汽油机活塞组件的摩擦损失研究

汪杰强

摘要：基于一台三缸涡轮增压汽油机，分析了曲轴位置、连杆比以及发动机运行工况对活塞组件摩擦损失的影响。研究结果表明，在连杆比一定时，随着曲轴偏置量从0mm增加到15mm，活塞组件的摩擦损失量减小，在曲轴偏置为15mm时，活塞组件的摩擦损失量减少达到最优。然而，当曲轴偏置量增加到20mm后，活塞组件的摩擦损失量有所增加。当曲轴偏置量一定时（15mm），随着连杆比从0.29减小到0.25，活塞组件的摩擦损失逐渐减少;随着连杆比从0.29增加到0.31，摩擦损失有所增加。当转速从1000r/min增加到2000r/min时，活塞组件的摩擦损失有所增加，而随着转速一直增大，摩擦损失量有所降低。当转速在1000r/min时，随着负荷的增大，摩擦损失有所改善。而在3000r/min时，负荷对摩擦损失的影响并不明显。最后，对连杆比为0.25和0.31时，发动机不同运行工况下的摩擦损失进行了综合协同优化分析。

Abstract： Based on a three-cylinder turbocharged gasoline engine， this paper analyzes the relationship of friction loss with different crankshaft offset and crank ratio. The results show that， when the crank ratio constant， as the crankshaft offset increases from 0mm to 15mm， the friction loss of the piston decreases， the friction loss of piston is optimal at 15mm. When the crankshaft offset increases to 20mm， the friction loss of the piston increases. When the crankshaft offset is constant （15mm）， the friction loss of the piston gradually decreases as the crank ratio decreases from 0.29 to 0.25; As the crank ratio increases from 0.29 to 0.31， the friction loss increases. When the rotating speed increases from 1000r/min to 2000r/min， the friction loss of the piston assembly increases， while as the rotating speed increases， the friction loss decreases. When the speed is at 1000r/min， the friction loss is improved as the load increases. At 3000r/min， the impact of load on friction loss was not obvious. Finally， a comprehensive collaborative optimization analysis is made for the friction loss under different operating conditions when the crank ratio is 0.25 and 0.31.

關键词：摩擦损失;曲轴偏置;连杆比;转速;负荷;活塞

Key words： friction loss;crankshaft offset;crank ratio;rotating speed;engine load;piston

0  引言

随着石油化石资源的日益消耗，提高发动机的燃油经济性已逐渐成为全球化命题。世界各国汽车企业也都在致力于开发高效节能的发动机产品。而研究发现，相比于电动化等节能技术，通过降低发动机运动组件的摩擦损失能够有效提升发动机的机械效率，从而改善其燃油消耗率。

曲轴偏置为目前发动机设计中降低发动机摩擦损失的有效方法之一。图1为发动机曲柄连杆结构的示意图。图2为传统发动机和曲轴偏置发动机的对比示意图。

图1中A为活塞销中心;B为曲柄销中心;L为连杆长度;R为曲柄半径;？姿为连杆比，？姿=R/L;S为活塞行程;？琢为曲柄转角;？茁为连杆摆角;？棕为转速。

图2中①为燃烧产生的压力，②为活塞垂直力，③为活塞反作用力，④为活塞横向力，⑤为压紧力，⑥为合力，⑦为曲轴偏置量。

从图2知，燃料燃烧产生的压力推动活塞向下运动，而此时传统发动机由于连杆和活塞成一定角度，所以活塞受到了横向的压紧力，这种力正是阻碍活塞下行的重要因素，使得发动机在每一次做功的同时，伴随着很大的阻力，也是摩擦损失大的原因之一。而曲轴偏置技术通过将曲轴旋转中心偏离中心线一段距离，使得活塞与连杆在同一条基准线上，从而使最大爆发压力出现时的连杆摆角在做功冲程中减小，活塞侧压力也随之减小，就使得活塞的下行阻力降低，减少了摩擦损失。

另外，发动机不同的运行工况对摩擦损失的影响也不尽相同。本次研究主要通过分析发动机的曲轴偏置量、连杆比以及不同运行工况对活塞组件摩擦损失的影响，为发动机的结构设计提供数据依据。

1  发动机的摩擦损失

发动机摩擦损失是指发动机运转过程中由于摩擦而导致功率损失的程度，通常用摩擦平均有效压力（FMEP）表示，如以下公式所示[1-2]。

FMEP=IMEP-BMEP

其中，FMEP为摩擦平均有效压力，IMEP为指示平均有效压力，BMEP为制动平均有效压力。

发动机的主要机械损失如表1所示，主要包括附件摩擦损失、气门机构摩擦损失、曲柄连杆机构摩擦损失、活塞运动摩擦损失、其他损失。活塞运动摩擦损失占到发动机总的摩擦损失的30%左右。

2  样机参数

2.1 样机结构参数

本研究样机原型为企业一款3缸涡轮增压汽油机，其基本参数如表2所示。

2.2 样机的摩擦损失

图3为样机的摩擦损失分布图，由图我们可以知道活塞裙部、活塞环的摩擦损失占到发动机总的摩擦损失的20%左右。

3  发动机参数对摩擦损失的影响

根据发动机的基本参数及结构，计算不同连杆比，不同曲轴偏置对摩擦损失的影响。

3.1 曲轴偏置对摩擦损失的影响

图4为发动机在满负荷工况，连杆比为0.29时，曲轴偏置为5mm、10mm、15mm、20mm的摩擦损失相比于曲轴偏置为0mm的摩擦损失减少百分比。从图中可以看出，采用曲轴偏置的设计后，活塞组件的摩擦损失得到显著改善。随着偏置量从0mm逐渐增加到15mm，活塞及活塞环的摩擦损失量持续减小，在15mm时减小到了2.5%，达到最优。这是因为采用曲轴偏置的设计后，发动机做功冲程时的最大爆发压力出现时的连杆摆角减小，从而使活塞侧压力也随之减小，因而使得活塞下行的阻力减小，摩擦损失量也就随之降低。另外，从图中还可以看出，在曲轴偏置量从15mm增加到20mm后，曲轴偏置对活塞组件摩擦损失改善有所降低，这主要是因为当曲轴偏置增加到20mm后，活塞在上止点下行时，活塞和连杆并不在一条基线上，导致作用在活塞上的侧负荷增加，从而使磨损增加。

3.2 连杆比对摩擦损失的影响

图5为曲轴偏置15mm、发动机在满负荷工况时，连杆比为0.25、0.27、0.31的摩擦损失相比于连杆比为0.29的摩擦损失降低百分比。从图中可以看出，当样机的连杆比从0.29减小到0.27和0.25后，活塞组件的摩擦损失分别降低了5%和7%左右。这是因为当发动机的缸径和活塞行程一定时，连杆比越小，发动机的总体高度就会越大，在相对曲轴转角时的连杆摆角越小，因而活塞的侧压力就会降低，从而降低了活塞组件的摩擦损失。另外，当连杆比从0.29增大到0.31后，由于连杆摆角的增大，从而使得活塞及活塞环的摩擦损失有所增加。

4  发动机工况对摩擦损失的影响

4.1 转速对摩擦损失的影响

图6为发动机在满负荷工况下，不同转速对活塞组件摩擦损失的影响。从图中可以看出，当转速从1000r/min增大到2000r/min后，摩擦损失的增加量减小，这主要是因为转速增大后，活塞组件摩擦副之间的相对速度增加，摩擦损失也就随着增大。而随着转速的继续增大，活塞组件的摩擦损失有所改善，这是因为在较高转速时，活塞组摩擦副之间的润滑条件从边界润滑转变为流体动力润滑，从而使得活塞上下运动时的摩擦力减小，摩擦损失降低。

4.2 负荷对摩擦损失的影响

图7为发动机负荷在25%、50%、75%和100%时，活塞组件摩擦损失的变化。由图可知，发动机转速为1000r/min时，随着负荷的增加，摩擦损失减少量增大。这是因为在低速时，负荷的增加会使缸内温度升高，燃烧速率加快，从而使机械效率升高。摩擦损失随之降低。而在3000r/min时，随着负荷的增加，摩擦损失的变化并不明显。

5  摩擦损失协同优化分析

从上述分析可知，随着连杆比的减小，样机摩擦损失持续减小，并在R/L=0.25时达到最优。另外随着曲轴偏置量从5mm增大到15mm时，摩擦损失一直减小，在15mm增大到20mm后，曲轴偏置对摩擦损失的改善效果有所降低。另外，发动机在不同转速和负荷下，摩擦损失的变化仍然呈现不同的趋势。因此，为了综合协同优化该样机摩擦损失改善的最佳设计值和最佳运行工况，对连杆比为0.25，曲轴偏置量为15mm和20mm时，不同工况下的摩擦损失变化进行分析。

由图8可知，对于连杆比为0.25的设计，在低速低负荷工况下，偏置量15mm和20mm对摩擦损失改善效果最小，而在低速中高负荷工况下，曲轴偏置量15mm比曲轴偏置量20mm的改善效果更优，而在高速阶段，偏置量20mm明显比偏置量15mm时的摩擦损失改善更优。

在对连杆比的分析中可知，当连杆比逐渐减小时，摩擦损失成下降趋势。然而，增加连杆的长度可以减少活塞及活塞环的摩擦损失，但是会导致发动机的体积和重量的增大，对整车的布置不利，而缩小连杆长度能够减小发动机的体积和重量，但是会导致活塞及活塞环的摩擦损失增加。因此，对连杆比增大到0.31时，曲轴偏置以及发动机工况对摩擦损失的影响须进行优化分析。

由图9可以看出，对于连杆比为0.31时的设计，在低速中高负荷工况下，对于所有的偏置量（c/o），摩擦损失都能显著减小。另外，对于偏置量为10mm和15mm，在中速中負荷工况下，摩擦损失的增加量最低。由此可知缩短连杆长度所增加的摩擦损失可以通过增加曲轴偏置量来减少，为发动机小型化改善摩擦提供了一个优化方向。

6  结论

通过改变发动机的运行工况以及发动机的曲轴偏置量和连杆长度，计算分析了转速、负荷、曲轴偏置以及连杆比对活塞组件摩擦损失的影响，研究结论如下。

①随着曲轴偏置量从0mm增加到15mm，活塞组件的摩擦损失量减小，在曲轴偏置为15mm时，活塞组件的摩擦损失量减小达到最优。当曲轴偏置量增加到20mm后，活塞组件的摩擦损失量有所增加。

②当曲轴偏置量为15mm时，连杆比由0.29减小到0.27，活塞组件的摩擦损失能够降低5%。连杆比由0.29减小到0.25，活塞组件的摩擦损失能够降低7%。当连杆比由0.29增加到0.31，曲轴偏置量为15mm时，活塞组件的摩擦损失有所增加。

③当转速从1000r/min增加到2000r/min时，活塞组件的摩擦损失有所增加，而随着转速一直增大，摩擦损失量有所降低。

④当转速在1000r/min时，随着负荷的增大，摩擦损失有所改善。而在3000r/min时，负荷对摩擦损失的影响并不明显。

⑤当连杆比为0.25时，在低速中高负荷工况下，曲轴偏置量15mm比曲轴偏置量20mm的改善效果更优，而在高速阶段，偏置量20mm比偏置量15mm时对摩擦损失的改善效果更好。

⑥当连杆比为0.31时，在中速中负荷工况下，曲轴偏置量为10mm和15mm时，摩擦损失的增加量最低。因此，缩短连杆长度所增加的摩擦损失可以通过增加曲轴偏置量来减少。

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