EXCITE PR软件在发动机开发中的应用
李凤琴蓝军杨金才
（重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆渝北区双枫桥空港大道589号）
[摘要]通过应用A VL EXCITE Piston & Rings软件对某款新研发的发动机活塞组件进行动力学分析并提出评价意见。
关键词：活塞动力学窜气润滑油消耗
主要软件：A VL EXCITE Piston & Rings
Application of A VL EXCITE PR in Power train Development
LI Fengqin，Lan Jun，Y ang Jincai重庆长安汽车
Powertrain R&D Institute of Chongqing Changan Automobile Co. Ltd，Chongqing
[Abstract]Analyze and assess the dynamic performance of the piston and rings using A VL EXCITE Piston & Rings.
Keywords: Piston；Dynamics；Blow-By；Oil Consumption
Software: AVL EXCITE Piston Rings
1. 前言
活塞是发动机主要运动件之一，它的主要功用是承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。活塞裙部在气缸内起着导向、承受侧推力和传热等作用。间隙过大，活塞敲缸，导致噪声和振动加剧；间隙过小，活塞拉缸，还有可能被气缸卡住。因此，气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀的、适宜的间隙。活塞环则承担了活塞与气缸壁间的密封和润滑的任务，同时也将热量从活塞传给缸壁。本文对某款新开发的发动机活塞组件进行数值仿真分析，通过建立BOOST热力模型分析了该发动机的工作过程，通过建立活塞的三维有限元模型，对其进行温度场、热变形以及热态裙部刚度分析，再应用A VL EXCITE Piston & Rings 软件，进行活塞组件动力学仿真，并提出评价意见。
2. 活塞组动力学模型的建立
2.1 工作过程热力学仿真
本文采用A VL BOOST 软件对某新研发的汽油机工作过程进行仿真分析，模拟计算了最高转速工况（6000rpm）下的缸内燃气压力曲线（图1）、换热系数曲线（图2）和缸内燃气平均温度曲线（图3）。
图1 缸内燃气压力仿真曲线图2 缸内换热系数仿真曲线图3 缸内燃气温度仿真曲线
2.2 活塞和气缸温度场计算
活塞和气缸的温度场分析取决于所给定的边界条件，本文采用经验公式确定热边界条件。温度场计算采用第三类热边界条件，并且分区确定，为EXCITE PR计算提供了准确的输入条件。如图4所示为活塞温度场计算结果，图5为缸套TS侧温度分布。
图4 活塞温度场图5 缸套内壁温度沿缸套高度分布（TS侧）
2.3 热变形及活塞刚度分析
本活塞材料为铝合金，线膨胀系数大，热变形受温度影响大。而活塞裙部径向刚度受裙部壁厚和内腔形状的控制，对活塞与缸套的接触有着重要的影响。因此，本分析充分考虑温度对活塞刚度的影响，在有限元模型中加载温度场和力载荷，利用对称边界条件，求解活塞的热变形，进而得到活塞的刚度矩阵。其中，材料的弹性模量及热膨胀系数，均为非线性，如图6所示。图7中红区域为有限元计算加载位置。
图6 活塞材料性能图7 有限元计算加载位置
2.4 活塞动力学模型
活塞动力学模型如图8所示。模型包括活塞，活塞环（两道气环和一道油环），活塞销，连
杆和缸套部件。活塞型线的模拟考虑了冷轮廓的径向偏差和热膨胀的影响。由于活塞裙部呈椭圆形，假设为对称结构，分别设定活塞副承压面ATS 侧（0°）和主承压面TS侧（180°）、10°和170°、20°和160°、30°和150°、60°和120°处的热变形相同。图9和图10是活塞热态轮廓图和计算网格图。缸套型线的模拟与活塞一样，考虑了缸套的安装变形和热膨胀的影响。缸套热态型线和轮廓见图11和12所示。各活塞环的型线从设计图获取，活塞环的温度根据经验获得。
3 计算结果及评估
通过EXCITE PR软件对活塞二阶运动、活塞环运动及润滑油消耗进行了仿真，结果如图14~25所示。
图8 活塞动力学模型图9 热态活塞轮廓图10 活塞计算网格
图11 缸套热态型线图12缸套热态轮廓
3.1 活塞动力学计算结果
活塞动力学计算主要考察活塞径向运动以及裙部的接触压力，同时，头部尽量不接触。
活塞偏转角度是活塞二阶运动的主要结果。异常的活塞摆动，或过大的摆动角度是活塞拉
伤或拉缸的重要标志。同时，活塞偏转角过大，还会严重影响活塞环的运动和密封性能。图13为活塞横向位移曲线，图14为活塞横向摆动角位移变化曲线。从图中可以看到最大偏转角小于15′是可以接受的。
活塞裙部与缸套的接触压力大小是判定活塞拉缸与否的重要依据。图15和16分别为活塞
ATS 侧和TS 侧节点接触压力。从图中看出，各节点接触压力总体幅值较小。ATS 侧峰值出现在裙部中
上部CA194和CA384度，TS 侧峰值出现在裙部上部CA450度，主要由于接触面积较小引起，但持续时间很短，作用角域较小，可以认为经过跑合后，该压力峰值会下降，不会对活塞表面拉伤。
图13 活塞径向位移                                      图14 活塞角位移
图15 活塞ATS 侧节点接触压力                  图16 TS 侧节点接触压力
对于车用发动机短活塞，必须确保整个循环中，活塞头部环岸不得与缸套接触。活塞在运动中头部接触的主要原因有1）配刚间隙过大；2）活塞头部环岸和裙部底边的缩进量不够；3）热态活塞裙部外突处不在裙部中上部；4）活塞销孔偏移量不合适；5）缸套轮廓变化剧烈等。同时，活塞头部缩进量不宜过小，否则会由于沉积物在一环岸的沉积而引起干摩擦，出现磨损和拉缸现象；但也不能过大，否则影响排放等性能指标，所以存在优化选择。如图17显示了活塞头部与缸套的动态间隙，该间隙保持在一个良好的范围，既可以避免活塞过度摆头，又可以避免头部与缸套接触。
排气
图17 活塞头部ATS/TS与缸套的间隙
3.2 活塞环动力学计算结果
为保证仿真的正确性，计算结束后首先检查环与环槽的形状。图18为活塞环槽和活塞环的几何轮廓图。
图18 活塞环槽和环的几何轮廓
环的轴向运动直接决定了活塞环的密封性。图19可以看到，燃烧冲程中（CA 0~CA180），第1环与环槽底部保持接触无跳起，密封状态正常。在-30度~90度附近，第2活塞环和油环与环岸接触接触有些波
动，但与第1活塞环配合，总体情况良好，密封状态可以接受。
图19 活塞环的轴向运动
图20 活塞环开口间隙图21 活塞环窜气量活塞环的开口间隙是活塞环与缸套是否正常接触的重要依据。图20中，活塞环上下运动时，