噴油器技術(shù)狀況對發(fā)動機壽命影響的研究方法

王 龍,王憲成

(陸軍裝甲兵學院車輛工程系，北京 100072)

0 引言

噴油器作為柴油發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)中的重要部件，主要作用是將高壓燃油進行霧化后噴入燃燒室內(nèi)，與缸內(nèi)空氣混合燃燒。燃油霧化質(zhì)量的好壞，直接影響缸內(nèi)燃燒，使發(fā)動機性能劣化，進而產(chǎn)生磨損，影響發(fā)動機壽命。通過噴油器的技術(shù)狀況對缸套磨損的研究，其流程如圖1。

圖1 噴油器技術(shù)狀況影響缸套磨損研究流程圖

目前，研究發(fā)動機磨損的方法，一是試驗分析，即通過試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律，如進行噴霧特性試驗，得到噴油器積碳前后的噴霧特性變化規(guī)律，通過控制變量進行磨損試驗，研究外界因素的影響等；二是仿真研究，基于仿真軟件對一些復雜過程建立近似模型，如模擬發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程，計算燃燒放熱和壁面溫度等，常用的仿真軟件有發(fā)動機流體動力仿真軟件CONVERGE、發(fā)動機工作過程模擬軟件GT-POWER及汽車仿真軟件AVL等。

1 積碳的形成及對噴霧特性的影響

廣西大學談軍華描述了積碳的產(chǎn)生原因，其形成主要受嘴端溫度和壓力、噴油器結(jié)構(gòu)、燃料性質(zhì)等條件的影響[1]。目前對于噴油器積碳獲取，一是模擬營造積碳的生成條件，通過試驗手段人工制造，如上海交通大學李洋基于Dibble燃燒器溫度場穩(wěn)定的特性，設計了一種可控噴油量的積碳生成裝置，最快可在3小時觀察到積碳的出現(xiàn)[2]；天津農(nóng)學院宋承艷基于MAX6675測量電路設計了積碳形成模擬裝置，可有效模擬噴油器的實際工作狀態(tài)，裝置生成的積碳成分與實際成分相似[3]。二是使用長期運行的噴油器直接研究，陸軍裝甲兵學院趙文柱使用Olympus光學電子顯微鏡觀察到噴孔積碳可分為孔口內(nèi)部和外部兩種積碳形式，并建立孔內(nèi)流動模型和噴霧模型，仿真研究了積碳形式對孔內(nèi)流速與噴霧形態(tài)的影響[4]；天津大學周建偉對積碳進行處理后觀察了結(jié)構(gòu)分布，利用X-Max80型能譜分析儀分析了積碳的主要元素成分與含量[5]。

積碳對燃油供給的影響，主要表現(xiàn)在燃油的噴霧特性上，其評價參數(shù)主要有噴霧貫穿距、噴霧錐角和霧化質(zhì)量。由于噴霧貫穿距和噴霧錐角易于在試驗中測量和提取，因此，目前國內(nèi)對柴油機噴霧特性的研究普遍采用這二者作為研究對象。一般的研究，通常采用高速攝像機等設備對噴霧狀態(tài)進行拍攝，通過圖像處理技術(shù)得到噴霧特性。天津大學裴毅強[6]、張小雨[7]，陸軍裝甲兵學院王憲成[8]，廣西大學宛仕棖[9]等都是基于此方法研究了噴油器積碳對噴霧特性的變化規(guī)律。

2 噴霧質(zhì)量對缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的影響

噴霧質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響缸內(nèi)燃燒的效果。陸軍裝甲兵學院王憲成使用CONVERGE軟件仿真發(fā)動機噴霧燃燒模型，研究了積碳對燃燒過程中的燃空當量比、溫度分布、燃燒放熱、缸壓的變化，模型最大誤差為3.2%[10]；趙文柱在單缸柴油機臺架上進行積碳和未積碳噴油器的對比試驗，對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性相關的參數(shù)指標進行了研究[11]；天津大學史俊杰通過試驗研究了噴油器不同擠研程度的霧化效果，并對燃燒放熱率峰值和壓力進行了分析[12]；吉林大學江濤基于FIRE仿真軟件研究了高壓噴射狀態(tài)下的噴霧特性和燃燒過程中放熱量與壓力的結(jié)果[13]。

3 燃燒狀態(tài)對缸套磨損的影響

在氣缸內(nèi)，混合氣體燃燒產(chǎn)生的壓力通過曲軸連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)化為發(fā)動機的動力，由于缸套、活塞環(huán)等組件長期處于高溫高壓的惡劣工作條件下，因此極易產(chǎn)生磨損，當磨損達到一定程度時，發(fā)動機就需要大修或報廢。陸軍裝甲兵學院李奇采用NovaNanoSEM450/650型高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察運行500h后的缸套和活塞環(huán)表面形貌，分析了缸套上、中、下三個位置存在的多種磨損類型，并推斷出形成機理[14]；北京理工大學楊振宇總結(jié)了缸套-活塞環(huán)摩擦副相互作用的6個主要因素[15]；上海交通大學孟祥慧經(jīng)試驗研究，缸套-活塞環(huán)摩擦副產(chǎn)生的磨損，是影響發(fā)動機壽命的主要原因[16]；上饒師范學院何星針對測量發(fā)動機磨損在不解體情況下困難的問題，通過建立磨損模型研究了環(huán)境條件和發(fā)動機工況對磨損的影響，模型誤差4.2%[17]。

由于發(fā)動機在實際工作過程中，工況變化的多樣性較為復雜，因此對于缸套-活塞環(huán)的磨損研究，一般是從穩(wěn)定載荷下的磨損開始的，在此基礎之上進一步研究真實條件下的磨損量。劉峰璧基于粗糙面間的表面磨損，推導出輪廓概率密度計算方法，并建立二體磨損動態(tài)模型[18]。

陸軍裝甲兵學院王憲成建立了動載荷磨損計算模型，采用低階響應面法擬合試驗數(shù)據(jù)求解相關系數(shù)，經(jīng)驗證，表面粗糙度誤差最大為4.52%，磨損質(zhì)量誤差最大為6.15%[20]。

4 結(jié)論

目前對于發(fā)動機磨損的研究較為廣泛，通過試驗和仿真建模結(jié)合的方法進行研究，可以有效地建立各因素之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)變量的影響規(guī)律，得到較為準確的結(jié)果。下一步的研究，通過改變其他影響變量對模型進行修正，建立高精度的實車運行條件下的發(fā)動機磨損模型。