内燃机活塞二阶运动与摩擦学行为的瞬态模型研究

摘要

随着全球环境问题日益严重和石油资源不断枯竭，提高燃油经济性和降低排放成为高性能内燃机设计的关注重点。据估计，活塞-缸套间的摩擦损耗可达整个内燃机摩擦损耗的25％。因此，良好的活塞-缸套润滑系统对于汽车的节能、减排设计至关重要。而活塞二阶运动对于活塞-缸套润滑系统有十分重要的影响。在以往的研究中，人们一直忽略了内燃机中的系统变惯量特性和内燃机系统动力学对于活塞二阶运动以及活塞裙部摩擦学行为的影响，而且以往的活塞二阶运动数学模型无法进行瞬态分析。本文从推导内燃机系统动力学—活塞二阶运动耦合模型入手，更为全面和深入地对活塞二阶运动和活塞裙部摩擦学进行了研究。主要研究内容包括： 推导建立了内燃机系统动力学—活塞二阶运动耦合模型。新模型能够在数学层面上表达内燃机系统变惯量特性与活塞二阶运动的关系，也能够反映内燃机转速波动对活塞二阶运动的影响。同时新模型具备了对活塞二阶运动和活塞裙部摩擦学行为进行瞬态分析的能力。提出了适合活塞-缸套系统的二维平均流量雷诺方程作为润滑分析模型，修正了过于简化的油膜厚度计算公式。推导了针对活塞裙部润滑系统简化的一维雷诺方程。这种一维雷诺方程求解过程十分简单、快速，同时也保证了一定的求解精度。 针对内燃机系统动力学—活塞二阶运动耦合模型建立了计算框架，并对某一单缸发动机进行了数值仿真。结果表明：1.内燃机系统变惯量对于活塞二阶运动和活塞裙部摩擦学行为的影响不可忽视。考虑系统变惯量比不考虑系统变惯量时，活塞二阶运动更为激烈，摩擦力与摩擦功耗显著增加。2.连杆的质心位置对活塞裙部摩擦力与摩擦功耗影响明显，连杆质心越靠近大端，活塞裙部摩擦力与摩擦功耗越小。3.随着发动机速度的上升，活塞二阶运动的激烈程度有所下降，摩擦功耗则不断上升。4.随着发动机转速的提高，发动机的系统惯性力对于活塞二阶运动和裙部摩擦学行为的影响越来越强。