某国VI柴油机活塞组设计优化及试验验证

程党明 叶权源 郑跃伟 范艺翀 马超 瞿超

摘 要：针对某国VI四缸柴油机进行活塞组件设计优化，研究对整机机油消耗、窜气量及摩擦功的影响。在发动机性能台架上分别对原机（初始活塞组方案）及活塞组优化方案发动机进行机油消耗、窜气量及摩擦功对比测试。结果表明：活塞组设计优化后，发动机机油消耗在外特性工况有效降低30%，窜气量降低26%，摩擦功降低5%，同时得益于机油消耗的改善，设计上可取消油气分离系统，实现降本效益。

关键词：活塞：活塞环；机油消耗；窜气量；摩擦功

随着国六发动机高升功率、长寿命、轻量化的发展趋势，发动机对活塞组材料、表面处理、结构设计提出更高要求。针对某四缸柴油机在国VI开发阶段，爆发压力及热负荷大幅提升，缸孔受热变形增大，活塞組与缸孔之间的相互磨损加剧导致发动机机油消耗及窜气量恶化的状况，本研究结合活塞型线优化、活塞环结构及涂层优化进行设计改进，使其满足国Ⅵ发动机低摩擦、低机油消耗、高耐久性的要求，为后续柴油机活塞组的设计开发提供重要指导及解决方案。

1总体思路（技术方案）

通过活塞FEA计算，分析不同活塞结构对表面温度及应力的影响，选择满足结构强度的轻量化设计降低系统摩擦功。根据活塞机械负荷，热负荷分布状况，计算裙部膨胀量，并结合缸孔变形量设计最优活塞型线。通过活塞环结构、涂层设计改进。降低发动机油耗量及窜气量。活塞环采用低弹力方案。

第1气环：楔形非对称桶面，减小闭口间隙范围，改善密封能力；减小环高及径向厚度，改善顺应性降低机油耗。

第2气环：径向厚度减小，切向弹力上调，改善刮油能力。

油环合件：降低环高，采用腰形油孔，阶梯型X-taper刮油刃，降低摩擦损失，提高刮油能力。

为了提高活塞摩擦副的耐久性能，保证发动机在整个生命周期机油消耗、摩擦功、NVH的稳定表现，开发应用PVD-物理气象沉积技术，提升活塞环、轴瓦耐磨损性能。PVD-物理气象沉积是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，在工件合金表面喷涂一层复合高分子减磨涂覆层，涂覆层厚度0.010～0.030mm，化学成分为AlSn35Cu，这种高分子涂覆层具有很高的抗疲劳性能及耐磨损性能，且喷涂元素不含铅，满足无铅环保要求。

2 试验测试方法及工况

针对改进的活塞组设计与原机设计方案，选取同一台发动机（112Kw/420Nm）进行测试，除了活塞组设计差异外，其它的边界条件相同，保证对比试验的准确性。

机油消耗测试：测试工况为发动机转速3200rpm，100%负荷。采用称重法，向发动机加入一定重量的机油，使发动机在规定工况下连续工作15小时，然后将机油放出称重，其差可求得机油消耗量。

窜气量测试：测试工况为发动机转速800-3800-rpm，满负荷，转速间隔为200rpm，测试不同转速窜气量水平。

摩擦功测试：控制发动机冷却液温度、机油温度，倒拖测试整机摩擦功水平。

3试验结果及结果评价

3.1试验结果

1、基于活塞FEA计算获得的最优裙部型线，有效降低发动机窜起量。发动机窜气量对比如图1。

2、采用低弹力活塞环组设计，有效降低整机机油消耗及摩擦功。发动机机油消耗对比如图2，摩擦功对比如图3。

3.2 试验小结

通过发动机台架试验对比测试，得出如下结论：

1、对于活塞组优化方案发动机，机油消耗在外特性工况降低30%，窜气量降低26%，摩擦功降低5%。

2、对于活塞组优化方案发动机，其改进效果是在活塞组零件同时优化下获得的，不能只考虑活塞组中某一单个零件，要综合考虑系统多方面的问题。

3、进行本课题的试验研究，对整个柴油机活塞组的设计及改进具有很大的参考价值

4结束语

本研究结合CAE计算，进行活塞、活塞环等零件设计优化，通过台架性能对比测试，达到预期的窜气量、机油消耗及摩擦功优化效果，为后续轻型柴油机活塞组的设计开发提供重要指导及解决方案。

参考文献：

[1]袁兆成，内燃机设计.北京：机械工业才出版社，2008

[2]许锋，内燃机原理教程.大连：大连理工大学出版社，2011

[3]陈家瑞，马天飞.汽车构造（上册）[M].北京：人民交通出版社.2009