燃油稀释低黏度机油对柴油机缸套活塞环润滑性能的影响

分类：论文范文 发表时间：2021-11-17 11:33

　　摘要：为研究燃油稀释低黏度润滑油对缸套活塞环润滑性能的影响，该研究以农用柴油机为研究对象，基于燃油湿壁现象考察了燃油稀释低黏度润滑油对混合液的黏度变化影响。试验结果显示，随着燃油稀释率增大，混合液的动力黏度呈现先急剧下降后缓慢下降的变化规律，稀释率从0增加到10%，动力黏度降幅达44.9%，表明少量柴油稀释低黏度润滑油将导致黏度迅速降低。通过构建缸套-活塞环润滑摩擦理论模型，采用数值计算方法探究了燃油湿壁效应对缸套-活塞环摩擦性能的影响机理。模拟计算结果显示，随稀释率的增加，缸套-活塞环之间的油膜厚度变薄，流体动压润滑区间不断缩小，而混合润滑区间不断扩大，导致摩擦副表面微凸体接触增多，特别是在压缩行程上止点附近，缸套-活塞环的摩擦力随着稀释率增加而增大；而缸套-活塞环摩擦副的循环摩擦损失随稀释率增大呈现先降低后升高的趋势，稀释率为10%时摩擦损失最小。通过搭建发动机测试台架进行倒拖试验发现，当稀释率从0增大到30%时倒拖转矩呈现先减小后增大的趋势，且当稀释率为10%时倒拖转矩最小，验证了不同燃油稀释率下倒拖转矩变化与模拟计算结果的一致性。在发动机中应用低黏度润滑油，应控制其稀释率低于20%，以保持必要的润滑作用。研究结果可为为低黏度润滑油的推广应用提供指导。

　　关键词：柴油机；摩擦；稀释；缸套；活塞环；润滑

　　0引言

　　高效节能、绿色环保已成为发动机设计开发的必然趋势，当前内燃机排放要求正向US10、欧Ⅵ及以上超低排放法规过渡[1]，对其二氧化碳排放提出了更高要求。一方面通过使用低黏度润滑油可以降低内燃机摩擦功耗，从而提高经济性[2-3]；另一方面为改善内燃机燃烧过程，燃油雾化与油气混合过程的重要性逐渐凸显，各种先进的燃油喷射技术[4-5]，如高压喷射，早喷、晚喷等不断应用，这些技术已然成为内燃机排放机内控制的主流手段[6-7]。

　　1燃油稀释润滑油试验

　　1.1试验装置和方法

　　润滑油黏度试验测试装置如图1所示，由转子式黏度计、液体容器和温度传感器组成。试验用低黏度润滑油牌号为0W-20（壳牌），100℃下动力黏度约为9.8mPa·s，该温度下0#柴油的动力黏度约为1.0mPa·s。定义稀释率为掺入润滑油的柴油质量与混合液总质量之比，调整柴油加入量，稀释率分别为0，1%，3%、5%，10%，15%，20%和30%，以模拟实际发动机中燃油稀释低黏度润滑油的不同程度。测量黏度时，首先使柴油和润滑油在烧杯内进行充分混合，然后对混合液进行加热并搅拌维持温度均匀，测量过程中保持混合液温度为（100±0.5）℃，每组重复测量3次取平均值。完成一组黏度测量后，改变稀释比，依次完成0%～30%稀释率的黏度测量。

　　1.2黏度试验结果

　　不同稀释率对润滑油动力黏度的影响规律如图2所示。随着稀释率的不断增加，即混入润滑油中的柴油越多，混合液动力黏度呈现先急剧下降后缓慢下降的变化规律。和100℃下纯润滑油的黏度相比，当稀释率从0增加到10%，混合液动力黏度降幅达44.9%；而当稀释率从10%增加到30%，动力黏度降低38.8%。这表明少量柴油掺入润滑油中即可对混合液的黏度造成巨大影响，但当柴油掺混比例到达一定程度后，这一影响作用变弱。这一现象的可能原因在于润滑油黏度和柴油黏度的差异。起初掺入少量柴油势必造成混合液黏度急剧下降，但随着柴油的不断掺入，混合液黏度与柴油黏度差值越来越小，致使混合液黏度随稀释率继续增加而下降缓慢。

　　2柴油机缸套-活塞环润滑模型

　　2.1控制方程

　　对于缸套-活塞环摩擦副，一个工作循环中主要存在流体润滑和混合润滑状态。混合润滑时需同时考虑摩擦副表面的油膜压力和微凸体压力。本文建立的缸套-活塞环混合润滑理论模型基于雷诺方程，包含油膜厚度方程、载荷平衡方程以及Greenwood等[19]提出的微凸体接触方程。通过添加压力和剪切流量因子[20]考虑滑动表面粗糙度对润滑性能的影响，得到不可压缩流体等温条件下的平均雷诺方程。对各方程进行无量纲化处理，采用有限差分方法离散偏微分方程并应用多重网格法求解雷诺方程，利用MATLAB软件编程求解。模型的详细介绍可参考文献[21-22]。

　　2.2几何模型

　　图3为缸套-活塞环摩擦副的几何模型示意图。

　　3结果与分析

　　3.1燃油稀释率对油膜厚度影响

　　图5为不同燃油稀释率下缸套-活塞环之间最小膜厚比的变化情况。在一个工作循环中，缸套-活塞环之间的油膜厚度随曲轴转角不断变化，润滑状态也随之改变。以最小膜厚比特征值H=4（图5a中灰色虚线标出）判别是否处于混合润滑或流体动压润滑状态。随着稀释率从0增加到3%，5%，10%，20%和30%，任意曲轴转角位置的最小膜厚比依次减小，这意味着缸套-活塞环之间的润滑油膜厚度随着稀释增加而变薄。在0°～180°范围的膨胀行程中，与稀释率为0的情况相比，30%稀释率下的最小膜厚比最大降幅达38.8%。这是由于燃油稀释润滑油导致黏度降低，缸套活塞环之间的流体动压效应减弱，润滑油膜厚度和承载能力下降。如图5b所示，随着稀释率的增加，计算所得的一个工作循环中缸套-活塞环摩擦副的流体动压润滑区域不断缩小，而混合润滑区域不断扩大。特别是30%稀释率下，缸套-活塞环摩擦副之间的油膜厚度过薄，全程都处于混合润滑状态，润滑不够充分。这表明燃油稀释润滑油将导致缸套活塞环润滑条件的恶化，且随着稀释率的增大而加剧。

　　3.2油膜压力和微凸体压力影响

　　图6为模拟计算所得的不同稀释率下油膜压力随曲轴转角的变化情况。

　　受工作循环缸压对活塞环作用力的影响，流体压力在进气和排气行程中很小，且各稀释率下的差异不大。这是因为活塞环外载荷很小，缸套-活塞环之间以流体动压润滑为主，即使润滑介质的黏度较低，一定厚度的油膜也足以承担外载荷。而在压缩行程和膨胀行程中，活塞环外载荷很大，且油膜厚度较薄，缸套-活塞环之间以混合润滑为主，油膜压力已无法完全承担外载荷。如图6b所示，在压缩行程中油膜压力先逐渐增大，随后在行程上止点前急剧下降至谷值，在这之后的膨胀行程中油膜压力呈现与之相反的变化趋势。在?60～60°CA范围内，随着稀释率从0增加到30%，油膜压力呈依次减小的趋势。

　　3.3摩擦力和摩擦功影响

　　图8为模拟计算所得的不同稀释率下缸套-活塞环无量纲摩擦力的变化。缸套-活塞环往复摩擦力由润滑油膜的流体摩擦力和微凸体接触摩擦力组成，在一个工作循环中随着载荷、速度和润滑状态的变化而不断变动。在流体动压润滑主导的各行程中部位置，缸套-活塞环的摩擦力主要为流体摩擦力。

　　4验证试验

　　基于试验样机，搭建如图10a所示的发动机测试台架。通过在发动机低黏度润滑油中掺混不同比例的柴油，进行倒拖转矩测试，验证其对缸套活塞环组润滑摩擦性能的影响。因倒拖转矩包含了发动机缸套活塞环组的摩擦损失、泵气损失和驱动附属机构损失，在保持泵气损失和驱动附属机构损失一定的情况下，缸套-活塞环摩擦损失与倒拖转矩成正比，因此模拟计算中缸套活塞环平均摩擦损失随稀释率的变化可以反映在倒拖转矩的变化上，即倒拖转矩随缸套-活塞环摩擦损失的增减而增减。倒拖试验过程中控制样机润滑介质温度为（100±2）℃，测试转速为1450r/min，和模拟计算采用的样机常用转速一致，每组测试重复2次取平均值，倒拖转矩试验结果如图10b所示。当稀释率从0增大到30%，倒拖转矩呈现先减小后增大的趋势，并且当稀释率为10%时倒拖转矩最小，与模拟计算的摩擦损失变化结果具有一致性。但需要注意，稀释率为30%时的倒拖转矩略低于纯润滑油润滑时的情况，与模拟计算结果稍有差异。这是因为倒拖试验中的发动机缸压要低于其着火时的缸压，活塞环径向载荷较小，使得缸套活塞环微凸体摩擦受燃油稀释润滑油的影响程度降低，从而倒拖转矩也较低。

　　5结论

　　1）随着柴油对润滑油稀释率逐渐增大，混合液的黏度持续降低。和纯润滑油相比，当稀释率从0增加到10%，混合液动力黏度降幅达44.9%，说明少量柴油掺入到润滑油中即可对混合液黏度造成较大影响。

　　2）随着燃油稀释率从0增加到30%，缸套-活塞环之间的油膜厚度变薄，最小膜厚比降幅达38.8%，流体动压润滑区域不断缩小，而混合润滑区域则不断扩大，导致摩擦副表面微凸体接触增加，压力峰值增幅达19.3%，摩擦性能恶化，特别是在压缩行程上止点附近，缸套-活塞环的摩擦力随着稀释率增加而增大。

　　3）在活塞环往复行程的中部位置，稀释率较低时摩擦功率较大，而在行程止点附近，稀释率较低时摩擦功率较小；随着稀释率的不断增大，缸套-活塞环摩擦副的循环摩擦损失呈现先减小后增大的趋势，稀释率为10%时摩擦损失最小，平均摩擦功率相比于无稀释情况下降低7.4%。并通过搭建发动机测试台架进行倒拖试验，验证了不同燃油稀释率下倒拖转矩变化与模拟计算结果具有一致性。因此，在发动机中应用低黏度润滑油，应控制其稀释率低于20%。

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　　徐波1，尹必峰1※，贾和坤1，魏明亮2，石坤鹏2

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