現代優化氣缸變形的新方法

【德】　M.Berg　H.Schulthei?　D.Musch　T.Hilbert

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現代優化氣缸變形的新方法

【德】M.BergH.Schulthei?D.MuschT.Hilbert

未來實際行駛排放(RDE)法規要求在目前的行駛循環之外也應具有更好的廢氣排放可靠性。由于對負荷和動態性能的要求更高，諸如機油竄入燃燒室等現象也會對廢氣排放特性產生不利的影響，因此活塞-氣缸系統和優化氣缸變形在發動機整個開發過程中越來越成為關注的焦點。介紹了IAV公司應用對此具有重要意義的開發工具和方法的可能性，這些有針對性的步驟有助于減小氣缸變形。

氣缸變形設計優化竄氣

1　盡可能減小運行狀態中的氣缸變形

當今，對CO2和廢氣排放的要求越來越高，推動了發動機技術的發展。為此采取如發動機小型化、高增壓和減輕發動機質量等措施，使得所有的發動機構件的負荷不斷增大。在這些邊界條件下，發動機的摩擦系統成為關注的重點，其中活塞-氣缸系統是最重要的摩擦系統，它對機油耗和竄氣具有最大的影響，所產生的摩擦損失占據發動機機械損失的最大份額約30%，并且對燃油耗和廢氣排放產生決定性的影響。

除去其他因素，氣缸相對于理想形狀的偏差對活塞-氣缸系統的功能具有重大的影響。減小氣缸變形是1種有效的優化方式，可以說在所有的目標參數中，減小氣缸變形則是唯一對參數有利的影響。

除了要求發動機裝配無問題之外，特別是在實際運行條件下的氣缸變形對于活塞-氣缸系統的性能具有重要的意義，而氣缸變形尤其受到氣缸體曲軸箱與氣缸蓋的緊固連接，以及發動機運行期間氣缸體曲軸箱的熱負荷和動態負荷的影響。

由于現今技術傾向于使用珩磨中心架，在珩磨過程期間已將氣缸的這種壓緊狀態調整好，因而珩磨后的氣缸體曲軸箱在冷機時由氣缸蓋壓緊的靜止狀態下或者在熱機運行狀態下氣缸仍較好地保持幾乎沒有變形的狀態，但是使用珩磨中心架大大提高了制造費用，因此在大批量生產的情況下中心架珩磨工藝往往受到限制。另一種創新的替代方案是采用昂貴的成形珩磨工藝，在珩磨過程中通過控制復雜的珩磨刀具，形成有針對性的氣缸形狀偏差，相當于運行狀態下氣缸的相反變形，以補償運行狀態下產生的變形。

因此，開發的目標仍是優化氣缸體曲軸箱及其相鄰的構件，例如氣缸蓋及其密封墊，在結構上應設計得在壓緊運行狀態下盡可能產生小到無危害的氣缸變形。

2　理論基礎

在分析評價氣缸變形時，一般分別考察氣缸每個高度平面上的形狀，并借助于傅里葉分析法分成各種變形等級項，分別用幅值和相位來表明(圖1)。

長期以來的經驗表明，特別是第2～5變形等級的變形幅值會影響機油耗、竄氣、摩擦和磨損，而較低的變形等級則影響不大，因為其變形能夠被活塞環很好地補償。較低等級的變形幅值實際上是很小的，通常對系統的功能不會產生重大的影響。在公開發表的文獻資料[1]中，對第2～5等級的變形幅值給出了各種不同的標準值或極限值，而這些數值大多數基于從現有量產發動機的開發和分析中得到的經驗和試驗結果。

除了這些數據之外，還應用了一些計算方法，能夠確定活塞環對真實氣缸形狀的貼合能力(即所謂的形狀充滿能力)[2-3]，用這些方法還能推導出在各自應用場合中變形等級特有的極限值。顯然，對于這些相應推導出的極限值的最大變形，各自所規定使用的活塞環能貼合變形的氣缸輪廓，而不至于在兩者之間產生過大的間隙。

為更好的闡述氣缸變形的分析結果，IAV公司自行開發了1種名為“IAV Engine Analyzer”的發動機分析程序，其中含有的“氣缸套變形”模型包括了數據處理功能和內容豐富的分析方法，例如計算圓度和氣缸形狀誤差、傅里葉等級分析或等級特有的活塞環貼合能力評估，此外還為使用者提供了數據結算功能(例如冷態、熱態或者壓緊、不壓緊之間的差異)以及借助于有限元模型分析活塞環貼合能力的功能。這種IAV分析程序(IAV Analyzer )工具由于具有多種多樣的輸入、過濾器和比較的可能性，因而在開發過程中的每個階段都可以用來進行分析和比較。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖2　發動機開發過程示意圖

3　發動機開發過程中的氣缸變形優化

如今，在整個發動機開發過程中從進一步的細部結構設計方案、有限元計算、優化和發動機試驗中的測量直至量產認可和監測氣缸變形都起著重要的作用[4]，并且，在發動機開發中并非總是產生復雜的新結構，現有結構往往被優化以滿足新的要求，即使在發動機開發過程中仍保留其中某些個別措施，但仍要考慮到對氣缸變形的影響。

在最初的開發步驟中只能預測氣缸的變形，而在首批樣機制成后，除了氣缸變形之外，特別是要評估影響氣缸變形的參數(圖3)。如果其中某個參數超過限值，大多數也可采取其他措施予以克服，但是這往往會對其他部位帶來不利的影響，因此為了有效地進行優化，應盡快地將發動機試驗的成果應用到發動機進一步的設計優化中去。

圖3　氣缸變形的影響因素及其效果

開發成本和周期會隨著每個開發步驟而有所增加，因而發動機開發的重點是位于開發過程鏈的最初步驟之中。不僅零件本身，而且有限元模型也要通過后續的測量不斷地進行優化。

4　優化氣缸變形的結構措施

在開發階段就必須考慮到對氣缸變形的形式和大小具有決定性影響的結構參數，由于產生這種影響的可能性眾多(圖3)，所以這是1個非常復雜的任務。

發動機氣缸變形的主要特性取決于材料的選擇、氣缸體曲軸箱的鑄造方法及其所決定的基本結構方案。例如出于經濟性考慮選擇了壓鑄工藝，就被局限于頂面開放式氣缸體曲軸箱的結構型式，從而氣缸上部就會產生相對較大的變形。

氣缸體曲軸箱的結構型式、曲軸箱裙部造型，以及與此相關的主軸承座設計(單個主軸承蓋或梯型主軸承座框架)對氣缸體曲軸箱的整體剛度具有重大影響。通常，在開發初期就要對這些方面作出決定，并且鑒于時間計劃以及制造和裝配工藝，在開發過程后期這些方面就幾乎無法再改變了。

之后，主要是對缸孔間鼻梁和冷卻水套的幾何尺寸或者氣缸蓋緊固螺栓的長度和連接部位進行優化，此外還可以通過添加加強筋或修改壁厚進行試驗來減小變形的范圍，同時應考慮到承載的最大范圍并非一定就是形狀偏差最大的部位。

5　優化氣缸變形的快速計算工具

如今，優化氣缸變形需要進行計算。如果在項目進展的過程中進行氣缸變形優化的話，那么在必需附加修改磨削加工的情況下就有可能產生工作范圍和成本的變化，這些都可能影響到工藝設施的等級和投產的期限。而通過早期幾何形狀和尺寸的評估就能更好地挖掘所存在的潛力，并將開發過程安排得更有利于節省時間和成本。為此，IAV公司開發了1種快速又簡易的計算工具，并已用于結構開發階段。這種簡易計算方法的目的是分析眾多的方案和選擇有針對性的參數組合。

這項計算工具最重要的優點在于在1個簡化模型中能快速地進行變化和評估其效果，因為整個過程能在1個軟件中模擬。直接與復雜計算方法相比，在結構足夠細化的情況下其計算結果足夠精確，并且在早期就能為決定結構方案提供1個可承載負荷的基礎。但是，必須注意到，隨著模型細化程度的提高，就越是更接近真實零件的性能，當然計算時間也會自動隨之增加。

圖4清楚地表明了氣缸變形模擬計算的過程。將優化氣缸體曲軸箱所需的基本參數輸入計算機輔助計算(CAD)控制部分，即所謂的骨架。1個在合適的過程限度范圍內采用所有參數工作的組合件就自動生成1個基本模型，它由帶有主軸承蓋和緊固螺栓的氣缸體曲軸箱，以及帶有氣缸蓋密封墊和緊固螺栓的氣缸蓋組成。由此所產生的數據組就形成了用于有限元分析的基本方案。在經過首次計算后，

(a)

(b)

(c)

(f)

(e)

(d)

所有的變化都可通過修改骨架中的參數來控制，并且無需監管就能連續完成這些方案中的計算。

采用這種方式就能為特定的邊界條件產生包含有許多計算幾何參數的參數特性場，這些結果數據就能輸入IAV Analyzer分析程序，并緊接著快速地進行處理和層次清晰的比較，從而就能評估對氣缸變形的影響并進行優化。

另一個優點是這種方法也能用于已量產的零件。到目前為止，這種方法因數據細化程度而增加的費用并不明顯，這樣就便于對氣缸體曲軸箱進行幾個方案變化的比較，但只有具有很大潛力的方案結構才采用這種方法進行細化分析。然后，從簡化計算中得到的最好方案就能轉入合乎要求的CAD模型中，并借助于復雜的有限元計算進行驗證。

6　實際運行條件下氣缸變形的復雜計算

在進行復雜計算時，除了細化的幾何參數之外，還要比上述方法更為精確地考慮其他輸入參數，例如氣缸蓋緊固螺栓預緊力、材料特性、氣缸蓋密封墊范圍內的性能、與時間有關的溫度場、裝配工藝和發動機的“老化”程度等。為了考慮燃燒室側的吸熱和冷卻液側的熱傳導，如今大多進行昂貴的計算流體動力學(CFD)模擬。圖5示出了負荷歷程對氣缸蓋預緊力的影響。根據氣缸蓋緊固力測量的統計學評估所獲得的經驗可考慮減小氣缸蓋緊固力，同樣還能采用材料特性數據，以及假定的材料收縮性和蠕變特性來模擬發動機上氣缸蓋螺栓的殘余緊固力。圖5表明氣缸變形計算不僅可用于額定功率工況點，而且也能用于其他的運行工況點。因此，在隨后的竄氣和機油耗計算中，不僅能考慮到真實的燃燒壓力和溫度，而且也能考慮到隨運行工況點變化的氣缸變形。

圖5　復雜的氣缸變形計算中有重要影響的參數示意圖

7　在發動機著火運行時測量氣缸變形

為了評價氣缸體曲軸箱的結構設計，過去大多是在冷機靜態緊固狀態下進行的，熱應力和動態應力對氣缸變形的影響必須花費很大的費用來進行模擬和分析，但這些影響因素往往被忽略。

隨著要求的不斷提高和計算可能性的改善，氣缸變形也能在熱機運行狀態下進行計算，由此就產生了驗證這些計算結果的必要性。

采用IAV公司開發并已在汽油機和柴油機上檢驗過的測量方法，能夠以高的精度采集著火運行內燃機上的氣缸變形。

此時，氣缸套的輪廓直接從活塞出發進行測量，其中涉及到1種集成傳感器載體的專用測量活塞，用于測量的8個渦流傳感器彼此間隔45°均勻地布置在傳感器載體的圓周上，而傳感器載體位于第2道活塞環的高度(圖6)。

在發動機運行期間，傳感器載體能夠由集成在測量活塞上的電動機，以及1套專門開發的調節和定位機構旋轉，因此由不同的傳感器可直接采集到氣缸工作表面上均勻分布的測量部位的氣缸變形結果。這種結構型式使得各個傳感器能彼此相對決定各自的誤差，并在計值時考慮進去。

通過發動機運行期間活塞的行程運動，就能測量出氣缸套上對于活塞環具有重要意義部位的變形。通過1套搖臂機構就能由連接電纜將測量數據從往復運動的活塞上傳遞到固定的曲軸箱上。再將這種測量技術集成到發動機上時，應注意盡可能使氣缸體曲軸箱和其他所有的重要構件保持不變，以免使氣缸變形。測量數據采用專門的數學方法[5]進行分析，并被集成在IAV Analyzer分析程序之中。

這種新方法的主要優點是除了能查明和考慮傳感器誤差之外，還能補償傳感器損耗而使測量精度無太多的損失，而且傳感器載體旋轉時還能測量到中間部位的氣缸變形。由于IAV公司的這種測量方法具有這些優點，因而在分辨率、測量精度和可重復性方面優于其他的測量方法，在相同的測量條件下其多次測量之間的誤差小于0.1μm，其測量結果達到了至今尚未達到過的品質，從而為測量結果的正確性奠定了非常良好的基礎。

8　基于有限元模型的活塞環貼合能力分析

至今，活塞環貼合能力的評價首先基于采用格茨(Goetz)和杜納埃弗斯屈(Dunaevsky)規則特定的形狀充滿能力的近似方程式來進行計算，它提供了各個氣缸變形等級容許的最大變形幅度限值。采用這種方法比較時，有時候容許的限值呈現出非常大的差別，因此這種方法只是個別地評價傅里葉等級，而這些等級或其角度位置的疊加就無法考慮了，但是這種疊加效果對于盡可能精確地預測活塞環貼合能力或存在的問題，從而再推導出優化氣缸變形的具體措施卻是十分重要的。

(a)

(b)

(e)

(d)

(c)

圖6用于發動機著火運行時測量氣缸變形的測量活塞

為了能分析這種效果，IAV公司在有限元模型的基礎上開發出了1種計算方法，其中活塞環的模型化采用線性負荷壓在變形斷面上的伯努利橫梁元法進行計算。這種計算是在準靜態條件下在各個分析高度層面上進行的。

圖7　IAV Analyzer測量結果時3D模型

IAV Analyzer分析程序工具支持多核心過程，并能實時提供許多結果和特性參數。由于各項計算的速度很快，因而也能進行參數相互作用的研究。計算結果用圖和三維模型(圖7)來表示，計算結果包括活塞環間隙寬度、間隙面積、間隙容積、彎曲彈力和壓力，進而能查明在每個高度層面上活塞環與氣缸套之間在整個圓周上的接觸頻率或活塞環開口彈力優化的位置。

根據個別分析的傅里葉變形幅值進行的間隙面積和間隙容積的特性研究已表明，在這種簡化情況下，IVA新方法的計算結果與按照Goetz和Dunaevsky方法的計算結果提供了相同數量級的極限值。

圖8　直列4缸轎車柴油機第4缸的氣缸變形

但是，這種新方法的重點是在真實變形(圖8)的基礎上采用傅里葉等級疊加方法進行分析。應用這種方法就能非常有針對性地確定氣缸中活塞環不足以貼合在氣缸壁面上的部位范圍(圖9)，從而就能推導出優化氣缸變形和整個活塞環-氣缸系統的合適措施。在進一步的工作中，IAV公司分析了形狀貼合能力、摩擦功率、竄氣，以及在線選擇氣缸測量機油耗之間的相互關系，以便進一步提高這種新方法的精度和說服力。

圖9　　　　在氣缸變形的情況下氣缸套與　　　活塞環之間的間隙寬度

9　結論和展望

本文介紹了由設計、模擬、測量技術和機械試驗等方面專家為針對性地快速解決復雜任務而共同合作所進行的工作，特別關注各種不同方法的正確性，

為此應用了1種非同尋常的方法非常精確地測量發動機運行時的氣缸形狀。從對真實氣缸形狀和活塞環彈性特性的認識推導出了活塞環-氣缸接觸中的密封能力，這就能夠提供迄今為止最為精確的結論，從而成為活塞環-氣缸系統優化的前提條件。進一步的工作旨在確保和提高這種新方法的說服力，并推導出極限值，以便未來在降低開發費用的同時，達到預先設定的摩擦、機油耗和竄氣的目標值。

[1] Küntscher V， Hoffmann W (Hrsg.). Kraftfahrzeugmotoren [C]. Auslegung und Konstruktion. Vogel-Buchverlag， 2006.

[2] Goetze AG (Hrsg.). Piston ring manual [C]. Burscheid， 1989.

[3] Dunaevsky V. Analysis of distorsions of cylinder and conformability of piston rings [C]. Tribology Transactions，1990， 33(1)： 33-40.

[4] Schulthei? H， Musch D， Hilbert T. Optimierung von zylinderverzügen im rahmen des motorenentwicklungsprozesses [C]. VDI-Bericht 2230， 2014.

[5] Busse T, Schulthei? H. Patentanmeldung DE 10 2004 057 462.6： verfahren zur auswertung von messdaten [C]. IAV GmbH， Chemnitz， 2004.

2016-01-26)