 80 1500 13.5 2 90 80 440 202
双对置柴油机活塞摩擦磨损研究
葛玉霞、胡清欣、刘广丰、张 洁、马胜利
（中国北方发动机研究所，河北 廊坊 065000） 摘要：双对置二冲程柴油机每缸有内外两个活塞，共 8 个活塞环，摩擦磨损性能有异于传统 发动机。使用 AVL EXCITE PR 软件对其进行摩擦磨损性能研究，可以有效分析活塞性能， 指导设计。 关键词：双对置柴油机；活塞；摩擦磨损 主要软件：AVL EXCITE PR
图 10 活塞径向位移
4.2 摩擦性能结果分析 摩擦损失越小越好。内活塞有 3 道活塞环，第一环的摩擦力明显高于 2、3 环，外活塞 环的第一环摩擦力也相对较高，如图 11 所示。
图 11 活塞各环摩擦力 表 2 活塞各环最大摩擦力 内活塞 1环 曲轴转角（°CA） 最大摩擦力（N） -4 -235 2环 21 60 3环 63 34.3 1环 1 269 2环 74 39.8 外活塞 3环 81 25.5 4环 2 9.31 5环 1 8.5
4.4 润滑状况 油膜厚度是摩擦、润滑状况的重要评价指标，各环的综合粗糙度（ Ra 粗糙度，均有相当的磨损量。
Ra ring Raliner
）均
设为 0.89μm，油膜厚度如图 16 所示。各活塞的一环油膜较薄，各环最小油膜厚度均小于
图 16
活塞各环剩余油膜厚度 双对置外活塞 1环 1 0.32 2环 -3 0.61 3环 -3 0.61 4环 -3 0.61 5环 -3 0.61
A exp(
T C )
其中： 为动力黏度[Ns/m2]；T 为温度[℃]；A、B、C 为润滑油系数，对于 10W40 润 滑油，A=0.114E-3[Ns/m2]，B=1033.34℃，C=120.8℃。 3.9 控制参数： 总的循环数不能少于 2，其中第一循环用来使整体系数达到初始平衡状态，对于双对置 发动机，仿真结果起始时刻为第一循环 200°CA，仿真结束时刻最后一个循环 270°CA， 仿真结果步长 1°。
图 4 内外活塞型线
图 5 内外活塞网格划分
3.4 活塞刚度计算 在 Excite PR 中，仅考虑活塞径向变形，刚度矩阵由有限元仿真结果获得。Abaqus 中的 有限元模型，如图 6 所示，内活塞有 13 个参考点，外活塞设置 16 个参考点，分别对不同的 参考点施加 2000N 载荷，在柱坐标系下考察不同加载状况下各节点的径向变形，生成刚度 文件。
图 7 内外活塞环型线
针对气体流动， 整个环组可看作由节流阀连接的容积系统的拟静态分析； 流动过程近似 绝热过程，由气体流动系数调整。 3.6 缸套型线 研究表明， 影响发动机油耗及漏气量大小的另一个重要因素为缸套的结构、 粗糙度和安 装形式等。缸套表面轮廓通过多项式拟合获得。确定活塞和缸套装配及热负荷的变形，定义 活塞及缸套型线。缸套在安装时产生的周向和轴向变形可以通过测量或计算获得。 由于内外活塞共用一个气缸套， 在计算过程中将气缸套从活塞内死点、 喷油器口位置分
图 2 内外活塞模型
3.2 性能参数 气缸性能数据包括曲轴转角、燃气压力、曲轴箱压力、燃气力偏移量。燃烧压力一般从 -90°CA 开始，曲轴箱压力一般为 1bar，燃气压力偏移量一般为 0。热力学数据包括曲轴转 角、燃烧室气体温度、换热系数、涡流系数。根据双对置柴油机前期的总体设计和曲柄连杆 机构的运动学和动力学分析计算，确定燃气压力曲线和燃烧室气体温度如图 3 所示。
图 15
活塞各环磨损率 外活塞 3环 -34 1.39 1环 9 2.81 2环 -18 0.56 3环 -18 0.52 0.56 4环 -19 0.30 5环 -32 0.28
表 6 活塞各环磨损率 内活塞 1环 曲轴转角（°CA） 最大磨损率（μm/h） 平均磨损率（μm/h） -6 2.56 2环 -39 1.68 0.91
活塞高度（mm） 活塞压缩高度（mm） 活塞质量（kg） 连杆质量（kg） 活塞销质量（kg） 连杆大头直径（mm） 连杆小头直径（mm）
98 58 1.135 1.924 0.731 85 44
159 122 1.786 5.58（双连杆） 2.02（连杆桥） 69 60
图 1 双对置柴油机运动机构
4 结果分析
Excite PR 的结果包括活塞敲击、环运动学变形、接触力、动能、摩擦损失数据和润滑 油消耗等。可以获得包括活塞的运动规律、缸套和环的摩擦功、磨损量等结果。要求 ATS 和 TS 两侧接触压力不能太大，一般不宜超过活塞材料容许值，接触压力沿缸中心方向均匀 过渡。
4.1 活塞及活塞环运动结果 活塞运动平稳性通过径向位移和活塞摆角来评价，换向平稳，不宜有较大冲击；换向时 间不宜太长，也不宜太短。活塞径向位移显示活塞在缸套中的换向运动，如图 10 所示。内 活塞换向较多，对于振动、噪声控制不利。
摩擦平均有效压力直接影响发动机的输出效率，此处只评价发动机活塞环部分的FMEP 值（不包含曲轴、连杆等运动件的摩擦损失） ，如图12所示。
图 12 活塞环组摩擦平均有效压力
表 3 活塞环 FMEP 与 IMEP 内活塞 FMEP（MPa） IMEP（MPa） 比率（%） 0.0206 1.25 1.65 外活塞 0.0245 1.02 2.4 总和 0.045 2.27 1.99
表 7 活塞各环最小剩余油膜厚度 双对置内活塞 1环 曲轴转角（°CA） 最小油膜厚度（μm） 2 0.29 2环 -4 0.59 3环 -4 0.59
5 总结
Excite PR 计算中可以考虑的动力学影响因素，即活塞二阶运动、环运动、活塞及活塞 环与缸套间的相互动力学接触影响。通过上述计算可得到以下结论： （1）双对置发动机活塞环总摩擦力、磨损率较高，但分散到各环的摩擦力和磨损率与 常规发动机相似。 （2）虽然由于活塞环的增加导致摩擦损失的增加，但二冲程发动机对于功率效能的提 高仍可以保证双对置发动机具有足够的有效使用功率。 （3）双对置发动机各环的最小油膜厚度低于粗糙度，会产生一定的磨损，但基本能满 足润滑性能要求。 （4）多环结构的双对置二冲程动力单元，由于燃烧压力作用时，活塞侧向力较小，活 塞环的总体摩擦功耗并不大。 （5）活塞及活塞环设计设计中应综合考虑多方面的因素，如摩擦损失、窜气量、机油 耗之间的权衡等 对于二冲程对置发动机来说，使用 AVL EXCITE PR 软件进行活塞摩擦润滑性能仿真还 存在一些问题： （1） 由于是二维模型， 对于周向结构不同的零件较难模拟， 如气缸套避让连杆的切口， 对活塞环的密封摩擦都有影响。 （2）二冲程没有单独的配气机构，通过活塞密封气口实现进气、排气，EXCITE PR 无 法处理气口密封问题。 （3）虽然设置了气缸倾斜角度为 90°，但是对结果影响不大，与实际情况不符。 （4）对置活塞由内外活塞共同组成燃烧室，因此燃烧室体积变化与常规发动机不同， 计算中简化处理成常规发动机结构，因此存在一定的偏差。