应用减摩技术后的活塞组件油耗收益分析
2022-06-09
[摘 要]活塞组件通过应用新的涂层，调整配缸间隙等减摩技术，以减少其摩擦功消耗。通过倒拖法试验和理论计算，得到新活塞组件在机械摩擦扭矩上的收益。利用AVL的BOOST软件建立发动机模型，对发动机性能进行仿真模拟校核后，将新、旧活塞组件不同的机械摩擦扭矩数据代入BOOST 模型计算，根据仿真结果，最终评估该减摩技术带来的油耗收益。
[关键词]活塞组件 摩擦损失 BOOST 仿真 油耗
中图分类号：TU954 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0233-01
前言
竞争加剧和油耗法规的严苛无可避免，企业不断地进行技术升级以降低车辆燃料消耗。某款1.6L自然吸气发动机在活塞组件上应用新的减摩技术，通过减少发动机内部摩擦消耗，来提高燃油经济性。本文旨在寻找评估摩擦力减少转化为油耗收益的途径，对油耗测算提供参考依据。
一、 活塞减摩技术方案
研究发动机选取的是一款四冲程、水冷、直列四缸、双顶置凸轮轴自然吸气汽油发动机。排量为1.587L，最大净功率84Kw，最大扭矩为150NM，压缩比ε为11。该发动机应用的活塞的气缸直径78.5mm，活塞行程78.5mm，连杆中心矩133.5mm，最大爆发压力8.8MPa。
为了减少摩擦功消耗，提高发动机燃油经济性，在现有的活塞组件上，应用新的减摩技术：活塞裙部涂层粗糙度由RS12 更改为RS8；活塞裙部也采用新的石墨涂层EvoGlide-20（马勒公司的企业标准）；半浮式活塞销增加DLC涂层；活塞配缸间隙由50μm 调整到70μm。新涂层和摩擦系数降低可以直接减少摩擦副摩擦力，从而降低摩擦功消耗。配缸间隙加大可使活塞裙部的摩擦功耗减少，但须说明，这也会使活塞上端的二阶位移量增加，导致活塞碰壁，不利于活塞平稳工作[1]。因此间隙的增加需要在合理范围，根据该活塞高度、裙部长度和裙部形状的结构特征来核算，70um 配缸间隙适用此活塞。
二、 机械摩擦损失收益的计算
对自然吸气四冲程发动机来说，活塞与活塞环的摩擦损失占整个机械摩擦损失功中的45%-65%[2]。倒拖法是适合测量功率不高、自然吸气的汽油机摩擦损失的常用方法，从倒拖法获得的扭矩试验值包括了机械摩擦损失（）和泵气损失（），其值是两部分损失之和[3]。通过计算机械摩擦损失，在结合倒拖试验值，得到泵气损失，随之得机械摩擦和泵气损失在倒拖测试中配比关系。
（一）、新旧活塞组件倒拖法台架测试
由于新、旧活塞组件的差异并不引起泵气损失变化，因此新、旧的活塞组件在倒拖法中的扭矩差异，可以视为机械摩擦损失扭矩差异。将同一台发动机先后装配旧-新-旧活塞组件，分三次进行倒拖试验，安排这样的试验顺序，可以减少装配操作对试验结果造成的影响。倒拖台架试验中，发动机处于熄火状态时，台架测功设备可得到发动机扭矩。从试验结果看出，实施了减摩的技术活塞组件的扭矩收益率在中低速时收益明显，但随着转速逾过5000 r/min升高，扭矩收益急剧减少，当转速到达6000r/min时，扭矩收益非常微小，因为后续转速的提高整个机械摩擦损失和泵气损失提扭矩升速度较快，使这小部分的扭矩收益变得非常微小。
（二）机械摩擦损失
倒拖台架的测量包含泵气损失，需要借助计算来确认摩擦损失、泵气损失在倒拖扭矩中的配比关系，从而满足后续BOOST仿真计算的需要。
摩擦损失可通过计算得到，利用倒拖台架得到扭矩值减去机械摩擦扭矩即为泵气损失。摩擦损失的计算模型有Chen-Flynn计算模型和Modified Honda 模型等，以英国莲花公司推荐Modified Honda计算方法为例。
收集该机型发动机的相关参数，代入公式中，得到整个转速下摩擦损失。根据这个计算结果，新的活塞组件扭矩消耗收益所占整个械摩擦损失的比例可以计算出来 。从结果中可以看出，发动机低转速时机械摩擦损失与泵气损失所消耗的扭矩起初相当，随着转速不断提高，机械摩擦损失和泵气损失都在提高，但泵气损失提升相对速度更快。
三、 BOOST模型计算
（一）、在BOOST 软件中建立模型
BOOST是一款建立发动机台架试验模型的软件，可以根据热力学、传热、传质等理论，将物理模型转化为数学描述。根据发动机所运行的边界条件，选取合理的初始值，收集发动机整机参数和各元件信息，其中重要零部件和标定数据比如气门升程，点火提前角，VVT（正时可变相位）需要精确数值，这样发动机仿真模型才有代表性，在 AVL BOOST 建立发动机模型如图1所示。
模型反应与发动机的结构特征一致，模型共有70个元素构成：2个系统边界（SB1～SB2），4个气缸（C1～C4），1个空气净化器（CL1），1个催化转化器（CAT1），4个喷油嘴（I1～I4），5个限流阀（R1～R5），2个容积腔（PL1～PL2），4个测量点（MP1～MP4），38个连接管道（1～38），9个连接点（J1～J9）。
仿真模型参数选取对计算结果有影响，需要用该汽油机的台架试验数据对模型进行校核，并调整参数。仿真的发动机相关参数如缸压、功率、扭矩、燃油消耗等，与该发动机台架实际测量值吻合后，该模型可以用于后续的仿真计算。
（二）BOOST模型仿真计算
在BOOST模型中，平均有效制动压力（BMEP）等于平均有效压力（IMEP）减去机械摩擦损失平均压力（FMEP），BMEP即反映了发动机输出有效功所消耗的平均缸压，IMEP则反映了燃烧室平均指示缸压，FMEP是机械摩擦损消耗的平均缸压（即）[5]。将新、旧活塞组件的FMEP数值分别代入BOOST发动机模型中，以25%和全负荷工况为例，计算得到结果如图2。
新活塞组件油耗曲线用虚线表示，原活塞组件油耗曲线用实线表示
从仿真计算结果可以得知，全负荷时，在750r/min-6000r/min发动机转速区间内油耗收益为0-2.08%，并在5000r/min工况附近时，油耗收益达峰值2.08%。发动机负荷低时，新活塞组件的油耗收益更高，1/4负荷下，油耗收益为0-8.9%。同时，校核发动机的其它性能数据，例如发动机输出功率和扭矩等变化比较微小，由于篇幅有限不能数据全部列举。
四、 结论
通过分析，实现评估实施减摩擦技术的活塞组件在想应工况下油耗收益，可以考虑更多常用工况的参数，比如进气温度、水温、机油温度、各种负荷进行组合来更加全面的评估。将该减摩技术活塞组应用某款轿车，该轿车空载质量1289Kg，搭载5速手动变速箱，按照乘用车燃料消耗测量法规要求，在NEDC油耗试验中节约了0.26L/100km燃油，约为3.6%，这与模拟计算结果对应。
参考文献
[1] 王庆生，刘焜.内燃机活塞二阶运动建模与参数设计仿真[J].系统仿真学报，2011，23（5）：886-896.
[2] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2009.1：26-29.
作者简介
王建波（1979-），男，湖北十堰人，湖北工业大学在读工程硕士，神龙汽车有限公司技术中心，研究方向发动机项目开发及管理。
[关键词]活塞组件 摩擦损失 BOOST 仿真 油耗
中图分类号：TU954 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0233-01
前言
竞争加剧和油耗法规的严苛无可避免，企业不断地进行技术升级以降低车辆燃料消耗。某款1.6L自然吸气发动机在活塞组件上应用新的减摩技术，通过减少发动机内部摩擦消耗，来提高燃油经济性。本文旨在寻找评估摩擦力减少转化为油耗收益的途径，对油耗测算提供参考依据。
一、 活塞减摩技术方案
研究发动机选取的是一款四冲程、水冷、直列四缸、双顶置凸轮轴自然吸气汽油发动机。排量为1.587L，最大净功率84Kw，最大扭矩为150NM，压缩比ε为11。该发动机应用的活塞的气缸直径78.5mm，活塞行程78.5mm，连杆中心矩133.5mm，最大爆发压力8.8MPa。
为了减少摩擦功消耗，提高发动机燃油经济性，在现有的活塞组件上，应用新的减摩技术：活塞裙部涂层粗糙度由RS12 更改为RS8；活塞裙部也采用新的石墨涂层EvoGlide-20（马勒公司的企业标准）；半浮式活塞销增加DLC涂层；活塞配缸间隙由50μm 调整到70μm。新涂层和摩擦系数降低可以直接减少摩擦副摩擦力，从而降低摩擦功消耗。配缸间隙加大可使活塞裙部的摩擦功耗减少，但须说明，这也会使活塞上端的二阶位移量增加，导致活塞碰壁，不利于活塞平稳工作[1]。因此间隙的增加需要在合理范围，根据该活塞高度、裙部长度和裙部形状的结构特征来核算，70um 配缸间隙适用此活塞。
二、 机械摩擦损失收益的计算
对自然吸气四冲程发动机来说，活塞与活塞环的摩擦损失占整个机械摩擦损失功中的45%-65%[2]。倒拖法是适合测量功率不高、自然吸气的汽油机摩擦损失的常用方法，从倒拖法获得的扭矩试验值包括了机械摩擦损失（）和泵气损失（），其值是两部分损失之和[3]。通过计算机械摩擦损失，在结合倒拖试验值，得到泵气损失，随之得机械摩擦和泵气损失在倒拖测试中配比关系。
（一）、新旧活塞组件倒拖法台架测试
由于新、旧活塞组件的差异并不引起泵气损失变化，因此新、旧的活塞组件在倒拖法中的扭矩差异，可以视为机械摩擦损失扭矩差异。将同一台发动机先后装配旧-新-旧活塞组件，分三次进行倒拖试验，安排这样的试验顺序，可以减少装配操作对试验结果造成的影响。倒拖台架试验中，发动机处于熄火状态时，台架测功设备可得到发动机扭矩。从试验结果看出，实施了减摩的技术活塞组件的扭矩收益率在中低速时收益明显，但随着转速逾过5000 r/min升高，扭矩收益急剧减少，当转速到达6000r/min时，扭矩收益非常微小，因为后续转速的提高整个机械摩擦损失和泵气损失提扭矩升速度较快，使这小部分的扭矩收益变得非常微小。
（二）机械摩擦损失
倒拖台架的测量包含泵气损失，需要借助计算来确认摩擦损失、泵气损失在倒拖扭矩中的配比关系，从而满足后续BOOST仿真计算的需要。
摩擦损失可通过计算得到，利用倒拖台架得到扭矩值减去机械摩擦扭矩即为泵气损失。摩擦损失的计算模型有Chen-Flynn计算模型和Modified Honda 模型等，以英国莲花公司推荐Modified Honda计算方法为例。
收集该机型发动机的相关参数，代入公式中，得到整个转速下摩擦损失。根据这个计算结果，新的活塞组件扭矩消耗收益所占整个械摩擦损失的比例可以计算出来 。从结果中可以看出，发动机低转速时机械摩擦损失与泵气损失所消耗的扭矩起初相当，随着转速不断提高，机械摩擦损失和泵气损失都在提高，但泵气损失提升相对速度更快。
三、 BOOST模型计算
（一）、在BOOST 软件中建立模型
BOOST是一款建立发动机台架试验模型的软件，可以根据热力学、传热、传质等理论，将物理模型转化为数学描述。根据发动机所运行的边界条件，选取合理的初始值，收集发动机整机参数和各元件信息，其中重要零部件和标定数据比如气门升程，点火提前角，VVT（正时可变相位）需要精确数值，这样发动机仿真模型才有代表性，在 AVL BOOST 建立发动机模型如图1所示。
模型反应与发动机的结构特征一致，模型共有70个元素构成：2个系统边界（SB1～SB2），4个气缸（C1～C4），1个空气净化器（CL1），1个催化转化器（CAT1），4个喷油嘴（I1～I4），5个限流阀（R1～R5），2个容积腔（PL1～PL2），4个测量点（MP1～MP4），38个连接管道（1～38），9个连接点（J1～J9）。
仿真模型参数选取对计算结果有影响，需要用该汽油机的台架试验数据对模型进行校核，并调整参数。仿真的发动机相关参数如缸压、功率、扭矩、燃油消耗等，与该发动机台架实际测量值吻合后，该模型可以用于后续的仿真计算。
（二）BOOST模型仿真计算
在BOOST模型中，平均有效制动压力（BMEP）等于平均有效压力（IMEP）减去机械摩擦损失平均压力（FMEP），BMEP即反映了发动机输出有效功所消耗的平均缸压，IMEP则反映了燃烧室平均指示缸压，FMEP是机械摩擦损消耗的平均缸压（即）[5]。将新、旧活塞组件的FMEP数值分别代入BOOST发动机模型中，以25%和全负荷工况为例，计算得到结果如图2。
新活塞组件油耗曲线用虚线表示，原活塞组件油耗曲线用实线表示
从仿真计算结果可以得知，全负荷时，在750r/min-6000r/min发动机转速区间内油耗收益为0-2.08%，并在5000r/min工况附近时，油耗收益达峰值2.08%。发动机负荷低时，新活塞组件的油耗收益更高，1/4负荷下，油耗收益为0-8.9%。同时，校核发动机的其它性能数据，例如发动机输出功率和扭矩等变化比较微小，由于篇幅有限不能数据全部列举。
四、 结论
通过分析，实现评估实施减摩擦技术的活塞组件在想应工况下油耗收益，可以考虑更多常用工况的参数，比如进气温度、水温、机油温度、各种负荷进行组合来更加全面的评估。将该减摩技术活塞组应用某款轿车，该轿车空载质量1289Kg，搭载5速手动变速箱，按照乘用车燃料消耗测量法规要求，在NEDC油耗试验中节约了0.26L/100km燃油，约为3.6%，这与模拟计算结果对应。
参考文献
[1] 王庆生，刘焜.内燃机活塞二阶运动建模与参数设计仿真[J].系统仿真学报，2011，23（5）：886-896.
[2] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2009.1：26-29.
作者简介
王建波（1979-），男，湖北十堰人，湖北工业大学在读工程硕士，神龙汽车有限公司技术中心，研究方向发动机项目开发及管理。