1、 年第 期发动机水温对耐久考核强度的影响分析张福明,郝佳胜,窦红印,汪记伟(宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司,浙江 宁波 )摘要:发动机台架耐久试验过程中爆震频繁发生,影响发动机的运行安全,为了保护发动机和试验顺利进行,把水温从 改为 ,爆震强度有较大改善.为了评估降低水温对发动机耐久考核强度的影响,本文基于瞬态温度场结果,得到整个循环下的缸盖燃烧室和排气道温度分布,并基于瞬态温度场进行低周循环下的塑性应变分析,并计算出寿命值进行对比.分析结果表明:这两个部件在此试验中均存在有限的寿命值,说明循环负荷试验存在低周寿命验证的作用;水温降低后,缸盖燃烧室和排气道的寿命值并未降低,反而有所增加,说明
2、对热机疲劳的考核强度未减弱.关键词:爆震;耐久;水温;排气道中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()A n a l y s i so f I n f l u e n c eo fE n g i n eC o o l a n tT e m p e r a t u r eo nD u r a b i l i t yS t r e n g t hZ h a n gF u m i n g,H a oJ i a s h e n g,D o uH o n g y i n,W a n gJ i w e i(N i n g b oG e e l yR o y a lE n g i n eC o m p
3、o n e n t sC o,L t d,N i n g b o ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ek n o c k i n go c c u r r e d i nd u r a b i l i t ye n g i n eo nt e s tb e n c hf r e q u e n t l y,w h i c ha f f e c t e dt h eo p e r a t i o ns a f e t yo f t h e e n g i n e I no r d e r t op r o t e c t t h e e n g i n e a n d
4、o p e r a t i o ns m o o t h l y,t h e c o o l a n t t e m p e r a t u r ew a s c h a n g e df r o m t o,a n d t h ek n o c k i n gg r e a t l yd r o p p e d T oe v a l u a t e t h e i n f l u e n c eo f r e d u c i n gc o o l a n t t e m p e r a t u r eo nt h ed u r a b i l i t yv a l i d a t i o n
5、s t r e n g t h,t h i sp a p e ro b t a i n e dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc y l i n d e rh e a dc o m b u s t i o nc h a m b e ra n de x h a u s tp a s s a g eu n d e r t h ew h o l ec y c l eb a s e do nt h e r e s u l t so f t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e f i e l
6、d,a n dc a r r i e do u t s t r e s sa n a l y s i sb a s e do nt h e t r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l d,c a l c u l a t e dt h ep l a s t i cs t r a i nu n d e r l o wc y c l ef a t i g u e,a n dc a l c u l a t e d t h e l i f ev a l u e T h ea n a l y s i s r e s u l t s s h o wt h a
7、 t:,b o t ho f t h e t w oc o m p o n e n t sh a v e l i m i t e d l i f ev a l u e s,i n d i c a t i n gt h a t c y c l i c l o a dt e s th a s t h e r o l eo f t h e r m a l s t r e s sv a l i d a t i o n;A f t e r t h ec o o l a n t t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s,t h e l i f ev a l u eo f
8、c y l i n d e rh e a dc o m b u s t i o nc h a m b e ra n de x h a u s tp o r td o e sn o td e c r e a s e,i n s t e a d i n c r e a s e s,i n d i c a t i n gt h a t t h ev a l i d a t i o n i n t e n s i t yo f t h e r m a l f a t i g u e i sn o t r e d u c e d K e yw o r d s:K n o c k i n g;D u r
9、a b i l i t y;C o o l a n t t e m p e r a t u r e;E x h a u s tp o r t作者简介:张福明(),男,汉族,黑龙江安达人,硕士,工程师,主要研究方向:发动机台架试验开发.引言当发动机工作在高负荷下时,缸内燃料增加导致能量密度、燃烧温度、燃烧压力和放热率均明显增加,这会导致较高的压力升高率、燃烧噪声甚至爆震燃烧.发动机水温是其正常工作的重要指标之一,发动机工作时,水温不能过高,也不能过低.水温过低会导致燃油雾化效果差,燃烧不充分,容易形成积炭,造成活塞环卡滞.同时,也容易造成机油稀释,排放污染物超标等系列问题.水温过高会使影响正常的
10、配合间隙,导致运动件受阻甚至卡死.同时,水温过高也会导致发动机爆震的倾向增大,影响发动机的安全.尤其随着发动机的新技术越来越多的应用,热负荷越来越高,发动机爆震发生的频率也越高,且强度大,严重时会损坏发动机的零部件,常见如火花塞中心电极烧蚀、侧电极变形或活塞环岸断裂等故障,如图和图所示.一般情况下稳定循环工况并不会对部件造成失效.但交变类试验导致部件发生高低温的变化,此过程会产生较大的热应力,使结构产生较大的塑性变形,导致部件发生低周疲劳破坏.稳定的高温工况虽然会降低材料的机械性能,但振动等机械载荷并不会对部件造成很大的机械应力,王鹏等基于稳态的温度场,基于稳态的温度场,对额定工况下的排气管进
11、行了分析,得到部件的应力结果.图火花塞烧蚀图活塞环岸断裂试验边界优化台架耐久试验最初水温设定为 ,更多是出于经验.为了更真实地了解发动机在整车上的水温情况,在不同季节,采集了不同的路况,通过对比发现,夏季路普更典型和有更有代表性.因此重点对夏季路普进行了分析,包括高速,城市及山路等路普数据.统计结果表明,在正常内燃机与配件w w w n r j p j c n工作情况下,发动机水温基本保持在 之间,特殊驾驶工况下会偶尔出现水温异常高的情况.某款发动机在进行台架耐久试验过程中,爆震较为强烈,且频繁,最大点火退角能达到 C A,容易对发动机造成破坏,为了保护发动机和试验能顺利进行下去,对发动机的水
12、温进行了调整,由 改为,爆震整体强度有较大改善,平均爆震退角由约 C A降低到约 C A,主观爆震声音可以接受.为了评估降低水温后对发动机耐久考核强度的影响,需要对水温变化影响最大的部位,缸盖燃烧室和排气道进行热机疲劳分析.瞬态温度场分析循环负荷工况步骤较复杂,为了降低仿真的工作量,把循环负荷工况进行简化,从中抽取最典型和最苛刻的一步进行分析,如图所示.简化的工况为每个循环 s,从怠速工况变换到额定工况为 s,额定工况稳定时间为 s.从额定工况过渡到怠速工况为 s,怠速稳定时间为 s,水温分别控制为 和 ,如图所示.图转速变化图水温控制整个循环的温度是由多个稳态的特征点组成的,因此计算近似为瞬
13、态的过程.缸盖燃烧室和排气道的温度特征分布如图和图.燃烧室内A,B点位置如图,排气道内的C,D点位置见图.图燃烧室内温度图排气道内温度燃烧室和排气道内,升温阶段温度上升比较明显,这是由于发动机转速和负荷快于水温的变换,此时快速升温的气体是金属加热的主要影响因素,而随着水温也达到最高值后,温度上升趋于平缓.在降温初始阶段温度下降比较剧烈,是由于转速迅速和负荷快速降到怠速工况,此时燃气温度下降明显,同样随着水温下降到最低后,金属温度变换趋于平稳.温度变换曲线为图和图.水温时,燃烧室内最高温度为 ,最大温差为 .排气 道 内 最 高 温 度 为 ,最 大 温 差 为 .水温时,最高温度为 ,最大温差
14、 .排气道内最高温度为 ,最大温差为 ,统计数据见表.表温度场统计结果参数单位 水温燃烧室内A点燃烧室内B点排气道内C点排气道内D点 水温燃烧室内A点燃烧室内B点排气道内C点排气道内D点最高温度 最低温度 温度幅值 基于瞬态温度场下的寿命计算 塑性应变分析额定工况,缸盖燃烧室火力面在高温作用下向四周膨胀,而其四周温度低且膨胀小,这就限制了火力面自由膨胀,再加上螺栓预紧力的作用,使得火力面膨胀受阻,产生较大的热应力.怠速工况,相对于额定工况温度下降较大,缸盖燃烧室鼻梁区温度降幅最大,该部位应力相对于额定工况下降幅度最大,发生疲劳破坏的可能性最大.通过塑性应变的历程曲线来看,燃烧室内的A点以及排气
15、道内的D点,相对于其它的位置点,塑性应变更大,更容易开裂.塑性应变及累计损伤经过三个循环后均达到了稳定.图燃烧室内塑性应变历程另外,从塑性应变的累积过程可以看出,累积的过程发生在每个循环前 s转速快速增加的过程,此过程结构温度快速上升,而在转速持续阶段塑性应变并无增加.然后在 年第 期 s转速快速降低的过程中塑性应变又开始累积,此时结构温度快速降低,在接下来持续怠速的工况下塑性应变并无增加,且两个阶段对塑性应变的累积贡献几乎一致.图排气道内塑性应变历程 疲劳寿命计算从温度场和塑性应变的分析结果来看,缸盖燃烧室内的最大温差和塑性应变值都大于排气道的结果.一个循环分为四个过程,从怠速过渡到额定功率
16、点用时 s,在功率点保 持 s,降 回 到 怠 速 用 时 s,在 怠 速 点 保 持 s.开始几个疲劳循环中应力和应变并不稳定,进行寿命计算,需要稳定的结果,因此分析又分为三个阶段,初始循环阶段包括两个疲劳工况,然后持续数十个循环,目的是使蠕变特性表现出来,最后稳定循环阶段包括两个疲劳循环工况,最后一个循环用于疲劳分析 .基于瞬态温度场边界的缸盖疲劳寿命分布如图和图 所示,从寿命的分布情况来看,无论 还是 水温情况下,燃烧室内均是A点位置是最薄弱的地方.水温下寿命计算值为 个循环,水温下的寿命值是 个循环.其它条件相同的情况下,寿命值与考核强度的关系是,寿命值越小,说明每个循环的考核强度越大
17、.从计算结果来看,水温降低后,对缸盖的热机强度考核并没有降低,反而有所提高,与 水温下的缸盖燃烧室内金属在额定工况和怠速工况之间的温差更大是一致的.另外,总体寿命值远高于 次热冲击的行业标准,主要原因是发动机工况从从额定点和怠速工况之间来回切换,但是发动机的水温基本保持不变,因此对缸盖的整体冲击力较弱,因此寿命远远大于 次.图 燃烧室内疲劳寿命分布图 燃烧室内疲劳寿命分布排气道的计算结果与缸盖燃烧室结果类似,寿命分布结果见图 和图,下的D点位置寿命为 个循环,下D点的寿命为 个循环,显示水温降低后,寿命值没有降低,说明热机疲劳的考核强度并没有下降.从以上两部件存在有限的寿命来看,循环负荷工况存
18、在低周疲劳的验证效果.图 排气道内疲劳寿命分布图 排气道内疲劳寿命分布结论)台架耐久试验,水温降低后爆震强度有较大改善,平均爆震退角由约 C A降低到约 C A,可以保证发动机能安全、稳定的运行下去;)基于瞬态温度场的有限元分析可以得到燃烧室和排气道在循环交变工况中受到的热应力以及塑性应变的变化情况;)循环负荷工况简化后,基于瞬态温度场进行应力分析,计算低周循环下的塑性应变和寿命值;)分析结果表明:缸盖燃烧室和排气道在此试验中均存在有限的寿命值,说明循环负荷试验存在热机疲劳验证的作用;水温降低后,缸盖燃烧室和排气道的寿命值并未降低,反而有所增加,说明对热机疲劳的考核强度未减弱.参考文献:韩义勇汽油压燃(G C I)发动机燃烧稳定性提升和爆震特性及控制研究D天津大学,路明,路明,李云涛,蓝军,孙谦基于瞬态过程的增压器蜗壳开裂分析J内燃机与配件,():王鹏某发动机排气歧管的流动性能及热力学分析D大连:大连交通大学,新矢伸昭铸铁气缸盖低循环寿命预测方法的开发J国外内燃机,():朱小平,刘震涛,俞小莉热机耦合条件下气缸盖强度及疲劳寿命分析J机电工程,():刘勤,姬广振,侯新荣,等热固耦合条件下气缸盖结构可靠性设计分析J车用发动机,():邓帮林,刘敬平,杨靖,等某缸盖热机疲劳分析J湖南大学学报,():胡定云,陈泽忠,温世杰,等某柴油机气缸盖疲劳的可靠性预测J车用发动机,():
