一个新颖的方法来减少摩擦损失的重型柴油机通过减少水力摩擦损失

文摘

减少燃料消耗的一个重要参数重型柴油发动机的动力油缸单元(PCU);PCU是最大的贡献者发动机摩擦损失。多少关注,学术界和工业,已减少摩擦损失PCU的边界和混合润滑机制。然而,之前的研究表明,大部分PCU的摩擦损失发生在液体动力润滑机制。小说纹理设计与大类型的表面特性实验分析使用摩擦计设置。实验结果显示了显著降低摩擦损失的变形表面。此外,网纹表面没有表现出穿。相反,它表明了纹理的表面表现出较小的研磨划痕在高原(参考高原打磨表面相比)由于磨损颗粒截留在纹理。纹理表面的水动力减少摩擦与油膜厚度的相对增加纹理。试探性的例子,描述了一个方法减少水力摩擦损失的全面应用。

1。介绍

巨大的要求是把今天的内燃机。一个重要的参数,也许是最重要的参数在引擎开发,减少燃料消耗和有限公司₂发射。减少摩擦损失内燃机意味着减少有限公司₂发射。最大的贡献者摩擦损失引擎动力油缸单元(PCU);大约50%的总摩擦损失引擎可以归因于PCU [1- - - - - -4]。

多少关注,来自学术界和产业界,减少摩擦损失边界和混合润滑制度(5- - - - - -8];然而,先前的研究9,10]表明,发动机摩擦损失的大部分发生在液体动力润滑机制。有几个已知的技术减少水力损失;然而,尽管可以减少影响,也有缺点:(我)机油的粘度是流体动力润滑政权的控制参数(11]。降低机油的粘度降低了水动力损失,但可以增加摩擦损失边界和混合润滑制度(12),可能导致增加磨损。(2)之前的分析表明,在接触石油控制环和缸套表面的主要部分重要控制摩擦、水动力和机械(10),是青藏高原的一部分,缸套表面。大部分的水动力摩擦损失发生在中间行程地区,因为这个职位的活塞速度达到最高(13]。中间行程地区高原粗糙度的增加会减少水动力摩擦;然而,运行期间的平和高原可以减少粗糙的初始影响高原;也有可能与高原粗糙度增加机械摩擦会增加。本研究的目的是为了减少PCU的水力损失(动力油缸单元)的表面纹理。

有相对较少的实验研究分析水动力摩擦损失的减少滑线接触,不涉及属性与油的粘度有关。可以减少水力摩擦损失通过应用表面纹理;这样的例子如下:(我)邱和境外14]分析了椭圆和圆形的摩擦行为酒窝在液体动力润滑政权使用实验摩擦计设置。本实验装置模拟激光纹理活塞环的行为。结果表明大改善摩擦表面变形;然而,由于引擎通过所有的活塞环润滑制度,应用纹理活塞环可能不适合一个高清柴油机。测量摩擦系数,3或者4,不模拟发动机的摩擦。如果摩擦系数将被证明是建议大小,相比更大的差异在中间行程预计将逆转区(15]。(2)科斯塔和钦斯(16]分析了摩擦行为的几种不同类型的表面纹理在往复式摩擦计实验。在这里,它是确定表面纹理与山谷宽度比轴向赫兹接触长度给小薄膜厚度相比,表面没有纹理。然而,只有小摩擦之间的差异测量不同的纹理类型。在实验中,往复频率为0,55 Hz,行程长度是22毫米。这使滑动平均约0024 m / s的速度可以被视为太小PCU的准确表示组件。(3)Podgornik et al。17)完成了一个实验研究的摩擦影响不同类型和大小的纹理在全膜润滑摩擦计实验检查。这项研究的结果表明,摩擦在液体动力润滑制度可以减少使用纹理的表面。先前的分析表明,摩擦表面的主要部分重要的控制是高原的部分(9,10,18,19],山谷的一部分表面没有明显的作用。然而文献调查的结果表明可能使用纹理也控制的粘滞摩擦损失,制定本研究假设测试是基于一个假设,即谷几何纹理与更大的横向和纵向比之前报道的传统的气缸套概念构成结构能够降低水力摩擦损失。

纹理的设计参数是基于以下前提条件:(我)大尺寸的特性。因为没有描述谷和摩擦表面参数之间的相关性被发现在先前的研究9,10,18),它与一个更大的决心分析纹理几何,宽度、高度和深度,而前面分析的表面特性(相比,宽度、高度和深度的珩磨凹槽;这些几何图形的示意图可以看到在图3 - 5在一项研究10])。(2)封闭的圆形或椭圆形的纹理。纹理必须包含元素,从高原表面延伸到材料,作为封闭的孔隙体积。没有挤出部件来自可能会加速磨损的纹理。封闭空卷而不是打开卷类似传统珩磨槽比最小化总石油运输通过减少石油运输中的纹理(20.),从而最大限度地减少石油消费增加可能引起的“开放孔隙通道”石油运输。(3)一个重要的纹理部分的总面积。所覆盖的区域纹理应该重要的获取和测试相比,一个显著差异在纹理区域范围参考表面。纹理区域范围30 - 35%的最初选择这个研究。假设明显更大的覆盖比率会增加边界润滑的效果,小得多的覆盖比率不会使效果更加难以检测。纹理的表面的摩擦性能进行评估使用往复式摩擦计。使用摩擦计礼物的机会进行孤立的分析引擎组件和摩擦影响的分析是一种常见的程序和PCU组件的耐久性21,22]。

2。实验方法

2.1。制造业的纹理样本

五轴数字化自动化计算机数控铣床(CNC)是用于机器变形模式直接在缸套样品。样本将从生产缸套;样品是50毫米的轴向长度和切向宽10毫米。平面的铣削操作结束工具使用了尖角表面纹理和高原之间。两个不同的突出深度加工:20μ米和100μ米(称为T20 T100进一步的文章);纹理都相同的椭圆形状2毫米的短轴和长轴3毫米。

一项研究[23)已经表明,可以减少水力摩擦损失使用变形模式与表面平行滑动的。然而,使用一个表面与表面躺平行滑动方向将减少流体压力的产生,减少之间的油膜厚度活塞环和缸套(24],因此纹理的方向/躺20度的参考运动的方向选择分析。

锐利的边缘铣操作原因或“毛刺”在每个纹理元素的边界。因为这个缺陷会导致额外磨损颗粒,它是决定移除在实验之前锋利的边缘。通过运行每个样本5分钟使用实验中心的输入参数的能源部设置,毛刺是有效地切除;这是为图1。这个运行阶段进行了使用样品材料(石油控制环和机油)这不是用于进一步的实验。磨合阶段执行在所有样本,纹理和untextured。

2.2。摩擦计

摩擦计测试设置被用来量化参考和纹理的表面的摩擦性能;摩擦计的概述图如图2。在摩擦计实验中,石油不断从活塞环样品持有人美联储控制油环的内径和控制油环的两束光之间的差距。提供的石油使用蠕动泵;4、8毫升/分钟连续喂活塞环和缸套之间的联系通过注入油从活塞环样品持有人的内径两束活塞环之间的位置。连续供应的石油量保证完全淹没了联系说能源部循环步骤。使用的石油完全制定20 w50机油。摩擦计的行程长度设置为30毫米。

缸套表面,摩擦计,参考参考,和两种不同的纹理的表面,T20和T100评估。对方表面线圈弹簧两件套控制油环与两束和标准波束宽度;为了确保一致,一个完整的活塞环是用于实验。每个表面的摩擦计实验重复了四次。实验的输入信号是往复频率、温度和加载;这些信号是不同的根据实验设计(DoE)设置(见表1)高和低水平的三个输入参数。验证实验的稳定性随着时间的推移,添加了三个参数中心的点,作为起点,后一半的实验分和能源部的尽头设置。测量输出参数是摩擦力和电阻率系数。摩擦力测量使用压电传感器;电阻率系数被量化测量电阻之间的电接触电阻率的差异(与固定汇率水平)和电接触电阻率的活塞环和缸套之间的联系。串联电阻的值被选中给最好的电阻系数比较歧视价值逆转和价值在中间行程参考资料。在这项研究中,电阻测量使用的分压器固定电阻和接触电阻串联。电阻系数不是电阻tribocontact但实际上是电压降,因此电阻成反比。电阻接触面积成正比(25),因此电阻系数成反比的接触。综合实验装置的细节和量化的输入和输出信号可以在找到9,10]。

2.3。三维轮廓测量

表面测量使用CCP(彩色共焦探测)26]。完整的缸套表面样本,48毫米10毫米,用10点间距测量μm,表面测量之前和之后的实验。计算几何性质的表面特征,是很常见的删除表单之前特性计算。通常,二阶多项式拆模气缸套表面是充分的;然而,它注意到,纹理的表面,这种类型的拆模生成的一种不受欢迎的人工。获得代表的价值维度的纹理,纹理表面的表面形成了以下操作:(1)替换的缺失点定义光滑形状(评估软件:山地图版本。5.1、产品数字冲浪,法国比)。(2)二阶多项式形式从最初的表面测量。(3)边缘检测技术(谷物分析模量(评估软件:山地图版本。5.1、产品数字冲浪,法国比)来定义边缘纹理和高原之间的表面。(4)谷物的提取;只有谷物属于纹理元素被选中。(5)掩蔽的纹理元素使用粮食产量分析。因此从表面变形(变形的数据元素替换缺失点)。(6)第二个多项式形式去除高原表面(纹理被移除在前一步中使用纹理分析);这一步是2 d的输出形式。(7)减法的表面形式生成6表面获得的2。使用上面的计算步骤中,没有人工形式的表面效应引起的纹理可以获得;每个纹理元素的几何可以显式地进行分析。

为了量化磨损深度,表面测量实验前减去从表面测量实验结束后使用未磨损的缸套的一部分样本作为参考绝对高程基准面。

3所示。结果

3.1。3 d轮廓测定法:评价穿几何和纹理

变形的几何元素是评估使用谷物分析模量山图(见图3)。在材料T20 T100之间的比较,发现在对纹理几何唯一的区别是很明显的深度纹理;没有其他密度的显著差异可能检测到纹理,最大和最小平均直径、平均面积密度的纹理,纹理方向,平均和平均纹理周长(有关更多信息,请参见附录)。角在纹理的边界难以量化由于测量技术是不能测量尖角;过高的角度返回一个失踪的点。填充缺失点后,角是手动评估几个职位;大多数的83°和85°之间的角测量。

没有穿在评估发现的磨损深度(实验前后表面的减法)。作为额外的磨损分析,分析了表面在光后光学显微镜实验。在这个分析中,磨料在青藏高原发现了划痕参考表面的一部分;然而,实际上,没有研磨划痕在青藏高原发现了纹理的表面(参见图的一部分4)。在仔细观察的结构元素,看到纹理本身含有大量的磨损颗粒(图5)。

3.2。摩擦计:输入信号的稳定性评价

每个表面,获得代表值输入信号的有效性是量化;表示输入量化信号图中可以看到6。输入信号的获得更好的表示,这些都是重新计算;滑动速度从往复频率计算;石油动态粘度计算温度;和接触压力计算从负载根据先前的研究18]。执行重新计算的输入参数也给参数独立测试的安排自滑动速度取决于行程长度,接触压力取决于相对接触面积,等等。从输入信号的分析,它被发现,一个实验的T20 (T20-2),动态粘度不同于其他信号和实验之一T100 (T100-4)接触压力不同于其他测量信号;这两个实验是因此被进一步评估。

3.3。摩擦计:评价摩擦系数和电阻系数

实验T20-2和T100-4从这项研究中删除;应该注意的是,这两个实验表现出较小的摩擦系数值相比每个表面纹理的平均值。图7显示了所有的测量摩擦系数实验;在图8,平均每个表面显示的值。表2显示了标准偏差的平均摩擦系数如图8。

摩擦计的电阻系数测量实验;图9显示了所有的电阻系数实验,在图10每个表面的平均值。表2显示了标准偏差的平均电阻系数如图10。

3.4。润滑的摩擦计:评估制度和实验输出

说明分析的不同润滑制度,循环步骤是为每一个输入周期制定的步骤。表示液体动力润滑政权是摩擦的增加速度增加,滑油粘度的增加,接触压力下降。每个循环步骤在能源部的设置是30分钟;最小化的影响之间的转换(例如,热)循环步骤,计算摩擦系数的值只是10-29分钟期间在每个周期点。每一个点在这个统计分析代表每个表面的所有实验的均值。

在分析参考表面润滑政权过渡,这是显示(我)转向的水动力机制存在动态粘度的增加(图中可以看到11)和降低接触压力(图中可以看到13);(2)液体动力润滑政权存在的转向低温度的值(高粘度),和一个转向高值的边界润滑制度存在温度(水平低粘度)。

在分析纹理的表面润滑政权过渡,这是显示(我)转向减少的水动力机制存在接触压力(参考表面)(图中可以看到13);(2)水动力机制存在的转向动态粘度的增加除了循环周期所有步骤与高水平的负载和低水平的往复频率(类似于参考面,可以看到在图11);(3)转向的水动力机制存在低水平的滑动速度增加负载和高水平的往复频率(图中可以看到12);转向高价值的边界润滑制度存在温度(至于参考表面)。为高水平的负载和低水平的温度,T20和T100结果略有不同,滑动速度的增加显示了边界润滑制度转向T20和转向T100液体动力润滑机制。

可以得出以下结论的分析摩擦测量和转换的润滑制度不同的实验分:(我)最高测量摩擦实验步骤中发现3号这是一个相结合的高水平的滑动速度,高水平的动态粘度和低水平的接触压力;因此,接触的摩擦是最高最液体动力润滑条件。(2)接触压力的研究水平最重要对摩擦的影响。(3)一般来说,纹理的表面具有相同的参考表面摩擦行为;存在一些差异与转向纹理的表面边界润滑政权;然而,在低接触压力和高粘度,摩擦力随滑动速度增加所有调查表面;因此,转向液体动力润滑政权存在所有表面的接触条件,变形或untextured。

4所示。讨论

4.1。油膜厚度和纹理的行为

是什么导致摩擦滑动接触减少纹理即使更高层次的接触测量纹理的表面?可视化的两种对立的表面之间的相互作用在滑动的表面纹理,必须分为两个方面来考虑这个问题:要么高原的两个表面之间的接触(高原气缸套和活塞环的高原)或高原之间的接触是活塞环的一部分,变形表面的纹理元素(纹理气缸套和活塞环的高原)。方程(1)描述了剪切力,为两个平行平面完全由牛顿流体分离。当啮合面,例如,活塞环,通过纹理,面积,以来通道,也是不变的表面不是减少或删除;还有两个平行平面,尽管在纹理的飞机之间的距离相比,相距很远的两个高原交配表面。因此, 在滑油粘度的分析,重要的是要考虑非牛顿剪切率行为的机油。剪切速率取决于油膜厚度,滑动速度,(见(2))。动态粘度,或依赖于剪切率;低水平的剪切率,粘度的价值被认为是零剪切,和高水平的剪切速率粘度的价值被认为是无限的剪切,(见(3))。如上所示在实验研究中,增加变形表面接触的数量相对于参考面。通过纹理,油膜厚度增加,因此或增加;然而,通过高原的油膜厚度减少,因此或减少。粘度对剪切力的影响却不认为是非常重要的,因为通过高原动态粘度的降低是部分的动态粘度的增加抵消了高原的通道。因此, 在本质上,是没有改变的,相信没有重大改变的动态粘度的网纹表面相对于参考面;然而有显著增加的油膜厚度的纹理,如果油膜厚度是整个纹理元素的深度。

纹理表面的电阻信号增加这表明与金属接触的数量增加的网纹表面相对于参考面(见表3);这表明,通常有一个厚的油膜(见图14)之间的参考表面和对方表面油膜相比(纹理)之外的油膜厚度变形表面的高原和对方之间的表面。然而,对于纹理的表面和纹理的流逝,油膜厚度是一样的纹理深度考虑到活塞环和缸套之间的联系完全淹没。纹理的表面与金属接触的增加是由于减少流体压力的累积。流体压力损失有两个原因:首先,因为石油泄漏到纹理,其次因为更少的表面积是用于流体压力的产生。与金属接触的数量大于对T100 T20相比,由于纹理的区域几乎是相同的;这意味着石油泄漏到T100纹理表面的纹理更大。总结的平均摩擦系数的值和电阻系数的平均值为所有实验和能源部循环步骤表中可以看到3。

在摩擦计实验中,完全淹没条件保留对所有实验条件;这给了一个油膜厚度5倍通道的纹理T100表面考虑到T100纹理深度是5倍(在图14油膜厚度,通过T100纹理)T20相比(在图14油膜厚度,通过T20纹理)。在这个非常特殊的油膜厚度计算纹理,可能获得的油膜厚度的减少由于减少流体压力(两个变形情况下)是不考虑。本文中提到的平均油膜厚度计算的变形表面面积的平均分离两个组件:平均分离的纹理部分表面乘以纹理面积密度结合的平均分离高原(nontextured)表面密度乘以高原地区的一部分。

因为它假定石油运输从质地到高原,高原纹理(与纹理)的体积很小,结构内的石油将被迫再通行;这就是为什么有一个通道的流动配置文件纹理差异相比,流资料,通过高原在图14。表面T20表现出更大的摩擦系数对一些实验周期步骤中使用了高负荷(例如,循环步骤9);的原因被认为是为通过高原边界摩擦的增加大于粘性损失下降通道的纹理,因此结合创造一个更高比参考表面的摩擦。

4.2。适用于在液体动力润滑Tribosystem纹理属性

纹理表面的元素相似的几何的研究本文可以应用在tribosystem往复滑动,目的是减少水动力摩擦。然而,某些方面应该考虑。它不是最佳的纹理的逆转区tribosystem以下:(我)逆转的滑动速度小的区域,因此水力摩擦损失小。(2)如果温度高,油粘度低,因此水力摩擦损失很小。(3)如果tribosystem的接触压力高,严重的添加纹理摩擦学的接触可能会增加磨损(27];因此,它并不被视为有利于应用纹理与类似的维度调查在这个研究区附近的逆转。表面角,斜率之间的轴向高原边缘的表面和底部的结构(图中所示的纹理14(b),这个角是90°),纹理分析高;这在这里被认为是可取的,因为,在边界高角度,油膜将在更大的表面积更大。的角度来看,这可以被视为:柜台身体幻灯片在纹理和膜厚度或幻灯片在高原建立两者之间的油膜表面交配表面。通过变形提供了降低水力摩擦损失。通过高原tribosystem提供了组件之间的油膜形成。获得额外的摩擦改善变形表面,产生一个光滑的表面是很重要的高原,以减少机械摩擦通过高原。

建议增加表面纹理的表面体积。滑动的一个例子往复式tribosystem气缸套。在本系统应用知识,重要的是分析影响漏气和石油消费。Hegemier和斯图尔特[28]分析了影响漏气和石油消费为不同类型的气缸套表面,虽然分析建议表面纹理的表面是不同的。Hegemier和斯图尔特发现不同的表面装饰有一个小影响漏气,控制石油消费的主导因素是高原粗糙度的振幅。不过,它可能是必要的优化几何图形的活塞环漏气和石油消费的有效控制;这种优化的建议之一是分析影响漏气和石油消费不同设计的气密环(29日]。

塞其等人已经通过实验分析了油膜厚度(OFT) (30.活塞环与缸套之间;这项研究的结果表明,常随滑动速度。下面是一个试探性的例子如何减少摩擦的表面纹理。

我们首先假设油膜厚度增加线性滑动速度(这是一个概括尽管不是不同的研究由塞其et al。)对高原磨练了气缸套的引用。我们还假设不同区域的密度均匀纹理元素(T100)的几何变形缸套表面,应用不含逆转区(0-20曲柄角度的位置度和位置的曲柄角度160 - 180)。在这个例子中,我们定义一个位置中风的一个特定的组件;这应该是见过更多的一般描述。这个纹理区域密度的增加线性从21到90年曲柄角度从90年到159年,减少线性曲柄角度。untextured变形缸套的一部分,我们假设之间的油膜厚度的高原表面缸套和活塞环参考气缸套是一样的。我们还假设变形的油膜厚度是相同的缸套相比,参考缸套曲柄角度有一个较小的值的油膜厚度与油膜厚度的常数值。通过控制变形的区域密度,高原之间的油厚度的气缸套和活塞环不会增加曲柄角21 - 159,但变形表面保持在一个恒定值,在这个初步变化在20%和50%之间(见图示例15)。的平均油膜厚度变形表面包括油膜内高度纹理因此会明显高于参考表面的油膜厚度;通过这个,可以减少水动力摩擦。

在上面的例子中,结果表明,平均油膜厚度与夹杂物的纹理是大大增加,因此摩擦将大大减少根据(1)。然而,最有可能是有限度的,这个方程是有效的,假设粘性剪切对油膜厚度的依赖可能在实践中被证明是不准确的高值的油膜厚度。相反,在湿式离合器订婚的分析,认为由于粘性剪切转矩成反比膜厚度仍被视为有效的油膜厚度0001英寸(25日4μm)(31日)和已经确定,如果粘性剪切被忽视的贡献计算模型比较实验数据将是不正确的32]。

也不能期望,通过从高原到纹理,油的流量剖面立即充分发展的底部结构。在这项研究中,纹理的轴向长度远远大于轴向长度的活塞环和滑动速度小于发动机;因此,很可能时间依赖和流量剖面的影响很小;然而,对于应用程序在一个引擎,纹理的流量剖面依赖几何需要进一步调查。

制造一个一致的深度20μm T20样本被证明是困难的;然而,这些没有理由假设深度分布的实验结果是很重要的。

4.3。额外的讨论实验摩擦计设置

摩擦计用于这项研究不是最初构建执行测试,结合高滑动速度和低水平的负载;在这项研究中提出的结果量化液体动力润滑政权的代表,,然而,它是不可能的研究使用了更多的粘滞接触摩擦计没有改变样本的身体。因此建议未来实验进行一个实验装置能够运行更高的滑动速度。在水力摩擦损失的分析,它可能使用实验设备与固定的滑动速度(而不是往复,例如,pin-on-disc, block-on-ring)尽管在实验设置是很重要的保持表面之间的线接触。

5。结论

作为一种减少水力摩擦损失,分析了两种不同类型的表面纹理在往复式摩擦计实验。从本研究可以得出以下结论:(我)调查的两种类型纹理的表面由3 d轮廓测定法、量化的结果表明,这两种类型之间唯一的参数,不同的纹理深度。(2)表面纹理的小说类型研究中提出了减少摩擦的水动力机制控制油环和缸套之间的联系。(3)分析变形表面不增加磨损;相反,网纹表面摩擦计实验展览规模较小的磨料磨损的迹象;这是由于磨损粒子纹理的圈套。(iv)在进一步讨论,在这里建议水动力缸套之间的摩擦损失和活塞环可以大大减少变形气缸套的设计如下:(一)的振幅高原表面完整的轴向长度变形气缸套是最小的边界摩擦保持在最低限度。(b)应用变形的轴向长度下的气缸套上反转区以上下逆转区。纹理区域密度的增加在中间行程位置,减少对逆转区。(c)逆转区保持untextured;有两个主要原因;首先,滑动速度低区附近的逆转,因此水动力摩擦低;其次,引入与相对较大的几何纹理可能会增加磨损。

附录

见表4(一)和4(b)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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