柴油機活塞與缸套的匹配研究現狀

石培基，董小瑞

（中北大學機電工程學院，太原030051）

柴油機活塞與缸套的匹配研究現狀

石培基，董小瑞

（中北大學機電工程學院，太原030051）

從缸套－活塞組的摩擦、缸套失圓機理、缸套與活塞組潤滑等多個方面對柴油機活塞與缸套的匹配研究現狀進行綜述，并對缸套－活塞組的研究趨勢做了預測性分析。

柴油機活塞缸套匹配技術

1 緒論

缸套－活塞組是柴油機的動力源。但活塞組（活塞和活塞環）在缸套內進行往復運動，受材料、潤滑等因素的影響，活塞組與缸套間的摩擦會造成能量的損失。據研究表明，活塞組與缸套間的摩擦損耗可達整個發動機摩擦損耗的25%。另外，缸套與活塞組之間的潤滑油的氧化又是顆粒排放物的主要來源之一。隨著全球環境問題日益嚴重和石油資源不斷枯竭，提高燃油經濟性和降低排放成為高性能發動機設計的關注重點。因此，研究缸套與活塞組匹配具有很重要的作用。本文從缸套與活塞組的摩擦、缸套失圓機理、缸套與活塞組潤滑、以及活塞與缸套的匹配等幾個方面進行綜述，為研究缸套與活塞組的匹配提供了理論依據。

2 缸套與活塞組的摩擦研究

內燃機中的活塞、活塞環、缸套是內燃機中最重要的摩擦副，關系到內燃機的經濟性、動力性、可靠性等諸多方面，研究缸套與活塞組的摩擦具有很重要的意義。

彭梨花[1]研究了內燃機活塞環－缸套摩擦副作往復運動時的摩擦過程特性。其以云南內燃機動力有限公司生產的4100柴油機為研究對象，研究了活塞環－缸套摩擦副的摩擦磨損的有關理論、方法以及實際應用價值，并針對活塞環－缸套作往復運動時的摩擦過程特性進行了一系列的試驗和研究。

宋炳等[2]利用缸套－活塞環摩擦磨損試驗臺研究了速度、溫度、載荷、供油等因素對缸套－活塞環系統摩擦磨損特性的影響。結果表明氣缸活塞環摩擦副在發動機工作循環中潤滑狀態在不斷發生變化。當活塞環處于上下止點位置時，摩擦副處于混合潤滑狀態，而在行程中部則處于完全流體潤滑狀態。溫度對氣缸－活塞環副的摩擦力有顯著影響。隨著溫度的升高，潤滑劑的粘度大幅度降低并不斷地蒸發和碳化，使得摩擦副工作在缺油狀態，摩擦

力顯著上升，易發生劇烈磨損甚至咬合失效。在試驗條件下，載荷和轉速對摩擦力的影響較小。

來稿日期：2013-03-21

王義亮[3]從理論上對多缸內燃機缸套－活塞系統摩擦學與動力學的耦合問題進行了研究。經研究得出：在缸套的結構振動、活塞的運動及缸套與活塞間潤滑油膜的摩擦學行為之間存在著緊密的耦合關系。缸套的振動與活塞的運動對缸套與活塞間的潤滑油膜的作用具體體現在對其產生動壓效應和擠壓效應。缸套結構振動、活塞運動與缸套活塞間摩擦學行為的耦合作用不僅影響到作用在缸套和活塞上的載荷，而且還會影響到與之相關的其它載荷。

尹必峰等[4]將內燃機摩擦學研究拓展到微觀尺度上，突破摩擦副傳統加工技術的瓶頸，引入表面結構激光微加工技術，從新型激光微制造裝置與工藝、潤滑摩擦理論、摩擦磨損試驗以及裝機臺架性能試驗方面研究入手，探索激光表面結構技術在缸套(孔)等關鍵摩擦副上應用研究，實現摩擦副表面形貌的主動優化設計與制造，以達到改善潤滑，減小摩擦，減磨增壽與提高發動機綜合性能目標。

鄧寶清[5]利用仿生學原理，設計了5種仿生非光滑結構試驗樣件。通過模型試驗，對5種非光滑結構和對比的平板結構，進行了干摩擦試驗、部分潤滑試驗、充分潤滑試驗；研究了摩擦系數和磨損率與載荷和潤滑條件的關系，分析了各種結構之間摩擦磨損及承載能力不同的原因，從中優化出耐磨仿生非光滑單元體的分布規律。利用摩擦學原理，在考慮了表面粗糙度影響的條件下，對仿生非光滑機構試件和對比試件進行了摩擦磨損機理分析。對所設計的各種試件進行了在充分潤滑條件下的承載能力模擬計算，從中優化出承載能力最佳的仿生非光滑單元體的最佳結構參數。并根據此參數，設計了承載能力強的優化模型，并對優化模型和前述的各種試件，進行了摩擦磨損模擬計算，研究了摩擦磨損與載荷和粗糙度的關系。

劉一靜等[6]為探討表面結構對發動機活塞－缸套之間的摩擦特性的影響，利用微細電解加工技術在真實的活塞裙部表面制作了4種不同直徑，5種不同深度的微米級表面結構；并分別在4種不同載荷和轉速條件下，對活塞－缸套摩擦性能進行了評價。經研究得出：普通活塞裙部試樣，在各個載荷條件下，隨著速度的增加，摩擦系數都有明顯的降低，即載荷越大，摩擦系數越低；表面結構直徑參數對于活塞摩擦性能有重要影響，如250 μm的表面結構在不同轉速和載荷條件下都表現出了很好的摩擦特性；表面結構深度參數對于活塞摩擦性能有重要影響，如深度5μm的表面結構在各種轉速和載荷條件下都表現出了很好的摩擦特性；表面結構對于活塞裙部的抗磨性能有較為明顯的影響。

李奇等[7]研究了缸套－活塞環摩擦副的磨損失效機理。利用掃描電子顯微鏡－能譜儀對原始及實際使用500 h以后失效的缸套和活塞環的表面形貌和化學成分進行了分析。研究結果表明，對于缸套，上止點附近的磨損機理為綜合的磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損；缸套中部磨損機理與上止點附近相似，但沒有發生大面積的粘著磨損；下止點附近的磨損機理以磨粒磨損為主。實踐證明，中頻淬火缸套－電鍍鉻活塞環摩擦副的匹配性較差，摩擦副之間的磨損嚴重，成為制約高功率密度柴油發動機使用壽命的瓶頸。

袁東來[8]進行了柴油機缸套－活塞組工作狀態識別的研究。首先，對機身振動信號和活塞與缸套之間撞擊建立了二者之間的映射關系，利用小波包時頻分析方法對機身振動信號進行處理，繪制了小波包三維時頻能量圖。提出以主撞擊能量特征參數作為監測缸套－活塞組工作狀態的重要依據；并在遺傳算法初步優化權值的基礎上，再進行BP網絡的訓練和識別，充分利用神經網絡的非線性映射能力，實現了柴油機缸套－活塞組工作狀態的識別。對不同機型的缸內部件不同的磨損失效形式進行了實驗，驗證了該文中提取特征參數的有效性。

張效翔[9]建立了內燃機系統動力學－活塞二階運動耦合模型，對活塞二階運動和活塞裙部摩擦學進行了研究。其建立的新模型能夠在數學層面上表達內燃機系統變慣量特性與活塞二階運動的關系，也能夠反映內燃機轉速波動對活塞二階運動的影響。同時新模型具備了對活塞二階運動和活塞裙部摩擦學行為進行瞬態分析的能力。

3 缸套失圓機理研究

缸套失圓現象在內燃機中普遍存在，它嚴重影響整機的動力性、經濟性、環保性和可靠性。然而由于內燃機結構復雜，零部件之間無論靜態配合關系還是動態的力學、熱流傳遞關系均具有復雜性、多樣性。缸套失圓問題分析難度大，以致研究人員很難在眾多的影響因素中給出定量分析結果，只能在設計中更多地依據經驗處理此問題。這也嚴重阻礙了人們對內燃機缸套失圓形成機理的了解。長久以來，如何有效減輕內燃機缸套失圓及其帶來的負面影響一直是困擾內燃機工作者的重要課題。

王虎[10]運用缸體的有限元模型，對螺栓預緊力、活塞側推力、氣缸壓力等這些機械負荷共同作用下的內燃機缸套失圓問題進行了仿真計算。計算表明，由于冷卻流場流速分布的影響，缸體的溫度分布、熱變形存在著顯著的周向、軸向的變化；流固耦合共軛傳熱方法是研究熱負荷影響下缸套變形失圓問題的較為精確有效的方法。

4 缸套與活塞的潤滑研究

內燃機燃燒室部件活塞組－氣缸套潤滑狀況的好壞直接影響到內燃機的動力性、經濟性及零部件的使用壽命等，一直以來都是內燃機研究的一個重要領域。

董立輝[11]開展了潤滑油消耗的實驗和理論研究，得到了潤滑油消耗量隨轉速增高、變形量增大而增大的規律；潤滑油的消耗與活塞環和缸套之間的追隨性（貼合性）有很大關系。設計了一種活塞環與缸套之間追隨性的測試方法。研究結果表明：在低速狀態下，活塞環能夠比較好地適應變形的缸套，二者之間貼合性良好；但是在高速狀態下，活塞環已經不能很好地適應缸套變形，活塞環與缸套之間的間隙變大。從活塞環追隨性的角度說明了內燃機在不同轉速、不同缸套變形情況下潤滑油消耗的差異。

周龍[12]基于固體部件間的瞬態導熱，以傳統的活塞環－氣缸套動壓潤滑模型為基礎，引入了固體部件的三維瞬態熱傳導模型、潤滑油膜的傳熱模型及粘－溫方程；建立了環組摩擦熱的分配模型和分布模型，采用耦合分析法，最終建立了活塞組－氣缸套的三維瞬態傳熱潤滑摩擦耦合數理模型；并開發了相應的數值模擬軟件。研究結果表明：環組的摩擦熱量對活塞環槽附近區域的溫度場分布影響比較顯著，環組摩擦熱量對活塞溫度場的影響要大于其對氣缸套溫度場的影響；活塞環、氣缸套的溫度場是潤滑油膜溫度場的邊界條件，對潤滑油膜的溫度場有重要影響，從而影響到潤滑油膜的粘度及油膜厚度等；活塞環軸向高度的增大，增加了能量損失，雖改善了活塞環的潤滑性能，但不利于燃燒室部件的冷卻；增加活塞環桶面高度，潤滑油膜厚度增加，活塞組－氣缸套間動接觸部件的換熱系數減小，不利于熱量向冷卻介質的傳遞，但有益于活塞環的潤滑；表面粗糙度對潤滑油膜厚度的影響不是很大，但對活塞環和氣缸套固體部件的溫度場有一定的影響；增大活塞環壓力常數，會增大活塞環接觸壓力對潤滑油膜的擠壓，潤滑油膜厚度變薄，增大了活塞組－氣缸套間動接觸部件的換熱系數，有利于燃燒室部件的冷卻，但會增加活塞環和氣缸套間微凸體的接觸，增大凸峰摩擦力，減小流體摩擦力，不利于活塞環和氣缸套間的潤滑；潤滑油膜粘度的增大，有利于活塞環－氣缸套的潤滑狀況得到改善，但不利于燃燒室部件的冷卻。

楊洪秀[13]將仿生非光滑理論與技術引入到發動機活塞的設計當中。針對有仿生非光滑形態與結構的活塞的潤滑特點，按照摩擦副間隙存貯的潤滑油量的多少，分別設計了干摩擦、混合潤滑以及準油膜潤滑試驗。研究了摩擦副的摩擦系數和磨損率與載荷和潤滑條件之間的關系。對干摩擦試驗，選取了合適的接觸界面條件，采用廣義變分原理，建立了非線性接觸力學模型。對活塞缸套摩擦系統進行了三維非線性有限元分析，揭示了非光滑形態與結構對摩擦副接觸界面應力的影響規律與機理。（1）對混合潤滑試驗，建立了貯油結構中潤滑油隨活塞上下行運動而晃動的數學模型；并通過ALE描述的有限元法，求解了該數學模型，直觀地顯示了貯油結構中潤滑油晃動到缸套內表面的整個過程。（2）對準油膜潤滑試驗，還首次將Euler-Lagrange流固耦合數學模型應用到活塞缸套擠壓潤滑油這一物理現象中，模擬了仿生非光滑活塞擠壓與貯存潤滑油的整個過程。（3）建立了活塞缸套干摩擦的熱應力耦合模型，得出了裙部表面的溫度分布云圖，同時揭示了活塞表面的磨損失效過程。通過試驗和數值模擬得出，通孔形仿生非光滑試件的耐磨潤滑效果最好。通孔結構既可貯油、排油，也可大幅晃動貯存的潤滑油到缸套表面，同時也可散熱降溫，避免粘著磨損。

5 活塞缸套的匹配技術

吳金源[14]闡述了柴油機主要摩擦副——活塞缸套的匹配技術。經研究得出了氣缸套結構設計高凸緣、低支承，上部水套冷卻、下部安裝于無水冷卻機體，上下部壁厚適當加厚、均勻過渡，凸肩圓角加大、軸向支承力傾斜角小，可提高缸套剛度，降低壁面溫差、減小缸套變形，并有利于缸套和活塞環之間配合的結論。缸套上部內側安裝抗磨環，可刮除活塞頭頂側的積碳，減少缸套、活塞環磨損，阻擋潤滑油上行進入燃燒室，改善潤滑，減少燃氣泄漏，降低潤滑油消耗。活塞環數量減為3根，2根氣環、1根刮油環，適當減薄活塞環厚度，可減少摩擦阻力，減少活塞環與缸套之間的摩擦損耗。氣環常用鼓面環，單位徑向壓力高、密封好、潤滑

油易進入摩擦面。油環采用雙刃梯形槽彈簧脹圈結構，與缸套壁接觸面小、徑向壓力大、貼合均勻、磨損小。活塞裙長度適當，裙部比壓為8～12 MPa，可減少摩擦損失。裙部有足夠的剛度，正確選擇活塞裙和氣缸套的配合間隙，可改善活塞的導向，降低活塞環與環槽的磨損，減少漏氣和油耗。現代中速柴油機常用鋼頂組合活塞，活塞裙采用球墨鑄鐵、表面加工精車后石墨化處理，活塞環材料為合金鑄鐵，球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵，表面常用鍍鉻和噴鉬強化處理。現代中速柴油機氣缸套常用耐磨性好、鑄造方便、成本較低的合金鑄鐵離心鑄造；內表面處理有激光淬火和氣體軟氮化2種工藝；表面加工常采用珩磨，形成菱形條紋網格，可控制表面粗糙度，提高貯油能力、建立良好的潤滑油膜、改善耐燒傷性能、增加滑動面承壓面積，提高耐磨性能。

6 結束語

目前柴油機正朝著高速、高功率密度方向發展，這對發動機結構強度和各部件之間的匹配提出了更高的要求。而缸套－活塞組是實現化學能轉化為動能的機構，是柴油機的動力源，因此，研究缸套和活塞組的匹配關系顯得尤為重要。目前大多數的研究還局限于缸套－活塞組的摩擦、潤滑方面的研究。、而缸套－活塞組之間的匹配關系會隨著工況、缸內溫度、使用時間等條件的變化而變化的，研究柴油機缸套－活塞組的動態匹配是非常具有實際意義的。

1彭梨花．內燃機活塞環－缸套摩擦過程研究[D]．昆明：昆明理工大學，2004．

2宋炳，王文中，王慧等．發動機缸套－活塞環摩擦磨損特性試驗研究．潤滑與密封[J]，2004（3）：29-30．

3王義亮，謝友柏．多缸內燃機缸套－活塞系統摩擦學與動力學耦合問題的研究[J]．潤滑與密封，2005（2）：1-5．

4尹必峰．內燃機關鍵摩擦副表面微結構潤滑與摩擦機理及應用研究[D]．鎮江：江蘇大學，2011．

5鄧寶清．內燃機活塞缸套系統非光滑效應的仿生研究[D]．長春：吉林大學，2004．

6劉一靜，袁明超，王曉雷．表面結構對發動機活塞/缸套摩擦性能的影響[J]．中國礦業大學學報，2009，38（6）：866-871．

7李奇，王憲成，何星等．高功率密度柴油機缸套－活塞環摩擦副磨損失效機理[J]．中國表面工程，2012，23（4）：77-82．

8袁東來．柴油機缸套－活塞組磨損狀態的識別研究[D]．長沙：中南大學，2007．

9張效翔．內燃機活塞二階運動與摩擦學行為的瞬態模型研究[D]．上海：上海交通大學，2009．

10王虎．內燃機缸套失圓研究[D]．合肥：合肥工業大學，2010．

11董立輝．缸套變形下潤滑油的消耗以及活塞環追隨性的研究[D]．天津：天津大學，2009．

12周龍．活塞組－氣缸套傳熱潤滑摩擦耦合機理研究[D]．大連：大連理工大學，2010．

13楊洪秀．活塞缸套系統仿生非光滑界面摩擦與潤滑機理的研究[D]．長春：吉林大學，2008．

14吳金源，巫立民，楊鵬等．現代中速柴油機活塞缸套匹配分析[J]．柴油機，2007，29（5）：18-22．

Research Status and Progress of Matching of Piston and Cylinder Liner of Diesel Engine

Shi Peiji,Dong Xiaorui
（College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China）

This paper presents a review of research status of diesel engine piston and cylinder liner matching in terms of friction between cylinder liner and piston,the mechanism of cylinder liner out of round, lubrication of cylinder liner and piston group.And an analysis of the research trend of cylinder-piston group is made.

diesel engine,piston,cylinder liner,matching technology

石培基（1987-），男，碩士，主要研究方向為發動機總體技術及結構動態設計。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.001