气门室罩盖高温烧蚀的仿真分析及改进

2018-04-10韩艳艳

内燃机与动力装置 2018年1期

韩艳艳

(奇瑞汽车股份有限公司动力总成技术中心,安徽芜湖　241009)

引言

发动机由多系统部件和多工作过程组成，任何一个部件或系统的改变都会对其他系统造成影响。整个发动机高性能的稳定输出，是各系统相互匹配、平衡的结果[1-2]。发动机热管理为一项系统工程，其研究的基本方法和手段为系统热流体分析。

增压直喷发动机高功率密度、高性能、高排温、排气增压后置及预催紧耦合式布置，与传统非增压发动机相比，排气侧温度场热源零部件显著增加。同时比传统非增压发动机排温升高近200 ℃。针对热源高温零部件对气门室罩盖带来的烧结问题，本研究基于Hpermesh、Flowmaster、CCM+等商业软件建立模拟分析平台[3-4]。从隔热罩的形状结构及气门室罩盖的材料等方面进行研究，通过仿真分析和试验验证，最终解决气门室罩盖烧结问题。

1　问题描述及建立模型

1.1　故障分析

图1　气门室罩盖台架试验烧结图

某款增压发动机在台架试验过程中发现气门室罩盖严重烧结，如图1所示。

经过对气门室罩盖烧结问题进行分析，发现烧结主要是由两方面因素导致：

1)气门室罩盖为排气歧管及增压器相邻零部件，且排气歧管及增压器表面温度达到700 ℃，对罩盖产生强烈的热辐射[5]影响。

2)此处区域的空气温度达到200 ℃左右，气门室罩盖同时受到高温空气的热传导影响。

1.2　整机模型搭建

整机模拟计算模型如图2所示。

a)几何模型　　　　　　　　　b)网格模型图2　整机模型

为了更真实地模拟发动机状态，与整机相关的模型均保留，尤其对排气侧的排气歧管、增压系统、预催以及隔热罩等均与实物状态保持一致，并对模型属性进行分类处理。

具体模型分类如下：

1)计算模型：气门室罩盖。

2)热辐射模型：排气歧管、增压器中间体及热端、预催上端锥、预催本体、预催下端锥。

3)本体模型：缸盖、缸体、框架、油底壳、正时罩盖、进气系统等。

4)热保护模型：增压器隔热罩、预催上下隔热罩、排气歧管上下隔热罩。

1.3　计算模型的处理

计算模型处理步骤为：

借鉴韩艳艳[6]等人的方法对于计算模型处理步骤如下：

1)获得PROE三维模型，然后将模型转化为IGS格式后导入到Hypermesh软件中。

2)在Hypermesh中，采用手动修补破面，删除多余模型表面，简化模型表面，分类划分面网格，然后以nas格式导出，如图2中网格模型所示。

3)将第二步得到的nas网格导入到CCM+中，进行包面并修补处理，以提升面网格质量，最后以ntl格式导入到热辐射计算软件中。对热辐射计算软件边界参数设置如表1所示。

表1　热辐射模型温度值

2　仿真分析及方案对比选择

2.1　仿真模型再现故障问题

仿真计算结果显示，气门室罩盖的工作环境较为恶劣，温度场风险较高，中尾部最高温度区域达235 ℃，远远超过材料的最高耐温130 ℃的限值，且与发动机台架试验所发现的气门室罩盖中尾部区域烧蚀现象一致。仿真结果见图3、图4和表2。

图3　气门室罩盖温度场仿真局部图

图4　发动机计算结果模型

部件名称采用材料计算高温区域大致温度/℃材料允许温度/℃气门室罩盖中尾部塑料(PA66)235～278-40～130

2.2　问题解决方案及仿真分析

为了规避气门室罩盖高温风险，通过分析分别采用以下几个方案进行优化设计。

方案1：对增压器隔热罩形状进行优化；

方案2：增加气门室罩盖隔热罩；

方案3：提高气门室罩盖材料耐温限值。

2.2.1对增压器隔热罩形状进行优化(方案1)

原增压器隔热罩与缸盖之间的间隙较大，导致热气通过间隙上窜对气门室罩盖进行热传导，因此对增压器隔热罩形状进行重新优化，缩小此处间隙。优化后模型及仿真结果如图5和表3所示。

图5　优化后增压器隔热罩及仿真结果

测量点名称试验值/℃原方案/℃方案1/℃气门室罩盖222235218

图6　气门室罩盖隔热罩方案1

由计算可以看出，优化增压器隔热罩外形结构解决了气门室罩盖中部高温热损害问题，但气门室罩盖尾部区域(即增压器隔热罩无法覆盖区域)的温度场风险依然存在。因此仅仅通过优化增压器隔热罩单方因素无法完全规避气门室罩盖温度场风险。

2.2.2增加气门室罩盖隔热罩(方案2)

对气门室罩盖隔热罩进行三种方案设计。

气门室罩盖隔热罩方案1:

针对气门室罩盖高温区域设计贴片式隔热罩，并进行温度场仿真计算，如图6所示，通过仿真计算的结果显示，气门室罩盖尾部区域的温度值在150 ℃以下，但是气门室罩盖下部区域温度在150 ℃以上仍然存在温度风险。分析原因，主要是由于隔热罩与气门室罩盖均为硬质材料，由于零部件设计要求及相关NVH要求，无法使得隔热罩完全贴在气门室罩盖表面，在隔热罩与气门室罩盖中间存在5 mm间隙，导致热气从间隙中间上窜，在此处区域形成热结果。

气门室罩盖隔热罩方案2:

此方案是在排气垫片上集成隔热罩对罩盖进行保护，此方案既可以阻断增压器对气门室罩盖的热辐射，又可以完全阻断热气上升对罩盖的热影响。设计及计算结果如图7所示。温度场仿真结果显示，气门室罩盖最高区域温度为140 ℃，完全满足材料耐温限值要求。但由于隔热罩与排气歧管垫片采用组合方式，对工艺要求较高，同时存在对排气歧管垫片的影响，虽然隔热效果较好，但工艺风险和排气漏气风险较大。

气门室罩盖隔热罩方案3:

结合气门室罩盖隔热罩方案1、2的设计思路，综合考虑方案1、2的优缺点，对气门室罩盖隔热罩进行设计，并进行温度场仿真计算，如图8所示。温度场仿真结果显示，气门室罩盖最高区域温度为150 ℃，正好满足材料耐温限值要求。

图7　气门室罩盖隔热罩方案2

图8　气门室罩盖隔热罩方案3

气门室罩盖隔热罩三种方案对比:

通过仿真计算显示，三种隔热罩方案中方案1隔热效果最差，虽然规避了气门室在罩盖绝大区域的温度风险，但仍然有小部分区域的温度仿真值较高达到210 ℃。方案2和方案3隔热效果相差不大，均能完全规避气门室罩盖的温度风险。具体对比如表4所示。

表4　气门室罩盖隔热罩仿真计算结果对比

同时通过其他维度对三种方案进行对比，对比如表5所示。

表5　三种气门室罩盖隔热罩综合对比

通过对工艺、成本、影响、风险和隔热效果五个维度对比，可以看出方案3最优。因此选择气门室隔热罩方案3进行样件制作并进行发动机台架温度场试验验证。

2.2.3提高气门室罩盖材料耐温限值(方案3)

由上面分析计算可以看出，单独采用方案1优化增压器隔热罩和单独采用方案2增加气门室罩盖隔热罩，均不能完全规避气门室罩盖的温度风险，因此需要提高材料的耐温限值。经过与气门室罩盖供应商沟通，通过改变PA66材料的具体成分比例，提高了气门室罩盖材料的耐温限值，方案3已经在其他零部件上推广使用，成本增加甚微。提高耐温限值的对比如表6所示。