基于熱-流-固耦合的發(fā)動機(jī)活塞組件熱疲勞實驗臺設(shè)計研究

曹藝隆，王貴新，俞謙，趙嘉琪，朱甲梁

（哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

對于車用柴油發(fā)動機(jī)，提高其功率密度一直是其主要的研究方向，這使得柴油機(jī)活塞的工作條件不斷惡化。氣缸壓力與往復(fù)慣性力不僅使其承受較大的機(jī)械負(fù)荷，周期變化的燃燒溫度和自身較大的溫度差異還使其承受巨大的熱負(fù)荷。

早期活塞溫度場的研究主要是通過對活塞模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，進(jìn)而評估其熱疲勞特性。1985年，張南林等將K48E型柴油機(jī)活塞模型視為軸對稱模型，應(yīng)用邊界元法對活塞進(jìn)行了溫度場計算。2001年，丁宏偉應(yīng)用有限元分析軟件得到了活塞表面各部分的溫度分布。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對活塞溫度場的分析模型更為復(fù)雜，計算結(jié)果更準(zhǔn)確。2016年，李闖對某型柴油機(jī)活塞利用數(shù)值模擬方法，研究了具有9種不同形狀油腔的活塞溫度場分布。2017年，高鵬飛采用子結(jié)構(gòu)法對活塞溫度場進(jìn)行了有限元分析，得到了更精細(xì)的活塞溫度場。但通過計算分析得到活塞溫度場的方法存在局限性，燃燒室內(nèi)的渦流與活塞的振蕩冷卻很難得到計算模擬，同時，計算結(jié)果也缺乏實驗驗證。對活塞溫度場測量的實驗研究方法主要方法有硬度塞法、熱電偶法、熱敏電阻、紅外熱像法、易熔合金法等。目前，對發(fā)動機(jī)活塞溫度場的實驗研究一般在實機(jī)上進(jìn)行。Sihling等對四氣門高速外增壓柴油機(jī)氣缸蓋燃燒室的瞬時表面溫度變化進(jìn)行了測量，實測的局部平均瞬時換熱系數(shù)與理論計算結(jié)果有很好的一致性。2014年，Enomoto等采用薄膜熱電偶測量了自然吸氣直噴式柴油機(jī)燃燒室的瞬時溫度，得到了各測點的瞬時熱流密度。但實機(jī)測量一直存在實驗過程復(fù)雜、實驗成本較高、實驗干擾大等問題。

為了解決數(shù)值仿真和實機(jī)測試中面臨的問題，本文詳細(xì)敘述了用于活塞溫度場測試實驗臺設(shè)計。實驗臺采用模塊化設(shè)計，具有較強的任務(wù)適應(yīng)性，可以實現(xiàn)110mm缸徑以內(nèi)的發(fā)動機(jī)活塞溫度場測試，是發(fā)動機(jī)活塞正向研發(fā)過程中的關(guān)鍵設(shè)備。

1 實驗臺方案的確定

1.1 基本布局要求

實驗臺設(shè)計的核心是保證活塞的換熱條件與實際發(fā)動機(jī)一致。對于傳熱部分，采用乙炔火焰加熱，并產(chǎn)生一定程度的渦流。對于散熱部分，實際發(fā)動機(jī)活塞通過振蕩冷卻進(jìn)行散熱，需要對冷卻油與冷卻水的流量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到相同的對流換熱系數(shù)。

1.2 方案可行性對比

為了滿足基本布局的要求，給出了三種設(shè)計方案，按照其控制方式，分為自動控制方案、半自動控制方案、手動控制方案。通過對三種方案的對比分析，確定最終設(shè)計方案。

1.2.1 自動方案

圖1 自動方案結(jié)構(gòu)

自動控制方案由直線運動模塊、角度控制模塊、進(jìn)給控制模塊、排溫與排氣模塊、冷卻水套與機(jī)架組成，該設(shè)計中所有運動件的控制均由程序自動控制，實驗過程中檢測到的數(shù)據(jù)將實時反饋到中央處理器，處理器通過閉環(huán)控制維持燃燒溫度的穩(wěn)定。

1.2.2 半自動方案

半自動方案的實驗臺在自動方案的基礎(chǔ)上簡化了控制，取消了一部分運動件；為了便于安裝和調(diào)節(jié)，加大了結(jié)構(gòu)尺寸，考慮到排溫的要求，設(shè)計了排氣筒用于排煙。相比自動方案的開放式的燃燒室，半自動方案的乙炔燃燒室四周封閉，僅通過煙囪與外界相連，該結(jié)構(gòu)保留了火焰與活塞表面距離調(diào)節(jié)的功能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 半自動方案結(jié)構(gòu)

1.2.3 手動方案

手動方案取消了全部由電機(jī)與相應(yīng)的控制系統(tǒng)，模塊的運動依靠齒輪傳動，角度控制采取手動調(diào)節(jié)。燃燒室沿用了自動方案的開放式設(shè)計，但結(jié)構(gòu)尺寸有所擴(kuò)大，這一方面考慮到人工調(diào)控需要足夠的空間，另一方面，需要防止手輪等位置溫度過高。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 手動方案結(jié)構(gòu)

1.3 方案的最終確定

自動方案最主要的優(yōu)點在于自動化程度較高，控制快速精準(zhǔn)。實驗臺高度僅875mm，長度、寬度僅400mm，整體結(jié)構(gòu)非常緊湊。由于火焰噴嘴設(shè)計有三個可以調(diào)控的自由度，只要活塞直徑不變，可以完成不同工況下的活塞溫度場實驗，具備較好的任務(wù)擴(kuò)展性能。其缺點在于較高的控制難度，要調(diào)控好數(shù)量較多的電機(jī)和電磁閥需要增多自動控制模塊的接口，導(dǎo)致成本較高；同時，整機(jī)散熱上存在一定的問題，長時間實驗將導(dǎo)致電機(jī)熱負(fù)荷也較大，影響程序控制。

半自動方案相比自動方案，降低了控制難度，同時，還保持了較好的控制調(diào)節(jié)能力。由于半自動方案提升了實驗臺體積，加大了安裝和調(diào)試空間，提升了人機(jī)交互性能。同時，該方案排溫效果也更好。由于設(shè)計了排溫機(jī)構(gòu)，避免了排氣高溫對實驗臺機(jī)體的過度加熱，故在實驗過程中可以提升加熱溫度，提高熱負(fù)荷的加載范圍。

手動方案的特點在于結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，由于取消了價格較高的電機(jī)等自動化設(shè)備，使得其制造加工成本較低。其缺點在于，實驗過程中無法實現(xiàn)快速有效的控制，同時，開放式燃燒室在缺乏連續(xù)調(diào)節(jié)的情況下將無法保證傳熱散熱能夠更為穩(wěn)定。

綜上所述，從成本、研制難度以及實驗精度3方面考慮，選擇半自動方案為詳細(xì)設(shè)計的最終方案。

2 方案詳細(xì)設(shè)計

實驗臺包括4個模塊，其中2個模塊為功能模塊，另兩個模塊為電控擴(kuò)展模塊。功能模塊是保證實驗臺正常工作的基礎(chǔ)，不可替換；擴(kuò)展模塊用于存放實驗現(xiàn)場的一些實驗設(shè)備。其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實驗臺整體結(jié)構(gòu)

2.1 臺架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 燃燒室臺架設(shè)計

為了便于調(diào)整活塞觀察燃燒效果以及測試設(shè)備的安裝，燃燒室的部分零件可通過臺架上的抬升機(jī)構(gòu)對位置進(jìn)行調(diào)整，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 燃燒室臺架結(jié)構(gòu)

2.1.2 活塞支撐臺架設(shè)計

由于活塞安裝到實驗臺中后，還需要與冷卻油路的油管、熱電偶的導(dǎo)線相連，故需要考慮管路以及線路的布置。為了滿足以上需求，在臺架上設(shè)計滾珠絲杠直線運動模組用以對活塞的推入與拔出，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 活塞支撐臺架結(jié)構(gòu)

其中，提升板與兩個滾珠絲杠直線運動模塊連接，活塞放置在機(jī)構(gòu)上端。當(dāng)提升板向下運動時，活塞從燃燒室內(nèi)部拔出，只需要拆除活塞與活塞支撐管的連接螺釘即可完成活塞的更換。

2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

冷卻系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)參考實機(jī)工作過程中的活塞缸套的工作條件，再結(jié)合普通液壓系統(tǒng)元器件的要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如表1所示。

表1 冷卻系統(tǒng)參數(shù)

進(jìn)口及出口加溫度傳感器；進(jìn)口加流量傳感器；傳感器需接入PLC，便于實時顯示數(shù)據(jù)，工作條件設(shè)定如表2所示。

表2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)

油泵將冷卻油泵入活塞，其轉(zhuǎn)速可以調(diào)整，油泵出口通過泄壓閥調(diào)定油路壓力，再通過節(jié)流閥調(diào)定流速。實驗過程中，流速和壓力可以通過PLC系統(tǒng)控制，溫度通過傳感器采集，實驗人員只需調(diào)整冷卻油流量保持出口溫度穩(wěn)定即可。對于液壓源，油泵采用變頻電機(jī)驅(qū)動齒輪泵供油；溢流閥額定壓力2.5MPa。此外，油液需要有過濾功能，需要配置吸油過濾器；為了對冷卻油進(jìn)行冷卻，油路需要增加回油冷卻器。對于缸套冷卻，其原理和活塞冷卻相同，也需要單獨的泵站用于泵水，對回水管路依然需要冷卻水塔進(jìn)行冷卻。

2.3 燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計

燃?xì)庀到y(tǒng)包括氣瓶、燃?xì)夤堋⑷紵齻}、控制元件與傳感器元件組成。制器選用西門子S7-200SMAR小型PLC，輸入采用直流漏型接法，輸出采用直流繼電器接法，輸出接中間繼電器。

燃燒倉在點火時，加熱啟停控制繼電器用于控制火焰監(jiān)測器加電，點火時程控閉合，點火失敗、異常熄火、停爐熄火和超溫熄火時程控斷開。火焰監(jiān)測器加電后，按時序給高能點火器加電，控制高能點火槍點火；按時序使控制繼電器閉合，燃?xì)怆姶砰y開通，向燃燒倉供燃?xì)猓煌瑫r，根據(jù)爐火狀態(tài)信號，控制著火繼電器、熄火繼電器相應(yīng)動作。火焰探測器用于實時檢測爐火狀態(tài)，向火焰監(jiān)測器提供爐火狀態(tài)信號。熱電偶模塊選用EM231，PLC控制器利用熱電偶信號送達(dá)的信號測定燃燒倉內(nèi)溫度。

3 燃燒室溫度場仿真

燃燒室承受較高的熱負(fù)荷，實驗臺可以提供的最高燃燒溫度可達(dá)3000℃，這對燃燒室材料的選擇提出了極高的要求。為了校核燃燒室結(jié)構(gòu)的耐熱性能，依據(jù)各零件的溫度合理選擇材料，需要對燃燒室進(jìn)行溫度場計算。燃燒室內(nèi)溫度分布與燃燒室內(nèi)氣體流動有關(guān)，因此，需要考慮流場對溫度場的影響，這需要對燃燒室進(jìn)行流固耦合的仿真計算。

CFD計算采用實驗臺極限工況計算，既氣流入口溫度設(shè)定為最大燃燒溫度，入口速度設(shè)定為噴嘴能提供的最大噴射速度。對于該實驗臺，燃料在噴嘴內(nèi)部就已經(jīng)混合燃燒，對于乙炔與氧氣的混合火焰燃燒溫度最高為3000℃，噴口流速最大為3m/s。流場和溫度場仿真結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 燃燒室內(nèi)流場

如圖7所示，由于火焰噴嘴采用了偏置布置，燃燒室內(nèi)部出現(xiàn)了繞燃燒室軸線旋轉(zhuǎn)的氣流。在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，為了促進(jìn)燃料與空氣的混合，會產(chǎn)生進(jìn)去渦流，在實驗臺上，可以通過調(diào)節(jié)噴嘴流速達(dá)到相似的渦流強度。圖8可見最高溫度為2701K，位置在火焰進(jìn)口處，燃燒室靠近火焰噴嘴處溫度均大于1000℃，故燃燒室必須選擇耐熱材料，均采用陶瓷制作。燃?xì)鉁囟瓤梢哉{(diào)節(jié)，3000℃為該實驗臺燃燒溫度的極限工況，實際燃燒溫度需要根據(jù)活塞工作狀況進(jìn)行確定，一般情況下，為保證活塞上表面溫度穩(wěn)定在500K左右，燃燒溫度需要控制在1200℃左右，防止過高溫度對活塞以及活塞上布置的傳感器產(chǎn)生破壞。

圖8 燃燒室固體域表面溫度場

4 結(jié)語

本文詳細(xì)敘述了實驗臺的設(shè)計，并利用流固耦合仿真，確定了燃燒室材料，驗證了燃燒室渦流的效果，得出如下結(jié)論：

該實驗臺可以滿足活塞熱疲勞實驗的要求，利用該實驗臺可以進(jìn)行實機(jī)外發(fā)動機(jī)活塞的實驗分析。

利用偏置噴嘴可以在燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生繞燃燒室軸線旋轉(zhuǎn)的渦流，可以模擬發(fā)動機(jī)內(nèi)實機(jī)的氣體流動狀態(tài)。

燃燒室與火焰接觸的零件應(yīng)該用陶瓷制作。在實驗臺處于極限工況，以最大燃燒溫度實驗時，燃燒室材料不產(chǎn)生融化等失效現(xiàn)象，在整個工況范圍內(nèi)，燃燒室均滿足設(shè)計要求。