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【天富手机客户端】装载圆锥气缸套的内燃机,可有效减少机械能的损耗!

减小摩擦是提高内燃机效率的一个重要方面。发动机的摩擦损失主要与活塞环-缸套(PRCL)的布置有关。在假设合适的锥形衬板在冷态时,由于机械应力和热应力的影响,在燃烧状态下可以变形成具有近似直的平行壁板的衬板的基础上,研究了衬板排列构象的增强。将初始的圆锥形截面与非圆形截面相结合,可以使衬板在燃烧状态更接近完美的圆柱形。因此,摩擦显著减少是可以预期的。为了研究,首先发展了数值方法来模拟衬板变形与先进的有限元方法。对某汽油机在燃烧状态下的变形实验数据进行了验证。在下一步,首先研究了圆锥和/或椭圆型衬板在冷态和燃烧态之间的变形。研究发现,在冷态时,衬板同时为圆锥形和椭圆形,在焙烧态时直线度、平行度和圆度均有显著提高。椭圆-圆锥组合衬管的直线度误差比圆柱衬管的直线度误差减少50%以上。在不同的直线位置平行度误差降低60% ~ 70%,圆度误差降低70% ~ 80%。

相关论文以题为“Enhancing the Geometrical Performance Using Initially Conical Cylinder Liner in Internal Combustion Engines—A Numerical Study”发表在《Applied Sciences》上。


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在内燃机的总机械能损失中,活塞环缸套(PRCL)总成占20% – 50%。在乘用车中,约4%-7.5%的燃料能量被用来克服活塞总成的摩擦损失,而在柴油发动机中,仅油控制环就相当于燃料能量的0.23% – 2.8%。活塞环需要与孔形一致,以防止润滑油的消耗和相应的特殊和烃类的排放。然而,高活塞环张力导致摩擦损失增加,这意味着更多的燃料消耗和温室气体(GHG)排放。这意味着,在不改变密封功能的情况下,减少该接触的摩擦,既可以提高发动机效率,又可以减少温室气体排放,这是汽车行业面临的一个重大挑战。

许多研究人员对PRCL摩擦副的摩擦学性能进行了讨论。他们中的大多数集中在珩磨纹理、粗糙度和方向上。只有很少的文献讨论了通过提高燃烧状态下的形状精度来提高PRCL构象的问题。增加燃烧状态下变形衬管的圆度为改善PRCL性能提供了重要机会。科学家对初始非圆衬板的性能进行了数值模拟研究。研究表明,在冷态使用非圆形衬套可以显著提高发动机燃烧态衬套的圆度。他们在浮动式衬管发动机上研究了衬管孔径形状对摩擦性能的影响。他们发现在衬垫底部使用更大的孔径可以减少摩擦。

造成衬料偏离理想圆形形状的原因是多方面的。这包括制造误差、装配过程、不同发动机部件之间的热膨胀变化、燃烧状态下的温度梯度以及燃烧操作期间的机械负载。超过85%的累积变形涉及到操作机械和热载荷。在纵向和径向上,变形的形状、方式和变形值对任何设计改进都有很大的影响。因此,对这些变形因素的预测对提高发动机性能具有重要意义。

物理和计算模型

为了模拟衬砌变形,必须考虑复杂的三维热效应,以及局部的应力和应变。这可以用有限元方法来实现。有限元的主要挑战是计算需求和容量,即计算能力、内存和计算时间。因此,使用简单而准确的模型是很重要的。目前的研究是利用ANSYS力学软件进行的,该软件可以研究衬管变形。它在有限元模型中具有处理动态、热、材料、几何和接触非线性的能力,因此很有吸引力。

本文模拟发动机基于日产CA18汽油机,活塞行程83.6 mm,缸径83 mm,总排量1809 cm3。衬板厚度为1.6毫米,与发动机缸体的间隙为80°m。缸体和缸套采用铸铁,缸盖采用铝合金。灰口铸铁的物理材料性能如表1所示。在满载的情况下,测量了该缸套在4000转/分钟时的变形。该操作点的测量温度在发动机缸体的123℃至185℃之间,在缸套的150℃至197℃之间。冷却剂温度为80℃,使用螺栓预紧力为80000 n,抑制了顶板轴向移动。

表1. 灰口铸铁的物理性能。

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研究人员对四缸发动机末端气缸进行了数值模拟研究。由于燃烧热在前后方向的供给不均匀,终端气缸的变形不同于其他中间气缸。这导致除了中间气缸中也出现的一、二、四阶变形之外,终端气缸还出现了三阶变形模式。研究人员模拟了一个半汽缸,以包括来自邻近汽缸和周围环境的热负荷的影响(见图1)。模拟的变形被发现在燃烧条件下,其范围可达30°m。计算结果与实验数据吻合较好。

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图1.本研究中使用的半缸模型具有不同侧面的缸。

锥形衬层

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圆锥衬管的锥度角的选择是基于圆锥衬管产生的反角来确定的。图2显示了由此产生的孔变形的环形衬上的推力,反推力,前,和后侧面。该图显示了变形在一个强烈夸张的代表,以突出的差异,上部和下部变形。值得注意的是,这种差异各不相同。上半部分总是比下半部分更变形。变形差值为推力侧和反推力侧约5塌m前后7塌m。对于优化后的衬板的设置,假设冷态为锥形衬板。它的下半径以5-支点m的增量形成(见图3)。这种设计与一些制造商使用的一般已知的非圆柱形衬垫形状相一致。为了简单起见,本实验的设计是基于一个固定的操作点。在以后的应用中,应根据发动机不同工作点的统计分析来确定最佳倾角设计。

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图2.端子缸四侧原直圆衬套在燃烧条件下的孔变形模拟。


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图3. 圆锥衬垫的尺寸和截面(尺寸单位为毫米)。

图3还显示了圆锥衬管顶部平面的截面。这里研究了两种设计。通常,横截面为圆形。在之前的工作中,四缸汽油机由于热条件的不均匀,在冷态下采用椭圆衬套截面可以使端子缸在燃烧状态下的圆度误差降低75%以上。研究发现,在燃烧状态下,圆形衬板的变形会形成近似椭圆的形状,而在冷态时,椭圆度相反的初始椭圆衬板在燃烧状态下变形为近似圆形的形状。这并不影响活塞的形状,因为椭圆度量很小,在冷态时可以被活塞环吸收。此外,由于活塞的几何形状,可以假设活塞本身在燃烧状态下保持圆形。

在相同的操作条件下(满载4000转/分),模拟了圆锥圆衬和椭圆衬在冷态下的变形。图4和图5给出了圆形和椭圆锥形衬管孔的变形结果。为便于对比,图中还显示了最初的直壁衬的变形,圆形(图4)或椭圆形(图5)。直壁衬和锥形衬的对比表明,圆锥衬在燃烧状态下变形为更好的直和平行形状。这样既增加了活塞环与缸套之间的油膜厚度,又消除了二次运动,从而降低了摩擦。值得注意的是,虽然圆形和椭圆形的衬线的值和趋势看起来是一样的,但最终变形的形状是完全不同的,正如前面解释的那样。

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图4.热况下直衬(上)和圆锥形衬(下)孔变形。


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图5. 热况下直椭圆衬(上)和圆锥椭圆衬(下)的孔变形。

结论

为了得到近似圆柱形的衬管形状,研究人员设计了一种初始的圆锥衬管,其倾角由计算出的衬管上、下段变形差的倒数得到。根据早期的研究,衬砌的横截面也被考虑,并在冷态下改变为圆形或略微椭圆形,这样不均匀的热负荷导致在燃烧态下的横截面为圆形。在本研究中,这两种效应被综合考虑。利用已验证的有限元模型,对发动机在4000转/分满载工况下的热、应力条件进行了详细的衬管变形模拟。

数值模拟结果表明,在冷态采用锥形衬板可使燃烧状态的平行度提高3倍,平行度误差从约12°m降低到4°m范围内。此外,在燃烧状态下的直线度提高了2倍,直线度偏差误差从约6棱m减小到3棱m范围内的值。这表明,班轮的墙壁变得更平行和更直。剩余直线度误差发生在衬垫的上部,是由预紧载荷引起的。圆锥形椭圆形衬套的使用也将烧制状态下的圆度误差从60μm至70μm的圆度误差值显着降低到10μm至15μm范围内的值。在圆锥型和椭圆型衬管中,这两种效果的结合对提高发动机在燃烧状态下的圆度、平行度和直线度有很大的潜力。这可能会减少摩擦。此外,还可以减少石油损失。这样一来,就有可能降低活塞环的接触压力,而活塞环本身就能额外减少发动机的摩擦损失。

论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3705/htm

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