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用数值模型来研究上止点反转处的表面纹理在活塞环与缸套接触面的作用
N. Morris， R. Rahmani，H. Rahnejat，P. D. King，S. Howell-Smith
摘要：最小化内燃机(IC)的寄生损失是提高的能源利用效率和减少排放量的必要条件，表面纹理已成为改善这些损失的一种方法，例如薄的润滑油膜导致混合或边界制度的润滑。这种薄膜是短暂性的停止引运动普遍接触中对缸套活塞在压缩环处的运动逆转。本文提供综合的解决方案的雷诺方程、 边界相互作用和气体流模型来预测摩擦学的状况，特别是在活塞逆转处的状况。然后这个模型用于验证测量一个浮动的衬垫用的发动机工况条件下原位摩擦的测定。获得了非常好的吻合，验证的模型然后用于确定衬砌表面在逆转过程中表面织构的影响。因此，本文是结合的研究数值预测和表面织构的影响，预测表明，在发动机性能的一些边际收益可以预期与激光纹理V形线条的特定操作条件下浅埋相同。
关键词: 内燃机、 表面纹理、 活塞环、 摩擦、 润滑。
- 引言
燃油效率和减少排放量是现代汽车 IC 发动机发展的关键驱动因素。根据安德森的说法，2-5%的输入的燃料能源用于活塞压缩环缸衬板接触所产生的寄生摩擦损失。随着立法的日益严格，主要是由于内在效率低下的内燃机产生排放的不利影响和日益稀缺的常规更便宜的燃料，这种级别的寄生损失从一个小的连接处是不可持续的。
一般情况下，花费不少力气是为了去减轻寄生的损失，包括相关联的浮动动力学，这些包括弥漫的轻型动力概念。其他减少损失的方法包括降低润滑剂粘度、 耐磨性和低摩擦系数涂层和引进表面纹理 (例如参考文献[2] 和 [3])。所有这些减少损失的行为都可以引出一些缺点，如过度环动态、 油的损失与漏气漏液 [4，5]，减少负荷承载能力(特别是与同一发动机油在其他较高的负载连接处如凸轮从动件双)以及穴蚀 [6，7]。因此，压缩环气缸衬垫关联分析是多变量，可以说是摩擦动力学中最复杂的问题之一。
活塞压缩环气缸衬垫接触经验润滑的方法由于变量性质的接触运动学和应用的接触瞬态负载在 IC 发动机的各种敲击所产生。因此，不能保证所有零件的热机循环和在各种行驶条件下都有一个普遍有效治标的方法。在活塞逆转 (在上止点 (TDC) 和下止点)，还有短暂停止的润滑油夹带到接触面，这种组合不变地结果就是在混合或边界制度的润滑，在那里遇到了一级粗糙表面的直接接触。这个重要的环的弹性动力学的主要性能就是在接近上止点处来密封燃烧室[8，9]，这也成为压缩环的主要功能。反过来，对缸套表面环的理想一致性会导致摩擦增加。在其他情况下活塞循环周期期间，对主要的流体动力润滑体系进行了预测的同时也注意到了测量[10-13]。这些观测，当然是一般性质的孔不是的现实中作为制造和安装的直立圆柱，和在运行中经历了重大的瞬态热力扭曲 [14]。因此，环与缸套表面的连接间隙几乎在循环的任何一个部分都可能会遇到混合润滑。然而，一般情况下，摩擦条件最坏的情况是经常发生在上止点逆转处，也就是四冲程发动机中由压缩冲程过渡到动力冲程处。这已经通过大量的数值分析被预测 [1,2,6,7,10-14]，其中包括不同程度的复杂性，而且其中的一些与根据不同发动机工况所测量的各种实验数据有很好的吻合[2,13]。
根据发动机各种运行条件[15-18]测量摩擦的最佳时机使用浮衬法来直接现场测量摩擦。那些报告由戈尔等人 [18]根据高性能摩托车越野摩托车发动机指示边界相互作用发生在上述上止点逆转处说明了一个周期中在环衬板接触处摩擦损失占很大的比例。Styles 等人考虑到精确测量的物理，地形，和剪切特性的被涂物表面，通过环磨损过程演变的影响对V12 高性能特殊原始设备制造商的车辆预测了同样的趋势。他们显示 30%的热机循环的生成摩擦可以归结于上止点逆转过渡期，也就是从压缩冲程过渡到动力冲程。润滑在这一地方普遍混合润滑的规则突出指出了作为润滑剂表面系统，表面形貌的作用是非常重要的这个问题的重要性。
因为在运动学上的接触不良或者是高负荷，越来越多的领域感兴趣于引进表面特征(广泛称为表面纹理模式)的作用来保留微小载体润滑，或者是通过微小锲子效应和微流体力学的压力扰动来促进润滑。由Etsion [20]提供的表面纹理文献述评，其中介绍了激光表面纹理最近的发展，并指出 Ronen 等人通过数值分析来预测潜在节约达 30%对于活塞环的用途。Ronen 等人 [21] 结果表明: 通过优化纹理，可能可以取得相对程度上较大减少摩擦，Yu等人也报告说在突然变速时的机械密封端面也会有很好的效果，佩特森和雅各布森 [23] 报告说液压马达往复环/滚子接触有类似的结果。对于活塞缸套系统的特定情况， Rahnejat等人通过在先进涂层的缸套表面上激光刻蚀V形线，发现了发动机在正常的操作条件的上止点附近，摩擦在这个区域减少了2–4% 。潜在的微流体力学显示，通过详细的数值分析，对活塞裙缸套接触 [3]而言也有相同的情况。Etsion 和Sher也报告说使用激光纹理凹痕模式缸内摩擦有所减少。对其他连接件如轴承在摩擦学条件上也有同样的改进，例如由Morris等人的实验和Jiang等人的数据，Morris等人指出在低速运行时混合润滑有显著的改善，而在高速运行时侧漏油是表面纹理的一种潜在缺点。
因此，表面纹理特征形状、 几何和模式/分布的优化是应该考虑的特定用途的重要参数。Kligerman 等人 [28] 提出了一种分析模型，并进行了参数化的研究，结果显示对于平 (辊子) 活塞环有较好的表面纹理参数。他们主张环的入口斜切面局部纹理是凹痕模式。Ryk 等人 [29-31]研究了由 Ronen 等人 [21]在滑块台架试验工作优化纹理的影响，设计用来再现活塞环/缸套缸套接触面处的滑动运动。他们采用相对平坦面宽度和轻度倒角的环，部分和完全纹理模式与无纹理的环形相对比，观察到前者摩擦有较大减轻。这些均符合Ronen 等人 [21]。的预测。然而，Ryk 等人 [30] 建议包括对于桶形无纹理环形的比较应该有更复杂的分析。该部分纹理平面环在实际的发动机条件由Etsion和Sher[ 2 ]的实施也表明根据发动机负荷和速度条件，纹理平面环优于非桶状的燃油消耗1–4%。Checo 等人 [32] 还观察到表面纹理与生成环形轮廓数量的的影响，他们发现随着环的曲率半径的增加，好处就越多。当时也由 Kligerman 等人 [28]指出这表明几乎持平的接触齿环将最优。然而，研究并不考虑到任何粗糙相互作用中产生的摩擦的测定，这将是个重要的反转点。Rahmani 等人 [33,34] 用解析的方法来优化特征类型和滑环式平面模式，他们表明，这种几何形状，一定的深度和间距比是凹痕特征产生的最佳条件。另一方面，对于平面滑动条，Costa 和Hutchings [35]表明有一定几何形状和分布形式的V形线的特征比凹痕要好。由Morris等人[36]的参数数值分析可知，类似V形线优化分布连续的反方向产生最佳的微流体力学效果，使用浮动板滑动轴承进行实验测试验证了他们的数值结果。虽然关联载荷和滑动速度是代表在上止点逆转缸套与环的接触面处，控制实验的滑动轴承在实验室的条件下与由Gore等人[18]在实机浮动内衬所得到的是不同的。
本文提供高性能越野摩托车发动机活塞压缩环缸衬板连接处混合流体力学的数值结果，另外为了准确预测压力边界条件将漏气的模型也纳入了分析之中。结果与从现场的实时测量的一个浮动内衬(无交叉阴影珩磨）发动机气缸的摩擦相比较，在实机操作条件下得到的实验结果与预测有很好的吻合。这些已经验证的模型随后扩展为包括由Morris 等人[36]描述的最佳的V形线模式，用来确定在实际燃烧发动机运行工况下发现的潜在应用的结果。
- 理论
2.1 流体动力的结合
活塞环缸套连接处通过各种广泛的润滑瞬时运转，从流体力学到边界混合润滑的相互作用。润滑剂通过边界流体动力进入缸套和活塞环的间隙，并且提供了主要承载能力。在低速例如在上止点逆转处引气，会产生压力不足的流体。因此，一些由反面粗糙相互作用带来的应用负载，使用雷诺方程生成的流体压力确定了流体负载能力
其中 U 是环形槽在 x 方向 (图 1) 相对滑动速度。假定入口完全被水淹没。
假设没有瞬时的相对运动，对其支护的槽，如环颤振或扭曲，环的环滑动速度作为 [37]
其中滑动速度包括发动机二阶往复惯性力，应用负载包括由气体压力加载 Fg，作用于环的内圈，环的弹性张力 Fe，二者都是压于正常环形槽的表面所组成。任何环扭在当前分析中将被忽略。
2.2 油膜形状
Ma、Akalin 、 Newaz和Mishra等人表明部分符合压缩环孔接触生成关联压力不足以引起任何本地化的接触变形。因此，在接触面的油膜厚度可以描述为 (见图 2)
图1 接触布局
图2 油膜形状与表面纹理的接触
hm 是最小油膜厚度、hs是环面轮廓、ht在这个例子中是特定位置气缸激光蚀刻的V形线的轮廓的表面特征。在当前的分析中，将忽略任何环弹性动力学模态行为。此外，孔的整体几何形状被认定为是直立圆柱。Baker[5]等人表明顶端压缩环经历模态的变形也符合假设的直圆圆柱缸为了满足其所需的密封作用。因此，这里所作的假设在上止点逆转处是很具有代表性的。
显然，主要的润滑方式是混合润滑。因此，对于粗糙的形貌，理想的情况是可以使用Patir and Cheng[40]的平均流量模型。然而，这种模式的可用流量因素是那些带有高斯分布的微凸体的表面。气缸套是网纹珩磨，在实践中形貌与高斯分布是不符合的。这一点将在下文介绍。
2.3 环面轮廓
环面轮廓在方程3的hs是用来建立不同与x-方向的模型的方向，也就是引气运动的润滑方向。轴向环轮廓对于通过入口流体动力效应[42]吸入润滑油润滑连接处而言是一个很重要的因素。
为进行数值分析，环形轮廓使用 Alicona 无限的焦点分辨率为 1 毫微米
显微镜进行测量。多项式拟合的测量数据如图 3 所示。
图3 多项式拟合测量的环形轮廓面 摩擦学杂志
2.4激光加工V形的数值重建
对表面特征（V形）进行建模，其包角、长度、宽度和厚度都可以随时改变。这些都是基于使用无限聚焦显微镜的测量。此外，在Y方向（横向）的一排V形线与x方向的连续行分离（方向滑动）间的间距考虑如图4所示。此外定义了该纹理的区域的起始和终止点。
图4 几何参数和分布参数的V形示意图
Mishra 等人 [39]已表明利用光纤激光器产生纹理的横断剖面的纹理特征类似于一条抛物线。因此，V形线与抛物型的横断剖面进行了模拟。表 1 中提出的数据提供了当前研究中的两个表面纹理特征建模的有关几何形状的相关信息，这两者跟由Costa 和 Hutchings [35]提出的相似，其中密度是指覆盖的纹理的表面面积百分比。
如果lc是V形线的厚度，hd是它在中心线处的深度，xm是V形线中心线位置的截面宽度，那么V形线轮廓可以描述为
2.5润滑剂流变学
润滑剂主要流变状态包括粘度和受温度压力影响的密度。当前分析包括润滑剂的热和压粘，Houpert [43]给出了润滑剂在每个曲轴转角计算的动力粘度。
其中Z和S0具有润滑特性
其中，b分别是压粘参数和热粘弹性切变参数，随着压力和温度变化的密度可以定义如下[44,45]：
其中e可作为润滑剂的热膨胀系数。
2.6 边界条件
假定一个完全被水淹没的入口，使用沿x轴轴向接触处的边界条件。边界条件取决于顶部和底部的环面压力，压力取决于各种不同的发动机工况活塞环的停下位置（图1）。在入口和出口两侧的活塞环缸套接触压力如图 1 所示。
高压Pu是燃烧时压力，低压Pl被假定为大气压。这些边界压力在气体流模型用于确定作用于环内圈，这有助于提高瞬时负载。
在实际中，是通常高于大气压力，在发动机配置研究时，环间压力在顶端压缩环与刮油环这两环（压缩和控油坏）之间。接触出口边界条件被假定为快速单向轴承，因此
这些边界条件确定了滑油膜破裂位置，表示在穴蚀的地方发生的。这个出口边界已被证明与由Chong等人[6]分析的特别是活塞环缸套连接处的实验结果有很好的相关性，使用Elrod 空穴算法，并且考虑了穴蚀的影响 [47]。然而，如果在这个区域流动的多向性被了解的很好的话，气蚀效应是最好的描述。这就会需要使用斯托克斯方程，蒸汽传输和能量方程[7]来解决多相流的问题。在发动机轴承中气蚀对承载能力和生成粘性摩擦来说更加重要。这种效应在当前分析中将被忽略。
2.7气体流动模型
气体流量模型在本研究中用于确定作用在压缩环的内缘后面的压力，该模型基于 Baker等人[9]的报告，他们修改了 Gulwadi [48] 和Ruddy [49]的技术分析。
一个压缩环气缸套接触的横截面和周围的控制量如图5所示。控制量1的压力假定与在发动机试验条件使用曲轴箱窜气量测定仪得到的燃烧室压力Pu相同。控制量3的压力假定为曲轴箱的压力（正如已经指出的，为了当前研究，它被假定为大气压力）。此外，它假定环其保持槽没有浮动或颤振(即无论压在槽顶部还是底部，都取决于所加控
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