缸孔表面技术与活塞及环的匹配性研究

郭强

(上汽集团股份有限公司技术中心，上海 201206)



缸孔表面技术与活塞及环的匹配性研究

郭强

(上汽集团股份有限公司技术中心，上海 201206)

摘要：以某款铸造铝合金镶嵌铸铁缸套的缸体和活塞环组为研究对象，采用了试验对比分析方法，通过不同的缸孔表面技术和不同技术状态活塞环组的匹配对比试验，研究缸孔表面技术和活塞环组的匹配对发动机摩擦、油耗等性能的影响。通过对比试验得出：优化缸孔网纹参数(尤其罗伞珩磨工艺)匹配合适的活塞环组，可以减小发动机摩擦，降低发动机油耗。

关键词：缸孔表面技术；匹配试验；发动机油耗

0引言

随着社会经济的不断发展，人们的节能环保意识不断加强，对发动机的燃油经济性要求也越来越高。为了提高发动机燃油经济性，最有效常用的方式就是降低发动机的摩擦损失。在发动机部分负荷条件下，缸孔和活塞环组的匹配对降低总机械摩擦的贡献率高达25%，因此，对发动机缸孔表面处理技术与活塞环组的匹配性研究提出了新的挑战[1]。

研究了先进的缸孔等离子喷涂技术和优化的缸孔珩磨工艺对发动机活塞摩擦副的影响，通过试验对比不同匹配方案对发动机的摩擦功和燃油消耗的影响，分析两种先进的缸孔表面技术方案对发动机燃油消耗的影响[2]。

1研究流程

为了提高试验效率，保证数据的准确性，特制定以下研究流程：

(1)制作样件(按照第2.2和2.3节中的参数制作缸体和活塞环组样件)；

(2)制定试验矩阵；

(3)按照试验矩阵进行试验；

(4)获得试验数据；

(5)分析试验数据；

(6)总结结论。

2试验对象

2.1发动机主要参数

试验发动机主要参数如表1所示。

表1　发动机主要参数

2.23个试验缸体样件主要参数

评价缸体的主要参数如下：

Ra表示轮廓的平均算术偏差；

Rz表示不平度平均高度；

Rpk表示简约峰高；

Rk表示核心粗糙度深度；

Rvk表示简约谷深；

Mr1/Mr2表示轮廓支撑长度率；

Mr1代表在中心轮廓(ABBott曲线)以上的轮廓支撑长度率;

Mr2代表在中心轮廓(ABBott曲线)以下的轮廓支撑长度率。

制作的3个缸体主要参数如下：

(1)试验样件A1(标准样件)的珩磨参数如表2所示。

表2　试验样件A1主要参数表

(2)试验样件A2(螺伞滑动珩磨)的珩磨参数如表3所示。

表3　试验样件A2的主要参数汇总

(3)试验样件A3(等离子喷涂)的珩磨参数[3]如表4所示。

表4　试验样件A3的主要参数汇总

2.3试验活塞环组的技术状态简介

活塞环主要有两种状态，其具体信息如下：

活塞环组样件B1状态为标准活塞环组；

活塞环组样件B2状态为优化后的活塞环组(KS带减摩涂层的活塞+ATG活塞环)。

3试验方案、条件和方法

3.1试验方案

对搭载3种状态缸体的发动机进行摩擦功和有效燃油消耗率试验。

试验矩阵见表5。

表5　DOE试验组合

按照以上试验矩阵，完成6组试验，每组试验分别进行摩擦功试验和燃油消耗率试验。

3.2试验条件

试验环境：标准大气压，标准试验温度25 ℃。

试验边界: 无MBS/无MVP/发电机无负载。

机油类型: Castrol Edge-SAE 05W30。

对试验矩阵中的试验按照SAIC 标准进行。

4试验数据

文中主要涉及的专业术语如表6所示。

表6　文中涉及的主要专业术语汇总

(1)试验组1——缸体A+活塞组B1

为了验证优化方案的效果，也需要在统一条件下对标准方案采集BSFC和FMEP的数据，供与优化方案进行对比。

(2)试验组2——缸体A1+活塞环组B2

(3)试验组3——缸体A2+活塞环组B1

(4)试验组4——缸体A2+活塞环组B2

(5)试验组5——缸体A3+活塞环组B1

(6)试验组6——缸体A3+活塞环组B2

（5）加强对操作人员的培训，养成良好的驾驶习惯，了解柴油机在猛踩油门、缺机油、缺冷却液的情况下运行，对机体的危害性极大。

实验结果如图1—6所示。

图1　试验组合1的BSFC和FMEP数值

图2　试验组合2的BSFC和FMEP数值

图3　试验组合3的BSFC和FMEP数值

图4　试验组合4的BSFC和FMEP数值

图5　试验组合5的BSFC和FMEP数值

5试验数据分析

发动机机械摩擦损失大小最终通过BSFC和FMEP来反映，所以缸孔网纹和活塞环的优化效果也是通过这两个参数反映。

5.1优化零件对BSFC影响

文中所采用的方法是提取特定工况点，通过BSFC百分比来衡量优化措施的效果。其计算公式如下：

(1)

式中：ΔBSFC为优化组合后对BSFC改善百分数；

aTDS2_BSFC为优化方案的BSFC试验结果；

aTDS1_BSFC为标准方案的BSFC试验结果。 根据公式(1)，得出试验组合2相对于标准组合对BSFC影响，如图7所示。

图7　试验组合2相对于标准组合对BSFC的影响

经过计算，得到MAP中个点的平均BSFC%Δ为-0.86%；最大BSFC%Δ为0.19%；最小BSFC%Δ为-1.83%，其中负值表示改善。

以此类推，得出了6组试验对BSFC的影响数据，如表7所示。

表7　6组试验对BSFC的影响效果

5.2优化零件对FMEP的影响

文中所采用的方法是提取特定工况点，通过BSFC百分比来衡量优化措施的效果。其计算公式如下：

(2)

式中：ΔFMEP为优化方案和基本方案之间平均有效压力的差值；

bTDS1_MF为标准方案的小时功率的燃油消耗率；

bTDS2_MF为优化方案的小时功率的燃油消耗率。

根据公式(2)，得出试验组合2相对于标准组合对FMEP影响，如图8所示。

图8　试验组合2相对于标准组合对FMEP的影响

曲轴转角在90°时，发动机转速1 250～4 000 r/min范围内，FMEP变化按照计算公式计算为-7.3 kPa，其中负值表示改善。

以此类推，得出了6组试验对FMEP的影响数据，如表8所示。

表8　优化零件对FMEP的影响

整理试验数据，只有粗糙度和油膜厚度达到一种平衡状态，摩擦因数才最小。螺伞珩磨缸孔不仅兼有低粗糙度和良好的油膜，最终反映到较低的BSFC和FMEP。

6结论

通过文中研究，只有缸孔的粗糙度和油膜厚度相匹配，才能获得较低摩擦因数和良好燃油经济性。通过实践，发现罗伞珩磨工艺可以使缸孔达到此要求，实现发动机缸孔低摩擦要求[2]。

参考文献:

【1】钱人一.轿车发动机机体的轻量化技术[J].汽车工艺与材料，2006(6)：1-4.

【2】张然治.道依茨发动机通过螺旋滑动珩磨降低磨损和机油消耗[J].车用发动机，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

作者简介：郭强(1978—)，男，工程师，主要从事乘用车发动机机体研发设计工作。E-mail:guoqiang01@saicmotor.com。

中图分类号:TN249

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)01-007-05