增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門燒蝕實(shí)驗(yàn)分析及改進(jìn)

甘黎明 彭友成 秦麗萍

摘要：某三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在耐久性試驗(yàn)和熱負(fù)荷試驗(yàn)后，拆檢發(fā)現(xiàn)排氣門存在黑色斑點(diǎn)的腐蝕和燒蝕現(xiàn)象。為此，本文通過AVL FIRE軟件對氣缸套進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，旨在降低排氣溫度。結(jié)果表明：優(yōu)化后的氣缸套使排氣溫度在中高轉(zhuǎn)速工況下降低了80-100攝氏度;對優(yōu)化后的氣缸套進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，拆機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)，排氣門底面完好無損，成功解決了排氣門的腐蝕和燒蝕問題。

Abstract： After the durability test and thermal load test of a three-cylinder engine， the exhaust valve has black spots of corrosion and ablation after disassembly and inspection. For this reason， this article uses AVL FIRE software to improve and optimize the cylinder liner， aiming to reduce the exhaust temperature. The results show that the optimized cylinder liner reduces the exhaust temperature by 80-100 degrees Celsius at medium and high speeds; the optimized cylinder liner was tested for durability， and the disassembly test found that the bottom surface of the exhaust valve was intact， which was successfully resolved. The problem of corrosion and ablation of the exhaust valve is solved.

關(guān)鍵詞：氣缸套優(yōu)化;排氣門燒蝕;數(shù)值模擬;排氣溫度

Key words： cylinder liner optimization;exhaust valve ablation;numerical simulation;exhaust temperature

中圖分類號：U464 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0092-03

0 ?引言

隨著人類不斷的發(fā)展，汽車成為人們生活不可缺少的重要組成部分。近年來，隨著人類需求的不斷擴(kuò)大，向大氣排放有毒氣體和顆粒物，使人類的生存環(huán)境面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。近年來我國出現(xiàn)的大范圍的霧霾天氣，臺(tái)風(fēng)盛行，極端暴雨天氣，這些都和我們?nèi)祟惢顒?dòng)息息相關(guān)。近年來，為改善地球環(huán)境，提出了“碳達(dá)峰，碳中和”的發(fā)展思路。目前人類能量來源依然是石油化石能源，而汽車是消耗化石能源的主要?jiǎng)恿υ?，其燃燒性能，?dòng)力性能，排放特性對環(huán)境起到重要的作用。因此各大汽車生產(chǎn)商不斷開發(fā)新技術(shù)，開發(fā)新的燃燒系統(tǒng)，如PCCI，HCCI，RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)等。增加技術(shù)過去一直應(yīng)用于柴油機(jī)，近年來，為了提高燃燒效率，減少污染物的排放，增壓技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著渦輪增壓技術(shù)的運(yùn)用，燃燒溫度和壓力進(jìn)一步升高，對氣缸、活塞、排氣門等零部件提出了更高的要求。

本文通過國內(nèi)外研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[1-3]，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對排氣門由于排放溫度的提高而發(fā)生腐蝕問題，稱為燒蝕[4，5]。為解決此類問題，本文首先通過實(shí)驗(yàn)分析，數(shù)值計(jì)算的方法對氣缸蓋的水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低排氣門溫度，從而降低燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生，為增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 ?實(shí)驗(yàn)分析

三缸機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，如排量小，體積小，重量輕，節(jié)省燃油等優(yōu)點(diǎn)。本文以某型號1.2升汽油機(jī)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)發(fā)生氣門燒蝕問題展開，該發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所示。當(dāng)耐久性試驗(yàn)運(yùn)行至第11循環(huán)，熱機(jī)過程中聽到監(jiān)控音箱有爆震聲，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)第2缸排氣門燒蝕。如圖1所示。

從圖1中可以看出，排氣門出現(xiàn)了嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象，由光滑的排氣門平面轉(zhuǎn)變?yōu)榘纪共黄降钠矫妗Ｒ环矫媸怯捎谌紵彤a(chǎn)生的酸性氣體對平面具有腐蝕的作用;另一方面，由于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，所需噴油量增加，排氣溫度提高，對排氣門產(chǎn)生嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象。通常解決燒蝕問題的方法主要有：①通過減少燃油噴射量，或者推遲點(diǎn)火時(shí)刻，以達(dá)到降低排放溫度;②對排氣門進(jìn)行及時(shí)冷卻散熱，由于排氣門與氣缸套緊密結(jié)合，降低氣缸套的溫度，是達(dá)到降低排氣門溫度的有力措施;③升級排氣門的材料，使用耐溫特性更高的材料，提升氣門的耐高溫性能。

2 ?氣缸套改進(jìn)模擬分析

如前所述，為了解決由于燃燒溫度過高而產(chǎn)生的燒蝕問題，本文采用第二種方法，即改善氣缸蓋的散熱問題。在原氣缸蓋結(jié)構(gòu)不變的情況下，進(jìn)一步優(yōu)化氣缸蓋水套的流道組織，增強(qiáng)傳熱特性，從而達(dá)到給排氣門降溫的效果。水套優(yōu)化主要是通過優(yōu)化缸墊上水口分布以及優(yōu)化上水口尺寸，實(shí)現(xiàn)冷卻液的流量更加合理的分配，達(dá)到優(yōu)化氣缸蓋燃燒室熱量分布，避免形成局部高溫現(xiàn)象：

①優(yōu)化1處上水口，大尺寸的上水口優(yōu)化成數(shù)個(gè)小尺寸上水口，并且水口分布更加均衡;

②優(yōu)化2處上水口，基于水泵總體流量不變的前提下，減小此處上水口尺寸，使得更多的冷卻液往1處流動(dòng)，帶走更多排氣側(cè)熱量。改進(jìn)前和改進(jìn)后，氣缸套的模型如圖2所示。對氣缸套進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，初始值，利用AVL FIRE軟件對流固耦合進(jìn)行模擬仿真。

圖3分別給出了改進(jìn)前和改進(jìn)后氣缸套的傳熱系數(shù)。從圖中可以看出，改進(jìn)后氣缸頂部的氣缸蓋的傳熱系數(shù)均較小，但在氣缸邊緣區(qū)域，傳熱特性明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)榱黧w在氣缸套區(qū)域傳熱特性增強(qiáng)，有利于流體吸收熱量，溫度升高，此時(shí)當(dāng)通過氣缸套頂部流出時(shí)，由于流體溫度較高，溫差降低，傳熱系數(shù)降低。因此通過本次優(yōu)化和改進(jìn)，缸蓋水套燃燒室部分換熱系數(shù)明顯提升，缸體水套換熱系數(shù)趨于均衡，有效改進(jìn)燃燒室外部區(qū)域的散熱，從而有利于降低氣缸燃燒時(shí)的溫度，減輕排氣門的溫度。

圖4為氣缸套俯視溫度分布圖，從圖中可以看出，改進(jìn)后氣缸套的總體溫度分布偏低且較為均勻。在流體出口附近，改進(jìn)后的模型出口溫度較高，這是因?yàn)楦倪M(jìn)后的模型傳熱系數(shù)較大，氣缸套與流體的傳熱增強(qiáng)，在相同的流體流量下，液體的溫度增高，帶走更多的熱量。圖5為原水套和改進(jìn)水套溫度的對比，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，原水套存在局部溫度過高的情況，這不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，局部溫度過高，導(dǎo)致潤滑油溫度增高，潤滑效果下降，甚至出現(xiàn)燒機(jī)油的危險(xiǎn)工況。缸蓋水套變更后，缸蓋最高溫度降低了31°C，缸體最高溫度不變，但溫度場分布更加均衡。因此通過對氣缸套的增強(qiáng)換熱優(yōu)化，可以適當(dāng)降低排氣溫度。

圖6是對氣缸套優(yōu)化前和優(yōu)化后樣機(jī)排氣溫度的對比圖，從圖中可以看出，在低速狀態(tài)下（1000-2300rpm），排氣溫度和優(yōu)化前并無多大差別。隨著轉(zhuǎn)速的升高（2300-5500rpm），此時(shí)優(yōu)化后的模型對排氣溫度的降低效果較為顯著，降幅在80-100度區(qū)間。圖7是氣缸套改進(jìn)后，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行可靠性耐久性和熱負(fù)荷試驗(yàn)，拆機(jī)檢查氣缸套和排氣門的效果圖。和優(yōu)化前（圖1）的情況相比較，優(yōu)化后，氣門沒有出現(xiàn)腐蝕和燒蝕顯現(xiàn)?？梢娡ㄟ^對氣缸套進(jìn)行強(qiáng)化散熱，可有效的解決腐蝕和燒蝕問題。

3 ?結(jié)論

本文對針對三缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)排氣門出現(xiàn)了腐蝕和燒蝕現(xiàn)象，針對該問題，對氣缸套進(jìn)行改進(jìn)，改善其散熱和冷卻特性。并結(jié)合試驗(yàn)對優(yōu)化后的模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究。我們得出以下結(jié)論：①通過對進(jìn)氣套優(yōu)化之后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高到中高轉(zhuǎn)速時(shí)，優(yōu)化后的模型排氣溫度降低80-100度。②對優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)和熱負(fù)荷試驗(yàn)，拆機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，氣門完好無損，因此，對氣缸套進(jìn)行強(qiáng)化散熱可以解決排氣門腐蝕和燒蝕問題。

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