柴油机活塞与缸套的匹配研究现状

石培基，董小瑞

（中北大学机电工程学院，太原030051）

柴油机活塞与缸套的匹配研究现状

石培基，董小瑞

（中北大学机电工程学院，太原030051）

从缸套－活塞组的摩擦、缸套失圆机理、缸套与活塞组润滑等多个方面对柴油机活塞与缸套的匹配研究现状进行综述，并对缸套－活塞组的研究趋势做了预测性分析。

柴油机活塞缸套匹配技术

1 绪论

缸套－活塞组是柴油机的动力源。但活塞组（活塞和活塞环）在缸套内进行往复运动，受材料、润滑等因素的影响，活塞组与缸套间的摩擦会造成能量的损失。据研究表明，活塞组与缸套间的摩擦损耗可达整个发动机摩擦损耗的25%。另外，缸套与活塞组之间的润滑油的氧化又是颗粒排放物的主要来源之一。随着全球环境问题日益严重和石油资源不断枯竭，提高燃油经济性和降低排放成为高性能发动机设计的关注重点。因此，研究缸套与活塞组匹配具有很重要的作用。本文从缸套与活塞组的摩擦、缸套失圆机理、缸套与活塞组润滑、以及活塞与缸套的匹配等几个方面进行综述，为研究缸套与活塞组的匹配提供了理论依据。

2 缸套与活塞组的摩擦研究

内燃机中的活塞、活塞环、缸套是内燃机中最重要的摩擦副，关系到内燃机的经济性、动力性、可靠性等诸多方面，研究缸套与活塞组的摩擦具有很重要的意义。

彭梨花[1]研究了内燃机活塞环－缸套摩擦副作往复运动时的摩擦过程特性。其以云南内燃机动力有限公司生产的4100柴油机为研究对象，研究了活塞环－缸套摩擦副的摩擦磨损的有关理论、方法以及实际应用价值，并针对活塞环－缸套作往复运动时的摩擦过程特性进行了一系列的试验和研究。

宋炳等[2]利用缸套－活塞环摩擦磨损试验台研究了速度、温度、载荷、供油等因素对缸套－活塞环系统摩擦磨损特性的影响。结果表明气缸活塞环摩擦副在发动机工作循环中润滑状态在不断发生变化。当活塞环处于上下止点位置时，摩擦副处于混合润滑状态，而在行程中部则处于完全流体润滑状态。温度对气缸－活塞环副的摩擦力有显著影响。随着温度的升高，润滑剂的粘度大幅度降低并不断地蒸发和碳化，使得摩擦副工作在缺油状态，摩擦

力显著上升，易发生剧烈磨损甚至咬合失效。在试验条件下，载荷和转速对摩擦力的影响较小。

来稿日期：2013-03-21

王义亮[3]从理论上对多缸内燃机缸套－活塞系统摩擦学与动力学的耦合问题进行了研究。经研究得出：在缸套的结构振动、活塞的运动及缸套与活塞间润滑油膜的摩擦学行为之间存在着紧密的耦合关系。缸套的振动与活塞的运动对缸套与活塞间的润滑油膜的作用具体体现在对其产生动压效应和挤压效应。缸套结构振动、活塞运动与缸套活塞间摩擦学行为的耦合作用不仅影响到作用在缸套和活塞上的载荷，而且还会影响到与之相关的其它载荷。

尹必峰等[4]将内燃机摩擦学研究拓展到微观尺度上，突破摩擦副传统加工技术的瓶颈，引入表面结构激光微加工技术，从新型激光微制造装置与工艺、润滑摩擦理论、摩擦磨损试验以及装机台架性能试验方面研究入手，探索激光表面结构技术在缸套(孔)等关键摩擦副上应用研究，实现摩擦副表面形貌的主动优化设计与制造，以达到改善润滑，减小摩擦，减磨增寿与提高发动机综合性能目标。

邓宝清[5]利用仿生学原理，设计了5种仿生非光滑结构试验样件。通过模型试验，对5种非光滑结构和对比的平板结构，进行了干摩擦试验、部分润滑试验、充分润滑试验；研究了摩擦系数和磨损率与载荷和润滑条件的关系，分析了各种结构之间摩擦磨损及承载能力不同的原因，从中优化出耐磨仿生非光滑单元体的分布规律。利用摩擦学原理，在考虑了表面粗糙度影响的条件下，对仿生非光滑机构试件和对比试件进行了摩擦磨损机理分析。对所设计的各种试件进行了在充分润滑条件下的承载能力模拟计算，从中优化出承载能力最佳的仿生非光滑单元体的最佳结构参数。并根据此参数，设计了承载能力强的优化模型，并对优化模型和前述的各种试件，进行了摩擦磨损模拟计算，研究了摩擦磨损与载荷和粗糙度的关系。

刘一静等[6]为探讨表面结构对发动机活塞－缸套之间的摩擦特性的影响，利用微细电解加工技术在真实的活塞裙部表面制作了4种不同直径，5种不同深度的微米级表面结构；并分别在4种不同载荷和转速条件下，对活塞－缸套摩擦性能进行了评价。经研究得出：普通活塞裙部试样，在各个载荷条件下，随着速度的增加，摩擦系数都有明显的降低，即载荷越大，摩擦系数越低；表面结构直径参数对于活塞摩擦性能有重要影响，如250 μm的表面结构在不同转速和载荷条件下都表现出了很好的摩擦特性；表面结构深度参数对于活塞摩擦性能有重要影响，如深度5μm的表面结构在各种转速和载荷条件下都表现出了很好的摩擦特性；表面结构对于活塞裙部的抗磨性能有较为明显的影响。

李奇等[7]研究了缸套－活塞环摩擦副的磨损失效机理。利用扫描电子显微镜－能谱仪对原始及实际使用500 h以后失效的缸套和活塞环的表面形貌和化学成分进行了分析。研究结果表明，对于缸套，上止点附近的磨损机理为综合的磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损；缸套中部磨损机理与上止点附近相似，但没有发生大面积的粘着磨损；下止点附近的磨损机理以磨粒磨损为主。实践证明，中频淬火缸套－电镀铬活塞环摩擦副的匹配性较差，摩擦副之间的磨损严重，成为制约高功率密度柴油发动机使用寿命的瓶颈。

袁东来[8]进行了柴油机缸套－活塞组工作状态识别的研究。首先，对机身振动信号和活塞与缸套之间撞击建立了二者之间的映射关系，利用小波包时频分析方法对机身振动信号进行处理，绘制了小波包三维时频能量图。提出以主撞击能量特征参数作为监测缸套－活塞组工作状态的重要依据；并在遗传算法初步优化权值的基础上，再进行BP网络的训练和识别，充分利用神经网络的非线性映射能力，实现了柴油机缸套－活塞组工作状态的识别。对不同机型的缸内部件不同的磨损失效形式进行了实验，验证了该文中提取特征参数的有效性。

张效翔[9]建立了内燃机系统动力学－活塞二阶运动耦合模型，对活塞二阶运动和活塞裙部摩擦学进行了研究。其建立的新模型能够在数学层面上表达内燃机系统变惯量特性与活塞二阶运动的关系，也能够反映内燃机转速波动对活塞二阶运动的影响。同时新模型具备了对活塞二阶运动和活塞裙部摩擦学行为进行瞬态分析的能力。

3 缸套失圆机理研究

缸套失圆现象在内燃机中普遍存在，它严重影响整机的动力性、经济性、环保性和可靠性。然而由于内燃机结构复杂，零部件之间无论静态配合关系还是动态的力学、热流传递关系均具有复杂性、多样性。缸套失圆问题分析难度大，以致研究人员很难在众多的影响因素中给出定量分析结果，只能在设计中更多地依据经验处理此问题。这也严重阻碍了人们对内燃机缸套失圆形成机理的了解。长久以来，如何有效减轻内燃机缸套失圆及其带来的负面影响一直是困扰内燃机工作者的重要课题。

王虎[10]运用缸体的有限元模型，对螺栓预紧力、活塞侧推力、气缸压力等这些机械负荷共同作用下的内燃机缸套失圆问题进行了仿真计算。计算表明，由于冷却流场流速分布的影响，缸体的温度分布、热变形存在着显著的周向、轴向的变化；流固耦合共轭传热方法是研究热负荷影响下缸套变形失圆问题的较为精确有效的方法。

4 缸套与活塞的润滑研究

内燃机燃烧室部件活塞组－气缸套润滑状况的好坏直接影响到内燃机的动力性、经济性及零部件的使用寿命等，一直以来都是内燃机研究的一个重要领域。

董立辉[11]开展了润滑油消耗的实验和理论研究，得到了润滑油消耗量随转速增高、变形量增大而增大的规律；润滑油的消耗与活塞环和缸套之间的追随性（贴合性）有很大关系。设计了一种活塞环与缸套之间追随性的测试方法。研究结果表明：在低速状态下，活塞环能够比较好地适应变形的缸套，二者之间贴合性良好；但是在高速状态下，活塞环已经不能很好地适应缸套变形，活塞环与缸套之间的间隙变大。从活塞环追随性的角度说明了内燃机在不同转速、不同缸套变形情况下润滑油消耗的差异。

周龙[12]基于固体部件间的瞬态导热，以传统的活塞环－气缸套动压润滑模型为基础，引入了固体部件的三维瞬态热传导模型、润滑油膜的传热模型及粘－温方程；建立了环组摩擦热的分配模型和分布模型，采用耦合分析法，最终建立了活塞组－气缸套的三维瞬态传热润滑摩擦耦合数理模型；并开发了相应的数值模拟软件。研究结果表明：环组的摩擦热量对活塞环槽附近区域的温度场分布影响比较显著，环组摩擦热量对活塞温度场的影响要大于其对气缸套温度场的影响；活塞环、气缸套的温度场是润滑油膜温度场的边界条件，对润滑油膜的温度场有重要影响，从而影响到润滑油膜的粘度及油膜厚度等；活塞环轴向高度的增大，增加了能量损失，虽改善了活塞环的润滑性能，但不利于燃烧室部件的冷却；增加活塞环桶面高度，润滑油膜厚度增加，活塞组－气缸套间动接触部件的换热系数减小，不利于热量向冷却介质的传递，但有益于活塞环的润滑；表面粗糙度对润滑油膜厚度的影响不是很大，但对活塞环和气缸套固体部件的温度场有一定的影响；增大活塞环压力常数，会增大活塞环接触压力对润滑油膜的挤压，润滑油膜厚度变薄，增大了活塞组－气缸套间动接触部件的换热系数，有利于燃烧室部件的冷却，但会增加活塞环和气缸套间微凸体的接触，增大凸峰摩擦力，减小流体摩擦力，不利于活塞环和气缸套间的润滑；润滑油膜粘度的增大，有利于活塞环－气缸套的润滑状况得到改善，但不利于燃烧室部件的冷却。

杨洪秀[13]将仿生非光滑理论与技术引入到发动机活塞的设计当中。针对有仿生非光滑形态与结构的活塞的润滑特点，按照摩擦副间隙存贮的润滑油量的多少，分别设计了干摩擦、混合润滑以及准油膜润滑试验。研究了摩擦副的摩擦系数和磨损率与载荷和润滑条件之间的关系。对干摩擦试验，选取了合适的接触界面条件，采用广义变分原理，建立了非线性接触力学模型。对活塞缸套摩擦系统进行了三维非线性有限元分析，揭示了非光滑形态与结构对摩擦副接触界面应力的影响规律与机理。（1）对混合润滑试验，建立了贮油结构中润滑油随活塞上下行运动而晃动的数学模型；并通过ALE描述的有限元法，求解了该数学模型，直观地显示了贮油结构中润滑油晃动到缸套内表面的整个过程。（2）对准油膜润滑试验，还首次将Euler-Lagrange流固耦合数学模型应用到活塞缸套挤压润滑油这一物理现象中，模拟了仿生非光滑活塞挤压与贮存润滑油的整个过程。（3）建立了活塞缸套干摩擦的热应力耦合模型，得出了裙部表面的温度分布云图，同时揭示了活塞表面的磨损失效过程。通过试验和数值模拟得出，通孔形仿生非光滑试件的耐磨润滑效果最好。通孔结构既可贮油、排油，也可大幅晃动贮存的润滑油到缸套表面，同时也可散热降温，避免粘着磨损。

5 活塞缸套的匹配技术

吴金源[14]阐述了柴油机主要摩擦副——活塞缸套的匹配技术。经研究得出了气缸套结构设计高凸缘、低支承，上部水套冷却、下部安装于无水冷却机体，上下部壁厚适当加厚、均匀过渡，凸肩圆角加大、轴向支承力倾斜角小，可提高缸套刚度，降低壁面温差、减小缸套变形，并有利于缸套和活塞环之间配合的结论。缸套上部内侧安装抗磨环，可刮除活塞头顶侧的积碳，减少缸套、活塞环磨损，阻挡润滑油上行进入燃烧室，改善润滑，减少燃气泄漏，降低润滑油消耗。活塞环数量减为3根，2根气环、1根刮油环，适当减薄活塞环厚度，可减少摩擦阻力，减少活塞环与缸套之间的摩擦损耗。气环常用鼓面环，单位径向压力高、密封好、润滑

油易进入摩擦面。油环采用双刃梯形槽弹簧胀圈结构，与缸套壁接触面小、径向压力大、贴合均匀、磨损小。活塞裙长度适当，裙部比压为8～12 MPa，可减少摩擦损失。裙部有足够的刚度，正确选择活塞裙和气缸套的配合间隙，可改善活塞的导向，降低活塞环与环槽的磨损，减少漏气和油耗。现代中速柴油机常用钢顶组合活塞，活塞裙采用球墨铸铁、表面加工精车后石墨化处理，活塞环材料为合金铸铁，球墨铸铁和可锻铸铁，表面常用镀铬和喷钼强化处理。现代中速柴油机气缸套常用耐磨性好、铸造方便、成本较低的合金铸铁离心铸造；内表面处理有激光淬火和气体软氮化2种工艺；表面加工常采用珩磨，形成菱形条纹网格，可控制表面粗糙度，提高贮油能力、建立良好的润滑油膜、改善耐烧伤性能、增加滑动面承压面积，提高耐磨性能。

6 结束语

目前柴油机正朝着高速、高功率密度方向发展，这对发动机结构强度和各部件之间的匹配提出了更高的要求。而缸套－活塞组是实现化学能转化为动能的机构，是柴油机的动力源，因此，研究缸套和活塞组的匹配关系显得尤为重要。目前大多数的研究还局限于缸套－活塞组的摩擦、润滑方面的研究。、而缸套－活塞组之间的匹配关系会随着工况、缸内温度、使用时间等条件的变化而变化的，研究柴油机缸套－活塞组的动态匹配是非常具有实际意义的。

1彭梨花．内燃机活塞环－缸套摩擦过程研究[D]．昆明：昆明理工大学，2004．

2宋炳，王文中，王慧等．发动机缸套－活塞环摩擦磨损特性试验研究．润滑与密封[J]，2004（3）：29-30．

3王义亮，谢友柏．多缸内燃机缸套－活塞系统摩擦学与动力学耦合问题的研究[J]．润滑与密封，2005（2）：1-5．

4尹必峰．内燃机关键摩擦副表面微结构润滑与摩擦机理及应用研究[D]．镇江：江苏大学，2011．

5邓宝清．内燃机活塞缸套系统非光滑效应的仿生研究[D]．长春：吉林大学，2004．

6刘一静，袁明超，王晓雷．表面结构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响[J]．中国矿业大学学报，2009，38（6）：866-871．

7李奇，王宪成，何星等．高功率密度柴油机缸套－活塞环摩擦副磨损失效机理[J]．中国表面工程，2012，23（4）：77-82．

8袁东来．柴油机缸套－活塞组磨损状态的识别研究[D]．长沙：中南大学，2007．

9张效翔．内燃机活塞二阶运动与摩擦学行为的瞬态模型研究[D]．上海：上海交通大学，2009．

10王虎．内燃机缸套失圆研究[D]．合肥：合肥工业大学，2010．

11董立辉．缸套变形下润滑油的消耗以及活塞环追随性的研究[D]．天津：天津大学，2009．

12周龙．活塞组－气缸套传热润滑摩擦耦合机理研究[D]．大连：大连理工大学，2010．

13杨洪秀．活塞缸套系统仿生非光滑界面摩擦与润滑机理的研究[D]．长春：吉林大学，2008．

14吴金源，巫立民，杨鹏等．现代中速柴油机活塞缸套匹配分析[J]．柴油机，2007，29（5）：18-22．

Research Status and Progress of Matching of Piston and Cylinder Liner of Diesel Engine

Shi Peiji,Dong Xiaorui
（College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China）

This paper presents a review of research status of diesel engine piston and cylinder liner matching in terms of friction between cylinder liner and piston,the mechanism of cylinder liner out of round, lubrication of cylinder liner and piston group.And an analysis of the research trend of cylinder-piston group is made.

diesel engine,piston,cylinder liner,matching technology

石培基（1987-），男，硕士，主要研究方向为发动机总体技术及结构动态设计。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.001