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发动机气缸和活塞环磨损的试验结论及引伸分析

这是由美国人Schneider E W

Blossfeld D H

发表在SAE Paper 上的一篇研究论文

中文版来自国外内燃机杂志

开发了一种放射性示踪技术,用来动态测定发动机中活塞环和气缸的磨损率,该方法具有足够的灵敏度,可以在正常运转条件提供实时和快速测量；

测试机器是一台GM3.4升60度夹角的V6发动机,对顶压缩环进行中子辐射,同时对气缸进行放射活化；

环和气缸的磨损数据是通过测量润滑油中具有放射性的磨削碎屑来获得；

复杂的实验过程和实验数据省略掉

结论:

活塞环的磨损

1,发动机装配后磨合阶段的环的磨损不取决于环以前是否用过,对于V6的6道环来说,其平均磨损量为Mo合金涂层的0.15%或1800μg.发动机在常温下每次启动的6道环磨损量平均为100μg,发动机在热机后的热启动不会造成磨损.(最后一个结论其实就是启/停系统的技术根据)

2,稳态下的运作中环的磨损率是稳定的,当运转条件改变时,磨损率会转到另外一个稳定值,转速及负荷转换过程中磨损率不会有太大的增长.

3,影响活塞环磨损的关键因素是发动机的平均有效压力BMEP,低负荷下(200kpa) 环的总磨损率为50 μg/H,高负荷(1000kpa)下为750个μg/H.,当BMEP不变时,转速的变化对环的磨损几乎没有影响.

4,台架试验中获得的环磨损率与采用类似发动机的车队试验测得的数据相一致.

5,用不同型号的发动机(5.3升V8)所测得的磨合阶段磨损规律相似,并且和BMEP的相互关系和V6是相同的。

气缸的磨损

1,气缸顶环转换处的磨损与环的磨损有实质的区别,大部分磨损发生在初期磨合/冷启动以及转换运行条件的过程中,稳态工况下的气缸磨损非常小.

2,相同型号的不同机体之间磨合的磨损量会有很大差异.

3,稳定运转时,气缸的磨损率很低,并取决于磨合程度,一旦初期和冷启动的磨合完成,即使在高负荷条件下,气缸的磨损率仍然很小.

4总的看来,初期的磨合完成后,气缸顶环转向处的平均磨损率大致为4nm/h,这和市场上的气缸磨损数据完全一样,长期表现出相同的磨损率.

引申:

归纳几点供讨论

1,对发动机而言,活塞环是主要的磨损部件,和负荷成正比,故新车(10000公里以下)拆来改3.0没有必要换活塞环(当然还是要以具体测量数据为准) 

2,中缸在不存在原本的加工瑕疵的条件下,磨损程度与运行里程和驾驶习惯并无直接关系,比方说两台同样新车,一台在一年内跑了6万公里,而另一台在市内天天堵车只跑了3万公里；两者有相同的运行时间,显然有很大可能是后者的磨损程度高于前者(源于更多的冷启动和功况变化)。

3.磨合阶段对缸体的重要性大于活塞环。

4,热车空转到5/6千转对活塞环和缸体都不会有比怠速更严重的磨损；

5,热车下频繁启动和熄火也不会对缸体和活塞环造成磨损；

6.高的平均有效压力BMEP对活塞环的磨损来说是主因,故不难理解很多增压机和高度强化的NA机的烧机油现象以及在一定里程之后的性能衰减,当然这不能责怪车厂的工程师,没有哪个车厂的老板把车以耐用为卖点,高BMEP永远是车厂追求的目标(没办法,要减排节能还要驾驶乐趣)。

关于凉车启动是否需要热车

一台新发动机组装好后第一次启动的活塞环平均磨损为1800μg,在这之后的冷启动(停一夜)磨损量为0-200μg；

如果每次冷启动的平均磨损按100μg计的话,冷启动6000次后钼合金层将会磨去一半,这相当于如果每天启动一次的话,能冷启动16年；

造成冷启动磨损的原因,研究者很谨慎地归纳为:机体温度和停机一夜后润滑油从环与气缸中的接触面中泄露。

至于冷启动后,不管是以650转的怠速运转还是以2000运转,磨损率都维持在53-55μg/H；

上面说的是环,而气缸的磨损是

主要集中在首次装机的磨合中，

两台缸体表现出很大的磨损量差距(一台是1000纳米,而另一台只有25纳米)，

凸轮轴也有这种现象；

这和缸体加工精度和生产过程的稳定性有关,非车主可以控制。

而我们关心的显然是磨合结束后的使用过程中的冷启动问题。

三天的试验结果是两台缸体的冷启动是每次20-15纳米,之后转入稳定的0.2nm/h的磨损速度(平均值),将速度拉到2000转,磨损率只有1.4nm/h,2000转全油门只有1.1nm/h

拉到全油门全负荷4000转为7.9nm/h;

尽管这些数值绝对来看有变化,但相对于缸体的可用厚度而言,差别几乎可以忽略;

故研究者将缸体的磨损因素归纳到了前面的结论.

(每次的冷启动,以机油起建立压力即为完成)

也就是说,在10秒钟内就完成了,缸体在这期间内磨掉20-15纳米,之后的磨损率只是个时间的函数,和你是呆在原地或开起来都没关系;

综合起来,同时考虑缸体和环的冷启动条件,就知道

点火后10秒钟就走吧,但要保持低负荷;

对rz而言，如果变速器油温没上来,开起来不大舒服，那就原地将油门空转到2000-3000转来加速ATF的温升以减少钝搓感是可行的!（其实丰田就是这样设计的，根据气温条件把转速拉高）

结论：打着火就走！