柴油機工作狀態摩擦研究——全新的測量方法

1 各類摩擦測量方法

近年來，CO2排放法規限值日趨嚴格，因此提高內燃機效率勢在必行。除了廣泛采用提高效率的措施之外，降低摩擦也起著重要作用。為了有效優化開發過程，必須在測量技術方面準確評估降低摩擦措施。

內燃機常用的摩擦損失測量方法可將其劃分為倒拖模式測量和燃燒模式測量。所謂的“指示方法”是一種非常復雜的方法，對測量系統有著較高的要求，燃燒模式和倒拖模式均可采用該方法，以獲得高質量的測量結果。為了研究單個部件的摩擦損失，采用分離方法，該方法通常針對處于倒拖模式下的發動機。然而，倒拖模式下的發動機因為存在燃燒工作過程偏離實際運行的狀況，因此會影響到部件溫度、最大氣缸壓力以及氣缸壓力的分布和位置。這些偏差會進一步導致對測量結果的錯誤判斷，并且根據具體的工況點，這些偏差會對曲柄連桿機構的摩擦區域(實際活塞間隙、活塞二階運動)產生顯著影響。參考文獻[1]對比了不同倒拖方法的估值誤差和燃燒模式測量結果。

2 燃燒模式下采用摩擦測量模塊的分離測量方法

基于相關性，目前已開發出一種新的測量方法。該方法可將指示方法和分離方法結合起來，以測量實際工況下各個發動機部件之間的摩擦。燃燒模式下的分離方法與摩擦測量模塊相結合，該模塊專為BMW 3缸、4缸和6缸柴油機而設計，以單獨測量著火工作狀態下曲柄連桿機構的摩擦狀況。基于特定的分離條件，冷卻液和機油調節系統可根據工況點來控制溫度和壓力。在完成包括拆除皮帶傳動、冷卻液泵、集成真空泵和平衡軸的機油泵在內的第一個分離步驟之后，即可安裝摩擦測量模塊。為此，拆除驅動高壓泵的下部正時鏈，并用外部帶齒皮帶傳動替代，通過附加軸驅動高壓泵。摩擦測量模塊的設計實現了在曲軸(DMF1)和高壓泵驅動器(DMF2)上直接測量扭矩的目的，從而獲得高壓泵和氣門機構的扭矩數值。另一個扭矩測量法蘭(DMF3)則靠近電動制動器安裝。圖1示出了安裝在4缸試驗機上的摩擦測量模塊及其結構示意圖。

圖1 摩擦測量模塊示意圖(a)，模塊安裝在集成 扭矩測量技術的BMW 4缸柴油機上(b)

除了測量摩擦，該測量方法還可以測量機油消耗量和漏氣量，而且不受最高燃燒壓力的限制。

3 發動機部件潛力

由于摩擦，柴油機節省燃油的極限潛力很大程度上取決于所處的工況點。如果發動機負荷增加，則節油潛力顯著下降。在負荷較低的發動機特性曲線區域(例如新歐洲行駛工況(NEDC)和輕型車測試循環工況(WLTC))，可以發現節油潛力相對較大。為了評估所研究的3缸量產柴油機的燃油節省極限潛力，將相關負荷點定義為轉速1 750 r/min及平均有效壓力(BMEP)0.3 MPa時所對應的負荷點，處于NEDC和WLTC負荷點的平均水平。如圖2所示，該負荷點的燃油節省極限潛力約為20%。此外還示出了各個發動機部件的潛力，通過帶摩擦測量模塊的新測量方法結合彈性液體動力學(EHD)仿真來測量3缸發動機。在該負荷區域，曲柄連桿機構的摩擦損失占較大比例，約為50%。

圖2 3缸量產柴油機的燃油節省極限潛力 (轉速1 750 r/min，pe為0.3 MPa)

應特別強調的是，高精度的扭矩測量、氣缸壓力指示和通過電容式探針精確檢測上止點等方式都是進行高質量摩擦測量的先決條件[2]。另外，還要考慮影響摩擦的其他參數，尤其是介質溫度和壓力、燃燒重心位置、油軌壓力、暖機性能、沉降時間，以及滯后效應等[3]。

圖3以燃燒模式下采用摩擦測量模塊為例，示出了轉速在2 000 r/min時采用分離測量方法的負荷截面。由圖3可知，集成氣門機構的高壓泵有著較強的負荷依賴性，這是由高達220 MPa的高噴油壓力造成的。因此，氣門機構起著相當重要的作用。

圖3 轉速為2 000 r/min時的部件摩擦分布圖(a)，整機(b) 和曲柄連桿機構(c)的摩擦特性圖

由此得出，柴油機整機摩擦對工作負荷有著較強的依賴性。與此相反，無論是在負荷截面中還是在整個發動機特性曲線范圍內，曲柄連桿機構的摩擦幾乎沒有負荷依賴性。只有在低轉速和高負荷的情況下，因活塞速度較慢且法向力較大，曲柄連桿機構的摩擦才會略有增加。此外，不能低估曲柄連桿機構、冷卻液泵及機油泵的損失，尤其是在低負荷工況范圍內。

4 缸套珩磨評估

采用3缸發動機彈性流體動力模型，專門研究活塞裙和缸套之間的接觸區域，以便進行詳細分析，確定相互關系并設計缸套形狀。除了缸套形狀之外，活塞安裝間隙也有所不同，以分析其對活塞裙摩擦和活塞二階運動的影響。此外，在研究過程中，活塞裙形狀(橢圓度)也發生了變化。但在本研究中，其結果僅用于檢查仿真結果的合理性。為了比較曲柄連桿機構的仿真結果和測量結果，基于負荷點的模型輸入參數也選擇具有代表性的負荷點(轉速1 750 r/min，BMEP為0.3 MPa)。這些參數包括活塞和氣缸套的熱變形、機油溫度和氣缸壓力曲線。

從這些仿真結果中選擇摩擦優化的成型珩磨用于試驗研究。圖4比較了保持活塞裙形狀不變情況下的基本珩磨和成型珩磨。

活塞安裝間隙增大時，可發現活塞裙摩擦功明顯減小(與所研究的缸套形狀無關)。安裝間隙范圍為120～140 μm時，摩擦功最小。如果進一步增大活塞安裝間隙，則會因活塞二階運動的增加而提高固體接觸比例，從而使摩擦略有增加。采用摩擦優化的成型珩磨，在安裝間隙為55 μm時，活塞裙摩擦因下止點區域直徑增大而減少約25%。在“活塞裙摩擦減小”區域(圖4)，盡管間隙變小，仍可有效減少摩擦。除了減少摩擦之外，該措施還具有活塞聲學方面的優勢。由于氣缸形狀的改變，下止點區域的活塞擺動角明顯增大，但仍小于上止點區域的擺動角。右側部分示出了活塞裙與缸套之間的潤滑間隙的流體動壓分布。在上止點后30°CA的區域，2種缸套形狀之間無顯著差異，僅在幾何直徑增大區域(例如上止點后150°CA)才會產生較明顯的影響。在反壓側，較大的局部間隙徹底防止了流體動力接觸現象的出現。

圖4 基本珩磨和成型珩磨比較(仿真)

在此基礎上，通過新測量方法研究成型珩磨。由圖5可知，幾乎在整個發動機特性曲線范圍內，所測曲柄連桿機構的摩擦因缸套形狀的變化而明顯減少。只有在低轉速和高負荷時，采用成型珩磨時的曲柄連桿機構摩擦才與采用基本珩磨時處于同一水平。由于下止點區域的活塞二階運動增多且活塞速度較慢，所以導致混合摩擦增加。為了更好地與固定測量進行比較，從90 ℃的機油和冷卻液溫度開始進行NEDC工況測量，從而可以測量到燃油耗降低約為1%，這也證實了摩擦測量結果。成型珩磨的塑形使得所測的漏氣值與基本珩磨保持在同一水平。

圖5 基本珩磨與成型珩磨比較(測量)

5 通過EHD仿真進行驗證

曲柄連桿機構摩擦的測量和仿真結果顯示出良好的相關性(圖6)。通過活塞裙仿真的總壓力分布(流體動壓接觸壓力與固體接觸壓力之和)觀察所采用活塞裙方案(A、B、C)的磨損形態。

圖6 曲柄連桿機構摩擦的測量與仿真對比 (a)；活塞裙磨損與壓力分布(b)

6 潛力分析

采用新開發的測量方法可以在燃燒模式下對最新一代柴油機進行詳細的分離研究，從而測出各個部件的極限潛力。本文以BMW 1.5 L 3缸量產柴油機為應用實例開展研究，并對優化摩擦的氣缸成型珩磨進行比較研究。

研究重點是，直接測量曲柄連桿機構摩擦和集成氣門機構的高壓泵摩擦。與量產珩磨相比，通過仿真設計的成型珩磨在降低摩擦和燃油耗方面更具優勢。在NEDC和WLTC對應的負荷點時，即使發動機處于正常運行溫度，所研究結構的燃油耗仍可減少約1%。參考文獻[4]中詳細介紹的新一代BMW柴油機系列采用了本文所述的氣缸成型珩磨技術。