环境与工况对柴油机缸套活塞环磨损的影响

缸套-活塞环磨损程度对柴油机实车使用状况影响巨大，采用实车不解体检测方法测量缸套表面磨损状况异常困难，也难以通过检测缸套-活塞环磨损参数(载荷、速度、温度、油膜厚度等)对磨损量进行间接计算，因此，采用数值仿真方法开展缸套-活塞环表面磨损量计算是当前研究的一个方向。

车辆实车使用环境与行驶工况对柴油机缸套-活塞环磨损影响较大，钟振远等[1]通过模拟台架试验研究了沙尘环境对内燃机缸套磨损的影响规律；王宪成与和穆等人[2-3]通过建立数值仿真模型研究了高原环境和极限温度条件下气缸套磨损影响规律和特点，贾郑铭等[4]研究了船舶喷油角度变化对气缸套-活塞环磨损的影响。以上研究主要基于柴油机台架试验数据，根据缸内工作过程仿真与稳定载荷磨损模型，建立了缸套-活塞环数值仿真模型，但是在缸内工作过程建模中缺少对柴油机实车使用因素(如环境参数和部分负荷工况对燃烧的影响、柴油机辅助系统对冷却传热影响等)的系统考虑，且磨损量计算是基于稳定载荷，未能考虑柴油机工况变化的影响。本文作者从某型多缸柴油机实车使用状况出发，采用柴油机性能仿真软件同Matlab自编写程序相结合的方法，建立了面向使用的柴油机缸套-活塞环磨损仿真计算方法并进行试验验证，计算分析环境与工况参数对缸套磨损的影响规律。

1柴油机缸套-活塞环磨损计算建模

依据柴油机及辅助系统实际结构及工作特点，开展缸套-活塞环磨损热力学边界条件、动力学边界条件和动载荷磨损建模。

1.1 广安博之缸内燃烧模型

采用广安博之和角田敏一提出的油滴蒸发燃烧模型[5-6]，燃油以高速喷入气缸后破碎成油滴，在燃油喷入的同时将空气卷入，油滴在缸内经吸热、蒸发并与空气形成混合气，经滞燃期后着火，其燃烧速率取决油滴蒸发和空气卷入速率，与空气进气量相关，能够反映出环境参数对缸内燃烧的影响。

由图1可知：喷雾的几何形状由喷射锥角φ和喷射行程l来描述，沿着喷雾的径向和轴向分为诸多微小同心单元体(m，n)，共计m×n个区间，并以E(m，n)作为标记，其中轴向m表示燃油喷出的先后时间序号，径向n表示区间所在的径向位置序号。

图1 燃油喷雾分区示意图Fig 1 Fuel spray partition schematic diagram

当量喷孔燃油出口速度为

喷射压力差为

式中：Δmfm为单位时间步长的喷油量；Δtm为时间步长；d0为喷孔的直径；Nnoz为喷孔数；ρf为燃油密度；μ为流量系数。

燃油喷雾锥角φ可由经验公式确定，表达式为

式中：ρg为空气密度；μa为燃油的黏度。

燃油喷雾分区在喷雾中心轴线上的轴向位置，其计算表达式为

式中：tmbr为油滴破碎滞后期，且

1.2 缸套-活塞环微凸体接触载荷模型

缸套-活塞环摩擦副在上止点附件油膜厚度较薄，处于边界润滑或者混合润滑状态下，受摩擦副表面粗糙度的影响，当摩擦副接触面的油膜厚度小于一定值时，摩擦表面的峰元会出现直接接触而产生峰元载荷，因此文中采用GREENWOOD和TRIPP[7]提出的微凸体接触载荷模型，在弹性接触条件下微凸体接触载荷pa与真实接触面积Ar计算式为

式中：η为接触面微凸体的密度；σ为表面粗糙度；β为接触面微凸体峰顶的曲率半径；Aa为名义接触面积；d为两接触间的距离；E′为接触面材料的综合弹性模量;和F2是Fn的方程，其计算式为

式中：H为膜厚比。

1.3 缸套-活塞环动载荷磨损计算建模

缸套-活塞环动载荷磨损建模是以Archard磨损模型为基础，针对滑动面接触的摩擦副，假设摩擦副表面微凸体黏着节点为半球状并沿球面发生破坏，其作用效果如图2所示。

图2 黏着磨损作用效果示意图Fig 2 Schematic diagram of the effect of adhesive wear

对于整个滑动接触面，磨损体积V计算表达式：

式中：p为压力；L为滑动总行程；H为材料硬度；Ka为黏着磨损系数，该系数会随着磨损过程中载荷参数和材料表面形貌特征而不断变化，由此体现出动载荷磨损的特征，具体建模过程见文献[8-9]。

2柴油机缸套-活塞环磨损仿真模型验证

2.1 缸套-活塞环磨损计算流程

通过柴油机缸套-活塞环磨损计算建模，采用柴油机性能专业仿真软件与Matlab自编写程序联合仿真的方法，依据柴油机实际工况的检测结果并按照工作循环数进行离散处理，建立柴油机缸套-活塞环磨损仿真计算流程。在开展柴油机缸套-活塞环磨损仿真计算过程中，首先需对柴油机工况参数进行检测，包括柴油机水温、油温、转速、油耗、气温、气压等，经柴油机缸套磨损热力学边界条件仿真计算(GT-Suit软件)、缸套磨损动力学边界条件计算(AVL软件)以及缸套动载荷磨损计算(Matlab软件)，求得柴油机每个工作循环缸套的磨损深度，经各循环累积得到缸套轴向位置的总磨损深度，以此反映柴油机使用寿命的实际损耗程度[10]。

文章来源：《环境科学与管理》 网址: http://www.hjkxygl.cn/qikandaodu/2021/0407/718.html