基于熱障涂層的發動機活塞組件-缸套減摩方案研究

袁曉帥，劉戰，孟祥慧，強慧，熊畢偉，郭昌明

(1.中國北方發動機研究所(天津)，天津 300400；2.上海交通大學，上海 200240)

活塞組件-缸套系統工作條件惡劣，是影響發動機整機性能的關鍵摩擦副，也是系統摩擦損失的重要來源之一。據估計，活塞組件-缸套系統的摩擦損失占發動機總摩擦損失的45%～50%。因此，針對活塞組件-缸套系統的低摩擦設計一直是行業內的關注重點。通過表面織構技術、表面涂層技術以及潤滑油添加劑技術等方法來降低活塞組件-缸套系統的摩擦損失在工程中已經得到了廣泛的應用。其中表面涂層技術的應用尤為突出，因為涂層具有良好的熱力學特性、高硬度、自潤滑以及更低的摩擦系數，對降低活塞組件-缸套的接觸摩擦有很大的效果。熱障涂層技術，因其具備很好的隔熱功能，可以達到調整摩擦副表面溫度分布的效果。Hejwowsk等對熱障涂層的影響進行了試驗研究，發現在活塞頂施加熱障涂層后燃油消耗可降低15%～20%。Shrirao等把熱障涂層技術應用到增壓柴油發動機上，實現了2%～5%的油耗降低。牛小強等通過有限元分析研究了活塞頂面熱障涂層對溫度分布的影響，發現熱障涂層可以有效降低活塞頭和環槽的工作溫度。劉陽等研究了活塞在不同厚度熱障涂層下的溫度場和熱應力，研究結果顯示，活塞溫度最大降幅14.83%，活塞熱應力隨著涂層厚度的增加呈下降趨勢，最大降幅達42.44%。對現有文獻分析可知，通過在缸套上涂覆熱障涂層來調整缸套壁面溫度分布，進而改善活塞組潤滑狀態的相關理論研究很少。由于活塞組件做往復運動，不同時刻的速度不同，導致潤滑模式有很大差異。在上下止點處，活塞組件-缸套處于混合潤滑甚至邊界潤滑狀態，此時固體摩擦不可避免。在這種情況下，較高的潤滑油黏度可以改善潤滑、降低接觸摩擦。在沖程中部，活塞組件的運動線速度大，活塞組件和缸套間可以建立良好的動壓潤滑，摩擦力主要由流體剪切引起。此時，摩擦力受潤滑油黏度影響尤為突出，低黏度對降低黏性摩擦有利。潤滑油黏度隨溫度變化而發生顯著的變化，因此通過改善缸套壁面溫度分布有望提高摩擦學性能。本研究基于理論分析，探索熱障涂層對改善溫度分布、降低活塞組件-缸套系統摩擦損失的效果。建立某柴油機活塞組件-缸套系統的摩擦動力學模型，考察不同熱障涂層的溫度分布對系統摩擦學性能的影響和降低系統摩擦損失的減摩方案。

1 理論建模

1.1 平均Reynolds方程

發動機活塞組件-缸套之間的潤滑模型由Reynolds方程描述，為考慮摩擦副表面粗糙度對流體動壓潤滑性能的影響，可以使用Patir和Cheng提出的二維平均Reynolds方程：

(1)

式中：和分別為，方向上的壓力流量因子；為潤滑油黏度；為潤滑油密度；為摩擦副相對運動速度；為剪切流量因子；為活塞環(活塞裙)與缸套的綜合表面粗糙度；為平均油膜壓力；為名義油膜厚度。

1.2 潤滑油溫黏特性

潤滑油特性對活塞-缸套的摩擦學性能有很大的影響，尤其黏度起到主導作用。溫度和壓力是對潤滑油黏度影響最為突出的因素。通過Vogel模型和Roelands模型，可以確定潤滑油黏度與溫度和壓力的關系：

(2)

=exp{(ln+967)
[(10+51×10)-10]}。

(3)

式中：為潤滑油處于參考溫度時的黏度；，為Vogel系數；=0.68。

在發動機工作過程中，假設缸套的溫度即是缸套上附著的潤滑油的溫度，且周向方向上溫度不變，則缸套上某一點處的溫度可以表示為

(4)

式中：為上止點處缸套的溫度；為沖程中間處缸套的溫度；為下止點處缸套的溫度；為缸套上某點與上止點的距離；為沖程。

1.3 活塞組件-缸套系統動力學模型

本研究中，活塞組件主要包括活塞環組和活塞裙部。如圖1所示，對于活塞環，其徑向和軸向受力可以表示為

+--=0，

(5)

-+-+--=0。

(6)

式中：為活塞環背部的氣體作用力；為活塞環的徑向彈力；為徑向油膜力；為徑向微凸體接觸力；為摩擦力；，分別為上下兩端面氣體作用力；為活塞環質量；為活塞環加速度；為軸向環槽作用力。

圖1 活塞受力

對于活塞，主要考慮活塞的二階運動，通過活塞裙頂部中點和底部中點偏離氣缸中心線的距離和表示，如圖2所示。其動力學方程可以表示為

(7)

=+(++
(+)(-))tan()，

=S+sk+G+(-)。

式中：為活塞質心到裙部上端距離；為活塞銷質心到裙部上端距離；為活塞銷質心到活塞質心的距離；為活塞銷偏心量；為活塞裙長度；為活塞銷質量；為活塞質量；，，分別為裙部油膜力和接觸力的合力，活塞頂的氣體載荷，裙部摩擦力；S，sk，G為對活塞銷的力矩。有關活塞二階運動的動力學詳細推導可以參考文獻[23]。

圖2 活塞裙二階運動

1.4 摩擦損失

在混合潤滑狀態下，摩擦力()由流體剪切摩擦力()和接觸摩擦力()兩部分組成：

=+，

(8)

(9)

=?dd。

(10)

式中：，為剪切流量因子；=0.12，為邊界摩擦系數；為接觸壓力，采用GT接觸模型進行計算。

摩擦平均有效壓力(FMEP)可以用來衡量整個工作周期內的摩擦損失：

(11)

2 熱障涂層方案及溫度分布

如圖3所示，把缸套上止點(TDC)和下止點(BDC)之間的區域10等分。本次研究設計了5種不同的熱障涂層分布方案。為了準確獲取缸套溫度，采用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量缸套周向和軸向不同位置對應溫度。然后利用AVL BOOST軟件，進行相同工況的燃燒分析，獲取缸套沖程方向不同位置換熱量和邊界條件。以溫度邊界條件為基礎對計算模型進行修正，使計算結果和測量結果誤差小于5%。最后利用修正后的仿真模型展開不同涂層方案的溫度場計算。表1中給出了原機缸套以及在不同區域涂覆熱障涂層后，缸套在上止點、沖程中部和下止點位置的溫度值。基于所建立的摩擦學分析模型，分析各涂層方案對應的溫度分布及其對活塞組件-缸套摩擦學性能的影響。

圖3 缸套沖程方向等分示意

表1 缸套溫度

3 結果分析

以某柴油機活塞組為分析對象，采用MEBDF方法對活塞裙部進行動力學求解。活塞環為貧油潤滑下的數值求解，供油膜厚為3 μm。

圖4示出不同熱障涂層方案下從上止點到下止點之間缸套溫度分布。由圖4a可以看出，相比于無涂層情況，給定的5種涂層分布下，缸套溫度在沖程中部均有明顯增加。當涂層區域為2-10，在整個沖程方向，相比于無涂層情況，缸套溫度均明顯增加。當溫度升高后，潤滑油黏度呈下降趨勢，如圖4b所示。

圖4 缸套溫度分布和潤滑油黏度變化

圖5示出活塞環組最小油膜厚度(MOFT)的變化規律對比，MOFT是油膜承載能力的體現，直接影響摩擦學計算結果。可以看出，當缸套表面溫度升高，潤滑油黏度下降后，油膜的承載力下降，MOFT降低。對于裙部動力學計算結果也具有同樣的規律，如圖6所示。

為了更加深入地分析熱障涂層的減摩效果，圖7分別示出活塞環和裙部整個周期內的流體剪切摩擦力和接觸摩擦力的變化趨勢對比。可以看出，對于環組來說，5種熱障涂層方案下對應的流體剪切摩擦力相比于無涂層缸套均有所減少，在沖程中部減少更加明顯。這是因為熱障涂層導致缸套表面溫度上升，潤滑油黏度下降，流體剪切效應降低，并且在沖程中部，運動速度大，流體動壓占主導，剪切效應下降更加明顯。對于三環來說，由于其環高小(0.4 mm)，自身彈力較大，導致其最小膜厚在整個工作周期內都比較小，即使在沖程中部，也存在較大的接觸，這也是三環摩擦力保持比較大的原因。對于裙部來說，由于整個工作周期內的最小膜厚均保持在較大水平，所以摩擦力主要是由流體剪切摩擦力組成，當潤滑油黏度下降后，裙部摩擦力的降低更加明顯，如圖7g所示。

圖5 活塞環最小油膜厚度對比

圖6 裙部動力學結果對比

圖7 活塞環和裙部摩擦力對比

圖8示出活塞環、裙部和活塞組件一個工作周期內的摩擦平均有效壓力(FMEP)對比。相比于無涂層缸套，5種熱障涂層方案下的FMEP均小于無涂層情況。但是對于不同摩擦副，最優方案對應的涂層區域不同，影響規律和摩擦力保持一致。對于整個活塞組件，涂層區域3-8方案對應的FMEP最小，FMEP相比于無涂層方案，降低了約12%。

圖8 活塞環、裙部及活塞組FMEP對比

4 結束語

對比分析了在缸套表面不同區域涂覆熱障涂層對溫度分布和活塞組件摩擦學性能的影響。結果表明，當采用合適的缸套表面熱障涂層方案時，可以獲得理想的溫度分布，降低活塞組件-缸套系統的摩擦損失。其影響機理是通過熱障涂層技術，使沖程中間位置的缸套溫度升高，導致潤滑油黏度下降，進而降低了黏性摩擦力。