【摘 要】
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随着柴油机强化程度的不断提高,伴随而来的柴油机缸内燃气泄漏、活塞-环组-缸套摩擦副润滑油消耗等密封问题也日益显著,密封性能已成为高效清洁柴油机研发所面临的严峻问题之一。为此以一款高压共轨柴油机为研究对象,结合温度场试验研究,建立了活塞组件动力学仿真模型。通过仿真与试验结合的研究方法,深入研究了活塞组件结构参数对活塞-环组-缸套摩擦副密封性能的影响。主要研究内容和结论如下:（1）建立了活塞组件动力学
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随着柴油机强化程度的不断提高,伴随而来的柴油机缸内燃气泄漏、活塞-环组-缸套摩擦副润滑油消耗等密封问题也日益显著,密封性能已成为高效清洁柴油机研发所面临的严峻问题之一。为此以一款高压共轨柴油机为研究对象,结合温度场试验研究,建立了活塞组件动力学仿真模型。通过仿真与试验结合的研究方法,深入研究了活塞组件结构参数对活塞-环组-缸套摩擦副密封性能的影响。主要研究内容和结论如下:（1）建立了活塞组件动力学仿真模型,开展了柴油机标定工况下活塞动力学特性及密封性能的研究。研究表明,活塞在一个工作循环内会发生多次换向和敲击现象,从而影响活塞组件的密封性能,敲击能量峰值出现在上止点后8℃A处,为0.13N·m。窜气量在60℃A～90℃A区间存在主峰值,在-60℃A～-30℃A存在两个次峰值,一个工作循环内单缸窜气量为15.7L/min。在缸内润滑油消耗途径中,壁面蒸发量占到了75.6%,顶环甩油量占22.5%。活塞摩擦损失功达到了54.8k Pa,其中活塞主推力侧与缸套间的摩擦损失功达到了22.0 k Pa。（2）研究了活塞裙部结构、环岸结构、配缸间隙和椭圆度对密封性能的影响。结果表明:活塞裙部结构的变化改变了活塞往复运动惯性力,影响了活塞与缸套间的敲击现象,从而对柴油机密封性能产生影响。活塞环岸结构的改变会影响活塞环与环槽间的接触状态,改变了缸内气体流动通道,对活塞组件的密封性能产生较大影响,在设计时需要重点考虑;其中,当环岸倒角由0mm增大到0.5mm时,窜气量增加了14.9%,润滑油消耗量增大了25.7倍。配缸间隙的改变会影响活塞的运动状态,当配缸间隙由0.065mm增大到0.105mm时,活塞敲击能量峰值增大了6.2倍,润滑油消耗量增加了7.5%。活塞椭圆度增大会使得活塞与缸套间的接触面积减小,使得活塞二阶运动增大,但对窜气量与润滑油消耗影响较为微弱。（3）研究了活塞环组结构参数对柴油机密封性能的影响,结果表明:活塞环组结构参数变化对柴油机密封性能影响较大。其中:顶环结构变化极大地影响了顶环甩油量,顶环上端缩减量由0.015mm增大到0.035mm的过程中润滑油消耗减少了24.1%,顶环梯形角由14°增大到16°时润滑油消耗量增幅为53.9%。二环结构变化会影响第二环岸压力,对窜气量与润滑油消耗产生影响。随着二环锥面角增大,窜气量与润滑油消耗均呈现出先减小后增大的趋势;当二环刮油刃厚度由0增加到0.5mm的过程中,窜气量和润滑油消耗的增幅分别为6.6%、17.2%。油环结构变化会影响环组的运动状态,对活塞组件密封性能产生影响,在实际工程应用需要合理取值,不宜过大或过小。活塞环组开口间隙变化对窜气量影响较为显著,顶环及二环开口间隙对柴油机窜气量影响呈现线性关系,环组开口间隙增大的同时开口间隙窜油量也随之增加。（4）运用响应曲面法分析了活塞组件结构参数对柴油机密封性能的影响,结果表明:在活塞头部间隙、配缸间隙与椭圆度三个因素中,活塞头部间隙对窜气量影响最大,配缸间隙对润滑油消耗影响最大;在顶环上端缩减量、二环刮油刃厚度、油环刮油刃厚度三个因素中,二环刮油刃厚度对窜气量影响最大,油环刮油刃厚度对润滑油消耗影响最大。
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