CN113203571A - 一种用于模拟lng燃料柴油机环境的缸套-活塞环试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟LNG燃料柴油机环境的缸套‑活塞环试验平台，包括试验平台、样品仓、缸套夹具、活塞环夹具、主连杆、驱动装置、数据监测装置和数据采集装置；样品仓上设有控制其内湿度的压缩空气供给装置；缸套夹具设于样品仓内的试验平台上，缸套夹具底部设有温控装置，活塞环夹具设于样品仓内缸套夹具上方，且通过竖直平移装置安装在主连杆的一端；主连杆中部通过水平方向的滑动副与样品仓侧板相连，并延伸到样品仓外通过传动装置与驱动装置；数据监测装置用于监测活塞环与缸套相对运动过程中的温度、压力、摩擦力及油膜厚度。可以模拟LNG燃料柴油机的高温、高压和干燥环境等真实的摩擦工况。

Description

一种用于模拟LNG燃料柴油机环境的缸套-活塞环试验平台

技术领域

本发明属于发动机领域，涉及一种缸套活塞环往复试验平台，具体涉及一种用于模拟LNG燃料柴油机环境的缸套-活塞环试验平台，可以模拟LNG燃料柴油机的高温、高压和干燥环境。

背景技术

环境问题一直是人类社会面临的重大问题，进入21世纪以来，随着人类对于化石燃料的消耗大大增加，温室气体的排放已经危及到了人类社会安全，环境问题已经逐渐成为制约我国全面可持续发展的一项重要因素。其中由于内燃机的广泛使用，能源短缺与环境污染逐渐成为当今世界所面临的环境问题中的首要问题。《国际能源署2018年全球能源消耗报告》中显示，在全世界一次能源消费占比中，石油能源排在第一位置，占全部一次能源消耗的31％，包括煤炭，天然气在内，传统化石能源总占比达到了80％。同时，自从工业革命以来，由于化石燃料燃烧产生的二氧化碳急剧增加，到2020年，全球每年二氧化碳排放总量已经达到了330亿吨，而在1940年，全球年二氧化碳排放总量仅为50亿吨。如何高效的利用化石能源以及控制尾气排放已经成为刻不容缓的重中之重。

柴油机作为化石能源消耗的动力设备，在汽车、航海领域有着十分广泛的应用。而LNG作为低碳燃料，可以作为取代柴油的新能源。当今船舶市场中，已经有5％的船舶采用LNG作为主要动力来源。对柴油机的研究，除了柴油机的动力性能、耐久性能之外，对于柴油机燃油经济性、排放等方面也开展了相关的研究。柴油机性能的改善，对于解决能源问题与环境问题有着极其重要的意义。缸套-活塞环系统柴油机进行能源转换的核心部件，其性能的好坏直接影响了柴油机热效率的高低。研究显示，在内燃机总的能量损失分布中，由于摩擦磨损导致的能量损失占总能量损失的4％-15％，其中，缸套-活塞环摩擦损失占总摩擦损失的40％-55％，由此可见缸套活塞环摩擦系统的摩擦学性能对于柴油机的动力性，经济性和可靠性有着重要的意义。在柴油机工作过程中燃料燃烧产生的会通过活塞环传递给缸套，在柴油机工作过程中第一道活塞环处润滑油的油膜温度在150℃-190℃之间，与传统柴油机相比，LNG燃点更高，约为650℃。正常工作条件下缸壁的温度为200℃左右，LNG燃料柴油机应用的高温，高压，干燥环境比传统柴油机更加复杂，因此研究LNG燃料柴油机缸套-活塞环的摩擦机理必须考虑到实际的高温高压干燥的工作环境。

根据试验台模拟方法可将对缸套活塞环摩擦学性能的实验研究分为两类，其一是直接在柴油机上进行实验，通过控制实验变量得出结论，该方法完全还原了实际工作过程中缸套活塞环的摩擦条件，但是弊端是柴油机拆装不便，控制实验变量较为麻烦。其二是将缸套活塞环切片，并将其放在特制的夹具上进行摩擦，模拟缸套活塞环在柴油机内部的摩擦过程。此方法实际操作简单，但无法完全还原缸套活塞环在实际摩擦过程中的摩擦工况，尤其是无法考虑到燃料在缸内燃烧所产生的温度和压强对缸套活塞环摩擦的影响。实际工作温度对缸套活塞环之间的油膜厚度影响很大，油膜温度过高会大幅的减少油膜厚度，改变油膜粘度以及缸套活塞环之间的压力，从而影响缸套活塞环间的摩擦磨损，如果不考虑温度，压强，湿度对油膜厚度产生的影响，可能会影响摩擦磨损实验的结果。专利文献(申请号201821322538.4)公开了一种车用柴油机高频往复式摩擦磨损实验机，但其实验机并未涉及温度及压力等因素的控制方法。专利文献(申请号201310134469.X)公开了一种双联活塞-缸套摩擦磨损试验台，其摩擦磨损试验台也未提及温度及压力的控制手段。因此，有必要设计一种能够同时考虑到温度，压强和湿度等因素在内的缸套活塞环往复摩擦试验台，以保证实验方便进行的同时，尽可能的模拟LNG燃料柴油机缸内实际的摩擦条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够控制实验温度，实验过程压力以及实验环境湿度的柴油机缸套活塞环往复试验平台，能够调节试验平台的温度压力和湿度等条件。以便更好的模拟实际LNG燃料柴油机工作过程中缸套活塞环的高温、高压和干燥环境等摩擦工况。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种用于模拟LNG燃料柴油机环境的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：包括试验平台、样品仓、缸套夹具、活塞环夹具、主连杆、驱动装置、数据监测装置和数据采集装置；所述样品仓可拆卸的固定在试验平台上，所述样品仓为封闭性仓，样品仓上设有控制其内湿度和气压的压缩空气供给装置；

所述缸套夹具设于样品仓内的试验平台上，用于夹持切片的缸套，缸套夹具底部设有给缸套加热的温控装置；

所述活塞环夹具设于样品仓内缸套夹具上方，用于夹持切片的活塞环，活塞环夹具顶部通过竖直平移装置安装在主连杆的一端，通过竖直平移装置调整活塞环与缸套之间的正接触压力；

所述主连杆水平方向设置，主连杆中部通过水平方向的滑动副与样品仓侧板相连，主连杆另一端延伸到样品仓外通过传动装置与驱动装置，通过驱动装置驱动主连杆在水平方向来回运动，从而带动活塞环夹具及其上的活塞环与缸套夹具上的缸套发生相对运动；

所述数据监测装置用于监测活塞环与缸套相对运动过程中的温度、压力、摩擦力及油膜厚度；

所述数据采集装置用于采集数据监测装置的监测数据。

进一步地，所述驱动装置电机和变频器，所示传动装置包括主杆支柱、曲柄和连杆，所述主杆支柱固定在样品仓外的试验平台上，主杆支柱顶部设有水平滑槽，主连杆顶部设有与水平滑槽配合安装的导轨，所述连杆一端与主连杆相连，另一端与曲柄相连，所述曲柄安装在电机的输出轴上，通过曲柄和连杆将电机的转动转换为主连杆的来回运动。

进一步地，所述压缩空气供给装置为空气干燥压缩机。

进一步地，所述活塞环夹具包括第一底座、固定杆以及将两者相连检测竖直接触压力的压力传感器，所述固定杆上部通过竖直平移装置与主连杆相连，所述第一底座底部设有用于夹持活塞环的夹持片，所述夹持片有两个，包括固定片和活动片，所述固定片和活动片通过螺栓相连从两端将活塞环切片夹紧，所述固定片和活动片上分别设有一个应变片，通过两个应变片检测活塞环切片与缸套切片之间的横向摩擦力。

进一步地，所述竖直平移装置包括调节螺母和设于固定杆上部的外螺纹，所述调节螺母通过轴承安装在主连杆上，固定杆通过螺纹配合与调节螺母相连，通过拧动调节螺纹调整主连杆在竖直方向的位置，所述固定杆上部设有竖直滑槽，所述主连杆上设于深入到竖直滑槽内防止固定杆自身转动的凸块。

进一步地，所述缸套夹具包括第二底座和设于第二底座上的固定槽，所述固定槽为弧形槽，固定槽两侧的第二底座上设有通过螺栓可拆卸相连的定位块。

进一步地，所述温控装置包括设于缸套夹具与试验平台之间的均热板和绝热垫，所述均热板内设有设有若干均布的加热孔，所述加热孔内设有均布的电阻丝，通过电阻丝和温度传感器配合控制均热板的温度，从而为缸套提供设定的温度环境。

进一步地，所述样品仓内设有监测其内气压的压力传感器，缸套切片与活塞环切片之间设有测接触电阻的电流表，通过接触电阻换算出缸套切片与活塞环切片之间的油膜厚度。

进一步地，所述样品仓的侧板设有水平滑孔，水平滑孔四周设有填料盒，主连杆从水平滑孔伸出样品仓后，在主连杆四周的填料盒内装有密封填料并压紧填料压盖，通过密封填料和填料压盖保证主连杆的自由运动和密封。

本发明与现有技术相比具有以下的主要有益效果：

1.本发明缸套-活塞环试验平台的缸套夹具带有加热系统，并与温度传感器，控制器组成闭环控制电路。且电阻丝外部带有绝缘导热层，防止由润滑油泄露影响电阻丝加热，从而导致实验无法进行，均热板下垫有一层石棉垫片，阻止热量传递给试验平台，能有效控制试验平台的温度条件，能更好的模拟缸套活塞环实际的摩擦环境。

2.本发明缸套-活塞环试验平台的摩擦部分被样品仓密封，由空气干燥压缩机给仓内加压，能实现对实验过程压力的控制，更加符合LNG燃料柴油机实际工作的缸套活塞环摩擦条件。同时，空气干燥压缩机可实时调节实验环境的湿度。样品仓设有线缆孔，泄油孔，试验平台内部传感器可通过线缆孔被数据采集卡采集数据，实验结束后润滑油可经泄油孔排出。

3.本发明的缸套-活塞环试验平台运动部件为活塞环夹具，将活塞环夹具固定在连杆上，能有效的解决运动部件的密封问题。

附图说明

图1为本发明实施例中缸套-活塞环试验平台整体示意图。

图2为带有加热系统的缸套夹具三视图，其中图2(a)为缸套夹具主视图，图2(b)为缸套夹具左视图，图2(c)为缸套夹具俯视图。

图3为主连杆局部主视图。

图4为活塞环夹具示意图，其中图4(a)为活塞环夹具主视图，图4(b)为活塞环夹具侧视图。

图5为样品仓示意图。

图6为主连杆与样品仓之间填料密封示意图。

图1中，1-电机，2-曲柄，3-连杆，4-主连杆，401-导轨，402-调节螺母，403-竖直滑孔，404-凸块，5-空气干燥压缩机，6-样品仓，601-顶盖，602-进气孔，603-水平滑孔，604-线缆孔，605-泄油孔，606-填料盒，607-密封填料，608-填料压盖，609-侧板，7-活塞环夹具，701-第一底座，702-压力传感器，703-固定杆，704-固定片，705-活动片，706-竖直滑槽，8-压力传感器，9-电流表，10-缸套夹具，101-第二底座，102-固定槽，103-定位块，11-电阻丝，12-变频器，13-主杆支柱，14-温度控制器，15-数据采集卡，16-石棉垫片，17-均热板，18-固定螺栓，19-加热孔，20-温度检测探头，21-活塞环切片，22-缸套切片，23-试验平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

下面结合具体实例以及附图对本发明作进一步说明，但不限于本发明。

如图1至图6所示，一种用于模拟LNG燃料柴油机环境的缸套-活塞环试验平台，包括试验平台23、样品仓6、缸套夹具10、活塞环夹具7、主连杆4、驱动装置、数据监测装置和数据采集装置；所述样品仓6可拆卸的固定在试验平台23上，所述样品仓6为封闭性仓，样品仓6上设有控制其内湿度和气压的压缩空气供给装置；

所述缸套夹具10设于样品仓6内的试验平台23上，用于夹持切片的缸套，缸套夹具底部设有给缸套加热的温控装置；

所述活塞环夹具7设于样品仓6内缸套夹具10上方，用于夹持切片的活塞环，活塞环夹具7顶部通过竖直平移装置安装在主连杆4的一端，通过竖直平移装置调整活塞环与缸套之间的正接触压力；

所述主连杆4水平方向设置，主连杆4中部通过水平方向的滑动副与样品仓6的侧板609相连，主连杆4另一端延伸到样品仓6外与驱动装置，通过驱动装置驱动主连杆4在水平方向来回运动，从而带动活塞环夹具7及其上的活塞环与缸套夹具10上的缸套发生相对运动；

所述数据监测装置用于监测活塞环与缸套相对运动过程中的温度、压力、摩擦力及油膜厚度；所述数据采集装置用于采集数据监测装置的监测数据，本发明实施例中为数据采集卡15。

如图1和图3所示，所述驱动装置电机1和变频器12，电机1转动速度可控，可调节变频器12来控制电机1转动速度，模拟柴油机运行时的不同工况；所示传动装置包括主杆支柱13、曲柄2和连杆3，所述主杆支柱13固定在样品仓6外的试验平台23上，主杆支柱13顶部设有水平滑槽，主连杆4顶部设有与水平滑槽配合安装的导轨401，所述连杆3右端与主连杆4相连，左端与曲柄2相连，所述曲柄2安装在电机1的输出轴上，电机1本身装配在试验平台上，通过曲柄2和连杆3将电机1的转动转换为主连杆4的来回运动。通过连杆3将曲柄2水平面内的圆周运动，转变为主连杆4水平方向上的往复运动，主连杆4通过导轨401与主杆支柱13相连，由主杆支柱13与样品仓6共同作用使得主连杆4在水平方向往复运动。

本实施例中研究的活塞环为活塞环切片21，缸套为缸套切片22，具体的，缸套和活塞环沿轴线剖切为半圆形。

如图4所示，所述活塞环夹具7包括第一底座701、固定杆703以及将两者相连检测竖直接触压力的压力传感器702，所述固定杆703上部通过竖直平移装置与主连杆4相连，所述第一底座701底部设有用于夹持活塞环的夹持片，所述夹持片有两个，包括固定片704和活动片705，所述固定片704和活动片705通过螺栓相连从两端将活塞环切片21夹紧，所述固定片704和活动片705上分别设有一个应变片(图中未画出)，通过两个应变片检测活塞环切片21与缸套切片22之间的横向摩擦力(具体的活塞环夹具7没有发生运动时，两个应变片存在一个读数，当运动时，两个应变片读数的变化之和即为横向摩擦力)。通过竖直平移装置调节活塞环夹具7的垂直高度来控制活塞环切片21与缸套切片22之间的正压力，压力传感器702可实时测得缸套活塞环之间的垂直正压力，横向摩擦力则由贴在夹持片表面的高精度电阻应变片测得，并由数据采集卡15采集数据输往电脑保存。活塞环切片21由两个夹持片(其中一个为固定片704，另一个为活动片705)固定在活塞环夹具7上，保证活塞环切片21在运动过程中不与夹具发生相对运动。

如图1和图3所示，所述竖直平移装置包括调节螺母402和设于固定杆703上部的外螺纹，主连杆4上设有竖直滑孔403，所述调节螺母402通过轴承安装在主连杆4的竖直滑孔403上，固定杆703从下方穿过竖直滑孔403后通过螺纹配合与调节螺母402相连，通过拧动调节螺纹调整主连杆4在竖直方向的位置，由于调节螺母402和固定杆703组成丝杆螺母副具有很好的自锁作用，所以通过调节螺母402调整活塞环夹具7的高度后，可以精准的保持该高度，也就是保持活塞环切片21与缸套切片22之间的正压力。所述固定杆703上部设有竖直滑槽706，所述主连杆4的竖直滑孔403内壁设有深入到竖直滑槽706内防止固定杆703自身转动的凸块404，这样在调整活塞环夹具7的高度过程中，可以保证活塞环切片21和缸套切片22的角度不发生变化，保证能够正确模拟活塞环和缸套的摩擦运动，防止产生额外的侧应力。

如图2所示，所述缸套夹具10包括第二底座101和设于第二底座101上的固定槽102，所述固定槽102为弧形槽，固定槽102两侧的第二底座101上设有通过螺栓可拆卸相连的定位块103。所述温控装置包括温度控制器14、电阻丝11及设于缸套夹具10与试验平台23之间的均热板17和绝热垫，本实施例中，所述绝热垫为石棉垫片16，所述均热板17内设有设有若干均布的加热孔19，所述加热孔19内设有均布的电阻丝11和和温度检测探头20，电阻丝11外部包裹绝缘层，防止由润滑油泄露影响实验进行。电阻丝11和温度检测探头20均匀温度控制器14相连，温度检测探头20检测的温度信号通过信号线传递给温度控制器14，温度控制器14根据温度检测探头20检测的温度和设定温度之差控制电阻丝11的加热功率，当温度超过设定温度时，电阻丝11停止加热。待温度降低时，电阻丝11重新开始加热，电阻丝11、传感器、控制器组成闭环控制电路，达到控制实验温度的目的。从而控制均热板17为恒温。为缸套提供设定的温度环境。

本发明实施例中，电阻丝11采用碳钎维发热线，绝热垫采用石棉垫，大大降低均热板17的热量损耗，防止热量向试验平台23扩散。

如图1和图5所示，所述样品仓6采用亚克力材料制成，由顶盖601和四周侧板609组成的本体构成，便于观察实验进行过程。样品仓6由固定螺栓18固定在试验平台23上，固定螺栓18将样品仓6的顶盖601与下部侧板609固定。样品仓6一侧从上至下依次设有进气孔602、水平滑孔603和线缆孔604，所述进气孔602用于与空气干燥压缩机5对接，通过空气干燥压缩机5往样品仓6内供给恒定湿度的干燥空气。所述水平滑孔603用于安装主连杆4，为动力内外传递通道，所述线缆孔604用于安装样品仓6内进出的信号线缆，为传递给数据采集卡15的信号线通道。样品仓6右下方开有泄油孔605，便于实验结束润滑油的清理。所述样品仓6内设有监测其内气压的压力传感器8，以便监控样品仓6内气压。

如图6所示，所述样品仓6与主连杆4之间通过填料密封，连杆3与样品仓6的侧板609之间设有填料盒606，密封填料607装于填料盒606中并通过填料压盖608固定，本试验平台23采用软填料密封。软填料具有加工方便，拆装方便，价格便宜等优点。适用于本基于压力，温度，湿度控制的LNG燃料柴油机缸套活塞环往复试验平台。

本发明通过缸套夹具10底部的均热板17为缸套提供稳定的温度环境。活塞环夹具7上带有压力传感器702，能测出缸套活塞环摩擦过程中所受到的径向压力以及横向摩擦力，其中，径向压力由第一底座701和固定杆703之间的压力传感器702测出，横向摩擦力由两个夹持片上的应变片测出，由数据采集卡15采集数据并将数据自动保存在电脑。缸套切片22与活塞环切片21之间有测两者之间接触电阻的电流表9，具体可以采用导线将缸套切片22、活塞环切片21、电流表9、安全电阻、恒压电源依次串联形成闭合回路。将油膜(缸套切片22与活塞环切片21之间的润滑油)厚度的变化转化为电信号通过数据采集卡15输入电脑中记录下来，根据油膜厚度与电阻的对应关系，接触电阻可以换算为油膜厚度。压力控制由空气干燥压缩机5和压力传感器8组成，通过调节空气干燥压缩机5的功率来控制内部压力，样品仓6内部嵌有压力传感器8，能实时监控试验平台23内部气压。空气干燥压缩机5排气口与样品仓6连接，直接控制样品仓6内部的湿度条件。样品仓6与试验平台23之间均采用填料密封以保证实验压力的稳定。样品仓6右下方设有泄油孔605，实验结束之后润滑油由此清理。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于模拟LNG燃料柴油机环境的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：包括试验平台、样品仓、缸套夹具、活塞环夹具、主连杆、驱动装置、数据监测装置和数据采集装置；所述样品仓可拆卸的固定在试验平台上，所述样品仓为封闭性仓，样品仓上设有控制其内湿度和气压的压缩空气供给装置；

所述缸套夹具设于样品仓内的试验平台上，用于夹持切片的缸套，缸套夹具底部设有给缸套加热的温控装置；

所述活塞环夹具设于样品仓内缸套夹具上方，用于夹持切片的活塞环，活塞环夹具顶部通过竖直平移装置安装在主连杆的一端，通过竖直平移装置调整活塞环与缸套之间的正接触压力；

所述主连杆水平方向设置，主连杆中部通过水平方向的滑动副与样品仓侧板相连，主连杆另一端延伸到样品仓外通过传动装置与驱动装置，通过驱动装置驱动主连杆在水平方向来回运动，从而带动活塞环夹具及其上的活塞环与缸套夹具上的缸套发生相对运动；

所述数据监测装置用于监测活塞环与缸套相对运动过程中的温度、压力、摩擦力及油膜厚度；

所述数据采集装置用于采集数据监测装置的监测数据。

2.根据权利要求1所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述驱动装置电机和变频器，所示传动装置包括主杆支柱、曲柄和连杆，所述主杆支柱固定在样品仓外的试验平台上，主杆支柱顶部设有水平滑槽，主连杆顶部设有与水平滑槽配合安装的导轨，所述连杆一端与主连杆相连，另一端与曲柄相连，所述曲柄安装在电机的输出轴上，通过曲柄和连杆将电机的转动转换为主连杆的来回运动。

3.根据权利要求1所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述压缩空气供给装置为空气干燥压缩机。

4.根据权利要求1所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述活塞环夹具包括第一底座、固定杆以及将两者相连检测竖直接触压力的压力传感器，所述固定杆上部通过竖直平移装置与主连杆相连，所述第一底座底部设有用于夹持活塞环的夹持片，所述夹持片有两个，包括固定片和活动片，所述固定片和活动片通过螺栓相连从两端将活塞环切片夹紧，所述固定片和活动片上分别设有一个应变片，通过两个应变片检测活塞环切片与缸套切片之间的横向摩擦力。

5.根据权利要求4所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述竖直平移装置包括调节螺母和设于固定杆上部的外螺纹，所述调节螺母通过轴承安装在主连杆上，固定杆通过螺纹配合与调节螺母相连，通过拧动调节螺纹调整主连杆在竖直方向的位置，所述固定杆上部设有竖直滑槽，所述主连杆上设于深入到竖直滑槽内防止固定杆自身转动的凸块。

6.根据权利要求1所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述缸套夹具包括第二底座和设于第二底座上的固定槽，所述固定槽为弧形槽，固定槽两侧的第二底座上设有通过螺栓可拆卸相连的定位块。

7.根据权利要求6所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述温控装置包括设于缸套夹具与试验平台之间均热板和绝热垫，所述均热板内设有设有若干均布的加热孔，所述加热孔内设有均布的电阻丝，通过电阻丝和温度传感器配合控制均热板的温度，从而为缸套提供设定的温度环境。

8.根据权利要求6所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述样品仓内设有监测其内气压的压力传感器，缸套切片与活塞环切片之间设有测接触电阻的电流表，通过接触电阻换算出缸套切片与活塞环切片之间的油膜厚度。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的缸套-活塞环试验平台，其特征在于：所述样品仓的侧板设有水平滑孔，水平滑孔四周设有填料盒，主连杆从水平滑孔伸出样品仓后，在主连杆四周的填料盒内装有密封填料并压紧填料压盖，通过密封填料和填料压盖保证主连杆的自由运动和密封。

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