缸孔表面技術與活塞及環的匹配性研究

郭強

(上汽集團股份有限公司技術中心，上海 201206)

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缸孔表面技術與活塞及環的匹配性研究

郭強

(上汽集團股份有限公司技術中心，上海 201206)

摘要：以某款鑄造鋁合金鑲嵌鑄鐵缸套的缸體和活塞環組為研究對象，采用了試驗對比分析方法，通過不同的缸孔表面技術和不同技術狀態活塞環組的匹配對比試驗，研究缸孔表面技術和活塞環組的匹配對發動機摩擦、油耗等性能的影響。通過對比試驗得出：優化缸孔網紋參數(尤其羅傘珩磨工藝)匹配合適的活塞環組，可以減小發動機摩擦，降低發動機油耗。

關鍵詞：缸孔表面技術；匹配試驗；發動機油耗

0引言

隨著社會經濟的不斷發展，人們的節能環保意識不斷加強，對發動機的燃油經濟性要求也越來越高。為了提高發動機燃油經濟性，最有效常用的方式就是降低發動機的摩擦損失。在發動機部分負荷條件下，缸孔和活塞環組的匹配對降低總機械摩擦的貢獻率高達25%，因此，對發動機缸孔表面處理技術與活塞環組的匹配性研究提出了新的挑戰[1]。

研究了先進的缸孔等離子噴涂技術和優化的缸孔珩磨工藝對發動機活塞摩擦副的影響，通過試驗對比不同匹配方案對發動機的摩擦功和燃油消耗的影響，分析兩種先進的缸孔表面技術方案對發動機燃油消耗的影響[2]。

1研究流程

為了提高試驗效率，保證數據的準確性，特制定以下研究流程：

(1)制作樣件(按照第2.2和2.3節中的參數制作缸體和活塞環組樣件)；

(2)制定試驗矩陣；

(3)按照試驗矩陣進行試驗；

(4)獲得試驗數據；

(5)分析試驗數據；

(6)總結結論。

2試驗對象

2.1發動機主要參數

試驗發動機主要參數如表1所示。

表1　發動機主要參數

2.23個試驗缸體樣件主要參數

評價缸體的主要參數如下：

Ra表示輪廓的平均算術偏差；

Rz表示不平度平均高度；

Rpk表示簡約峰高；

Rk表示核心粗糙度深度；

Rvk表示簡約谷深；

Mr1/Mr2表示輪廓支撐長度率；

Mr1代表在中心輪廓(ABBott曲線)以上的輪廓支撐長度率;

Mr2代表在中心輪廓(ABBott曲線)以下的輪廓支撐長度率。

制作的3個缸體主要參數如下：

(1)試驗樣件A1(標準樣件)的珩磨參數如表2所示。

表2　試驗樣件A1主要參數表

(2)試驗樣件A2(螺傘滑動珩磨)的珩磨參數如表3所示。

表3　試驗樣件A2的主要參數匯總

(3)試驗樣件A3(等離子噴涂)的珩磨參數[3]如表4所示。

表4　試驗樣件A3的主要參數匯總

2.3試驗活塞環組的技術狀態簡介

活塞環主要有兩種狀態，其具體信息如下：

活塞環組樣件B1狀態為標準活塞環組；

活塞環組樣件B2狀態為優化后的活塞環組(KS帶減摩涂層的活塞+ATG活塞環)。

3試驗方案、條件和方法

3.1試驗方案

對搭載3種狀態缸體的發動機進行摩擦功和有效燃油消耗率試驗。

試驗矩陣見表5。

表5　DOE試驗組合

按照以上試驗矩陣，完成6組試驗，每組試驗分別進行摩擦功試驗和燃油消耗率試驗。

3.2試驗條件

試驗環境：標準大氣壓，標準試驗溫度25 ℃。

試驗邊界: 無MBS/無MVP/發電機無負載。

機油類型: Castrol Edge-SAE 05W30。

對試驗矩陣中的試驗按照SAIC 標準進行。

4試驗數據

文中主要涉及的專業術語如表6所示。

表6　文中涉及的主要專業術語匯總

(1)試驗組1——缸體A+活塞組B1

為了驗證優化方案的效果，也需要在統一條件下對標準方案采集BSFC和FMEP的數據，供與優化方案進行對比。

(2)試驗組2——缸體A1+活塞環組B2

(3)試驗組3——缸體A2+活塞環組B1

(4)試驗組4——缸體A2+活塞環組B2

(5)試驗組5——缸體A3+活塞環組B1

(6)試驗組6——缸體A3+活塞環組B2

（5）加強對操作人員的培訓，養成良好的駕駛習慣，了解柴油機在猛踩油門、缺機油、缺冷卻液的情況下運行，對機體的危害性極大。

實驗結果如圖1—6所示。

圖1　試驗組合1的BSFC和FMEP數值

圖2　試驗組合2的BSFC和FMEP數值

圖3　試驗組合3的BSFC和FMEP數值

圖4　試驗組合4的BSFC和FMEP數值

圖5　試驗組合5的BSFC和FMEP數值

5試驗數據分析

發動機機械摩擦損失大小最終通過BSFC和FMEP來反映，所以缸孔網紋和活塞環的優化效果也是通過這兩個參數反映。

5.1優化零件對BSFC影響

文中所采用的方法是提取特定工況點，通過BSFC百分比來衡量優化措施的效果。其計算公式如下：

(1)

式中：ΔBSFC為優化組合后對BSFC改善百分數；

aTDS2_BSFC為優化方案的BSFC試驗結果；

aTDS1_BSFC為標準方案的BSFC試驗結果。 根據公式(1)，得出試驗組合2相對于標準組合對BSFC影響，如圖7所示。

圖7　試驗組合2相對于標準組合對BSFC的影響

經過計算，得到MAP中個點的平均BSFC%Δ為-0.86%；最大BSFC%Δ為0.19%；最小BSFC%Δ為-1.83%，其中負值表示改善。

以此類推，得出了6組試驗對BSFC的影響數據，如表7所示。

表7　6組試驗對BSFC的影響效果

5.2優化零件對FMEP的影響

文中所采用的方法是提取特定工況點，通過BSFC百分比來衡量優化措施的效果。其計算公式如下：

(2)

式中：ΔFMEP為優化方案和基本方案之間平均有效壓力的差值；

bTDS1_MF為標準方案的小時功率的燃油消耗率；

bTDS2_MF為優化方案的小時功率的燃油消耗率。

根據公式(2)，得出試驗組合2相對于標準組合對FMEP影響，如圖8所示。

圖8　試驗組合2相對于標準組合對FMEP的影響

曲軸轉角在90°時，發動機轉速1 250～4 000 r/min范圍內，FMEP變化按照計算公式計算為-7.3 kPa，其中負值表示改善。

以此類推，得出了6組試驗對FMEP的影響數據，如表8所示。

表8　優化零件對FMEP的影響

整理試驗數據，只有粗糙度和油膜厚度達到一種平衡狀態，摩擦因數才最小。螺傘珩磨缸孔不僅兼有低粗糙度和良好的油膜，最終反映到較低的BSFC和FMEP。

6結論

通過文中研究，只有缸孔的粗糙度和油膜厚度相匹配，才能獲得較低摩擦因數和良好燃油經濟性。通過實踐，發現羅傘珩磨工藝可以使缸孔達到此要求，實現發動機缸孔低摩擦要求[2]。

參考文獻:

【1】錢人一.轎車發動機機體的輕量化技術[J].汽車工藝與材料，2006(6)：1-4.

【2】張然治.道依茨發動機通過螺旋滑動珩磨降低磨損和機油消耗[J].車用發動機，2009(2)：5.

【3】BARBEZAT G.Material for the Plasma Spraying of Lightweight Engine Block Cylinder Bores[C]//Surface Modification Technologies XVIII,ASM International,2006：19-22.

Research on the Matching between the Surface of Cylinder Bore and Piston and Ring

GUO Qiang

(Technical Center,SAIC Group Co., Ltd., Shanghai 201206，China)

Abstract:The matching between the surface of cylinder bore and piston and ring was researched, taking a casting aluminum alloy cylinder block inserted iron liner as the research object, through the test and comparison analysis, to study the effect of different cylinder bore surface technologies and different technical conditions of piston and ring matching on the performance of the engine friction and fuel consumption. According to the contrast test, the result is that through optimization of cylinder bore reticulate parameters and matching the right piston and ring can reduce engine friction and fuel consumption of the engine.

Keywords:Cylinder bore surface technology；Matching experiment; Fuel consumption of engine

收稿日期：2015-10-15

作者簡介：郭強(1978—)，男，工程師，主要從事乘用車發動機機體研發設計工作。E-mail:guoqiang01@saicmotor.com。

中圖分類號:TN249

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)01-007-05