活塞組件應用減摩技術后的油耗收益分析

王建波1，尹小燕2

（1.湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢 430056；2.武漢梟龍汽車技術有限公司研發中心，湖北武漢 430056）

活塞組件應用減摩技術后的油耗收益分析

王建波1，尹小燕2

（1.湖北工業大學機械工程學院，湖北武漢 430056；2.武漢梟龍汽車技術有限公司研發中心，湖北武漢 430056）

對活塞組件應用新的涂層、調整配缸間隙等減摩技術，以減少其摩擦功消耗，并通過倒拖法試驗和理論計算，得到應用減摩技術后的新活塞組件在機械摩擦扭矩上的收益；利用AVL的BOOST軟件建立發動機模型，對發動機性能進行仿真模擬校核后，將新、舊活塞組件不同的機械摩擦扭矩數據代入BOOST模型中進行計算，根據仿真結果，評估該減摩技術帶來的油耗收益。

汽車；活塞組件；摩擦損失；BOOST；油耗

競爭加劇和油耗法規的嚴苛無可避免，汽車生產企業必須不斷進行技術升級以降低車輛燃料消耗。某款1.6L自然吸氣發動機在活塞組件上應用新的減摩技術，通過減少發動機內部摩擦消耗來提高燃油經濟性。該文以一自然吸氣四沖程汽油發動機為例，評估摩擦力減少轉化為油耗收益的途徑，為油耗測算提供參考依據。

1　活塞減摩技術方案

選取一款四沖程、水冷、直列四缸、雙頂置凸輪軸自然吸氣汽油發動機，排量為1.587L，最大凈功率84kW，最大扭矩為150N·m，壓縮比ε為11。該發動機所用活塞的氣缸直徑為78.5mm，活塞行程為78.5mm，連桿中心矩為133.5mm，最大爆發壓力為8.8MPa。

為了減少摩擦功消耗，提高發動機燃油經濟性，在現有活塞組件上應用以下減摩技術：活塞裙部涂層粗糙度由RS12更改為RS8；活塞裙部采用新的石墨涂層EvoGlide-20（馬勒公司的企業標準）；半浮式活塞銷增加DLC涂層；活塞配缸間隙由50μm調整到70μm。新涂層和摩擦系數降低可直接減少摩擦副摩擦力，從而降低摩擦功消耗。配缸間隙加大可使活塞裙部的摩擦功耗減少，但會使活塞上端的二階位移量增加，導致活塞碰壁，不利于活塞平穩工作。因此，間隙的增加必須在合理范圍內。根據該活塞高度、裙部長度和裙部形狀等結構特征核算，70μm配缸間隙適用于該活塞。

2　機械摩擦損失收益計算

對自然吸氣四沖程發動機來說，活塞與活塞環的摩擦損失占整個機械摩擦損失功的45%～65%。倒拖法是測量功率不高、自然吸氣汽油機摩擦損失的常用方法，從倒拖法獲得的扭矩試驗值包括機械摩擦損失Pm和泵氣損失Pb，其值是兩部分損失之和。通過計算機械摩擦損失，結合倒拖試驗值，得到泵氣損失，進而得到機械摩擦和泵氣損失在倒拖測試中的配比關系。需說明的是，在倒拖測試中泵氣損失不同于發動機點火狀態下熱工質的泵氣損失，熱工質的高溫高壓氣體的泵氣損失大于不點火狀態下發動機的泵氣損失。

2.1新舊活塞組件倒拖法臺架測試

倒拖法試驗中，發動機與電力測功設備相連。通過電機對發動機倒拖，得到各工況下的機械損失扭矩。該發動機采用減摩技術降低摩擦系數和調整配缸間隙，并未對泵氣損失產生影響，故新（采用減摩技術）、舊不同活塞在同一臺樣機上進行倒拖扭矩測試，扭矩測量結果差異可視為新、舊活塞組的摩擦扭矩差異。

考慮到活塞在拆裝過程中形成的裝配差異，采用A—B—A的方式即裝新活塞組件—裝舊活塞組件—裝新活塞組件的發動機輪換進行，以減少裝配過程差異對試驗結果的影響。

倒拖法測試的主要測試條件：1）發動機附件系統。發動機附件面輪系需要安裝，但壓縮機不工作，發電機不輸出電壓。2）機油的加注量。測量發動機機油最大加注量（機油標尺上限時），瀝油后再測試發動機最小加油量（機油標尺下限時），將油瀝完后，在試驗開始前加注機油量為最大量和最小量的平均值。加注中國石油化工集團公司的0W30牌號機油。3）熱機磨合。采用同一特定的點火熱機磨合程序，使水溫和油溫到達預定溫度，發動機內部系統潤滑充分。4）節氣門開度為100%。

考慮到環境參數（如機油的溫度）對試驗結果的影響較大，以機油溫度80和110℃為例，新活塞組件相比原活塞組的扭矩測試收益見表1。

表1　新活塞組的扭矩收益

從試驗結果來看，應用了減摩技術的活塞組件的扭矩收益率在中低速時明顯，隨著轉速的升高，超過5000r/min時，扭矩收益急劇減少，轉速達到6000r/min時已非常微小。這是因為后續轉速的提高，整個機械摩擦損失和泵氣損失提升扭矩速度較快，使這小部分的扭矩收益變得非常微小，甚至出現負值。

2.2機械摩擦損失

倒拖臺架測量包含泵氣損失，需借助計算來確認摩擦損失、泵氣損失在倒拖扭矩中的配比關系，滿足后續BOOST仿真計算的需要。

摩擦損失可通過計算得到，倒拖臺架試驗得到的扭矩值減去機械摩擦扭矩即為泵氣損失。摩擦損失的計算模型有Chen-Flynn和ModifiedHonda模型等，其中ModifiedHonda模型的計算公式為：

F=（2.5×10-8×n2+1×10-4×n+1.1）×

式中：F為摩擦損失；n為轉速；S為行程；Dc為當量曲軸直徑；B為缸徑；Dm為主軸承直徑；Nm為主軸承數量；Dr為連桿大頭軸承直徑；Nr為連桿大頭軸承個數。

摩擦損失對應的摩擦扭矩T為：

T=318.3×Pmm×VS×i/τ（3）式中：Pmm為機械摩擦損失平均缸壓；VS為單缸工作容積；i為缸數；τ為沖程數。

葉年業博士的研究模型中結合5W30機油95℃參數條件計算泵氣損失，而這里選用的發動機使用的是0W30牌號機油，機油粘度特征會有差異。根據油品供應商提供的檢測數據，比較兩種牌號機油的運動粘度，選擇機油溫度為80℃的倒拖測量數據作為輸入。收集該機型發動機的相關參數，代入公式中，得到整個轉速下摩擦損失計算值，根據摩擦損失計算值得到泵氣損失（見表2）。

表2　倒拖法中摩擦損失和泵氣損失占比關系及摩擦損失收益

從表2可以看出：低轉速下理論計算和倒拖法測試結果非常吻合，在發動機轉速小于4200r/min時，其誤差保持在5%以內。低轉速下，機械損失測量值略低于計算值，因為未點火發動機的倒拖摩擦損失比點火高壓的熱工質作用在活塞連桿機構上的摩擦損失小。高轉速下，泵氣損失加劇，上升趨勢明顯，這部分損失包含在倒拖法的實際測量值里，導致機械損失測量值比模型計算值上升得快，這與文獻［2］、［3］的理論解釋一致。

3　BOOST模型計算

3.1建立模型

BOOST是一款建立發動機臺架試驗模型的軟件，可根據熱力學、傳熱、傳質等理論將物理模型轉化為數學描述。根據發動機所運行的邊界條件，選取合理的初始值，收集發動機整機參數和各元件信息，其中重要零部件和標定數據（如氣門升程、點火提前角、正時可變相位VVT）需要精確數值，這樣發動機仿真模型才有代表性。在AVLBOOST中建立的發動機模型見圖1。

圖1　在BOOST軟件中建立的發動機模型

模型反應與發動機的結構特征一致。模型共由70個元素構成，分別為：2個系統邊界（SB1、SB2）；4個氣缸（C1～C4）；1個空氣凈化器（CL1）；1個催化轉化器（CAT1）；4個噴油嘴（I1～I4）；5個限流閥（R1～R5）；2個容積腔（PL1、PL2）；4個測量點（MP1～MP4）；38個連接管道（1～38）；9個連接點（J1～J9）。

仿真模型參數選取對計算結果有影響，需運用該發動機的臺架試驗數據對模型進行校核，并調整參數。仿真用發動機相關參數（如缸壓、功率、扭矩、燃油消耗等）與該發動機臺架實際測量值吻合后，該模型即可用于后續仿真計算。

3.2BOOST模型仿真計算

在BOOST發動機模型中，平均有效制動壓力（BMEP）等于平均有效壓力（IMEP）減去機械摩擦損失平均壓力（FMEP），BMEP反映了發動機輸出有效功所消耗的平均缸壓，IMEP則反映了燃燒室平均指示缸壓，FMEP是機械摩擦損失消耗的平均缸壓即Pmm。將新、舊活塞組件的FMEP數值分別代入BOOST發動機模型中，以25%和全負荷工況為例，計算結果見圖2。

從圖2可以看出：全負荷時，750～6000r/min發動機轉速區間內，新活塞組件的油耗收益為0～2.08%，在5000r/min工況附近時油耗收益達峰值2.08%；發動機負荷低時，新活塞組件的油耗收益更高，在25%負荷下，整個轉速區間油耗收益為0～8.9%。

圖2　全負荷和25%負荷工況下新、舊活塞燃料消耗曲線

同時，校核發動機的其他性能數據（如發動機輸出功率和扭矩變化等），變化均比較微小，由于篇幅有限，在此不全部列舉。

4　結語

將應用上述減摩技術的活塞組件應用于某款轎車（該車空載質量1289kg，搭載五速手動變速箱），按照乘用車燃料消耗測量法規要求，在NEDC油耗試驗中節約0.26L/（100km）燃油，與BOOST模型的模擬計算結果相吻合。

為更全面地評估實施減摩技術的活塞組件在相應工況下的油耗收益，可考慮更多常用工況參數，如進氣溫度、水溫、機油溫度、各種負荷等。

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1671-2668（2016）04-0015-03

2016-03-11