缸套表面織構(gòu)對(duì)機(jī)油蒸發(fā)消耗影響的機(jī)理研究.pdf

1、在能源匱乏與排放法規(guī)日趨苛刻的背景之下，節(jié)能和減排已成為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面進(jìn)行微織構(gòu)加工，已憑借其獨(dú)特的潤滑減摩特性受到大量關(guān)注，相關(guān)研究盡顯其節(jié)能優(yōu)勢(shì)。而在減排方面，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，激光微織構(gòu)加工技術(shù)，能使缸套表面的微觀形貌更加規(guī)則可控，體現(xiàn)出一定的控制機(jī)油耗從而減少顆粒物排放趨勢(shì)。但近年來，織構(gòu)與機(jī)油消耗相關(guān)的研究大多是從工程實(shí)踐的感性認(rèn)識(shí)出發(fā)，織構(gòu)化缸套活塞環(huán)系統(tǒng)的機(jī)油消耗機(jī)理有待探究，尤其是在機(jī)油消耗中占主

2、要比例的機(jī)油蒸發(fā)，其機(jī)理更需深入探討。為此，本文通過模擬計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，開展缸套表面織構(gòu)對(duì)機(jī)油蒸發(fā)影響的機(jī)理研究，為織構(gòu)化缸套的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　本文基于某柴油機(jī)，以其缸套活塞環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮未織構(gòu)區(qū)域表面粗糙度與織構(gòu)形貌以及織構(gòu)間協(xié)同潤滑效應(yīng)的耦合作用，依據(jù)平均雷諾方程與微凸體接觸方程等先建立織構(gòu)化缸套活塞環(huán)系統(tǒng)的混合潤滑理論模型，獲取缸套活塞環(huán)間的油膜厚度和缸壁殘余油膜厚度，然后根據(jù)能量守恒定律

3、，建立油膜溫度方程，得到油膜飽和蒸氣壓與相變界面的機(jī)油組分比例，最后依據(jù)缸內(nèi)燃?xì)夂蜋C(jī)油蒸氣的擴(kuò)散方程求解機(jī)油蒸發(fā)質(zhì)量流量，以此構(gòu)建織構(gòu)化缸套的機(jī)油蒸發(fā)計(jì)算模型。
　　利用模型模擬研究凹腔和溝槽兩種不同型式的織構(gòu)形貌參數(shù)對(duì)機(jī)油蒸發(fā)消耗的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，缸套表面織構(gòu)會(huì)改變織構(gòu)區(qū)域油膜壓力的變化量和油膜厚度，從而影響活塞環(huán)出口的機(jī)油流量，使缸套表面殘余油膜厚度發(fā)生改變，最終影響機(jī)油蒸發(fā)。對(duì)于凹腔型式的織構(gòu)，隨著凹腔深度和面積密度的增

4、加，機(jī)油蒸發(fā)量均呈先減小后增加的趨勢(shì)，在深度為7μm，面積密度為0.15左右時(shí)，分別出現(xiàn)最小值;隨著凹腔半徑的增加，機(jī)油蒸發(fā)量逐漸增長。因此凹腔的形貌參數(shù)選擇為:深度在5-7μm，半徑在15-40μm，面積密度在0.1-0.2范圍內(nèi)機(jī)油蒸發(fā)量相對(duì)較小。對(duì)于溝槽型式的織構(gòu)，其深度和密度對(duì)機(jī)油蒸發(fā)的影響規(guī)律與凹腔類似;隨著溝槽寬度的增加，機(jī)油蒸發(fā)量隨之上升;溝槽與活塞運(yùn)動(dòng)方向的夾角越大，機(jī)油蒸發(fā)呈上升趨勢(shì)。因此溝槽形貌的參數(shù)選擇為:深度在4

5、-6μm，寬度在20-40μm，角度在30-60度，面積密度在0.1-0.2范圍內(nèi)較為合適。
　　最后依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)不同織構(gòu)方案缸套，并與原機(jī)平臺(tái)網(wǎng)紋缸套進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能對(duì)比試驗(yàn)，以考察缸套表面進(jìn)行織構(gòu)化加工后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗所產(chǎn)生的實(shí)際影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在標(biāo)定點(diǎn)工況，換裝不同織構(gòu)方案缸套后，凹腔半徑和深度保持不變，凹腔面積密度為0.25的方案機(jī)油消耗高于原機(jī)，增幅為13.64％，而面積密度為0.15的方案機(jī)油消耗明顯低