发动机缸孔变形(上)

1. 介绍

在现代汽车工业中，细节决定一切。在设计制造过程中，很少再说哪个环节是主要的，哪个环节是次要的，特别是久经验证的内燃机。但消费者总是需求在低油耗，低排放，低成本的情况下获得更高更好的性能。

所以今天的工程师必须是高效的，必须学习，细化并改善所使用的技术，从而变得比以往更快更准确。

这篇报告是有关缸套变形分析的，以此研究对燃油消耗，窜漏，及排放的影响，对发动机整体性能研究具有重要意义。但通常是难以衡量的，而对结果的评价也是极开放的。这份报告将向读者介绍的分析思路和方法是基于Microsoft Excel中的孔分析工具，它提供了一个相对快速，简单，廉价的记录缸孔变形的谐波失真数据。

这篇报告中用到的方程和概念与SAE中编号为960356的报告（由E.Tomanik编写的缸套变形部分）保持一致。

2. 研究背景

2.1活塞环的功能

活塞环是用来封闭燃烧室，从而减少窜漏和机油参与燃烧。还有另外一个作用，就是将活塞头的热量，通过汽缸壁转移到冷却系统。

2.1.1窜漏

窜漏会导致燃烧室气体通过活塞泄漏到曲轴箱。这就带来了燃油的浪费，并使活塞压力减小，从而是发动机输出功率降低。

2.1.2 润滑机燃烧（烧机油）

如果活塞（或活塞环）直接与汽缸壁接触，那么燃烧室会完全封闭，但是这样由于摩擦的原因需要一个很大的力来推动活塞。为了解决这一问题，在活塞环骑一层机油膜，虽然很薄，但会大幅减少摩擦。如果活塞环设计不好，会导致机油进入燃烧室，参与燃烧，通过排气排出（引起高碳氢化合物排放和降低催化转换器的活性），这就是常说的烧机油现象。或者落入发动机的油底壳。

窜漏导致油气进入曲轴箱，机油燃烧。在当今要求环保的大环境下（尤其是环保立法后）首当其冲要避免烧机油引起的高烃气体排放，所以今天的发动机设计必须考虑窜漏问题，创建一个纯粹的向下流动的燃汽环境。

实现这一目标的方法是现在广泛使用的三环设置：

2.1.3上压缩环

这个活塞环设置主要功能是密封燃烧室的可燃气体。通过活塞材料压缩产生的内部张力，安装在发动机上，（更大程度上）燃汽压力作用于内部环边缘。密封边缘被做成曲面的，以防止与冲程中的任何点发生刮擦。

2.1.4第二道压缩环

第二道压缩环主要有两个作用，一是在高压力第二层汽缸壁区域与低压力曲轴箱之间起到缓冲作用并将大部分机油刮下去。“缓冲”的作用是减少窜漏和在进气冲程中机油回流到燃烧室。另外如果燃气在压缩冲程中窜漏了，由于第二活塞环的存在，被阻止在

上压缩环与第二道环的间隙中，燃汽可以有第二次充分燃烧的机会，降低不必要的排放。机油可以被刮下去，是由于活塞环截面的楔形设计。使机油可以挂一层膜在活塞环与缸壁之间，多余的被刮到曲轴箱的油底壳里。

2.1.5油环

正如名字所表述的，最后一道环是最大限度的把机油刮回到曲轴箱。众多的设计构思被应用，但都应该提供较少的压力达到密封效果，并能刮到各个方向的机油（活塞上行过程中通过一个通道返回曲轴箱）

活塞环是非常重要的热传递部件，将活塞上的热传到冷却系统（通过汽缸壁）。大约超过70%

的活塞热量通过活塞环传递，加强与气缸壁的接触（通过油膜）可以促进传热。这可以采用平面环，或更好的热传导材料。

所有的上述构想，都要依赖于一个卡在标准圆孔上的标准圆环来实现。但是，大多情况下，由于其他因素导致了复杂的情况出现。

2.2 孔变形

孔变形是指一个圆柱孔（如气缸孔，轴孔或其他）上垂直于轴线的截面与基圆的偏差变形(fig.4)。

变形可以有许多不同的形式:轴偏差,轴弯曲,“锥台型”(fig.5), 最重要的活塞缸孔的谐波失真。

2.2.1 谐波变形

这类失真导致圆柱面呈现规律的正弦变形，是可以用数学方法描述的圆柱表面变形。谐波是由不同阶次的正弦波拟合而成的综合变形。1阶变形表现为截面相对于主轴的整体偏移，2阶表现出椭圆变形，3阶表现为三叶状的变形，4阶表现为四叶状的变形等等。理论上有无限阶次的变形拟合成了最终的综合变形。这些阶次的变形大小和方向，通过傅里叶变换来实现，并应用于发动机的缸孔变形分析上。

2.3 变形原因

对于缸体，铸造阶段会有一个粗略的形状公差大概0.5-1mm，但是表面机械加工的目的是尽可能得到一个完美的柱面（先粗钻，然后经过抛光/珩磨过程，最终公差控制在几十微米）。即使加工之后存在相对于理想形状的小的偏离，但是还是可以通过活塞环的设计来抵消这些变形影响。

2.3.1 螺栓载荷气缸盖,轴承壳、轴承，所有需要螺栓连接的圆柱体，都会不可避的产生连接变形。 缸盖是4阶变形的主要原因,轴承导致2阶变形，缸孔不对称导致3阶变形。

正如预期，螺栓的高预紧力会引起更大的变形。但是螺纹的起始位

置，长度的设计，对变形会有很大影响和改善。

2.3.2 Temperature 温度

目前对于缸孔变形的测量，往往是在发生恶劣工况条件后，将发动机拆卸下来的测量。因此大多数变形测量时在冷机状态下进行的（25℃）。但发动机工作时，缸内温度从0°C到2000°C之间变化，因此热膨胀变形是孔变形的重要表现之一（燃烧时发生最大的扩张变形）。

2.4 莲花目前的手段方法

目前，如果需要测量发动机缸孔变形，测量部门会使用英国泰勒公司的圆度仪“Talyrond”测量每一截面部分的结果，并出报告：

最小二乘法测量直径。这是公认的靠谱的直径测量手段。

圆度。截面变形最小内切圆与最大外接圆的半径差。

偏心率。各截面轴线与原始缸孔轴线的径向偏移距离。

这台机器可以输出1-500阶变形。但是缺乏打印功能，只能手动记录2阶，3阶和4阶的变形。

2.4.1 FEA 有限元方法

在发动机工作状态下产生的热变形可以通过有限元的方法模拟并记录。但是这种方法，由于考虑到计算成本，每层只能取70-150个点。多数情况下是可以满足需求的。但是在有限元分析中，并没有考虑缸孔的实际原始形状。当然有限元的方法可以综合模拟冷机状态下的变形和工作状态下的热变形。

2.4.2 莲花如何考虑误差

通过对上百个发动机的有限元分析，及实际测量，莲花工程师得到了一个针对孔变形是否可以接受的经验公式。公式考虑了实际变形对活塞密封的影响程度（曲率半径越小，求解阶次越高）。

最初的报告是基于一个没被使用的缸体，以及一个同样的但被使用并反复测试的缸体的对比完成的。进一步研究了缸孔变形的原因和影响，但是很明显的对于实际测量和记录，仅限于前4阶的变形，圆度，偏心率和径向跳动。没有考虑锥状，扭曲的变形发生，没有电子输出孔变形，所以分析只局限于泰勒测量的基础。

3 解决方案

（未完待续，编译：Skyme）

本文转自【有限元联盟】