臺灣博碩士論文加值系統

本文主要探討活塞環的幾何形狀與汽缸壁表面品質特性對於引擎磨潤行為的影響，並企圖改變活塞環幾何形狀與汽缸壁表面品質,以改善其耐磨耗能力、降低機油消耗率與洩漏損失率。實驗規劃則利用田口式參數設計法，將活塞環(壓縮環、刮油環)輪廓形狀與汽缸壁的搪磨交叉角及面粗度做改變，以找出影響機油消耗率與洩漏損失率的特性因子，並作為後續實驗規劃的依據。各種影響因子的評估則使用引擎試驗機與實車進行測試，並使用掃描式電子顯微鏡(SEM)與能量分散光譜儀(EDS)作表面磨損分析，以找出主要的磨耗機構，並評估活塞環幾何形狀與油膜形成能力之關係，以期能增加磨潤效果及降低引擎動力之摩擦損失。
試驗的結果顯示，活塞環幾何外觀尺寸的減小，會造成活塞與活塞環間配合間隙變大而改變其顫動情形，使機油消耗率明顯的增加。利用田口式參數設計法分析，可以確定影響機油消耗率的最主要因子為刮油環角度，而汽缸壁面粗度、壓縮環幾何輪廓僅為次要因子。最後，依最適參數的水準組合進行驗證實驗，其結果顯示機油消耗率確實能有效的減小。
綜合實驗結果可以確定，活塞環(壓縮環)幾何形狀以圓弧形接觸面設計可減少洩漏損失率，並有助於潤滑油膜厚度的增加使活塞環與汽缸壁的磨耗量明顯的降低;汽缸壁表面品質的要求，對面粗度而言，太粗糙或過於平整的表面對機油消耗量均有不良之影響，並且搪磨角度變小，有助於擠壓項油膜的形成能使潤滑效果增加，減小磨耗的產生。

Weather the lubrication of engine can be effected by the surface property of cylinder wall and the geometrical shape of piston ring or not has been researched in this study. Here, we try different alternated surface property of cylinder wall combining the geometrical shape of piston ring in order to improve wearing resistance, reduce oil consumption and lower loss rate by blowing. Experiments design by Taguchi parameter method. Firstly, we change the contour of piston ring and the surface roughness of cylinder wall to find out the factors effecting on oil consumption rate and blowing loss rate, furthermore, construct a standard for following experiments. We not only use engine bench testers and motorcycles to assess each above factors, but also exam their surface roughness by canning electronic microscope (SEM) and EDS to find out the main wear mechanism of worn surface respectively Furthermore, we estimate the relationship between the thickness of oil membrane and the geometrical shape of piston ring. By doing so, we hope to be able to enhance the lubrication of engine and decrease power loss from roughness and improve the wear resistance.
The result reveals that shrinking geometrical size of piston ring will make the tolerance gap between piston ring and piston bigger, so that further influence their flatter and resulting in the rapidly alteration of oil consumption. Using Taguchi parameter design method to analyze results can determine the main reason effecting on oil consumption is oil ring angle, while the roughness of cylinder wall and the geometrical shape of compress ring remain only the Top two cause. In conclusion, for the geometrical shape of piston ring, barrel face is the best choice, which can not only reduce the losing rate of leaking, but alsolower wearing rate. For the surface property of the cylinder wall, both over rough or too smooth won''t reduce oil consumption. Besides, diminishing cross-angle will stimulate the forming of squeeze oil, and result in better lubrication and less wearing.

中文摘要 ……………………………………………………….….Ⅰ
英文摘要 …………………………………………………………. Ⅲ
誌謝 ………………………………………………………………..Ⅴ
目錄 …………………………………………………………….….Ⅵ
表目錄 ……………………………………………………….…….Ⅷ
圖目錄 …………………………………………………….……….Ⅹ
第一章 前言…………………………………………………..…….…….1
第二章文獻回顧
2.1 摩擦、磨耗機構………………………………………………….3
2.2 表面性質與磨潤特性之關係…………………………………...5
2.2.1 潤滑模式……………………………………...………….5
2.2.2 表面粗度與油膜吸附現象………………………..……..7
2.3 活塞環的發展與研究…………………………………………….9
2.3.1 活塞環主要功用…………………………………………..9
2.3.2 活塞環的型式與應用…………………………………….10
2.4 分析活塞環之力學及流場模式分析……………………………10
2.4.1 應力分析………………………………………………….10
2.4.2 雷諾方程式之應用……………………………………….12
2.4.3 活塞環的顫動…………………………………………….13
2.5 四行程機車引擎之潤滑方式…………………………………….14
2.5.1 引擎潤滑系統之種類 ………………………….……….14
2.5.2 鐵基汽缸壁之石墨效用………………………………….15
2.5.3 汽缸壁及活塞外徑之含油方式設計…………………….15
2.6 引擎運轉時會發生之異常行為………………………………..16
2.6.1 耗機油……………………………….……………………16
2.6.2 洩漏損失………………………………………………….17
2.6.3 燒付…………………………………………………….…17
2.7 田口式實驗計劃法………………………………………………18
第三章實驗方法與步驟
3.1 實驗方法…………………………………………………….…..28
3.2 活塞環及汽缸的製程…………………………………………...28
3.2.1 活塞環……………………………………………….…..28
3.2.2 汽缸……………………………………………………...31
3.3 實驗試片………………………………………………….…....32
3.4 試片名詞之定義說明…………………………………………….33
3.5 實驗條件…………………………………………………….....34
3.6 實驗設備…………………………………………………….....34
3.6.1 試片加工設備…………………………………………...34
3.6.2 實驗設備與儀器………………………………………….35
3.6.3 分析儀器………………………………………………….37
3.7 實驗程序………..……………………………………………...38
第四章 實驗結果與討論
4.1 引擎轉數與燃料及機油消耗率之關係………..……………...41
4.2 田口直交表實驗結果與討論…………………………..……...42
4.2.1 機油消耗率…………………………..….……………..43
4.2.2 洩漏損失率……………………………...……………..43
4.3 變異數分析(ANOVA)…..……………….……………………...44
4.3.1 機油消耗率之變異數分析……………………..44
4.3.2 洩漏損失率之變異數分析……….…………….45
4.4 最適條件下的最佳值預估與驗證實驗………………..45
4.4.1 機油消耗率之訊噪比的最適條件預估與驗證..45
4.5 活塞環幾何形狀的磨潤特性及對引擎性能之影響…..46
4.5.1 活塞環徑向厚度(T)之影響…………………….46
4.5.2 活塞環軸向寬度(B)之影響…………………….47
4.5.3 活塞環兩軸差之影響…………………………..49
4.5.4 活塞環幾何尺寸外形效應的評估……………..50
4.5.5 引擎磨合前後對機油消耗率之影響…………..50
4.5.6 活塞環與活塞溝槽磨耗形態綜合評估……....51
4.6 活塞環幾何特徵的磨潤特性及對引擎性能之影響
4.6.1 接觸面弧高(H)之影響………………………...53
4.6.2 引導角(leading edge)之影響………………..55
4.6.3 不同活塞環幾何特徵的磨耗形態與磨耗量分析56
4.7 汽缸壁的表面形態對耐磨耗能力及引擎性能之評估
4.7.1 面粗度與搪磨交叉角度之影響………………..58
4.7.2 磨耗量與磨耗形態之評估……………………..59
4.8 不同汽缸壁材料耐磨耗能力之比較……………………63
4.8.1 燒付形態之比較……………………………....65
第五章 結論與建議
5.1 結論………………………………………………….…67
5.2 未來研究方向與建議………………………………...69
參考文獻…………………………………………………………………..70
表目錄
表3.1 活塞環加工流程順序表………………………………………...76
表3.2 汽缸加工流程順序表…………………………………………….76
表3.3 實驗試片各種重要性質表……………………………………...77
表3.4 表(A)實驗一~六之內容與改變的因子對照表…………………..79
表3.5 表(B)各種引擎測試實驗條件與時間對照表…………………..79
表3.6 實驗試片成份表………………………………………………...80
表4.1 田口實驗直交表配置與實驗結果……………………………...81
表4.2 機油消耗耗率與洩漏損失率之訊噪比(S/N)…………………..82
表4.3 各因水準機油消耗耗率訊噪比重要度………………………...82
表4.4 各因水準洩漏損失率訊噪比重要度…………………………...82
表4.5 機油消耗率之變異數分析………………………………..83
表4.6 洩漏損失率之變異數分析………………………………..83
表4.7 活塞環幾何形狀對於引擎性能的影響(一)…………………….84
表4.8 引擎磨合前後機油消耗率/洩漏損失率/機油溫度之差異…….84
表4.9 活塞環幾何形狀對於引擎性能的重要度 (二)……….……….84
表4.10 活塞環(壓縮環)的弧高(H)改變對引擎性能的影響…………..85
表4.11 活塞環(壓縮環)的前導角(θ)改變對引擎性能的影響……...85
表4.12 活塞環的弧高改變對徑向厚度(T)磨耗量之影響……………..86
表4.13 活塞環的前導角改變對徑向厚度(T)磨耗量之影響…………..86
表4.14 汽缸壁表面形態改變對引擎性能的影響……………………….87
表4.15 汽缸壁表面形態改變對內徑磨耗量之影響…………………….88
表4.16 汽缸壁表面形態改變對內徑真圓度差異量之影響…………….88
表4.17 汽缸壁表面形態改變對活塞外徑磨耗量之影響……………...89
表4.18 汽缸壁表面形態改變對塞環徑向厚度磨耗量之影響.………..89
圖目錄
圖1.1 引擎動力輸出的摩擦總損失圖〔14〕……………………………90
圖2.1 對磨件間磨耗模式的分類〔6〕………………………………….90
圖2.2 磨耗機構圖〔3〕〔36〕〔43〕………………………………….91
圖2.3 二體(two-body)與三體(three-body)刮磨磨耗的形態〔6〕….93
圖2.4 硬質顆粒在材料表面造成刮磨磨耗的形態〔6〕………..…….93
圖2.5 表面疲勞模式與脫層理論示意圖〔43〕………………………..94
圖2.6 引擎各零件之潤滑情形運用在潤滑特性曲線圖〔50〕………..95
圖2.7 邊界潤滑示意圖〔36〕…………………………………………..96
圖2.8 混合潤滑示意圖〔36〕…………………………………………..96
圖2.9 液動潤滑示意圖〔36〕………………………………………..…96
圖2.10 面粗度之阻隔效用及與潤滑油吸附量之關係〔13〕〔45~47〕97
圖2.11 活塞環的種類與組立圖〔20〕….……………………………..98
圖2.12 刮油環支撐架的剖面圖………………………………………….98
圖2.13 活塞環(壓縮環)的型式〔14〕.………………………………..99
圖2.14 活塞環的接觸面壓與張力示意圖〔16〕……………………..100
圖2.15 缸壁動力衝擊面與壓縮衝擊面示意圖〔14〕………………..100
圖2.16 諾方程式中之平板潤滑模式示意圖〔19〕…………………..101
圖2.17 塞環背面與側面間隙剖面圖…………………………………..101
圖2.18 四行程機車引擎潤滑系統圖〔29〕..………………………..102
圖2.19 活塞的含油設計………………………………………………..103
圖2.20 品質損失函數圖〔24〕………………………………………..104
圖2.21 二次損失函數的四種變化型態〔24〕………….…………….105
圖3.1 引擎試驗機圖…………………………………………………….106
圖3.2 引擎組合圖〔29〕……………………………………………….107
圖3.3 磨耗試驗程序流程圖…………………………………………….108
圖3.4 實驗試片活塞環的接觸弧高(H值)……………………………..109
圖3.5 汽缸壁的動力衝擊面與壓縮衝擊面示意圖…………………...109
圖4.1 引擎轉速與洩漏損失/機油消耗率/燃料消耗率之關係……….110
圖4.2 高轉速引擎活塞環固定方式………………………….………..111
圖4.3 引擎轉速與潤滑油膜厚度之關係〔30〕……………..……….111
圖4.4 機油消耗率的訊噪比…………………………………..……….112
圖4.5 洩漏損失率的訊噪比…………………………………………….112
圖4.6 F檢定示意圖〔23〕……………….…….……………….113
圖4.7 活塞環幾何尺寸改變對洩漏損失率及機油消耗率之影響…….113
圖4.8 引擎轉數改變時,不同活塞環尺寸,馬力輸出之變化情形…….114
圖4.9 活塞環幾何尺寸改變對磨合前後洩漏損失率及機油消耗率
之差異…………………………………………………………..115
圖4.10 洩漏損失與活塞環幾何尺寸之關係…………………………..116
圖4.11 活塞第一溝槽示意圖…………………………………………..117
圖4.12 活塞環軸向寬度(B)減小,在7500rpm之條件下連續運轉
25小時的磨耗形態…………………………………………….118
圖4.13 不同尺寸之活塞環試驗後之B面磨耗形態…………………….121
圖4.14 一般商用活塞環試驗後B面的磨耗形態………..…………….122
圖4.15 活塞環側面示意圖……………………………………………..123
圖4.16 不同幾何形狀的活塞環對於FACE(A)的磨耗形態
之影響………………….……………………………………….124
圖4.17 活塞環正下方示意圖…….…………………………………….128
圖4.18 商業用活塞環試驗後B面的磨耗形態….……………….…….129
圖4.19 不同的活塞環幾何形狀與機油消耗率之關係圖.…………….130
圖4.20 不同的活塞環幾何形狀與洩漏損失率之關係圖…….……….130
圖4.21 不同的活塞環引導角(0°,45°,0°)與機油消耗之關係圖…..131
圖4.22 不同的活塞環幾何形狀與磨耗量之關係圖…………………..131
圖4.23 活塞環側面示意圖….………………………………………….132
圖4.24 接觸面弧高為H1的活塞環,在7000rpm連續運轉20小時的
磨耗形態…………………………………………………….…..133
圖4.25 接觸面弧高為H2的活塞環,在7000rpm連續運轉20小時的
磨耗形態………………………………………………………….134
圖4.26 接觸面弧高為H3的活塞環,在7000rpm連續運轉20小時的
磨耗形態…………..…………………………………………….135
圖4.27 無前導角設計的活塞環,在7000rpm連續運轉20小時的
磨耗形態……………..………………………………………….136
圖4.28 有前導角設計的活塞環,在7000rpm連續運轉20小時的
磨耗形態………………..……………………………………….137
圖4.29 汽缸壁表面性質對機油消耗率之影響…..…………………..138
圖4.30 活塞衝擊磨耗示意圖…………………………………………..139
圖4.31 活塞環徑向厚度磨耗量與汽缸壁面粗度及搪磨角度
的關係…………………………………………………………….140
圖4.32 汽缸壁不同位置磨耗量與汽缸壁面粗度及搪磨角度
的關係…………………………………………………………….140
圖4.33 不同汽缸壁表面形態(面粗度及搪磨角度)對活塞、汽缸壁
、活塞環的磨耗量關係…………………………………………..141
圖4.34 汽缸動力衝擊面示意圖………………………………………..142
圖4.35 汽缸壁面粗度0.44Ra、交叉角度20∘,在8500rpm下連續運轉
20小時,動力衝擊面表面的磨耗形態(試片編號:R1θ1)..…….143
圖4.36 汽缸壁面粗度0.15Ra、交叉角度20∘,在8500rpm下連續運轉
20小時, 動力衝擊面表面的磨耗形態(試片編號:R2θ1)……..144
圖4.37 汽缸壁面粗度0.43Ra、交叉角度60∘,在8500rpm下連續運轉
20小時,動力衝擊面表面的磨耗形態(試片編號:R1θ2)……….145
圖4.38 汽缸壁面粗度0.14Ra、交叉角度60∘,在8500rpm下連續運轉
20小時,動力衝擊面表面的磨耗形態(試片編號:R2θ2)……….146
圖4.39 活塞環側面示意圖……………………….………………….…147
圖4.40 汽缸壁面粗度0.44Ra、交叉角度20∘,在8500rpm下連續運轉
20小時,活塞環軸向表面(FACE A)的磨耗形態……………..….148
圖4.41 汽缸壁面粗度0.15Ra、交叉角度20∘,在8500rpm下連續運轉
20小時,活塞環軸向表面(FACE A)的磨耗形態………………….148
圖4.42 汽缸壁面粗度0.43Ra、交叉角度60∘,在8500rpm下連續運轉
20小時,活塞環軸向表面(FACE A)的磨耗形態……………..….149
圖4.43 汽缸壁面粗度0.44Ra、交叉角度60∘,在8500rpm下連續運轉
20小時,活塞環軸向表面(FACE A)的磨耗形態………………….150
圖4.44 鑄鐵汽缸壁的動力衝擊面與壓縮衝擊面燒付形態之差異……151
圖4.45 鑄鐵汽缸壁動力衝擊面的總體燒付情形………………….….151
圖4.46 鑄鐵汽缸壁動力衝擊面方向的燒付形態………………………152
圖4.47 鑄鐵動力衝擊面的總體燒付情形……………………………..153
圖4.48 鑄鐵壓縮衝擊面的區域型體燒付(local scuffing)情形……154
圖4.49 汽缸燒付後產生局部的嚴重局部黏著磨耗現象…………….156
圖4.50 鑄鐵材質與陶瓷材質汽缸壁動力衝擊面的燒付形差異………157
圖4.51 鑄鐵材質與陶瓷材質汽缸壁動力衝擊面的燒付形差異……..158
圖4.52 陶瓷汽缸上死點MAPPING分析……………………….…………159
圖4.53 陶瓷汽缸行程中的MAPPING分析.………………………………160
圖4.54 活塞的燒付形態……………………….……………………….161
圖4.55 活塞燒付後圖4.54位置位置A的MAPPING分析…………….….162
圖4.56 活塞燒付後圖4.54位置B的MAPPING分析………….………….162

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