發動機機油耗仿真分析探究

陸榮榮，趙文仲

（江淮汽車集團股份有限公司發動機公司動力研究院，安徽 合肥 230601）

研究發現，柴油機的不可溶解干碳煙SOOT 排放物與潤滑油直接相關：潤滑油的基礎油在高溫下產生熱解、脫氫反應形成不可溶顆粒，此過程機油消耗所產生的總顆粒物有可能達到0.003～0.005g/（kW·h），對全部顆粒物排放的占比可以達到20%～30%。潤滑油中的添加劑燃燒后的灰分（ASH)，其排放量可達到0.0015～0.0030g/（kW·h），相當于全部顆粒排放的8%～15%[1-2]。由此可見，機油消耗對顆粒排放的影響是相當大的。減少機油的消耗量是降低柴油機顆粒排放非常關鍵的舉措。

目前，行業對基于發動機的運行工況來進行機油耗的仿真分析研究較少。本文通過對發動機運行工況下的機油耗進行仿真分析，并與試驗值進行對比，研究機油耗仿真分析的過程方法和可信度。

1 機油的損耗途徑

對增壓柴油機來講，正常的機油消耗路徑主要分為三部分：一是消耗在增壓器中間體處；一是隨曲軸箱竄氣被攜帶走；三通過氣門導管進入缸內燃燒；四是通過活塞運動副進入缸內燃燒。

研究表明，約70%左右的機油耗是通過活塞運動副進入缸內燃燒產生的[3-4]。

2 活塞運動副對機油耗的影響

活塞運動副涉及的缸孔、活塞、活塞環對機油耗均有影響。

2.1 缸孔

網紋參數對機油耗的影響至關重要，而網紋參數是通過珩磨技術獲得，不同的珩磨技術可以得到不同水平的網紋參數（如表1），從而對機油耗的影響也不同（如圖1）。除了普通珩磨和平臺珩磨外，最新發展的滑動珩磨和螺傘滑動珩磨技術對機油耗的控制更好[5-7]。

表1 常見的珩磨種類

圖1 不同珩磨工藝的機油消耗對比

2.2 活塞

與活塞相關的機油消耗路徑主要是機油上竄進入燃燒室燃燒及在缸壁上蒸發，如圖2 所示[8]。

圖2 與活塞相關的機油消耗路徑

活塞在缸孔內進行頻繁的往復運動，缸壁表面必須保證潤滑良好，但是由于活塞運動過程中會產生大量的熱量，缸壁上的機油在高溫下蒸發損耗[9]。

潤滑油在缸壁上的蒸發量計算如下：

式中：

β—材料導熱系數

Cfilm—缸壁潤滑油濃度

C∞—燃燒室潤滑油濃度

Dc—傳導系數

為了降低活塞頂部的溫度，可以采取的措施包括：在燃燒室下部增加內冷油道，降低活塞頭部溫度；使用散熱較好的材料，也可以有效的降低活塞頂部的溫度，從而可減少活塞運動過程中機油的蒸發量。

而活塞的型線、活塞的局部結構（如在環岸處設置泄荷槽以及回油窗、回油孔的設計等）對降低機油耗被甩如缸內都具有重要作用。

2.2 活塞環

活塞環分為氣環和油環。氣環主要起到密封的作用，防止氣缸內的高壓氣體下竄到曲軸箱。由于下竄的氣體是油氣混合物，控制減小竄氣量可以有效的控制機油的消耗。油環的作用是把飛濺到氣缸壁上的多余潤滑油刮下來，回到油底殼，以減少發動機的機油消耗量。

活塞環的結構、活塞環的閉口間隙、活塞環與環槽的間隙、活塞環高、活塞環徑向厚度、活塞環張力等都對機油耗有重要影響。

3 仿真分析

仿真方法能夠有效、直接和快捷地分析不同活塞環、活塞和缸孔結構對機油耗的影響，從眾多方案中甄選出更為合理的設計方案，對降低機油耗方案設計有重要的指導作用，可以減少試驗次數，降低開發成本，同時縮短項目開發周期[10-11]。

本文分析中，活塞剛度矩陣計算采用HyperMesh 和Abaqus 軟件，動力學和機油耗分析采用Excite Piston&rings 軟件。

3.1 計算參數

研究用柴油機主要參數如表2 所示。

表2 柴油機主要參數

分析計算的主要輸入的邊界參數如表3 所示。

表3 分析計算的主要參數

柴油機不同轉速下的缸內壓力如圖3 所示。

圖3 不同轉速下缸內壓力曲線

3.2 模型建立

活塞動力學分析模型應用Excite Piston&rings軟件建立，模型包括：缸體、活塞、活塞銷、連桿、活塞環組，如圖4 所示。

圖4 活塞動力學分析模型

圖5～圖7 分別為為活塞、缸體、環和環槽的冷態型線。

圖5 活塞冷態型線

圖6 缸孔冷態型線

圖7 環組冷態型線

缸孔與活塞的熱態型線根據其溫度場分布和熱膨脹系數等分析獲得，如圖8、圖9 所示。

圖8 缸孔熱變形量

圖9 活塞熱變形量

分析中使用的熱力學數據如下：

（1）機油動力黏度—溫度特性

圖10 機油動力黏度-溫度特性

（2）燃氣溫度和傳熱系數

圖11 燃氣溫度和傳熱系數

3.3 分析結果

全速全負荷工況下，缸內機油消耗量的仿真結果如圖12 所示，可見最大機油消耗量為6.4g/h。需要注意的是，仿真結果僅包括缸內消耗，而柴油機總機油耗還包括呼吸系統竄油量以及增壓機型中增壓器竄油等，因此柴油機實際機油消耗量大于仿真結果。

圖12 機油耗分析結果

6.3 仿真可信度分析

對上述仿真分析的發動機進行發動機臺架試驗，測試結果如下：

表4 臺架試驗結果

可以看出，全速全負荷工況下發動機的機油耗為9.8g/h，如前所述，按照70%的比例估算，通過活塞運動副產生的機油消耗約為6.86g/h，仿真的機油耗結果6.4072g/h，可信度約為93.4%，可信度較高。

4 結 論

本文介紹了發動機運行工況下CAE 仿真分析的過程和方法。機油耗仿真分析結果與試驗結果相比較為接近，可信度93.4%，可信度較高。

面對降機油耗目標，可以充分利用CAE 仿真分析的手段進行活塞運動副選型，大大降低發動機開發的周期和成本。