基于模擬實驗裝置進行的小型二沖程發(fā)動機缸內(nèi)slap現(xiàn)象研究

鐘賽君 王強勝 衛(wèi) 飛 張擎鳴 肖 陽

（1-云南工商學院 云南 昆明 651701 2-河南工學院 3-浙江吉利動力總成試驗中心4-日本國立巖手大學工學研究科 5-中國石油運輸有限公司云南分公司）

引言

二沖程發(fā)動機因輸出功率高，動力性能較好等優(yōu)點在能源日益緊缺的今天重新獲得人們的青睞。針對二沖程發(fā)動機的研究也日漸增多。

在發(fā)動機摩擦方面，目前針對四沖程發(fā)動機摩擦的研究已經(jīng)有很大的進展，摩擦現(xiàn)象發(fā)生的機理在一定程度上已經(jīng)能夠充分解釋相應的預防措施[1-3]。而專門針對小型二沖程發(fā)動機的摩擦研究至今較為鮮見。因此本文通過模擬試驗來研究小型二沖程發(fā)動機的缸內(nèi)摩擦具有現(xiàn)實意義。

本文試驗通過對氣缸內(nèi)壁和活塞裙部用纖維素漆進行噴涂處理，根據(jù)纖維素漆的磨損脫落情況來分析活塞運動時與氣缸壁接觸面的磨損情況，以此來分析活塞在氣缸內(nèi)的運動規(guī)律，并依據(jù)所得運動規(guī)律，探索活塞slap現(xiàn)象發(fā)生的機理，進而探尋降低活塞slap現(xiàn)象的措施，以此為出發(fā)點，探尋減少發(fā)動機氣缸內(nèi)摩擦的方法。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

本試驗，利用電動伺服控制系統(tǒng)來控制電動機的轉(zhuǎn)速及驅(qū)動時間等試驗條件。電動伺服控制系統(tǒng)包括了伺服電機及其驅(qū)動器。試驗用發(fā)動機為日立公司提供的CS40EA發(fā)動機，伺服電機及發(fā)動機用H型鋼制作的固定夾具來固定。伺服電機側(cè)和發(fā)動機側(cè)的中心軸要求保持一致，在上下左右4個方向固定。圖1為本試驗所用試驗臺的全景展示圖。表1為實驗用發(fā)動機的主要參數(shù)。

圖1 試驗臺全景

表1 發(fā)動機的參數(shù)指標

本試驗所用的伺服交流電機及伺服電機驅(qū)動器是韓國Is-mecapion生產(chǎn)的中空軸APM-B系列伺服電機及型號為APD-VS10系列的驅(qū)動器。表2及表3表示APD-VS10系列的電機和驅(qū)動器的參數(shù)指標。

表2 本試驗用伺服電機的參數(shù)指標

本試驗用型號為P-TG3500/3500的膜厚計來測量和控制纖維素漆涂層的厚度。表4所示為本試驗用膜厚計的參數(shù)指標。

本試驗所用的攝影器材為黑田株式會社制造的BS-11A內(nèi)窺鏡，型號為EOS40D的Canon照相機。

1.2 實驗方法

本試驗使用有色的纖維素漆在氣缸壁內(nèi)表面及活塞外表面進行噴涂，噴涂的纖維素漆的顏色有藍色、黃綠色、紅色3種。在運轉(zhuǎn)一定時間之后，用相機拍攝活塞裙部表面和氣缸內(nèi)表面，觀察纖維素漆的磨損脫落情況，以此模擬分析氣缸內(nèi)壁和活塞裙部磨損情況，并確定磨損最嚴重的部位。

表3 本試驗用APD-VS10系列驅(qū)動器的參數(shù)指標

表4 本試驗所用膜厚計的參數(shù)指標

本試驗設(shè)定的試驗運轉(zhuǎn)時間，每30 s間斷，斷續(xù)運動 180 s內(nèi)，即在 30 s、60 s、90 s、120 s、180 s后發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)進行觀察拍照。拍照方法為，利用三腳架固定的內(nèi)窺鏡和相機，轉(zhuǎn)動氣缸，在氣缸的內(nèi)表面進行拍照采影。在活塞裙部磨損試驗時，運轉(zhuǎn)一定時間之后，同樣的攝影裝置轉(zhuǎn)動活塞進行活塞裙部拍照采影。用膜厚計（P-TG3 500/3 500）來測量纖維素漆的涂抹厚度。

氣缸圓筒用如圖2所示的全景展開圖來劃分，L1-第二活塞環(huán)的接口側(cè)、L2-排氣門側(cè)、L3-第一活塞環(huán)接口側(cè)、L4-L5-飛輪側(cè)、L6-進氣側(cè)、L7-L8-電機側(cè)。

圖2 氣缸壁和活塞相對應的分區(qū)示意圖

活塞裙部的纖維素漆的涂抹方式包括：一個涂層時選用藍色的纖維素漆。2個涂層時選用藍色和紅色的纖維素漆，噴涂順序為紅色-藍色。三層涂層時，選用藍色、紅色和黃綠色，噴涂順序為紅色——黃綠色——藍色。同樣地選用膜厚計（P-TG3500/3500）來測量和控制纖維素漆膜的厚度，如圖3所示。具體厚度分布如表5所示。

圖3 活塞裙部涂層示意圖

試驗在電動機帶動發(fā)動機運轉(zhuǎn)4 min之后，轉(zhuǎn)動活塞，利用前述設(shè)備在活塞裙部進行拍照。按照與氣缸壁的展開圖同樣的位置L1～L8的順序照片排布觀察比較。

表5 活塞裙部纖維漆涂層噴涂方案

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 氣缸壁磨損試驗結(jié)果分析

圖4所示為室溫（實時測量室溫為17℃）時，氣缸內(nèi)壓力為101 kPa的條件，電機運轉(zhuǎn)150 s后對發(fā)動機氣缸內(nèi)壁面各個位點磨損情況進行采影照片的排布圖。圖5為加熱槍加熱的狀態(tài)下，溫度范圍大約是80～90℃氣缸內(nèi)壓力為0 kPa的條件下，電機運轉(zhuǎn)150 s后采集的發(fā)動機氣缸內(nèi)壁面的各個位點的磨損情況的影像。圖6為加熱槍加熱的狀態(tài)下，溫度范圍大約是80～90℃時缸內(nèi)氣壓101 kPa的條件下，發(fā)動機斷續(xù)運轉(zhuǎn)時間間隔 30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s時，分別拍攝的發(fā)動機氣缸內(nèi)壁面的各個位點的磨損情況的采影。

圖4 室溫17℃、101 kPa電機運轉(zhuǎn)150 s后氣缸內(nèi)壁采影

由圖4可看出，L6處TDC附近的進氣孔上側(cè)纖維素漆膜脫落情況嚴重。并且有排氣側(cè)的排氣孔附近位置的氣缸內(nèi)壁上纖維素漆膜脫落面的形狀接近于菱形。TDC和排氣門中間朝向中心的方向纖維素漆的脫落情況逐漸減小。這是因為活塞在繞活塞銷運動的時候也受到了氣缸壁的主推力和次推力作用的影響。L1和L3處呈現(xiàn)豎直線性的纖維素漆膜脫落的跡象，這要歸結(jié)于L1、L3所對應的是活塞環(huán)端口間隙處。并且氣缸內(nèi)壓力最高的時候，TDC附近的L5、L6、L7的位置均有豎直線性油漆脫落現(xiàn)象。

明顯顯示在進氣孔的上部，L6相比L5的油漆脫落面積較大。并且，L6所對應的氣缸內(nèi)壁部位是氣缸進氣孔所在的位置，進氣孔上部油漆脫落形成中心兩側(cè)對稱的狀況。這是因為氣缸內(nèi)部的溫度分布不均帶來大的影響，進氣門處，由于有外界新鮮空氣不斷進入，氣缸壁的溫度較氣缸的其他部位較低，燃燒堆積物的產(chǎn)生和堆積的可能性增大，所以相對來說磨損的情況會比較嚴重。類似的氣缸壁低溫氣缸磨損增加傾向的研究也有報告，從這點也能論證本試驗的合理性。

另外，氣缸飛輪側(cè)的溫度，相對電機側(cè)的溫度來說比較低，所以在活塞運動過程中向飛輪側(cè)傾斜，故有氣缸壁的漆膜在飛輪側(cè)脫落情況比較嚴重即在飛輪側(cè)氣缸壁的磨損比較嚴重。

圖5 加熱槍加熱至80～90℃、0 kPa電機運轉(zhuǎn)150 s后氣缸內(nèi)壁采影

圖6 加熱槍加熱至80～90℃、101 kPa電機運轉(zhuǎn)150 s后氣缸內(nèi)壁采影

綜合來看，氣缸在活塞運動的過程中，其表面在活塞環(huán)運動的區(qū)域內(nèi)形成不均勻的磨損。沿氣缸軸線方向磨成上大下小的錐形，磨損最大部位是當活塞在上止點位置時第一道活塞環(huán)相對應的缸壁。活塞環(huán)不接觸的氣缸壁，幾乎沒有磨損而形成臺階。氣缸沿圓周方向磨損也不均勻，形成不規(guī)則的橢圓形，最大徑向磨損區(qū)通常接近于進氣孔的對面。但與未加熱的情況下相比較，纖維素漆脫落的情況前者更為厲害。究其原因，是由于加熱的情況下，活塞環(huán)受熱膨脹之后，活塞由于軸向不規(guī)則運動引起的浮懸和軸向振動、徑向不規(guī)則運動和振動、扭曲運動減小造成的。

2.2 活塞裙部磨損試驗分析

試驗條件為：轉(zhuǎn)速1 000 r/min、氣缸內(nèi)壓力為101 kPa、溫度為80～90℃。

圖7為三層纖維素漆噴涂后的活塞在運轉(zhuǎn)240 s之后，活塞裙部漆膜脫落情況展示圖，由圖可見L3位置有明顯的漆膜脫落現(xiàn)象。從排氣側(cè)看，L2中心偏向L3位置存在活塞燒結(jié)現(xiàn)象，3層纖維素漆膜運轉(zhuǎn)240 s的試驗結(jié)果與實際的發(fā)動機點火工況運轉(zhuǎn)的時候很接近。這說明，本模擬試驗可以達到試驗的預期目標，具有可行性。

氣缸加熱之后，氣缸內(nèi)壁溫度分布不均，氣缸飛輪側(cè)的溫度相對比較低，進氣門側(cè)與排氣門側(cè)相比溫度較低。與此前的結(jié)論相同，即溫度偏低的氣缸內(nèi)壁位置磨損情況會比較嚴重，如圖8所示。

圖7 發(fā)動機實際運轉(zhuǎn)240 s之后活塞裙部采影

圖8 磨損最嚴重部位說明圖

L5處的纖維素漆有同樣的嚴重脫落現(xiàn)象是由于活塞銷座孔的位置的特殊結(jié)構(gòu)所導致。另外，L6沒有明顯的纖維素漆膜脫落情況的原因是，在這個位置，活塞和氣缸之間處于斯托貝克潤滑曲線的流體潤滑領(lǐng)域，活塞和氣缸之間有著充分的潤滑。

3 結(jié)論

本文利用電機倒拖法進行試驗，通過研究氣缸slap現(xiàn)象對氣缸內(nèi)摩擦的現(xiàn)象及摩擦機理進行詳細的試驗研究。主要研究成果和結(jié)論如下：

1）本文基于氣缸內(nèi)壓力變化、溫度分布、接觸面的潤滑狀態(tài)等在點火運轉(zhuǎn)時的差異影響活塞拍擊（slap現(xiàn)象）的考慮，模擬與實際點火運轉(zhuǎn)的狀態(tài)相接近的狀態(tài)，來構(gòu)建模擬試驗裝置。通過試驗證明，本文所構(gòu)建的試驗裝置，能達到試驗預期目標，研究氣缸摩擦具有可行性。

2）活塞對氣缸壁面的拍擊在排氣側(cè)和進氣側(cè)比較嚴重，已經(jīng)通過試驗得出的排氣側(cè)和進氣側(cè)的氣缸內(nèi)壁的磨損比較嚴重的結(jié)論得到驗證。且在活塞上升行程的上止點附近的排氣側(cè)，活塞對氣缸壁的拍擊最為嚴重，也由氣缸壁在這個位置的磨損現(xiàn)象最為嚴重而得以驗證。另外，考慮活塞與氣缸間的磨損及燒結(jié)的主要原因時，除了活塞環(huán)部分帶來的影響外，活塞裙部的影響也不可忽視。

3）在運動及潤滑條件比較苛刻的活塞上止點處的活塞環(huán)受熱膨脹度，由活塞端口間隙為中心點延展逐漸減小，由此會在氣缸壁造成長條拉痕磨損。