柴油机活塞-环-缸套摩擦副对缸内机油消耗的影响机理

The oil consumption within cylinder by piston-ring-cylinder liner friction pair is an important source of particulate matter (PM) emission of diesel engines. There are many factors that can affect the oil consumption within cylinder, including the external factors changing the moving state of piston-ring-cylinder liner friction pair and the internal factors changing the material and structure of piston assembly. Those factors can change the kinematic and dynamic state of piston and piston rings, so they can influence the oil consumption within cylinder. In this project, the common-rail on-road and off-road diesel engines will be investigated. The experiment measurement and finite element method (FEM) will be used to study the thermal working surface and the deformation pattern of piston, piston rings and cylinder liner. Considering the actual working condition of piston-ring-cylinder liner friction pair, the simulation model of oil consumption within cylinder will be established by kinematic and dynamic method of piston assembly and oil consumption theory, as well as experiments of oil consumption. Combining with the method of orthogonal test design, the influence relationship and weighing between piston assembly structure and cylinder liner deformation and the oil consumption within cylinder will be researched systematically and the key impact parameters will be explored. The change law will be analyzed to reveal the influence mechanism of oil consumption within cylinder, which will provide the theoretical foundation for controlling oil consumption and reducing particulate emissions of diesel engines.

经活塞-活塞环-气缸套摩擦副的缸内机油消耗是柴油机微粒排放的主要来源。影响缸内机油消耗的因素众多，任何改变活塞-活塞环-缸套摩擦副运动系统状态的外部因素，或改变活塞组件本身材料、结构等的内部因素，都会改变活塞和活塞环的运动学和动力学状态，从而影响缸内的机油消耗。以高压共轨乘用车用柴油机和非道路用柴油机为研究对象，通过试验测试和有限元分析相结合的方法，深入研究柴油机活塞、活塞环组和气缸套的热态工作型面特征和变形规律。在考虑活塞-活塞环-缸套摩擦副实际工作状态下，结合机油消耗的试验测试，应用活塞及活塞环组运动学和动力学特性、缸内机油耗损等理论建立缸内机油消耗数值仿真模型。结合正交试验设计方法，系统研究活塞及活塞环组结构参数和缸套变形对缸内机油消耗的影响关系和影响权重，寻找敏感影响参数，分析变化规律，揭示缸内机油消耗的影响机理，为控制柴油机缸内机油消耗降低微粒排放提供科学理论依据。

经活塞-活塞环-气缸套摩擦副的缸内机油消耗是柴油机微粒排放的主要来源。影响缸内机油消耗的因素众多，任何改变活塞-活塞环-缸套摩擦副运动系统状态的外部因素，或改变活塞组件本身材料、结构等的内部因素，都会改变活塞和活塞环的运动学和动力学状态，从而影响缸内的机油消耗。分别以一款满足非道路国三排放标准和一款轻型车国五排放标准的高压共轨柴油机为研究对象，通过试验测试和有限元分析相结合的方法，研究了柴油机活塞、活塞环组和气缸套的热态工作型面特征和变形规律。结合机油消耗的试验测试，应用活塞及活塞环组运动学和动力学特性、缸内机油耗损等理论建立缸内机油消耗数值仿真模型。结合正交试验设计方法，系统研究活塞及活塞环组结构参数和缸套变形对缸内机油消耗的影响关系和影响权重。通过研究获得了活塞及环组的热负荷状况和工作变形情况及其影响因素，建立了耐高温高强度铝合金活塞内冷油道振荡流动与传热仿真模型，系统分析了活塞-内冷油道耦合传热及内冷油道结构和位置对活塞温度场和热负荷的影响关系；柴油机预紧工况、热负荷作用、工作负荷作用下缸套变形规律与影响因素，重点分析了结构因素、机械负荷、热负荷对缸套变形的影响规律，总结了缸套变形规律和缸套内表面工作型面特点；结合活塞、环组和缸套工作型面的研究结果建立了活塞组运动学和动力学数值仿真模型；研究了硫元素示踪法测试瞬态机油消耗的试验方法和规范，并通过试验结果验证了数值仿真模型；获得了活塞刚度、活塞配缸间隙、活塞销偏心量、活塞头部工作型面及其与缸套间隙、活塞裙部工作型面及中凸点位置等活塞结构参数，活塞环开口间隙、侧隙、背隙、环切向弹力、环的厚度、高度、宽度及工作型面等环结构参数，缸套的主要变形情况以及发动机转速和负荷对缸内机油消耗量的影响关系，探索了变化规律和缸内机油消耗的影响机理。研究结果为控制柴油机缸内机油消耗降低微粒排放提供科学理论依据。