一种陶瓷化改性重建发动机缸压、下串气量及曲轴箱压力的联动预测方法与流程

本发明属于内燃机性能检测与故障诊断，具体涉及一种用于评估陶瓷化改性重建技术对发动机缸压、下串气量及曲轴箱压力影响效果的联动预测方法，尤其适用于采用纳米陶瓷化改性自修复技术修复发动机磨损后的性能恢复效果评估与预测。

背景技术：

1、发动机在长期运行过程中，活塞环与气缸壁的持续摩擦会导致二者磨损加剧，活塞环的开口间隙、侧隙及背隙等关键密封间隙随运行里程的增加而逐渐增大。其中，活塞环开口间隙的增大会直接导致气缸密封性能下降，压缩和做功冲程中燃烧室内的高压气体通过活塞环密封间隙泄漏至曲轴箱（即“下串气”或“blow-by”），进而引发一系列性能衰减问题。

2、下串气量的增加会带来以下连锁负面影响：（1）气缸压缩压力（缸压）下降，燃烧效率降低，发动机动力性衰减；（2）窜入曲轴箱的高温气体加速机油氧化变质，缩短机油使用寿命；（3）下串气携带的酸性物质和水分加剧发动机内部腐蚀；（4）曲轴箱内压力波动幅度增大，增加曲轴箱油封、气门油封等密封件的负荷，导致机油泄漏风险上升；（5）大量机油蒸气随下串气进入燃烧室参与燃烧，导致机油消耗率显著升高，即“烧机油”现象。对于正常磨损的发动机而言，活塞环与气缸壁之间的间隙是决定气缸密封性能的最核心因素——这一间隙的尺寸变化直接决定了缸内压缩气体的泄漏量（即下串气量）；而在磨损导致的间隙增大中，活塞环开口间隙的贡献占比超过70%。

3、近年来，基于纳米效应摩擦化学的陶瓷化改性重建技术（亦称“金属磨损自修复技术”或“逆磨损”技术）展现出独特的气缸密封性能修复效果。该技术利用纳米级功能粒子在摩擦副表面闪温闪压条件下的扩散嵌合与氧化还原反应，在金属表面原位生成一层与基体呈冶金结合、梯度渗透的金属陶瓷改性层。该改性层能够填充气缸壁表面的微观磨损划痕（实测覆盖深度区间为0.015~0.025mm，最高可达0.04mm），同时在活塞环表面形成均匀的陶瓷化改性层，补偿活塞环的磨损量，恢复活塞环张力至新机状态的95%以上，将活塞环的开口间隙、侧隙、背隙等关键密封间隙恢复至原设计的合理区间。该技术可在不拆解发动机的前提下，以“逆向磨损”的动态修复方式，实现气缸密封性能的永久性恢复。

4、然而，现有技术中存在以下缺陷：

5、第一，目前对于陶瓷化改性重建技术提升气缸密封性能的定量效果评估，缺乏系统性的理论模型。工程实践中通常仅通过测量缸压恢复幅度来定性判断修复效果，但缸压提升与下串气量减少、曲轴箱压力波动收窄之间的定量对应关系尚未建立，导致无法全面评估技术效果。

6、第二，下串气量的直接测量需要专用的流量测量设备，且测量过程复杂、成本高昂，难以在常规维修场景中广泛应用。现有技术中缺乏一种通过易测参数（如缸压）反推难测参数（如下串气量、曲轴箱压力）的间接预测方法。

7、第三，现有内燃机窜气量预测方法多依赖于三维计算流体动力学（cfd）仿真，需要建立详细的发动机几何模型和复杂的边界条件设置，计算成本高、周期长，不适用于工程现场的快速评估需求。

8、第四，目前缺少针对陶瓷化改性重建技术这一特定技术手段的专用预测模型。现有的活塞环漏气模型均针对传统发动机磨损状态建立，未考虑陶瓷化改性重建后活塞环密封间隙的“逆向恢复”这一特殊工况。

9、因此，亟需开发一种能够基于易测的缸压数据，定量预测陶瓷化改性重建后发动机下串气量变化及曲轴箱压力波动变化的联动预测方法，为技术效果评估与工程应用提供量化依据。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种陶瓷化改性重建发动机缸压、下串气量及曲轴箱压力的联动预测方法。

3、本发明要解决的技术问题包括：（1）如何基于陶瓷化改性重建处理前后的缸压实测数据，定量计算活塞环等效密封间隙的变化量；（2）如何根据密封间隙变化量，利用可压缩气体流动理论计算下串气量的变化幅度；（3）如何根据下串气量变化量，结合曲轴箱通风系统的流量平衡方程，计算曲轴箱压力波动幅度的变化；（4）如何建立“缸压→密封间隙→下串气量→曲轴箱压力”的完整定量预测链条，实现从单一易测参数反推多个难测参数的技术效果。

4、（二）技术方案

5、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

6、方案一：密封间隙-缸压关系模型

7、本发明基于内燃机热力学原理，建立了陶瓷化改性重建处理前后缸压与活塞环等效密封间隙之间的定量对应关系。在发动机压缩冲程中，缸压的大小直接取决于活塞环与气缸壁之间的密封性能，而密封性能可用活塞环等效密封间隙来量化表征。陶瓷化改性重建技术通过填充磨损间隙、恢复活塞环张力，使等效密封间隙缩小，从而提升缸压。

8、该关系的数学表达式为：

9、

10、其中：

11、为陶瓷化改性重建处理后的气缸压缩压力，单位为bar；

12、为处理前的气缸压缩压力，单位为bar；

13、为与发动机结构相关的标定系数，为无量纲常数，取值范围为0.8~1.0，其取值通过同型号发动机的实测数据拟合标定获得；

14、s为处理后的活塞环等效密封间隙，单位为mm；

15、为处理前的活塞环等效密封间隙，单位为mm。

16、所述活塞环等效密封间隙s由活塞环开口间隙、侧隙和背隙的等效串联值确定：

17、

18、其中：

19、开口间隙，单位为mm；

20、侧隙，单位为mm；

21、为背隙，单位为mm；

22、α和β为通过实验标定的权重系数，α的取值范围为0.3~0.5，β的取值范围为0.1~0.3。

23、α和β的具体标定方法为：在发动机台架上，通过更换不同磨损程度的活塞环组，分别测量开口间隙、侧隙、背隙的独立变化及其对应的下串气量变化，将多组实测数据代入上述等效串联值公式，以α和β为待定参数，通过最小二乘法拟合得到最优解。本发明的典型实施例中，对于尚未进行专项标定的发动机，可采用α=0.4、β=0.2作为初始估算值。

24、方案二：下串气量流量方程

25、本发明基于工程流体力学中可压缩气体通过薄壁缝隙的流动理论，建立了下串气量的定量计算方法。活塞环密封间隙的泄漏通道可等效为薄壁小孔，下串气在密封间隙内的流动，可视为一维可压缩流体的绝热稳定流动。

26、下串气量质量流量的计算方程为：

27、

28、其中：

29、下串气量的质量流量，单位为kg/s；

30、为活塞环密封间隙的泄漏流量系数，为无量纲常数，其取值范围为0.80~0.95；

31、a为活塞环密封间隙的等效泄漏截面积，单位为m²；

32、k为泄漏气体的等熵指数，为无量纲常数，其取值范围为1.33~1.40；

33、为密封间隙上游的气体压力（即燃烧室内气体压力），单位为pa；

34、为密封间隙下游的气体压力（即曲轴箱内气体压力），单位为pa；

35、为密封间隙上游泄漏气体的密度，单位为kg/m³。

36、当密封间隙两侧的压力比满足临界条件时，流动达到音速状态，此时流量达到最大值，计算中自动切换至临界流动公式。

37、方案三：曲轴箱压力平衡方程

38、本发明基于流体连续性方程，建立了曲轴箱内气体压力变化的动态平衡方程。曲轴箱内的压力变化率，等于单位时间内窜入曲轴箱的下串气量，与单位时间内通过曲轴箱通风系统流出的气体流量之间的差值。

39、曲轴箱压力平衡方程的微分形式为：

40、

41、其中;

42、为曲轴箱内气体绝对压力，单位为pa；

43、t为发动机的工作时间，单位为s；

44、r为泄漏气体的气体常数，单位为；

45、t为曲轴箱内气体温度，单位为k；

46、为曲轴箱的内部容积，单位为m³，由发动机的具体结构参数确定，为常数项；

47、为下串气量的质量流量，单位为kg/s；

48、为单位时间内通过曲轴箱通风系统流出的气体质量流量，单位为kg/s，由曲轴箱通风系统的性能参数及曲轴箱内的压力水平决定。

49、在实际应用中，上述微分方程在发动机的一个工作循环周期内进行积分求解，得到曲轴箱内压力的波动幅度。

50、方案四：完整联动预测方法

51、一种陶瓷化改性重建发动机缸压、下串气量及曲轴箱压力的联动预测方法，包括以下步骤：

52、（1）数据采集步骤：获取发动机在陶瓷化改性重建处理前的初始缸压值；对所述发动机实施陶瓷化改性重建处理，获取处理后的实测缸压值。

53、（2）密封间隙计算步骤：根据所述初始缸压值和所述实测缸压值，按照所述密封间隙-缸压关系式计算活塞环等效密封间隙的变化量，得到处理后的活塞环等效密封间隙s。

54、（3）下串气量预测步骤：根据所述活塞环等效密封间隙s，按照所述可压缩气体通过薄壁缝隙的流量方程计算处理后的下串气量预测值。

55、（4）曲轴箱压力预测步骤：根据所述下串气量预测值，按照所述曲轴箱压力平衡方程计算处理后的曲轴箱压力波动幅度预测值。

56、（5）输出步骤：输出所述下串气量预测值和所述曲轴箱压力波动幅度预测值。

57、方案五：性能恢复效果评估方法

58、一种陶瓷化改性重建发动机性能恢复效果的评估方法，包括以下步骤：采用上述联动预测方法计算发动机经陶瓷化改性重建处理后的下串气量预测值和曲轴箱压力波动幅度预测值；获取同型号新发动机的标准下串气量值作为基准值，或将所述发动机在陶瓷化改性重建处理前的下串气量实测值作为基准值；将所述下串气量预测值与所述基准值进行比较，当较所述基准值的降低幅度达到预设阈值时，判定所述发动机的陶瓷化改性重建效果合格；或者，将所述曲轴箱压力波动幅度预测值与所述基准值对应的曲轴箱压力波动幅度进行比较，当所述预测值较所述基准值的降低幅度达到预设阈值时，判定所述发动机的陶瓷化改性重建效果合格。

59、方案六：性能预测系统

60、一种陶瓷化改性重建发动机性能预测系统，包括：

61、数据采集模块，用于获取发动机在陶瓷化改性重建处理前的初始缸压值和处理后的实测缸压值；

62、存储模块，存储有所述密封间隙-缸压关系式、可压缩气体薄壁缝隙流量方程和曲轴箱压力平衡方程的计算机程序指令；

63、处理模块，执行所述计算机程序指令，基于所述初始缸压值和所述实测缸压值计算下串气量预测值和曲轴箱压力波动幅度预测值；

64、输出模块，输出所述下串气量预测值和所述曲轴箱压力波动幅度预测值。

65、（三）有益效果

66、与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

67、1. 首次建立完整的定量预测链条：本发明首次系统建立了陶瓷化改性重建技术“密封间隙恢复→下串气量减少→曲轴箱压力收窄”的完整定量计算模型，揭示了缸压、下串气量与曲轴箱压力三者之间的内在联动关系，实现了从单一易测参数（缸压）反推多个难测参数（下串气量、曲轴箱压力）的技术突破。

68、2. 大幅降低检测成本：下串气量的直接测量需要专用的流量测量设备，测量过程复杂、成本高昂。本发明仅需常规的缸压测量即可完成预测，无需额外安装传感器或专用设备，显著降低了技术效果评估的成本和门槛。

69、3. 计算效率高，适用于工程现场：与现有的cfd仿真方法相比，本发明采用解析模型与半经验公式相结合的方式，无需建立复杂的几何模型和边界条件，计算过程简单、速度快，可在工程现场快速完成评估。

70、4. 预测精度满足工程要求：经实测数据验证，本发明模型计算得到的下串气量值与实测值的偏差幅度不超过4%，曲轴箱压力波动幅度的计算值与实测值的偏差幅度不超过5%，预测精度满足工程实际应用的要求。

71、5. 具备广泛的适用性和可扩展性：本发明的模型框架适用于各类四冲程往复活塞式内燃机，且模型参数可通过少量实测数据进行快速标定，具备良好的可扩展性。