活塞环_气缸套润滑摩擦研究

白敏丽 ,丁铁新 ,董卫军
(大连理工大学 动力系 ,辽宁 大连 116023)
摘要 :活塞环与气缸套间的润滑 、摩擦直接影响到内燃机的动力性 、经济性和可靠性 。在内燃机实际运行过 程中 ,缸内工作过程循环变动及活塞气缸套间动接触导热直接影响到润滑油膜的状态 ,因而活塞环在缸套 中的不同位置时的摩擦 、润滑状态各不相同 。在传统的活塞环组稳态热混合润滑的基础上 ,考虑到活塞组 —气缸套动接触系统瞬态传热 ,建立了活塞环组的非稳态热混合润滑 、摩擦数理模型及数值方法 。运用该 方法可模拟出活塞环组润滑 、摩擦特性 ,并可预测出不同瞬时润滑油膜的温度场 、压力分布 、油膜厚度 、摩 擦功和摩擦热等重要参数 。 关键词 :活塞环 ;润滑油膜 ;非稳态 ;热混合润滑 中图分类号 : T K407. 9 文献标识码 :A
·73 ·
研究大都忽略了活塞组气缸套导热的影响 。活塞 环还是缸内重要的导热元件 ,缸内燃气传给活塞 的大部分热量经活塞环 —润滑油膜 —气缸套动 接触系统传给冷却介质[2 ] 。另外缸内工作过程的 瞬态变化 ,活塞组气缸套不同相对位置也是影响 活塞环气缸套润滑摩擦的重要方面 。本文在上述 已有的润滑摩擦研究工作基础上 ,进一步考虑缸 内工作过程循环变动及活塞气缸套间动接触导热 对缸内润滑摩擦的影响 ,建立了活塞环组的非稳 态热混合润滑 、摩擦数理模型及数值方法 ,使润滑 油膜的润滑 、摩擦特性更具真实性 。
A Study on Lubrication and Friction on Piston2Ring Pack in IC Engine
BAI Min2l i ,D ING Tie2xin ,DONG Wei2jun
(Department of Power Engineering ,Dalian University of Technology ,Dalian 116023 , China)
Ξ 收稿日期 :2004203201 ;修订日期 :2004205225 。 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50276007) ;辽宁省自然科学基金资助项目 (2001101058) 。 作者简介 :白敏丽 (1962 - ) ,女 ,教授 ,主要研究方向为传热与内燃机 CAE。
2005 年 1 月 白敏丽等 :活塞环 —气缸套润滑摩擦研究
首先假设润滑油膜内的流动是层流 , 且沿活 塞环周向的流动及油膜的热惯性忽略不计 。那么
能量方程可以写成[5 ]
ρcV U
5 5
T x
=
k
52 T 5 y2
+ τxy
5U 5y
(7)
式中 :ρ是润滑油的密度 , cV 是润滑油的定容比
热 , U 是活塞运动速度 , T 是润滑油膜温度 , k 是
润滑油膜的导热系数 。
件给出冷却水的温度和换热系数 ; 润滑油的冷却
边界条件由经验公式确定 ; 而对于活塞组和气缸
套的相对运动边界 ,则采用它们之间的耦合传热
关系 ,通过迭代算法 ,确定其边界条件 。具体做法
是将润滑油膜的传热简化成导热热阻 ,以此来完
成活塞组与气缸套间的热联系 。由以上假设 ,活塞
和气缸套间的换热关系为
qp2L
=
λoil δoil
(
Tp
-
TL )
(11)
式中 :λoil 和 δoil分别为活塞环与气缸套间润滑油
膜的导热系数和厚度 , T P 和 TL 分别表示活塞和
的 , 并且 U 1 = U 、U 2 = 0 ,方程 (3) 就可以写成一
维形式[4 ] ,即
d dx
φx h3
dp dx
= 6μU
d hT dx
+
σ
dφs dx
+
12μ
dhT dt
(2)
式中 :μ是润滑油的黏度 ,mPa·s ;黏温关系可整理
为 Sloote 黏度方程[2 ] 为
μ =
5. 662 5 E + 4 ρ ( t m + 40) 4. 507 6
Abstract : L ubrication and friction on Piston2Ring Pack in IC Engine will directly influence t he engine power , t he fuel economy and t he reliability. During engine operation , t he cyclic variation of working process in cylinder and t he heat transfer under dynamic contacting between t he piston and cylinder bore influence t he state of oil film. Thus , t he state of lubrication and friction for t he piston2ring Pack is variable in different positions. This paper concentrated on t he mat hematic and p hysical model as well as its numerical calculation for t his transient , t hermal and mixed lubrication and friction between piston ring and cylinder bore based on t he steady , t hermal and mixed lubrication properties of t he conventional piston ring pack t hrough introducing t he instantaneous heat transfer under dynamic contacting between piston sets and cylinder liner. The lubrication and friction properties of piston ring pack , and parameters such as t he temperature fields of piston and liner , film t hickness , film temperature , friction force and friction heat etc. can be simulated by t he met hod. Keywords :Piston ring ;Oil film ; Transient ;Mixed lubrication
杆长度 , n 是转速 。
·74 · 内 燃 机 学 报 第 23 卷第 1 期
1. 2 润滑油膜温度 在活塞组 —润滑油膜 —气缸套传热过程中 ,
活塞环和气缸套的热状态是润滑油膜重要的边界
条件 ,同时润滑油膜的状态也影响活塞组 —气缸 套间的传热 ,他们互为边界 。 1. 2. 1 润滑油膜的能量方程
引言
活塞环组 —气缸套的润滑 、摩擦的分析研究 一直是内燃机界关注的重要领域 。自从 Eilon 将流 体润滑理论用于活塞环 —气缸套的润滑分析以 来 ,国内外学者对这一对摩擦副的润滑状态及影
响因素做了大量的研究 。上世纪 70 年代后人们将 活塞环润滑的研究扩展到混合润滑 ,通过结合平 均流量模型和微凸体接触模型 ,在研究活塞环润 滑问题时开始考虑到表面粗糙度的影响 。国内以 桂长林为代表的研究工作者在这方面也开展了大 量研究工作[1 ] 。以往活塞环气缸套间润滑 、摩擦的
对能量方程沿 y 方向在 (0 , h) 上积分 , 考虑 到摩擦热的影响 ,平均形式的能量方程为
∫ ∫h
ρcV
h 0
U
5 5
T x
d
y
=
k
52 T 5 y2
d
y
+
0
∫h
τx y
5U 5y
d
y
+
S
(8)
0
式中 : S 是单位时间 、单位面积上产生的摩擦热中
分配给润滑油膜的部分 ,由于热传导作用其他的
第 23 卷 (2005) 第 1 期 内 燃 机 学 报 Vol. 23 (2005) No. 1 Tra ns actions of CSIC E
文章编号 :100020909 (2005) 0120072205
232012
活塞环 —气缸套润滑摩擦研究 Ξ
部分分配给了活塞环和气缸套 。由于活塞环 、气缸
套的材料不同 ,所以摩擦热在它们之间的分配不 是均匀的 ,分配关系与材料的物性有关[2 ] 。 1. 2. 2 活塞组 —气缸套的导热方程
活塞的导热方程为
55τtp
=
wk.baidu.com
αp
(
52 tp 5 y2
+
1 y
·5 tp 5y
+
52 tp 5 x2
)
(9)
气缸套的导热方程为
1 非稳态热混合润滑模型的建立
活塞在气缸中的运动过程中 ,活塞环 、润滑油 膜和气缸套构成了一个复杂的摩擦副 ,如图 1 所 示 。影响其润滑摩擦状态的因素有 :活塞运动的速 度 、缸内压力 、活塞环和气缸套的温度 、表面粗糙 度等等 。因为活塞环 —气缸套是轴对称的 ,我们 可以只研究其在一个轴截面上的情况 。对于润滑 油的黏度 ,由于压力不是很高 ,并且变化不是太剧 烈 ,所以只考虑黏度随温度的变化 。对于润滑油的 密度受温度和压力的影响都忽略不计 ,认为密度 为常量 。由于考虑到包括润滑油膜外界环境温度 和自身摩擦热的影响 ,在建立和求解能量方程的 时候需要考虑到在各个时刻与润滑油膜相接触的 活塞环和气缸套的温度 ;而且 ,摩擦热的生成包括 由于表面粗糙度而引起的凸峰接触产生的部分和 由于油膜黏性剪切产生的部分 。
φs 代表了除了粗糙表面间的滑动以外的流动 。流
量因子可以通过膜厚比 ,即实际油膜厚度 、表面粗
糙度的比值 ( Hσ = h/σ) 和表面粗糙度方向因子
(γ) 的函数求得 。
油膜厚度非常薄 (μm 量级) ,相对于其他尺寸
相差几个数量级 , 所以沿油膜厚度方向的压力变
化可以忽略不计 。沿着缸套的轴线方向是轴对称
式中 :活塞环外表面轮廓函数 hs ( x ) 是由直线和
x 的二次方程曲线确定的 。
U 是活塞的运动速度 ,由式 (6) 确定为
U = Λsin θ 1 -
cos θ λ2 - sin2θ
bω
(6)
式中 :Λ = R/ b , R 为曲柄半径 , b 为活塞环的厚
度 ,λ = L / R ,θ = ωr ,ω = ( n/ 60) ·2π, L 为连
(3)
其中 , tm 是油膜平均温度 ;ρ为润滑油密度 。
考虑到表面粗糙度的实际油膜厚度 h T 为[4 ]
h T =
h 2
1 + erf
h
2σ
式中 :erf ( x ) 是误差函数 。
+
σ 2πe
2
h/
2σ2
(4)
名义油膜厚度定义为
h ( x ) = hs ( x ) + hmin ( t)
(5)
子的平均雷诺方程 ,其中压力和流量因子都是表
面粗糙度的函数[3 ] ,则
5 5x
φx
h3
12μ
·55
P x
+
5 5y
φy
h3
12μ
·55
P y
=
U 1 + 2
U 2 ·55hxT +
U1 2
U2
·σ55φxs
+
5hT 5t
(1)
其中压力 、流量因子分别来源于 φx 、φy 随机产生 表面粗糙度的数值模型解决方案 。剪切流量因子
55τtL
=
αL
(
52 tL 5 y2
+
1 y
·5 tL 5y
+
52 tL 5 x2
)
(10)
式中 α: p 、αL 分别为活塞 、气缸套的热扩散率 。
采用耦合研究方法确定微分方程 (9) 和式
(10) 的边界条件[6 ] : 燃烧室内由 GT2Power 软件
给出燃气的温度和换热系数 ;冷却水由 Star2CD 软
图 1 活塞环 —气缸套润滑摩擦示意图 Fig. 1 Lubrication bet ween piston2ring and cylinder2bore
1. 1 润滑油膜压力 假设沿着活塞周向的润滑油的流动可以忽略
不计 ,Patir 和 Cheng 考虑到表面粗糙度的影响把
雷诺方程进行了改进 ,得出了基于压力和流量因