内燃机活塞-缸套系统低摩擦技术应用及摩擦力测量方法研究

摘要

内燃机目前仍是生产和生活中的主要动力源。能源的日趋紧张和环境保护意识的增强，对内燃机的经济性提出了更高的要求。与高效燃烧、电控喷油、增压等技术相比，摩擦学设计在内燃机中的应用潜力还有待深入挖掘。本文以内燃机活塞-缸套系统为对象，以减摩降耗为目标，通过理论仿真、摩擦副设计改进、样件加工和试验验证，探索了内燃机关键摩擦副的低摩擦设计技术和方法，并对活塞组-缸套摩擦力的测量方法进行了研究。本文的主要工作如下:
　　1.活塞-缸套系统的摩擦学理论建模和摩擦副设计改进方案选择。本文以平均雷诺方程、微凸接触模型及雷诺边界条件为基础，进一步考虑了活塞环和连杆对活塞的影响、活塞-缸套界面处的变形、润滑油的物性等影响因素，建立了活塞裙部-缸套混合润滑分析模型。基于该模型，在内燃机不同工况下，分析了整个工作循环内活塞裙部-缸套摩擦副的摩擦损失、油膜厚度和接触情况等参数随曲轴转角的变化关系。在此基础上，对比分析影响活塞-缸套系统摩擦学性能的各种因素，以降低摩擦损失为目标，确定了可行的活塞-缸套摩擦副改进方案。
　　2.活塞-缸套摩擦副样件的加工及试验验证。在确定活塞-缸套摩擦副改进方案的基础上，针对某型号发动机进行了样件的加工，并进行了试验验证。在倒拖试验台架上，测试并对比了摩擦副改进前后的摩擦损失，发现在不同转速下活塞-缸套系统的摩擦损失比改进前均降低10％以上;在发动机性能试验台架上，测试了包括活塞-缸套系统在内的多个摩擦副改进前后的比油耗，发现整机比油耗比改进前平均降低2.5％。
　　3.实现了活塞组-缸套摩擦力的无线测量技术。针对IMEP方法中连杆应力信号导出的困难，试制了连杆应力无线传输模块，并基于该方法，成功测得了柴油机在倒拖状态和点火状态下的活塞组-缸套摩擦力。该结果与公开发表的测量结果趋势相近，证明了该方法的有效性。
　　4.在上述研究的基础上，提出了内燃机摩擦学知识服务的相关规范和模式。摩擦学知识服务是短期内提高国内内燃机摩擦学设计水平的有效途径。本文对冷态拆卸法测量内燃机机械损失以及无线方式测量活塞组-缸套摩擦力两个试验的服务模式进行了分析。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 活塞-缸套系统摩擦学研究现状

1．2．1 活塞-缸套系统低摩擦技术研究现状

1．2．2 活塞动力学模型的构建

1．2．3 活塞裙部润滑模型的构建

1．2．4 内燃机传热及活塞热分析

1．2．5 活塞组摩擦力测量方法研究

1．2．6 研究现状总结

1．3 本文工作的关键内容

1．4 本文研究内容

第二章 活塞裙部-缸套混合润滑建模及变形计算

2．1 引言

2．2 活塞动力学模型

2．2．1 运动学方程

2．2．2 动力学方程

2．2．3 活塞销与连杆小头之间的摩擦力及摩擦力矩

2．2．4 活塞环与环槽之间的作用力

2．3 活塞裙部-缸套混合润滑模型

2．3．1 Reynolds方程的推导

2．3．2 油膜厚度的计算

2．3．3 微凸接触模型

2．4 活塞及缸套变形的计算

2．4．1 活塞及缸套热变形的计算

2．4．2 活塞及缸套弹性变形的计算

2．4．3 燃烧压力及惯性力引起活塞裙部变形的计算

2．5 润滑油物性参数及剪切变薄效应

2．5．1 润滑油粘度与温度关系

2．5．2 剪切变薄效应

2．5．3 润滑油密度与压力、温度关系

2．6 仿真计算结果及分析

2．6．1 仿真计算方法及流程

2．6．2 计算参数

2．6．3 计算结果分析

2．7 本章小结

第三章 活塞-缸套系统摩擦损失影响因素分析

3．1 引言

3．2 活塞裙部-缸套摩擦损失影响因素分析

3．2．1 活塞销偏置的影响

3．2．2 曲轴偏置的影响

3．2．3 配缸间隙的影响

3．2．4 裙部润滑面积的影响

3．2．5 裙部轴向型线的影响

3．2．6 润滑油温度及剪切变薄效应的影响

3．2．7 低摩擦设计方案的初步选择

3．3 低摩擦设计方案综合评估

3．3．1 低转速下的膜厚及减摩效果

3．3．2 无燃烧压力下的膜厚及减摩效果

3．4 本章小结

第四章 活塞-缸套系统低摩擦技术的工程应用

4．1 引言

4．2 活塞和活塞环低摩擦样件的研制

4．3 冷态拆卸法测量内燃机的机械损失

4．3．1 柴油机机械损失测量

4．3．2 汽油机活塞-缸套系统低摩擦设计方案的试验验证

4．3．3 拆卸法测量内燃机摩擦损失的资源服务

4．4 汽油机热机性能试验

4．4．1 测试设备

4．4．2 试验结果

4．5 本章小结

第五章 活塞-缸套系统摩擦力测量方法研究

5．1 引言

5．2 IMEP法测量原理

5．3 连杆力的测量

5．3．1 应变片的连接方式

5．3．2 应变片及其标定

5．3．3 试验设备

5．4 试验结果

5．4．1 热机试验(有线方式)

5．4．2 倒拖试验(无线遥测)

5．4．3 热机试验(无线遥测)

5．5 无线测量摩擦力的资源服务

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 本文创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间参与的科研项目及获奖情况

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