基于流固耦合传热的内燃机润滑摩擦特性研究

摘要

内燃机摩擦副的摩擦学性能对整机性能和可靠性有重大的影响。低摩擦技术的开发和应用是内燃机摩擦学中的核心问题，明确各个摩擦副的润滑特性和摩擦功耗水平是低摩擦技术开展的基本前提。内燃机通过整个活塞连杆曲轴机构将缸内载荷通过高速的活塞往复和曲轴旋转来输出有用功，导致活塞连杆曲轴机构的摩擦损失成为内燃机摩擦损失的主要来源，所以，以活塞连杆曲轴机构为主要研究摩擦副；其中活塞和活塞环的摩擦损失所占比例最大，将其作为最关键摩擦副进行研究。为了更加准确的预测发动机的摩擦功率损耗的状况，本文开展了以下研究工作:
　　1.活塞组-缸套润滑计算热边界条件的确定
　　活塞组-缸套润滑计算需要以缸套和活塞的温度场和变形作为边界条件，其对缸套和活塞组润滑摩擦的影响显著，为准确的获得缸套和活塞的温度和变形情况，提出了兼顾总体传热和局部传热的缸内传热模型，考虑了水腔内沸腾传热和活塞内润滑油振荡冷却的影响，进行了燃气侧、水侧、润滑油与结构温度场的耦合计算。水腔内若发生沸腾危机，固体壁面温度急剧升高，造成机油结焦、润滑失效、材料破坏，所以需判断水腔内的沸腾状态。
　　将量纲关系式h（φ,i）=C（φ）d-0.2p0.8w0.8T-0.8μe-0.47λe0.67cp0.33应用于柴油机的缸内三维局部传热计算，在每个曲轴转角条件下，保证局部传热计算中对全部壁面网格热流求和所得传热总量与Woschni模型的计算值相等，以确定局部传热模型中的待定系数C(φ)，从而建立了兼顾总体传热和局部传热的缸内传热模型。将该缸内传热模型应用于一款单缸水冷自然吸气式四冲程直喷柴油机的缸内传热计算，所得模拟结果与实验结果吻合，验证了该缸内传热模型的可行性。
　　根据矩形截面试验水道的试验数据验证沸腾传热模型精度，根据水腔内可能存在的传热状态及特点定义了五种区域:强制对流区，部分发展泡核沸腾区，充分发展泡核沸腾区，临界裕量区，过渡及膜态沸腾区。基于对传热模型的误差和水腔设计安全裕度两方面的考虑，提出了发动机水腔设计的临界极限判定方法。
　　基于缸内传热模型获得内燃机燃气侧的传热边界条件，基于均相流沸腾传热模型获得水侧传热边界，基于VOF模型获得活塞油腔侧传热边界。基于反距离加权插值算法和点云快速配准算法实现燃气侧边界、水侧、润滑油侧与结构温度场计算的耦合。以某商用车直列六缸柴油机作为研究对象，计算结果与缸盖、活塞温度场实验吻合良好，验证了温度场计算方法的合理性;并基于温度场结果获得了缸套和活塞的变形情况。结果表明，在鼻梁区和排气门附近，冷却水处于部分发展泡核沸腾区;在缸套顶端两缸之间受到相邻两缸的热负荷作用，沸腾情况相对显著，达到充分发展泡核沸腾区。
　　2.活塞组-缸套润滑摩擦数值分析
　　由于活塞在气缸内做高速往复运动，获得缸套和活塞的稳态热边界后，引入缸套和活塞组之间的瞬态传热模型，以获得润滑油膜和固体壁面层的瞬态传热情况对摩擦功耗的影响。基于缸套和活塞裙部温度场和径向变形，结合基于CMS模态综合法的多体系统动力学、润滑摩擦和传热、微凸体接触、空穴效应以及微弹流的影响，建立了活塞裙部混合润滑计算模型。将模型应用于该直列六缸柴油机，结果表明:活塞裙部处于流体润滑状态;热变形和润滑油温度对摩擦功耗影响显著;润滑油温度较低时，润滑油温度的偏差会造成摩擦功耗产生较大的绝对变化量，较小的相对变化量;润滑油为恒定温度情况与考虑瞬时传热的情况相比，在做功冲程，恒温情况得到的活塞裙部功耗偏小。
　　基于缸套温度场和径向变形，结合活塞环组的动力学、漏气、润滑、空穴效应以及微弹流的影响，建立了活塞环组的混合润滑计算模型。将模型应用于该柴油机，结果表明:气环和油环均存在混合润滑状态;对活塞环组总摩擦功耗的贡献，第一道气环最高，其次是油环和第二道气环;第一道气环的粗糙摩擦功率最高，瞬时摩擦功率损失的最高值是由第一环的粗糙接触摩擦引起的。
　　3.连杆轴承润滑摩擦数值分析
　　基于多体动力学原理建立了考虑空穴效应和微观弹流润滑效应的连杆大头轴承热弹性流体动力混合润滑的计算模型，提出了穴蚀位置的判断方法，分析了轴承润滑状态并获得了轴承摩擦损失的热量分配。将径向滑动轴承试验和仿真结果进行比较，验证了该模型的合理性。将模型应用于该直列六缸柴油机连杆轴承计算，结果表明:连杆大头轴承处于混合润滑状态，其粗糙接触发生在上轴瓦顶部的两侧边缘;结合轴心轨迹、润滑油填充率、润滑油填充率的变化率和液动油膜压力变化率可以有效识别穴蚀位置;单个连杆大头轴承的平均摩擦功率为0.44 kW，最大粗糙摩擦功率仅为111.1 mW，对其瞬时摩擦功率的监测并不能判断局部的润滑状态;大头轴承的润滑热量损失以热传导为主要方式。
　　4.子系统摩擦功试验及仿真分析
　　为获得柴油机各子系统摩擦功，进行拆卸法倒拖测试试验，通过拆除前后的差值获得各个组件的摩擦损失。通过理论计算得到机油泵消耗的功率，建立了发动机在停油和非增压状态下的工作过程计算模型，获得了倒拖对缸内气体的泵气功，对配气机构的摩擦损失进行了修正，获得了修正后的摩擦损失贡献情况。建立了额定工况下柔性多体系统动力学和主轴热弹流混合润滑耦合计算模型，获得了额定工况主轴承的摩擦功率损失情况。
　　为了验证主轴承、连杆轴承、活塞裙部和活塞环计算模型和方法的适用性，建立了拆卸法倒拖试验的仿真计算模型，获得了主轴承、连杆轴承、活塞裙部和活塞环的摩擦功耗情况。计算值与拆卸法倒拖试验值相比，主轴承摩擦功耗的误差为0.8％，活塞组和连杆组的摩擦功耗的误差为1.3％，因此，活塞组和径向滑动轴承润滑摩擦计算方法能够较好的反映实际摩擦功耗。
　　根据试验和计算结果比较了拆卸法倒拖试验和实际情况摩擦功耗的差别情况，结果表明:拆卸法倒拖工况下，由于没有缸内载荷的作用，各个主轴承摩擦功耗相对平均，各个主轴承的摩擦功耗是缸内压力消除和润滑油温度降低的综合作用结果。在拆卸法倒拖试验中高估了活塞环和连杆轴承的摩擦功耗水平，低估了活塞裙部的摩擦功耗水平;在高估了活塞环总摩擦功耗水平的同时，低估了其中粗糙摩擦功耗的贡献，且改变了三道环对总摩擦功耗贡献的比例，导致三道活塞环的总摩擦功耗水平、粗糙摩擦功耗和液动摩擦功耗的水平都基本一致，而在额定工况下第一环总摩擦功耗和粗糙摩擦功耗均最高。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题的背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 活塞组-缸套润滑计算热边界研究现状

1．2．2 活塞组-缸套润滑摩擦研究现状

1．2．3 内燃机径向滑动轴承润滑摩擦研究现状

1．3 主要研究内容和技术路线

第2章 活塞组-缸套润滑计算热边界条件的确定

2．1 引言

2．2 基本理论

2．2．1 缸内传热

2．2．2 冷却水腔内沸腾传热

2．2．3 活塞喷油冷却

2．2．4 固体结构传热和变形

2．3 流固耦合传热算法

2．3．1 流固耦合传热计算流程

2．3．2 流固耦合映射算法

2．3．3 并行和串行多线程计算

2．3．4 不同类型边界的映射处理

2．4 燃气侧传热边界

2．5 缸盖-缸套温度场及变形

2．5．1 冷却水腔计算及水侧传热边界

2．5．2 缸盖-缸套温度场及实验验证

2．5．3 缸套变形

2．6 活塞温度场及变形

2．6．1 活塞喷油冷却计算及润滑油侧传热边界

2．6．2 活塞温度场实验及仿真计算

2．6．3 活塞裙部变形

2．7 本章小结

第3章 活塞组-缸套润滑摩擦数值分析

3．1 引言

3．2 活塞裙部-缸套润滑摩擦理论

3．2．1 多体系统动力学

3．2．2 润滑油参数

3．2．3 油膜厚度方程

3．2．4 活塞裙部润滑模型

3．2．5 接触模型

3．2．6 摩擦力和摩擦功率

3．2．7 瞬态传热

3．3 活塞环-缸套润滑摩擦理论

3．3．1 活塞环动力学模型

3．3．2 漏气模型

3．3．3 活塞环润滑模型

3．4 活塞裙部-缸套润滑的数值计算

3．4．1 数学模型计算方法

3．4．2 计算模型

3．4．3 计算结果及分析

3．4．4 热负荷对裙部摩擦功耗的影响

3．5 活塞环组-缸套润滑的数值计算

3．5．1 计算模型

3．5．2 计算结果及分析

3．6 本章小结

第4章 连杆轴承润滑摩擦数值分析

4．1 引言

4．2 基本理论

4．2．1 径向滑动轴承润滑模型

4．2．2 润滑能量方程

4．2．3 轴瓦传热方程

4．2．4 穴蚀位置评价

4．3 数学模型计算方法

4．4 径向滑动轴承润滑摩擦实验及仿真计算

4．5 连杆轴承润滑的数值计算

4．5．1 计算模型

4．5．2 计算结果及分析

4．6 本章小结

第5章 子系统摩擦功试验及仿真分析

5．1 引言

5．2 柴油机摩擦功率试验及分析

5．2．1 试验设备

5．2．2 倒拖试验方法

5．2．3 试验结果分析

5．3 主轴承摩擦功率计算

5．3．1 计算模型

5．3．2 计算结果及分析

5．4 拆卸法倒拖工况的仿真计算

5．4．1 计算模型

5．4．2 计算结果及试验验证

5．5 拆卸法倒拖试验和实际工况的比较分析

5．5．1 拆卸法倒拖和实际工况的差别

5．5．2 结果对比和分析

5．6 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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