车用汽油机表面织构气缸孔的润滑摩擦性能研究

摘要

气缸套-活塞环是发动机中最关键的摩擦副之一,其摩擦学行为对发动机的动力性、经济性、排放、工作稳定性和使用寿命等有重要影响。表面织构技术对于改善摩擦副润滑性能,降摩减磨具有良好的效果,将激光表面织构技术应用于发动机气缸孔表面,对于降低发动机的摩擦损失,改善润滑性能,提高机械效率等具有重要的研究价值和工程意义。
　　 本文以JL466车用汽油机为研究对象,将表面织构技术应用于气缸孔表面,通过理论结合试验的方法研究表面织构技术对于气缸套-活塞环摩擦副润滑摩擦性能的改善效果,以及对发动机动力性、经济性、排放性能等的影响规律。为真实反映气缸套.活塞环的润滑情况,在气缸孔表面织构的基础上,考虑表面粗糙度的影响,对雷诺方程进行修正并引入微凸体接触方程,建立了新的表面织构气缸套-活塞环混合润滑理论模型。计算结果表明:相对于原机,表面凹腔织构后气缸套一活塞环间最小油膜厚度平均值增加了38.2%,无量纲摩擦力平均值降低了34.7%,凹腔的优化参数为:面积占有率Sp=0.125-0.25,深径比e=0.05-0.1(即深度hp=3-6μm)。而通过试样摩擦性能试验验证发现,相对于表面未织构试样,不同激光表面织构试样摩擦系数可降低21.6-34.4%,当凹腔参数为Sp=18.1%时,hp=5μm时,表面织构的润滑效果最佳,与理论计算结果基本吻合。同时,通过理论模型对混合润滑区域的研究,发现在上止点附近,微凸体峰元摩擦力数值与油膜间的流体摩擦力数值接近,证实了混合润滑模型的意义;对比不同表面织构对摩擦副的润滑性能的影响,发现凹腔织构效果最佳,但复合织构的参数优化组合尤其重要。
　　 在理论计算与摩擦性能试验的基础上,对表面织构缸孔的发动机进行台架性能试验,研究表明:相对于原机,缸孔表面织构后汽油机排放性能基本不变;发动机的扭矩略有增强;而不同气缸表面织构发动机的燃油消耗率都要优于原机,凹腔织构发动机效果最佳,在外特性上其燃油消耗可降低3.9-5.4%左右,证实了理论计算结果;同时发现表面织构发动机的机油消耗显著降低,不同织构方案的发动机其机油耗下降幅度达17-55.4%。