某國VI柴油機活塞組設(shè)計優(yōu)化及試驗驗證

程黨明 葉權(quán)源 鄭躍偉 范藝翀 馬超 瞿超

摘 要：針對某國VI四缸柴油機進(jìn)行活塞組件設(shè)計優(yōu)化，研究對整機機油消耗、竄氣量及摩擦功的影響。在發(fā)動機性能臺架上分別對原機（初始活塞組方案）及活塞組優(yōu)化方案發(fā)動機進(jìn)行機油消耗、竄氣量及摩擦功對比測試。結(jié)果表明：活塞組設(shè)計優(yōu)化后，發(fā)動機機油消耗在外特性工況有效降低30%，竄氣量降低26%，摩擦功降低5%，同時得益于機油消耗的改善，設(shè)計上可取消油氣分離系統(tǒng)，實現(xiàn)降本效益。

關(guān)鍵詞：活塞：活塞環(huán)；機油消耗；竄氣量；摩擦功

隨著國六發(fā)動機高升功率、長壽命、輕量化的發(fā)展趨勢，發(fā)動機對活塞組材料、表面處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計提出更高要求。針對某四缸柴油機在國VI開發(fā)階段，爆發(fā)壓力及熱負(fù)荷大幅提升，缸孔受熱變形增大，活塞組與缸孔之間的相互磨損加劇導(dǎo)致發(fā)動機機油消耗及竄氣量惡化的狀況，本研究結(jié)合活塞型線優(yōu)化、活塞環(huán)結(jié)構(gòu)及涂層優(yōu)化進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，使其滿足國Ⅵ發(fā)動機低摩擦、低機油消耗、高耐久性的要求，為后續(xù)柴油機活塞組的設(shè)計開發(fā)提供重要指導(dǎo)及解決方案。

1總體思路（技術(shù)方案）

通過活塞FEA計算，分析不同活塞結(jié)構(gòu)對表面溫度及應(yīng)力的影響，選擇滿足結(jié)構(gòu)強度的輕量化設(shè)計降低系統(tǒng)摩擦功。根據(jù)活塞機械負(fù)荷，熱負(fù)荷分布狀況，計算裙部膨脹量，并結(jié)合缸孔變形量設(shè)計最優(yōu)活塞型線。通過活塞環(huán)結(jié)構(gòu)、涂層設(shè)計改進(jìn)。降低發(fā)動機油耗量及竄氣量。活塞環(huán)采用低彈力方案。

第1氣環(huán)：楔形非對稱桶面，減小閉口間隙范圍，改善密封能力；減小環(huán)高及徑向厚度，改善順應(yīng)性降低機油耗。

第2氣環(huán)：徑向厚度減小，切向彈力上調(diào)，改善刮油能力。

油環(huán)合件：降低環(huán)高，采用腰形油孔，階梯型X-taper刮油刃，降低摩擦損失，提高刮油能力。

為了提高活塞摩擦副的耐久性能，保證發(fā)動機在整個生命周期機油消耗、摩擦功、NVH的穩(wěn)定表現(xiàn)，開發(fā)應(yīng)用PVD-物理氣象沉積技術(shù)，提升活塞環(huán)、軸瓦耐磨損性能。PVD-物理氣象沉積是在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，在工件合金表面噴涂一層復(fù)合高分子減磨涂覆層，涂覆層厚度0.010～0.030mm，化學(xué)成分為AlSn35Cu，這種高分子涂覆層具有很高的抗疲勞性能及耐磨損性能，且噴涂元素不含鉛，滿足無鉛環(huán)保要求。

2 試驗測試方法及工況

針對改進(jìn)的活塞組設(shè)計與原機設(shè)計方案，選取同一臺發(fā)動機（112Kw/420Nm）進(jìn)行測試，除了活塞組設(shè)計差異外，其它的邊界條件相同，保證對比試驗的準(zhǔn)確性。

機油消耗測試：測試工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速3200rpm，100%負(fù)荷。采用稱重法，向發(fā)動機加入一定重量的機油，使發(fā)動機在規(guī)定工況下連續(xù)工作15小時，然后將機油放出稱重，其差可求得機油消耗量。

竄氣量測試：測試工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速800-3800-rpm，滿負(fù)荷，轉(zhuǎn)速間隔為200rpm，測試不同轉(zhuǎn)速竄氣量水平。

摩擦功測試：控制發(fā)動機冷卻液溫度、機油溫度，倒拖測試整機摩擦功水平。

3試驗結(jié)果及結(jié)果評價

3.1試驗結(jié)果

1、基于活塞FEA計算獲得的最優(yōu)裙部型線，有效降低發(fā)動機竄起量。發(fā)動機竄氣量對比如圖1。

2、采用低彈力活塞環(huán)組設(shè)計，有效降低整機機油消耗及摩擦功。發(fā)動機機油消耗對比如圖2，摩擦功對比如圖3。

3.2 試驗小結(jié)

通過發(fā)動機臺架試驗對比測試，得出如下結(jié)論：

1、對于活塞組優(yōu)化方案發(fā)動機，機油消耗在外特性工況降低30%，竄氣量降低26%，摩擦功降低5%。

2、對于活塞組優(yōu)化方案發(fā)動機，其改進(jìn)效果是在活塞組零件同時優(yōu)化下獲得的，不能只考慮活塞組中某一單個零件，要綜合考慮系統(tǒng)多方面的問題。

3、進(jìn)行本課題的試驗研究，對整個柴油機活塞組的設(shè)計及改進(jìn)具有很大的參考價值

4結(jié)束語

本研究結(jié)合CAE計算，進(jìn)行活塞、活塞環(huán)等零件設(shè)計優(yōu)化，通過臺架性能對比測試，達(dá)到預(yù)期的竄氣量、機油消耗及摩擦功優(yōu)化效果，為后續(xù)輕型柴油機活塞組的設(shè)計開發(fā)提供重要指導(dǎo)及解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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