柴油机气缸等效漏气面积监测模型

翟振东， 张甲英， 王宪成， 和　穆， 姜　力

(1. 装甲兵工程学院装备维修与再制造工程系， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室， 北京 100072;3. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

柴油机气缸等效漏气面积监测模型

翟振东1， 张甲英2， 王宪成3， 和穆3， 姜力3

(1. 装甲兵工程学院装备维修与再制造工程系， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室， 北京 100072;3. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

摘要：针对缸套-活塞环组漏气导致柴油机工作寿命缩短的问题，通过对压缩行程中活塞环间气体压力与流量进行分析，将活塞组三环系统简化为单环漏气模型，建立了等效漏气面积的监测模型，并通过台架和实车试验验证了监测模型的稳定性和单值性，为柴油机寿命预测提供了一定的技术支撑。

关键词：气缸； 活塞环； 等效漏气面积； 监测模型

柴油机在变工况条件下工作时，会加剧气缸内缸套-活塞环组的磨损、烧蚀、结焦，导致活塞环外周面与气缸壁之间的间隙增大，造成气缸严重漏气。气缸漏气会使柴油机功率下降、润滑油变质、发生热负荷故障和磨损加剧[1]，是造成柴油机性能下降的主要原因。研究活塞环间的工作压力、漏气通路以及漏气流量，对如何有效地防止活塞环漏气，进而延长柴油机寿命，具有十分重要的现实意义。

目前，大多数研究者将漏气面积作为柴油机工作过程中的一个定值进行漏气量计算[2-3]，然而单纯的几何漏气面积无法表明实际的漏气状况[4-5]。笔者综合考虑气缸内工作环境，引入气缸等效漏气面积的概念[6]，通过对活塞环间压力和流量的分析，利用气体流量方程和理想气体状态方程以及质量守恒定律，建立了气缸等效漏气面积监测模型，并对模型的稳定性和单值性进行了实车试验验证。

1气缸等效漏气面积的定义

通过对燃烧室技术状况分析可知，气缸漏气主要包括：活塞环开口处漏气、活塞环槽间隙漏气、活塞环侧隙漏气和气门漏气[7]。由于活塞环开口间隙处的漏气量占总漏气量的95%以上[8]，因此可对活塞环组漏气模型进行简化，从而提出气缸等效漏气面积的概念。气缸等效漏气面积是指柴油机缸内所有通道漏气面积对应的压缩冲程缸内气体压力变化量，相当于活塞环开口处漏气面积对应的压力变化量。将等效漏气面积作为本体的一个技术状况实体特征参数，代表本体气密性，同时也代表活塞环组的磨损。当等效漏气面积增大时，会导致缸内气体压力下降，缸内气体温度升高，柴油机功率下降，起动困难。由于柴油机曲轴箱与外界相通，曲轴箱压力变化不显著，曲轴箱压力可近似看作大气压力。因此，缸内漏气的技术状况主要监测参数为缸内压缩压力。本体等效漏气面积可表述为

A0=f(p1,φ,T,p0)，

(1)

式中：A0为当量漏气面积,m2；p1为缸内气体压力,kPa；φ为曲轴转角,°CA；T为缸内气体温度,K；p0为大气压力,kPa。

由式(1)可知：等效漏气面积的监测参数除气缸压缩压力外，还包括曲轴转角、缸内气体温度和燃油消耗量，其中大气压力为环境参数。

2气缸等效漏气面积监测模型建立

2.1活塞环间气体流动过程假设

活塞环组漏气途径主要包括环与缸套贴合面、环开口间隙处和环与环槽侧面，但在正常情况下通过环与缸套贴合面的泄漏量很小，因此在计算中可忽略不计。图1为某重型车辆柴油机活塞环组简化示意图。

图1　某重型车辆柴油机活塞环组简化示意图

图1中：dmi(i=1,2,3,4)为通过第i道环开口漏气质量,kg；Vi为第i道环漏气面积,m2；p1为缸内气体压力,Pa；p2为第1道与第2道环的环间压力,Pa；p3为第2道与第3道环的环间压力,Pa；p4为曲轴箱压力,Pa；Ti为第i道与第i+1道环的环间气体温度,K。由图1可以看出：通过每道活塞环的气体都有向上和向下2种流动方式，则该活塞环组共有8种气体流动方式，但由于在压缩冲程和膨胀冲程中，缸内压力始终大于曲轴箱内压力，因此仅需考虑经过3道活塞环的气体均向下流动的情况。其假设为[9-10]：1)燃烧室气体泄漏为非定常绝热流动，满足理想气体状态方程和质量连续方程；2)忽略气体泄漏对燃烧室气体压力的影响，并假设曲轴箱气体压力恒为1个大气压；3)活塞环端面压力等于活塞环间压力，且端面压处处相等。

2.2活塞环间气体压力与流量分析

根据气缸压力与活塞环间气体压力之间的关系，建立气体流量方程[11-12]为

(2)

(3)

(4)

式中：k为燃烧室气体比热比；μ为气体流量系数；Rg为理想气体常数,J/(kg·K)。根据理想气体状态方程和质量守恒定理建立2个活塞环间组成气室基本方程，即

(5)

利用龙格-库塔法联立求解式(2)-(5)，通过迭代计算可求得活塞环间气体压力和流量。试验测取该重型柴油机标定工况下的气缸压力，并利用活塞环组漏气数学模型计算活塞环间的压力和流量，结果如图2所示。由图2(a)可以看出：1)在膨胀冲程的止点附近，第1、2道活塞环间压力受缸内气体压力的影响急剧上升，同时由于活塞环开口间隙对气体的节流作用，导致压力上升相对滞后；2)第2、3道活塞环间压力受缸内气体压力影响较小，压力变化较平稳。由图2(b)可以看出：1)在压缩冲程和膨胀冲程中，第1道活塞环上、下端面的压力差较大，这导致第1道活塞环开口处流量远大于第2、3道活塞环开口处流量；2)在进气冲程和排气冲程中，各活塞环上、下端面的压力差较小，因而其流量很小。

图2　活塞环间压力和流量

分析结果表明：1)在压缩行程中(φ=-130～-30 °CA)，进、排气门关闭，喷油器未开始喷油(供油提前角φ=-29 °CA)，空气仅从活塞环开口处漏气；2)第1-3道活塞环环间压力非常接近于大气压力，压缩冲程缸内气体压力变化主要是受第1道活塞环(梯形环)开口处漏气面积的影响，因此可将3道活塞环的漏气简化为梯形环漏气，缸内气体通过第1道活塞环直接流向大气。

2.3气缸等效漏气面积计算

依据活塞环间压力与流量分析，可将气缸经活塞环漏气方式进行简化，其示意图如图3所示。对于增压柴油机，在压缩冲程中气缸压力始终大于大气压力，因此只考虑气体从气缸流向大气一种流动方式。

图3　活塞环漏气方式简化示意图

为判断临界条件，实车测试了某型柴油机原位空转600 r/min时的示功图，并取压缩行程始点(φ=-130 °CA时)的气缸压力。不同大气压力环境下压缩行程始点测试结果如表1所示。

表1不同大气压力环境下压缩行程始点测试结果

p0/kPap/kPap0/p99.32240.44684.62030.41763.81480.43157.41370.419

由表1可知：p0/p均小于0.528。而0.528正是判断气体流动状态的临界值[13]。由于压缩行程的气缸压力随着柴油机转速的升高而升高，且压缩行程缸压均大于压缩始点缸压，即该型柴油机在压缩行程中p0/p始终小于临界值0.528，因此可认为活塞环处气体均为超临界流动。由超临界气体流量方程可得

(6)

在曲轴转角dφ内，对气缸气体应用理想气体状态方程可得

(7)

联立式(6)-(7)可得等效漏气面积公式为

(8)

式中：φ=-130～-30 °CA。用差商代替微商，由式(8)可得气缸等效漏气面积的数值计算式为

(9)

该型柴油机的新品第1道活塞环在缸套内的开口面积为0.32～0.43 mm2[14]，而柴油机大修时其值不大于0.79 mm2。因此，确定气缸等效漏气面积的取值范围为0.32～0.79 mm2。

2.4模型监测参数确定

由式(9)可知:等效漏气面积与缸内气体的压力和温度有关。缸内气体压力可通过缸压传感器进行测量，而缸内气体温度无法通过传感器直接测量，需要对缸内气体温度的确定方法进行探讨。

以φ=-130 °CA时气缸工质状态为边界条件，假设气缸压力不随等效漏气面积的变化而变化，通过改变等效漏气面积来计算气缸工质温度。柴油机原位空转转速为2 000 r/min、φ=-30 ℃A时，气缸工质温度随等效漏气面积的变化曲线如图4所示。可以看出：当等效漏气面积从0 mm2变化到2 mm2时，气缸工质温度相差3.72 K，增加了0.52%，即等效漏气面积对气缸工质温度影响较小。因此，可认为在相同工况下，φ=-130～-30 °CA时气缸工质温度不随等效漏气面积的变化而变化。

因此，采用柴油机工作过程数值仿真模型，计算柴油机实车原位空转条件下的气缸工质温度，输入参数为大气压力、环境温度和转速。模拟原位空转转速为2 000 r/min，φ=-31， -30 °CA时气缸工质温度的仿真计算结果如图5所示。

图4　φ=-30 °CA气缸工质温度随等效漏气面积变化曲线

图5　原位空转2 000 r/min时气缸工质温度

3试验验证

为验证模型的稳定性，笔者引入变异系数的概念。变异系数是指标准差与平均值的比值，与方差、标准差均是衡量数据离散程度的统计量。由于变异系数消除了单位、平均值的不同对在不同样本之间进行离散程度比较的影响，因此它更适用于描述数据的离散程度。对于同一台柴油机、同一使用时间、不同工况下的监测结果，其变异系数越小，则表明监测模型稳定性越好。

3.1台架试验验证

分别对使用10 、97摩托小时的台架柴油机进行测量。试验条件为：原地空转转速为1 400、1 800、2 000 r/min，环境温度为19 ℃，大气压力为60.7 kPa。台架柴油机缸内漏气监测结果如表2所示。

由表2可知：当柴油机使用10摩托小时时，等效漏气面积平均值为0.395 5 mm2，变异系数为1.01%；当柴油机使用97摩托小时时，等效漏气面积平均值为0.425 9 mm2，变异系数为1.51%。变异系数较小，表明缸内漏气监测模型具有稳定性；等效漏气面积的平均值随着摩托小时的增加而增大，则表明模型具有单值性。

表2　台架柴油机缸内漏气监测结果

3.2不同海拔地区的实车试验验证

3.2.1北京某地区

在北京某地区，分别对使用64、107摩托小时的实车柴油机进行测量。试验条件为：原地空转转速为1 600、1 800、2 000 r/min，试验时环境温度分别为18、28 ℃， 大气压力分别为86.6、88.9 kPa。北京某地区实车柴油机缸内漏气监测结果如表3所示。

表3　北京某地区实车柴油机缸内漏气监测结果

由表3可知：当柴油机使用64摩托小时时，等效漏气面积平均值为0.365 3 mm2，变异系数为1.87%；当柴油机使用107摩托小时时，等效漏气面积平均值为0.420 5 mm2，变异系数为0.97%。

3.2.2西藏某地区

在西藏某地区，分别对使用41、102、167摩托小时的实车柴油机进行测量。试验条件为：原地空转转速为1 200、1 600、2 000 r/min，试验时环境温度为22.3 ℃，大气压力为63.4 kPa。西藏某地区实车柴油机缸内漏气监测结果如表4所示。

表4　西藏某地区实车柴油机缸内漏气监测结果

由表4可知：当柴油机使用41摩托小时时，等效漏气面积平均值为0.349 0 mm2，变异系数为0.94%；当柴油机使用102摩托小时时，等效漏气面积平均值为0.409 3 mm2，变异系数为1.80%；当柴油机使用167摩托小时时，等效漏气面积平均值为0.516 7 mm2，变异系数为1.23%。

以上2地区的试验结果表明：缸内漏气监测模型具有稳定性；且随着时间的增加，等效漏气面积平均值增大，说明模型具有单值性。

4结论

通过计算分析活塞环环间气体压力和流量，将活塞环组简化为单环漏气模型，应用气体流量方程和理想气体状态方程建立了气缸等效漏气面积监测模型。通过对台架试验和不同海拔地区的实车试验结果分析可知：等效漏气面积的变异系数均控制在较小范围内，表明模型具有稳定性；且随着使用时间的增加，等效漏气面积的平均值增大，表明模型具有单值性。同时，实车试验结果还表明：该模型既适用于平原，也适用于高原。模型的运用对及时了解缸内漏气状况、合理安排缸套-活塞环维修周期具有一定的参考意义，能够有效预防因缸内漏气而导致的柴油机性能下降现象的发生。

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(责任编辑: 尚菲菲)

Equivalent Leakage Area Monitoring Model of Diesel Engine Cylinder

ZHAI Zhen-dong1, ZHANG Jia-ying2, WANG Xian-cheng3, HE Mu3, JIANG Li3

(1. Department of Equipment Maintenance Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;3. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：For the problem that the diesel engine’s working life is shorted by the leakage of cylinder liner-piston ring, this paper analyses the gas-pressure and gas-flow rate of the compression stroke of the piston ring, and establishes the equivalent leakage area monitoring model by simplifying the three-ring system of piston group into a single flat model. The single value and stability of the model are verified by the gantry and real vehicle tests, providing a certain technical support for the life prediction of diesel engine.

Key words:cylinder; piston ring; equivalent leakage area; monitoring model

文章编号：1672-1497(2016)01-0039-05

收稿日期：2015-11-30

基金项目：军队科研计划项目

作者简介：翟振东(1991-)，男，硕士研究生。

中图分类号：TK428

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.008