活塞銷偏置對潤滑油消耗的影響*

劉雨東 趙俊生 孫楠楠 楊志浩 傅新月 許 泰

(1.中北大學機械工程學院 山西太原 030051；2.濰柴動力股份有限公司，內燃機可靠性國家重點實驗室 山東濰坊 261061)

隨著柴油機排放法規日趨成熟，潤滑油消耗所帶來的顆粒物排放已經成為人們關注的焦點。柴油機的潤滑油消耗對顆粒排放性能有著極其重要的影響，在不同的工況條件下，潤滑油消耗對顆粒物排放總量的貢獻可達40%～90%[1-3]。柴油機缸內潤滑油消耗的方式主要包括缸壁蒸發、活塞頂岸刮油、頂環開口間隙竄油和頂環甩油，占柴油機潤滑油消耗總量的90%以上。對于柴油機潤滑油消耗量的研究，必須在保證可靠潤滑的基礎上，將潤滑油消耗量控制到最低，這不僅可以降低柴油機運行的成本，還可以滿足越來越嚴格的排放法規的要求[4-7]。

國內外學者針對柴油機潤滑油的消耗開展了大量研究。雷基林等[8]通過正交試驗分析了活塞主要結構參數對活塞組潤滑油消耗的影響程度。結果表明，影響因素最大的是配缸間隙，活塞頭部間隙和活塞銷偏心對潤滑油消耗影響不大。尹必峰等[9]利用Ringpak軟件研究氣缸套摩擦副表面粗糙度參數對發動機機油耗的影響。結果表明，頂環密封外圓面的粗糙度對機油消耗的影響體現在環在缸套表面的刮油和布油特性上。王建等人[10]研究柴油機活塞參數對油耗的影響，結果表明，缸內發動機機油耗的主要因素是刮油和蒸發；通過對配缸間隙、環岸間隙和活塞銷偏移量進行數值模擬分析，得出優化方案。楊海翔等[11]用硫元素示蹤法試驗測量了潤滑油的消耗情況，分析了潤滑油在4種主要缸內的消耗情況。雷啟銘等[12]重點研究了不同配缸間隙、開口端倒角對柴油機竄氣量及缸內潤滑油消耗的影響規律，采用響應曲面法分析了活塞開口間隙對竄氣量的影響，并在此基礎上對頂環及二環開口間隙參數進行優化，得到最優解。HASEGAWA等[13]研究了放油孔位置對油環下油壓和潤滑油消耗的影響；通過采用光纖壓力傳感器測量油環下的油壓，對壓力產生機制進行研究；通過用硫示蹤法測量潤滑油消耗量，評估了排油孔對油壓的影響；同時測試了4種類型的排油孔布置，測量了油環下方圓周方向的油壓變化。ROSSEGGER等[14]提出了一種內燃機潤滑油消耗測量新方法，使用穩定氫同位素氘(2H)作為示蹤劑，通過與合成油進行氫/氘(1H/2H)交換過程將其添加到油中，然后使用基于腔衰蕩光譜(CRDS)的同位素水分析儀檢測廢氣中水蒸氣含有的氘，從而獲得潤滑油消耗量。MIAO等[15]提出一種基于CAE的活塞環系統優化方法，通過實驗驗證了優化后的油耗比原設計有所減少。MIURA等[16]研究了槽內放油孔對油耗的影響，并測量了油環周圍的壓力平衡，發現槽中的排放孔降低了油耗。

上述研究主要針對各種參數對潤滑油消耗的影響，沒有考慮活塞銷偏置的方向和偏置量對于潤滑油消耗的影響。本文作者從潤滑油消耗機制出發，建立活塞環組動力學仿真模型，分析了活塞銷偏置方向和偏置量對于潤滑油消耗的影響，為柴油機的優化設計提供參考。

1 潤滑油消耗機制

潤滑油消耗主要包括缸壁蒸發、活塞頂環甩油、頂環開口間隙竄油和活塞頂環岸刮油，其消耗的機制如圖1所示。

圖1 潤滑油消耗示意

1.1 潤滑油從缸套壁面的蒸發燒損

活塞的往復運動使缸套與缸內氣體接觸的油膜面積隨著曲軸轉角的變化而變化。因此，單位曲軸轉角蒸發的潤滑油體積為

(1)

(2)

式中：Ae為油膜蒸發面積；Δt為時間計算步長；ρoil為機油密度；Mevap為油膜蒸發速率；Dc為擴散系數；dc/dx為機油徑向的濃度梯度。

因此,潤滑油從缸套壁面的蒸發燒損主要與油膜蒸發面積和油膜特性有關。

1.2 由慣性力導致的頂環累積潤滑油的甩出量

頂環累積潤滑油的甩出量的表達式為

(3)

(4)

(5)

1.3 通過頂環開口間隙竄入燃燒室的潤滑油

燃燒室壓力小于頂環槽或二環岸的壓力時，潤滑油通過頂環開口的間隙被吸入燃燒室，引起機油上竄。頂環上、下容積腔的壓力差和開口間隙的變化是引起頂環開口間隙竄油的主要因素，其表達式為

(6)

式中：fbloe-back為比例系數；a為環端的面積；b為頂環的工作面寬度。

1.4 活塞頂環岸刮油

當活塞橫向移動或者角移動過大時，活塞頭部邊緣與缸套之間的間隙變小，導致頂部邊緣刮油，導致潤滑油消耗增加，其表達式為

Vscraped=Ascraped·Δs

(7)

式中：Ascraped為頂環與潤滑油接觸的面積；Δs為環的軸向運動移動的距離。

2 仿真模型和求解

以某型12缸柴油機為研究對象，相關計算參數如表1所示。文中采用AVL軟件中的EXCITE-PR，活塞模型保留原始的有限元模型的剛度、質量和模態信息。該模型能模擬活塞在運行中的動態過程，且活塞環、槽、環岸結構參數按照實際參數設置，以保證模型的可靠性。

表1 柴油機相關計算參數

在SolidWorks中建立活塞體的三維實體模型，導入Abaqus中進行有限元仿真，選取活塞頭部和裙部對稱定義加載點，如圖2所示。定義完成之后，跟周邊節點綁定，一個參考點綁定周邊一圈節點，防止局部應力太大，使結果更加準確；在活塞內表面創建支撐，防止在徑向和周向上運動；依次在主推力側(Thrust Side,TS)和副推力側(Anti-Thrust Side,ATS)對稱加載，查看在載荷作用下各個節點的徑向位移；以ATS為圓周方向的零點參考位置，查看變形情況，得到剛度矩陣文件。在AVL-EXCITE-PR中建立活塞組單缸模型，如圖3所示。

圖2 活塞體剛度有限元模型

圖3 PR活塞環組動力學仿真模型

在EPR中通過改變曲柄連桿系統中活塞銷的偏移量進行分析偏移量對潤滑油消耗的影響；由于AVL軟件中規定偏TS為正，偏ATS為負，通過改變偏移量的正負進行研究活塞銷偏置方式對潤滑油消耗的影響。

3 計算結果及分析

3.1 不同轉速下柴油機的潤滑油消耗

柴油機轉速分別為1 600、2 000、2 600 r/min時，對不同工況下柴油機的潤滑油消耗進行分析，結果如圖4所示。隨著柴油機轉速的增加，通過頂環開口間隙竄入燃燒室的潤滑油和由慣性力導致的頂環累積潤滑油甩出的量明顯增加，而缸壁蒸發和活塞頂環岸刮油基本保持不變。當轉速為2 600 r/min時，活塞頂環甩油量為70.691 g/h，開口間隙竄油量為46.807 g/h，與低速時相比，增加得非常明顯。這是由于柴油機高轉速運行時，活塞的運行速度變快，并且進入缸內的混合氣體較少，相比進氣系統的真空度變大，負責密封活塞、活塞環和缸套的潤滑油就有更多進入燃燒室的趨向。因此有必要對高轉速下活塞環組的潤滑油消耗進行深入研究。以下計算均在2 600 r/min的轉速下進行。

圖4 不同柴油機轉速下潤滑油的消耗量

3.2 活塞銷偏置方向對潤滑油消耗的影響

研究活塞銷偏ATS 0.1、0.3、0.5 mm時，對缸套壁面蒸發、活塞頂環岸刮油、開口間隙竄油、活塞頂環甩油4種途徑造成的潤滑油消耗量進行分析，結果如圖5所示。可以看出，偏ATS時，缸套壁面蒸發和活塞頂環岸刮油趨勢基本保持不變；開口間隙竄油呈現先減小后增加的趨勢，活塞銷偏置0.3 mm時減到最小，由無偏置時的46.807 g/h減小到3.555 g/h，減小了92.40%；活塞頂環甩油呈現先減少后增加的趨勢，在0.1 mm時減到最小，由無偏置時的70.691 g/h減小到0.015 g/h。

圖5 不同活塞銷偏移量下(偏ATS)潤滑油消耗量

研究活塞銷偏TS-0.1、-0.3、-0.5 mm時，對缸套壁面蒸發、活塞頂環岸刮油、開口間隙竄油、活塞頂環甩油4種途徑造成的潤滑油消耗量進行分析，結果如圖6所示。可以看出，偏TS時，缸套壁面蒸發和活塞頂環岸刮油的趨勢基本無變化；開口間隙竄油呈現先微量增加后快速下降趨勢，在活塞銷偏置0.5 mm時降到最低，由無偏置時的46.807 g/h減小到11.889 g/h，減小了74.60%；活塞頂環甩油呈現先急速下降后平穩的趨勢，在活塞銷偏置0.5 mm處降到最低，由無偏置時的70.691 g/h減少到0.009 2 g/h，下降了99.98%。

圖6 不同活塞銷偏移量下(偏TS)潤滑油消耗量

綜上所述，活塞銷偏TS和ATS對于潤滑油的消耗量都有所改善，但是比較圖5和圖6可以看出，活塞銷偏ATS對于潤滑油的消耗量減少綜合效果更好。

3.3 活塞銷偏置量對潤滑油消耗的影響

當活塞銷向TS偏移1、2、3、4、5 mm時，對頂環開口間隙竄油、活塞頂環積油、活塞頂環甩油、活塞頂環刮油和頂環泵油等進行分析，結果如圖7—9所示。如圖7所示，活塞頂環積油在偏移1～2 mm時一直減少，在偏移2 mm時減到最小，從無偏移時的0.324 mm3減小到0.016 mm3，減小了95.22%；在偏移3～4 mm時活塞頂環積油又增加，在偏移5 mm再次減小。如圖8所示，開口間隙竄油量總體呈減小的趨勢，在偏移4 mm時減少最多，從無偏移時的46.807 g/h減少到0.835 g/h，降低了98.22%；活塞頂環甩油量在偏移1～5 mm時總體呈減小的趨勢，從無偏移時的70.691 g/h減小到5 mm時的0.023 g/h。如圖9所示，活塞頂環刮油在偏移1～2 mm時減少，其中在偏移2 mm時相比無偏移時減少了1.85%；在偏移3～5 mm時活塞頂環刮油又增加。如圖10所示，隨偏移量增加，活塞頂環泵油總體一直在減小，從無偏移時的0.324 mm3/(°)減到偏移5 mm時的0.012 mm3/(°)，減少了96.33%。綜上所述，活塞銷向TS偏移，潤滑油的消耗有明顯的減少。

圖7 活塞銷偏TS時偏移量對頂環積油的影響

圖8 活塞銷偏TS時偏移量對竄油、甩油的影響

圖9 活塞銷偏TS時偏移量對刮油的影響

圖10 活塞銷偏TS時偏移量對泵油的影響

表2給出了不同活塞銷偏移量下(偏TS)潤滑油的消耗量。可以看出，當活塞銷偏TS時，偏置2 mm時對減少潤滑油消耗的總體效果更好。

表2 不同活塞銷偏移量下(偏TS)潤滑油的消耗量

當活塞銷向ATS偏移1、2、3、4、5 mm時，對頂環開口間隙竄油、活塞頂環積油、活塞頂環甩油、活塞頂環刮油和活塞頂環泵油等進行分析，結果如圖11—14所示。如圖11所示，活塞頂環積油在偏移2和4 mm時明顯增多，在偏移1、3、5 mm時降低，其中偏移3 mm時活塞頂環積油從無偏移時的0.324 mm3降到0.022 mm3，降低了93.27%。如圖12所示，隨偏移量增加，開口間隙竄油量總體呈現減小的趨勢，其中偏移3 mm時開口間隙竄油量從無偏移時的46.807 g/h減少到1.160 g/h，減少了97.52%；頂環開口間隙甩油總體趨勢也在減少，從無偏移時的70.691 g/h降到偏移3 mm時的0.023 g/h，降低了99.97%。如圖13所示，活塞頂環刮油在偏移1～2 mm時總體趨勢平穩，在3和5 mm時減少最多，在偏移5 mm處降到最低，從無偏移時的0.811 mm3/(°)降到0.143 mm3/(°)，降低了82.30%。如圖14所示，由于偏移量增加，頂環泵油總體一直在減小，在偏移5 mm時減到最小，從無偏移時的0.324 mm3/(°)減小到0.012 2 mm3/(°)，減少了96.24%。綜上所述，活塞銷向ATS偏移，潤滑油的消耗有明顯的減少。

圖11 活塞銷偏ATS時頂環積油隨轉角的變化

圖12 活塞銷偏ATS時偏移量對竄油、甩油的影響

圖13 活塞銷偏ATS時偏移量對刮油的影響

圖14 活塞銷偏ATS時偏移量對泵油的影響

表3給出了不同活塞銷偏移量下(偏ATS)潤滑油的消耗量。可以看出，當活塞銷偏ATS時，偏置3 mm時對減少潤滑油消耗的總體效果更好。

表3 不同活塞銷偏移量下(偏ATS)潤滑油的消耗量

通過對比表2和表3可發現，活塞銷偏ATS 3 mm時對減少潤滑油消耗的綜合效果最好。

4 結論

(1)隨著柴油機轉速的增加，活塞頂環開口間隙竄油量增加，活塞頂環甩油量增加，潤滑油消耗總體增加。

(2)活塞銷不論偏TS還是偏ATS，對潤滑油的消耗都有顯著的影響，偏ATS對于減少潤滑油消耗的綜合效果更好。

(3)活塞銷偏置對潤滑油消耗的總體趨勢都是下降的，其中活塞銷偏ATS 3 mm時對于減少潤滑油消耗綜合效果更好。