支持SKYACTIV發(fā)動機(jī)開發(fā)的摩擦學(xué)分析技術(shù)

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0 前言

隨著汽車保有量增加，汽車生產(chǎn)商更有必要通過改善燃油經(jīng)濟(jì)性，削減CO2排放量等方面的研究。

圖1 動力傳動(動力系統(tǒng))技術(shù)在國際市場所占比例示意圖

對燃油經(jīng)濟(jì)性起重大作用的發(fā)動機(jī)需要通過降低機(jī)械阻力進(jìn)一步降低燃油耗，這在實(shí)際行駛中尤其重要。馬自達(dá)汽車公司開發(fā)作為創(chuàng)新的基礎(chǔ)技術(shù)SKYACTIV技術(shù)，改善了成為車輛基本性能的發(fā)動機(jī)及變速器等動力傳動裝置的效率，以及對車輛的輕量化、空氣動力學(xué)等特性進(jìn)行了改善。2011年，隨著配裝了SKYACTIV-G汽油機(jī)的新型樣品車(demio)進(jìn)入日本市場以后，馬自達(dá)汽車公司在世界市場陸續(xù)擴(kuò)大配裝SKYACTIV技術(shù)車型的銷售。在開發(fā)進(jìn)程中，分析技術(shù)發(fā)揮了較大作用，即便在摩擦學(xué)領(lǐng)域，也積極地運(yùn)用著解析技術(shù)。本文根據(jù)降低機(jī)械阻力的觀點(diǎn)，介紹關(guān)于支撐SKYACTIV發(fā)動機(jī)的摩擦學(xué)分析技術(shù)。

1 SKYACTIV技術(shù)概況

馬自達(dá)汽車公司曾提出其技術(shù)開發(fā)的長期展望“Zoom-Zoom可持續(xù)發(fā)展宣言”，并將“為客戶提供滿足駕駛愉悅性及優(yōu)異的環(huán)保性能的車型”作為全公司經(jīng)營的方針。因此，作為提高環(huán)保性能的一環(huán)，應(yīng)該推動CO2減排工作，在SKYACTIV發(fā)動機(jī)研發(fā)中也確立了更高的燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，馬自達(dá)汽車公司也一直為此而努力。

2000年以后，混合動力車及電動汽車開始陸續(xù)在市場進(jìn)行投放。由于對環(huán)保問題及燃油耗的密切關(guān)注，混合動力車及電動汽車產(chǎn)銷量快速增加。但是，馬自達(dá)汽車公司預(yù)測到2020年，在全球市場中內(nèi)燃機(jī)仍將繼續(xù)擔(dān)任汽車的主要動力源(圖1)。

根據(jù)該預(yù)測，馬自達(dá)汽車公司設(shè)定了“模塊化構(gòu)件戰(zhàn)略”(圖2)。首先，優(yōu)先改善發(fā)動機(jī)的熱效率及車輛的輕量化等基礎(chǔ)技術(shù)。并且，階段性地引進(jìn)電氣裝置(怠速停止系統(tǒng)，制動能量再生系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)等)。由此，以沒有建立應(yīng)對環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施的新興國家為首，以合適的價(jià)格向世界各國客戶提供環(huán)保性能、安全性能優(yōu)異的汽車。其結(jié)果表明，不依賴于部份環(huán)保型車輛，能夠有效地減少CO2的總排放量。

圖2 模塊化部件戰(zhàn)略

SKYACTIV技術(shù)是發(fā)動機(jī)及變速器等動力傳動裝置，以及車身底盤、車體革新的基礎(chǔ)技術(shù)的總稱。以汽車基本零部件的發(fā)動機(jī)與變速器的熱效率改善為首要目標(biāo)，進(jìn)行車輛輕量化，將空氣動力特性等基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行徹底改善，大幅度提高燃油經(jīng)濟(jì)性。2011年，配裝了SKYACTIV-G汽油機(jī)的新型demio車型在日本國內(nèi)上市后，在國際市場也擴(kuò)大了SKYACTIV技術(shù)車型的銷售。

圖3 內(nèi)燃機(jī)的熱效率

如圖3所示，內(nèi)燃機(jī)通過燃燒產(chǎn)生的大部分熱能作為排氣損失、冷卻損失、泵氣損失、機(jī)械阻力損失而消耗掉了。作為驅(qū)動汽車行駛作功并能夠有效地運(yùn)用的能量最大僅為30%左右。

內(nèi)燃機(jī)的熱效率改善是降低上述4項(xiàng)損失并提高有效作功的比例，同時(shí)作為降低這些損失的可控因素，可以歸納為膨脹比(壓縮比)、比熱比、燃燒持續(xù)期、燃燒定時(shí)、氣缸壁面熱傳遞、泵氣損失、摩擦阻力共7項(xiàng)。SKYACTIV發(fā)動機(jī)的目標(biāo)是使這些可控因素接近于理論值(發(fā)動機(jī)達(dá)到理想狀態(tài))，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的高熱效率。

下面將介紹這些可控因素中，作為降低摩擦阻力的關(guān)鍵技術(shù)，在SKYACTIV發(fā)動機(jī)開發(fā)中有效運(yùn)用的摩擦學(xué)分析技術(shù)。

2 關(guān)于摩擦學(xué)分析技術(shù)

發(fā)動機(jī)上運(yùn)動部件較多，各零部件的摩擦阻力所占的比例大致如圖4所示。力求降低各零件的摩擦阻力，兼顧與降低摩擦阻力協(xié)調(diào)的熱膠粘及磨損等摩擦學(xué)問題的處理。

用實(shí)體發(fā)動機(jī)進(jìn)行這類現(xiàn)象的再現(xiàn)試驗(yàn)需要許多工時(shí)，所以馬自達(dá)汽車公司在試驗(yàn)臺預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域傾注大量精力進(jìn)行開發(fā)。而且，使用開發(fā)的摩擦學(xué)解析技術(shù)，進(jìn)行各問題與機(jī)理的說明，以及假說的驗(yàn)證、最佳化的應(yīng)用、方向性的把握等。摩擦學(xué)分析技術(shù)能有效地運(yùn)用于各種因素及復(fù)雜作用，進(jìn)行對發(fā)動機(jī)運(yùn)動部位最佳設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)格(標(biāo)準(zhǔn))的決定是較為困難的。另外，對機(jī)理的說明及精度驗(yàn)證階段，需要許多的專門知識及高級計(jì)測技術(shù)。馬自達(dá)公司在承蒙大學(xué)[1-2]及零部件生產(chǎn)商等相關(guān)部門的協(xié)助下進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。以下將主要介紹摩擦學(xué)分析技術(shù)，以及在SKYACTIV發(fā)動機(jī)開發(fā)中應(yīng)用摩擦學(xué)分析技術(shù)的實(shí)例。

圖4 各零件的機(jī)械阻力所占比例

2.1 活塞、活塞環(huán)滑動部件的最優(yōu)化

活塞占發(fā)動機(jī)摩擦阻力的30%左右，由于對燃油耗的影響較大，降低其摩擦阻力也是極為重要的。活塞的滑動部有活塞裙部與活塞環(huán)(組)，而其摩擦阻力的比例大約各占一半。

從活塞裙部與活塞環(huán)組的主要功能來看，裙部是用于控制活塞的姿勢，活塞環(huán)組具有密封功能。

首先，在決定活塞裙部的技術(shù)規(guī)格時(shí)，進(jìn)行這種姿態(tài)控制與降低摩擦阻力的平衡是非常重要的。為了進(jìn)行姿態(tài)控制，假如將滑動面形狀(輪廓)做成直線狀，則摩擦阻力會增加。相反，假如做成桶(筒)形，則摩擦阻力變小。二次動力加大，會出現(xiàn)敲缸之類的異常噪聲問題與熱膠粘等可靠性問題。

這樣一來，在許多有待協(xié)調(diào)的問題情況下降低摩擦阻力(目標(biāo)函數(shù))，有效地分析技術(shù)是最佳化(自動化)的研究方法。

圖5是在設(shè)計(jì)變量中定義了活塞裙部的外形(輪廓)及銷孔偏置量；在目標(biāo)函數(shù)中定義了降低摩擦阻力；在制約條件中定義了搖頭(擺動)角，磨損負(fù)荷值(分別為二次運(yùn)動/熱膠粘的代用特性)等活塞動態(tài)最佳化的研究實(shí)例。

圖5 活塞動態(tài)最佳化研究

在這些分析中，得到對幾百個(gè)外形(輪廓)形狀計(jì)算的結(jié)果，從而能夠確認(rèn)式樣A中摩擦阻力功與時(shí)針旋轉(zhuǎn)的搖頭角存在協(xié)調(diào)關(guān)系(圖5(b)，圖5(c))。然后，只提取帕累托最佳解，進(jìn)行多變量分析中的群分析，分解為6個(gè)群集，將各群集的特性作為特征。例如，群集2(標(biāo)▲符號)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)最大的搖頭角成功地被抑制，但可以說，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)最小的搖頭角是其中效果最差的群集。在這次的最佳化研究中，從兩種式樣的摩擦阻力功及左右搖頭角被已成功抑制的群集5(標(biāo)●符號)提出最佳解(標(biāo)★符號)，決定了活塞裙部的規(guī)格。

結(jié)果表明，通過緩和活塞裙部容易產(chǎn)生的強(qiáng)烈接觸，防止邊界潤滑狀態(tài)或固體接觸。在防止磨損與熱膠粘的同時(shí)，成功地降低了摩擦阻力(圖6)。

圖6 降低活塞摩擦阻力

其次，減輕活塞環(huán)的摩擦阻力的重要影響之一是活塞環(huán)的密封功能。尤其是潤滑油密封(刮油)功能不足，會關(guān)系到潤滑油浪費(fèi)的問題。所以，活塞環(huán)與氣缸套之間的跟隨性是很重要的。在SKYACTIV-G及SKYACTIV-D發(fā)動機(jī)方面，采用容易抑制氣缸套上部變形的開放式頂板結(jié)構(gòu)，利用氣缸套螺釘緊固，成功地抑制了氣缸套低次變形。關(guān)于氣缸套高次變形，實(shí)施機(jī)體的熱變形解析，力求預(yù)測并抑制實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的氣缸套變形。

圖7是以氣缸套變形結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算了活塞環(huán)在氣缸套中刮油后剩余油膜厚度的結(jié)果。由于抑制了氣缸套變形，即使采用低張力活塞環(huán)，也能成功抑制機(jī)油消耗。

圖7 活塞環(huán)在缸套內(nèi)刮油后剩余油膜厚度

2.2 降低曲軸軸承部的摩擦阻力及防止可靠性問題

發(fā)動機(jī)的軸承主要使用了滑動軸承，其代表性軸承是曲軸(軸頸)軸承。為降低曲軸軸承的阻力，通常可以考慮縮小軸頸及縮小軸承寬度等措施。不過，原本處在承受燃燒負(fù)荷、往復(fù)慣性負(fù)荷等較大變動負(fù)荷的苛刻環(huán)境下，因?yàn)槭軌毫γ娣e減少，會出現(xiàn)軸承熱膠粘及磨損問題。對于SKYACTIV發(fā)動機(jī)來說，即便是曲軸軸承，也需要兼顧降低阻力及可靠性問題，提高解析精度，在各項(xiàng)評價(jià)中應(yīng)用解析方法。

(1)改善摩擦阻力預(yù)測精度

為進(jìn)行曲軸軸承部的摩擦、磨損、熱膠粘的預(yù)測，并實(shí)施彈性流體的潤滑解析(EHL)，或者熱彈性流體潤滑解析(TEHL)，摩擦阻力可用式(1)表示，但是，計(jì)算出固體按觸部分的摩擦阻力較為困難：

(1)

式中，pfric為摩擦阻力，Θ為潤滑油填充率，η為潤滑油黏度，U1為零件1的滑動速度，U2為零件2滑動速度，h為油膜厚度，p為油膜壓力，μ為摩擦因數(shù)，pasp為固體接觸壓力，A為滑動面積。

為預(yù)測固體接觸的影響，2個(gè)滑動表面的表面特性與摩擦因數(shù)的鑒定是比較重要的工作。因此，為正確地把握表面特性，運(yùn)用三維激光顯微鏡，用精度計(jì)測表面，將其特性反映在計(jì)算中。此外，關(guān)于摩擦因數(shù)，不論什么條件，都使用庫侖摩擦因數(shù)的話，估計(jì)會加大摩擦阻力，所以，利用圖8的單軸試驗(yàn)臺裝置，計(jì)測混合潤滑區(qū)域以下的摩擦扭矩，按照各種條件進(jìn)行了鑒定。圖9表示試驗(yàn)臺裝置中的解析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較。可以看到傳統(tǒng)的預(yù)測方法的結(jié)果與新預(yù)測方法的結(jié)果有較大的差異。由此求出的表面特性與摩擦因數(shù)作為接觸參數(shù)。假定了實(shí)體發(fā)動機(jī)時(shí)的主軸承部、連桿軸承部都進(jìn)行最佳的曲軸軸承設(shè)計(jì)。另外，關(guān)于與降低阻力有相反關(guān)系的許多熱膠粘及磨損，也在改善分析精度，進(jìn)行試驗(yàn)臺研究。

圖8 單軸試驗(yàn)臺裝置

圖9 單軸試驗(yàn)臺裝置中預(yù)測、實(shí)測差異驗(yàn)證

(2)熱膠粘預(yù)測精度的改善

關(guān)于熱膠粘，將與熱膠粘現(xiàn)象有關(guān)的油膜溫度作為其評價(jià)特性。不僅要對軸承，而且對曲軸油路(油溝)建立模型，確認(rèn)了通過進(jìn)行油膜的計(jì)算，將預(yù)測值與實(shí)測值進(jìn)行比較，主軸承、連桿大端軸承都可以用最大4 ℃左右的誤差進(jìn)行預(yù)測。圖10表示連桿大端軸承部的油膜溫度預(yù)測與實(shí)測值差異的驗(yàn)證結(jié)果。

(3)磨損預(yù)測精度改善

關(guān)于磨損，在SKYACTIV發(fā)動機(jī)上也在采用的自動起停技術(shù)i-Stop，以及在混合動力車輛(HEV)情形下，發(fā)動機(jī)起動、停止次數(shù)非常多。如果與通常的起動裝置起動相比較，HEV的起動停止次數(shù)約為前者的40倍，邊界潤滑區(qū)域的使用頻度增加，擔(dān)心磨損會發(fā)展下去。在起動、停止次數(shù)較多的情況下，磨損發(fā)展的預(yù)測是重要工作，有必要進(jìn)行精心考慮。因此，由于磨損發(fā)展，致使滑動表面輪廓變化，表面壓力降低，用式(2)描述減緩磨損發(fā)展過程，并實(shí)施了預(yù)測。圖11表示預(yù)測與實(shí)測結(jié)果比較。

Wv=aWiSinh-1(cy)

(2)

式中，Wv為磨損量，a為系數(shù)，Wi為瞬時(shí)發(fā)生磨損量，cy為循環(huán)次數(shù)，可以說與傳統(tǒng)預(yù)測法相比，新預(yù)測法與實(shí)測結(jié)界較吻合(相關(guān)性好)。

通過在試驗(yàn)臺上進(jìn)行高精度預(yù)測上述摩擦阻力、熱膠粘、磨損和加速發(fā)動機(jī)開發(fā)進(jìn)程。而且，不引起可靠性問題，實(shí)現(xiàn)阻力的降低。

圖11 磨損的驗(yàn)證

2.3 降低潤滑系統(tǒng)的阻力

在SKYACTIV-G汽油機(jī)、SKYACTIV-D柴油機(jī)方面，也進(jìn)行了潤滑系統(tǒng)阻力的降低。首先，使各液壓裝置的要求液壓最少化，由于簡化油泵-各液壓裝置間的供油通道，降低了壓力損失。為實(shí)現(xiàn)供油通道最佳化，有必要滿足各液壓裝置的要求，應(yīng)該研究發(fā)動機(jī)整體的流量分配及壓力損失。在這類研究中，研究人員有效運(yùn)用了一維流動解析。

發(fā)動機(jī)各部分的工作油流量中軸頸與銷軸頸占總油流量的30%～50%，為了高精度地預(yù)測流壓和流量，有必要改善主軸頸和銷軸頸的流量預(yù)測精度。對于主軸頸，由于計(jì)算每一曲軸轉(zhuǎn)角的負(fù)荷，求出過渡的軸心軌跡，以此能夠高精度地預(yù)測流量。即便對于銷軸頸，同樣求出過渡的軸心軌跡，計(jì)算得出的結(jié)果并不能再現(xiàn)出高轉(zhuǎn)速的流量。這是因?yàn)樵绞歉咿D(zhuǎn)速，慣性力越大，由于連桿大端部變形，金屬間隙擴(kuò)大的緣故。因此，利用與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的2次方成比例的模型來描述，由于連桿大端部的變形導(dǎo)致的間隙，改善了預(yù)測精度(圖12)。利用這些模型，由于使發(fā)動機(jī)整機(jī)的潤滑油通道模型化，進(jìn)行了供油通道的最佳化，并對供給油壓的特性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖12 銷軸頸流量預(yù)測精度

由于使供油通道得以最佳化，油泵上配裝了日本國內(nèi)首創(chuàng)技術(shù)的液壓反饋與電子控制液壓切換機(jī)構(gòu)。通過組合導(dǎo)閥即控制閥及混合閥，反饋主油溝(M/G)油壓，通過控制油泵的溢流量從而保持恒定的壓力，實(shí)現(xiàn)了泵驅(qū)動力的降低。而且，通過電磁閥的開/關(guān)，轉(zhuǎn)換面向混合閥的油路，能夠按低油壓與高油壓兩級控制油壓(圖13)。

圖13 油泵系統(tǒng)

圖14 油泵驅(qū)動力的比較

利用電磁閥進(jìn)行液壓控制是根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件(轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和暖機(jī)狀態(tài))進(jìn)行的。在低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷工況下，依照低油壓進(jìn)行控制；在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下，為確保可靠性，依照高油壓進(jìn)行控制。通過這類控制，能夠根據(jù)各運(yùn)轉(zhuǎn)條件，供給最佳的油壓，在中低負(fù)荷工況下，相比于沒有油壓控制的情形，使泵的驅(qū)動力降低了16%(圖14)。至于SKYACTIV-G 1.3 L汽油機(jī)，由于引進(jìn)了這類新技術(shù)，相比于以往的發(fā)動機(jī)，潤滑系統(tǒng)的機(jī)械阻力降低了57%。

2.4 小結(jié)

為了確定活塞裙部規(guī)格，確立了兼顧降低摩擦阻力與可靠性問題的最佳化方法。此外，由于從開發(fā)初期階段運(yùn)用試驗(yàn)臺預(yù)測技術(shù)，采用了活塞環(huán)密封功能優(yōu)異的開放式頂板結(jié)構(gòu)，能夠大幅度削減工時(shí)。

在曲軸軸承部混合潤滑區(qū)域以下，進(jìn)行接觸參數(shù)的鑒定，同時(shí)改善了摩擦阻力的預(yù)測精度。關(guān)于熱膠粘和磨損，由于對各油路建立模型，應(yīng)用磨損發(fā)展預(yù)測算公式，獲得了新預(yù)測方法與實(shí)測結(jié)果的相關(guān)性。

由于對主軸頸與銷軸頸的過渡動態(tài)及連桿大端部的變形建立模型，改善了流量預(yù)測精度，能夠進(jìn)行發(fā)動機(jī)中供油通道的最佳化。

3 結(jié)語

正如上文介紹的新技術(shù)那樣，由于應(yīng)用了各種各樣的摩擦學(xué)解析技術(shù)，降低了SKYACTIV-G汽油機(jī)、SKYACTIV-D柴油機(jī)的摩擦損失，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。今后，仍要以最終實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)動機(jī)為目標(biāo)，進(jìn)一步降低機(jī)械阻力，有效運(yùn)用摩擦學(xué)解析技術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 大澤，ほか.ビストンスカ一ト部の潤滑油膜舉動の可視化と膜厚測定[C].自動車技術(shù)會計(jì)測·診斷部門委員會企畫シンボジウム[多樣なニ一ブに對応すゐ計(jì)測·診斷技術(shù)]講演論文集，2011.

[2] 中川，ほか.ビストンスカ一ト部におけゐ潤滑油膜厚さの定量測定精度向上とクロスハツチ加工の有無が油膜に及ほす影響[C].日本機(jī)械學(xué)會中四國支部第50期講演會前刷集，2012.

[3] 宮內(nèi). 境界潤滑を考慮した主軸受け彈性流體潤滑計(jì)算手法の研究[C].自動車技術(shù)會論文集，2007.